基于zigbee的无线智能家居搭建与调试分析

田华

(西安职业技术学院 电子信息工程系，西安 710000)

0 引言

随着整个社会的发展，当前已经迈入到信息化阶段，创新科技逐步发展成为主要社会发展动力，尤其是受到相对成熟的安全防护信息系统、网络技术、计算机技术的影响，智能化的技术越来越深入人心。在国内，中科院的自动化研究所识别国家重点实验室是这方面的先头兵，对于模式识别与通信技术进行了极为广泛的研究，同时也开发出了不少能够用于军用和民用实验的产品。但是目前的检测系统只能是检测出当前区域内是否有相关的对象存在，但是对其动作无法进行有效的分析，国内的技术还不够完善，通信系统还无法实现网络化控制与传输，因此，距离智能化的大规模应用还是有较大的差距。在我们对其进行使用时，还是有各种各样的问题需要注意。与国外发展的情况相比，国内对于智能化家居的研究还是较为缓慢的，因此我们必须着眼于做好眼前的技术，才能让其稳步发展。

1 Zigbee关键技术探讨

1.1 Zigbee技术概述

Zigbee, 在中国被译为"紫蜂",它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术，用于传感控制应用。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个人区域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定[1]。

1.2 Zigbee网络拓扑的发展

Zigbee技术可以实现星型拓扑从主干路连到客户端，主要是把星型拓扑网络安装在智能家居或者是传统的主站点位置，它可以将星型拓扑的主干线接入到离用户客户端非常近的位置，它的特点在于所提供的带宽较窄，对于网络数据的传输要求比较高，但是对于供电等要求比较低，方便安装。它可以形成无源网络，不需要电源的输入，就可以完成信息的交换，它的带宽也可以得到扩展，适合作为主干线来进行星型拓扑的通信，使用难度较小，允许使用的协议较多，目前来说越来越多的技术可以在其之上进行实现，让其功能不断的进行提升与完善，使得用户可以有效的进行星型拓扑通信，提升保密性与准确性[2]。

在民用智能家居技术当中，星型拓扑供应方案是极为重要的，如果可以将星型拓扑直接接入到用户端，那么就可以解除对于波长等的要求与限制，可以开展各种各样的服务，虽然说我国的电子通信在这些年有着极大的发展潜力，但是它还是无法进行高速的传输，所以很多人眼中星型拓扑接入到客户端就可以解决这些问题，使得可以在高效传输的情况下，减小终端的体积方便携带。星型拓扑最大的优点在于其可以扩展带宽，在技术不断发展之时，星型拓扑的成本也在不断的降低，在西方很多国家，已经开始大规模的普及智能家居星型拓扑的客户端，早在2000年左右，美国和日本的智能家居星型拓扑结构就已经发展到了极大的规模，而且现在还在以每年百分之十的速度持续增长。

2 基于zigbee的无线智能家居搭建设计

2.1 家居模块

智能家居系统从出现以来，已经呈现多次发展，从最初阶段的模拟、数字控制等系统，逐步迈向现在的全网络高清视频控制等系统。根据融合互联网技术，当前建设无线控制系统逐步迈向互联网化，也蕴含着更高信息化的条件，但会受到网络状况、存储情况等诸多因素的制约，针对这样的情况，智能家居系统的发展与提升密切联系着存储系统、网络系统等系统的发展[3]。将基于ZigBee 芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中去，组成基于ZigBee的无线家庭控制网络，根据自己的需要用户可以接入或者移除不同的设备[4]。通过这些无线网络收发器模块在各子网络之间的数据传输的节点，使在家庭内的无线设备的网络互连，使他们能够协作，自动运行，智能家居拓扑图，如图1所示。

图1 智能家居拓扑结构

2.2 中央控制模块

控制中心一般采用支持Zigbee技术的特殊单片机，CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU(8051)，具有128 KB 可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128 协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21 个可编程I/O 引脚。CC2430就是相当于一个增强型8051+zigbee射频模块，具体内部结构，如图2所示。

2.3 通信与信息存储模块

信息存储系统设计必须借助安全防范弱电专网的三层结构，前端进行交换机接入做好视频信号的汇集，借助光纤网络向核心交换机传送信号，并且管理、存储网络服务器与磁盘列阵。一般选取地下建筑形式的存储通信管道，那么主要管道有一根四孔格栅管与三根七孔梅花管，辅助管道气组成部分是一根四孔格栅管与一根七孔梅花管，末端管道则是两根PE50管道。按照系统整体构架与实际情况，结合场景与传输距离，则会进行各种传输方式的选择，通过室外六类双绞线传输室外存储器末端，室内六类成品跳线使用在机房。

图2 控制设备结构图

信息存储区设置相应的主控平台，可以拥有各种类型监控平台解决方案，有多屏显示、告警查询、电子云台、视频监控、电视墙控制管理、查询回放录像、云台控制、登录认证等。主控平台的构成是流媒体服务器、视频管理服务器、相应管理软件、数据库服务器。 显示终端则是选取大尺寸显示单元构成的拼接电视墙，借助解码设备处于电视墙显示解码之后的数字信号。 图像存储则是处于存储中心，选取网络存储主机与扩展柜实施高清视频图像存储，从而能够有效证据支撑突发事件，不但能够要进一步发生突发事件及时制止，还可以存在事后回溯，普通位置可以存储30天时间，重要位置的存储时间为90天[5]。

2.4 视频监控安防模块

由于视频监控及安放模块的重要性与其他控制部分相比要更高，因此一般进行单独设计，如图3所示。

图3 智能家居安防系统

随着经济水平的发展，城市化过程加快，整个家居的安全也越来越重要了，主要是利用电视闭路监控与手机端控制的方式来使得物联网安全技术越来越普及，同时国家相关部门规定了智能防控安全标准，应当做到人员和信息的全方位安全保障。同时对于一些居民小区来说，人流量较大，因此对于相关人员进行识别与核对也是极为重要的，这就能够加强居民的安防建设。但是如果从经济与使用方便性的角度去考虑，我国的很多产品依然有待提升，因此，我们应当对技术进行改进，将其真正的升级成为适合我国家居所使用的安全防范保卫措施。Zigbee通信也可以实现中央控制设备与员工之间的通信，在出现问题时，能够更好的实现控制与远程管理功能[6]。Zigbee无线通信可以使得用户能够动态的进行通信，同时对于突发情况可以采取有效的应对措施。有线广播可以进行高效的切换，在平时可以播放音乐传送节目，但是在紧急的时候可以切换到紧急状态，播放相关的消息。电话拨打在出现紧急的问题之后，应该及时的向外界进行消息的传送，可以自动的向公安机关拨打电话请求援助。巡更管理巡更管理系统要和电视监控系统相结合，来检查每天的工作是否完成，可以通过人的生物特征进行识别。综合管理系统可以进行门禁的管理以及灯光、登记方面的自动调度，就可以有效的对一些公共设施进行管理，查看它们的使用情况。

3 基于zigbee的无线智能家居设计与调试

智能家居系统所从事的工作关系着家庭的安全，那么在建设过程当中应该将实时运转大量数据信息资源、软件系统、硬件设备最大限度考虑进来，稳定运行系统，应该存在着周密备份方案，可以让系统出现异常的时候及时的进行补救，除此之外，还应该进行自动恢复，冗余容错数据存储系统与关键设备。应该实施分散控制与集中管理的方式设计系统结构，使各个子系统在通信网络支持下集中管理，从而拥有着相对完整的系统结构[7]。

Zigbee路由器，其主要是起路由的作用，搜索区域中可用的网络，作为潜在的父节点允许更多的设备加入网络，传输数据以及向Zigbee协调器请求数据等。通常，是希望路由器一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树状网络拓扑结构的时候，允许路由间隔一定的周期才操作一次，这样就可以使用电池给其供电，路由器也属于全功能设备，利用多变量线性回归拟合的方式来做好网络拓扑的建立，如下式。

s(β)=∑t(yt-f(xt,β))2

基于网络的管理平台采用B/S(Browser/ Server)结构，客户端只需装有Web 浏览器即可，服务器端连接客户端和数据服务器，负责处理来自浏览器用户的请求。数据库服务器保存系统数据，实现数据的定义、维护、访问、更新及管理，并响应服务器的请求。采用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技术将数据存储到数据库中。远程WEB 服务器使用微软的ASP.NET 技术开发了基于B/S 架构的数据管理服务软件。整个管理软件分为前台页面和后台管理两大模块，前台页面主要实现了用户可视化管理，方便用户随时查看、统计数据。

在系统经营运行过程当中，对于系统的网络出现故障等造成系统无法操作的情况，要对其进行一定的考虑，因为其可能会影响到智能控制业务无法开展，因此对于一些重要的业务要留存手工处理的方案，在出现严重的问题时，要利用原来的方式进行验证，这样就能有效的防止系统出现问题。整体系统主要由前端、控制与传输设备组成，探测器是入侵报警系统的前端部分，这是属于入侵报警系统触觉部分，可以感知变化的现场气味、温度、能量、湿度等物理量，还可以根据一定规律向恰当传输电信号转换，相应的入侵报警子系统的结构见图3。智能家居的安防系统实现了集成化，可以和门禁一卡通、视频监控系统做到报警联动，具体来说，其功能为：设置系统编程，做好全部用户资料管理；借助相关设置，进行安全保卫人员巡更的有效管理，处于规定的时间内探测器自动撤防，超出时间则是处于布防状态；可以拥有联动输出接口、集成接口、二次开发接口；做好历史报警事件查询；借助键盘或者计算机将布防、撤防状态和各个防区报警信息体现出来；对监控系统线路安全状态实时查看；多媒体工作方式，可以通过语音提示接收报警信号；能够单独的对全部楼层进行平面图绘制，为报警的处理提供极大的方便；开展电子地图的绘制，还能够处于各个地图跳转，这也就使得各级地图能够方便的显示在大范围区域。

4 总结

根据目前的智能家居技术来看，Zigbee技术蕴含着更高程度信息化的条件，但会受到网络状况、存储情况等诸多因素的制约，针对这样的情况，该系统的发展与提升密切联系着存储系统、网络系统等系统的发展。使用Zigbee技术可以有效地对于设备中的问题进行解决，有利于实现高效的开发，因此我们应当做好其检测与优化，使其能够更好地发展。