基于ZigBee的智能家居远程监控系统的设计与实现

吴培亚 ，王 钢

（1.内蒙古工业大学 信息学院，内蒙古 呼和浩特010051；2.内蒙古工业大学 网络中心，内蒙古 呼和浩特010051）

智能家居以住宅为平台，利用先进的计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术以及自动控制技术等，将家中的各种电子电气设备通过家庭网络连接在一起，集中远程监控、管理家庭事物，让家居生活更加舒适、安全、有效。

智能家居属于消费电子、计算机、通信、家电、建筑、网络运营等行业的交叉领域。各行业因为不同的行业背景和发展思路，制定了各自的标准规范，选用了不同的技术组合。目前智能家居还处于发展阶段，各种新概念、新技术、新产品不断出现，并且尚无规范统一的国内外标准和产品可直接应用[1]。基于此背景，本文以ZigBee技术的发展为契机，结合嵌入式Internet技术，研究设计了一套智能家居远程监控系统,整体设计方案如图1所示。家庭网络和家庭网关是整个系统的主干，如何组建家庭网络和建立家庭网关决定了系统的设计水平和灵活性。

1 组建家庭网络

传统的智能家居系统组建家庭网络多采用总线控制技术，主 要有 X-10、CEBus、LonWorks 和 ApBus 等几种[2]。由于有线网络存在布线麻烦、可扩展性差等缺点，将无线通信技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。目前比较常用的短距离无线通信技术有Wi-Fi、Bluetooth、UWB、Z-Wave、ZigBee等。 相对于其他技术，ZigBee具有网络大容量、低速率、低功耗、较长传输距离、短时延、高安全性、工作频段灵活的特点。

智能家居家庭网络内灯光、水表、电表、安防报警、家电等组网的电子电气设备数量较多，而网内传送的是控制命令和数字等小容量数据，不需要太大的传输速率，但要求网络容量大、成本低、功耗低。因此使用Zig-Bee技术组建家庭网络是比较理想的选择。

1.1 ZigBee协议及硬件设备

ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上，IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC层。ZigBee联盟定义了网络层、应用层和安全服务层。ZigBee规范确定了三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器。在组网方式上，ZigBee支持星形结构、树形结构和网状结构三种拓扑形式。

由于众多厂商对ZigBee无线技术前景的看好，许多符合ZigBee技术标准的通信模块纷纷被研制出来以满足客户对ZigBee产品的开发需求，例如Chipcon公司的CC2420、TI公司收购Chipcon公司后推出的CC2430/CC2431、飞思卡尔的 MC1322x、Jennic公司的 JN51系列。本文选用了集成Jennic公司JN5139芯片的GAINSJ节点开发板，该开发板集成了天线、温湿度传感器SHT10、LED灯、按键等外部资源。

1.2 拓扑结构和路由协议的选择

通过测试得知该ZigBee开发板在室外空旷环境的通信距离为90 m～100 m，在室内有墙壁等障碍物时的通信距离在30 m左右，当有两堵墙阻隔时会出现2%左右的丢包率。在一般的家庭环境，通过合理的位置摆放可使ZigBee协调器和ZigBee终端节点的距离小于30 m，满足通信要求。为保障系统的健壮可靠，在每个房间的门口增加ZigBee路由器，既降低了一跳的通信距离要求，又避免和降低了墙壁等障碍物引起的丢包现象。

ZigBee网络支持星形结构、树形结构和网状结构三种拓扑形式，如图2所示。本文从树形结构和网状结构中选择更适合智能家居系统的拓扑结构。 树形结构对应Cluster-Tree路由算法，此路由算法较为简单，相当于静态路由，需要硬件配置较低，按照此算法，数据包只能转发给父节点或者子节点。网状结构需要AODVjr路由算法，此算法较为复杂，相当于动态路由，需要的硬件配置较高，但是节点间通信更为灵活[3]。而在本文智能家居远程监控系统中，不存在终端节点之间的通信，完全是协调器和终端节点之间的通信，所以选择了树形结构和Cluster-Tree路由算法。

1.3 软件设计

GAINSJ的集成开发环境是 Jennic提供的Code：：Blocks版本。Code：：Blocks是一个全功能开放源代码的跨平台C/C++集成开发环境。Jennic公司在此基础上添加了JN5139 编译器、JN5139 Flash Programmer、IEEE 802.15.4 Stack Software、ZigBee Stack Software等组件。

Flash Programmer工具用来将编译好的代码下载到GAINSJ开发板中，在 Code：：Blocks集成开发环境中编写好应用程序代码并编译链接相应的库，生成二进制文件(*.bin文件)后，就可以利用 Flash Programmer通过串口将二进制文件下载到开发板上的Flash中[4]。

家庭网络采用树形拓扑结构，ZigBee协调器负责发起和维护网络，通过串口接收和处理家庭网关传来的命令；发送命令数据帧给ZigBee终端节点，接收和处理ZigBee终端节点传送的数据帧，通过串口传送数据给家庭网关。其软件设计流程图如图3所示。ZigBee路由器负责分配管理网络地址和转发数据包。ZigBee终端节点负责加入网络，接收来自协调器的命令并执行，将执行结果通过数据帧发送给协调器，定期采集处理温湿度，如果数据超标就发送数据帧给协调器，其软件设计流程图如图4所示。

本文选用树形拓扑结构和Cluster-Tree路由算法，下面节选了一个在终端节点中调用的发送函数及参数设置来说明如何使用选定的路由算法。

图4 ZigBee终端节点软件设计流程图

这个函数用来向网络层发出数据发送请求。倒数第二个参数是路由发现模式，有三种设置，本文使用SUPPRESS_ROUTE_DISCOVERY，即如果路由表已经建立，那么数据将使用现有的路由表路由；如果路由表没有建立，那么数据将沿树形路径路由。

2 建立家庭网关

2.1 嵌入式Internet技术及硬件设备

家庭网关的作用是使内部ZigBee家庭网络和外部Internet互联互通。本文采用嵌入式Internet技术，建立嵌入式Web网站，通过远程访问网页监控ZigBee网络内的设备。嵌入式设备具有体积小、功耗低、价格低的优点[5]。

本文选用mini2440开发板做为家庭网关，它以Samsung的 S3C2440处理器为核心，并辅以SDRAM、Flash等基本的系统外围设备，还需配备连接ZigBee网络协调器的RS232接口和以太网络控制器。

2.2 软件设计

在mini2440上进行软件设计的内容和步骤是：(1)搭建交叉编译开发环境，在宿主机上安装Linux操作系统，安装arm-linux-gcc编译器；(2)在目标板mini2440上移植 BOA服务器，配置 boa.config文件；(3)在目标板上进行html文件和.cgi文件测试，确保BOA服务器正常工作；(4)编写 html静态网页和 CGI动态网页，编写 UART串口通信程序，逻辑结构如图5所示。

3 结果和展望

mini2440家庭网关和ZigBee协调器通过RS232串口线相连，ZigBee路由器和终端节点摆放在房间的不同位置，mini2440家庭网关和PC机通过网线相连，IP地址分别为：192.168.1.120和 192.168.1.230。

在PC机上打开浏览器，输入 http：//192.168.1.120，即为登录界面，输入用户名、密码，认证成功后，为主界面，如图6所示。在家电状态查询栏里点击第一个查看，可获得并显示室1的温湿度；点击第二个查看，可获得并显示室2的温湿度。在家电状态设置栏里设置家电1为开，家电查询栏中对应状态显示on，同样设置家电2为关。第三栏定时查询温湿度，如果超标自动显示在页面，还具有查看报警历史记录的功能。

本文实现了智能家庭远程监控系统的主干部分，组建ZigBee家庭网络，建立嵌入式Web家庭网关，并验证了该系统的各项功能。将ZigBee技术及嵌入式Web技术应用于智能家居系统具有易于实现和扩展、方便实用、成本低廉的优势。随着该技术在智能家居市场的推广，将有良好的应用前景。

[1]童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信，2010，34(9)：16-20.

[2]马季.智能家居远程监控系统的研究与实现[D].青岛：中国海洋大学，2009.

[3]钟永锋，刘永俊.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.

[4]徐勇军，刘峰，王春芳，等.低速无线个域网实验教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[5]宋雅丽，唐晓晟.基于OSGi家庭网关和Web Service技术的智能家庭系统[J].计算机应用，2007，27(6)：1542-1544.