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ZigBee技术实现智能家居控制器的设计

导读: ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,在众多领域有着广泛的应用前景。

  ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,在众多领域有着广泛的应用前景。

  智能家居是一个多功能的综合技术系统,它以家庭住宅为平台,利用先进的计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术、信息技术,将家庭中的各种电器设备通过某种形式的网络有机地连接在一起,进行网络化的综合管理与调控,为人们提供一个舒适、安全、方便、环保和高效率的生活环境。

  本文所介绍的智能家居控制器利用ZigBee技术将家庭中许多相对独立的家用电器构成一个统一的智能家居系统,从而方便对家居中的各种电器设备进行本地操作,同时也可通过互联网或GPRS系统对各种电器设备实现远程控制。

1. ZigBee技术简介

  ZigBee技术是近几年逐步发展起来,很有市场潜力的一种无线连接技术。它是为了满足低功耗、低数据量和低成本的无线网络要求而诞生的。它基于IEEE无线个人区域网(WirelessPersonal AreaNetwork,WPAN)工作组的80211514标准,被称为ZigBee技术标准。

  完整的ZigBee协议由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成,如图1所示。

  IEEE80211514标准定义了物理层(PHY)和数据链路层(MAC);网络层以上的协议由ZigBee联盟负责制定,其中应用层包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。

  ZigBee以一个个独立的工作节点为依托,利用无线通信,通过自组织方式组成星型、网状和簇状3种网络结构,因此每个节点的功能并非完全相同。为了降低系统的成本,IEEE80211514定义了2种物理设备类型:全功能设备FFD (Full FunctionDevice)和精简功能设备RFD(Reduced FunctionDevice)。FFD节点具备控制器的功能,提供数据交换,能够作为网络协调器、路由节点和终端节点来使用,可以与网络中任何类型的设备进行通信;RFD只能作为终端节点来使用,而且只能与FFD通信,两个RFD节点之间不能通信。

  Zigbee这一无线通信技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、安全可靠、网络容量大、自组织、自愈能力强等特点,可广泛应用于多个技术领域,有着广阔的市场前景。

2 .基于Zigbee技术的智能家居控制器的设计

  智能家居系统的网络通信具有如下特点:

  ①传输数据量小,无需太大的传输速度;②网络的容量大,以满足家庭中的各种家电设备;③信息的实时性好,时延短。

  ZigBee的技术特点决定了其能很好地满足智能家居网络的上述需求,特别是具备自组织、自愈能力,这样的无线通信技术是智能家居系统理想的通信方式。

2.1 能家居系统的基本构成

  智能家居系统可通过GSM/GPRS/CDMA/网络、ZigBee个域网、互联网以及小区信息网实现信息的互联互通。用户在户外可通过手机调控家中的电器和照明装置,也可及时得到家中的防盗、防火、防煤气泄漏等报警信息;在家中可通过遥控器调控家电设备。控制器还兼有可视对讲系统室内主机功能,能查阅社区发布的各类信息,必要时可向社区保安发出报警求救信号。系统主要由一个智能家居控制器和若干个室内监控ZigBee功能模块组成。系统模型如图2所示。智能家居控制器经2个无线通信网络、互联网以及2条有线通信线路与外部设施实现信息的互联互通,因而智能家居控制器又可视为数字家庭网关。

  智能家居控制器内部装有手机模块,通过GSM(GPRS、CDMA)移动通信网络,与用户手机实现双向短消息收发。用户可通过手机短消息实现对家用电器的电源开关控制以及调光、调速控制;控制器以手机短消息的形式向用户手机发送报警信号,供防盗、防火、防煤气泄漏以及家庭突发事件报警用。

  控制器内部装有1个ZigBee模块,通过Zig2Bee无线网络与家居中的监控装置进行通信,作为ZigBee网络协调器(FFD)来使用。它负责组建智能家居ZigBee网络,接收系统控制中心发送的指令,并做出相应地处理。同时还要将从路由节点(FFD)或终端节点(RFD)接收到的数据发送给系统控制中心。

  室内监控设备按用途可分为3类:第一类为开关与插座,最简单的插座通过小电子开关的通断实现对家用电器(如电饭煲、饮水机、电视、冰箱、空调、洗衣机、电动窗帘以及不需要调光的灯具)的电源开关控制;较复杂的智能开关和插座具有输出功率可调的功能,用于吊灯、落地台灯的调光或电风扇的调速等。第二类为传感器产品,其中热释电红外传感器和门磁传感器用于防盗,烟雾传感器用于防火,瓦斯传感器用于防煤气泄漏,还有手动报警按钮用于突发事件(如孤寡老人突然发病)的报警。这些节点都带有ZigBee模块,作为网络的终端节点(RFD)。第三类为手持遥控器,除实现对家用电器开关控制、调光调速控制外,还具备照明场景设定与控制功能。

  若小区配置有物管通信网络和门禁对讲系统,控制器兼备可视门禁对讲系统的室内主机的功能。

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