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基于ZigBee技术的智能家居系统设计

发布时间:2018-07-18 01:08:30 文章来源:未来智库    
    关键词:智能家居;ZigBee;CC2530
    中图分类号:TP18 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2014)12-2828-03
    The Design of Smart Home System Based on ZigBee Technology
    WANG Qing-qing, YU Ben-cheng
    Abstract: The smart home system compose by CC2530 chip and its peripheral equipment ,using IAR Embedded Workbench compile, debugging and download, constructed network by ZigBee technology, the system provide real-time monitoring of the environment temperature, humidity, light intensity. The experimental results show that, the system measurement accuracy, good real-time performance, and it may realize the remote control, provides comfortable, convenient and the user-friendly intelligence lives environment.
    Key words: The smart home; ZigBee; CC2530
    智能家居又叫Smart Home,最早是由美国、欧洲等西方发达国家提出,智能家居将计算机技术、无线局域网技术、传感器技术以及嵌入式系统技术融合应用于家庭环境中,使家居生活中的照明系统、安防系统、环境监测系统等有机结合起来[1]。实现智能家居系统以后,人们可以通过网络,实现对家中相关设备的远程监测和控制。该文设计了一套能够监测家庭环境中温度、湿度、光照强度、人体等数据的智能家居系统。以TI公司生产的CC2530芯片为硬件平台,使用IAR编程调试工具,在TI公司开发好的Z-Stack协议栈的基础上,利用终端节点采集家居生活环境中的相关参数,通过ZigBee无线网络发送到协调器,协调器通过RS232串口,将采集到的数据在 PC 上进行显示,并且可以通过Internet远程访问,实现控制[2]。
    1 ZigBee 技术介绍
    ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点主要有以下几点:
    1)功耗低:在低功耗待机模式下,两节普通5号电池可使用6-24个月;
    2)成本低:ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本;
    3)网络容量大:网络可容纳65000个设备;
    4)时延短:典型搜索设备时延为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms;
    5)网络的自组织、自愈能力强,通信可靠;
    6)数据安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用AES-128加密算法(美国新加密算法,是目前最好的文本加密算法之一),各个应用可灵活确定其安全属性
    7)工作频段灵活:使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)和915MHz(美国),均为免执照(免费)的频段。
    2 系统实现
    采用星形拓扑结构,在家居环境中部署温度传感器节点、湿度传感器节点、关照度传感器节点、红外传感器节点,各传感器节点与家庭网关之间通过ZigBee协议栈无线连接,对家居环境中的温度、湿度、光照度、红外进行实时监测,并将监测到的数据通过无线方式实时发送到家庭网关,家庭网关通过RS232串口将采集到的家居环境中的信息传输到PC机,由PC机进行处理,并可根据监测值,通过相关的执行机构控制家居电器,例如温度过高,打开空调,光照度低,打开电灯等,实现家居生活的智能控制,系统的机构图如图1所示。
    2.1系统硬件平台
    系统选用TI公司所研发的CC2530芯片,CC2530是由Chipcon公司生产的第一款符合ZigBee标准的2.4GHz射频体系单片机。它整合了CC2530中高性能的RF收发组件和一个符合工业标准的增强8051内核MCU,具有开发难度低的SoC特性。工作于免许可的2.4GHz频段。CC2530 硬件平台的结构框图如图2所示。
    要实现对家居环境中温湿度、光照度等数据的无线采集,终端节点中配备采集所必须的传感器,那么就需要在终端节点中加入相应的传感器驱动程序,在Z-Stack协议栈的应用层中添加相关的程序以实现温湿度、光照度、红外数据的采集。终端节点采集到家居环境信息通过无线网络发送到家庭网关,采取适当的路由算法,配置网络层的相关参数,保证终端节点与协调器之间能够正常通信、协调器能够准确无误地控制终端节点[3]。
    2.2系统软件设计
    系统采用ZigBee无线通信技术,软件采用的是TI公司所研发Z-Stack 协议栈。Z-Stack 协议栈的物理层和MAC层遵循国际电信联盟所制定的IEEE802.15.4规范,网络层和应用层遵循ZigBee联盟所制定的标准,用户可以根据系统的功能需要进行定义[4]。本系统软件设计主要是ZigBee的组网,主要包括:协议栈启动、节点入网和节点间的绑定。
    1)协议栈的启动:当设备上电启动时,首先要进行初始化,主要包括初始化时钟、硬件的监测、各软件模块的初始化操作,完成初始化以后,进入到协议栈,协议栈即一个小型的操作系统,采用任务轮询循环机制,轮询要执行的任务。具体启动过程如图3所示。
    2) 节点入网:ZigBee组网需要协调器,所以协调器首先启动,选择可用的信道,配置网络 ID,然后扫描信道,侦听与自己网络 ID 匹配的节点的入网请求,判断入网请求,如果请求匹配,则为节点分配短地址,允许节点加入网络。而节点启动时,在进行初始化以后就会根据预先配置好的网络 ID,搜寻网络。节点入网流程如图4 所示。
    3) 节点间的绑定: 节点入网以后,还需要与协调器在应用层上建立一个逻辑上的链接,即节点间的绑定。只有在建立绑定的基础上,采集节点和协调器之间才能进行应用层数据帧的信息交互:协调器够收到节点的采集数据,节点能收到协调器的控制指令。节点绑定的流程如图5 所示。
    3 实验结果
    采用星形网络拓扑在现实环境中部署温度、湿度、光照度、红外传感器,进行实际的测量,以温度传感器为例,测量结果如图6所示。
    4 结束语
    基于ZigBee技术的智能家居系统,采用无线通信,应用于家居环境中,系统能准确地采集温度、湿度、光照度等信息,且在PC终端显示各项信息,并能根据控制端的指令无线控制终端节点的执行机构,实现无线控制智能家居中的设备。采用ZigBee技术组建智能家居网络,无需布线,也无需对室内电线作任何改动,安装简单、易行,实时性强、成本低廉、具有测量准确、易于扩展的特点。
    参考文献:
    [1] 张文亮,刘壮志,王明俊,等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术,2009,33(13):1-11.
    [2] 赵凯,龚仁喜. 基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J].装备制造技术,2009(8):127-129.
    [3] 深圳市威百仕集成电路有限公司. VIC-SP3SK2 用户手册[M].深圳:2006.
    [4] 乐强.WiMAX Mesh 网络技术分析[J].信息安全与通信保密,2012(8):71-73.
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