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ZigBee技术在家庭无线控制系统中的应用

汪勇| ZigBee协议,无线传感器网络,智能家居,低功耗| 2010-11-24
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【中心议题】

  • ZigBee技术规范进行了概述
  • 设计了一种基于ZigBee协议的嵌入式智能家居系统

【解决方案】

  • 划分为外部网、家庭网关和内部网3个部分
  • 家庭内部节点主要由射频芯片CC2430LM3S系列微控制器组成
  • 嵌入式家居服务器实现家庭网络与外部网络的连接

引言

随着经济的发展和人们生活水平的提高如何提高人们的生活质量,让人们的生活更加舒适、便捷成为了各个学科领域的研究热点。计算机科学技术和无线通信技术的飞速发展使智能控制走进家庭成为可能。随着各种无线解决方案的提出以及无线集成芯片价格的下降,无线网络成为家庭智能控制系统的首选,这不仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性,省去花在综合布线上的费用和精力,而且更因为它符合家庭网络的通讯特点--近距离、实时、低速。随着ZigBee技术的不断改进、成熟更显现出在家庭智能控制领域的强大优势。本文简要介绍了ZigBee的协议,给出了基于该协议的智能家居解决方案,该方案真正实现了低成本、低功耗,实用性强,并具有较好的稳定性和强大的可扩展性。

1 ZigBee技术及其协议

ZigBee技术是一种新兴的近距离、低速率低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信技术,它主要工作在无须注册的ISM频段,典型传输范围在1075mZigBee主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率,降低帧开销并且实行严格的功率管理机制,例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。

ZigBee标准是基于IEEE802.15.4标准的ZigBee协议标准采用分层结构,每一层为上层提供一系列特殊的服务:数据实体提供数据传输服务;管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点SAP为上层提供接口,每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。ZigBee标准的分层架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要来定义的。ZigBee设备在工作时,各种不同的任务在不同的层次上执行,通过层的服务完成所要执行的任务。

2基于ZigBee的智能家居系统设计

智能家居网络的总体结构可以划分为外部网、家庭网关和内部网3个部分。该系统具有对家庭中的各种设备远程控制、远程查询、集中管理功能,为用户提供更为舒适、方便的生活方式,其中内部网包括家电控制、环境控制等、报警安防、三表抄送主要功能模块。其总体结构框图如图l所示。

 

2.1 ZigBee网络模型

2所示的ZigBee网络模型是一种混合星型和点对点拓扑的架构。图中的每一个节点都可以内嵌在某个传感器或家电设备内部,实现记录当前状态、等待查询、控制命令等。例如:节点A(网络协调器)内嵌人家庭网关中,完成建立网络和进行绝大部分路由选择:节点B(路由节点)可以内嵌入手机或PDA中,通过家庭网关遥控家电设备或者获取安防信息:节点C和节点D分别控制一个星型拓扑结构的信息家电网络和安防报警网络。它们接收家庭网关的控制命令。控制相关节点实现唤醒、查询、连动等操作,并支持低延迟设备等。

 

2.2子节点结构

ZigBee通信子节点需具备开关量数据采集、脉冲量数据采集、继电器触点输出、模拟量数据采集等功能,而主节点实际上是一个功能齐全的FFD设备,实现子节点和服务器的信息交互,是通过对家庭子网节点的管理,并与家居服务器通信来完成的。本设计中家庭内部节点(包括设备子节点和协调器主节点)主要由射频芯片CC2430LM3S系列微控制器组成,CC2430TI推出的符合IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络模块,它只需很少外围器件就可与MCU构成无线通讯系统,而LM3S系列是Luminary公司32位基于ARMCortexTM-M3的控制器,其有FCSSI(SPI)UART常用外设备总线,价格可低至1美元,充分配合了ZigBee成本低的优点。通过SPI接口可与CC2430收发器直接相连,控制器恰能满足家庭内部节点的控制或采集的需要。该控制器具有睡眠和深睡眠的低功耗设计,功率低至uA级,大大节省了传感器节点的功耗,并减少了信息上报的碰撞概率。节点在空闲时间处于睡眠状态,当用户有控制信号或者数据采集要求时采用中断将节点唤醒,完成数据采集或控制任务,并上报相关信息。其结构框图如图3所示。

2.3家庭网与外网的连接

嵌入式家居服务器实现家庭网络与外部网络的连接,设计是以ARM9系列的嵌入式微处理器S3C2410X作为硬件平台,以嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台,首先要建立Linux上的Web服务器,通过Web服务器将家庭内部无线控制网络与Intemet相连,然后设计存储在Web服务器中的HTML网页和相应的CGI程序,实现远端用户与网页交互的动态Web页面,远程终端的客户通过浏览器浏览家庭中的HTML页面提交命令和控制信息,Web服务器接收发送过来的数据,调用CGI程序对其进行解析,并将命令和控制信息通过ZigBee协议与家庭内部无线控制子网相连,执行远端用户的命令,实现远程控制管理的功能,然后将相应的数据返回到页面。目前该系统已在实验室实现并通过性能测试,验证了该方案的可行性。

3结束语

本文介绍的基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统,具有低功耗、成本低、通用性强等显著优点,随着无线传感器网络技术的进一步发展,它将成为智能家居发展的必然趋势。ZigBee技术弥补了低功耗、低成本和低速率无线通信市场的空缺,有着广阔的应用前景。

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