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摘 要：本文提出了一种基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统的设计及实现方案，采用了以控制系统为中心、ZigBee无线传感网络为外围通信网络的结构来构建整个智能家居系统，解决了传统总线方案的不足。
关键词：ZigBee；家庭网关；智能家居系统
传感器网络[1]、无线通信技术以及家庭计算机是智能家居系统设计的核心。智能家居是在家居设备数字化的前提下，以家庭网络化为基础达到家庭智能化的目标。家庭内部组网是将一个个家居子系统互联起来形成一个网络，实现设备节点间的信息交换和资源共享，使得智能家居系统成为一个有机的整体，本文从应用角度阐述了基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统的现实意义。
1 ZigBee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本、高可靠性的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。无线网络技术的灵活安装及可移动性特点，使其越来越多地被应用于智能系统中。现有的无线通信技术主要有蓝牙、WiFi等，ZigBee 无线通信与它们相比如表1所示。
表1 ZigBee、Bluetooth和Wi-Fi比较
技术指标 ZigBee 蓝牙 Wi-Fi
网络节点 64000 7 32
传输速率（Mbit/s） 250 1 1
能耗 低 较高 高
工作频率（GHz） 2.4 2.4 2.4
通信距离（m） 10-75 10 100
2 智能家居系统
与传统家居系统孤立、静态、被动的特性相比，智能家居有三大优势：第一，是一个有机的整体。将家庭内部各子系统之间联系起来，并使家庭与外界联系起来；第二，是一个动态的系统。如人们忘记关窗，每逢刮风下雨便会担心，如果窗户能够动态的感应到天气变化，刮风下雨时可以自动关闭，人们便不会有这样的担心；第三，是一个能动的系统。系统不只是被动的接收控制指令，同时还会根据环境的变化和用户的习惯喜好自动做出相应的调整，从某种程度上体现出智能性。
智能家居系统一般包括3个部分，即家庭内部网络、家庭外部网络以及家庭网关[2]。用户可以利用智能终端、个人电脑等通过互联网、3G、GPRS等网络登录到家庭网关，进而通过家庭控制器（协调器）利用无线射频技术控制设备节点并接受来自设备节点传感器的信息。组建家庭内部网络使家里的电器、数字设备等联系起来，配置相应的协议使得各设备节点之间可以进行信息交换和资源共享。智能家居系统的总体架构如图1所示。
2.1 家庭网关的作用
家庭网关是用来实现基于ZigBee协议体系构建的家庭无线网络与外部的TCP/IP网络、GPRS、3G之间的不同协议转换的，完成不同网络体系的互联。从整个系统的结构上看，家庭网关是家庭内部无线网络与外部网络之间的连接点。
2.2 分布式家庭控制网络
在构建家庭网络的过程中采用基于ZigBee技术的分布式控制网络[3]。在这种网络中具有两个以上的控制器，这些控制器在网络中扮演着同样重要的地位，可指定其中的一个控制器作为总的网络协调者。因为各个控制器是平等的且每个控制器都有自己一定有限的工作范围，所以当一个控制器因故障无法正常工作的时候，只是影响了它管辖下的本地设备及相关的一些非本地设备的工作，不会导致整个系统陷入瘫痪而无法工作的状态。这既是分布式控制网络最突出的优点，也是非常符合智能家居控制的特性。
3 系统硬件设计
系统硬件的设计主要包括家庭网关和各设备节点应用模块的设计。
3.1 家庭网关的设计
网关的硬件设计是以 MPC850微处理器为核心构建的，根据智能家居的实际需求实现了以太网、RS485、USB 接口、RS232 等。具体的电路不同模块的设计包括Flash内存设计、串行接口设计、复位电路设计、时钟电路设计、USB接口设计和电源设计等部分。由于Flash和Boot ROM分别采用16位和8位口，Boot ROM连接WE0、Flash连接WE1。可通过RESET进行复位，系统上电时复位Flash和Boot ROM。以太网MAC采用MPC850模块的 SCC2。系统上包括以下几种复位源：MPC850内部复位、调试口复位、复位按钮复位、主电源复位。家庭网关是5V直流电源供电，当设备需要3.3V电源时，通过DC-DC将5V转换为3.3V。
3.2 各设备节点应用模块的设计
采用盛方SF-CC2430模块进行。SF-CC2430模块采用了德州仪器（TI）ZigBee射频芯片CC2430-F128，片上集成了高性能8051内核、ADC、USART等，同时支持 ZigBee协议栈。本文以窗帘自动化控制为例，简单介绍各设备节点应用模块的设计。该模块实现窗帘的自动控制功能，如图2所示。通过家庭控制器（协调器）主节点将来自于上位机（智能终端、PC）的步进电机控制指令发送到步进电机控制设备分节点，再由设备分节点控制步进电机的运行状态（时间、方向以及速度等）。
4 系统软件设计
只有在用户智能终端，如手机、个人电脑、遥控器等其他设备上进行应用软件设计，才能真正形成具有实际应用价值的整个智能家居系统[4]。本文以典型设备程序流程为例，讨论智能家居子系统软件开发的的主程序的运行流程。图3为家庭控制器的程序运行流程图。图4为设备节点的程序运行流程图。
5 结束语
提出基于ZigBee技术的无线通信技术智能家居的解决方案，完成了系统架构、硬件、软件设计，以电动窗帘自动控制、家庭控制器程序流程和设备节点程序流程为例详细探讨了系统硬件和软件的设计。
[参考文献]
[1]王雪.无线传感器网络测量系统[M].北京：机械工业出版社，2007：：37-324.
[2]马倩倩.ZigBee无线通信网络技术在智能家居中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2007：34-42.
[3]张亮.基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D].武汉科技大学硕士学位论文，2009.
[4]蒋建辉.ZigBee网络设计与实现[D].苏州：苏州大学出版社，2006：22-29.
关键词：ZigBee；家庭网关；智能家居系统
传感器网络[1]、无线通信技术以及家庭计算机是智能家居系统设计的核心。智能家居是在家居设备数字化的前提下，以家庭网络化为基础达到家庭智能化的目标。家庭内部组网是将一个个家居子系统互联起来形成一个网络，实现设备节点间的信息交换和资源共享，使得智能家居系统成为一个有机的整体，本文从应用角度阐述了基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统的现实意义。
1 ZigBee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本、高可靠性的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。无线网络技术的灵活安装及可移动性特点，使其越来越多地被应用于智能系统中。现有的无线通信技术主要有蓝牙、WiFi等，ZigBee 无线通信与它们相比如表1所示。
表1 ZigBee、Bluetooth和Wi-Fi比较
技术指标 ZigBee 蓝牙 Wi-Fi
网络节点 64000 7 32
传输速率（Mbit/s） 250 1 1
能耗 低 较高 高
工作频率（GHz） 2.4 2.4 2.4
通信距离（m） 10-75 10 100
2 智能家居系统
与传统家居系统孤立、静态、被动的特性相比，智能家居有三大优势：第一，是一个有机的整体。将家庭内部各子系统之间联系起来，并使家庭与外界联系起来；第二，是一个动态的系统。如人们忘记关窗，每逢刮风下雨便会担心，如果窗户能够动态的感应到天气变化，刮风下雨时可以自动关闭，人们便不会有这样的担心；第三，是一个能动的系统。系统不只是被动的接收控制指令，同时还会根据环境的变化和用户的习惯喜好自动做出相应的调整，从某种程度上体现出智能性。
智能家居系统一般包括3个部分，即家庭内部网络、家庭外部网络以及家庭网关[2]。用户可以利用智能终端、个人电脑等通过互联网、3G、GPRS等网络登录到家庭网关，进而通过家庭控制器（协调器）利用无线射频技术控制设备节点并接受来自设备节点传感器的信息。组建家庭内部网络使家里的电器、数字设备等联系起来，配置相应的协议使得各设备节点之间可以进行信息交换和资源共享。智能家居系统的总体架构如图1所示。
2.1 家庭网关的作用
家庭网关是用来实现基于ZigBee协议体系构建的家庭无线网络与外部的TCP/IP网络、GPRS、3G之间的不同协议转换的，完成不同网络体系的互联。从整个系统的结构上看，家庭网关是家庭内部无线网络与外部网络之间的连接点。
2.2 分布式家庭控制网络
在构建家庭网络的过程中采用基于ZigBee技术的分布式控制网络[3]。在这种网络中具有两个以上的控制器，这些控制器在网络中扮演着同样重要的地位，可指定其中的一个控制器作为总的网络协调者。因为各个控制器是平等的且每个控制器都有自己一定有限的工作范围，所以当一个控制器因故障无法正常工作的时候，只是影响了它管辖下的本地设备及相关的一些非本地设备的工作，不会导致整个系统陷入瘫痪而无法工作的状态。这既是分布式控制网络最突出的优点，也是非常符合智能家居控制的特性。
3 系统硬件设计
系统硬件的设计主要包括家庭网关和各设备节点应用模块的设计。
3.1 家庭网关的设计
网关的硬件设计是以 MPC850微处理器为核心构建的，根据智能家居的实际需求实现了以太网、RS485、USB 接口、RS232 等。具体的电路不同模块的设计包括Flash内存设计、串行接口设计、复位电路设计、时钟电路设计、USB接口设计和电源设计等部分。由于Flash和Boot ROM分别采用16位和8位口，Boot ROM连接WE0、Flash连接WE1。可通过RESET进行复位，系统上电时复位Flash和Boot ROM。以太网MAC采用MPC850模块的 SCC2。系统上包括以下几种复位源：MPC850内部复位、调试口复位、复位按钮复位、主电源复位。家庭网关是5V直流电源供电，当设备需要3.3V电源时，通过DC-DC将5V转换为3.3V。
3.2 各设备节点应用模块的设计
采用盛方SF-CC2430模块进行。SF-CC2430模块采用了德州仪器（TI）ZigBee射频芯片CC2430-F128，片上集成了高性能8051内核、ADC、USART等，同时支持 ZigBee协议栈。本文以窗帘自动化控制为例，简单介绍各设备节点应用模块的设计。该模块实现窗帘的自动控制功能，如图2所示。通过家庭控制器（协调器）主节点将来自于上位机（智能终端、PC）的步进电机控制指令发送到步进电机控制设备分节点，再由设备分节点控制步进电机的运行状态（时间、方向以及速度等）。
4 系统软件设计
只有在用户智能终端，如手机、个人电脑、遥控器等其他设备上进行应用软件设计，才能真正形成具有实际应用价值的整个智能家居系统[4]。本文以典型设备程序流程为例，讨论智能家居子系统软件开发的的主程序的运行流程。图3为家庭控制器的程序运行流程图。图4为设备节点的程序运行流程图。
5 结束语
提出基于ZigBee技术的无线通信技术智能家居的解决方案，完成了系统架构、硬件、软件设计，以电动窗帘自动控制、家庭控制器程序流程和设备节点程序流程为例详细探讨了系统硬件和软件的设计。
[参考文献]
[1]王雪.无线传感器网络测量系统[M].北京：机械工业出版社，2007：：37-324.
[2]马倩倩.ZigBee无线通信网络技术在智能家居中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2007：34-42.
[3]张亮.基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D].武汉科技大学硕士学位论文，2009.
[4]蒋建辉.ZigBee网络设计与实现[D].苏州：苏州大学出版社，2006：22-29.