基于ZigBee技術的智能家居系統

摘要：為了滿足手機短信遠程控制家電設備的需要，應用GR64和CC2430為核心開發了一種基于無線傳感器網絡的智能化短信遠程控制系統。系統硬件部分主要由短信(SMS)收發模塊、紅外收發模塊、微處理器模塊、存儲模塊和供電模塊等組成；軟件部分給出了ZigBee無線通信協議的工作原理、家庭網關的設計流程。試驗表明，該系統具有良好的可擴展性、低成本、低功耗、低延時、低復雜度等特點，在智能家居系統中具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：智能家居；家庭網關；紅外線通信；SMS ZigBee GR64；CC2430

0 引言
智能家居(Smar Home)又稱智能住宅。智能家居是以家為平臺，兼備自動化、智能化于一體的高效、舒適、安全、便利、節能的住宅環境。智能家居系統是將家庭中各種與信息有關的通信設備、家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術聯網，進行有效的控制和信息交換，同時將家庭網絡與外網相連，利用遠程監控系統，實現對家居的遠程控制。雖然智能家居的概念已提出多年，但是由于相應的通信技術及應用領域的發展速度緩慢，一直沒有走向實用化。隨著傳感器技術、半導體制造技術、嵌入式微處理技術等的快速發展，尤其是無線傳感器網絡ZigBee技術的興起與成熟和GSM網手機用戶的日益普及，使得無線傳感器網絡在遠程環境監控、自動抄表、醫療護理、智能家居、遠程工業和交通控制等領域提供了切實可行的應用方案，標志著在不久的將來智能家居將真正地進入人們生活的各個方面。ZigBee模塊可以安裝在遙控器、電燈、電視、風扇、空調、微波爐、煤氣爐、門禁系統和其他各種家電設備中，實現家居的照明、溫／濕度、安全和電氣智能控制，通過ZigBee終端設備還可以收集家居的各種信息，傳送到家庭網關；或者通過遙控達到遠程控制的目的，提供家居生活的自動化、網絡化和智能化。隨著智能化家電設備的廣泛應用，人們迫切需要隨時隨地的了解并控制家電設備的運行狀態。本文結合用戶的實際需求，給出了一個基于ZigBee技術的家居遠程控制系統的設計方案，用戶可以使用手機發短信通過家庭網關對室內所有的家電設備進行遠程控制。

1 ZigBee技術
ZigBee是由ZigBee聯盟制定的面向低速無線個人區域網絡(LR-WPAN)的雙向無線通信技術標準，其物理層和數據鏈路層使用IEEE802.15.4標準，網絡層和應用層由ZigBee聯盟定義。與Wi—Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他無線接入技術相比，ZigBee具有的優勢如下：
(1)低功耗：工作模式下非常省電，并且支持休眠狀態；
(2)低速率：ZigBee工作在3個免執照的ISM(工業、科學和醫療)頻段上分別具有250 Kb／s(2．4 GHz)、40 Kb，／s(915 MHz)和20 Kb／s(868 MHz)三種不同的峰值數據速率；
(3)低成本；
(4)組網靈活、網絡容量大：ZigBee可采用星型、樹型和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的大網；
(5)短距離：傳輸范圍一般介于10～100 m之間；
(6)安全可靠性高，提供了數據完整性檢查和鑒權認證功能，采用AES-128加密算法，同時采取碰撞避免機制。
ZigBee網絡中的三種邏輯設備類型：ZC(ZigBee協調器)、ZR(ZigBee路由器)和ZED(ZigBee終端節點設備)。每個網絡都必須包括一個ZC。協調器的主要功能是建立網絡、傳輸網絡信標、管理網絡節點、存儲網絡節點信息和路由信息等。ZR既具有ZED的接入功能，又具有路由功能，可以作為遠程設備之間的中繼器來拓展網絡的范圍，負責搜索可用的網絡、傳遞或轉發與其連接的ZR或ZED的數據。ZED無路由功能，它和ZR可以從ZC或從任何已經進入網絡的ZR處獲得有關網絡的信息，據此設置操作參數，加入網絡。
ZigBee網絡中的三種拓撲結構：星型拓撲、樹型拓撲和網狀拓撲，如圖1所示。

(1)星型拓撲：節點之間的數據路由只有惟一的一條路徑。
(2)樹型拓撲：當從一個節點向另一個節點發送數據時，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協調器節點，然后再向下傳遞到目標節點。
(3)網狀拓撲：網狀拓撲結構是一種特殊的、按多跳方式傳輸的點對點的網絡結構，其路由可自動建立和維護，并且具有強大的自組織、自愈功能。網絡可以通過“多級跳”的方式來通信，可以組成極為復雜的網絡，具有很大的路由深度和網絡節點規模。
IEEE 802．15．4標準定義了兩種物理設備類型，FFD(全功能設備)和RFD(半功能設備)。FFD是具有路由功能的節點，可以實現ZigBee網絡的任意一種邏輯設備類型，它能與RFD或其他FFD通信。RFD只能充當ZED，不具備路由功能，只能選擇性地加入已形成的網絡，只能與FFD通信，使用最少的資源和存儲器空間。
家庭智能控制(如照明、遙控裝置、水電氣計量及報警、PC機外設的無線連接等)具有這些方面的特點：傳輸數據量小，無需太大的傳輸速度，網絡的容量要大，家庭中的各種設備多，易部署擴展性靈活性高，信息的實時性要好，時延要短，成本要低。ZigBee技術的特點決定了其能很好地滿足家庭網絡節點通信的需求。