基于ZigBee的智能家居系统
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【摘要】在研究物联网应用的基础上，对智能家居系统进行了分析。提出了基于zigbee系统的智能家居系统，并且开发了软硬件。整个网络构建呈星型拓扑结构，由中心节点担任数据处理节点，负责接受数据并传输给数据服务器，从而同Internet和GSM/CDMA网络通信。实现了环境参量与人体参量同远程终端的通信，以及远程终端对室内环境的远程控制。以其低功耗，近距离，低传输速率等优势更加适合智能家居的需要。
【关键词】ZigBee；物联网；智能家居；传感器
1.引言
随着社会的高速发展，人们对于生活品质的要求也越来越高，已经开始考虑如何将智能控制技术应用于日常生活，如实现家中电器的智能控制，远程监护家中的老人、小孩，自动的预警、提示可能会出现的危险等。
在技术层面，智能家居系统需要大量的数据采集节点，并且要求多种网络之间的有效互联，还对电缆的使用有所限制。近年来，无线通信技术的飞速发展使得这些难题得以解决[1][2]，在现实需求与技术发展的推动下，各种针对不同应用方向的智能家居系统应运而生。但随着研究的深入，系统续航能力、可扩展性、安全可靠性等越来越多的现实问题逐渐凸显，对系统数据接口的开放性，数据传输的实时性以及数据链接的安全性等方面提出了更高的要求。
2.几种无线传输技术的比较
2.1 几种常见的无线传输技术
目前主要的无线通信技术主要有蓝牙，Wi-Fi，红外，以及ZigBee技术。在组件网络方面几种技术各有特色。相比之下，ZigBee技术是一种相对低功耗，低速率，通信范围相对较大的通信技术。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线通信技术望尘莫及的。而ZigBee技术较大的网络容量，也为智能家居系统需要的庞大的数据采集节点奠定了基础。同时ZigBee模块成本低廉，每个模块仅有6美元，适合大规模组网使用[3]。
2.2 ZigBee技术的优势及其应用
ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术特点决定的[4]：
(1)数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于日常家居生活的低传输应用。
(2)功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用六个月到两年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的研发者所一直引以为豪的独特优势。
(3)成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，且免收专利费，大大降低了成本。
(4)网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
(5)时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
(6)安全性：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES一128加密算法。
(7)有效范围：有效覆盖范围10~1000米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
(8)工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。
而与之相反，目前其它无线通信技术基本上只是被设计作为有线传输的替代品，为手机和附近的耳机或PDA联网使用。这些技术可以在不充电的情况下工作几天或者几周，但无法满足更长时间的续航要求。
一般情况下，蓝牙设备需要人工手动配置和维护网络连接;它可以用来有效地处理8个设备(一个主设备和7个从设备)之间的数据传输服务，如果更多的话，通讯速率则显著下降。而802.11（Wi—Fi）也有类似的问题，虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高。ZigBee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景［5］。
3.基于ZigBee的智能家居系统的架构
3.1 智能家居系统的基本组成
智能家居系统需要考虑能耗、覆盖面积、传输速率和多网互联等因素。本研究采用基于Zigbee技术的无线网络实现对家用电器的监控，生理信号的采集，并结合Internet和GSM／CDMA网络通信技术实现对日常家居系统的远程智能监控。
其中，人体生理信号监护系统利用搭载传感器的便携式可编程扩展模块作为采集终端，家用电器监控系统利用嵌入其中的控制模块同时作为控制与数据采集终端，均通过ZigBee网络将数据传送至数据处理中心。数据处理终端可以通过互联网或者GSM／CDMA网络和一般普通的移动终端（如手机）通信。用户可以通过短信指令等方式对系统中的设备进行远程监控，也可以随时随地了解到家中老人小孩的生理参数，并且可以及时收到突发状况的报警，利用事先设定阈值函数的方式制定一系列的系统响应动作，以实现智能控制的目的。
3.2 网络的拓扑结构
ZigBee协议的网络拓扑结构有三种类型：星形结构、网格状结构和树状结构。
考虑在智能家居系统中，数据采集节点可能分布在多个房间之中，但它们都需要将采集到的数据发送到数据处理节点。因此，我们的系统采用星型拓扑结构。由一个中心节点依次轮询每个数据采集节点，当数据采集节点被询问到时，将数据传输给中心节点。
3.3 智能家居系统体系结构
基于上述分析，本文设计的智能家居系统体系结构如图1所示：
整个系统分为三部分，家用电器监控系统用于采集环境参数以及控制家居设备，如采集室温，二氧化碳浓度，智能切断总电源等。人体生理信号监护系统用于采集人体参量，如采集人体体温，脉搏，血氧浓度等。由这两部分所采集的数据通过ZigBee网络传送到数据处理节点，通过数据处理节点将数据发送到数据处理服务器，经过计算并与阈值进行比对提取出有效信息，再连接至Internet或GSM/CDMA网络与远程用户终端通信。
远程用户终端收到家中的数据后，可以向数据处理服务器发出反馈指令。数据处理服务器在接到反馈指令后，通过数据处理节点与数据采集节点通信，将用户指令传达至相应的控制电路，实现家中设备远程控制和环境调节。
3.4 智能家居系统的实现
Zigbee CC2430节点，是ZigBee模块和各种传感器的载体，我们以其作为智能家居系统中的主要组成部分。CC2430节点的核心是一块工业级8051单片机，封装了ZigBee模块。拥有21个可编程I/O引脚以及一个串口。作为前端节点是可以搭载丰富的数据采集传感器，作为中心节点是可以通过串口和数据处理服务器通信，并且通过睡眠模式可以最大限度的节约电量，提高续航能力。
我们通过二氧化碳传感器(S-100)和温度传感器(DS18B20)采集环境参量。各种数据采集传感器封装好了可以根据用户的需求直插在前端采集节点上。可以根据现实环境进行灵活的组合，实现单个节点完成多重复杂任务。
封装好的人体生理信号监护系统，将集成了脉搏和体温数据采集，并且设置了按钮可以方便使用者在危急情况下发出求救信号。该模块集成了体温和脉搏采集功能，制作成了穿戴式设备。对日常生活影响小，便于时刻对生理参数进行记录。发生紧急情况时除了可以自动报警之外，在未发生状况时，如果被监护人感觉不是可以通过按钮发出信号。
4.总结
ZigBee技术的众多优点都很适合智能家居这个应用背景。其低功耗，短距离低速传输功能使得它在日常家居环境中的应用游刃有余。通过和互联网以及GSM/CDMA网络的互联使得用户能够在千里之外，实现对于家中各种设备的远程操控。试想一下，劳累了一天，下班回家路上一个短信就可以让空调预热，热水器工作或者家里老人孩子的健康出现突况时自己和医院就能第一时间收到求助信号等，这样的生活必将使人倍感便捷。
参考文献
[1]Akyildiz I F,Cayirci E.Wireless sensor networks:a puter Networks,2002.
[2]Malan D,Jones T F.An Ad Hoc sensor network infrastructure for emergency medicate international workshop on wearable and implantable body.Sensor Networks,2004(4).
[3]原羿,苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件,2004(6).
[4]顾瑞红,张宏科,基才ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用.
[5]Thaddeus R F,Fulford J,Gu Y W.A portable low- power,wireless two-lead EKG system.In:Proceedings of the 26th annual international conference of the IEEE EMBS,San Francisco,CA,USA,2004.