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基于Zigbee的智能家居實時監控系統的設計
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技術的實時監控系統為核心，從而實現家居系統的智能化;文章簡要分析和介紹了實時監控系統的體系結構、拓撲結構、軟、硬件設計等多個方面;實驗表明，本系統具有集成度高、功耗低、易于布署、成本低廉、實時性好等特點，具備廣闊的應用前景。
【關鍵詞】Zigbee 智能家居 實時監控系統
1 引言
隨著生活水平的提高，以及電子和網絡通信技術的飛速發展，使得人們對居住環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，實現智能家居系統的技術包括：總線技術、電力載波技術和無線技術;總線技術和電力載波技術分別因為施工麻煩、傳輸信號不穩定等因素，不利于市場推廣;而無線技術，特別是本系統所采用的Zigbee技術，是一種低速率、短距離的無線網絡技術，具有靈活的工作頻段和網絡拓撲結構、安全可靠的數據傳輸、低功耗等特點，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。
2 系統功能和設計
2.1 主要功能
(1)家電控制。
(2) 環境控制(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(Zigbee網絡)、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系;家庭局域網以Zigbee網絡為基礎連接家庭的各種家用設備、智能開關和傳感器等，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時登錄家居管理中心，查詢家庭環境信息或控制各種家用設備和智能開關;當家庭環境或設備發生問題時，管理中心可以第一時間將安防報警信息向遠程智能終端發送，以便通知家庭成員。
2.3 系統網絡體系結構設計
智能家居實時監控系統主要由兩部分構成：管理中心和ZigBee監控網絡，其體系結構如圖2所示;由圖可以看出，Zigbee網絡是實現家居系統智能化的基礎和關鍵。
管理中心由監控管理軟件和協調器節點構成，監控管理軟件主要完成網絡的管理、配置、監控及相關操作日志等功能;協調器節點主要用作監控管理軟件同其它監控節點的通信網關，完成數據的收發和格式轉換等功能。在管理中心失效或暫停工作條件下，協調器節點可以直接作為網絡的管理中心，完成網絡日常管理、維護、數據采集以及異常情況下的報警提示等工作。通常情況下協調器節點配有GSM/GPRS模塊，以便遠程數據傳輸。
ZigBee監控網絡主要包括：協調器節點、路由節點、監控節點和信標節點。協調器節點是其中心，用來完成網絡的管理。路由節點主要實現數據的路由轉發功能，當網絡采用樹簇型結構時，路由節點作為簇首完成簇內的管理;通常路由節點采用大功率模式，以達到延長通信距離、擴展網絡監控范圍的需求。監控節點遍布網絡，實現網絡數據的采集和設備的監控功能，一般體積較小，工作時間很長，易于嵌入到被監控設備當中，實時采集相關數據。網絡通常需要部署信標節點來完成定位功能;信標節點給其它節點提供具體的位置信息，以便其它節點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監控網絡使用的三種節點類型和作用，設計其拓撲結構(圖3)。圖中，監控節點彼此不通信，也不具備報文轉發能力;每個路由節點管理若干監控節點，主要完成報文在監控節點和協調器節點間的轉發功能;如果同時具備相關傳感器，路由節點也可以進行環境信息監測;協調器節點在管理中心控制下負責網絡的維護及管理。從圖可以看出，整個安全監控系統采用樹簇型拓撲結構;協調器節點為其根節點，路由節點為枝節點，監控節點相當于葉節點，設計協議過程中可采用分層的方法。
3 實驗結果
實驗環境：選取一棟建筑，東西長約70m，共8層，每層3m高，每層房間按20個計;每個辦公室安排一個RFD(監控節點)，每層樓安排2個FFD(路由節點)，樓層之間安排1個FFD(路由節點)，整個監控系統設置2個FFD(協調器節點)，其中1個作為備用;實驗成本：20*8*70(監控節點)+(2*8+7)*150(路由節點)+2*150(協調器節點)=14950元<1.5萬元;
相關測試結果如表1所示。
表1：實驗數據
實驗內容 實驗數據
監控區域 東西60-70m，南北20-30m，高度24m的建筑物;
監控節點距離 ≤ 70m
大功率節點距離 ≥400m
組網時間 3s
ZigBee網絡網內通信速率 200-250kbps
短信報警時間 ≤20s
短信報警長度(字符數) 70/條
連續工作時間 6個月
多次實驗證明，最終產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等各個發行版上，具有良好的穩定性、可靠性和開放性;可以達到的主要技術性能指標如表2所示。
表2：主要技術性能指標
技術指標 參數及說明
響應時間 ZigBee網絡+GSM網絡<20s
通信速率 ZigBee網絡：250kbps，GSM網絡：9.6kbps
通信距離 監控節點間>70m，大功率節點間>400m
監測范圍 本地模式：ZigBee網絡覆蓋范圍，遠程模式：GSM 網絡覆蓋區域
生存時間 監控節點無間斷工作>180天
為了進一步說明所設計的監控系統的優勢，將其與無線龍傳感器的性能指標進行了比較，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、監控節點發送功率、靈敏度、所需能源和覆蓋范圍中均具有優勢，并且網絡部署成本經濟，具有可方便操作的后臺管理軟件。
表3：與無線龍的指標比較
性能指標 本監控系統 無線龍
集成度/體積 <3公分(一元硬幣) 4-5公分
監控節點發送功率(最大) 22dBm 20dBm
監控節點靈敏度(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網絡覆蓋范圍 Zigbee網絡覆蓋范圍
實驗網絡成本(萬元) <1.5w >3w
后臺中心軟件設計 操作簡單，使用方便 無
4 結束語
采用基于Zigbee技術的無線傳感器網絡實時監控家居系統，為家居系統智能化提供了一個良好的思路;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間更長的傳感器監控節點，并將ZigBee技術與GMS移動通信技術較好地結合，采用方便簡潔的監控軟件輕松實現家居系統的實時監控，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域。
參考文獻
[1]花鐵森.智能家居系統核心技術探討[J]. 智能建筑電氣技術，2009，3(1)：92-98.
[2]潘偉，黃東.基于Zigbee技術的無線傳感網絡研究[J].計算機技術與發展，2008，18(9)：244-247
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