馮英偉 王慶福 王啟元

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000；2.遼寧行政學(xué)院，遼寧 沈陽110161）

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，人們對高質(zhì)量生活的追求越來越高，各種智能化技術(shù)應(yīng)運而生，住宅智能化就是其中一種.由于人們對新興的技術(shù)的不斷探索，家居智能化技術(shù)的內(nèi)容得到了充分的補充與完善.智能家居技術(shù)涵蓋多個領(lǐng)域，以提高生活質(zhì)量為前提，充分利用自動控制技術(shù)、安全監(jiān)測技術(shù)、視頻切換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等現(xiàn)代較成熟的技術(shù)，把已有的家居電器與傳感器、節(jié)點、通信設(shè)備進行合理安排與整合.作為一種將要普及的應(yīng)用，一定要做到簡捷，方便，易于維護.把人、家電和技術(shù)組成井井有條的智能家居系統(tǒng).ZigBee技術(shù)作為近年來新興的近距離無線通信技術(shù)，從它低速率和低成本的特點出發(fā)，它基本可以滿足如家庭這樣小型化系統(tǒng)的要求.

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee的技術(shù)特點

（1）安全可靠.由于ZigBee采用AES－128加密算法，同時ZigBee數(shù)據(jù)校驗功能較好.

（2）成本低廉.

（3）功耗低.在低耗電待機模式下可以堅持一年左右.

（4）ZigBee采用的是免執(zhí)照頻段.

（5）延遲短.通常在15～30毫秒之間.

（6）數(shù)據(jù)傳輸速率低.

（7）近距離傳輸.有效覆蓋范圍10～100米.

1.2 ZigBee協(xié)議

ZigBee節(jié)點要進行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的協(xié)議，包含物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)層.每個ZigBee設(shè)備都與一個特定的模板有關(guān)，這個模板可能是私有模板或公共模板，這些模板定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型等.公共模板可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中的互操作性.應(yīng)用支持子層（APS）是應(yīng)用層重要組成部分，所有端點都使用應(yīng)用支持子層（APS）提供的服務(wù).APS通過網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)層與端點相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全服務(wù)提供服務(wù).

APS使用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層負責設(shè)備與設(shè)備的通信，并負責網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動.ZigBee協(xié)議較簡單，易于實現(xiàn)在智能家居中，每一層協(xié)議都有其特定的任務(wù)，并由下向上提供服務(wù)，層層聯(lián)系緊密，各層之間通過邏輯鏈路提供服務(wù).

2 基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

ZigBee標準有三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星型，網(wǎng)狀型，樹型.家電設(shè)備可能分布在家庭中的不同地方，而且家電數(shù)量比較多，分布集中，房屋構(gòu)造與家居擺設(shè)會影響每個設(shè)備的通信范圍，致使覆蓋面積減小，浪費資源.同時這個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有可擴展性，可以隨時增加設(shè)備與節(jié)點，便于更新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).該網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有較高的安全性與可靠性，且易維護，不應(yīng)因少數(shù)設(shè)備的損壞而影響整個網(wǎng)絡(luò).針對上述的一系列問題，本文所述的智能家居系統(tǒng)選擇了星型拓撲結(jié)構(gòu).

本文智能家居系統(tǒng)采用大量的ZigBee傳感器節(jié)點構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò).ZigBee子節(jié)點中的中央處理器對其所屬設(shè)備進行實時監(jiān)控，并采集溫度、濕度、設(shè)備電壓電流等數(shù)據(jù).傳感器節(jié)點將采集到數(shù)據(jù)沿著自己所建的路徑傳送給與傳感器相連的ZigBee無線通信模塊，再傳輸匯聚到主節(jié)點，ZigBee子節(jié)點與Zig－Bee主節(jié)點進行通信依賴ZigBee協(xié)議.具體過程如下：傳感器作為接受電器信號的節(jié)點，應(yīng)先接通電源，傳感器節(jié)點首先要把信息傳給ZigBee模塊，傳感器與ZigBee模塊建立通信后，若無其他信號，傳感器與ZigBee模塊進入休眠模式.當ZigBee主節(jié)點收到了中斷請求信號，隨后主節(jié)點出發(fā)中斷，此節(jié)點處于運行狀態(tài)，用于發(fā)送與接收各種信息包，由于接收到的信息比較多而雜，所以接收數(shù)據(jù)時用數(shù)據(jù)處理子程序分析，對不同的數(shù)據(jù)分類，校驗，然后根據(jù)結(jié)果做出相應(yīng)的反應(yīng).每次接收結(jié)束后，傳感器與節(jié)點繼續(xù)進行休眠，如再來請求，則繼續(xù)按照上述運行.如果一次有多個請求同時來，主節(jié)點不能一次全部相應(yīng)，就會有一些丟失，那些未被響應(yīng)的請求應(yīng)再次發(fā)出請求，直到被響應(yīng)為止.

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為用戶與家電設(shè)備架起一座橋梁，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)與用戶間遠程交互家電設(shè)備信息數(shù)據(jù).用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以隨時查詢到家電設(shè)備的數(shù)據(jù)，監(jiān)控管理家電設(shè)備的運行情況，若遇到異常情況，用戶可以響應(yīng)家居報警機制，使用戶在第一時間發(fā)現(xiàn)危險并及時處理.通過設(shè)計，本系統(tǒng)基本能實現(xiàn)家居防火、防盜監(jiān)控，家居室內(nèi)溫濕度監(jiān)控，遠程開關(guān)控制等功能.根據(jù)ZigBee技術(shù)的成本較低、可靠性能好、技術(shù)簡單高效等特性，再加上智能家居對數(shù)據(jù)傳輸速度，管理控制等指標要求一般，這種設(shè)計完全滿足家庭的需求.這種星型拓撲結(jié)構(gòu)不僅簡單，而且易于維護，提高了該系統(tǒng)的安全性能.圖1描述了該智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖.

圖1智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖ZigBee無線通信ZigBee無線通信ZigBee子節(jié)點...空調(diào)傳感器熱水器傳感器ZigBee子節(jié)點燈光控制傳感器ZigBee子節(jié)點溫濕度傳感器ZigBee子節(jié)點ZigBee主節(jié)點用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器.

圖1 智能家居系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語

ZigBee技術(shù)的眾多優(yōu)點都很適合智能家居這個應(yīng)用背景.其低功耗，短距離低速傳輸功能使得它在日常家居環(huán)境中的應(yīng)用游刃有余.本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的研究，從實際情況出發(fā)，提出了大多數(shù)家庭都適用的結(jié)構(gòu)，設(shè)計思路清晰、設(shè)計方案簡單，采用的設(shè)備成本低，將ZigBee技術(shù)與日常生活實際應(yīng)用結(jié)合，有助于智能家居系統(tǒng)的推廣，可用于現(xiàn)代家居管理，具有較強的實用性，雖然這種應(yīng)用還沒普及，但我相信隨著時間的推移，人們對這種技術(shù)的了解逐步加深，這種應(yīng)用一定會大有發(fā)展.

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