基于Zigbee和Anroid的智能家居系统的设计

姜仲 刘丹

摘要：智能家居是近年来一个新兴的领域,它融合了无线传感网络技术和计算机技术。智能家居处在本身行业发展的初期阶段,有着广阔的发展空间。该文涉及到ZigBee and Anroid技术,设计了一种智能家居系统的总体结构和软、硬件方案。

关键词：智能家居; zigbee; Anroid;无线传感网;远程控制

中图分类号：TP302.1文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012) 05-1134-03

Design of Smart Home System Based on ZigBee and Anroid

JIANG Zhong, LIU Dan

(Computer Science and Technology Dept, Dalian Neusoft Instidute of Information, Dalian 116023, China)

Abstract: Smart Home System is in recent years an emerging field, it incorporates wireless sensor network technology and computer tech? nology. Smart Home System in the early stages in the development of the industry itself, with broad space for development. This article in? volved to ZigBee and Anroid System, design a kind of intelligent household system the general structure and the software and hardware so? lutions.

Key words: Smart Home System; zigbee; Anroid; wireless sensor network technology; remote control

1概述

随着网络技术的飞速发展及人们生活水平的提高，人们对于家庭居住环境提出了更高的要求，智能家居应运而生。智能家居是以住宅环境为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居的关键技术主要有智能控制及内部网络两个部分。智能控制可以是本地控制或者远程控制；本地控制是指可直接通过网络开关实现对灯或其他电器的种智能控制;远程控制是指通过遥控器、电话、手机、电脑等来实现各种远距离控制。

2低成本智能家居系统的需求分析

目前，智能家居系统主要面向高端用户，需要的投资大、对现有的家庭装修需要进行一定程度的改变。本系统将各种设备联入无线传感网络，在基本不改动家庭装修的前提下，可以以较低的成本实现智能家居系统中实用性最强的功能—远程控制和安防，将智能家居面向的客户群体扩展到普通家庭。

2.1安防系统

1）红外人体传感：能够检测到进入检测范围的人体，并发送信息给用户。

2）煤气浓度传感：能够检测煤气浓度，超过一定限值发送信息给用户。

3）烟雾传感：能够检测烟雾浓度，超过一定限值发送信息给用户。

4）家居监控：用户可以通过电脑和手机远程监控家居中重点部位。

2.2远程控制

1）热水器远程控制：用户可以通过电脑和手机远程控制热水器进行预先加热2）空调远程控制：用户可以通过电脑和手机远程控制空调进行预先操作。

3智能家居系统分析

根据上述需求，我们设计了如下系统，如图1所示。

智能家居系统分成无线传感网和智能网关两个部分，无线传感网负责信息的采集和设备的控制，而网关负责数据的处理及与电信网络和互联网相联。无线传感网使用zigbee协议，而智能网关采用anroid技术。

3.1 ZigBee协议

对于设备或传感器联网的系统应用，往往需要相互间的通信，以交换测量数据和控制指令。目前采用的方式多是有线连接，包括点对点或总线方式，如RS485、CAN、Modbus等。随着无线网络通信技术的发展，在一些不便于或需要消除有线连接的场合，无线通信技术便有了它的用武之地。

目前，市场上已有多家公司推出应用于近距离通信的RF芯片产品，如工作在2.4 GHz的nRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chip? con)，工作在300~450 MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式应用也采用了这类技术，但它们大部分只提供解决无线通信的射频通道，没有标准规范（或采用自己的专用标准）来制定MAC层、链路层和网络层的通信协议，不具备兼容性；对通信的控制软件完全依赖目标系统设计，由用户自己完成，不仅额外增加了工作量，而且编制代码的可靠性、效率都较低，对组网应用更可能存在问题；不同厂家的产品不具备互操作能力，不具有通用性。

ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。

3.2 Android技术

Android是一种以Linux为基础的开放源码操作系统，主要使用于便携设备。Android操作系统最初由Andy Rubin开发，最初主要支持手机。2005年由Google收购注资，并组建开放手机联盟开发改良，逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。2011年11月数据，Android占据全球智能手机操作系统市场52.5%的份额，中国市场占有率为58%。

3.3 Android特征

1）提供访问硬件的API函数，简化像摄像头、GPS等硬件的访问过程

2）提供丰富的界面控件供使用者之间调用，加快用户界面的开发速度，保证Android平台上程序界面的一致性

3）提供轻量级的进程间通讯机制Intent，使跨进程组件通信和发送系统级广播成为可能

4）提供了Service作为无用户界面，长时间后台运行的组件

5）支持高效、快速的数据存储方式

图1智能家居网络结构

4硬件设计

4.1无线传感网

ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构和簇状结构，智能家居系统采用星型结构，节点分成两类：协调器和终端节点。协调器是无线传感网的中心，负责组网并通过串口与网关相联;终端节点负责收集环境数据和控制设备.无线传感网的节点采用了TI公司的cc 2530芯片，CC2530是用于IEEE 802.15.4、ZigBee应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530结合TI公司的ZigBee协议栈Z-Stack，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

4.2协调器节点原理图

如图2所示。

4.3终端节点原理图（以温湿度传感节点为例）

如图3所示。

图2协调器节点原理图

图3终端节点原理图

5软件设计

图4为智能家居系统结构图：

图4智能家居系统结构图

1）家电控制子系统利用zigbee技术实现空调、热水器等家电的集中控制和远程控制。

2）智能安防子系统感知环境中的危险因素，并及时报警。

3）家居监控子系统对家居中特殊位置进行集中监控和远程监控。

4）远程控制子系统通过手机或电脑对智能家居系统进行远程访问。

6结论

智能家居是国家《物联网“十二五”发展规划》中重点扶持的重点产业之一，本文设计的智能家居系统具有成本低、实施方便的特点，采用ZigBee和Anroid技术为有发展潜力的技术，具有一定的市场价值。

参考文献：

[1]顾理军.ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究[J].重庆电子工程职业学院学报,2011(3):160-161.

[2]吴文忠.基于ARM和ZigBee的智能家居系统[J].计算机工程与设计,2011,36:1987-1989.

[3]吴海军.基于Z i g B e e技术的智能家居系统[J].现代电子技术,2011,34(15):43-46.

[4]李鑫,毛陆虹,王巍,等.基于ZigBee网络的无线智能照明系统设计[J].微型机与应用,2010(5).

[5]仲志成,郭刚.智能家居系统的发展方向研究[J].现代科技(现代物业下旬刊),2010(4).

[6]齐子新,张云洲,赵立蒙,等.基于ZigBee技术的自动抄表无线通讯系统设计[J].机电工程,2009(11).

[7]翁慧,郭裕顺.基于ZigBee技术的无线呼叫系统设计[J] .杭州电子科技大学学报,2009(3).

[8]黄文龙,徐道连,游颖敏,等.基于ZigBee和ARM的嵌入式智能家庭安防系统设计[J].重庆工学院学报:自然科学版,2009(2).