基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统概要.docx
《基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统概要.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统概要.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统概要
万方数据
万方数据
第47卷第5期2007年lO月
国讥技求
TelecommunicationEngineering
V01.47No.5
Oct.2007
从而可以构成更大规模的网络,逻辑上网络规模取决于频段的选择、节点设备通信的频率以及该应用对数据丢失和重传的容纳程度。
2.2.3智能家居的网络拓扑选择
建立一个无线网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑,网络拓扑的结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。
象家庭这样的小型局域网通常采用的是星型网络,如图2,成本低廉,结
构简单,连接容易,容易扩充和管理。
这种星型结构
的特点是对中心节点的依赖性很大,中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪。
家庭内部无线网络连接距离较短,一般在100
m
以内,家用电器位置容易改变,家庭电器等的数量也
容易变化,网络中的信息传送主要在家庭网关和其
他室内终端之问。
根据家庭网络的这些特点以及以
上介绍的无线网络拓扑结构,本文以家庭网关为中心节点组建了一个星型家庭网络。
ZigBee技术最大
传输距离150m。
完全满足家庭网络需要。
实践证
明,星形家庭网络组网简单,实用可靠。
图2智能家居星形网络
3基于ZigBee的智能家居系统
3.1系统总体方案
智能家居系统的总体框图如图3所示。
图3智能家居系统的总体框图
从图中可以看出,智能家居整体系统主要由远程控制界面（Web页面、家庭网关以及家庭内部的家电网络和传感器网络几部分组成。
网络总体上分为家庭外部网络和家庭内部网络两部分,分别对应
Internet和ZigBee网络o3。
2家庭网关
家庭网关是系统的灵魂和核心控制所在,它是
带嵌入式系统平台的专用主机,并且外接一个Zig-
Bee短程无线收发模块,以实现对家庭区域网内的
各种信息家电和传感器的控制。
家庭网关对外可以
提供各种远程智能控制接口,操作者可以通过任何
一台连接到Internet的PC机访问Web页,对家中的
终端节点进行数据访问或者控制。
家庭网关具备连入Intemet的功能。
通过一个
用户友好的Web界面,用户可以轻松了解家里的情况,防止财产受到入侵者的破坏,并且只需要点击鼠标就可以从全球任何地方控制日常家电设备的运行。
家庭网关的结构及功能为:
（1采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和t上Clinux操作系统;
（2通过门锁进行自动设防/解防;
（3遇抢劫或疾病,按紧急按钮,自动向管理中心报警;
（4每家每户配有自己的网页,通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据,并可通过Intemet对家中的终端节点进行数据访问或者控制;
（5水、电、气各表数据发给物业管理中心;
（6通过以太网与小区管理中心通信;
（7通过网关上的无线ZigBee模块与网络中各
子节点进行通信,实现统一控制。
利用ZigBee技术能够轻松实现家庭内部节点
的无线连接。
因此,设计家庭网关则主要实现家庭网络与外部网络的连接、协议转换以实现远程控制。
由于我们定义的家庭网络内部只采用ZigBee技术
进行无线连接,所以我们不需要考虑家庭网络内部
不同协议的转换,而主要考虑实现Internet接人及
TCP/IP与ZigBee协议转换功能。
家庭网关实际上就是一个功能齐全的嵌入式系统,硬件设计上采用功能强大的ARM芯片加上其他功能模块,如图4所
示,而主要的工作在软件开发上,移植;zClinux操作系统,并在其上开发驱动程序、应用程序。
为了使用户可以在Internet上通过浏览器控制家庭网络,需
要在网关上架设Web服务器与用户进行通信,并通
过CGI接口调用后台CGI程序。
CGI程序在Web服务器和控制程序间建立联系,调用具体的控制程
序,实现对家庭网络分控终端的指定操作。
・65・
—刻丽型
挈圆
夕瑰八
万方数据
第47卷第5期2007年lO月
也讥杖岔
TelecommunicationEngineering
V01.47No.5
Oct.2007
lI!
‘源时钟示部按键
LPc2200
ARM7
CPU
RTL8019.
Interne接
RAM
Flash
USB
Bee接
图4家庭网关的总体结构图
3.3无线分控终端
终端节点单元包括以下两部分部件:
射频收发模块、传感器或受控终端以及两者之间的接口控制模块。
射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口,进行网络中各节点设备的网络无线连接和无线数据或指令的收发。
系统的终端传感或受控单元主要进行环境中温度、湿度等各种数据的采集,或者进行有人闯入或者有毒气体等意外灾难睛况的探测以及对各种网络家电的控制。
这种控制或者检测功能需要通过接口控制模块来直接操作并完成。
终端节点设备相对于家庭网关来说功能要简单得多,不需要对网络进行管理,它只负责数据的接收和发送,传感器数据的采集处理,执行机构的控制以及终端设备自身的管理,所以可以选用相对集成度高、价格便宜的控制芯片来降低整个网络的成本,CC2430芯片正是最佳的选择。
图5为终端设备节点的硬件框图。
图5终端设备节点的硬件框图
CC2430芯片是Chipeon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4GHz射频系统单芯片,在CC2420的基础上绑定了ZigBee协议栈,并集成了一个8位MCU（8051、128KB闪存、8KBRAM和其他一些功能,适用于IEEE802.15.4和ZigBee应用。
其它关键性能包括:
工作在mesh网络系统中仅需一只晶体;优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性;在休眠模式时仅0.9斗A的流耗,外部的中断・66・或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6斗A的流耗,外部的中断能唤醒系统;硬件支持CSMA/CA;数字化的RSSVLQl支持和强大的DMA功能;最高可达8个输入通道且可设置分辨率的ADC;集成AES安全协处理器;带有2个强大的支持几组协议的USART,以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器、1个常规的16位计时器和2个8位计时器;21条通用I/O管脚,其中两条管脚具有20mA的电流吞/吐能力;强大和灵活的开发工具。
4结语
ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,在智能家居系统中,将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。
可以预见,随着越来越多内置ZigBee功能的设备投入市场,将能构建更舒适、更方便、更安全、更环保的智能家居。
本文介绍的基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统在实际使用中效果良好。
参考文献:
[1]MicrochipStackfortheZigBeeProtocol[z].Microchip
TechnologyInc.2007.
[2]KhanhTuanLe.RFICsystemarchitect,ChipCon.ZigBee
SoCsprovidecost—effectivesolutions[EB/OL].http:
//
WWW
173600329,2005.
[3]VisionfortheHome—ZigBeeWirelessHomeAutomati011
[z].ZisbeeAlliance,2006.
[4]ZigBeeSpecification（version1.0[z].ZigbeeAlliance,
2005.
[5]张周,周剑扬,闫沫.ZigBee在智能家居系统中的应用
研究[J].工业控制计算机,2006,19（12:
7-9.
作者简介:
李成大（1969一,男,黑龙江绥化人,
硕士。
副教授,主要研究方向:
计算机网
络、信息安全、工业测控系统,（电子信箱
cdlicd@tom.corn;
张京（1969一,女,四川自贡人,硕士,副教授,主要研究方向:
管理信息系统、分布式计算、计算机网络;
倪继烈（1961一,男,湖南衡阳人,副教授,主要研究方
向:
计算机控制技术。
万方数据
基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统
作者:
李成大,张京,倪继烈,LICheng-da,ZHANGJing,NIJi-lie
作者单位:
成都电子机械高等专科学校,计算机系,成都,610031
刊名:
电讯技术
英文刊名:
TELECOMMUNICATIONENGINEERING
年,卷（期:
2007,47（5
被引用次数:
7次
参考文献（5条
1.张周;周剑扬;闫沫ZigBee在智能家居系统中的应用研究[期刊论文]-工业控制计算机2006（12
2.ZigBeeSpecification（version1.02005
3.VisionfortheHome-ZigBeeWirelessHomeAutomation2006
4.KhanhTuanLeRFICsystemarchitect,ChipCon.ZigBeeSoCsprovidecost-effectivesolutions2005
5.MicrochipStackfortheZigBeeProtocol2007
相似文献（10条
1.期刊论文张福学.ZhangFuXueZigBee技术在智能家居网络中的应用-电子技术2008,45（12
介绍了ZigBee技术在智能家居网络中的应用.重点阐述了ZigBee技术在智能家居网络的组成、通讯协议以及无线ZigBee节点的软硬件设计.使用ZigBee技术的智能家居网络其具有成本低、功耗低、覆盖范围大的特点.特别是其符合IEEE802.15.4协议,与其它符合标准的产品的实现简单便捷地互联,具有优异的通用性和可扩展性.
2.学位论文李颖丽ZigBee路由协议研究及在智能家居网络节能控制中的应用2008
随着数字化和网络化的飞速发展,无线通信网络在我们的生活中起到了日益重要的作用。
其中ZigBee作为一种新型的无线通信技术,凭借其低功耗、低成本等优势已经在各个领域得到了广泛应用。
特别是将ZigBee技术应用于智能家居网络已经成为势不可挡的趋势,而家居网络节能更是越来越受到社会的重视。
本文正是以智能家居网络节能为研究背景,对ZigBee路由协议进行了研究,并通过仿真对ZigBee路由协议的性能进行了深入分析。
能量问题对ZigBee网络是非常重要的,如何延长网络的生存期一直是ZigBee路由协议设计的重要目标。
本文针对ZigBee网络能量消耗问题做了两方面的研究。
首先为了解决网络节点过早死亡的问题,提出了ZigBee能量均衡路由算法。
其次为了最大限度地利用有限能量,提高整个网络的生存时间,提出了一种节能策略EA—AODV路由算法。
对EA—AODV进行仿真的结果表明,该节能策略是行之有效的,并有较好的性能提升。
最后提出了基于ZigBee的智能家居网络的组建方法,并将EA—AODV应用在智能家居网络的节能控制中。
采用NS2系统仿真工具搭建了智能家居网络的仿真环境,在此基础上,对智能家居网络的能耗进行了分析。
研究结果表明,本文所做的研究工作在提高智能家居网络性能和节能上取得了一定的成果,为实际系统的设计和规划提供了参考模型和参考数据。
相信随着无线技术的不断完善与发展,市场的逐渐成熟,社会的更加关注,ZigBee技术会在智能家居节能控制领域取得更广泛的应用,智能家居也会为人们提供更美好的高品质生活。
3.期刊论文叶兴贵.缪希仁.YEXinggui.MIAOXiren基于ZigBee的智能家居物联网系统-现代建筑电气
2010,01（9
分析了我国智能家居环境的特点,对几种常见的无线通信技术作了分析比较.重点阐述了ZigBee无线通信技术适用于智能家居系统的原因.提出了建立基于ZigBee无线通信技术的智能家居物联网系统架构的具体实施方案.最后对物联网的发展前景作了展望.
4.学位论文金东勇ZigBee技术在智能家居控制系统中的应用研究2008
随着信息技术和网络技术的高速发展以及人们居住理念的变化与提升,家居智能化和家电网络化逐渐成为热门话题。
智能家居是指将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来,从而构筑舒适、安全、方便的信息化居住空间,满足人们在家中生活、工作、娱乐和交流的需要,提供安防、社区管理和人们外出时了解家居状况的手段。
传统的家庭控制网路大多采用有线技术,这类方案缺点是扩展性能差、布线繁琐、费用高。
本文应用ZigBee无线技术构建的家庭控制网络扩展性能好,不需要额外布线,完全符合家庭网络的构建原则,并且ZigBee技术是一种低速率、低成本、低功耗、近距离的无线通信技术,其在智能家居系统的应用上有不可替代的优势。
首先,本文通过对智能家居系统中使用的相关技术进行比较和分析,指出ZigBee无线技术是目前最适合用在智能家居系统中的技术之一。
并详细分析了ZigBee技术标准体系,尤其对ZigBee的协议栈与网络拓扑进行了深入研究,这是搞ZigBee应用开发必须奠定的基础知识。
接着提出了智能家居系统的整体设计方案,以及在设计中应注意的问题,在此基础上,开发了家庭网关和终端节点。
其中家庭网关的开发是本课题的核心部分,详细阐述了网关节点开发平台的建立过程及其硬件设计。
家庭网关的软件开发包括底层驱动程序设计和应用程序开发,在ZigBee协议MAC层,针对智能家居网络的特点,对带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA协议做了改进,提出使用周期性侦听和睡眠机制。
改进后的协议在有效解决信道碰撞问题的基础上,并具有良好的扩展性,也降低了节点能量的消耗。
然后针对ZigBee网络与家庭控制网络的特点,设计能有效工作的路由协议,该协议支持自组织组网,支持网络拓扑动态变化,并具有自愈功能。
能够自动进行路由发现及维护,家庭网络的建立、增加和删除节点及节点位置发生变动,不需要人工干预,系统可以自动完成。
另外本系统无论在硬件设计还是在软件实现上,都对低功耗做了考虑,硬件上选用低功耗芯片,软件上采用工作/休眠交替的无线信道使用机制。
最后设计了一个简单的验证实例,对该智能家居系统工作运行情况进行了测试,测试结果显示系统运行状态良好,基本实现了智能家居系统的基本功能,达到了预期效果,在功耗方面本系统也符合低功耗的设计要求。
5.期刊论文叶兴贵.缪希仁.YEXinggui.MIAOXiren基于ZigBee的智能家居无线传感器网络系统设计与实现-现代建筑电气2010,01（11
设计了一种基于ZigBee无线通信技术的智能家居传感器网络系统.介绍了系统的硬件组成及设计思路、软件设计思路、ZigBee工作原理等.并通过试
验验证了系统的功能实现情况.指出ZigBee技术和各种传感器技术在未来智能家居领域中的应用具有广阔的发展前景.6.期刊论文陈龙涛.罗桂娥.周卫.唐玮圣.CHENLongTao.LUOGuiE.ZHOUWei.TANGWeiSheng基于ZigBee技术智能家居系统的研究与设计-微型机与应用2010,29（20分析了现代智能家居的特点,重点剖析了ZigBee技术及其协议,提出了一种基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与实现方案.重点阐述了该系统的组成、网络拓扑结构、主控制器以及ZigBee无线通信节点的软硬件设计.该系统能满足现代智能家居的要求,具有良好的通用性和可扩展性.7.期刊论文吴铁洲.周慧军.李飚.WUTie-zhou.ZHOUHui-jun.LIBiao基于ZigBee技术的智能家居系统设计-湖北工业大学学报2010,25（1新兴的ZigBee无线通信技术由于其低功耗、低成本、短距离和易于开发等优点,特别适合于智能家居的组建.研究了智能家居中ZigBee技术在信息感知和信息传输方面的应用,给出基于ZigBee技术的智能家居系统设计方案.8.期刊论文吴却.廖力清.WUQue.LIAOLi-qing一种基于ZigBee的智能家居无线传感器网络的设计-桂林航天工业高等专科学校学报2010,15（4论文经过对目前市场上众多无线通信技术的简要比较.根据智能家居控制系统对控制信息和数据信息传输环境的需求,设计了一种基于ZigBee的智能家居系统的低功耗无线传感器网络.该系统无线网络模块采用的无线收发器是CC2430,采用ZigBee星形拓扑结构组网,具有一定的实用价值.9.期刊论文南忠良.孙国新.NANZhong-liang.SUNGuo-xin基于ZigBee技术的智能家居系统设计-电子设计工程2010,18（7根据智能家居最新定义,利用网页和手机两种远程控制方式,结合Pc机,再将CC2430无线ZigBee模块、ATMega128单片机、射频身份识别（RFID模块和全球数字移动电话系统（GSM模块组成系统控制中心,通过无线ZigBee网络,Internet和GSM网络完成对室内所有监控节点、选择添加的家用电器的本地和远程控制,从而为用户提供一种智能、灵活、方便的生活空间.该系统设计具有添加新设备灵活,远程控制方便和个人信息管理智能等优点.实验结果表明:
系统在多协议数据传输过程中可靠性高,能够实现智能家居的各种控制功能.10.学位论文李海秋基于ZigBee的智能家居系统设计与实现2009智能家居作为未来家居的发展趋势，提供给用户安全、舒适和便利的生活环境。
文章分析了国内外智能家居发展的现状，并对智能家居关键技术作了分析研究，使用无线方式组建智能家居内部网。
通过比较应用在智能家居中的各种无线技术的特点，ZigBee技术的低成本、网络容量大、自组织性和灵活的组网方式等特点都非常适合智能家居内部组网。
文章分析了ZigBee协议栈的体系结构，对ZigBee的网络拓扑进行了研究，然后从系统和应用的角度阐述了智能家居系统的总体设计方案，分别叙述了系统的硬件组成和软件设计。
家居内部使用ZigBee组建无线网络，家居内部网络和外部网络的通信则利用GPRS/GSM网络，从而可实现整个系统的无线组网。
本系统采用高性能、低功耗无线微处理器JN5139作为硬件平台构建家居内部网络，内部网络的拓扑形式采用星型拓扑。
内部网与外网通信使用低功耗GPRS/GSM模块MC55。
系统的内部组网基于Jennic的ZigBee协议栈构建，家庭网关程序的设计充分考虑了公用通信网络的缺点，进行了容错设计。
最后对智能家居系统进行了调试，给出了系统的调试结果，并对ZigBee技术在智能家居中的应用作了展望，指出了系统的不足。
引证文献（7条1.曹帅.刘纯天基于Zigbee与红外遥控技术的家居无线控制网络设计[期刊论文]-机电产品开发与创新2010（12.柯居鑫.徐杜.蒋永平.张顺扬基于ZigBee的无线遥控系统的应用研究[期刊论文]-仪器仪表用户2009（23.胡笛.刘宏.郑群花基于802.11b和Zigbee相结合的信息家电系统的设计[期刊论文]-电脑知识与技术2009（344.张延丽.阎有运.屠东兵基于ARM9和ZigBee的智能家居系统的设计[期刊论文]-现代计算机（专业版）2008（55.陈强.许乐平.王艳基于ARM9和ZigBee的智能家居系统的设计[期刊论文]-武汉科技学院学报2008（66.邓春健.李文生.刘伟.吕燚.罗仁泽无线智能家居通信系统抗干扰编解码器的实现[期刊论文]-低压电器2008（207.罗亮.李众立.廖晓波.权秀敏ZigBee技术在ARM数控系统组网中的应用[期刊论文]-兵工自动化2008（7本文链接：
下载时间：
2011年5月28日
升级会员 