Zigbee技術下的智能家居網絡系統設計

　　隨著經濟不斷發展和電子信息產業的不斷進步，智能居家系統早已引起了人們的注意。國外智能家居產品主要注重于家庭內部的功能實現，主要是兩種產品：以安全報警為主的系統和同時具有安防報警與家庭自動化功能的產品，但它的價格比較高，在中國市場推廣時遇到了阻力。在國內，智能家居起步相對較晚發展都相對減慢，廠家的構成較為復雜，技術實力也相差懸殊，無法準確地評價其技術水平。雖然市場還沒有較好的展開，但是我國的一些實力較強的公司已開始技術儲備，越來越多的機構和個人開始了對智能家居的研究，因此我國智能家居的蓬勃發展指日可待。本文所提出的家庭室內智能網絡系統整體以ZigBee無線通信技術為基礎，以實現安防報警和家用電器遠程控制的功能。

　　1　關鍵技術

　　1．1ZigBee

　　ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡，ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75米到幾百米、幾千米，并且支持無線擴展。它的基礎是IEEE802．15．4，這是IEEE無線個人區域網(PAN)工作組的一項標準，被稱作IEEE802．15．4技術標準。完整的ZigBee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。其技術的主要特點是：數據傳輸速率低，功耗低，成本低，網絡容量大，時延短，安全，有效范圍小，工作頻段靈活，數據傳輸可靠性高，以及很好的兼容性。因此，ZigBee的主要應用領域集中在了消費家用電子產品和傳感器網絡領域。

　　1．2JN5121模塊介紹

　　本文中選擇的核心模塊是JN5121-Z01-M01，它是JENNIC公司推出的一款應用兼容IEEE802．15．4標準和ZigBee技術的收發芯片。JN5121是一款兼容于IEEE802．15．4的低功耗，低成本無線微型控制器。該模塊內置一款32位的RISC處理器，配置有2．4GHz頻段的IEEE802．15．4標準的無線收發器，64KB的ROM，96KB的RAM，為無線傳感器網絡應用提供了多種解決方案，同時高度集成化的設計簡化了總的系統成本。

　　JN5121內置的ROM存儲器集成了點對點通訊與網狀網通訊的完整協議棧；JN5121內置的RAM存儲可以支持網絡路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間；JN5121內置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統的功耗和處理器的負載；JN5121支持晶振休眠和系統節能功能，同時提供了對于大量的模擬和數字外設的互操作支持，讓用戶可以方便的連接到自己的外部應用系統。圖1為JN5121內部結構示意圖。

　　2　系統整體設計

　　家庭室內智能網絡系統主要包括家庭安全防范報警系統和家用電器自動控制系統兩大部分。整體的設計框圖如圖2所示。

　　本系統采用多傳感器復合數據融合策略實現危險信號報警。傳感器節點會采集家庭環境的數據并進行數據處理融合，并上報給中心節點。中心節點對傳感器節點上報的數據進行判斷，如果發現家庭環境數據出現異常，中心節點將會對相應的控制節點發送控制指令。而控制節點根據這些指令啟動或者關閉家用電器，使家庭環境恢復到用戶滿意的程度。路由節點使數據和指令在傳送過程中找到最佳的路徑，準確快捷地達到目標。由于采用無線通信技術，路由節點在網絡中的位置不會受到角度、障礙物等因素的影響，非常靈活。

　　在中心節點發現環境數據異常的同時，它命令短信節點將數據通過GSM網絡將環境數據以短信的形式報告給用戶，使用戶掌握家中的環境情況。用戶還可以通過互聯網來對家中的智能網絡進行訪問，并通過網絡來控制家中的電器。系統所有節點的電源均使用微型電池。

　　2．1傳感器節點

　　本系統的傳感器節點采集光、溫度、濕度、光電、液位、電磁感應、壓力等信號。這些傳感器節點被設置在用戶家中的窗、門、廚房等位置。傳感器節點的原理框圖如圖3所示。

　　傳感器采集到家庭環境的信號后，通過A／D轉換器轉換，經過微處理器的數據融合處理，再利用通信模塊對數據發進行發送。微處理器還負責對A／D轉換器和通信模塊工作的控制。

　　2．2路由節點

　　由于家用電機眾多，中心節點與傳感器節點和電器控制節點距離較遠。因此在它們之間加入了路由節點，以保證信息能夠通過最佳的路徑，準確快捷達到目的地。在本系統中，路由器節點可以設置在用戶家中各個房間的鏈接處。路由節點的作用是對接收到的數據或命令進行信號加強后找到最佳路徑之后再轉發。

　　2．3中心節點

　　系統初始化之后，中心節點向各個子節點發送指令，規定各類傳感器節點30min發送一次采集的數據。在接收到由傳感器節點發送過來的數據后，中心節點先對數據進行分析，判斷是否出現數據異常，當數據出現異常時，立即向該異常節點附近節點發送要求數據的指令，如果該節點周圍節點數據也出現高于平均值的情況，則判斷為出現異常情況。并根據具體的數據，例如溫度、光強、濕度等，來對相應的控制節點發送家用電器的操作命名，實現對家用電器的自動控制功能。中心節點的位置一般設置在用戶家中的主室之中，和PC主機應用RS232串口相連。中心節點的原理框圖如圖4所示。

　　2．4控制節點

　　控制節點的功能是接受并執行中心節點傳來的指令。控制節點執行的目標是用戶家中的家用電器。為了能夠很好地實現這個目標，控制節點在安裝時盡量靠近家用電器。控制節點的原理框圖如圖5所示。

　　通信模塊負責指令的接收與家用電器狀態數據的發送；控制模塊負責根據命令開啟或關閉家用電器。

　　3　網關的設計

　　3．1GSM短信

　　系統的中心節點確定有家庭環境數據異常的同時，中心節點會將異常的數據發送給短信節點，短信節點通過GSM網絡以短信的方式將數據發送到指定的用戶手機中，使異地手機用戶隨時監測本地網絡動態。此時，短信模塊將接收到的ZigBee協議的數據解析，然后封裝成符合GSM網絡協議的幀格式，接入到移動通信網絡，實現私有網絡與G網的協議轉換，即完成GSM網關功能。

　　3．2互聯網

　　本系統可以通過互聯網進行訪問。這就需要將ZigBee無線通信協議和常用的互聯網的TCP／IP協議互相轉換。

　　中心節點通過RS232串口與用的PC主機相連，PC主機通過網卡與互聯網相連。智能網絡通過串口將數據發送給主機，主機應用軟件將符合ZigBee協議的數據解析，再封裝成符合TCP／IP協議的數據包，發送至互聯網中，這樣用戶就可以在遠程互聯網終端對智能網絡的情況進行查看。同樣，當用戶在遠程互聯網終端向家中的智能網絡下達命令時，主機應用軟件將符合TCP／IP協議的數據包解析，在封裝成符合ZigBee協議的數據包，通過串口發送給家中的智能網絡。這樣就完成了用戶通過互聯網與家中智能網絡交互的目的。

　　軟件實現互聯網通信的方法是應用C++語言采用Socket編程實現C／S模式。

　　4　結語

　　本系統采用無線、短距離、自組織路由功能的AdHoc通信技術，結合了各種傳感器采集技術，通信網絡技術、定位技術、硬件技術、軟件設計等。形成具有定位、溫度、濕度、壓力、紅外、入侵監測等的復合感知，然后控制各種電器設備工作，滿足室內安全環境要求。智能網與Internet、移動通信網可連接，方便異地遙控。遠程監控軟件運行在PC上，顯示當前室內的環境參數和設備運行狀態，與Internet連接，遠程用戶可以通過Internet在遠程終端上監控。該系統兩節點之間直接通信距離不小于60m；連接Internet速度不低于100Mb／s；本地到遠程視頻放映時間小于3s。

tcp/ip相關文章:tcp/ip是什么