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        智能家居:以ZigBee技術實現控制器設計
        2019/3/29 8:48:00   嵌入式ARM      關鍵字:智能家居,ZigBee,控制器      瀏覽量:
        本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee技術將家庭中許多相對獨立的家用電器構成一個統一的智能家居系統,從而方便對家居中的各種電器設備進行本地操作,同時也可通過互聯網或GPRS系統對各種電器設備實現遠程控制。

        ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,在眾多領域有著廣泛的應用前景。

        智能家居是一個多功能的綜合技術系統,它以家庭住宅為平臺,利用先進的計算機技術、通信技術、網絡技術、控制技術、信息技術,將家庭中的各種電器設備通過某種形式的網絡有機地連接在一起,進行網絡化的綜合管理與調控,為人們提供一個舒適、安全、方便、環保和高效率的生活環

        本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee技術將家庭中許多相對獨立的家用電器構成一個統一的智能家居系統,從而方便對家居中的各種電器設備進行本地操作,同時也可通過互聯網或GPRS系統對各種電器設備實現遠程控制。

        一. ZigBee技術簡介

        ZigBee技術是近幾年逐步發展起來,很有市場潛力的一種無線連接技術。它是為了滿足低功耗、低數據量和低成本的無線網絡要求而誕生的。它基于IEEE無線個人區域網(WirelessPersonal AreaNetwork,WPAN)工作組的80211514標準,被稱為ZigBee技術標準。

        完整的ZigBee協議由應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成,如圖1所示。

        IEEE80211514標準定義了物理層(PHY)和數據鏈路層(MAC);網絡層以上的協議由ZigBee聯盟負責制定,其中應用層包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和由制造商制訂的應用對象。

        ZigBee以一個個獨立的工作節點為依托,利用無線通信,通過自組織方式組成星型、網狀和簇狀3種網絡結構,因此每個節點的功能并非完全相同。為了降低系統的成本,IEEE80211514定義了2種物理設備類型:全功能設備FFD (Full FunctionDevice)和精簡功能設備RFD(Reduced FunctionDevice)。FFD節點具備控制器的功能,提供數據交換,能夠作為網絡協調器、路由節點和終端節點來使用,可以與網絡中任何類型的設備進行通信;RFD只能作為終端節點來使用,而且只能與FFD通信,兩個RFD節點之間不能通信。

        Zigbee這一無線通信技術具有近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本、安全可靠、網絡容量大、自組織、自愈能力強等特點,可廣泛應用于多個技術領域,有著廣闊的市場前景。

        二 .基于Zigbee技術的智能家居控制器的設計

        智能家居系統的網絡通信具有如下特點:

        ①傳輸數據量小,無需太大的傳輸速度;②網絡的容量大,以滿足家庭中的各種家電設備;③信息的實時性好,時延短。

        ZigBee的技術特點決定了其能很好地滿足智能家居網絡的上述需求,特別是具備自組織、自愈能力,這樣的無線通信技術是智能家居系統理想的通信方式。

        1、 能家居系統的基本構成

        智能家居系統可通過GSM/GPRS/CDMA/網絡、ZigBee個域網、互聯網以及小區信息網實現信息的互聯互通。用戶在戶外可通過手機調控家中的電器和照明裝置,也可及時得到家中的防盜、防火、防煤氣泄漏等報警信息;在家中可通過遙控器調控家電設備?刂破鬟兼有可視對講系統室內主機功能,能查閱社區發布的各類信息,必要時可向社區保安發出報警求救信號。系統主要由一個智能家居控制器和若干個室內監控ZigBee功能模塊組成。系統模型如圖2所示。智能家居控制器經2個無線通信網絡、互聯網以及2條有線通信線路與外部設施實現信息的互聯互通,因而智能家居控制器又可視為數字家庭網關。

        智能家居控制器內部裝有手機模塊,通過GSM(GPRS、CDMA)移動通信網絡,與用戶手機實現雙向短消息收發。用戶可通過手機短消息實現對家用電器的電源開關控制以及調光、調速控制;控制器以手機短消息的形式向用戶手機發送報警信號,供防盜、防火、防煤氣泄漏以及家庭突發事件報警用。

        控制器內部裝有1個ZigBee模塊,通過Zig2Bee無線網絡與家居中的監控裝置進行通信,作為ZigBee網絡協調器(FFD)來使用。它負責組建智能家居ZigBee網絡,接收系統控制中心發送的指令,并做出相應地處理。同時還要將從路由節點(FFD)或終端節點(RFD)接收到的數據發送給系統控制中心。

        室內監控設備按用途可分為3類:第一類為開關與插座,最簡單的插座通過小電子開關的通斷實現對家用電器(如電飯煲、飲水機、電視、冰箱、空調、洗衣機、電動窗簾以及不需要調光的燈具)的電源開關控制;較復雜的智能開關和插座具有輸出功率可調的功能,用于吊燈、落地臺燈的調光或電風扇的調速等。第二類為傳感器產品,其中熱釋電紅外傳感器和門磁傳感器用于防盜,煙霧傳感器用于防火,瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏,還有手動報警按鈕用于突發事件(如孤寡老人突然發。┑膱缶。這些節點都帶有ZigBee模塊,作為網絡的終端節點(RFD)。第三類為手持遙控器,除實現對家用電器開關控制、調光調速控制外,還具備照明場景設定與控制功能。

        若小區配置有物管通信網絡和門禁對講系統,控制器兼備可視門禁對講系統的室內主機的功能。

        控制器上的液晶LCD顯示屏可顯示訪客的圖像畫面,與訪客進行對講或開鎖操作。此外,控制器可接收小區物管發送的各類文字信息;當室內發生意外時,可向小區物管發送報警信號?刂破鱾溆谢ヂ摼W接口,供用戶在異地時通過互聯網控制家中電器的運行,也可監視家中發生的事件。下一代互聯網的問世將為此項功能的應用提供極大的支持,到那時,每個家電及控制器本身都將有自己的靜態IP 地址,從而成為網絡中的一員。

        ZigBee的簇狀網絡綜合了星型和網狀結構的特點,我們在實際應用中利用智能家居控制器及ZigBee傳感器節點組成簇狀網絡。它具有良好的可擴展性,對于大戶型或別墅用戶而言,可以通過增加路由節點來擴大網絡覆蓋范圍;對于小戶型的用戶而言,可以通過減少路由節點變成星型網絡,以節省能量、加快數據傳輸速度。

        2、能家居控制器的硬件設計

        2.1 能家居控制器簡介

        智能家居系統的核心部件是智能家居控制器。其組成框圖如圖3所示,它以嵌入式處理器為中心,由手機模塊、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成。智能家居控制器是整個智能家居系統的控制中心,其硬件核心是中央處理器,所有的設備控制、任務調度、通信協議轉換、數據收發和數據管理等任務都需要中央處理器。從功能、可擴展性、操作系統支持及功耗等方面考慮,我們選擇功能強大的32位ARM9微處理器S3C2410X作為主處理器,存儲器選用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。

        在人機接口方面,采用5英寸的TFT液晶屏,并配置相應的觸摸屏?捎糜陲@示訪客圖像和小區物管發送的各種信息,并使用戶可方便地輸入數據去控制各種家居設備。另外為了控制方式更靈活,利用處理器的I2C總線接口設計鍵盤接口,從而可擴展各種控制、報警方式?刂破饔2個通信模塊:手機模塊和ZigBee模塊。手機模塊由主機模塊、SIM卡接口、音頻部分和射頻部分組成,采用SIMCOM公司生產的SIM300芯片(GPRS 模塊)。與ARM進行數據傳輸采用標準的RS - 232接口,通過使用AT命令完成對該模塊的操作,實現短消息的收發。Zigbee模塊采集各種家電設備運行狀態并接收各種故障報警信息,通過RS - 232接口與ARM進行數據傳遞。

        控制器配有以太網接口,配合控制器上建立的Web服務器,用戶可通過Internet完成對家庭環境及各種家電設備的監控。圖3中的RS - 485接口用于與小區物管的通信(與原有的小區網絡配合。若為新建小區,可直接使用以太網接口).利用MAX3232將ARM9的兩個USART收發器,組成兩個RS - 232端口和一個RS - 485端口。

        音頻接口利用微處理器內部的IIS總線接口與外部音頻數字信號編碼器芯片(UDA1341TS)組成。

        視頻接口采用中芯微的DSP芯片,將視頻信號轉換成微處理器能夠處理的JPG文件格式或二進制圖像流,經處理后送LCD屏顯示。

           2.2 能家居控制器中的Zigbee模塊

        ZigBee模塊采用全功能設備(FFD)類型,它在智能家居系統中承擔著網絡協調器的角色,可提供信息的雙向傳輸,以連接智能家居系統中其它精簡功能設備(RFD)。

        CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構,在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU (8051),具有128KB可編程閃存和8KB的RAM ,還包含模數轉換器、4個定時器、AES - 128協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路,以及21個可編程I/O引腳。

        CC2430芯片采用0118μm CMOS工藝生產,工作時的電流損耗為27mA ;在接收和發射模式下,電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

        CC2430帶有2個強大的支持幾組協議的US2ART通信接口,通過此通信接口中的一個,S3C2410X處理器可以對CC2430進行寫入或讀取配置信息,也可以收發數據。CC2430芯片集成了CRC和數據完整性檢查等功能,減少了程序員編程的工作量,加快了通信的速度,減少了能量消耗。同時,芯片還采用了CS2MA - CA技術來避免數據發送時的競爭和沖突,減少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗,其使用壽命可以年來計算,價格便宜,符合傳感器網絡需要大量分布節點的特點。

        控制器通過RS - 232接口利用Zigbee模塊采集各種家電設備運行狀態并接收各種故障報警信息。

        3、 能家居控制器的功能

        智能家居控制器操作系統選用開源的嵌入式Linux操作系統,通過裁減后移植到控制器硬件平臺上。該智能家居控制器將Linux,ARM系統、手機模塊和ZigBee模塊組成一個整體,構成了一個功能齊全的嵌入式系統,利用ZigBee技術輕松實現家庭內部多節點的無線連接。智能家居控制器的功能為

        (1)采用ARM架構的32位嵌入式RISC處理器和開源的嵌入式linux操作系統;

        (2)是智能家居控制系統的控制中心,也是家居系統中信息家電平臺的網關;

        (3)遇盜搶或疾病,按緊急按鈕,自動向管理中心報警;

        (4)以家庭為單位配置,利用液晶屏顯示小區通知、系統各部分工作狀況及數據;

        (5)利用ZigBee傳感器節點監測各種故障報警數據(火災、煤氣泄漏等),并自動通過手機模塊發給用戶或小區管理中心;

        (6)通過以太網(或RS - 485)與小區管理中心通信;

        (7)通過控制器上的無線ZigBee模塊與家居系統中各子節點進行通訊,對多種家電設備進行相應的控制;

        (8)用戶可通過Internet遠程監控家庭中的多種家居設備。

        智能家居控制器通過Zigbee模塊采集各種家電設備的運行狀態并將各種故障報警數據存入數據庫;對故障報警優先處理,通過手機模塊自動發送短信息到用戶手機或小區物管,并將現場數據實時存入數據庫,以便對各種信息進行進一步的分析和統計。在這里數據庫成為了連接前后臺的中間件,存儲狀態數據供遠程監控和本地LCD顯示,同時接收瀏覽器和本地鍵盤輸入,由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運行狀態的上傳;同時數據庫還需實現故障的分析統計和查詢。在本系統設計中,我們采用嵌入式數據庫SQLite以滿足系統遠程控制數據傳遞、數據共享的要求。

        控制器的軟件主要分為4個模塊:與數據采集接口的通信程序、故障報警程序、本地的人機交互程序和遠程控制程序。為了使用戶可以在Internet上通過瀏覽器控制智能家居網絡,需要在控制器(數字家庭網關)上架設Web服務器與用戶進行通信,并通過CGI接口調用后臺CGI程序。CGI程序在Web服務器和控制程序間建立聯系,調用具體的控制程序,實現對智能家居網絡內部節點的指定操作。它監控網絡,隨時隨地都能知道網絡內設備的狀態并控制網絡內的各種設備。網絡監控在家庭網絡中也是非常重要的,使用戶可以隨時了解網絡的狀況,如設備的加入退出、設備故障等等。

        三 .結語

        ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。智能家居控制器硬件由先進的ARM9嵌入式系統、手機模塊和ZigBee模塊組成;操作系統采用嵌入式Linux,家庭網絡采用ZigBee無線網絡,安全性好,系統功能完善,能夠適應今后智能家居發展的需要。

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