基于ZigBee技术的智能家居系统

摘要：为了满足手机短信远程控制家电设备的需要，应用GR64和CC2430为核心开发了一种基于无线传感器网络的智能化短信远程控制系统。系统硬件部分主要由短信(SMS)收发模块、红外收发模块、微处理器模块、存储模块和供电模块等组成；软件部分给出了ZigBee无线通信协议的工作原理、家庭网关的设计流程。试验表明，该系统具有良好的可扩展性、低成本、低功耗、低延时、低复杂度等特点，在智能家居系统中具有广阔的应用前景。
关键词：智能家居；家庭网关；红外线通信；SMS ZigBee GR64；CC2430

0 引言
智能家居(Smar Home)又称智能住宅。智能家居是以家为平台，兼备自动化、智能化于一体的高效、舒适、安全、便利、节能的住宅环境。智能家居系统是将家庭中各种与信息有关的通信设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术联网，进行有效的控制和信息交换，同时将家庭网络与外网相连，利用远程监控系统，实现对家居的远程控制。虽然智能家居的概念已提出多年，但是由于相应的通信技术及应用领域的发展速度缓慢，一直没有走向实用化。随着传感器技术、半导体制造技术、嵌入式微处理技术等的快速发展，尤其是无线传感器网络ZigBee技术的兴起与成熟和GSM网手机用户的日益普及，使得无线传感器网络在远程环境监控、自动抄表、医疗护理、智能家居、远程工业和交通控制等领域提供了切实可行的应用方案，标志着在不久的将来智能家居将真正地进入人们生活的各个方面。ZigBee模块可以安装在遥控器、电灯、电视、风扇、空调、微波炉、煤气炉、门禁系统和其他各种家电设备中，实现家居的照明、温／湿度、安全和电气智能控制，通过ZigBee终端设备还可以收集家居的各种信息，传送到家庭网关；或者通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活的自动化、网络化和智能化。随着智能化家电设备的广泛应用，人们迫切需要随时随地的了解并控制家电设备的运行状态。本文结合用户的实际需求，给出了一个基于ZigBee技术的家居远程控制系统的设计方案，用户可以使用手机发短信通过家庭网关对室内所有的家电设备进行远程控制。

1 ZigBee技术
ZigBee是由ZigBee联盟制定的面向低速无线个人区域网络(LR-WPAN)的双向无线通信技术标准，其物理层和数据链路层使用IEEE802.15.4标准，网络层和应用层由ZigBee联盟定义。与Wi—Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他无线接入技术相比，ZigBee具有的优势如下：
(1)低功耗：工作模式下非常省电，并且支持休眠状态；
(2)低速率：ZigBee工作在3个免执照的ISM(工业、科学和医疗)频段上分别具有250 Kb／s(2．4 GHz)、40 Kb，／s(915 MHz)和20 Kb／s(868 MHz)三种不同的峰值数据速率；
(3)低成本；
(4)组网灵活、网络容量大：ZigBee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网；
(5)短距离：传输范围一般介于10～100 m之间；
(6)安全可靠性高，提供了数据完整性检查和鉴权认证功能，采用AES-128加密算法，同时采取碰撞避免机制。
ZigBee网络中的三种逻辑设备类型：ZC(ZigBee协调器)、ZR(ZigBee路由器)和ZED(ZigBee终端节点设备)。每个网络都必须包括一个ZC。协调器的主要功能是建立网络、传输网络信标、管理网络节点、存储网络节点信息和路由信息等。ZR既具有ZED的接入功能，又具有路由功能，可以作为远程设备之间的中继器来拓展网络的范围，负责搜索可用的网络、传递或转发与其连接的ZR或ZED的数据。ZED无路由功能，它和ZR可以从ZC或从任何已经进入网络的ZR处获得有关网络的信息，据此设置操作参数，加入网络。
ZigBee网络中的三种拓扑结构：星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑，如图1所示。

(1)星型拓扑：节点之间的数据路由只有惟一的一条路径。
(2)树型拓扑：当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点，然后再向下传递到目标节点。
(3)网状拓扑：网状拓扑结构是一种特殊的、按多跳方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织、自愈功能。网络可以通过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。
IEEE 802．15．4标准定义了两种物理设备类型，FFD(全功能设备)和RFD(半功能设备)。FFD是具有路由功能的节点，可以实现ZigBee网络的任意一种逻辑设备类型，它能与RFD或其他FFD通信。RFD只能充当ZED，不具备路由功能，只能选择性地加入已形成的网络，只能与FFD通信，使用最少的资源和存储器空间。
家庭智能控制(如照明、遥控装置、水电气计量及报警、PC机外设的无线连接等)具有这些方面的特点：传输数据量小，无需太大的传输速度，网络的容量要大，家庭中的各种设备多，易部署扩展性灵活性高，信息的实时性要好，时延要短，成本要低。ZigBee技术的特点决定了其能很好地满足家庭网络节点通信的需求。