基于无线传感器网络实现住宅的智能和节能

【中心议题】

• 介绍ZigBee技术在智能家居系统中的应用
• 论述该系统设计方案

【解决方案】

• 在设计上采用低功耗需求设计的单片机
• CC2420芯片作为射频收发模块
• 通过ZigBee技术组建立家庭无线网络

0引言

现代科学技术的发展，对于改善人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。然而随着我国建筑设备形式、室内环境的营造和用能模式的逐步改变，随之而来的是家用能耗设备的使用范围和使用时间都在增长，不可避免地带来住宅能耗的增长。中国建筑节能年度发展研究报告指出：住宅节能的主要任务是避免住宅能耗随建设规模增大和生活水平提高造成的大幅度增长，减少由此给我国能源供应带来的沉重压力。

本文提出采用近年来兴起的ZigBee技术实现智能家居系统无线网络，组建家庭信息网络，将各种家电组合成一个有机整体，对家电设备进行集中或异地的智能化控制与管理，旨在建立一个更为便利、舒适、节能的无线智能家居系统模型，能源的使用由粗放到集约，达到住宅节能的目的。　　

1无线家庭网络整体设计

1.1系统方案

智能家居网络的系统整体设计如图1所示，其总体结构可以划分为内部网、家庭网关、外部网3个部分。

1.1.1内部网络

成本低、功耗低是Zigbee无线通信技术的突出优点，且具有优秀的组网能力，网络容量大，对传输速率要求不高，传输数据信息的安全性高。因此，选择ZigBee技术作为智能家居系统的内部联网技术完全满足家庭传感器组网的要求。

ZigBee无线家庭网络方案可以简单概括为：通过嵌入在需要监测或控制的家电设备中的ZigBee无线网络收发模块作为网络子节点，将各个网络子节点与网络主节点互连，并进行数据传送，实现家庭设备的无线互连和自动化。

1.1.2外部网络

考虑到实用性和大众化的需求，采用Internet网络技术和GPRS网络构成外部网络的远程控制。远程控制用户访问Web页面，只需要点击鼠标，用户可以就从任何地方了解家中情况，控制家电设备的运行。此外，用户还可以通过用户手机发送短信息，家居控制器通过来电号码和信息的提取分析，解释成相应的控制信息，传送给各控制单元，对家电设备终端节点进行监测或控制。

1.1.3家庭网关

家庭网关是连接内部网和外部网的网络设备，是智能家居系统的核心设备。

家庭网关对外可以提供各种远程智能控制接口。用家庭网关还可以实现G P R S模块和ZigBee主节点模块之间的协议转换。

1.2网络模型

ZigBee采用自组织(ad-hoc)方式组网（图2），网络协调器一直处于监听状态，当有新的R F D加入到网络中时，会被附近的FFD发现并将其信息传送给协调器，由协调器进行编址，计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表，确定其物理位置。

每一个节点实现记录当前状态，等待查询、控制命令等。如：节点A网络协调器内嵌入家庭网关中，完成建立网络和进行绝大部分路由选择；远程计算机或手机可以通过家庭网关控制家电或者提取信息；节点B和节点C分别控制家用电器控制网络和三表集抄网络。它们接受家庭网关的控制命令。

1.3系统功能

1.3.1自组网络

系统中任何一个通信设备加入（离开）或移位，FFD会自动重新建立网络并自组织网络。

1.3.2远程控制

基于Internet和GPRS网络，实现远程家电设备控制。

1.3.3安全报警

通过广泛分布的传感器节点进行监控，烟雾探测，实现防盗报警或火灾报警。

1.3.4室内环境

获取室内温湿度传感器信息，并能够实时显示和调节空调系统的控制器。通过用户可设定的场景模式，实现灯光、窗帘的自动控制。

1.3.5三表集抄

定期采集三表（水表、电表、天然气表）数据，通过家庭网关发送到物业中心，实现自动抄表。

1.3.6节约能源

避免超负载或能源浪费，可以通过控制单元实时检测并控制家中总电流。通过使用可选的定时器，在某一特定时刻自动启动或关闭家电。对空调的控制，可以自动开关预热、制冷，还可根据室内温湿度转为低耗运行，与传统控制系统相比，可以节省20%~30%的电能。照明控制也能够实现节能，即根据室内的光线强度和住户的要求情况自动调节灯光的亮度或者关闭。

2无线家庭网络系统实现

2.1硬件选型

2.1.1无线网络节点硬件选型

无线网络节点硬件选型主要考虑以下两点：

（1）处理器选型：网络中的终端设备大多数是电池供电，因此需要设备具有较低的功耗。在设计上采用低功耗需求设计的单片机。

（2）射频收发模块选型：C C 2 4 2 0芯片作为射频收发模块，符合2.4GHz、IEEE 802.15.4标准的无线收发芯片，其性能稳定、功率极低且组网灵活，支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。

在实际的试验中，经综合考虑，决定采用CC2430芯片作为系统的ZigBee模块基础部分。CC2430集成了CC2420射频收发模块、8 0 5 1 M C U、3 2/6 4/128kB闪存、8kB SRAM、21个通用I/O引脚、2个支持多种串行通信协议的USART、8路输入8~14位ADC、AES-128安全协处理器、可编程看门狗定时器、D M A等高性能模块，并内置了ZigBee协议栈。结果表明，该系统超低功耗，构成ZigBee节点费用很低。

如图3所示，家庭无线网络中的终端节点的结构主要由3部分构成：传感器单元、C C 2 4 3 0芯片以及供电单元。传感器单元负责信息监控和数据的采集，并通过I/O中断方式与CC2430芯片通信。CC2430芯片上的8051MCU控制整个节点的工作，CC2420射频收发器负责节点的数据收发。供电单元给传感器单元和CC2430芯片供电，保证节点的正常工作。汇聚节点由一个扩展了引脚的C C 2 4 3 0芯片担任，不连接传感器，负责无线网络的创建和管理。

2.1.2 GPRS模块选型

GPRS模块选用西门子公司M C 3 5 i，MC35i的GPRS永久在线功能提供了最快的数传速率。体积小巧，功耗低，能提供数据、语音、传真功能，可广泛用于遥感测量记录传输、远程信息处理、电话。接收速率可以达到8 6.20kbps，发送速率可以达到21.5kbPs。当然最大的数据吞吐量还依赖于GPRS网络的支持。

2.2软件设计

控制器软件设计，主要包括系统初始化、对报警信号的监控、对远程控制指令的处理和执行等。系统软件流程图如图4所示。

3结语

综上所述，通过ZigBee无线通信技术为智能家居系统的建设提供一种灵活、方便的无线解决方案，从而实现对家居系统的远程控制、监测和集中管理，不但能达到高度智能化，而且能取得良好的节能效果。虽然目前ZigBee无线通信技术在家居系统中应用还处于实验阶段，并未有正式应用于住宅项目中的实例，但我们相信，随着智能家居产业的不断发展和无线通信技术的不断完善，无线通信技术技术定能越来越好地融合在智能家居系统的设计中；在今后的建设中，定会有越来越多的住宅选择应用无线家庭网络系统。