基于ZigBee技术的智能家居系统在住宅设计中的应用研究

徐振福 胡克成

【摘要】随着人们生活水平的日益提高，信息化已经成为人们生活的一部分。人们对智能化居住环境的期望更加强烈，为满足人们对这些迫切期望的需求，智能家居系统越来越受到重视。本文主要研究基于ZigBee技术的智能家居系统在住宅设计中的应用。论文首先对相关的ZigBee技术、无线传感器技术和智能家居系统模型进行了可行性分析；在此基础上整合了基于ZigBee技术的智能家居系统；然后搭建了基于ZigBee的智能家居控制嵌入式开发系统的硬件和软件平台；最后对本家居系统进行了测试，将ZigBee技术融合到智能家居系统中提高了智能家居系统的稳定性和可靠性。

【关键词】ZigBee；智能家居；住宅设计

1、智能家居系统发展现状与趋势

1.1国外智能家居系统发展现状

国外的智能家居系统发展速度比我国的发展要早十几年，各式各样的家用智能设备已经在欧美市场上普遍出现，不管是出自于小公司Netpliance的iOpener，还是来源于大公司Compaq的iPAQ，这些家用智能设备已经占据了欧美市场。根据不完全可靠数据统计，2001年美国就有1900万件智能家电被消费，2002年美国智能已高达163亿美元。与此同时，2000年新加坡近6000户家庭使用了智能家居系统，而美国有将近3万户家庭使用智能家居系统。迄今为止，国外智能家居系统发展日益成熟，将近有60%的住宅具备智能家居系统功能。德国的EIB系统；新加坡的8X系统；美国的X-10系统都就国外主流人智能家居系统。

1.2国内智能家居系统发展现状

我国智能家居发展比较缓慢，但是行业结构发展的比较合理。纵观我国智能家居的发展历史，主要是由家电类、安防类、网络通信等厂家发展起来的。当然其中也不乏专门从事智能家居生产的厂家。例如紫蜂、海尔等都是走的国内技术前沿的。

2、智能家居系统的方案设计

2.1本设计模型是在已经建成的住宅里面通过综合布线实现的。ZigBee 技术是一种双向无线通信技术，主要具有距离短、能耗低、结构简单、成本较低等特点，基于ZigBee 技术的这些特点，特别适用与在现代建筑中的智能家居系统中。此智能家居系统整体架构包括外部网络、内部网络以及家庭网关三部分。本文的智能家居设计系统框架如图2-1所示。

图2-1 智能家居系统的框架

2.2系统设计的软硬件要求

智能家居系统的硬件要求为：

（1）使用硬件系统更新升级方便；

（2）硬件设计合理，易損件可拆卸更换；

（3）使用的电气电路简单，使用芯片个数少。

智能家居系统的软件要求为：

（1）应用软件部分是在操作系统之上的用户程序，能够满足用户的需求；

（2）计算机及其网络操作系统：操作体统是用户软件和硬件的连接器，可方便控制各个系统硬件的运行；

（3）本系统监控软件保护用户应用软件的安全运行。合理的提高了应用软件的安全性。

3、基于ZigBee技术的智能家居设计与实现

3.1 本系统的硬件采用基于ARM9的开发的嵌入式开放式开发平台，开发板使用飞凌FL-2430 ARM。FL2430开发板使用核心板+底板设计，性能相当稳定，运行可靠，跟其他开发板比起来，FL2430开发板具有体积小、功耗低、性能高、接口丰富的优势，这也是此系统采用该平台进行开发的主要原因。

本系统网关系统结构采用S3C2430主控制器，通过USB接口连接ZigBee无线管理模块，为ZigBee家庭无线自组网络系统进行通信，并且实现从外网到内网的无线自组网络协议的相互转换。通过此接口也可保证在linux系统下的驱动问题目的是做到即插即用，实现多个模块可重复使用。

3.2家庭网关硬件平台及总体方案设计

通过多方面的比对，在本系统的无线模块设计中，采用三星公司的Arm板S3C2430微型处理器作为核心处理器，微处理器S3C2430采用四线制的SPI方式和CC2430射频芯片相互通信，其中微控制器采用主模式，射频收发器采用从模式。

该嵌入式的操作系统采用众所周知的免费开源的linux操作系统，主要包括以下几个部分：

（1） 采用32M byte的flash存储器，可以存储Bootloader和Linux操作系统以及相应文件系统；采用128M byte的RAM内存，可以更快的运行系统时的程序和数据存储器；

（2）采用CS8900A模块，可以提供10Mb/s的以太网连接通信速度。满足TCP/IP协议进行实时的数据传输；

（3）具有多个串行接口，一个串行接口可以和ZigBee无线模块双向通信。另一个接口可以作为开发板与PC机连接的方式，开发板在使用前要经过PC机进行连接配置；

3.3节点传感器设计

本文采用的传感器是豪恩科技公司的系列产品。

（1）窗磁、门磁传感器

磁铁和开关是构成门磁的两个部件，开关部分包括干簧管等元器件，通过磁铁同极相斥、异极相吸原理实现输出端信号的闭合和开路的控制。

（2）红外对射传感器

当入侵者进入防范区域并有所动作时，红外传感器可以感应到。然后一定会发生红外辐射变化，进一步使监控报警器产生报警信号，完成入侵者键控报警过程。当有异常情况发生时，输出的是高电平信号。当没有异常情况时，传感器输出的是低电平信号，红外对射传感器，也叫主动红外传感器，本文使用的LHP-50D型号。电红外传感器又叫被动红外传感器，本文使用的是LH-902B型号。

（3）可燃气探测器

本系统采用的探测器型号是LH99，能够感应30平方米内的泄漏气体，当泄露达到一定浓度后就会报警，并且发出蜂鸣声，同时也可将报警信号传出。

当出现不正常的情况时，上面的集中传感器都会发出报警信号。图3-1是传感器和CC2430模块的接口电路。通过实例演示其工作原理。例如当门闭合时，门磁传感器就会发生短路，输入P2.0的信号就变为相对低电平。在这种情况下，CC2430的无线模块是处于待机状态的；当门打开的时候，情况相反，当短路时，信号为高电平，这个时候CC2430就会处于唤醒状态，借助无线网络将报警信号传导网络协调器。其它的情况和这个基本相同，但为了节省成本，我们可以将不同的传感器接到同一个CC2430模块上。

图3-1 传感器连接电路

3.4家庭网络的自组网

ZigBee网络具有自组织能力，能够非常方便的自动建立网络，当网络状态发生改变的时候，ZigBee网络就能够自动修复，重新建立连接，使网络正常运行。ZigBee网络的自动联网和自动修复都不需要人工干预，实现了自动化组网功能。ZigBee网络的组建由三个部分组成，首先上电初始化完成基本启动工作。然后，当网络减少或增加设备时以及ZigBee网络拓扑结构发生改变时，系统需要进行更新。另外，ZigBee实现节点终端与网关间的协同管理、自由通信。ZigBee家庭网关是整个系统的总指挥，也就是核心控制单元，是电器设备和控制设备沟通的桥梁，协助系统的运行。ZigBee一旦瘫痪，整个系统的无法正常运转。因此，ZigBee的自组织能力和自修复能力优势保证了系统的稳定可靠的运行。

ZigBee系统的组网主要以下几个方面：

（1） 智能系统上电初始化

（2） 网络自组网拓扑更新

（3） 各个节点与网关通信

设备启动建立新网络是借助NLMME-NET.WORK-FORMATION.request物理語言来完成的，这个网络设备建立的前提必须是不能接其他网络，更重要的一点是必须具备ZigBee的协调器功能。当组建网时，网络层首先要请求MAC层检测信道容量，这部分需要通过MLME-SCAN.request机器语言，扫描结果将通过MLME-SCAN.confim返回。网络层并收到扫描结果后进行处理，使用MLME-SET.request选择合适的信道容量。

3.5 QT开发平台

由于本文软件借助QT开发平台，（QT开发平台是开源网络平台）本文不再详细说明。基于Qt/Embedded开发的所有应用程序最终都会发布到安装有嵌入式Linux系统的小型设备上，并测试使用，所以使用Linux操作系统的PC或者工作站来完成Qt/Embedded开发是实际可用，也是最有效的。

4、结束语

本文明确的阐述了基于ZigBee智能家居网络的研究，最终设计出了一个基于ZigBee无线技术的智能家居演示系统。其设计过程从智能家居系统概念的提出，软、硬件的选择应用出发，并通过网络扩展功能，实现了远程控制的效果，达到了最初设计的要求，为以后家居系统智能化研究提供了一种思路。但是本文的设计中还存在些许不足，仍需要继续完善。智能家居系统是未来住宅家居设计的发展趋势，有很大的发展空间，也为建筑电气设计者提出了更高的要求。

参考文献：

[1]俞建，刘红.基于ZigBee无线传感网络的LED照明控制系统[J].机电工程，2012（11）：33-45.

[2]邓钊波，梁明，马芳.基于ZigBee智能抄表技术与运用[J].日用电器，2012（10）：46-52.

[3]Ed Callaway Low Power Consuption Features of the IEEE802.15.4/ZigBee .LR-WPAN Standard presented in SenSy. http：//www.ZigBeee.org. 2004.

[4]周游，方滨，王普.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].电子技术应用.2005（09）：80-89.