本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee技術(shù)將家庭中許多相對獨立的家用電器構(gòu)成一個統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng),，從而方便對家居中的各種電器設(shè)備進行本地操作，同時也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對各種電器設(shè)備實現(xiàn)遠程控制,。

　　1ZigBee技術(shù)簡介

　　ZigBee技術(shù)是近幾年逐步發(fā)展起來,，很有市場潛力的一種無線連接技術(shù)。它是為了滿足低功耗,、低數(shù)據(jù)量和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求而誕生的,。它基于IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN）工作組的80211514標準，被稱為ZigBee技術(shù)標準,。

　　完整的ZigBee協(xié)議由應(yīng)用層,、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層,、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成,，如圖1所示。

　　IEEE80211514標準定義了物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）;網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負責(zé)制定,，其中應(yīng)用層包括了應(yīng)用支持子層（APS）,、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對象。

　　ZigBee以一個個獨立的工作節(jié)點為依托,，利用無線通信,，通過自組織方式組成星型、網(wǎng)狀和簇狀3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此每個節(jié)點的功能并非完全相同,。為了降低系統(tǒng)的成本,，IEEE80211514定義了2種物理設(shè)備類型：全功能設(shè)備FFD（FullFunctionDevice）和精簡功能設(shè)備RFD（ReducedFunctionDevice）.FFD節(jié)點具備控制器的功能，提供數(shù)據(jù)交換,，能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,、路由節(jié)點和終端節(jié)點來使用，可以與網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備進行通信,；RFD只能作為終端節(jié)點來使用,，而且只能與FFD通信，兩個RFD節(jié)點之間不能通信,。

　　Zigbee這一無線通信技術(shù)具有近距離,、低復(fù)雜度、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率,、低成本、安全可靠,、網(wǎng)絡(luò)容量大,、自組織、自愈能力強等特點,，可廣泛應(yīng)用于多個技術(shù)領(lǐng)域,，有著廣闊的市場前景。

　　2基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制器的設(shè)計

　　智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信具有如下特點：

　?、賯鬏敂?shù)據(jù)量小,，無需太大的傳輸速度；②網(wǎng)絡(luò)的容量大,，以滿足家庭中的各種家電設(shè)備,；③信息的實時性好，時延短,。

　　ZigBee的技術(shù)特點決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)的上述需求,，特別是具備自組織、自愈能力,，這樣的無線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式,。

　　2.1智能家居系統(tǒng)的基本構(gòu)成

　　智能家居系統(tǒng)可通過GSM/GPRS/CDMA/網(wǎng)絡(luò)、ZigBee個域網(wǎng),、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)信息網(wǎng)實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通,。用戶在戶外可通過手機調(diào)控家中的電器和照明裝置，也可及時得到家中的防盜,、防火,、防煤氣泄漏等報警信息,；在家中可通過遙控器調(diào)控家電設(shè)備?？刂破鬟€兼有可視對講系統(tǒng)室內(nèi)主機功能,，能查閱社區(qū)發(fā)布的各類信息，必要時可向社區(qū)保安發(fā)出報警求救信號,。系統(tǒng)主要由一個智能家居控制器和若干個室內(nèi)監(jiān)控ZigBee功能模塊組成,。系統(tǒng)模型如圖2所示。智能家居控制器經(jīng)2個無線通信網(wǎng)絡(luò),、互聯(lián)網(wǎng)以及2條有線通信線路與外部設(shè)施實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通,，因而智能家居控制器又可視為數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)。

　　智能家居控制器內(nèi)部裝有手機模塊,，通過GSM（GPRS,、CDMA）移動通信網(wǎng)絡(luò)，與用戶手機實現(xiàn)雙向短消息收發(fā),。用戶可通過手機短消息實現(xiàn)對家用電器的電源開關(guān)控制以及調(diào)光,、調(diào)速控制；控制器以手機短消息的形式向用戶手機發(fā)送報警信號,，供防盜,、防火,、防煤氣泄漏以及家庭突發(fā)事件報警用,。

　　控制器內(nèi)部裝有1個ZigBee模塊，通過Zig2Bee無線網(wǎng)絡(luò)與家居中的監(jiān)控裝置進行通信,，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD）來使用,。它負責(zé)組建智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令,，并做出相應(yīng)地處理,。同時還要將從路由節(jié)點（FFD）或終端節(jié)點（RFD）接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。

　　室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備按用途可分為3類：第一類為開關(guān)與插座,，最簡單的插座通過小電子開關(guān)的通斷實現(xiàn)對家用電器（如電飯煲,、飲水機、電視,、冰箱,、空調(diào)、洗衣機,、電動窗簾以及不需要調(diào)光的燈具）的電源開關(guān)控制,；較復(fù)雜的智能開關(guān)和插座具有輸出功率可調(diào)的功能，用于吊燈,、落地臺燈的調(diào)光或電風(fēng)扇的調(diào)速等,。第二類為傳感器產(chǎn)品，其中熱釋電紅外傳感器和門磁傳感器用于防盜，煙霧傳感器用于防火,，瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏,，還有手動報警按鈕用于突發(fā)事件（如孤寡老人突然發(fā)病）的報警,。這些節(jié)點都帶有ZigBee模塊,，作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點（RFD）.第三類為手持遙控器，除實現(xiàn)對家用電器開關(guān)控制,、調(diào)光調(diào)速控制外,，還具備照明場景設(shè)定與控制功能。

　　若小區(qū)配置有物管通信網(wǎng)絡(luò)和門禁對講系統(tǒng),，控制器兼?zhèn)淇梢曢T禁對講系統(tǒng)的室內(nèi)主機的功能,。

　　控制器上的液晶LCD顯示屏可顯示訪客的圖像畫面，與訪客進行對講或開鎖操作,。此外,，控制器可接收小區(qū)物管發(fā)送的各類文字信息；當(dāng)室內(nèi)發(fā)生意外時,，可向小區(qū)物管發(fā)送報警信號,。

　　控制器備有互聯(lián)網(wǎng)接口，供用戶在異地時通過互聯(lián)網(wǎng)控制家中電器的運行,，也可監(jiān)視家中發(fā)生的事件,。下一代互聯(lián)網(wǎng)的問世將為此項功能的應(yīng)用提供極大的支持，到那時,，每個家電及控制器本身都將有自己的靜態(tài)IP地址,，從而成為網(wǎng)絡(luò)中的一員。

　　ZigBee的簇狀網(wǎng)絡(luò)綜合了星型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點,，我們在實際應(yīng)用中利用智能家居控制器及ZigBee傳感器節(jié)點組成簇狀網(wǎng)絡(luò),。它具有良好的可擴展性，對于大戶型或別墅用戶而言,，可以通過增加路由節(jié)點來擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,；對于小戶型的用戶而言，可以通過減少路由節(jié)點變成星型網(wǎng)絡(luò),，以節(jié)省能量,、加快數(shù)據(jù)傳輸速度。

　　2.2智能家居控制器的硬件設(shè)計

　　2.2.1智能家居控制器簡介

　　智能家居系統(tǒng)的核心部件是智能家居控制器,。其組成框圖如圖3所示,，它以嵌入式處理器為中心，由手機模塊,、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成,。智能家居控制器是整個智能家居系統(tǒng)的控制中心,，其硬件核心是中央處理器，所有的設(shè)備控制,、任務(wù)調(diào)度,、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù)都需要中央處理器,。從功能,、可擴展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面考慮,，我們選擇功能強大的32位ARM9微處理器S3C2410X作為主處理器,，存儲器選用64M的NANDFlash和64M的SDRAM.

　　在人機接口方面，采用5英寸的TFT液晶屏,，并配置相應(yīng)的觸摸屏,。可用于顯示訪客圖像和小區(qū)物管發(fā)送的各種信息,，并使用戶可方便地輸入數(shù)據(jù)去控制各種家居設(shè)備,。另外為了控制方式更靈活，利用處理器的I2C總線接口設(shè)計鍵盤接口,，從而可擴展各種控制,、報警方式。

　　控制器有2個通信模塊：手機模塊和ZigBee模塊,。手機模塊由主機模塊,、SIM卡接口、音頻部分和射頻部分組成,，采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300芯片（GPRS模塊）.與ARM進行數(shù)據(jù)傳輸采用標準的RS-232接口,，通過使用AT命令完成對該模塊的操作,，實現(xiàn)短消息的收發(fā),。Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息，通過RS-232接口與ARM進行數(shù)據(jù)傳遞,。

　　控制器配有以太網(wǎng)接口,，配合控制器上建立的Web服務(wù)器，用戶可通過Internet完成對家庭環(huán)境及各種家電設(shè)備的監(jiān)控,。圖3中的RS-485接口用于與小區(qū)物管的通信（與原有的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)配合,。若為新建小區(qū)，可直接使用以太網(wǎng)接口）.利用MAX3232將ARM9的兩個USART收發(fā)器,，組成兩個RS-232端口和一個RS-485端口,。

　　音頻接口利用微處理器內(nèi)部的IIS總線接口與外部音頻數(shù)字信號編碼器芯片（UDA1341TS）組成。

　　視頻接口采用中芯微的DSP芯片,，將視頻信號轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的JPG文件格式或二進制圖像流,，經(jīng)處理后送LCD屏顯示,。

　　2.2.2智能家居控制器中的Zigbee模塊

　　ZigBee模塊采用全功能設(shè)備（FFD）類型，它在智能家居系統(tǒng)中承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色,，可提供信息的雙向傳輸,，以連接智能家居系統(tǒng)中其它精簡功能設(shè)備（RFD）.

　　此模塊利用Chipcon公司的CC2430芯片，CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu),，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端,、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051）,具有128KB可編程閃存和8KB的RAM,還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、4個定時器,、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器,、32kHz晶振的休眠模式定時器,、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路,，以及21個可編程I/O引腳,。

　　CC2430芯片采用0118μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA;在接收和發(fā)射模式下,，電流損耗分別低于27mA或25mA.CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性,，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

　　CC2430帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的US2ART通信接口,，通過此通信接口中的一個,，S3C2410X處理器可以對CC2430進行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù),。

　　CC2430芯片集成了CRC和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能,，減少了程序員編程的工作量，加快了通信的速度,，減少了能量消耗,。同時，芯片還采用了CS2MA-CA技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突,，減少了一部分不必耍的能量消耗,。因此CC2430芯片具有超低的能耗，其使用壽命可以年來計算,，價格便宜,，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量分布節(jié)點的特點。

　　控制器通過RS-232接口利用Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息,。

　　2.3智能家居控制器的功能

　　智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng),，通過裁減后移植到控制器硬件平臺上。該智能家居控制器將Linux,ARM系統(tǒng),、手機模塊和ZigBee模塊組成一個整體,，構(gòu)成了一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng),，利用ZigBee技術(shù)輕松實現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點的無線連接。

　　智能家居控制器的功能為

　?。?）采用ARM架構(gòu)的32位嵌入式RISC處理器和開源的嵌入式linux操作系統(tǒng),；

　　（2）是智能家居控制系統(tǒng)的控制中心,，也是家居系統(tǒng)中信息家電平臺的網(wǎng)關(guān),；

　　（3）遇盜搶或疾病,，按緊急按鈕,，自動向管理中心報警；

　?。?）以家庭為單位配置,，利用液晶屏顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù),；

　?。?）利用ZigBee傳感器節(jié)點監(jiān)測各種故障報警數(shù)據(jù)（火災(zāi)、煤氣泄漏等）,并自動通過手機模塊發(fā)給用戶或小區(qū)管理中心,；

　?。?）通過以太網(wǎng)（或RS-485）與小區(qū)管理中心通信；

　?。?）通過控制器上的無線ZigBee模塊與家居系統(tǒng)中各子節(jié)點進行通訊,，對多種家電設(shè)備進行相應(yīng)的控制；

　?。?）用戶可通過Internet遠程監(jiān)控家庭中的多種家居設(shè)備,。

　　智能家居控制器通過Zigbee模塊采集各種家電設(shè)備的運行狀態(tài)并將各種故障報警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；對故障報警優(yōu)先處理,，通過手機模塊自動發(fā)送短信息到用戶手機或小區(qū)物管,，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，以便對各種信息進行進一步的分析和統(tǒng)計,。在這里數(shù)據(jù)庫成為了連接前后臺的中間件,，存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)供遠程監(jiān)控和本地LCD顯示，同時接收瀏覽器和本地鍵盤輸入,，由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運行狀態(tài)的上傳,；同時數(shù)據(jù)庫還需實現(xiàn)故障的分析統(tǒng)計和查詢,。在本系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite以滿足系統(tǒng)遠程控制數(shù)據(jù)傳遞,、數(shù)據(jù)共享的要求,。

　　控制器的軟件主要分為4個模塊：與數(shù)據(jù)采集接口的通信程序,、故障報警程序、本地的人機交互程序和遠程控制程序,。為了使用戶可以在Internet上通過瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡(luò),，需要在控制器（數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)）上架設(shè)Web服務(wù)器與用戶進行通信，并通過CGI接口調(diào)用后臺CGI程序,。CGI程序在Web服務(wù)器和控制程序間建立聯(lián)系,，調(diào)用具體的控制程序，實現(xiàn)對智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的指定操作,。它監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),，隨時隨地都能知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在家庭網(wǎng)絡(luò)中也是非常重要的,，使用戶可以隨時了解網(wǎng)絡(luò)的狀況,，如設(shè)備的加入退出、設(shè)備故障等等,。

　　3結(jié)語

　　ZigBee技術(shù)彌補了低成本,、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。智能家居控制器硬件由先進的ARM9嵌入式系統(tǒng),、手機模塊和ZigBee模塊組成,；操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux,家庭網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，安全性好,，系統(tǒng)功能完善,，能夠適應(yīng)今后智能家居發(fā)展的需要。

　　ZigBee是一種新興的近距離,、低復(fù)雜度,、低功耗、低數(shù)據(jù)速率,、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。