曹欢欢



基于ZigBee的智能家居系统的设计

曹欢欢

上海交通大学，上海 200240

研究了智能家居系统设计方案，包括内部网网络的选择和整个系统的设计方案。

智能家居；ZigBee；家庭网关；GPRS；模块；动态网站

引言

随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，人们的生活水平大幅度提高，对生活环境的要求也越来越高。实现家庭信息化、网络化是当今产业的重要研究任务，随之而提出了一连串的新概念：家庭自动化、家庭信息化、智能家居等。智能家居是人类住宅的又一场新的革命，它能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统也在逐渐成为一个新兴的研究领域。

1 智能家居系统设计方案

智能家居系统可以划分为外部网、家庭网关和内部网三个部分[1]。外部网可以是小区局域网、有线电视网、电话网和Internet等，大多采用比较成熟的技术。内部网则是用于互连家庭内部各种电器和设备的局域网，由于所连接的设备功能不同，其组网形式也表现出很大的多样性。家庭内部网根据其功能大体上分为三类：用于实现控制功能的控制网络，用于交换数据信息的数据网络和用于传输音频和视频的多媒体网络。家庭网关是连接家庭内部网和外部网的网络连接设备，将内部网接入外部网，为外部网络提供对家庭内部联网设备的控制功能，同时，家庭网关允许家庭内部可以采用不同的联网技术，利用网关为不同的通信子网提供桥接的能力，使各子网内的联网设备之间可以相互通信。智能家居系统框架如图1所示。本设计主要对内部网和家庭网关进行设计和实现。

图1智能家居系统框架

2 内部网网络技术的选择

智能家居内部设备的互联需要通过各种有线、无线的通信技术来实现，实现远程控制也需要各种通信技术的支撑。

有线联网技术通常采用预布的五类线、总线或电力线传输控制信号。遥控的功能通过无线或红外接入点，把遥控指令转化为有线控制指令传输给受控家居的智能模块，其中，总线方式采用强弱电分离的机制，系统比较稳定，对负载的适应性很强，但缺点是需要预布控制线，需要的辅助设备比较多，难安装、难调试、难维护，系统出现故障后往往会导致整个系统瘫痪。电力载波方式利用一个或多个直接接入强电的无线接入点，通过交流强电作为载波传输控制信号，缺点是控制信号直接在强电网上传输，信号不稳定而且极易受外界干扰，在应用中表现出很大的地区差异性。

无线组网方式的特点是灵活性、移动性和可扩展性，其是有线组网方式所无法具备的，能更好地适应各种应用环境的需要，每个家居的智能感应模块都是一个无线接入点，彼此互不干扰。无线组网方式所需要解决的难题也很多，如频谱资源分配、功率大小、传输的可靠性等。目前应用的各种无线技术包括Wi-Fi、ZigBee、蓝牙、GSM、3G等，这些技术相对成熟，前三种技术适用于房间内设备组网，而后两种技术则可用于实现远程接入。ZigBee、Wi-Fi、蓝牙技术的对比如表1所示。

表1 ZigBee、Wi-Fi和蓝牙技术的对比

通过表1可以看出ZigBee技术具有低功耗、成本低、网络容量大等特点，符合智能家居内部网的要求。

４整个系统的设计方案

本设计使用三个配置Jennic公司的JN5139模块的传感器板和ZigBee技术来搭建内部网，分别使用以Windows XP为操作系统的PC机和以Linux为操作系统的ARM嵌入式系统开发板（FL2440）来设计家庭网关，使用GPRS模块（MC55）来负责短信发送和接收。在Windows XP环境下使用JSP技术、Tomcat服务器和MySQL数据库来设计一个动态网站，而在嵌入式Linux环境下使用CGI技术、Boa服务器和SQLite数据库来设计一个动态网站。本设计智能家居系统设计方案如图2所示。

图2 本设计的智能家居系统设计方案

本系统实现的功能是能让用户通过手机短信或局域网范围内的Web浏览器来对传感器板的发光二极管进行监控，查询传感器的数据，得知求助信息。这里我们将发光二极管当作为一个家电设备，求助信息当作为报警信息。

家庭网关是连接家庭网络和外部网络的接口单元，应该能够提供家庭联网、服务质量（QoS）保障、安全管理、维护管理、地址管理和数据转发等功能，除了提供基本接入功能之外，还可以扩展提供特定应用。

本设计使用GPRS模块（MC55）来实现短信发送和接收的功能。另外，本设计分别在PC机和ARM嵌入式系统开发板（FL2440）设计一个动态网站和一个应用程序，其用来处理硬件平台之间的通信，让用户可以通过短信或Web浏览器来监控家里的家电设备、查询传感器的数据以及获知报警信息。PC机使用Windows XP作为操作系统，而FL2440使用Linux 2.6.28作为操作系统[2]。

本设计将PC机和嵌入式系统开发板分别使用，目的是PC机可对家庭内部网络和外部网进行初步测试，并证明系统的可行性。而嵌入式系统开发板则用于正式研究和开发。

[1]郑权.基于ZigBee的智能家居系统的设计[D].大庆：东北石油大学，2010.

[2]王永春.ZigBee技术在智能家居中的应用[J].智能建筑与城市信息，2009（1）：76-79.

Design of smart home system based on ZigBee

Cao Huanhuan

Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240

This paper studies the design of smart home system，including the choice of the internal network network and the design of the entire system.

smart home；ZigBee；home gateway；GPRS module；dynamic website

TP273.5

A

1009-6434（2016）12-0009-04