基于ZigBee的智能家居物联网系统

图 1 Z igBee协议栈结构原理图
色的不同, 可分为网络协调器 ( Coord inator)、全功 能设备 ( Full Function Dev ice, FFD) 与精简功能 设备 ( R educed F unct ion Dev ice, RFD ) 。网络协 调器实际上是 FFD设备的一种, 它具有丰富的系 统资源和完备的功能。相对而言, FFD比 RFD 拥 有更强大的计算能力和更丰富的系统资源, 可以 作为网 络 建 立 者、管 理 者 或 网 络 终 端 节 点 设 备 [ 4] 。 RFD 在网络中通常只能作为终端设备, 从 FFD接收信息或将信息传递给 FFD。
图 3 物联网结构图
图 3中将物联网结构分为 4层, 由下至上依 次为传感器节点 层、传感器网络层、数据处理层 和网络互联层。其中传 感器节点层由 一系列的 传感器检测节点及 RF ID 码组成, 完成对各种数
据的采集; 传感器网络层主要由 Z igBee等无线通 信网络构成, 完成传感器数据的转换、传输; 数据 处理层主要完成对各种通信协议的转换, 主要设 备为智能网关; 网络互联层主要通过 In ternet网 络或 GPS网络等实现互联网与传感器网络的互 联。
于 1999年由美国 M IT 大学提出, 目前业界尚无 明确、统一的定义。早期的物联网是依托射频识 别 ( RF ID )技术的物流网络。随着技术和应用的 发展, 物联网的内涵已经发生了较大变化。新时 期, 物联网是通过传 感技术、射 频识别 ( RF ID )、 无线通信技术等, 在物理世界的实体中部署具有 一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯 片和软件, 使之成为 ! 智能物体 ∀, 通过网络设施 实现信息采集、传输、协同和处理, 从而实现物与 物、物与人之间的互联 [ 6] 。典型的物联网结构图 如图 3所示。
能; Z igBee协调器处于 Z igBee无 线网络的顶层, 承担着组建网络、维护网络和管 理网络的职责。 Z igBee具有强大的组网能力, 理论上最大可支持 65 000多个节点, 满足家庭各种环境参量监测的 要求。
3 基于 Z igBee的智能家居物联网系统
3. 1 物联网 物联网 ( Internet o f T hings, IoT ) 的概念最早
智能家居物联网系统将家庭 中各种设备互 联, 以实现人与设备、设备与设备之间的 ! 沟通 ∀。 例如, 厨房中发生了煤气泄漏, 当煤气传感器监 测到煤气泄漏时, 就会通过 Z igB ee无线通信模块 将煤气泄漏的消息 ! 告诉 ∀煤气阀门控制器, 让它 将煤气阀门关上; 同时也 ! 告诉 ∀排气扇控制器, 让它打开排气扇对厨房通风。再如, 家中发生了 火灾, 家庭内部的烟雾报警系统将会及时启动, 并通过互联网、手机或电话网络平台通知物业管
1 智能家居环境分析
智能家居是以住宅为平台, 兼备建筑、网络 通信、信息家电、设备自动化, 集系统、结构、服务 为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环 境 [ 1] 。智能家居一般从建 筑物结构及附属设施 家庭网络化、智能化两个方面对现有的家居系统 进行改进, 涵盖了数字家电、综合布线、安 防、自 动控制、封闭式管理、环境和能源保护等子系统。 随着人们生活水平的提高, 人们除了追求家居中 的智能化设备先进外, 也越来越关注各种家庭设 备具备一定的 ! 思维 ∀。这种 ! 思维 ∀主要体现为 个性化、自动化、网络化等。其中, 个性化和自动
智能家居
基于 Z igBee的智能家居物联网系统*
叶兴贵, 缪希仁 ( 福州大学 电气工程与自动化学院, 福建 福州 350108)
摘 要: 分析了我国智能家 居环境的特点, 对几种常见的无线通信技术作了分析
比较。重点阐述了 ZigBee无线通信技术适用 于智能家居 系统的原因 。提出了建 立基于 ZigB ee 无线通信技术的智能家居物联 网系统架构 的具体实施 方案。最后 对物联网的发展前景作了展望。
1 M /3 M 10
20 k /40 k /250 k 10~ 100
1~ 10
1~ 100
1~ 3
2 小角度传输
7 128 b it密钥
255 /65 535 AES 128加密
Fra Baidu bibliotek
50 m s 3~ 6个月
3s 1~ 7 d
30 m s 1~ 2 a
W iF i 2. 4 /5. 2 GH z
11~ 54M 15~ 100
2. 2 Z igBee技术通信原理 Z igBee是一组基于 IEEE 802. 15. 4标准开发
的短 距 离无 线技 术标 准。 Z igB ee 联 盟在 IEEE 802. 15. 4的基础上, 对网络层协议和 AP I进行了 标准化, 并开发了 Z igB ee安全层。完整的 Z igBee 协议包括物理层、介质访问控制层 ( MAC层 )、链 路控制层、网络层、应用汇聚层及应用层。其中
图 2为基于 Z igBee技术的家庭无线传感器 网络。底层的 各种传感器节点用于测量各种环 境参量 ( 如室 内温度、光线强 度、烟 雾浓度等 ) ; Z igB ee各节点具有监测、转换和传输底层传感器 采 集的各种家庭环境参数, 接收协调器指令等功
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图 2 智能家居 Z igBee无线网络
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的遥控器中; 蓝牙技术多用于各 种消费电子中, 如蓝牙耳机、蓝牙鼠标、蓝牙键盘等; W i F i 则多 用于高速传输网络中; Z igBee是近几年兴起的一 种短距离、低功耗、低速率、组网灵活的无线通信
技术, 适用于传输数据量小, 功耗要求较为苛刻,
实时性要求低, 网络节点要求较多的场合。表 1 对几种无线通信技术的性能指标进行了比较 [ 2] 。
化可以通过选购具有这两方面特征的产品, 但网 络化却往往无法应用于任意挑选的各种个性化、 自动化家电产品中。
然而, 家庭是一个设备种类繁多、数量较大、 存放地点较为集中的场所, 即设备间的距离相对 都比较短。一 般家庭内部空间直线距离不超过 20 m, 如 果要 使家庭 内部 设备 具备 一定 的 ! 思 维 ∀, 彼此建立一定联系, 就要求在家庭内部建立 一个短距离通信网络。如果采用有线的方式建 立网络, 一方面布线困难, 尤其是对已经装修好 的住宅; 另一方 面, 也会造成不美观 等问题。采 用无线通信方式组网, 则可以避免上述两种困 扰。以无线方 式建立家庭内部设备间互联通信 的网络更受人们的青睐, 因而被广泛应用于工业 和实际生活中。
前三者为 IEEE 802. 15. 4标准规定, 后三者则由 Z igBee联盟制定。完整的 Z igB ee 协议栈分层结 构原理图如图 1所示。
物理层规范了 Z igB ee通信频率工作范围, 即 868 /915 MH z和 2. 4 GH z。在 MAC 层上, 主要沿 用 W LAN 中 802. 11系列标准的载波侦听多址接 入 - 冲突避免机制 ( CSMA CA) , 以提高系统兼容 性。在网络层方面, Z igBee联盟规定基于 Z igBee 技术的网 络可以 采用星 状和网 状拓扑, 也 可以 为两者的组合 ( 即丛集树状拓扑 ) 。根据节 点角
名称 /参数 工作频段 传输速率 /( b / s) 传输距离 /m 发射功率 /mW 最大链接点数 安全性 响应时间 电池寿命
表 1 几种短距离通信技术的比较
IrDA
B luetoo th
Z igBee
820 nm
2. 4 GH z
868 MH z/915 MH z /2. 4 GH z
1. 5 M /4 M /16M < 10(角度小于 30)
1 00 32 SS ID 10 s 1~ 5 d
通过比较, 结合家居环境的特点, 发现在各 种短距离通信技术中, Z igBee技术最适用于智能 家居环境。目前全球已有 300多家国 际知名企 业加入了 Z igBee联盟组织, 共同商讨和推广 Z ig Bee技术的产品化应用 [ 3] 。此外, 由于家庭内部 电器设备密集, 传感器通信距离短, 数据量不大 等特点, 使 Z igBee技术在组建家庭内部无线传感 器网络上具有得天独厚的优势。
关键词: 物联网; 智能家居; ZigBee 技术; 无线通信
中图分类号: TU 855 文献标志码: B 文章编号: 1674 8417( 2010) 09 0025 04
叶兴贵 ( 1985 ), 男, 硕 士 研 究生, 研 究 方 向为建筑 电器 智能 化 技术。
0引 言
随 着 3C ( Com puter, Consum er E lectronic, Comm un icat ion) 技术、网络技术及家 居智能化技 术的不断发展及其在家居领域的不断深入应用, 未来的家庭将是智能化、数字化、网络化的家庭。 本文介绍了基于 Z igBee技术的智能家居物联网 系统架构, 它是集传感 器技术、Z igBee 无线通信 技术、网络技术等于一体的家居智能化技术。
图 4 显示了一种基于 Z igBee技术的智能家 居物联网系统架构。
通过各种通信协 议之间的转换实现各种网络间 互联、互通。网关对外则通过小区交换机等网络 设施连接到互联网以及各种服务提供商等。
4结 语
! 物联网 ∀技术迅猛的发展速度却是前所未 有的。在我国, 物联网的概念正逐步被人们所认 识和接受, 家 居智能 化技术 也正逐 步深 入和推 广, 加上国家的宏观政策 对物联网市场的倾斜, 相信未来的家居将是物联网的家居, 未来的世界 将是物联网的世界。
2 Z igBee无线通信技术
2. 1 几种无线通信技术比较 随着通信技术的快速发展, 各种短距离无线
通信技术不断涌现, 给人们的生产和生活带来了 许多便 利, 如红外 技术、蓝牙技 术、W i F i技术、 Z igB ee技术等。其中, 红外技术常用于家用电器
缪希仁 ( 1965 ), 男, 教授, 从事智能化科学与技术的研究开发工作。 * 基金项目: 福建省科技计划项目 ( 2008F507020037)
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理中心或服务提 供商, 以及时排除险情, 同时通 过短信 告知远 在公司 上班或 异乡度 假的用 户。 前一假设通常是在家庭内部的 Z igBee无线网络 中实现, 如果要实现后一假设中通过手机或互联 网访问家庭设备, 了解设备的运行状态, 就需要 用到网关。网关是连接不同网络, 使不同网络互 联、互话的中介。在智能家居物联网系统 中, 网 关是核心, 它连接着家庭内部的 计算机局域网、 Z igBee无线网络、GPS网络、PSTN 网络等。
事实上, 物联网已有 五六年的发展 历史, 日 本早在 2004年提出以发展泛在网络社会为目标 的 U Japan构想, 计划于 2004 2007年共投入 29 亿美元, 并预计到 2010年将带来 371亿美元的直 接收益。韩 国提 出的 U Ko rea 战 略及 IT 839 战 略, 计划到 2010年共投入 700亿美元, 物联网发 展是其中三大基础建设之一。 2009年 4月, 美国 政府公布了 40亿美元智能电网投资计划, 在现 有电网基础上, 通过在发电、输电等各个环节引 入先进的传感和测量技术、控制方法以及决策支 持系统实现电网高可靠、高效运行 [ 7] 。我国对物 联网信息 服 务的 研 究 起步 稍 迟, 但 发 展迅 速。 2009年 ! 物联网 ∀一词刚 在各大媒体中 出现, 江 苏省就在短时 间内完成了我国第一个省级物联 网产业发展规划, 提出 3 年投资 350 亿元、构建 20 km2 的产业示范区的目标; 南京邮电大学也在 2009年 9月成立了全国高校首家物联网研究院 和物联网学院, 目前该研究中心已有一支 40多 人的科研团队, 初步搭建了南京邮电大学内部的 ! 物联网 ∀。 2009 年 12 月 2 日, 易观 国际 发布 #中国物联网白皮书 ∃, 分析指出, ! 无线传感器网 络已经成为政府推进的首要着力点 ∀。该白皮书 相关数据显示, 无线传感器网络产业规模在未来 两年内将增长 15 倍, 达到 40 亿元, 并将在未来 一段时间以超过 200% 的年均复合增长率增长, 在 2015年将达到 200亿元市场规模。 3. 2 智能家居物联网系统