基于ZigBee无线传感器网络在家居电器监控中的应用

张思俊 徐冬冬 王乐乐 陆振宇

摘要：该文提出了一种基于ZigBee无线传感器网络技术组建的家居电器监控网络，该网络能够对家居电器的用电环境、实时状态进行很好地监控，可及时找出问题电器，从而消除了电器的安全隐患。该监控网络组网方便，将嵌有无线传感器的电器同互联网相连，通过传感器技术和Zigbee无线通信技术的融合，实现电器实时信息的采集、融合、传输和反馈，使远距离控制电器成为可能。该监控网络提供了舒适、安全、方便和人性化的智能电器使用环境，同时也达到了“一个终端控制多个家电”的目的。

关键词：无线传感器网络；家居电器监控；ZigBee无线通信技术；

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)07-1500-02

Research in the Monitoring of Electrical Household Appliances Based on ZigBee Wireless Sensor Etworking

ZHANG Si-jun, XU Dong-dong, WANG Le-le, LU Zhen-yu

(School of Electronic＆Information Engineering, Nanjing University of Information Science＆Technology, Nanjing 210044,China)

Abstract: This paper presents a electrical monitoring network based on ZigBee wireless sensor networking.The networking is able to monitor the electrical environment of the household electrical appliances easily.Embedded wireless sensor electrical appliances connected with the Internet,Through the integration of sensor technology and Zigbee wireless communication technology, we can get electrical real-time information collection, integration and transmission, remote control. The networking provides a comfortable, safe, convenient and user-friendly smart electrical environment.

Key words: wireless sensor networking; monitoring of electrical household appliances; ZigBee wireless communication technology

“ZigBee技術是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。”ZigBee数据传输模块类似于移动网络基站。这种无线通信技术的通讯距离从标准的75m一直到几百米、几公里不等，并且支持无限扩展。同时ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)的频段上,其最高的传输速率为250kbit/s，它的传输距离一般在10-75m的范围内,但可以继续增加[1]。

ZigBee技术是一种近年来兴起的、并且已经得到广泛应用的无线通信技术，具有如下优势：1)设备省电：由于ZigBee的传输速率相对较低，发射功率仅为1mW，并且采用了休眠模式，因此使用ZigBee通信协议的设备非常省电。ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备无法达到的。2)费用低：ZigBee模块的初始成本仅在35元左右，这些可以有效地降低设备成本，ZigBee的工作频段为免执照频段的2.4GHz，因此ZigBee技术是没有任何使用费用的无线通信技术。3)时间延迟短：通信时间延迟和激活休眠状态的时间延迟都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时间延迟为15ms，移动设备信道接入的时间延迟为15ms。因此ZigBee无线通信技术适用于对时间延迟要求苛刻的无线控制的应用。4)网络容量大：一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，200多个ZigBee网络可以同时存在于一个区域内。5)数据安全：ZigBee提供了数据完整性和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。以上技术特点决定了本网络使用ZigBee技术作为无线网络通信平台具有良好的实用性[1-2]。

家居电器是未来电器市场的主要对象，随着科技的进步，越来越多的家电走进了人们的日常生活，家居电器种类繁多，用途广泛，但目前缺乏统一的、系统的、全面的家电实时监控网络，因此实时监控家居电器的使用状况能为人们日常的家居生活提供更大限度的方便。ZigBee无线传感器网络将在这个全新的领域起到越来越重要的作用。

1传感器网络节点设计

如图1所示，传感器网络节点由如下几个基本单元组成：信息采集单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、微处理单元（由嵌入式系统构成，包括MCU、存储器、相关的程序软件组成等）、无线发射和接受单元（无线通信模块组成）、以及电源模块。此外，还可以选择定位模块、移动模块以及电源供电模块等的其它功能单元。

在无线传感器网络中，在感知家电内部或者其附近部署大量的信息采集传感器。这些无线传感器节点通过自组织方式构成无线传感网，通过共同协作的方式采集、处理和发送传感网络待测家电的相关使用信息，从而实现对任意家用电器在任意时间的采集、处理和发送。这些需求正体现了ZigBee无线传感器网络的优势[3]。

图1传感器网络节点结构示意图

2智能家居电器无线组网

家庭内部网络自组技术的推广程度决定了家居电器实时监控的发展速度。家庭自组网络是实现整个家居电器实时监控的基础，只有能够实时监控电器内部的各种使用信息，才能实现家居电器智能化使用。为了实现这一目的，家居电器中必须嵌入各种传感器来采集信息—如工作温度、开机时间、环境湿度、零部件的老化程度、电量使用情况等，这些传感器就构成家电实时监控系统的神经末端。如图2所示为家电自组网络示意图。

图2家电自组网络示意图

家电自组网是整个家居电器监控系统的控制核心，或者说是整个家居电器监控系统的基础平台，在选取好合适的家电自组网络平台后，通过选取不同的功能模块，就可以构成一个完整的家电实时监控系统[4-6]。

3家电实时监控网络的基础软件研究

美国密西西比州立大学的Robert Reese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版（subset）ZigBee协议栈。精简协议栈的代码结构如表1所列，可以看出，精简协议栈实现了ZigBee的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充，实现了一些其原本不具备的功能。这里再补充一些术语概念，这有助于理解精简协议栈的代码结构[7]。

IEEE Address：节点的8位802.15.4网络地址，也称为长地址；Network Address：节点的2位网络地址，也称短地址；PAN：个人局域网；PAN ID：个人局域网标识符；HAL：协议栈物理抽象层；PHY：协议栈物理层；MAC：协议栈媒体访问控制层；NWK：协议栈网络层；APS：协议栈应用支持层；APL：协议栈应用层。精简协议栈的代码结构如表1所列。

表1 ZigBee精简协议栈的代码结构

4结束语

家居电器实时状态监控是一个新兴市场，有着广阔的应用前景，在科技高速发展的今天，越来越多的新型家电走进了人们的日常生活，但缺乏一体化的控制设备来不不同功能的家电进行系统化的管理。通过不断完善和更新由家电组成的无线传感网络，来达到更好的使用家电，了解家电实时情况的目的，最终实现“一个终端控制多个家电”的智能化、一体化、实时化家电监控系统网络。

参考文献：

[1] ZigBee技术_百度百科[EB].

[2]胡柯,郭壮辉,汪镭.无线通信技术ZigBee研究[J].电脑知识与技术,2008(6):1049-1051.

[3]姚晓通,崔小川.基于ZigBee无线传感器网络在智能家居中的应用研究[J].自动化与仪器仪表,2011(2):10.

[4]蒋承延,吴思远,陈伟.基于无线传感器网络的智能家居系统[J].微计算机信息,2007(13):199-201.

[5]蔡文晶,秦会斌.基于ZigBee精简协议的无线数据采集系统[J].机电工程,2011(2):224-225.

[6]余向阳.无线传感器网络研究综述[J].单片机和嵌入式系统应用,2008(8):8-12.

[7]于海斌,曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社,2006.