基于嵌入式和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　ZigBee是一種新興的無線通信技術(shù)，它具有短距離、低功耗、低成本和低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)。而智能家居的特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量小，對(duì)帶寬要求低，但是需要的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性好，延遲要短，要求接入方便，系統(tǒng)續(xù)航能力久、可擴(kuò)展性強(qiáng)并且后期維護(hù)簡(jiǎn)單。這無疑使ZigBee技術(shù)成為了首選，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ZigBee">ZigBee技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域就是工業(yè)控制、電子設(shè)備和樓宇自動(dòng)化等，它的特點(diǎn)決定了ZigBee技術(shù)能很好地滿足智能家居系統(tǒng)的需求。

　　1系統(tǒng)總體方案

　　智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)大致可分為外部網(wǎng)(因特網(wǎng))、內(nèi)部網(wǎng)(ZigBee自組網(wǎng))和家庭網(wǎng)關(guān)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是核心部分，本系統(tǒng)以移植在tiny6410開發(fā)板上的Boa服務(wù)器作為家庭網(wǎng)關(guān)，它負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和協(xié)議轉(zhuǎn)換。下面介紹內(nèi)部網(wǎng)，這里的內(nèi)部網(wǎng)就是ZigBee自組網(wǎng)，根據(jù)家庭布局采用樹狀或者星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。ZigBee自組網(wǎng)包括各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)配合繼電器控制家庭中各種電器開關(guān)、溫濕度傳感器等家庭中需要被監(jiān)控的設(shè)備對(duì)象，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。從通信的角度講，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即為一個(gè)終端，它們相互間通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線通信。這里暫不考慮內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。

　　智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1智能家居總體結(jié)構(gòu)圖

　　2智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)關(guān)要處理來自Internet的數(shù)據(jù)，要求實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的硬件必須提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持，同時(shí)需要支持TCP/IP協(xié)議，因此需要操作系統(tǒng)來支持多任務(wù)。家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)由硬件和軟件共同組成的功能實(shí)體，將Boa服務(wù)器移植到ARM開發(fā)板作為網(wǎng)關(guān)使用。Boa是一個(gè)單任務(wù)的小型HTTP服務(wù)器，源代碼開放、性能優(yōu)越，特別適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　圖2家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

　　Boa服務(wù)器的建立較為簡(jiǎn)單，主要步驟包括：在開發(fā)主機(jī)上對(duì)其進(jìn)行解壓然后交叉編譯，接著配置服務(wù)器，主要是修改boa.conf文件，配置完成后就可以進(jìn)行移植了，移植成功后安裝完畢就可以運(yùn)行Boa服務(wù)器軟件了。在構(gòu)建好的嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行Boa服務(wù)器以及串口讀寫應(yīng)用程序，結(jié)合靜態(tài)網(wǎng)頁和動(dòng)態(tài)CGI程序可以讓命令從網(wǎng)頁下達(dá)到嵌入式服務(wù)器。通過CGI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器和串口讀寫應(yīng)用程序的調(diào)用，從而達(dá)到數(shù)據(jù)(也就是命令)從網(wǎng)頁到服務(wù)器再通過串口寫入ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的這樣一條正向的流程。當(dāng)命令發(fā)送至ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)后，緊接著讀寫應(yīng)用程序讀取ZigBee的反饋數(shù)據(jù)(主要是LED狀態(tài)以及傳感器讀數(shù))，讀取后存入ARM板子里的SQlite數(shù)據(jù)庫以供稍后的CGI程序調(diào)用并顯示在網(wǎng)頁上。

　　3 ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　從發(fā)展趨勢(shì)來看，無線自組網(wǎng)是智能家居網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。其是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee將是最低功耗和成本的技術(shù)之一。介于智能家居的規(guī)模，即網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大、節(jié)點(diǎn)較多等考量，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇星形結(jié)構(gòu)。

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，本節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2430芯片，在單個(gè)芯片上整合ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)MCU(加強(qiáng)型8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含ADC、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器。數(shù)據(jù)采集單元選用一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11.

　　家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是以IAR System公司的IAR Embedded Work bench為開發(fā)環(huán)境、以TI公司的ZStack協(xié)議棧為開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。ZigBee協(xié)議棧2006基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定，該協(xié)議的突出優(yōu)點(diǎn)是：組網(wǎng)能力強(qiáng)、適應(yīng)面廣、可靠性高、節(jié)能性好。ZStack協(xié)議棧由實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議不同功能的程序文件和庫函數(shù)組成。

　　4 ZigBee協(xié)議

　　ZigBee協(xié)議是家庭內(nèi)部網(wǎng)的基礎(chǔ)也可以說是核心，它的底層是IEEE 802.15.4，包括物理層和MAC層。ZigBee工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個(gè)頻段，而真正需要關(guān)心是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是路由，路由算法是它的核心，優(yōu)秀的算法能節(jié)省ZigBee的能源消耗，縮短延遲。網(wǎng)絡(luò)層上面是應(yīng)用層，它主要規(guī)定了一些與應(yīng)用相關(guān)的功能，也就是開發(fā)人員直接打交道的對(duì)象。

　　本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧工作流程如圖3所示。

　　圖3 ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

　　在智能家居ZigBee內(nèi)部自組網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器作用最為關(guān)鍵，它上接智能家居系統(tǒng)“大腦”也就是家庭網(wǎng)關(guān)，下接ZigBee自組網(wǎng)其他路由和終端設(shè)備，同時(shí)起到一個(gè)無線接口的功能。如圖3所示，協(xié)調(diào)器接收應(yīng)用程序從串口發(fā)來的命令并對(duì)其解析，解析命令獲取要控制的終端地址和控制命令，然后向指定的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送解析后的新的控制命令，尋址方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，通過協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址來發(fā)送，ZigBee自組網(wǎng)中的命令結(jié)構(gòu)如圖4所示。終端收到命令后作出相應(yīng)動(dòng)作并反饋?zhàn)约旱臓顟B(tài)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到反饋數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)通過串口發(fā)回給家庭網(wǎng)關(guān)，也就是嵌入式服務(wù)器，并由應(yīng)用程序來讀取。以上就是ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)工作流程。

　　圖4命令結(jié)構(gòu)

　　本文實(shí)現(xiàn)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單，即建立嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)和ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，其功能齊全，并且可根據(jù)實(shí)際情況和個(gè)人需求增減傳感器以節(jié)約成本，可為任何家庭提供量身訂制的智能家居監(jiān)控服務(wù)。本系統(tǒng)可以根據(jù)家庭環(huán)境的改變隨時(shí)添加設(shè)備節(jié)點(diǎn)，安裝方便，實(shí)現(xiàn)了智能家居的人性化控制。此項(xiàng)技術(shù)將Web技術(shù)與嵌入式技術(shù)結(jié)合并擴(kuò)展，在此項(xiàng)目設(shè)計(jì)上稍加改動(dòng)即可添加更多功能的傳感器，此項(xiàng)技術(shù)也可以廣泛地運(yùn)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。