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zigbee技术应用:智能家居篇

2014-08-29 14:58
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ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。杭州晶控电子根据zigbee技术的应用整理了在智能家居中的应用案例供大家参考。

  基于ZigBee技术的智能家居系统的设计方案

  本文介绍一种基于ZigBee 技术的网络化智能家居系统的设计和实现方案。系统硬件上以S3C2440A 为控制核心,利用CC2430 组建家庭内部网络来采集家庭设备的数字信号, 用USB camera 采集家庭内部的视频信号。软件上利用嵌入式Web服务器和CGI 技术实现家庭内网和Internet 相连,达到远程监控的目的。通过实际测试证明系统功能强大,运行稳定,满足了家庭信息网络化的要求。

  本系统选用S3C2440A 作为核心控制器, 它是Samsung 公司推出的一款基于ARM920T 核的处理器, 采用了16/32 位RISC 处理器, 具有外部存储器控制器,LCD 控制器,4 通道DMA控制器,三通道UART,两通道SPI,两路全速USB 主设备芯片,带有MMU 虚拟存储器单元,这一特性可以移植linux 系统和建立Web 服务器,主频400MHz,有130 个I/O 端口和24 路外部中断源,有多种通信接口,体积小,功耗和成本低,可靠性高,特别适合作为嵌入式微处理器。

  

图1系统硬件结构图


  ZigBee 协调器和设备节点程序
  ZigBee 家庭无线网络主要负责对现场各种信息的监控以及数据的采集, 并将内部处理过的数据经家庭网关传送到外部网络。本系统中ZigBee 协调器主要用于建立无线网络,分配地址,向终端节点发送控制命令和接收终端节点的工作状态,并将接收到的状态数据全部上传至Web 服务器, 较后通过Internet传送到远端的用户端。终端设备节点主要有加入网络,接收控制命令,以及发送状态信息给协调器等。协调器主程序流程如图2所示。
  



图2 ZigBee协调器程序流程图

 
    基于ZigBee的智能照明系统的实现

  ZigBee是一种在无线个人网络领域中新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE于2000年底成立了802.15.4工作组,规定了ZigBee的物理层和媒体接入控制层。2001年8月成立了 ZigBee联盟,负责ZigBee规范的制定和应用推广工作,2004年12月推出ZigBee规范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前,ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下正日趋增强和完善,其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI,FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee标准的芯片及协议栈。其中,TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的较佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。

  硬件设计
  无线智能照明系统的网络节点分为协调器、路由器和终端节点三种。其中,协调器的硬件结构框图如图1所示。

  
 
 
  基于Zigbee技术的家用无线网关的设计

  网关对于使用过网络的人也许都不陌生,如家中或者办公室中的连接个人电脑与国际互联网的路由器。这里讨论的网关,它的作用不是连接你的个人电脑到互联网上遨游,而是将你家中大大小小的家用电器连接到你的个人电脑上,进而不需要你走进家中就能通过PC机控制家用网关来获取家电信息和控制它们。因为采用了Zigbee无线技术,所以又称为家用无线网关。

  结合本课题中家用网关和家用电器的主从关系,本文采用基于星型拓扑结构的Zigbee网络。因为Zigbee无线网关需要将基于TCP协议的信息转发给Zigbee网络其它的节点,故它必须为一个FFD设备,同时它在整个Zigbee网络还要管理其它节点的一些信息,故其又实现为一个协调器。
  
 
    根据课题要求,选择的系统硬件组成:采用S3C4480嵌入式开发板,该开发自带2M FLASH和8M RAM。网络芯片采用RTL8019 10M网络芯片,Zigbee通信模块采用TI的CC2420芯片(两片)。
    选用的系统软件组成:uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee协议栈+LWIP TCP/IP协议栈。

    Zigbee无线网关基本功能为将基于TCP协议的网络与基于Zigbee协议栈的数据进行转换,从而可以将基于常用的以太网的数据发送到Zigbee网络中,也可以将Zigbee网络中的数据发送到以太网中。开启Zigbee无线网关,其它的RFD节点通过与其通信,加入到该无线网络中。这样Zigbee无线网关就可以管理所有节点。这里涉及两个主要协议栈:Zigbee协议栈和TCP/IP协议栈。
 
    在智能家居系统中,将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性,省去花在综合布线上的费用和精力,而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。随着无线网络技术的进一步发展,必将大大促进家庭网络智能化的进程。

    本文介绍的智能家居无线网络系统采用ZigBee技术,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,符合IEEE802.15.4协议,是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。

    本系统以家庭为单位进行设计安装,每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节能模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个HeliLink无线网络收发模块(符号ZigBee技术标准的产品),通过这些无线网络收发模块,数据在网关和子节点之间进行传送。下面介绍各部分的结构及功能。
  

 
  基于ZigBee技术的无线智能家用燃气报警系统

  在研究传统家用燃气报警器的基础上,以ZigBee协议为平台,构建mesh网状网络实现网络化的智能语音报警系统。由于传感器本身的温度和实际环境温度的影响,传感器标定后采用软件补偿方法。为了减少系统费用,前端节点采用半功能节点设备,路由器和协调器采用全功能节点设备,构建mesh网络所形成的家庭内部报警系统,通过通用的电话接口连接到外部的公用电话网络,启动语音模块进行报警。实验结果表明,在2.4 GHz频率下传输,有墙等障碍物的情况下,节点的传输距离大约为35 m,能够满足家庭需要,且系统工作稳定,但在功耗方面仍需进一步改善。

  基于ZigBee技术的网络化智能家居系统

  本文提出了一种基于ZigBee 技术的网络化智能家居系统的设计与实现方案。系统采用ZigBee 网状网络结构实现家庭内部的通信,利用MC9S12NE64 芯片实现以太网--串口数据传输,从而达到家庭内部网与外部以太网通信的目的,红外技术与远程控制同时应用在家庭中,真正的实现了低成本的家居网络化、智能化管理。