智能家居是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。

智能家居是在家庭產品自動化、智能化的基礎上，通過網絡按擬人化的要求而實現的。智能家居可以定義為一個過程或者一個系統，利用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術，把與家居生活有關的各種子系統有機地結合在一起。與普通家居相比，由原來的被動靜止結構轉變為具有能動智能的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通。

智能家居強調人的主觀能動性，要求重視人與居住環境的協調，能夠隨心所欲地控制室內居住環境。因此，具有相當于住宅神經的家庭網絡、能夠通過這種網絡提供各種服務、能與 Interact相 連接是構成智能化家居的3個基本條件。

ZigBee是最近發展起來的一種短距離無線通信技術，具有近距離、低功耗、低數據率、低成本、安全等優點，特別適合設計應用在小型的建筑物自動化設備中，比如溫度自動調節裝置、燈光控制設備、環境傳感器等，因此適用于家庭控制。

基于 ZigBee技術 的智能家居解決方案采用以單戶家庭為單元的通信控制模式，在每一個家庭中都安裝一個家庭網關（負責用戶控制信號及家電反

收稿日期：2007—05—14；修回日期：2007—08—24

基金項目：成都電子機械高等專科學校 2007年重點項 目

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第47卷 第5期國譏技Vo1．47 No．5

2007年 10月Telecommunication EngineeringOat．2007

饋信息的接收和轉發 ），及若干個與家電設備相連 的地址由 ZigBee的網絡協調節點 （NetworkCoordi—

的分控終端（控制該家庭的所有電器），家庭網關和 nator）負責分配。另外，每個節點的傳輸范圍在 30 分控裝置由家庭總線相連，家庭總線采用 ZigBee無 ～ 100ITI之間，而且傳輸的距離還可以通過使用功線通信方式。此裝置便于家庭獨自管理，安全性、可 率放大器和多跳網狀網絡結構得到延伸。

靠性高。

2 ZigBee技術分析

ZigBee是 ZigBee聯盟的產物，這個由國際上 100

多家知名軟硬件公司組成的聯盟致力于制定一個短距離、低速率、低功耗的無線網絡標準，其主要目標市場為樓宇自動化、工業監控和家庭自動化領域。ZigBee標準于2OO4年 12月獲得聯盟表決通過。

ZigBee技術在智能家居領域有廣闊的發展和應用前景：首先，ZigBee技術是一項低成本、低功耗的無線解決方案，采用 ZigBee技術的無線傳感器使用

圖 1 ZigBee協議棧架構

2．2 ZigBee網絡的構成

2．2．1設備分類及功能

普通的干電池即可工作 1～2年 ，而 ZigBee芯片 的 在 ZigBee的網絡 中，支持兩種類型的物理設

價格將在 1～2年 內降低到 2美元左右；其次，Zig．備：全功能設備和精簡功能設備。

Bee技術支持網狀網絡結構，這使得 ZigBee網絡具 （1）全功能設備（FulFunctionDevice，FFD）

有自組織、自修復的能力，提高了網絡的可靠性；第 支持任何拓撲結構；可以成為網絡協調器或網

三，ZigBee網絡支持數量眾多的節點，這點對于 智 能絡路由；能和任何設備通信。

一～（2）精簡功能設備（ReducedFunctionDevice，RFD）

家居系統中需要大量的傳感器和控制器的場合是非

常重要的。 只用在星型拓撲中；不能成為網絡協調器；只能

2．1 ZigBee協議棧架構 川胍和網絡協調器通信；實現非常簡單。

戤

ZigBee技術建立在 IEEE802．15．4標準：2技術之上。IEEE802．15．4是一個支持低功耗、低數據傳輸率的無線網絡標準，主要是設計用來進行遠程監測與控制的應用。2003年 5月，IEEE802．15．4標準得到了正式批準。IEEE802：15．4是一個簡單的但功能卻十分強大的數據包協議，它通過確認、錯誤檢測、區分優先次序的通信、直接序列擴頻技術 （Direct

SequenceSpreadSpectrum，DSSS）和用戶選擇安全等級

此外，ZigBee網絡按照節點類型來分，支持 3種節點：主節點、路由節點以及終端節點。主節點就是協調器，必須由一個 FFD構成 ，它是網絡的核心，負責建立一個網絡并下發地址。路由節點也是一個FFD，搜索網絡并加入，給加入路由的終端節點分配地址。路由節點僅僅是網絡中的一個無線收發器，它負責轉發通信和維護網內路徑。終端節點是網絡中最簡單的節點，它可以是一個 FFD或者 RFD。

等技術來提供無線通信的高可靠性。IEEE802．15．4標2．2．2地址分配模式

準同樣只規定了開放式系統互聯參考模型中的物理層所有 ZigBee設備均將有一個 64 bit的 IEEE地

和介質訪問子層，其中物理層定義了 3個許可的頻率址，這是一個全球唯一的設備地址，需要得到 ZigBee

頻段，它們分別是2．4GHz（最高傳輸速率250kbit／s）、聯盟的許可和分配。在子網內部，可以分配一個 16

915MHz（最高傳輸速率 40kbit／s）和 868MHz（最bit的地址作為網內通信地址，以減小數據包的大

高傳輸速率 20kbit／s）。小。地址模式有 2種 ：

ZigBee技術在 IEEE802．15．4所定義的基礎上（1）星型拓撲：網絡號加設備標識，本文中采用

又增加了網絡層、安全層和應用輪廓層 （Application這種分配模式；

Profiles），整個協議架構如圖 1所示。ZigBee支持星（2）點對點拓撲：直接使用源／目的地址。這種

型、網狀和樹簇狀的網絡拓撲結構。在每一個 Zig．地址分配模式決定了每個 ZigBee網絡協調器可 以

Bee網絡中最多可以擁有 65535個節點，每個節點支持多于 65535個設 備，而多個協調器可以互連，

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從而可以構成更大規模的網絡，邏輯上網絡規模取 Internet和 ZigBee網絡 。決于頻段的選擇、節點設備通信的頻率以及該應用 3．2 家庭網關

對數據丟失和重傳的容納程度。 家庭網關是系統的靈魂和核心控制所在，它是

2．2．3智能家居的網絡拓撲選擇

建立一個無線網絡的前提和基礎是選擇一個合理的網絡拓撲，網絡拓撲的結構可以決定網絡的成本、速度、特點和實現的功能。象家庭這樣的小型局域網通常采用的是星型網絡，如圖 2，成本低廉 ，結構簡單，連接容易，容易擴充和管理。這種星型結構的特點是對中心節點的依賴性很大，中心節點出現問題可能造成整個網絡的癱瘓。

家庭內部無線網絡連接距離較短，一般在 100m 以內，家用電器位置容易改變，家庭電器等的數量也容易變化，網絡中的信息傳送主要在家庭網關和其他室內終端之間。根據家庭網絡的這些特點以及以上介紹的無線網絡拓撲結構，本文以家庭網關為中心節點組建了一個星型家庭網絡。ZigBee技術最大傳輸距離 150m，完全滿足家庭網絡需要。實踐證明，星形家庭網絡組網簡單，實用可靠。

豆 豳 照明

圖 2 智能家居星形網絡

3 基于 ZigBee的智能家居系統

3．1 系統總體方案

智能家居系統的總體框圖如圖 3所示。

ZigBeel~

圓

圖3 智能家居系統的總體框圖

從圖中可以看出，智能家居整體系統主要由遠程控制界面（Web頁面）、家庭網關以及家庭內部的家電網絡和傳感器網絡幾部分組成。網絡總體上分為家庭外部網絡和家庭內部網絡兩部分，分別對應

帶嵌人式系統平臺的專用主機，并且外接一個 Zig-Bee短程無線收發模塊，以實現對家庭區域網內的各種信息家電和傳感器的控制。家庭網關對外可以提供各種遠程智能控制接口，操作者可以通過任何臺連接到 Internet的 PC機訪問 Web頁，對家 中的

終端節點進行數據訪問或者控制。

家庭網關具備連人 Internet的功能。通 過一個用戶友好的 Web界面，用戶可以輕松 了解家里的情況，防止財產受到人侵者的破壞，并且只需要點擊鼠標就可以從全球任何地方控制日常家電設備的運

行。

家庭網關的結構及功能為：

（1）采用 ARM構架的 32位嵌入式 RISC處理器和 ~Clinux操作系統 ；

（2）通過門鎖進行自動設防／解防；

（3）遇搶劫或疾病，按緊急按鈕，自動向管理中心報警；

（4）每家每戶配有自己的網頁，通過網頁顯示小區通知、系統各部分工作狀況及數據，并可通過Internet對家中的終端節點進行數據訪問或者控制；

（5）水、電、氣各表數據發給物業管理中心；

（6）通過以太網與小區管理中心通信；

（7）通過網關上的無線 ZigBee模塊與網絡中各子節點進行通信，實現統一控制。

利用 ZigBee技術 能夠輕松實現家庭內部節點的無線連接。因此，設計家庭網關則主要實現家庭網絡與外部網絡的連接、協議轉換以實現遠程控制。由于我們定義的家庭網絡內部只采用 ZigBee技術進行無線連接，所以我們不需要考慮家庭網絡內部不同協議的轉換，而主要考慮實現 Internet接人及TCP／IP與 ZigBee協議轉換功能。家庭網關實際上就是一個功能齊全的嵌人式系統，硬件設計上采用功能強大的 ARM芯片加上其他功能模塊 ，如圖4所示，而主要的工作在軟件開發上，移植 ~Clinux操作系統，并在其上開發驅動程序、應用程序。為了使用戶可以在 Internet上通 過瀏覽器控制家庭網絡，需要在網關上架設 Web服務器與用戶進行通信 ，并通過 CGI接 口調用后臺 CGI程序。CGI程序在 web 服務器和控制程序間建立聯系，調用具體的控制程序，實現對家庭網絡分控終端的指定操作。