基于Zigbee的智能家居實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
摘 要：本文提出一套智能家居系統(tǒng)的解決方案;本智能家居系統(tǒng)以一種基于Zigbee技術(shù)的實時監(jiān)控系統(tǒng)為核心，從而實現(xiàn)家居系統(tǒng)的智能化;文章簡要分析和介紹了實時監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟、硬件設(shè)計等多個方面;實驗表明，本系統(tǒng)具有集成度高、功耗低、易于布署、成本低廉、實時性好等特點，具備廣闊的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】Zigbee 智能家居 實時監(jiān)控系統(tǒng)
1 引言
隨著生活水平的提高，以及電子和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人們對居住環(huán)境的追求從居室的空間和豪華轉(zhuǎn)向安全、舒適、便捷和智能化。
現(xiàn)在，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的技術(shù)包括：總線技術(shù)、電力載波技術(shù)和無線技術(shù);總線技術(shù)和電力載波技術(shù)分別因為施工麻煩、傳輸信號不穩(wěn)定等因素，不利于市場推廣;而無線技術(shù)，特別是本系統(tǒng)所采用的Zigbee技術(shù)，是一種低速率、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有靈活的工作頻段和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸、低功耗等特點，通信效率高;因此適合用于組建智能家居系統(tǒng)的家庭局域網(wǎng)。
2 系統(tǒng)功能和設(shè)計
2.1 主要功能
(1)家電控制。
(2) 環(huán)境控制(室溫、照明、窗簾等)。
(3)安防報警。
(4)三表抄送;
(5)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)主要由三大部分組成：智能家居管理中心、家庭局域網(wǎng)(Zigbee網(wǎng)絡(luò))、遠(yuǎn)程智能終端，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能家居管理中心是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理以及與遠(yuǎn)程智能終端的聯(lián)系;家庭局域網(wǎng)以Zigbee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)連接家庭的各種家用設(shè)備、智能開關(guān)和傳感器等，為管理中心提供監(jiān)控信息，并傳遞管理中心的控制信號。遠(yuǎn)程智能終端可以實時登錄家居管理中心，查詢家庭環(huán)境信息或控制各種家用設(shè)備和智能開關(guān);當(dāng)家庭環(huán)境或設(shè)備發(fā)生問題時，管理中心可以第一時間將安防報警信息向遠(yuǎn)程智能終端發(fā)送，以便通知家庭成員。
2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計
智能家居實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：管理中心和ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示;由圖可以看出，Zigbee網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)家居系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
管理中心由監(jiān)控管理軟件和協(xié)調(diào)器節(jié)點構(gòu)成，監(jiān)控管理軟件主要完成網(wǎng)絡(luò)的管理、配置、監(jiān)控及相關(guān)操作日志等功能;協(xié)調(diào)器節(jié)點主要用作監(jiān)控管理軟件同其它監(jiān)控節(jié)點的通信網(wǎng)關(guān)，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)和格式轉(zhuǎn)換等功能。在管理中心失效或暫停工作條件下，協(xié)調(diào)器節(jié)點可以直接作為網(wǎng)絡(luò)的管理中心，完成網(wǎng)絡(luò)日常管理、維護(hù)、數(shù)據(jù)采集以及異常情況下的報警提示等工作。通常情況下協(xié)調(diào)器節(jié)點配有GSM/GPRS模塊，以便遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要包括：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點、監(jiān)控節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點是其中心，用來完成網(wǎng)絡(luò)的管理。路由節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采用樹簇型結(jié)構(gòu)時，路由節(jié)點作為簇首完成簇內(nèi)的管理;通常路由節(jié)點采用大功率模式，以達(dá)到延長通信距離、擴展網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控范圍的需求。監(jiān)控節(jié)點遍布網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的監(jiān)控功能，一般體積較小，工作時間很長，易于嵌入到被監(jiān)控設(shè)備當(dāng)中，實時采集相關(guān)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通常需要部署信標(biāo)節(jié)點來完成定位功能;信標(biāo)節(jié)點給其它節(jié)點提供具體的位置信息，以便其它節(jié)點根據(jù)此信息計算自身的位置，從而完成局部定位功能。
根據(jù)Zigbee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)使用的三種節(jié)點類型和作用，設(shè)計其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖3)。圖中，監(jiān)控節(jié)點彼此不通信，也不具備報文轉(zhuǎn)發(fā)能力;每個路由節(jié)點管理若干監(jiān)控節(jié)點，主要完成報文在監(jiān)控節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點間的轉(zhuǎn)發(fā)功能;如果同時具備相關(guān)傳感器，路由節(jié)點也可以進(jìn)行環(huán)境信息監(jiān)測;協(xié)調(diào)器節(jié)點在管理中心控制下負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)及管理。從圖可以看出，整個安全監(jiān)控系統(tǒng)采用樹簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);協(xié)調(diào)器節(jié)點為其根節(jié)點，路由節(jié)點為枝節(jié)點，監(jiān)控節(jié)點相當(dāng)于葉節(jié)點，設(shè)計協(xié)議過程中可采用分層的方法。
3 實驗結(jié)果
實驗環(huán)境：選取一棟建筑，東西長約70m，共8層，每層3m高，每層房間按20個計;每個辦公室安排一個RFD(監(jiān)控節(jié)點)，每層樓安排2個FFD(路由節(jié)點)，樓層之間安排1個FFD(路由節(jié)點)，整個監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置2個FFD(協(xié)調(diào)器節(jié)點)，其中1個作為備用;實驗成本：20*8*70(監(jiān)控節(jié)點)+(2*8+7)*150(路由節(jié)點)+2*150(協(xié)調(diào)器節(jié)點)=14950元<1.5萬元;
相關(guān)測試結(jié)果如表1所示。
表1：實驗數(shù)據(jù)
實驗內(nèi)容 實驗數(shù)據(jù)
監(jiān)控區(qū)域 東西60-70m，南北20-30m，高度24m的建筑物;
監(jiān)控節(jié)點距離 ≤ 70m
大功率節(jié)點距離 ≥400m
組網(wǎng)時間 3s
ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)通信速率 200-250kbps
短信報警時間 ≤20s
短信報警長度(字符數(shù)) 70/條
連續(xù)工作時間 6個月
多次實驗證明，最終產(chǎn)品可以在安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺上獨立工作，管理中心軟件可以運行于Windows XP、Windows2003等各個發(fā)行版上，具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和開放性;可以達(dá)到的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。
表2：主要技術(shù)性能指標(biāo)
技術(shù)指標(biāo) 參數(shù)及說明
響應(yīng)時間 ZigBee網(wǎng)絡(luò)+GSM網(wǎng)絡(luò)<20s
通信速率 ZigBee網(wǎng)絡(luò)：250kbps，GSM網(wǎng)絡(luò)：9.6kbps
通信距離 監(jiān)控節(jié)點間>70m，大功率節(jié)點間>400m
監(jiān)測范圍 本地模式：ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，遠(yuǎn)程模式：GSM 網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域
生存時間 監(jiān)控節(jié)點無間斷工作>180天
為了進(jìn)一步說明所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，將其與無線龍傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行了比較，測試結(jié)果如表3所示。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)在硬件集成度、監(jiān)控節(jié)點發(fā)送功率、靈敏度、所需能源和覆蓋范圍中均具有優(yōu)勢，并且網(wǎng)絡(luò)部署成本經(jīng)濟，具有可方便操作的后臺管理軟件。
表3：與無線龍的指標(biāo)比較
性能指標(biāo) 本監(jiān)控系統(tǒng) 無線龍
集成度/體積 <3公分(一元硬幣) 4-5公分
監(jiān)控節(jié)點發(fā)送功率(最大) 22dBm 20dBm
監(jiān)控節(jié)點靈敏度(最高) -98dBm -92dBm
能源提供 CR2302紐扣電池 兩節(jié)8號電池/交流轉(zhuǎn)換
監(jiān)控覆蓋范圍 GSM+Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍 Zigbee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍
實驗網(wǎng)絡(luò)成本(萬元) <1.5w >3w
后臺中心軟件設(shè)計 操作簡單，使用方便 無
4 結(jié)束語
采用基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控家居系統(tǒng)，為家居系統(tǒng)智能化提供了一個良好的思路;本系統(tǒng)設(shè)計了具有更大通信距離、靈敏度更高和連續(xù)工作時間更長的傳感器監(jiān)控節(jié)點，并將ZigBee技術(shù)與GMS移動通信技術(shù)較好地結(jié)合，采用方便簡潔的監(jiān)控軟件輕松實現(xiàn)家居系統(tǒng)的實時監(jiān)控，對家居系統(tǒng)智能化具有一定的意義。該系統(tǒng)設(shè)計成熟完善后可移植到其它監(jiān)控領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
[1]花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術(shù)探討[J]. 智能建筑電氣技術(shù)，2009，3(1)：92-98.
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