zigbee让智能家居系统更加人性化

智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

智能家居是在家庭产品自动化、智能化的基础上，通过网络按拟人化的要求而实现的。智能家居可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术，把与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起。与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通。

智能家居强调人的主观能动性，要求重视人与居住环境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境。因此，具有相当于住宅神经的家庭网络、能够通过这种网络提供各种服务、能与 Interact相 连接是构成智能化家居的3个基本条件。

ZigBee是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，具有近距离、低功耗、低数据率、低成本、安全等优点，特别适合设计应用在小型的建筑物自动化设备中，比如温度自动调节装置、灯光控制设备、环境传感器等，因此适用于家庭控制。

基于 ZigBee技术 的智能家居解决方案采用以单户家庭为单元的通信控制模式，在每一个家庭中都安装一个家庭网关（负责用户控制信号及家电反

收稿日期：2007—05—14；修回日期：2007—08—24

基金项目：成都电子机械高等专科学校 2007年重点项 目

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第47卷 第5期国讥技Vo1．47 No．5

2007年 10月Telecommunication EngineeringOat．2007

馈信息的接收和转发 ），及若干个与家电设备相连 的地址由 ZigBee的网络协调节点 （NetworkCoordi—

的分控终端（控制该家庭的所有电器），家庭网关和 nator）负责分配。另外，每个节点的传输范围在 30 分控装置由家庭总线相连，家庭总线采用 ZigBee无 ～ 100ITI之间，而且传输的距离还可以通过使用功线通信方式。此装置便于家庭独自管理，安全性、可 率放大器和多跳网状网络结构得到延伸。

靠性高。

2 ZigBee技术分析

ZigBee是 ZigBee联盟的产物，这个由国际上 100

多家知名软硬件公司组成的联盟致力于制定一个短距离、低速率、低功耗的无线网络标准，其主要目标市场为楼宇自动化、工业监控和家庭自动化领域。ZigBee标准于2OO4年 12月获得联盟表决通过。

ZigBee技术在智能家居领域有广阔的发展和应用前景：首先，ZigBee技术是一项低成本、低功耗的无线解决方案，采用 ZigBee技术的无线传感器使用

图 1 ZigBee协议栈架构

2．2 ZigBee网络的构成

2．2．1设备分类及功能

普通的干电池即可工作 1～2年 ，而 ZigBee芯片 的 在 ZigBee的网络 中，支持两种类型的物理设

价格将在 1～2年 内降低到 2美元左右；其次，Zig．备：全功能设备和精简功能设备。

Bee技术支持网状网络结构，这使得 ZigBee网络具 （1）全功能设备（FulFunctionDevice，FFD）

有自组织、自修复的能力，提高了网络的可靠性；第 支持任何拓扑结构；可以成为网络协调器或网

三，ZigBee网络支持数量众多的节点，这点对于 智 能络路由；能和任何设备通信。

一～（2）精简功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）

家居系统中需要大量的传感器和控制器的场合是非

常重要的。 只用在星型拓扑中；不能成为网络协调器；只能

2．1 ZigBee协议栈架构 川胍和网络协调器通信；实现非常简单。

戤

ZigBee技术建立在 IEEE802．15．4标准：2技术之上。IEEE802．15．4是一个支持低功耗、低数据传输率的无线网络标准，主要是设计用来进行远程监测与控制的应用。2003年 5月，IEEE802．15．4标准得到了正式批准。IEEE802：15．4是一个简单的但功能却十分强大的数据包协议，它通过确认、错误检测、区分优先次序的通信、直接序列扩频技术 （Direct

SequenceSpreadSpectrum，DSSS）和用户选择安全等级

此外，ZigBee网络按照节点类型来分，支持 3种节点：主节点、路由节点以及终端节点。主节点就是协调器，必须由一个 FFD构成 ，它是网络的核心，负责建立一个网络并下发地址。路由节点也是一个FFD，搜索网络并加入，给加入路由的终端节点分配地址。路由节点仅仅是网络中的一个无线收发器，它负责转发通信和维护网内路径。终端节点是网络中最简单的节点，它可以是一个 FFD或者 RFD。

等技术来提供无线通信的高可靠性。IEEE802．15．4标2．2．2地址分配模式

准同样只规定了开放式系统互联参考模型中的物理层所有 ZigBee设备均将有一个 64 bit的 IEEE地

和介质访问子层，其中物理层定义了 3个许可的频率址，这是一个全球唯一的设备地址，需要得到 ZigBee

频段，它们分别是2．4GHz（最高传输速率250kbit／s）、联盟的许可和分配。在子网内部，可以分配一个 16

915MHz（最高传输速率 40kbit／s）和 868MHz（最bit的地址作为网内通信地址，以减小数据包的大

高传输速率 20kbit／s）。小。地址模式有 2种 ：

ZigBee技术在 IEEE802．15．4所定义的基础上（1）星型拓扑：网络号加设备标识，本文中采用

又增加了网络层、安全层和应用轮廓层 （Application这种分配模式；

Profiles），整个协议架构如图 1所示。ZigBee支持星（2）点对点拓扑：直接使用源／目的地址。这种

型、网状和树簇状的网络拓扑结构。在每一个 Zig．地址分配模式决定了每个 ZigBee网络协调器可 以

Bee网络中最多可以拥有 65535个节点，每个节点支持多于 65535个设 备，而多个协调器可以互连，

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从而可以构成更大规模的网络，逻辑上网络规模取 Internet和 ZigBee网络 。决于频段的选择、节点设备通信的频率以及该应用 3．2 家庭网关

对数据丢失和重传的容纳程度。 家庭网关是系统的灵魂和核心控制所在，它是

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 100m 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间。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。

豆 豳 照明

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。

ZigBeel~

圆

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

带嵌人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。

家庭网关具备连人 Internet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，防止财产受到人侵者的破坏，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 ~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Internet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人式系统，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 ~Clinux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。