Zigbee技术在智能家居中的应用

1Zigbee技术在智能家居中的应用摘要新兴的Zigbee无线通信技术由于其低功耗、低成本、短距离和易于开发等优点，特别适合与智能家居的组件。本文根据将Zigbee无线技术应用在智能家居上，并通过因特网甚至是手机远程监控来实现智能家居设备的管理这一理念，构建了智能家居，通过家庭网关将家庭内部无线网络与外部广域网沟通起来。关键字Zigbee；智能家居；无线通信2目录1.Zigbee技术的应用背景....................................................32.Zigbee技术的简介........................................................33.Zigbee技术的特点........................................................34.Zigbee数据传输格式......................................................35.Zigbee技术的发展前景.....................................................46.Zigbee技术在智能家居中的应用............................................46.1Zigbee节点硬件设计.............................................................56.2Zigbee协议栈的软件设计.........................................................56.3功能实现........................................................................57.结语.....................................................................631.Zigbee技术的应用背景随着信息技术和网络技术的高速发展及人们居住理念的变化与提升，人们越来越追求生活细节的简单化和智能化，希望在日常家居生活中都能置入智能化程序。智能家居系统可以帮助人们实现这一愿望。智能家居系统一般由家庭内部网络、网关、外部网络和终端应用程序几部分组成，各种新技术在家庭智能化系统中不断得到应用。2.Zigbee技术的简介Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRFLite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。3.Zigbee技术的特点1、数据的传输速率相对于比较低，有20Kbps、40Kbps、250Kbps三种。2、功耗很低，设备比较省电，采用了多种省电工作模式。再低耗电待机模式下，两节普通5号电池可坚持6个月到12个月左右。这是Zigbee所一直引以为豪的的特点。3、成本低，它数据传输速率低，在2.4GHZ的频段是免费的，大大降低了其成本。4、网络容量非常大，能够容纳65536多个设备5、工作频段灵活，分别为2.4GHZ(ISM)、868MHZ(欧洲)和915MHZ(美国)4.Zigbee数据传输格式1)．Zigbee帧格式设计无论是从主节点到终端节点，还是从终端节点到主节点传送数据，为了使节点之间能够识别出双方所发信息的含义，就需要制定Zigbee数据传输时的格式。根据信息功能的不同，这里可以对Zigbee传输数据分成以下2种类型：数据请求帧：当需要查询前端传感器的状态或者是要对家用电器进行控制时，都需要发送该种帧。数据应答帧：当发送了数据请求帧后，需要有返回信息要求的节点则发送该种帧。4表4.1主控制器与节点通信帧格式Tab.4.1Communicationframeformatbetweenmastercontrollerandnode格式说明标志长度父节点地址原地地址类型数据校验和占用byte数1M221N12)．Zigbee数据传送方式Zigbee模块数据传输功能非常简单易用，有二种数据传送方式：(1)数据透明传输方式：只要传送的第一个字节不是0xFE，0xFD或0xFC，则自动进入数据透明传输方式；Coordinator从串口接收到的数据，会自动发送给所有的节点；某个节点从串口接收到的数据，会自动发送到Coordinator。(2)点对点数据传输方式：Zigbee网络内的任意节点之间，可通过点对点传输指令，传送数据；指令格式：0xFD+数据长度+目标地址+数据。5.Zigbee技术的发展前景随着我国物联网正进入发展的快车道，ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智能传感器场景中进行了应用。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBee，ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询，提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中，基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器，遇到险情时，可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决，而且，使用简单方便，可靠性高。据中国电信副总工程师靳东滨介绍，预计到2015年国内物联网市场规模将达到7500亿元，年复合增长率超过30%。智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外，工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉，2013年投入的专项资金支持预算较2012年有所增长，将超5亿元。业内人士预计未来10年内物联网会大规模普及，其产业规模将远超互联网。6.Zigbee技术在智能家居中的应用Zigbee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、门禁系统、电源系统等其他家电中，实现家居的照明、温\湿度、安全和电气智能控制。本设计的智能家居系统内部网络主要由多种传感器节点、路由器节点、协调器节点组成。其中，传感器节点负责监测区域内数据的采集与发送；路由器节点负责网络的管理和数据的转发；协调器节点主要负责网络的建立、5节点的管理、数据的处理以及对外的接口。采用树形网络拓扑结构。总之，只需要一个Zigbee遥控器，就可以控制所有的家电设备。6.1Zigbee节点硬件设计要建立室内控制网络，硬件平台是关键基础。它对整个系统的稳定性、低功耗性及可扩展性都有直接的影响。该设计采用的芯片是Miciochip公司生产的MRF24J40。该芯片与Mi-ciochip单片机相兼容，采用简单的4线SPI接口，最大通信范围可达400m。为了与外部网通信，必须要有接口电路，如测量一般的家庭温湿度，也要有温湿度传感器，表明节点加入无线网络，需要指示灯，按键等电路，硬件的供电部分也是必须的。LED指示灯供电模块按键MRF24J40数字温湿度FTDI传感器UART转USB6.2Zigbee协议栈的软件设计Zigbee节点的软件设计遵循包含轮转查询式操作系统osal的z-Stack软件构架，其具体结构和流程如下所述：（1）系统初始化。系统初始化代码要完成对硬件平台和软件架构所需要各个模块的初始化，为操作系统的运行做好准备工作。主要分为初始化系统时钟，检测芯片工作电压、初始化堆栈、初始化非议适量、初始化MAC层协议、初始化应用帧层协议、初始化操作系统等十余部分。具体的初始化代码应根据硬件电路的不同而作相应的修改。（2）操作系统的执行。启动代码为操作系统的执行做好准备工作后，就开始执行操作系统入口程序，并由此彻底将控制权移交给操作系统。6.3功能实现家具设备（被控对象）为连接着5V继电器的终端节点（RFD），并以灯来模拟现实家具环境中的各种电器。实验开始时，遥控器（FFD）首先建立一个网络，并允许其他的Zigbee节点加入，当RFD节点成功加入遥控器建立的网络时，遥控器便给RFD分配一个网络地址，并将该地址记录、保存于24LC16存储器中。此后，便通过遥控器5x5键盘对RFD发送控制指令，控制指令、网络地址等重要信息通过LCD显示。RFD接收到来自遥控器的控制指令后，通过单片机执行对继电器的通断控制，进而控制220v\15w灯的开、关，从而实利用Zigbee遥控器进行操控。67.结语本文介绍了一套基于Zigbee技术的网络系统的设计及其应用，基于Zigbee协议构建了组网配置灵活且稳定的无线自组织网络系统，并在此基础上利用各种传感器和光耦合器等将其应用于智能家居系统，实现了对家居系统的环境监测、遥控监测和集中管理。本系统性能优越、成本低、功耗低并且具有良好的扩展性，不但可以实现智能控制，而且还具有良好的节能效果。