基于FPGA和ZIHBEE技术的智能家居系统

王晓雪

【摘 要】本文主要从智能家居的概述、ZIHBEE技术介绍、系统设计以及硬件设计等方面进行了全面的阐述。

【关键词】智能家居；ZIHBEE技术；FPGA技术

一、前言

随着我国科技的不断进步与发展，FPGA和ZIHBEE技术在智能家居系统中应用越来越广泛，也逐渐受到了企业及技术人员的重视。

二、智能家居的概述

智能家居通常指的是利用陷阱的网络通讯技术、计算机技术以及综合的布线技术把家居生活相关的各个子系统来进行有机的结合，再经过统筹的科学管理，让家居生活更加安全、舒适以及有效等。对于普通的家居来说，智能家居也可以满足人们最起码的居住功能，也可以提供高品位、舒适以及安全的家庭生活空间。与普通家居相比，智能家居还将传统普通家居的被动的静止结构转变成为能动的智慧工具，为人们提供全方面的信息功能，给予实时的信息交换，进一步使家庭和外部保持更流畅的信息交通，使人们的生活方式得到进一步优化，科学合理的帮助人们进行有效的实践安排，强化家居生活的安全，为各种能源费用进行节约。

当前的智能家居系统通常可以划分称为网关、内部网以及内部网等三个组成部分。对于内部网来说，是通过家庭内部互联的设备局域网以及各种家电形成的局域网，家居所连接的各种设备差别很大，其组网的形式往往表现出很不同的多样性。外部网则是以有线电视网、小区局域网、Internet以及电话网等组成，大部分的网络技术非常成熟。

家庭内部网络根据其内部工程大致可以分为以下三种类型：用于进行数据交换信息的数据网络、用于来实现其控制相关功能的控制网络以及用于传输视频和音频等多媒体网络。

对于家庭网关来说，其是连接家庭外部网络和内部网络的连接设备，将外部网与内部网相连，对家庭的内部网络设备以及网布网络的控制功能都提供了途径；对于家庭的网关来说，其允许家庭的内部采用不一样的联网技术，利用家庭网关为各种信息网络的子网来提供桥接功能，这样就使每一个子网内的联网设备之间实现相互通信。

对于当前的智能家居系统来说，其重点的考虑问题是家庭内部的互相通信网络，主要包括家庭智能传感器的节点以及智能家居的网关两个组成部分。对于智能家居网关来说，其是家庭整体资源配置和管理的中心，智能家居网关完成了将的节点控制和组网等功能。智能家居的网关是通过组网的技术来对家庭网络当中每一个传感器的开关节点来进行连接，按照标准的通信协议，对智能家居的内部网络控制和内部管理管理进行完善，同时也对外部网络和家庭网络之间的信息提供交互平台。

三、ZIHBEE技术介绍

随着传感器技术、嵌入式微处理技术等的快速发展，尤其是无线传感器网络ZIHBEE技术的兴起与成熟，极大的推动了智能家居系统的发展，预计在不久的将来智能家居将真正地进入人们生活的各个方面，极大的改变人们的生活方式。ZIHBEE是由ZIHBEE联盟制定的面向低速无线个人区域网络（LR-WAPN）的双向无线通信技术标准，其物理层和数据链路层使用工EEE802-5.4标准，网络层和应用层由ZIHBEE联盟定义。与Wi-Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他无线接入技术相比，ZIHBEE具有如下优势：（1）成本低：每块ZIHBEE芯片的价格大约为2美元，且ZIHBEE协议免专利费；（2）功耗低：在待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月；（3）可靠性高：采取碰撞避免机制，避免发送数据时的竞争和冲突；（4）网络容量大，组网灵活：支持多种组网方式和大量的网络节点，每个ZIHBEE网络理论上可容纳大约65000个设备。智能家居网络中的各类安防报警、传感、抄表数据、灯光、门禁及家电开关控制信号传输的数据量小，無需太大的传输速率，但要求容量大、实时性好、可靠性高、功耗低。智能家居系统若要在未来普及，发展趋势是低成本、安装简便、使用方便、可扩展性好、自组织能力强。综合这些特点，ZIHBEE技术是实现智能家居比较合适的选择。

ZIHBEE网络中的三种拓扑结构：星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑。（1）星型拓扑：节点之间的数据路由只有惟一的一条路径。（2）树型拓扑：当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点，然后再向下递到目标节点。也可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。由于需要滴家庭网络的情况进行实际的考虑。设备会分布在不同的房间，这样家具、墙壁等都成为信号传播的障碍，这些障碍因素都会使各个设备的通信范围相应的缩小；网络就需要具有很强的扩展性，这就要求增加路由节点，进而使信号的覆盖范围更广；网络应该具有一定的可靠性和健壮性，不能由于少数设备的崩溃导致系统失效，尽量保证每次通信的成功。

四、系统设计

ZIHBEE家庭无线网络是本智能家居系统中最重要部分，主要负责监控家庭中各种信息，采集相关数据，并将处理过的数据存储到主控系统中，一个ZIHBEE模块作为网络协调器，是组建整个星形网络核心，负责节点管理，动态组网与数据传输，终端节点有传感器和ZIHBEE构成，负责监控信息和数据采集，终端节点和协调节点共同构成了内部网的ZIHBEE无线网络部分，以某系统为例，本系统ZIHBEE通信如下：

1、采取协调器查询，节点应答的方式进行通信，通信协议无变化；

2、由PC通过串口，向协调器发送“发送命令”指令，协调器向对应的节点发送命令和参数（各占一个字节）；

3、节点在接收到协调器发送的命令后，根据命令和参数做出响应，并返回相应的结果，结果由两个字节组成，先发高8位，再发低8位；

4、协调器接收到节点返回的结果数据后，在串口调试器上显示（两个字节，先高8位，再低8位）。

五、硬件设计

1、FPGA部分。系统的核心控制部分由FPGA实现，它负责对系统中各个节点采集到的数据进行汇总，并对整个系统进行智能控制。本设计中硬件的设计都是基于Altera公司DE2-70开发平台来实现的。FPGA部分的设计思路是：从ZIHBEE网络传输过来的数据经过串口后存储到DE2-70开发板上的SDRAM中，然后系统从SDRAM中读取数据后显示在LCD上，系统的整个软件都存储在Flash中。

2、ZIHBEE平台部分。HELICOMM公司推出的ZIHBEE开发工具和产品，包含符合802.15.4标准的2.4GHZ射频组件、低功耗的8位微控制器、ZIHBEE网络软件和全波长天线，每次接力通信都能在75m范围内提供250kbps的速率；支持最新的RS232mesh透明串行模式，能在网状或多次跳接（multichip）无线网络内支持串行数据路由，速率最高可达38.4kbps.IP_Link1270是完全符合IEE802.15.4标准与ZIHBEE规范的2.4GHz无线收发模块。射频部分使用FREESVALE的MC13191/13192/13193芯片，MCU使用的是FREESVALE的Mc9S08GT60芯片。

六、软件设计

本设计的软件程序是在NIOSIIIDE中由C语言编写的，在NIOSIIIDE提供的工程管理器中进行所有涉及的完成，尤其是在新建工程的时候，需要选择在SOPCBuilder中生成的NIOSII处理器，这是是和别的嵌入式由差异的地方。主要包括底层驱动程序和上层应用程序设计。底层程序包括硬件驱动程序和基本的输入输出函数（BIOS），用来供上层程序的调用。

七、结束语

加强对FPGA和ZIHBEE技术的智能家居系统中应用的研究，可以使智能家居系统更加完善，是非常具有现实意义的研究。

参考文献：

[1]王涛.浅析FPGA和ZIHBEE技术的智能家居系统[J].信息通信.2013（3）：166-168.

[2]盛文仲.浅谈FPGA和ZIHBEE技术的智能家居系统[J].软件透视.2012（3）：16-18.

[3]王文鹏.FPGA和ZIHBEE技术的智能家居系统分析[J].经验交流.2013（6）：66-69.