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基于Zigbee的智能家居實(shí)時(shí)監控系統的設計
摘 要：本文提出一套智能家居系統的解決方案;本智能家居系統以一種基于Zigbee技術(shù)的實(shí)時(shí)監控系統為核心，從而實(shí)現家居系統的智能化;文章簡(jiǎn)要分析和介紹了實(shí)時(shí)監控系統的體系結構、拓撲結構、軟、硬件設計等多個(gè)方面;實(shí)驗表明，本系統具有集成度高、功耗低、易于布署、成本低廉、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，具備廣闊的應用前景。
【關(guān)鍵詞】Zigbee 智能家居 實(shí)時(shí)監控系統
1 引言
隨著(zhù)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向安全、舒適、便捷和智能化。
現在，實(shí)現智能家居系統的技術(shù)包括：總線(xiàn)技術(shù)、電力載波技術(shù)和無(wú)線(xiàn)技術(shù);總線(xiàn)技術(shù)和電力載波技術(shù)分別因為施工麻煩、傳輸信號不穩定等因素，不利于市場(chǎng)推廣;而無(wú)線(xiàn)技術(shù)，特別是本系統所采用的Zigbee技術(shù)，是一種低速率、短距離的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，具有靈活的工作頻段和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、安全可靠的數據傳輸、低功耗等特點(diǎn)，通信效率高;因此適合用于組建智能家居系統的家庭局域網(wǎng)。
2 系統功能和設計
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)遠程監控。
2.2 系統結構設計
系統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 ))、遠程智能終端，其系統總體結構如圖1所示。智能家居管理中心是整個(gè)系統的核心，負責系統的監控和管理以及與遠程智能終端的聯(lián)系;家庭局域網(wǎng)以Zigbee網(wǎng)絡(luò )為基礎連接家庭的各種家用設備、智能開(kāi)關(guān)和傳感器等，為管理中心提供監控信息，并傳遞管理中心的控制信號。遠程智能終端可以實(shí)時(shí)登錄家居管理中心，查詢(xún)家庭環(huán)境信息或控制各種家用設備和智能開(kāi)關(guān);當家庭環(huán)境或設備發(fā)生問(wèn)題時(shí)，管理中心可以第一時(shí)間將安防報警信息向遠程智能終端發(fā)送，以便通知家庭成員。
2.3 系統網(wǎng)絡(luò )體系結構設計
智能家居實(shí)時(shí)監控系統主要由兩部分構成：管理中心和ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )，其體系結構如圖2所示;由圖可以看出，Zigbee網(wǎng)絡(luò )是實(shí)現家居系統智能化的基礎和關(guān)鍵。
管理中心由監控管理軟件和協(xié)調器節點(diǎn)構成，監控管理軟件主要完成網(wǎng)絡(luò )的管理、配置、監控及相關(guān)操作日志等功能;協(xié)調器節點(diǎn)主要用作監控管理軟件同其它監控節點(diǎn)的通信網(wǎng)關(guān)，完成數據的收發(fā)和格式轉換等功能。在管理中心失效或暫停工作條件下，協(xié)調器節點(diǎn)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、數據采集以及異常情況下的報警提示等工作。通常情況下協(xié)調器節點(diǎn)配有GSM/GPRS模塊，以便遠程數據傳輸。
ZigBee監控網(wǎng)絡(luò )主要包括：協(xié)調器節點(diǎn)、路由節點(diǎn)、監控節點(diǎn)和信標節點(diǎn)。協(xié)調器節點(diǎn)是其中心，用來(lái)完成網(wǎng)絡(luò )的管理。路由節點(diǎn)主要實(shí)現數據的路由轉發(fā)功能，當網(wǎng)絡(luò )采用樹(shù)簇型結構時(shí)，路由節點(diǎn)作為簇首完成簇內的管理;通常路由節點(diǎn)采用大功率模式，以達到延長(cháng)通信距離、擴展網(wǎng)絡(luò )監控范圍的需求。監控節點(diǎn)遍布網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的采集和設備的監控功能，一般體積較小，工作時(shí)間很長(cháng)，易于嵌入到被監控設備當中，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數據。網(wǎng)絡(luò )通常需要部署信標節點(diǎn)來(lái)完成定位功能;信標節點(diǎn)給其它節點(diǎn)提供具體的位置信息，以便其它節點(diǎn)根據此信息計算自身的位置，從而完成局部定位功能。
根據Zigbee監控網(wǎng)絡(luò )使用的三種節點(diǎn)類(lèi)型和作用，設計其拓撲結構(圖3)。圖中，監控節點(diǎn)彼此不通信，也不具備報文轉發(fā)能力;每個(gè)路由節點(diǎn)管理若干監控節點(diǎn)，主要完成報文在監控節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)間的轉發(fā)功能;如果同時(shí)具備相關(guān)傳感器，路由節點(diǎn)也可以進(jìn)行環(huán)境信息監測;協(xié)調器節點(diǎn)在管理中心控制下負責網(wǎng)絡(luò )的維護及管理。從圖可以看出，整個(gè)安全監控系統采用樹(shù)簇型拓撲結構;協(xié)調器節點(diǎn)為其根節點(diǎn)，路由節點(diǎn)為枝節點(diǎn)，監控節點(diǎn)相當于葉節點(diǎn)，設計協(xié)議過(guò)程中可采用分層的方法。
3 實(shí)驗結果
實(shí)驗環(huán)境：選取一棟建筑，東西長(cháng)約70m，共8層，每層3m高，每層房間按20個(gè)計;每個(gè)辦公室安排一個(gè)RFD(監控節點(diǎn))，每層樓安排2個(gè)FFD(路由節點(diǎn))，樓層之間安排1個(gè)FFD(路由節點(diǎn))，整個(gè)監控系統設置2個(gè)FFD(協(xié)調器節點(diǎn))，其中1個(gè)作為備用;實(shí)驗成本：20*8*70(監控節點(diǎn))+(2*8+7)*150(路由節點(diǎn))+2*150(協(xié)調器節點(diǎn))=14950元<1.5萬(wàn)元;
相關(guān)測試結果如表1所示。
表1：實(shí)驗數據
實(shí)驗內容 實(shí)驗數據
監控區域 東西60-70m，南北20-30m，高度24m的建筑物;
監控節點(diǎn)距離 ≤ 70m
大功率節點(diǎn)距離 ≥400m
組網(wǎng)時(shí)間 3s
ZigBee網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)內通信速率 200-250kbps
短信報警時(shí)間 ≤20s
短信報警長(cháng)度(字符數) 70/條
連續工作時(shí)間 6個(gè)月
多次實(shí)驗證明，最終產(chǎn)品可以在安全監控系統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(gè)發(fā)行版上，具有良好的穩定性、可靠性和開(kāi)放性;可以達到的主要技術(shù)性能指標如表2所示。
表2：主要技術(shù)性能指標
技術(shù)指標 參數及說(shuō)明
響應時(shí)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 監控節點(diǎn)間>70m，大功率節點(diǎn)間>400m
監測范圍 本地模式：ZigBee網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍，遠程模式：GSM 網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域
生存時(shí)間 監控節點(diǎn)無(wú)間斷工作>180天
為了進(jìn)一步說(shuō)明所設計的監控系統的優(yōu)勢，將其與無(wú)線(xiàn)龍傳感器的性能指標進(jìn)行了比較，測試結果如表3所示。從表3的數據可以看出，所設計的監控系統在硬件集成度、監控節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)龍的指標比較
性能指標 本監控系統 無(wú)線(xiàn)龍
集成度/體積 <3公分(一元硬幣) 4-5公分
監控節點(diǎn)發(fā)送功率(最大) 22dBm 20dBm
監控節點(diǎn)靈敏度(最高) -98dBm -92dBm
能源提供 CR2302紐扣電池 兩節8號電池/交流轉換
監控覆蓋范圍 GSM+Zigbee網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍 Zigbee網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍
實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )成本(萬(wàn)元) <1.5w >3w
后臺中心軟件設計 操作簡(jiǎn)單，使用方便 無(wú)
4 結束語(yǔ)
采用基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)監控家居系統，為家居系統智能化提供了一個(gè)良好的思路;本系統設計了具有更大通信距離、靈敏度更高和連續工作時(shí)間更長(cháng)的傳感器監控節點(diǎn)，并將ZigBee技術(shù)與GMS移動(dòng)通信技術(shù)較好地結合，采用方便簡(jiǎn)潔的監控軟件輕松實(shí)現家居系統的實(shí)時(shí)監控，對家居系統智能化具有一定的意義。該系統設計成熟完善后可移植到其它監控領(lǐng)域。
參考文獻
[1]花鐵森.智能家居系統核心技術(shù)探討[J]. 智能建筑電氣技術(shù)，2009，3(1)：92-98.
[2]潘偉，黃東.基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2008，18(9)：244-247
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