摘  要： 分析了現(xiàn)代智能家居的特點(diǎn)，重點(diǎn)剖析了ZigBee技術(shù)及其協(xié)議，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的組成、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主控制器以及ZigBee無線通信節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代智能家居的要求，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。智能家居是一個(gè)居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實(shí)施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。

　　智能家居是一個(gè)居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實(shí)施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。

　　智能家居集成是利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)備集成。由于智能家居采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的不同，大多數(shù)智能家居系統(tǒng)都采用綜合布線方式，但少數(shù)系統(tǒng)可能并不采用綜合布線技術(shù)，如電力載波，不論哪一種情況，都一定有對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來完成所需的信號傳輸任務(wù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是智能家居集成中關(guān)鍵的技術(shù)之一。安全防范技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，在小區(qū)及戶內(nèi)可視對講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報(bào)警、與家庭有關(guān)的小區(qū)一卡通等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。自動(dòng)控制技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在智能家居控制中心、家居設(shè)備自動(dòng)控制模塊中，對于家庭能源的科學(xué)管理、家庭設(shè)備的日程管理都有十分重要的作用。音視頻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境舒適性、藝術(shù)性的重要技術(shù)，體現(xiàn)在音視頻集中分配、背景音樂、家庭影院等方面。綜合這些特點(diǎn)，ZigBee技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能家居比較合適的選擇。

　　1 ZigBee協(xié)議

　　ZigBee技術(shù)是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術(shù)，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個(gè)簡化標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議[2]包括物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層、應(yīng)用層及應(yīng)用層規(guī)范。IEEE 802.15.4[3]定義了下面的兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計(jì)。應(yīng)用層的結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和用戶自定義的應(yīng)用服務(wù)。與其他的無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比，ZigBee協(xié)議組件簡單緊湊，對某種具體實(shí)現(xiàn)的要求很低，實(shí)現(xiàn)相對容易。

　　ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路提供服務(wù)。下面的層為上面的層執(zhí)行一組特定的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供管理服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)SAP為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP支持多種服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)要求的功能。

　　1.1 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是：

　?。?）低成本：每塊ZigBee芯片的價(jià)格大約為2美元，且Zigbee協(xié)議；

　?。?）低功耗：在待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月；

　　（3）低速率：數(shù)據(jù)傳輸速率只有 20 kb/s～250 kb/s；

　?。?）近距離：單個(gè)設(shè)備的有效覆蓋范圍在10 m～75 m之間，具體取決于實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式；

　　（5）短時(shí)延：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都很短。典型的設(shè)備搜索時(shí)延為30 ms，休眠激活時(shí)延為15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms；

　?。?）高可靠：采取碰撞避免機(jī)制，避免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；

　?。?）網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)靈活：支持多種組網(wǎng)方式和大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上可容納大約65 000個(gè)設(shè)備；

　?。?）高安全：提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，提供三級安全性，采用AES-128加密算法，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性；

　?。?）工作頻段靈活：使用頻段為2.4 GHz、915 MHz（美國）及868 MHz（歐洲），均為免執(zhí)照頻段。

　　2 基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)技術(shù)

　　2.1 ZigBee設(shè)備

　　ZigBee其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通?？梢詣澐譃閮煞N類型[4]，一種是全功能器件（FFD），它可以承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能，可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信；另一種是簡化功能器件（RFD），它不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，只能與FFD通信，兩個(gè)RFD之間不能直接通信。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)定義了三種功能設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）、網(wǎng)絡(luò)路由器（Router）和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備（End Device）。前兩種都是FFD，后一種是RFD。

　　2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　ZigBee支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個(gè)FFD作為Coordinator實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立和協(xié)調(diào)功能。

　　考慮到家庭網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況：設(shè)備可能分布在不同的房間，家具墻壁等障礙因素會使每個(gè)設(shè)備的通信范圍減小的同時(shí)增大干擾；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有可擴(kuò)展性，應(yīng)該可以通過增加路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展覆蓋范圍；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有一定的可靠性和健壯性，不能由于少數(shù)設(shè)備的崩潰導(dǎo)致系統(tǒng)失效，盡量保證每次通信的成功?；谝陨峡紤]，本智能家居系統(tǒng)選擇了網(wǎng)型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由

　　ZigBee執(zhí)行用于AODV專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，簡化后用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)不執(zhí)行任何路由功能。終端節(jié)點(diǎn)要向任何一個(gè)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包，只需簡單地將數(shù)據(jù)向上發(fā)送給它的父設(shè)備，由它的父設(shè)備以自己的名義執(zhí)行路由。同樣地，任何一個(gè)設(shè)備要給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)起路由尋找，終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)都以其自身名義回應(yīng)。

　　3 基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以ARM9為主控制器（家庭服務(wù)器），由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)、多路傳感器節(jié)點(diǎn)、多路家電控制節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度、濕度、光照條件等狀態(tài)通過ZigBee協(xié)議與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。各個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)由紅外遙控解碼和其他控制部分組成，根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的指令控制相應(yīng)的家用電器工作。協(xié)調(diào)器在程序設(shè)立的信道上建立PAN網(wǎng)絡(luò)，并通過串口把各傳感器狀態(tài)顯示在主控制器的LCD上。

　　3.2 智能家居主控制器的功能

　　智能家居主控制器接收由協(xié)調(diào)器傳輸來的各類傳感器返回的狀態(tài)信息，通過事先由用戶設(shè)定好的各個(gè)指標(biāo)（溫度、濕度、光照條件等）的閾值進(jìn)行綜合智能判斷，采取對應(yīng)的控制措施發(fā)出各類家電控制指令。同時(shí)通過在μClinux操作系統(tǒng)里架設(shè)基于WEB的BOA服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PC的Http訪問，主控制器將各種傳感器和家電信息通過BOA服務(wù)器反饋給遠(yuǎn)程PC，主控制器也可以通過BOA服務(wù)器將遠(yuǎn)程PC發(fā)送的各類控制信息傳遞給協(xié)調(diào)器。

　　智能家居主控制器以ARM9內(nèi)核的Samsung S3C2410為，外擴(kuò)網(wǎng)卡、LCD、SDRAM、Flash等模塊。軟件方面，主控制器的軟件開發(fā)工作包括μClinux的移植、底層驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)、開源BOA服務(wù)器的配置、嵌入式OS上的應(yīng)用程序開發(fā)。

　　3.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)

　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)在此系統(tǒng)中有兩個(gè)模塊：FFD與RFD。其中RFD由傳感器模塊（家電控制模塊）、處理器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊4部分組成。傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等各類傳感器以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。家電控制模塊包括紅外遙控解碼和其他控制部分，負(fù)責(zé)接收和解析從主控制器發(fā)來的控制命令，同時(shí)采取相應(yīng)的措施控制家電運(yùn)作。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。由于有先進(jìn)的SoC技術(shù)，故本設(shè)計(jì)采用集微處理器和RF收發(fā)芯片一體的SoC芯片CC2430。

　　CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS 解決方案。電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點(diǎn)電源由兩節(jié)1.5 V堿性電池組成，采用LM1117穩(wěn)壓芯片，未來趨勢將采用微型紐扣電池應(yīng)用到終端節(jié)點(diǎn)上，以進(jìn)一步減小節(jié)點(diǎn)體積，便于安裝。FFD與RFD相比，缺少了傳感器模塊和家電控制模塊，同時(shí)增加了控制器的RAM和ROM容量以及主頻，主要用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和路由。

　　3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)方面，Zigbee網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中既充當(dāng)RFD的角色，又充當(dāng)FFD的角色，RFD與FFD的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

　　本文根據(jù)ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)的要求，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的總體構(gòu)架以及軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。采用ARM9芯片為主控制器，通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的通信，使家庭網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備形成一個(gè)整體的智能家居控制體系，而非單一的變量控制體系。該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代智能家居的要求，具有成本低、功耗低、通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種有效的解決方案。