王曉雪

【摘 要】本文主要從智能家居的概述、ZIHBEE技術(shù)介紹、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及硬件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了全面的闡述。

【關(guān)鍵詞】智能家居；ZIHBEE技術(shù)；FPGA技術(shù)

一、前言

隨著我國科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，F(xiàn)PGA和ZIHBEE技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，也逐漸受到了企業(yè)及技術(shù)人員的重視。

二、智能家居的概述

智能家居通常指的是利用陷阱的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及綜合的布線技術(shù)把家居生活相關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)來進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，再經(jīng)過統(tǒng)籌的科學(xué)管理，讓家居生活更加安全、舒適以及有效等。對(duì)于普通的家居來說，智能家居也可以滿足人們最起碼的居住功能，也可以提供高品位、舒適以及安全的家庭生活空間。與普通家居相比，智能家居還將傳統(tǒng)普通家居的被動(dòng)的靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為能動(dòng)的智慧工具，為人們提供全方面的信息功能，給予實(shí)時(shí)的信息交換，進(jìn)一步使家庭和外部保持更流暢的信息交通，使人們的生活方式得到進(jìn)一步優(yōu)化，科學(xué)合理的幫助人們進(jìn)行有效的實(shí)踐安排，強(qiáng)化家居生活的安全，為各種能源費(fèi)用進(jìn)行節(jié)約。

當(dāng)前的智能家居系統(tǒng)通?？梢詣澐址Q為網(wǎng)關(guān)、內(nèi)部網(wǎng)以及內(nèi)部網(wǎng)等三個(gè)組成部分。對(duì)于內(nèi)部網(wǎng)來說，是通過家庭內(nèi)部互聯(lián)的設(shè)備局域網(wǎng)以及各種家電形成的局域網(wǎng)，家居所連接的各種設(shè)備差別很大，其組網(wǎng)的形式往往表現(xiàn)出很不同的多樣性。外部網(wǎng)則是以有線電視網(wǎng)、小區(qū)局域網(wǎng)、Internet以及電話網(wǎng)等組成，大部分的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非常成熟。

家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)根據(jù)其內(nèi)部工程大致可以分為以下三種類型：用于進(jìn)行數(shù)據(jù)交換信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、用于來實(shí)現(xiàn)其控制相關(guān)功能的控制網(wǎng)絡(luò)以及用于傳輸視頻和音頻等多媒體網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于家庭網(wǎng)關(guān)來說，其是連接家庭外部網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的連接設(shè)備，將外部網(wǎng)與內(nèi)部網(wǎng)相連，對(duì)家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及網(wǎng)布網(wǎng)絡(luò)的控制功能都提供了途徑；對(duì)于家庭的網(wǎng)關(guān)來說，其允許家庭的內(nèi)部采用不一樣的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用家庭網(wǎng)關(guān)為各種信息網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)來提供橋接功能，這樣就使每一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)相互通信。

對(duì)于當(dāng)前的智能家居系統(tǒng)來說，其重點(diǎn)的考慮問題是家庭內(nèi)部的互相通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括家庭智能傳感器的節(jié)點(diǎn)以及智能家居的網(wǎng)關(guān)兩個(gè)組成部分。對(duì)于智能家居網(wǎng)關(guān)來說，其是家庭整體資源配置和管理的中心，智能家居網(wǎng)關(guān)完成了將的節(jié)點(diǎn)控制和組網(wǎng)等功能。智能家居的網(wǎng)關(guān)是通過組網(wǎng)的技術(shù)來對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中每一個(gè)傳感器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行連接，按照標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，對(duì)智能家居的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制和內(nèi)部管理管理進(jìn)行完善，同時(shí)也對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)之間的信息提供交互平臺(tái)。

三、ZIHBEE技術(shù)介紹

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式微處理技術(shù)等的快速發(fā)展，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZIHBEE技術(shù)的興起與成熟，極大的推動(dòng)了智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，預(yù)計(jì)在不久的將來智能家居將真正地進(jìn)入人們生活的各個(gè)方面，極大的改變?nèi)藗兊纳罘绞?。ZIHBEE是由ZIHBEE聯(lián)盟制定的面向低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（LR-WAPN）的雙向無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層使用工EEE802-5.4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZIHBEE聯(lián)盟定義。與Wi-Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他無線接入技術(shù)相比，ZIHBEE具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）成本低：每塊ZIHBEE芯片的價(jià)格大約為2美元，且ZIHBEE協(xié)議免專利費(fèi)；（2）功耗低：在待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-24個(gè)月；（3）可靠性高：采取碰撞避免機(jī)制，避免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；（4）網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)靈活：支持多種組網(wǎng)方式和大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)ZIHBEE網(wǎng)絡(luò)理論上可容納大約65000個(gè)設(shè)備。智能家居網(wǎng)絡(luò)中的各類安防報(bào)警、傳感、抄表數(shù)據(jù)、燈光、門禁及家電開關(guān)控制信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，無需太大的傳輸速率，但要求容量大、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、功耗低。智能家居系統(tǒng)若要在未來普及，發(fā)展趨勢(shì)是低成本、安裝簡便、使用方便、可擴(kuò)展性好、自組織能力強(qiáng)。綜合這些特點(diǎn)，ZIHBEE技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能家居比較合適的選擇。

ZIHBEE網(wǎng)絡(luò)中的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)洹湫屯負(fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)?。?）星型拓?fù)洌汗?jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有惟一的一條路徑。（2）樹型拓?fù)洌寒?dāng)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后再向下遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。也可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。由于需要滴家庭網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行實(shí)際的考慮。設(shè)備會(huì)分布在不同的房間，這樣家具、墻壁等都成為信號(hào)傳播的障礙，這些障礙因素都會(huì)使各個(gè)設(shè)備的通信范圍相應(yīng)的縮??；網(wǎng)絡(luò)就需要具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，這就要求增加路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而使信號(hào)的覆蓋范圍更廣；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有一定的可靠性和健壯性，不能由于少數(shù)設(shè)備的崩潰導(dǎo)致系統(tǒng)失效，盡量保證每次通信的成功。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZIHBEE家庭無線網(wǎng)絡(luò)是本智能家居系統(tǒng)中最重要部分，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控家庭中各種信息，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將處理過的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到主控系統(tǒng)中，一個(gè)ZIHBEE模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，是組建整個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)核心，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)管理，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸，終端節(jié)點(diǎn)有傳感器和ZIHBEE構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)控信息和數(shù)據(jù)采集，終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成了內(nèi)部網(wǎng)的ZIHBEE無線網(wǎng)絡(luò)部分，以某系統(tǒng)為例，本系統(tǒng)ZIHBEE通信如下：

1、采取協(xié)調(diào)器查詢，節(jié)點(diǎn)應(yīng)答的方式進(jìn)行通信，通信協(xié)議無變化；

2、由PC通過串口，向協(xié)調(diào)器發(fā)送“發(fā)送命令”指令，協(xié)調(diào)器向?qū)?yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令和參數(shù)（各占一個(gè)字節(jié)）；

3、節(jié)點(diǎn)在接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令后，根據(jù)命令和參數(shù)做出響應(yīng)，并返回相應(yīng)的結(jié)果，結(jié)果由兩個(gè)字節(jié)組成，先發(fā)高8位，再發(fā)低8位；

4、協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)返回的結(jié)果數(shù)據(jù)后，在串口調(diào)試器上顯示（兩個(gè)字節(jié)，先高8位，再低8位）。

五、硬件設(shè)計(jì)

1、FPGA部分。系統(tǒng)的核心控制部分由FPGA實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。本設(shè)計(jì)中硬件的設(shè)計(jì)都是基于Altera公司DE2-70開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的。FPGA部分的設(shè)計(jì)思路是：從ZIHBEE網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口后存儲(chǔ)到DE2-70開發(fā)板上的SDRAM中，然后系統(tǒng)從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)后顯示在LCD上，系統(tǒng)的整個(gè)軟件都存儲(chǔ)在Flash中。

2、ZIHBEE平臺(tái)部分。HELICOMM公司推出的ZIHBEE開發(fā)工具和產(chǎn)品，包含符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHZ射頻組件、低功耗的8位微控制器、ZIHBEE網(wǎng)絡(luò)軟件和全波長天線，每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250kbps的速率；支持最新的RS232mesh透明串行模式，能在網(wǎng)狀或多次跳接（multichip）無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達(dá)38.4kbps.IP_Link1270是完全符合IEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZIHBEE規(guī)范的2.4GHz無線收發(fā)模塊。射頻部分使用FREESVALE的MC13191/13192/13193芯片，MCU使用的是FREESVALE的Mc9S08GT60芯片。

六、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件程序是在NIOSIIIDE中由C語言編寫的，在NIOSIIIDE提供的工程管理器中進(jìn)行所有涉及的完成，尤其是在新建工程的時(shí)候，需要選擇在SOPCBuilder中生成的NIOSII處理器，這是是和別的嵌入式由差異的地方。主要包括底層驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。底層程序包括硬件驅(qū)動(dòng)程序和基本的輸入輸出函數(shù)（BIOS），用來供上層程序的調(diào)用。

七、結(jié)束語

加強(qiáng)對(duì)FPGA和ZIHBEE技術(shù)的智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用的研究，可以使智能家居系統(tǒng)更加完善，是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的研究。

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