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

　　1ZigBee技術簡介

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

　　完整的ZigBee協(xié)議由應用層,、應用匯聚層、網絡層,、數據鏈路層和物理層組成,，如圖1所示。

　　IEEE80211514標準定義了物理層（PHY）和數據鏈路層（MAC）;網絡層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負責制定,，其中應用層包括了應用支持子層（APS）,、ZigBee設備對象（ZDO）和由制造商制訂的應用對象。

　　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、網狀和簇狀3種網絡結構,，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種物理設備類型：全功能設備FFD（FullFunctionDevice）和精簡功能設備RFD（ReducedFunctionDevice）.FFD節(jié)點具備控制器的功能,，提供數據交換,，能夠作為網絡協(xié)調器、路由節(jié)點和終端節(jié)點來使用,，可以與網絡中任何類型的設備進行通信,；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這一無線通信技術具有近距離、低復雜度,、低功耗,、低數據速率、低成本,、安全可靠,、網絡容量大,、自組織、自愈能力強等特點,，可廣泛應用于多個技術領域,，有著廣闊的市場前景。

　　2基于Zigbee技術的智能家居控制器的設計

　　智能家居系統(tǒng)的網絡通信具有如下特點：

　?、賯鬏敂祿啃?，無需太大的傳輸速度；②網絡的容量大,，以滿足家庭中的各種家電設備,；③信息的實時性好，時延短,。

　　ZigBee的技術特點決定了其能很好地滿足智能家居網絡的上述需求,，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)的基本構成

　　智能家居系統(tǒng)可通過GSM/GPRS/CDMA/網絡、ZigBee個域網,、互聯(lián)網以及小區(qū)信息網實現信息的互聯(lián)互通,。用戶在戶外可通過手機調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控家電設備,?？刂破鬟€兼有可視對講系統(tǒng)室內主機功能，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2個無線通信網絡,、互聯(lián)網以及2條有線通信線路與外部設施實現信息的互聯(lián)互通，因而智能家居控制器又可視為數字家庭網關,。

　　智能家居控制器內部裝有手機模塊,，通過GSM（GPRS、CDMA）移動通信網絡,，與用戶手機實現雙向短消息收發(fā),。用戶可通過手機短消息實現對家用電器的電源開關控制以及調光、調速控制,；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,。

　　控制器內部裝有1個ZigBee模塊，通過Zig2Bee無線網絡與家居中的監(jiān)控裝置進行通信,，作為ZigBee網絡協(xié)調器（FFD）來使用,。它負責組建智能家居ZigBee網絡，接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令,，并做出相應地處理,。同時還要將從路由節(jié)點（FFD）或終端節(jié)點（RFD）接收到的數據發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。

　　室內監(jiān)控設備按用途可分為3類：第一類為開關與插座,，最簡單的插座通過小電子開關的通斷實現對家用電器（如電飯煲,、飲水機、電視,、冰箱,、空調、洗衣機,、電動窗簾以及不需要調光的燈具）的電源開關控制,；較復雜的智能開關和插座具有輸出功率可調的功能，用于吊燈,、落地臺燈的調光或電風扇的調速等,。第二類為傳感器產品，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)?。┑膱缶?。這些節(jié)點都帶有ZigBee模塊，作為網絡的終端節(jié)點（RFD）.第三類為手持遙控器,，除實現對家用電器開關控制,、調光調速控制外，還具備照明場景設定與控制功能,。

　　若小區(qū)配置有物管通信網絡和門禁對講系統(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,；當室內發(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)網接口，供用戶在異地時通過互聯(lián)網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)網的問世將為此項功能的應用提供極大的支持，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,，從而成為網絡中的一員。

　　ZigBee的簇狀網絡綜合了星型和網狀結構的特點,，我們在實際應用中利用智能家居控制器及ZigBee傳感器節(jié)點組成簇狀網絡,。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)點來擴大網絡覆蓋范圍,；對于小戶型的用戶而言，可以通過減少路由節(jié)點變成星型網絡,，以節(jié)省能量,、加快數據傳輸速度。

　　2.2智能家居控制器的硬件設計

　　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,，所有的設備控制,、任務調度、通信協(xié)議轉換,、數據收發(fā)和數據管理等任務都需要中央處理器,。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,，并配置相應的觸摸屏?？捎糜陲@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據去控制各種家居設備。另外為了控制方式更靈活，利用處理器的I2C總線接口設計鍵盤接口,，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公司生產的SIM300芯片（GPRS模塊）.與ARM進行數據傳輸采用標準的RS-232接口，通過使用AT命令完成對該模塊的操作,，實現短消息的收發(fā),。Zigbee模塊采集各種家電設備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息，通過RS-232接口與ARM進行數據傳遞,。

　　控制器配有以太網接口,，配合控制器上建立的Web服務器，用戶可通過Internet完成對家庭環(huán)境及各種家電設備的監(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)網絡配合,。若為新建小區(qū)，可直接使用以太網接口）.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部的IIS總線接口與外部音頻數字信號編碼器芯片（UDA1341TS）組成。

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

　　2.2.2智能家居控制器中的Zigbee模塊

　　ZigBee模塊采用全功能設備（FFD）類型,，它在智能家居系統(tǒng)中承擔著網絡協(xié)調器的角色,，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,，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器,。它使用1個8位MCU（8051）,具有128KB可編程閃存和8KB的RAM,還包含模數轉換器,、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，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)數據,。

　　CC2430芯片集成了CRC和數據完整性檢查等功能,，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技術來避免數據發(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,，符合傳感器網絡需要大量分布節(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,，構成了一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng)，利用ZigBee技術輕松實現家庭內部多節(jié)點的無線連接,。

　　智能家居控制器的功能為

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

　?。?）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關；

　?。?）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據,；

　?。?）利用ZigBee傳感器節(jié)點監(jiān)測各種故障報警數據（火災、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（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,，對多種家電設備進行相應的控制；

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

　　智能家居控制器通過Zigbee模塊采集各種家電設備的運行狀態(tài)并將各種故障報警數據存入數據庫；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,，并將現場數據實時存入數據庫，以便對各種信息進行進一步的分析和統(tǒng)計,。在這里數據庫成為了連接前后臺的中間件，存儲狀態(tài)數據供遠程監(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,；同時數據庫還需實現故障的分析統(tǒng)計和查詢,。在本系統(tǒng)設計中，我們采用嵌入式數據庫SQLite以滿足系統(tǒng)遠程控制數據傳遞,、數據共享的要求,。

　　控制器的軟件主要分為4個模塊：與數據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絡，需要在控制器（數字家庭網關）上架設Web服務器與用戶進行通信,，并通過CGI接口調用后臺CGI程序,。CGI程序在Web服務器和控制程序間建立聯(lián)系，調用具體的控制程序,，實現對智能家居網絡內部節(jié)點的指定操作,。它監(jiān)控網絡，隨時隨地都能知道網絡內設備的狀態(tài)并控制網絡內的各種設備,。網絡監(jiān)控在家庭網絡中也是非常重要的,，使用戶可以隨時了解網絡的狀況，如設備的加入退出,、設備故障等等,。

　　3結語

　　ZigBee技術彌補了低成本、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,家庭網絡采用ZigBee無線網絡，安全性好,，系統(tǒng)功能完善,，能夠適應今后智能家居發(fā)展的需要。

　　ZigBee是一種新興的近距離,、低復雜度,、低功耗、低數據速率,、低成本的無線網絡技術,，在眾多領域有著廣泛的應用前景。