ZigBee是近幾年逐步發(fā)展起來,很有市場潛力的一種無線連接技術,是為了滿足低功耗、低數(shù)據(jù)量和低成本的無線網(wǎng)絡要求而誕生的,是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術,在眾多領域有著廣泛的應用前景。而智能家居是一個多功能的綜合技術系統(tǒng),它以家庭住宅為平臺,利用先進的計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、控制技術、信息技術,將家庭中的各種電器設備通過某種形式的網(wǎng)絡有機地連接在一起,進行網(wǎng)絡化的綜合管理與調(diào)控,為人們提供一個舒適、安全、方便、環(huán)保和高效率的生活環(huán)境,而智能家居控制器利用ZigBee技術將家庭中許多相對獨立的家用電器構成一個統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng),從而方便對家居中的各種電器設備進行本地操作,同時也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對各種電器設備實現(xiàn)遠程控制。那么,基于Zigbee技術的智能家居控制器應該如何設計呢?
智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信具有如下特點:
①傳輸數(shù)據(jù)量小,無需太大的傳輸速度;②網(wǎng)絡的容量大,以滿足家庭中的各種家電設備;③信息的實時性好,時延短。
ZigBee的技術特點決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡的上述需求,特別是具備自組織、自愈能力,這樣的無線通信技術是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。所以,基于Zigbee技術的智能家居控制器設計就需要滿足以下幾點需求。
一、能家居控制器中的Zigbee模塊
ZigBee模塊采用全功能設備(FFD)類型,它在智能家居系統(tǒng)中承擔著網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的角色,可提供信息的雙向傳輸,以連接智能家居系統(tǒng)中其它精簡功能設備(RFD)。
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構,在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU (8051),具有128KB可編程閃存和8KB的RAM ,還包含模數(shù)轉換器、4個定時器、AES - 128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路,以及21個可編程I/O引腳。
CC2430芯片采用0118μm CMOS工藝生產(chǎn),工作時的電流損耗為27mA ;在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
CC2430帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的US2ART通信接口,通過此通信接口中的一個,S3C2410X處理器可以對CC2430進行寫入或讀取配置信息,也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。CC2430芯片集成了CRC和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能,減少了程序員編程的工作量,加快了通信的速度,減少了能量消耗。同時,芯片還采用了CS2MA - CA技術來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突,減少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗,其使用壽命可以年來計算,價格便宜,符合傳感器網(wǎng)絡需要大量分布節(jié)點的特點。
控制器通過RS - 232接口利用Zigbee模塊采集各種家電設備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息。
二、能家居控制器的功能
智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng),通過裁減后移植到控制器硬件平臺上。該智能家居控制器將Linux,ARM系統(tǒng)、手機模塊和ZigBee模塊組成一個整體,構成了一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng),利用ZigBee技術輕松實現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點的無線連接。智能家居控制器的功能為
?。?)采用ARM架構的32位嵌入式RISC處理器和開源的嵌入式linux操作系統(tǒng);
(2)是智能家居控制系統(tǒng)的控制中心,也是家居系統(tǒng)中信息家電平臺的網(wǎng)關;
?。?)遇盜搶或疾病,按緊急按鈕,自動向管理中心報警;
?。?)以家庭為單位配置,利用液晶屏顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù);
?。?)利用ZigBee傳感器節(jié)點監(jiān)測各種故障報警數(shù)據(jù)(火災、煤氣泄漏等),并自動通過手機模塊發(fā)給用戶或小區(qū)管理中心;
(6)通過以太網(wǎng)(或RS - 485)與小區(qū)管理中心通信;
(7)通過控制器上的無線ZigBee模塊與家居系統(tǒng)中各子節(jié)點進行通訊,對多種家電設備進行相應的控制;
?。?)用戶可通過Internet遠程監(jiān)控家庭中的多種家居設備。
智能家居控制器通過Zigbee模塊采集各種家電設備的運行狀態(tài)并將各種故障報警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫;對故障報警優(yōu)先處理,通過手機模塊自動發(fā)送短信息到用戶手機或小區(qū)物管,并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫,以便對各種信息進行進一步的分析和統(tǒng)計。在這里數(shù)據(jù)庫成為了連接前后臺的中間件,存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)供遠程監(jiān)控和本地LCD顯示,同時接收瀏覽器和本地鍵盤輸入,由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運行狀態(tài)的上傳;同時數(shù)據(jù)庫還需實現(xiàn)故障的分析統(tǒng)計和查詢。在本系統(tǒng)設計中,我們采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite以滿足系統(tǒng)遠程控制數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)共享的要求。
控制器的軟件主要分為4個模塊:與數(shù)據(jù)采集接口的通信程序、故障報警程序、本地的人機交互程序和遠程控制程序。為了使用戶可以在Internet上通過瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡,需要在控制器(數(shù)字家庭網(wǎng)關)上架設Web服務器與用戶進行通信,并通過CGI接口調(diào)用后臺CGI程序。CGI程序在Web服務器和控制程序間建立聯(lián)系,調(diào)用具體的控制程序,實現(xiàn)對智能家居網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點的指定操作。它監(jiān)控網(wǎng)絡,隨時隨地都能知道網(wǎng)絡內(nèi)設備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡內(nèi)的各種設備。網(wǎng)絡監(jiān)控在家庭網(wǎng)絡中也是非常重要的,使用戶可以隨時了解網(wǎng)絡的狀況,如設備的加入退出、設備故障等等。
ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。智能家居控制器硬件由先進的ARM9嵌入式系統(tǒng)、手機模塊和ZigBee模塊組成;操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux,家庭網(wǎng)絡采用ZigBee無線網(wǎng)絡,安全性好,系統(tǒng)功能完善,能夠適應今后智能家居發(fā)展的需要。