基于ZigBee的智能家居远程监控系统的设计与实现

摘 要： 根据智能家居系统的特点和发展现状，采用ZigBee技术和嵌入式Internet技术组建家庭网络并建立家庭网关。分别介绍了两部分的设计思路、技术特点、硬件选型和软件设计。实现并验证该了系统的远程监控功能，指出其应用前景。
关键词： 智能家居；ZigBee协议；JN5139；家庭网关；BOA服务器

智能家居以住宅为平台，利用先进的计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术以及自动控制技术等，将家中的各种电子电气设备通过家庭网络连接在一起，集中远程监控、管理家庭事物，让家居生活更加舒适、安全、有效。
智能家居属于消费电子、计算机、通信、家电、建筑、网络运营等行业的交叉领域。各行业因为不同的行业背景和发展思路，制定了各自的标准规范，选用了不同的技术组合。目前智能家居还处于发展阶段，各种新概念、新技术、新产品不断出现，并且尚无规范统一的国内外标准和产品可直接应用[1]。基于此背景，本文以ZigBee技术的发展为契机，结合嵌入式Internet技术，研究设计了一套智能家居远程监控系统,整体设计方案如图1所示。家庭网络和家庭网关是整个系统的主干，如何组建家庭网络和建立家庭网关决定了系统的设计水平和灵活性。

1 组建家庭网络
传统的智能家居系统组建家庭网络多采用总线控制技术，主要有X-10、CEBus、LonWorks和ApBus等几种[2]。由于有线网络存在布线麻烦、可扩展性差等缺点，将无线通信技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。目前比较常用的短距离无线通信技术有Wi-Fi、Bluetooth、UWB、Z-Wave、ZigBee等。相对于其他技术，ZigBee具有网络大容量、低速率、低功耗、较长传输距离、短时延、高安全性、工作频段灵活的特点。
智能家居家庭网络内灯光、水表、电表、安防报警、家电等组网的电子电气设备数量较多，而网内传送的是控制命令和数字等小容量数据，不需要太大的传输速率，但要求网络容量大、成本低、功耗低。因此使用ZigBee技术组建家庭网络是比较理想的选择。
1.1 ZigBee协议及硬件设备
ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上，IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC层。ZigBee联盟定义了网络层、应用层和安全服务层。ZigBee规范确定了三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器。在组网方式上，ZigBee支持星形结构、树形结构和网状结构三种拓扑形式。
由于众多厂商对ZigBee无线技术前景的看好，许多符合ZigBee技术标准的通信模块纷纷被研制出来以满足客户对ZigBee产品的开发需求，例如Chipcon公司的CC2420、TI公司收购Chipcon公司后推出的CC2430/CC2431、飞思卡尔的MC1322x、Jennic公司的JN51系列。本文选用了集成Jennic公司JN5139芯片的GAINSJ节点开发板，该开发板集成了天线、温湿度传感器SH电感单位T10、LED灯、按键等外部资源。
1.2 拓扑结构和路由协议的选择
通过测试得知该ZigBee开发板在室外空旷环境的通信距离为90 m～100 m，在室内有墙壁等障碍物时的通信距离在30 m左右，当有两堵墙阻隔时会出现2%左右的丢包率。在一般的家庭环境，通过合理的位置摆放可使ZigBee协调器和ZigBee终端节点的距离小于30 m，满足通信要求。为保障系统的健壮可靠，在每个房间的门口增加ZigBee路由器，既降低了一跳的通信距离要求，又避免和降低了墙壁等障碍物引起的丢包现象。
ZigBee网络支持星形结构、树形结构和网状结构三种拓扑形式，如图2所示。本文从树形结构和网状结构中选择更适合智能家居系统的拓扑结构。 树形结构对应Cluster-Tree路由算法，此路由算法较为简单，相当于静态路由，需要硬件配置较低，按照此算法，数据包只能转发给父节点或者子节点。网状结构需要AODVjr路由算法，此算法较为复杂，相当于动态路由，需要的硬件配置较高，但是节点间通信更为灵活[3]。而在本文智能家居远程监控系统中，不存在终端节点之间的通信，完全是协调器和终端节点之间的通信，所以选择了树形结构和Cluster-Tree路由算法。

1.3 软件设计
GAINSJ的集成开发环境是Jennic提供的Code::Blocks版本。Code::Blocks是一个全功能开放源代码的跨平台C/C++集成开发环境。Jennic公司在此基础上添加了JN5139编译器、JN5139 Flash Programmer、IEEE 802.15.4Stack Software、ZigBee Stack Software等组件。

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