張思俊 徐冬冬 王樂樂 陸振宇

摘要：該文提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建的家居電器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)揖与娖鞯挠秒姯h(huán)境、實時狀態(tài)進行很好地監(jiān)控，可及時找出問題電器，從而消除了電器的安全隱患。該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，將嵌有無線傳感器的電器同互聯(lián)網(wǎng)相連，通過傳感器技術(shù)和Zigbee無線通信技術(shù)的融合，實現(xiàn)電器實時信息的采集、融合、傳輸和反饋，使遠距離控制電器成為可能。該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供了舒適、安全、方便和人性化的智能電器使用環(huán)境，同時也達到了“一個終端控制多個家電”的目的。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；家居電器監(jiān)控；ZigBee無線通信技術(shù)；

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)07-1500-02

Research in the Monitoring of Electrical Household Appliances Based on ZigBee Wireless Sensor Etworking

ZHANG Si-jun, XU Dong-dong, WANG Le-le, LU Zhen-yu

(School of Electronic＆Information Engineering, Nanjing University of Information Science＆Technology, Nanjing 210044,China)

Abstract: This paper presents a electrical monitoring network based on ZigBee wireless sensor networking.The networking is able to monitor the electrical environment of the household electrical appliances easily.Embedded wireless sensor electrical appliances connected with the Internet,Through the integration of sensor technology and Zigbee wireless communication technology, we can get electrical real-time information collection, integration and transmission, remote control. The networking provides a comfortable, safe, convenient and user-friendly smart electrical environment.

Key words: wireless sensor networking; monitoring of electrical household appliances; ZigBee wireless communication technology

“ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用?！盳igBee數(shù)據(jù)傳輸模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。這種無線通信技術(shù)的通訊距離從標準的75m一直到幾百米、幾公里不等，并且支持無限擴展。同時ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)的頻段上,其最高的傳輸速率為250kbit/s，它的傳輸距離一般在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加[1]。

ZigBee技術(shù)是一種近年來興起的、并且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的無線通信技術(shù)，具有如下優(yōu)勢：1)設(shè)備省電：由于ZigBee的傳輸速率相對較低，發(fā)射功率僅為1mW，并且采用了休眠模式，因此使用ZigBee通信協(xié)議的設(shè)備非常省電。ZigBee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設(shè)備無法達到的。2)費用低：ZigBee模塊的初始成本僅在35元左右，這些可以有效地降低設(shè)備成本，ZigBee的工作頻段為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，因此ZigBee技術(shù)是沒有任何使用費用的無線通信技術(shù)。3)時間延遲短：通信時間延遲和激活休眠狀態(tài)的時間延遲都非常短，典型的搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活的時間延遲為15ms，移動設(shè)備信道接入的時間延遲為15ms。因此ZigBee無線通信技術(shù)適用于對時間延遲要求苛刻的無線控制的應(yīng)用。4)網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，200多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以同時存在于一個區(qū)域內(nèi)。5)數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。以上技術(shù)特點決定了本網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee技術(shù)作為無線網(wǎng)絡(luò)通信平臺具有良好的實用性[1-2]。

家居電器是未來電器市場的主要對象，隨著科技的進步，越來越多的家電走進了人們的日常生活，家居電器種類繁多，用途廣泛，但目前缺乏統(tǒng)一的、系統(tǒng)的、全面的家電實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，因此實時監(jiān)控家居電器的使用狀況能為人們?nèi)粘５募揖由钐峁└笙薅鹊姆奖?。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在這個全新的領(lǐng)域起到越來越重要的作用。

1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

如圖1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由如下幾個基本單元組成：信息采集單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、微處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括MCU、存儲器、相關(guān)的程序軟件組成等）、無線發(fā)射和接受單元（無線通信模塊組成）、以及電源模塊。此外，還可以選擇定位模塊、移動模塊以及電源供電模塊等的其它功能單元。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在感知家電內(nèi)部或者其附近部署大量的信息采集傳感器。這些無線傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線傳感網(wǎng)，通過共同協(xié)作的方式采集、處理和發(fā)送傳感網(wǎng)絡(luò)待測家電的相關(guān)使用信息，從而實現(xiàn)對任意家用電器在任意時間的采集、處理和發(fā)送。這些需求正體現(xiàn)了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢[3]。

圖1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

2智能家居電器無線組網(wǎng)

家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)自組技術(shù)的推廣程度決定了家居電器實時監(jiān)控的發(fā)展速度。家庭自組網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)整個家居電器實時監(jiān)控的基礎(chǔ)，只有能夠?qū)崟r監(jiān)控電器內(nèi)部的各種使用信息，才能實現(xiàn)家居電器智能化使用。為了實現(xiàn)這一目的，家居電器中必須嵌入各種傳感器來采集信息—如工作溫度、開機時間、環(huán)境濕度、零部件的老化程度、電量使用情況等，這些傳感器就構(gòu)成家電實時監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)末端。如圖2所示為家電自組網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2家電自組網(wǎng)絡(luò)示意圖

家電自組網(wǎng)是整個家居電器監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，或者說是整個家居電器監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，在選取好合適的家電自組網(wǎng)絡(luò)平臺后，通過選取不同的功能模塊，就可以構(gòu)成一個完整的家電實時監(jiān)控系統(tǒng)[4-6]。

3家電實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)軟件研究

美國密西西比州立大學(xué)的Robert Reese教授出于教學(xué)、科研目的開發(fā)出一套精簡版（subset）ZigBee協(xié)議棧。精簡協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)如表1所列，可以看出，精簡協(xié)議棧實現(xiàn)了ZigBee的主要功能。國內(nèi)一些研究機構(gòu)在此精簡協(xié)議上進行擴充，實現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。這里再補充一些術(shù)語概念，這有助于理解精簡協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)[7]。

IEEE Address：節(jié)點的8位802.15.4網(wǎng)絡(luò)地址，也稱為長地址；Network Address：節(jié)點的2位網(wǎng)絡(luò)地址，也稱短地址；PAN：個人局域網(wǎng)；PAN ID：個人局域網(wǎng)標識符；HAL：協(xié)議棧物理抽象層；PHY：協(xié)議棧物理層；MAC：協(xié)議棧媒體訪問控制層；NWK：協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層；APS：協(xié)議棧應(yīng)用支持層；APL：協(xié)議棧應(yīng)用層。精簡協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)如表1所列。

表1 ZigBee精簡協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)

4結(jié)束語

家居電器實時狀態(tài)監(jiān)控是一個新興市場，有著廣闊的應(yīng)用前景，在科技高速發(fā)展的今天，越來越多的新型家電走進了人們的日常生活，但缺乏一體化的控制設(shè)備來不不同功能的家電進行系統(tǒng)化的管理。通過不斷完善和更新由家電組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，來達到更好的使用家電，了解家電實時情況的目的，最終實現(xiàn)“一個終端控制多個家電”的智能化、一體化、實時化家電監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻：

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