馮英偉 王慶福 王啟元

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000；2.遼寧行政學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110161）

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，人們對(duì)高質(zhì)量生活的追求越來(lái)越高，各種智能化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，住宅智能化就是其中一種.由于人們對(duì)新興的技術(shù)的不斷探索，家居智能化技術(shù)的內(nèi)容得到了充分的補(bǔ)充與完善.智能家居技術(shù)涵蓋多個(gè)領(lǐng)域，以提高生活質(zhì)量為前提，充分利用自動(dòng)控制技術(shù)、安全監(jiān)測(cè)技術(shù)、視頻切換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等現(xiàn)代較成熟的技術(shù)，把已有的家居電器與傳感器、節(jié)點(diǎn)、通信設(shè)備進(jìn)行合理安排與整合.作為一種將要普及的應(yīng)用，一定要做到簡(jiǎn)捷，方便，易于維護(hù).把人、家電和技術(shù)組成井井有條的智能家居系統(tǒng).ZigBee技術(shù)作為近年來(lái)新興的近距離無(wú)線通信技術(shù)，從它低速率和低成本的特點(diǎn)出發(fā)，它基本可以滿足如家庭這樣小型化系統(tǒng)的要求.

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)

（1）安全可靠.由于ZigBee采用AES－128加密算法，同時(shí)ZigBee數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能較好.

（2）成本低廉.

（3）功耗低.在低耗電待機(jī)模式下可以堅(jiān)持一年左右.

（4）ZigBee采用的是免執(zhí)照頻段.

（5）延遲短.通常在15～30毫秒之間.

（6）數(shù)據(jù)傳輸速率低.

（7）近距離傳輸.有效覆蓋范圍10～100米.

1.2 ZigBee協(xié)議

ZigBee節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的協(xié)議，包含物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層.每個(gè)ZigBee設(shè)備都與一個(gè)特定的模板有關(guān)，這個(gè)模板可能是私有模板或公共模板，這些模板定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類(lèi)型等.公共模板可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中的互操作性.應(yīng)用支持子層（APS）是應(yīng)用層重要組成部分，所有端點(diǎn)都使用應(yīng)用支持子層（APS）提供的服務(wù).APS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全服務(wù)提供服務(wù).

APS使用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)設(shè)備與設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動(dòng).ZigBee協(xié)議較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)在智能家居中，每一層協(xié)議都有其特定的任務(wù)，并由下向上提供服務(wù)，層層聯(lián)系緊密，各層之間通過(guò)邏輯鏈路提供服務(wù).

2 基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型，網(wǎng)狀型，樹(shù)型.家電設(shè)備可能分布在家庭中的不同地方，而且家電數(shù)量比較多，分布集中，房屋構(gòu)造與家居擺設(shè)會(huì)影響每個(gè)設(shè)備的通信范圍，致使覆蓋面積減小，浪費(fèi)資源.同時(shí)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有可擴(kuò)展性，可以隨時(shí)增加設(shè)備與節(jié)點(diǎn)，便于更新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).該網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有較高的安全性與可靠性，且易維護(hù)，不應(yīng)因少數(shù)設(shè)備的損壞而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò).針對(duì)上述的一系列問(wèn)題，本文所述的智能家居系統(tǒng)選擇了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

本文智能家居系統(tǒng)采用大量的ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò).ZigBee子節(jié)點(diǎn)中的中央處理器對(duì)其所屬設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采集溫度、濕度、設(shè)備電壓電流等數(shù)據(jù).傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到數(shù)據(jù)沿著自己所建的路徑傳送給與傳感器相連的ZigBee無(wú)線通信模塊，再傳輸匯聚到主節(jié)點(diǎn)，ZigBee子節(jié)點(diǎn)與Zig－Bee主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信依賴ZigBee協(xié)議.具體過(guò)程如下：傳感器作為接受電器信號(hào)的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)先接通電源，傳感器節(jié)點(diǎn)首先要把信息傳給ZigBee模塊，傳感器與ZigBee模塊建立通信后，若無(wú)其他信號(hào)，傳感器與ZigBee模塊進(jìn)入休眠模式.當(dāng)ZigBee主節(jié)點(diǎn)收到了中斷請(qǐng)求信號(hào)，隨后主節(jié)點(diǎn)出發(fā)中斷，此節(jié)點(diǎn)處于運(yùn)行狀態(tài)，用于發(fā)送與接收各種信息包，由于接收到的信息比較多而雜，所以接收數(shù)據(jù)時(shí)用數(shù)據(jù)處理子程序分析，對(duì)不同的數(shù)據(jù)分類(lèi)，校驗(yàn)，然后根據(jù)結(jié)果做出相應(yīng)的反應(yīng).每次接收結(jié)束后，傳感器與節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行休眠，如再來(lái)請(qǐng)求，則繼續(xù)按照上述運(yùn)行.如果一次有多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)來(lái)，主節(jié)點(diǎn)不能一次全部相應(yīng)，就會(huì)有一些丟失，那些未被響應(yīng)的請(qǐng)求應(yīng)再次發(fā)出請(qǐng)求，直到被響應(yīng)為止.

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為用戶與家電設(shè)備架起一座橋梁，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)與用戶間遠(yuǎn)程交互家電設(shè)備信息數(shù)據(jù).用戶通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)查詢到家電設(shè)備的數(shù)據(jù)，監(jiān)控管理家電設(shè)備的運(yùn)行情況，若遇到異常情況，用戶可以響應(yīng)家居報(bào)警機(jī)制，使用戶在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并及時(shí)處理.通過(guò)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)基本能實(shí)現(xiàn)家居防火、防盜監(jiān)控，家居室內(nèi)溫濕度監(jiān)控，遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制等功能.根據(jù)ZigBee技術(shù)的成本較低、可靠性能好、技術(shù)簡(jiǎn)單高效等特性，再加上智能家居對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度，管理控制等指標(biāo)要求一般，這種設(shè)計(jì)完全滿足家庭的需求.這種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)單，而且易于維護(hù)，提高了該系統(tǒng)的安全性能.圖1描述了該智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖.

圖1智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖ZigBee無(wú)線通信ZigBee無(wú)線通信ZigBee子節(jié)點(diǎn)...空調(diào)傳感器熱水器傳感器ZigBee子節(jié)點(diǎn)燈光控制傳感器ZigBee子節(jié)點(diǎn)溫濕度傳感器ZigBee子節(jié)點(diǎn)ZigBee主節(jié)點(diǎn)用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器.

圖1 智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

ZigBee技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)都很適合智能家居這個(gè)應(yīng)用背景.其低功耗，短距離低速傳輸功能使得它在日常家居環(huán)境中的應(yīng)用游刃有余.本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的研究，從實(shí)際情況出發(fā)，提出了大多數(shù)家庭都適用的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)思路清晰、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單，采用的設(shè)備成本低，將ZigBee技術(shù)與日常生活實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，有助于智能家居系統(tǒng)的推廣，可用于現(xiàn)代家居管理，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，雖然這種應(yīng)用還沒(méi)普及，但我相信隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)這種技術(shù)的了解逐步加深，這種應(yīng)用一定會(huì)大有發(fā)展.

［1］齊勝濤，劉翔宇.國(guó)內(nèi)外智能家居的研究現(xiàn)狀及可實(shí)現(xiàn)的功能分析［J］.科技信息，2011

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［3］顧理軍.ZigBee技術(shù)在智能家居網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究［J］.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011

［4］顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用