本文所先容的智能家居掌握器利用ZigBee技能将家庭中许多相对独立的家用电器构成一个统一的智能家居系统，从而方便对家居中的各种电器设备进行本地操作，同时也可通过互联网或GPRS系统对各种电器设备实现远程掌握。
ZigBee是一种新兴的近间隔、低繁芜度、低功耗、低数据速率、低本钱的无线网络技能，在浩瀚领域有着广泛的运用前景。
智能家居是一个多功能的综合技能系统，它以家庭住宅为平台，利用前辈的打算机技能、通信技能、网络技能、掌握技能、信息技能，将家庭中的各种电器设备通过某种形式的网络有机地连接在一起，进行网络化的综合管理与调控，为人们供应一个舒适、安全、方便、环保和高效率的生活环
本文所先容的智能家居掌握器利用ZigBee技能将家庭中许多相对独立的家用电器构成一个统一的智能家居系统，从而方便对家居中的各种电器设备进行本地操作，同时也可通过互联网或GPRS系统对各种电器设备实现远程掌握。
一. ZigBee技能简介
ZigBee技能是近几年逐步发展起来，很有市场潜力的一种无线连接技能。它是为了知足低功耗、低数据量和低本钱的无线网络哀求而出身的。它基于IEEE无线个人区域网（WirelessPersonal AreaNetwork，WPAN）事情组的80211514标准，被称为ZigBee技能标准。
完全的ZigBee协议由运用层、运用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如图1所示。
IEEE80211514标准定义了物理层（PHY）和数据链路层（MAC）；网络层以上的协议由ZigBee同盟卖力制订，个中运用层包括了运用支持子层（APS）、ZigBee设备工具（ZDO）和由制造商订定的运用工具。
ZigBee以一个个独立的事情节点为依托，利用无线通信，通过自组织办法组成星型、网状和簇状3种网络构造，因此每个节点的功能并非完备相同。为了降落系统的本钱，IEEE80211514定义了2种物理设备类型：全功能设备FFD （Full FunctionDevice）和精简功能设备RFD（Reduced FunctionDevice）。FFD节点具备掌握器的功能，供应数据交流，能够作为网络折衷器、路由节点和终端节点来利用，可以与网络中任何类型的设备进行通信；RFD只能作为终端节点来利用，而且只能与FFD通信，两个RFD节点之间不能通信。
Zigbee这一无线通信技能具有近间隔、低繁芜度、低功耗、低数据速率、低本钱、安全可靠、网络容量大、自组织、自愈能力强等特点，可广泛运用于多个技能领域，有着广阔的市场前景。
二 .基于Zigbee技能的智能家居掌握器的设计
智能家居系统的网络通信具有如下特点：
①传输数据量小，无需太大的传输速率；②网络的容量大，以知足家庭中的各种家电设备；③信息的实时性好，时延短。
ZigBee的技能特点决定了其能很好地知足智能家居网络的上述需求，特殊是具备自组织、自愈能力，这样的无线通信技能是智能家居系统空想的通信办法。
1、 能家居系统的基本构成
智能家居系统可通过GSM/GPRS/CDMA/网络、ZigBee个域网、互联网以及小区信息网实现信息的互联互通。用户在户外可通过手机调控家中的电器和照明装置，也可及时得到家中的防盗、防火、防煤气泄露等报警信息；在家中可通过遥控器调控家电设备。掌握器还兼有可视对讲系统室内主机功能，能查阅社区发布的各种信息，必要时可向社区保安发出报警求救旗子暗记。系统紧张由一个智能家居掌握器和多少个室内监控ZigBee功能模块组成。系统模型如图2所示。智能家居掌握器经2个无线通信网络、互联网以及2条有线通信线路与外部举动步伐实现信息的互联互通，因而智能家居掌握器又可视为数字家庭网关。
智能家居掌握器内部装有手机模块，通过GSM（GPRS、CDMA）移动通信网络，与用户手机实现双向短收发。用户可通过手机短实现对家用电器的电源开关掌握以及调光、调速掌握；掌握器以手机短的形式向用户手机发送报警旗子暗记，供防盗、防火、防煤气泄露以及家庭突发事宜报警用。
掌握器内部装有1个ZigBee模块，通过Zig2Bee无线网络与家居中的监控装置进行通信，作为ZigBee网络折衷器（FFD）来利用。它卖力组建智能家居ZigBee网络，吸收系统掌握中央发送的指令，并做出相应地处理。同时还要将从路由节点（FFD）或终端节点（RFD）吸收到的数据发送给系统掌握中央。
室内监控设备按用场可分为3类：第一类为开关与插座，最大略的插座通过小电子开关的通断实现对家用电器（如电饭煲、饮水机、电视、冰箱、空调、洗衣机、电动窗帘以及不须要调光的灯具）的电源开关掌握；较繁芜的智能开关和插座具有输出功率可调的功能，用于吊灯、落地台灯的调光或电风扇的调速等。第二类为传感器产品，个中热释电红外传感器和门磁传感器用于防盗，烟雾传感器用于防火，瓦斯传感器用于防煤气泄露，还有手动报警按钮用于突发事宜（如孤寡老人溘然发病）的报警。这些节点都带有ZigBee模块，作为网络的终端节点（RFD）。第三类为手持遥控器，除实现对家用电器开关掌握、调光调速掌握外，还具备照明场景设定与掌握功能。
若小区配置有物管通信网络和门禁对讲系统，掌握器兼备可视门禁对讲系统的室内主机的功能。
掌握器上的液晶LCD显示屏可显示访客的图像画面，与访客进行对讲或开锁操作。此外，掌握器可吸收小区物管发送的各种笔墨信息；当室内发生意外时，可向小区物管发送报警旗子暗记。掌握器备有互联网接口，供用户在异地时通过互联网掌握家中电器的运行，也可监视家中发生的事宜。下一代互联网的问世将为此项功能的运用供应极大的支持，到那时，每个家电及掌握器本身都将有自己的静态IP 地址，从而成为网络中的一员。
ZigBee的簇状网络综合了星型和网状构造的特点，我们在实际运用中利用智能家居掌握器及ZigBee传感器节点组成簇状网络。它具有良好的可扩展性，对付大户型或别墅用户而言，可以通过增加路由节点来扩大网络覆盖范围；对付小户型的用户而言，可以通过减少路由节点变成星型网络，以节省能量、加快数据传输速率。
2、能家居掌握器的硬件设计
2.1 能家居掌握器简介
智能家居系统的核心部件是智能家居掌握器。其组成框图如图3所示，它以嵌入式处理器为中央，由手机模块、ZigBee模块以及必要的赞助接口组成。智能家居掌握器是全体智能家居系统的掌握中央，其硬件核心是中心处理器，所有的设备掌握、任务调度、通信协议转换、数据收发和数据管理等任务都须要中心处理器。从功能、可扩展性、操作系统支持及功耗等方面考虑，我们选择功能强大的32位ARM9微处理器S3C2410X作为主处理器，存储器选用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。
在人机接口方面，采取5英寸的TFT液晶屏，并配置相应的触摸屏。可用于显示访客图像和小区物管发送的各种信息，并利用户可方便地输入数据去掌握各种家居设备。其余为了掌握办法更灵巧，利用处理器的I2C总线接口设计键盘接口，从而可扩展各种掌握、报警办法。掌握器有2个通信模块：手机模块和ZigBee模块。手机模块由主机模块、SIM卡接口、音频部分和射频部分组成，采取SIMCOM公司生产的SIM300芯片（GPRS 模块）。与ARM进行数据传输采取标准的RS - 232接口，通过利用AT命令完成对该模块的操作，实现短的收发。Zigbee模块采集各种家电设备运行状态并吸收各种故障报警信息，通过RS - 232接口与ARM进行数据通报。
掌握器配有以太网接口，合营掌握器上建立的Web做事器，用户可通过Internet完成对家庭环境及各种家电设备的监控。图3中的RS - 485接口用于与小区物管的通信（与原有的小区网络合营。若为新建小区，可直策应用以太网接口）.利用MAX3232将ARM9的两个USART收发器，组成两个RS - 232端口和一个RS - 485端口。
音频接口利用微处理器内部的IIS总线接口与外部音频数字旗子暗记编码器芯片（UDA1341TS）组成。
视频接口采取中芯微的DSP芯片，将视频旗子暗记转换成微处理器能够处理的JPG文件格式或二进制图像流，经处理后送LCD屏显示。
2.2 能家居掌握器中的Zigbee模块
ZigBee模块采取全功能设备（FFD）类型，它在智能家居系统中承担着网络折衷器的角色，可供应信息的双向传输，以连接智能家居系统中其它精简功能设备（RFD）。
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微掌握器。它利用1个8位MCU （8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM ，还包含模数转换器、4个定时器、AES - 128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采取0118μm CMOS工艺生产，事情时的电流损耗为27mA ；在吸收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短韶光的特性，特殊适宜那些哀求电池寿命非常长的运用。
CC2430带有2个强大的支持几组协议的US2ART通信接口，通过此通信接口中的一个，S3C2410X处理器可以对CC2430进行写入或读取配置信息，也可以收发数据。CC2430芯片集成了CRC和数据完全性检讨等功能，减少了程序员编程的事情量，加快了通信的速率，减少了能量花费。同时，芯片还采取了CS2MA - CA技能来避免数据发送时的竞争和冲突，减少了一部分不必耍的能量花费。因此CC2430芯片具有超低的能耗，其利用寿命可以年来打算，价格便宜，符合传感器网络须要大量分布节点的特点。
掌握器通过RS - 232接口利用Zigbee模块采集各种家电设备运行状态并吸收各种故障报警信息。
3、 能家居掌握器的功能
智能家居掌握器操作系统选用开源的嵌入式Linux操作系统，通过裁减后移植到掌握器硬件平台上。该智能家居掌握器将Linux，ARM系统、手机模块和ZigBee模块组成一个整体，构成了一个功能完好的嵌入式系统，利用ZigBee技能轻松实现家庭内部多节点的无线连接。智能家居掌握器的功能为
（1）采取ARM架构的32位嵌入式RISC处理器和开源的嵌入式linux操作系统；
（2）是智能家居掌握系统的掌握中央，也是家居系统中信息家电平台的网关；
（3）遇盗抢或疾病，按紧急按钮，自动向管理中央报警；
（4）以家庭为单位配置，利用液晶屏显示小区关照、系统各部分事情状况及数据；
（5）利用ZigBee传感器节点监测各种故障报警数据（失火、煤气泄露等），并自动通过手机模块发给用户或小区管理中央；
（6）通过以太网（或RS - 485）与小区管理中央通信；
（7）通过掌握器上的无线ZigBee模块与家居系统中各子节点进行通讯，对多种家电设备进行相应的掌握；
（8）用户可通过Internet远程监控家庭中的多种家居设备。
智能家居掌握器通过Zigbee模块采集各种家电设备的运行状态并将各种故障报警数据存入数据库；对故障报警优先处理，通过手机模块自动发送短信息到用户手机或小区物管，并将现场数据实时存入数据库，以便对各种信息进行进一步的剖析和统计。在这里数据库成为了连接前后台的中间件，存储状态数据供远程监控和本地LCD显示，同时吸收浏览器和本地键盘输入，由通信程序、CGI程序完成掌握命令的下传及运行状态的上传；同时数据库还需实现故障的剖析统计和查询。在本系统设计中，我们采取嵌入式数据库SQLite以知足系统远程掌握数据通报、数据共享的哀求。
掌握器的软件紧张分为4个模块：与数据采集接口的通信程序、故障报警程序、本地的人机交互程序和远程掌握程序。为了利用户可以在Internet上通过浏览器掌握智能家居网络，须要在掌握器（数字家庭网关）上架设Web做事器与用户进行通信，并通过CGI接口调用后台CGI程序。CGI程序在Web做事器和掌握程序间建立联系，调用详细的掌握程序，实现对智能家居网络内部节点的指定操作。它监控网络，随时随地都能知道网络内设备的状态并掌握网络内的各种设备。网络监控在家庭网络中也是非常主要的，利用户可以随时理解网络的状况，如设备的加入退出、设备故障等等。
三 .结语
ZigBee技能填补了低本钱、低功耗和低速率无线通信市场的空缺。智能家居掌握器硬件由前辈的ARM9嵌入式系统、手机模块和ZigBee模块组成；操作系统采取嵌入式Linux，家庭网络采取ZigBee无线网络，安全性好，系统功能完善，能够适应今后智能家居发展的须要。
