基于ZigBee无线网络的嵌入式智能家居监控系统

0.设计摘要

与普通的家居相比，智能家居（Smart Home）不仅具有传统的居住功能，能够提供舒适安全、高品位且宜人的生活空间，还把原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各种能源支出节约资金家居。无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。无线传感网络的出现克服了家庭中布线的烦琐，充分体现了智能家居系统的灵活、方便、高效。本项目研究开发了基于ZigBee技术和Internet技术的智能家居监控系统，将Internet的远程监控与ZigBee短距离控制相结合，实现系统的家居无线控制和数据采集，避免了综合布线，可扩展性好。

整个智能家居监控系统能够对家用电器的完成开关量的控制，还能够对三表(水表、电表、燃气表)进行无线抄表，最重要的是可监测来自家庭安防传感器(火警、煤气泄露)的数据，以备物业等部门监控。通过测试后，证实了设计方案的正确性，结果满足系统设计要求，该设计具有一定的新颖性和实用性。本项目针对目前人们对居住环境的要求越来越高，同时家用设施的管理和安全亟待改善的迫切需要，设计了一种基于嵌入式无线通信技术的智能家居监控系统，以便能够对小区中各家各户的各种情况(煤气泄露、火警等)进行监控，而且还可以对家居设施进行控制。此外，物业管理单位也可以通过此系统为小区居民提供更为方便、人性的服务。

1.系统原理

本课题首先进行系统总体设计，结合底层ZigBee无线传感网络的特点和系统总体网络监控的要求，将该系统设计分为四部分:无线传输模块、数据处理模块、以太网传输模块、上位机显示界面。然后对ZigBee协议标准做了全面地研究分析，同时给出了基于CC2430的无线传输模块的软硬件设计和星型网络搭建，并给出了测试结果。接着设计了基于PIC32的数据处理模块，给出了硬件电路和外围辅助电路设计方案，并为其移植了实时操作系统uC/OS-II。本设计完成了基于DP43848C的以太网传输模块设计和系统的以太网通信程序的设计，实现了从底层ZigBee无线传感网络的数据采集最终到监控机的数据传输并测试成功。最后在VC++6.0环境下，应用Windows Sockets套件接口开发显示界面对底层采集的数据分类显示。

图1 系统设计结构图

如上图1所示，本设计主要分为以下部分:

(1)无线传输模块:基于CC2430芯片(包括无线收发及传感器)设计无线传感网络模块，并完成各节点模块的软件编写和节点间通信调试。

(2)数据处理模块:基于PIC32芯片设计数据处理模块，并完成程序编写，同时在该系统上移植嵌入式实时操作系统uC/OSII。

(3)以太网传输模块:利用网络接口芯片DP43848C设计以太网通信模块，并完成通信测试程序编写。

(4)上位机显示界面设计:利用VC++6.0基于WindowsSockcts编写上位机界面程序，使经过数据处理模块处理后的数据通过以太网上传到上位机(PC机)界面上，实现统一管理。

1.1.智能家居监控系统中的ZigBee无线传感网络方案

ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE无线个人区域网工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。它采用跳频技术，.使用的频段分别为2.4GHz( ISM ), 868 MHz(欧洲)及915 MHz(美国)，而且均为免执照频段，有效覆盖范围为1075 m。所支持的数据传输速率为10Kb/s--250Kb/s。功耗低，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可以6个月到2年。网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备。成本低。由于ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。

要从以上这些无线射频技术中选择一种作为本设计的无线通信方案，需要考虑的是:该方案是否能够满足家庭网络的成本要求，还有就是功耗和网络容量能否满足家庭要求。而这些问题在ZigBee技术面前都将不复存在。在智能家居系统中，将ZigBee无线传感网络技术应用于家庭网络己成为趋势。这不仅仅是因为ZigBee无线传感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。所以本智能家居监控系统采用ZigBee技术作为智能家居中无线传感网络的设计方案。

本智能家居监控系统中的无线传感网络采用星型连接，主要包括了一个家庭网关以及若干个无线通信子节点。家庭网关上有一个无线收发模块(主节点FFD )，而其他的无线通信子节点则作为End Device安放在家用电器、三表和安防传感器上，通过这些无线收发模块，数据就