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[摘要]在分析目前家庭自动化中遥控器现状的基础上，提出采用Zigbee无线技术实现统合遥控器方案，利用红外管直接控制现有设备的方法，给出统合遥控器的软硬件实现方案。试验结果为对各个设备的控制延时都在1秒以内，由此我们可以认为采用zigbee无线技术的统合遥控器可以满足遥控器的性能指标要求。
[关键词]Zigbee 遥控器 统合遥控器 无线通信技术 家庭自动化
中图分类号：TP7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520033－02
一、引言
随着计算机技术、控制技术和通信技术的发展，家庭自动化在过去的十年中获得了巨大的发展，人们对家庭自动化提出了更高的要求。在家庭自动化系统中遥控设备扮演着至关重要的脚色，现在遥控器几乎是每个家庭不可或缺的设备，而且家庭中的遥控器的数量还在不断的增多，其数目甚至多达十几个，因此使用时就会出现错用遥控器或者发现某些遥控器由于长期不用而导致找不到或者电池已经耗尽的事情发生，给使用者带来麻烦。如果能够使用一个遥控器来遥控家庭中的多个设备甚至所有设备将会给用户带来很大的便利，本文在这样的背景下提出了采用zigbee技术对电视、音响、DVD、灯光等统合，以期实现家庭遥控器的统合。
二、1ZigBee技术简介
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于RFID技术和Bluetooth之间的技术提案。ZigBee 的物理基础是IEEE 802.15. 4 ，这是由IEEE 无线个人区域网工作组制定的称为IEEE 802. 15. 4 ( ZigBee)的技术标准[1]。
（一） ZigBee 技术的主要特点包括以下几个部分
◆ 低数据传输速率。只有10～250 kbps，分别提供250 kbps (2. 4 GHz) 、40 kbps (915 MHz) 和20 kbps (868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
◆可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。
◆ 低功耗。低功耗模式下，两节普通5号电池可使用6个月以上，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者一直引以为豪的优势。
◆ 低成本。ZigBee数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本，现在带有MCU的Zigbee芯片的价格已降至4美元左右，且ZigBee协议免收专利费。
◆ 网络容量大。每个ZigBee 网络最多可支持65534 个设备。
◆ 时延短。通常时延为30 ms以内。
◆ 近距离。有效覆盖范围为10～100米 ,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,能够覆盖一般的家庭和办公范围。
◆ 工作频段灵活。使用的频段分别为2. 4 GHz 的16个频段、868MHz (欧洲)的单个频段以及915 MHz(美国)的10个频段，这些均为免执照频段。
基于上述特点,ZigBee 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器数据) 、间歇性数据(如遥控器)等 。
（二）ZigBee统合遥控器原理
IEEE802.15.4规定了ZigBee网络的拓扑结构，ZigBee联盟定义了ZigBee网络的实现方法[2]。由于在家庭使用范围不大所以组网不需多层的路由，只需要组建简单的星型网络就可以满足实际的需要。在该结构下所有的终端设备都联接到同一个协调器上，而终端设备之间的通信必须通过协调器中转来实现。根据ZigBee specification v1.0的APS层的规定[2]，可以将一个或多个终端设备绑定到某个设备上，这样这个设备就可以和与之绑定的所有设备进行一键式通信。如果将这个设备作为遥控器，就可以实现一个遥控器遥控多个设备。由于所有设备都会收到相同的信息，这样每个设备还需要进一步的判断发过来的控制消息是否符合自己的控制信号，不符合则丢弃，符合则采取相应的处理动作。判断是通过zigbee specification V1.0的APS层规定的cluster ID和Atrribute ID 来实现的。其原理框图如图1所示。
根据规定在使用之前需要将遥控设备和被遥控设备都绑定在一起，绑定好以后遥控设备就可以对被遥控设备进行遥控操作。由于ZigBee协调器是动态的分配设备的网络地址，所以不可以采用动态的网络地址来绑定设备和遥控器，而是采用设备的64位IEEE地址将遥控设备和被遥控设备绑定在一起。在协调器上通过将遥控设备和被遥控设备的绑定表写到非易失的存储器中如FLASH或者EEPROM，来保证在掉电后仍可以绑定的信息，而不需要每次断电都需要重新绑定设备。由于在绑定操作过程需要人参与操作而且具有时间限制，这样就可以最小限度的避免受到其他同类遥控设备的干扰（因为收到不是和自己绑定的遥控设备来的信号会被认为是不合法而被丢弃）。
（三）ZigBee统合遥控器实现硬件实现
ZigBee遥控器采用Freescale的MC13213芯片[3]，芯片集成了射频和MCU， MC13213工作在2.4G的公用频段下，带有片内60K的FLASH、32个具有上拉功能的IO口，一个IIC口、一个SPI接口以及2个SCI接口，这样单芯片便可以实现整个ZigBee的功能。由于现在还没有支持ZigBee的具体设备（电视机、DVD、音响等），所以在设计过程中我们采用了红外管发送相关设备的红外控制信号来实现对设备的控制。
1．遥控器端：现阶段我们只试验了有限的遥控功能，而没有实现现有遥控器的所有功能，因此只采用了4个按键。按键1是设备选择按键，该按键负责选择将要操作的设备（电视机、DVD还是音响）；按键2是控制各个设备电源的开关，采用切换的方式；按键3对于不同的设备有不同的功能，对于电视机是节目上调，对于DVD是播放，对于音响是音量调高而对于灯则是调亮；按键4对于不同的设备也有着不同的功能，对于电视机是节目下调，对于DVD是停止播放，对于音响是音量调低而对于灯是调暗。当按键按下时MC13213处理按键信号，根据当前的设置发送相应的信号，同时将结果显示到LCD上。
2．设备端：接收到遥控信号，首先判断遥控信号对本机是否有效，如果信号有效通过红外管发送对应的红外控制信号来控制设备，同时向遥控端返回控制成功的信号，如果控制信号无效，返回无效的控制信号。
软件实现：根据ZigBee协议规定，ZigBee设备必须在加入网络以后才能执行zigbee协议规定的网络操作[2]。所以在ZigBee设备启动后对自己的一些配置作了相关的初始化以后就开始搜索网络并加入一个合适的网络。这个工作对于采用已经完全实现的网络层协议栈来说，用户只需完成一些配置工作就可以，因为协议栈已经将这一功能集成在其中了；对于只采用集成的MAC层协议栈的用户来说必须自己管理设备加入网络以及对网路操作的相关功能。对于本文中的遥控设备对来说，在操作之前还需要完成设备之间的绑定操作，绑定操作需要待绑定的设备都已经加入网络以后才可以执行。绑定过程对于不同的设备有这样几种绑定方法：
（1）绑定一个新的设备到其他设备上。需要同时在两个设备上发送绑定信号。
（2）更改绑定信息。首先要将已经绑定的信息删除后再重复方法1，删除绑定信号可以由绑定设备或者被绑定设备向协调器发送一条解绑定信号来实现设备间的解绑定。
（3）已经绑定过的设备。在复位以后可以先读取绑定表的内容，来确定是否需要进行绑定操作，如果绑定表中已经存在了需要的绑定条录，就不需要执行绑定操作，只要从协调器读取绑定条目就可以了。在绑定结束以后就可以通过遥控设备来控制相关的设备了。
三、结语
本文给出了家用统合遥控器的设计和解决方案。试验结果：电视的遥控延时在0.5S左右（从按键按下到电视执行了相应的动作）；DVD的遥控延时为1S左右（从按键到DVD执行了相应的动作）；灯的遥控延时小于0.5S（按键按下灯立刻就亮），音响的遥控延时在1S左右，操作距离为隔墙25米，直视遥控距离可以达到50米。（手不能完全遮盖天线部分，否则距离将严重缩减）。虽然这只是一个简单的试验，试验的结果足以显现采用zigbee技术的统合遥控器的优点，在此我们可以预测在不久的将来采用zigbee技术的统合遥控器将成为家庭遥控器的主角。
作者简介：
汤海，男，硕士，研究方向：嵌入式技术，职称：助教。
杨峰，男，硕士，研究方向：嵌入式技术，职称：助教。
[关键词]Zigbee 遥控器 统合遥控器 无线通信技术 家庭自动化
中图分类号：TP7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520033－02
一、引言
随着计算机技术、控制技术和通信技术的发展，家庭自动化在过去的十年中获得了巨大的发展，人们对家庭自动化提出了更高的要求。在家庭自动化系统中遥控设备扮演着至关重要的脚色，现在遥控器几乎是每个家庭不可或缺的设备，而且家庭中的遥控器的数量还在不断的增多，其数目甚至多达十几个，因此使用时就会出现错用遥控器或者发现某些遥控器由于长期不用而导致找不到或者电池已经耗尽的事情发生，给使用者带来麻烦。如果能够使用一个遥控器来遥控家庭中的多个设备甚至所有设备将会给用户带来很大的便利，本文在这样的背景下提出了采用zigbee技术对电视、音响、DVD、灯光等统合，以期实现家庭遥控器的统合。
二、1ZigBee技术简介
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于RFID技术和Bluetooth之间的技术提案。ZigBee 的物理基础是IEEE 802.15. 4 ，这是由IEEE 无线个人区域网工作组制定的称为IEEE 802. 15. 4 ( ZigBee)的技术标准[1]。
（一） ZigBee 技术的主要特点包括以下几个部分
◆ 低数据传输速率。只有10～250 kbps，分别提供250 kbps (2. 4 GHz) 、40 kbps (915 MHz) 和20 kbps (868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
◆可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。
◆ 低功耗。低功耗模式下，两节普通5号电池可使用6个月以上，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者一直引以为豪的优势。
◆ 低成本。ZigBee数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本，现在带有MCU的Zigbee芯片的价格已降至4美元左右，且ZigBee协议免收专利费。
◆ 网络容量大。每个ZigBee 网络最多可支持65534 个设备。
◆ 时延短。通常时延为30 ms以内。
◆ 近距离。有效覆盖范围为10～100米 ,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,能够覆盖一般的家庭和办公范围。
◆ 工作频段灵活。使用的频段分别为2. 4 GHz 的16个频段、868MHz (欧洲)的单个频段以及915 MHz(美国)的10个频段，这些均为免执照频段。
基于上述特点,ZigBee 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器数据) 、间歇性数据(如遥控器)等 。
（二）ZigBee统合遥控器原理
IEEE802.15.4规定了ZigBee网络的拓扑结构，ZigBee联盟定义了ZigBee网络的实现方法[2]。由于在家庭使用范围不大所以组网不需多层的路由，只需要组建简单的星型网络就可以满足实际的需要。在该结构下所有的终端设备都联接到同一个协调器上，而终端设备之间的通信必须通过协调器中转来实现。根据ZigBee specification v1.0的APS层的规定[2]，可以将一个或多个终端设备绑定到某个设备上，这样这个设备就可以和与之绑定的所有设备进行一键式通信。如果将这个设备作为遥控器，就可以实现一个遥控器遥控多个设备。由于所有设备都会收到相同的信息，这样每个设备还需要进一步的判断发过来的控制消息是否符合自己的控制信号，不符合则丢弃，符合则采取相应的处理动作。判断是通过zigbee specification V1.0的APS层规定的cluster ID和Atrribute ID 来实现的。其原理框图如图1所示。
根据规定在使用之前需要将遥控设备和被遥控设备都绑定在一起，绑定好以后遥控设备就可以对被遥控设备进行遥控操作。由于ZigBee协调器是动态的分配设备的网络地址，所以不可以采用动态的网络地址来绑定设备和遥控器，而是采用设备的64位IEEE地址将遥控设备和被遥控设备绑定在一起。在协调器上通过将遥控设备和被遥控设备的绑定表写到非易失的存储器中如FLASH或者EEPROM，来保证在掉电后仍可以绑定的信息，而不需要每次断电都需要重新绑定设备。由于在绑定操作过程需要人参与操作而且具有时间限制，这样就可以最小限度的避免受到其他同类遥控设备的干扰（因为收到不是和自己绑定的遥控设备来的信号会被认为是不合法而被丢弃）。
（三）ZigBee统合遥控器实现硬件实现
ZigBee遥控器采用Freescale的MC13213芯片[3]，芯片集成了射频和MCU， MC13213工作在2.4G的公用频段下，带有片内60K的FLASH、32个具有上拉功能的IO口，一个IIC口、一个SPI接口以及2个SCI接口，这样单芯片便可以实现整个ZigBee的功能。由于现在还没有支持ZigBee的具体设备（电视机、DVD、音响等），所以在设计过程中我们采用了红外管发送相关设备的红外控制信号来实现对设备的控制。
1．遥控器端：现阶段我们只试验了有限的遥控功能，而没有实现现有遥控器的所有功能，因此只采用了4个按键。按键1是设备选择按键，该按键负责选择将要操作的设备（电视机、DVD还是音响）；按键2是控制各个设备电源的开关，采用切换的方式；按键3对于不同的设备有不同的功能，对于电视机是节目上调，对于DVD是播放，对于音响是音量调高而对于灯则是调亮；按键4对于不同的设备也有着不同的功能，对于电视机是节目下调，对于DVD是停止播放，对于音响是音量调低而对于灯是调暗。当按键按下时MC13213处理按键信号，根据当前的设置发送相应的信号，同时将结果显示到LCD上。
2．设备端：接收到遥控信号，首先判断遥控信号对本机是否有效，如果信号有效通过红外管发送对应的红外控制信号来控制设备，同时向遥控端返回控制成功的信号，如果控制信号无效，返回无效的控制信号。
软件实现：根据ZigBee协议规定，ZigBee设备必须在加入网络以后才能执行zigbee协议规定的网络操作[2]。所以在ZigBee设备启动后对自己的一些配置作了相关的初始化以后就开始搜索网络并加入一个合适的网络。这个工作对于采用已经完全实现的网络层协议栈来说，用户只需完成一些配置工作就可以，因为协议栈已经将这一功能集成在其中了；对于只采用集成的MAC层协议栈的用户来说必须自己管理设备加入网络以及对网路操作的相关功能。对于本文中的遥控设备对来说，在操作之前还需要完成设备之间的绑定操作，绑定操作需要待绑定的设备都已经加入网络以后才可以执行。绑定过程对于不同的设备有这样几种绑定方法：
（1）绑定一个新的设备到其他设备上。需要同时在两个设备上发送绑定信号。
（2）更改绑定信息。首先要将已经绑定的信息删除后再重复方法1，删除绑定信号可以由绑定设备或者被绑定设备向协调器发送一条解绑定信号来实现设备间的解绑定。
（3）已经绑定过的设备。在复位以后可以先读取绑定表的内容，来确定是否需要进行绑定操作，如果绑定表中已经存在了需要的绑定条录，就不需要执行绑定操作，只要从协调器读取绑定条目就可以了。在绑定结束以后就可以通过遥控设备来控制相关的设备了。
三、结语
本文给出了家用统合遥控器的设计和解决方案。试验结果：电视的遥控延时在0.5S左右（从按键按下到电视执行了相应的动作）；DVD的遥控延时为1S左右（从按键到DVD执行了相应的动作）；灯的遥控延时小于0.5S（按键按下灯立刻就亮），音响的遥控延时在1S左右，操作距离为隔墙25米，直视遥控距离可以达到50米。（手不能完全遮盖天线部分，否则距离将严重缩减）。虽然这只是一个简单的试验，试验的结果足以显现采用zigbee技术的统合遥控器的优点，在此我们可以预测在不久的将来采用zigbee技术的统合遥控器将成为家庭遥控器的主角。
作者简介：
汤海，男，硕士，研究方向：嵌入式技术，职称：助教。
杨峰，男，硕士，研究方向：嵌入式技术，职称：助教。