基于ZigBee技术的智能家居系统

一、智能家居的背景从宏观上来讲，事物的每个发展阶段都是当时从业人员认识水平、技术水平、市场认知、原材料成本等几个原因共同作用的结果。每个阶段都会局限于当时的技术水平、市场接受程度等，都会有其无法突破的瓶颈和困难。即便智能家居系统在中国已发展20多年，且经过这么多年的发展，产品、技术已日趋成熟、稳定，但每项技术并不一定都完美无瑕。只要产品或技术处于高速发展中，它必然需要不断地去解决一些技术上或者产品上的问题。智能家居产品未来会还向节能环保，舒适度方面发展。比如冬暖夏凉型建筑，不用空调，由建筑自身的功能去调节温度。而智能家居必须结合这些建筑上的功能去发展，从这个方面来说，必然会推动智能家居的适应性发展。对与现阶段的智能家居来说，没有专用的对讲或智能家居数字处理芯片，无论是技术层面还是集成层面，都只是有所关联。如果能够很好的解决，未来数字对讲将会取得更好的应用。而随着中国城镇化趋势的加剧，大型小区会越来越多，人们对安保的重视程度也会日益加强，将来小区的多个安防子系统在技术上必然会走向综合化、集成化。除此之外，厂家需理性地为各类应用设计解决方案，校正一些过往的虚假概念。只有设计实用性强，性价比高，能适应拓展未来新技术的系统，才能更好地为用户服务。除此之外，各家产品的兼容性也是一个急需解决的问题。目前各厂家的产品均采用自家的协议，无法很好地做到兼容，而不同品牌的可视对讲和智能家居系统如何互连互通也将是今后需突破的难点二、智能家居系统旨在实现的以下主要功能：(1)可以控制和相应的状态查询，如查询室内和室外的温度，可用于家用电器，如灯一键全开，一键全关，更方便。(2)在光线方面我们可以依照家庭装修环境背景或者用户的其他层次的要对光线先进行自动调节，指在给用户带来良好的感知度和舒适程度。(3)制定人机交互界面，这样用户就可以根据自己的需要自行调节各个用电器之间的参数，使操作简单化；(4)在智能家庭网关的Web服务器，网络视频服务器的框架，可以通过PC客户端Web进行查看实时状态和远程控制家用设备的家庭。网络视频服务器端的Web框架，在智能家居网关的Web服务器，您可以查看PC和家庭设备的远程控制家庭的实时状态。(5)在家庭网关集成3G模块，通过WCDMA网络远程访问。三、工作原理如下：将基于ZigBee芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中去，组成基于。基于ZigBee的无线家庭控制网络技术。根据自己的需要用户可以接入或者移除不同的设备。通过这些无线网络收发器模块在各子网络之间的数据传输的节点，使在家庭内的无线设备的网络互连，使他们能够协作，自动运行。在设计中既能利用现有的无线通信网络也可以通过Internet网络进行数据传输，如3G网络，以便用户可以随时随地接入家庭网络。在家庭网络内网中，只需与一个具有无线接口管理功能的ZigBee模块相连，通过开发的人机交互界面，便可通过PC或手持终端进行设备控制与状态查询，系统总体架构图如图1所示本系统主要由三大模块组成：ZigBee技术在家庭内部通过网络构成了一个家庭内部网络的设备实现互联互通。家庭网关在家庭内部网络，互联网或移动网络，使用户能够远程控制家庭内的家用设备或实时监控的情况；用户可以通过一台家用电脑，对智能家居进行现场控制也可以登录智能家居设备网络的进行远程远程控制和监测。四、系统硬件设计1、CC2430芯片简介CC2430是芯片巨人TI公司收购无线单片机公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2430是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上SOCZigBee产品。CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。CC2430和CC2420射频参数相PC机家居网关PC机温度监测光线调节开关其他ZigBee终端无线接口管理模块手机同，CC2430具有51单片机核；发射功率0dbm；接收灵敏度小于-110dbm左右；工作频点：2.4ghz；支持zigbee2003，,2006协议。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(Brownoutdetection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430就是相当于一个增强型8051+zigbee射频模块。2.ZigBee网络协调器硬件结构图网络协调器负责无线网络的建立和网络状态管理．网络协调器通过串口与PC机相连，将采集到的脉搏信号传输到计算机，以便对脉搏信号进行实时分析；其他无线节点可以连接家用设备，实现对它们的控制；将监护信息传输到网络监护服务器。可实现监护信息的共享。网络协调器和终端设备的一个明显差别在于后者缺少智能家电和信号调制模块，为侦听串口接收中断，在中心协调器硬件平台上扩展了RS232串口。PC机8051微控制器电源模块DMA单元RS23串口模块时钟模块LCD模块天线模块ZigBee数据传输模块调试单元Z-Stack是TI公司开发的符合ZigBee2006规范的ZigBee协议栈，ZigBee无线网络的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的，协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，服务由协议定义，程序员只需关心与他的工作直接相关的那些层的协议，它们向高层提供服务，并由低层提供服务。TI公司的Z-Stack协议栈，其主要特点就是其兼容性，完全支持IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430片上系统解决方案。Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，可通过ZigBee网状网络（MeshNetwork）下载节点更新ZigBee网络的建立组建一个完整的Zigbee网络分为两步：第一步是协调器初始化一个网络；第二步是路由器或终端加入网络。加入网络又有两种方法，一种是子设备通过使用MAC层的连接进程加入网络，另一种是子设备通过与一个先前指定的父设备直接加入网络。ZigBee中，只有PAN协调点可以建立一个新的ZigBee网络。当ZigBeePAN协调点希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道，ZigBee协调点会为新网络选择一个PAN标识符（PAN标识符是用来标识整个网络的，因此所选的PAN标识符必须在信道中是唯一的）。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，此后，如果另一个ZigBee协调点扫描该信道，这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。ZigBee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。如果网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以进行孤立通知过程重新加入网络。