嵌入式和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】嵌入式和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計ZigBee是一種新興的無線通信技術(shù)，它具有短距離、低功耗、低成本和低數(shù)據(jù)速率等特點。而智能家居的特點就是網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量小，對帶寬要求低，但是需要的網(wǎng)絡(luò)實時性好，延遲要短，要求接入方便，系統(tǒng)續(xù)航能力久、可擴展性強并且后期維護簡單。這無疑使ZigBee技術(shù)成為了，因為ZigBee技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域就是工業(yè)控制、電子設(shè)備和樓宇自動化等，它的特點決定了ZigBee技術(shù)能很好地滿足智能家居系統(tǒng)的需求。

1.系統(tǒng)總體方案

智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)大致可分為外部網(wǎng)（因特網(wǎng)）、內(nèi)部網(wǎng)（ZigBee自組網(wǎng)）和家庭網(wǎng)關(guān)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是部分，本系統(tǒng)以移植在tiny6410開發(fā)板上的Boa服務(wù)器作為家庭網(wǎng)關(guān)，它負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和協(xié)議轉(zhuǎn)換。下面介紹內(nèi)部網(wǎng)，這里的內(nèi)部網(wǎng)就是ZigBee自組網(wǎng)，根據(jù)家庭布局采用樹狀或者星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。ZigBee自組網(wǎng)包括各個終端節(jié)點，這些節(jié)點配合繼電器控制家庭中各種電器開關(guān)、溫濕度傳感器等家庭中需要被監(jiān)控的設(shè)備對象，從而到達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。從通信的角度講，每個節(jié)點即為一個終端，它們相互間通過ZigBee協(xié)議開展無線通信。這里暫不考慮內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。

智能家居系統(tǒng)的總體構(gòu)造框圖如圖1所示。

圖1智能家居總體構(gòu)造圖

2智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計

本文設(shè)計的家庭網(wǎng)關(guān)要處理來自Internet的數(shù)據(jù)，要求實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的硬件必須提供強大的網(wǎng)絡(luò)支持，同時需要支持TCP/IP協(xié)議，因此需要操作系統(tǒng)來支持多任務(wù)。家庭網(wǎng)關(guān)是一個由硬件和軟件共同組成的功能實體，將Boa服務(wù)器移植到ARM開發(fā)板作為網(wǎng)關(guān)使用。Boa是一個單任務(wù)的小型HTTP服務(wù)器，源代碼開放、性能優(yōu)越，特別適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)造圖

Boa服務(wù)器的建立較為簡單，主要步驟包括：在開發(fā)主機上對其開展解壓然后交叉編譯，接著配置服務(wù)器，主要是修改boa.conf文件，配置完成后就可以開展移植了，移植成功后安裝完畢就可以運行Boa服務(wù)器軟件了。在構(gòu)建好的嵌入式平臺上運行Boa服務(wù)器以及串口讀寫應(yīng)用程序，結(jié)合靜態(tài)網(wǎng)頁和動態(tài)CGI程序可以讓命令從網(wǎng)頁下到達(dá)嵌入式服務(wù)器。通過CGI技術(shù)可以實現(xiàn)Web服務(wù)器和串口讀寫應(yīng)用程序的調(diào)用，從而到達(dá)數(shù)據(jù)（也就是命令）從網(wǎng)頁到服務(wù)器再通過串口寫入ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的這樣一條正向的流程。當(dāng)命令發(fā)送至ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)后，緊接著讀寫應(yīng)用程序讀取ZigBee的反應(yīng)數(shù)據(jù)（主要是LED狀態(tài)以及傳感器讀數(shù)），讀取后存入ARM板子里的SQlite數(shù)據(jù)庫以供稍后的CGI程序調(diào)用并顯示在網(wǎng)頁上。

3ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)設(shè)計

從發(fā)展趨勢來看，無線自組網(wǎng)是智能家居網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向。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、低成本的雙向無線通信技術(shù)。其是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee將是功耗和成本的技術(shù)之一。介于智能家居的規(guī)模，即網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大、節(jié)點較多等考量，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇星形構(gòu)造。

ZigBee節(jié)點的硬件設(shè)計較為簡單，本節(jié)點采用TI公司的CC2430芯片，在單個芯片上整合ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個MCU（加強型8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM,還包含ADC、定時器、AES128協(xié)同處理器。數(shù)據(jù)采集單元選用一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11。

家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是以IARSystem公司的IAREmbeddedWorkbench為開發(fā)環(huán)境、以TI公司的ZStack協(xié)議棧為開發(fā)根底設(shè)計的。ZigBee協(xié)議棧20**基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制定，該協(xié)議的突出優(yōu)點是：組網(wǎng)能力強、適應(yīng)面廣、可靠性高、節(jié)能性好。ZStack協(xié)議棧由實現(xiàn)ZigBee協(xié)議不同功能的程序文件和庫函數(shù)組成。

4ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議是家庭內(nèi)部網(wǎng)的根底也可以說是，它的底層是IEEE802.15.4,包括物理層和MAC層。ZigBee工作在868MHz、915MHz和2.4GHz3個頻段，而真正需要關(guān)心是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是路由，路由算法是它的，的算法能節(jié)省ZigBee的能源消耗，縮短延遲。網(wǎng)絡(luò)層上面是應(yīng)用層，它主要規(guī)定了一些與應(yīng)用相關(guān)的功能，也就是開發(fā)人員直接打交道的對象。

本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧工作流程如圖3所示。

圖3ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)構(gòu)造圖

在智能家居ZigBee內(nèi)部自組網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器作用為關(guān)鍵，它上接智能家居系統(tǒng)“大腦”也就是家庭網(wǎng)關(guān)，下接ZigBee自組網(wǎng)其他路由和終端設(shè)備，同時起到一個無線接口的功能。如圖3所示，協(xié)調(diào)器接收應(yīng)用程序從串口發(fā)來的命令并對其解析，解析命令獲取要控制的終端地址和控制命令，然后向指定的終端節(jié)點發(fā)送解析后的新的控制命令，尋址方式是點對點方式，通過協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址來發(fā)送，ZigBee自組網(wǎng)中的命令構(gòu)造如圖4所示。終端收到命令后作出相應(yīng)動作并反應(yīng)自己的狀態(tài)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到反應(yīng)數(shù)據(jù)后會自動通過串口發(fā)回給家庭網(wǎng)關(guān)，也就是嵌入式服務(wù)器，并由應(yīng)用程序來讀取。以上就是ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)工作流程。

圖4命令構(gòu)造

本文實現(xiàn)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，整個系統(tǒng)架構(gòu)簡單，即建立嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)和ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，其功能齊全，并且可根據(jù)實際情況和個人需求增減傳感器以節(jié)約成本，可為任何家庭提供量身