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针对ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与应用_张宏伟

针对ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与应用_张宏伟

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2015.5 网络安全技术与应用

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针对ZigBee 无线传感网络的 智能家居系统设计与应用

张宏伟

(中国移动集团设计院安徽分院 安徽 230047)

【摘 要】ZigBee 无线传感网络是一种新型的无线通信技术,主要优点是节点多、速率低、网络覆盖范围大、能耗低。智能家居概念中包括远程抄表、家庭安防、场景联动、家电控制以及环境监测,ZigBee 无线传感网络通过对这些环节集中管理和控制,最终将智能家居实现。本文根据ZigBee 的性能提出了智能家居系统设计的方案,构建完善的无线传感网络系统,解决传统智能家居设计方案中的不足,以供参考。

【关键词】ZigBee;无线传感网络;智能家居系统设计;应用

中图分类号:TP309 文献标识码:A 文章编号:1009-6833(2015)05-115-02

0 引言

近年来,伴随着计算机无线技术的迅速发展,智能家居的概念逐渐出现在民众视野中。从目前发展趋势分析,智能家居普及是社会发展的必然趋势。智能家居系统主要包括布线系统、环境控制系统、网络系统、多媒体与影院系统、控制管理与智能家居系统、音乐系统、安防系统以及控制照明系统。ZigBee 无线系统是低成本、近距离、低能耗的无线通信系统,可实现无线连接家居中的子系统功能,成本低廉。

1 ZigBee 技术概述

ZigBee 技术是在IEEE 802.15.4无线标准中研发出的,主

要使用在无线个人区域网中。其特征包括以下内容:第一点是

ZigBee 技术具有低能耗的优势,因为ZigBee 技术有较短工作

周期,收发信息时的能耗相对较低,在使用过程中采取休眠机制,使用普通电池可以工作2年。第二点是ZigBee 技术的成本较低,协议简单、工作中需要的存储空间较小,可将ZigBee 技术的成本显著降低。第三点是有比较大的网络容量,每一个ZigBee 设备可以支持255个网络设备,使用网络协调器进行协

调后,可以容纳6万个节点。

目前使用无线传感通信技术有Bluetooth 、wi-fi 等,以表1

分析了无线通讯之间的基础功能。

表1 Bluetooth 、wi-fi 、ZigBee 基础功能对比

分类 Bluetooth

wi-fi

ZigBee 通信距离(m ) 10

100 10-80 工作频率(GHz ) 2.4 2.4 2.4

耗能 较高 高 较低

网络节点 7

32 61000-64000传输速度(MBits ) 1 1 250 2 使用ZigBee 网络设计智能家居方案分析

本文使用ZigBee 无线传感网络技术设计的智能家居方案设计图如图1所示。

图1 智能家居无线网络系统结构图示

其中智能家居系统中协调器代表的是组建网络,要负责除

组建网络以外的网络通讯。ZigBee 路由器的主要作用是将网络覆盖范围不断扩大,将路由协议实现,并且ZigBee 网络还承担相应的控制功能。ZigBee 网络技术中的终端节点指的是将一切接入到家庭内部网络中的设备进行数据采集以及系统控制。

ZigBee 无线传感网络技术常见的组网结构主要有三种,分为网状结构、树形结构以及星型结构。本文采取的是树形结构,和星型结构相比,树形结构覆盖的范围比较大;和网状结构相比,树形结构的能耗和响应速度都比较低。

3 智能家居硬件设计 3.1 设计家庭网关 智能家居的网关设计是基于ZigBee 网络技术的MPC850微型处理器进行构建的,和设计智能家居的需求相适应实现RS232、RS485、接口、USB 、以太网等。因为bootroom 、flash 分为使用8位口和16位口,所以可以使用reset 系统复位,对智能家居系统进行复位时使用bootroom 、flash 。智能家居系统

中包括多种复位源,主要有主电源复位、复位按钮复位、调试

口复位以及MPC850复位等。家庭网关设计主要使用5V 的直

流电源进行供电,当网络等用电设备需要3.3V 以上电源时应该使用DC-DC 把额定功率为5V 的电源转换为3.3V 。 3.2 设计智能家居中各节点 使用ZigBee 无线传感网络技术设计智能家居中的各节点时可以使用盛方SF-CC2430模块进行设计。本文在智能家居节点设计中以自动化窗帘为例,简单介绍了各个设备节点之间所使用的模块,这种模块设计可以实现智能家居中的窗帘自动控

制。除此之外,使用家庭网络中的控制器主节点将上机位中的电机控制指令发送到电机控制中的各个节点
中,设备中各节点的设备将节点控制,最终实现智能家居中窗帘自动化开关。

制。除此之外,使用家庭网络中的控制器主节点将上机位中的电机控制指令发送到电机控制中的各个节点中,设备中各节点的设备将节点控制,最终实现智能家居中窗帘自动化开关。

4 智能家居软件设计

智能家居中的软件设计包括开放采用原代码、主控制器、有较强移植性的Linux 系统,Linux 系统支持多样性的网络协议,可以为智能家居中的GSM 模块提供强有力的技术支持。对控制器的软件进行设计时主要包括智能家居系统中的初始化

功能、控制智能家居的报警信号、对远程指令进行控制等内容。

系统软件设计中只有用户在智能终端,比如手机APP 软件、遥控器以及个人电脑等便携设备上进行软件设计,才可以形成真正具备使用价值的家居系统。其中APP 结构可以设置为:启动→设备初始化→建立网路(成功?失败?),失败返回建立网络重新建立,成功进行下一程序→将家居传感器请求加入到网络系统→将传感器的节点地址储存→对数据依次接收→将数据传送至APP 。

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