基于Zigbee无线技术的家用电器自动控制的研究

基于Zigbee无线技术的家用电器自动控制的研究

摘要：随着时代的发展，人们对于日常生活的智能化要求越来越迫切。随着上世纪80年代美国康乃迪克州哈特佛市的第一栋智能建筑稍微的诞生，全世界掀起了智能家居的建设热潮。当今时代可以说是信息时代，当今时代最重要的特点就是信息的数字化、网络化。互联网的飞速发展，互联网骨干网的带宽每半年的发展速度倍增。宽带接入网络的日益普及，信息高速公路的最后一个问题已经得到解决。目前智能家电正在不断普及，大多数智能家电都有自动控制部件，即所有的信息已经数字化，这为家电的网络化打下了技术基础。

关键词：嵌入式ARM；Zigbee；家电控制

1 研究现状和发展趋势

1.1 国外发展状况

在欧洲，数字家庭网络的核心主要是指建设的多媒体家庭平台，它的核心是电视网络，利用机顶盒对卫星广播和有线信号的接收和发送，实现完整的电子商务，银行的交互式操作转让等服务。美国数字家庭网络主要是在运营商带动的情况下提供智能信息服务。英国电信利用家庭网关技术控制数字家庭网络，家庭网关技术可以为用户提供有线，无线上

网，调制解调器，防火墙，家长控制等服务。

1.2 国内发展状况

我们的家庭网络处于起步阶段，随着家庭网络产品和产业的成熟，在国内的发展家庭网络系统显示以下特点：（1）市场潜力。因为房地产是热点，因为其下游产业的一部分，家庭网络市场前景非常乐观。（2）市场竞争的无序阶段。家庭网络行业正处于导入期，没有统一的标准，大多数产品都是相似的。（3）市场是一个需要逐步培育和引导阶段。大规模的价格战，广告战，服务战还没有爆发，比较分散，市场认知和接受，市场占有率不高。与服务供应商争先恐后的产品相比，智能家居产品到用户终端的步伐有点慢。（4）为面向家庭网络市场的巨大需求，市场区域存在不均衡的状态。

1.3 智能家庭的问题与发展趋势

智能家居的发展面临着以下四个主要方面的问题：（1）产品成本：目前的高价位的智能家居市场。（2）系统功能。复杂的操作系统，产品性能缺乏稳定性和可靠性。（3）标准协议：设备厂商的接口标准和协议有很大的不同，使他们生产的家庭设备不能与智能家居系统兼容更好。（4）售后服务：中国的智能家居厂家配套还不成熟，未能形成售后服务匹配系统，当出现问题时，该产品销售和维修是不能够满足用户的需要。

未来的智能家居管理终端将基于嵌入式Linux，Android

和Windows系统操作平台，通过触摸屏接口，实现家电、窗帘、安防等家居环境控制。通过智能手机或平板电脑上安装智能家居客户端软件，用户可实现家居环境远程控制。

2 系统总体设计

2.1 智能家居的功能

智能化家电控制就是通过自动化的家居智能管理系统

来控制所有家电。家电智能控制系统由安全控制系统、智能控制系统、网络通信系统三方面组成。

智能家居基本控制功能及实现方式：（1）遥控功能。所有家电设备的开关可以由一个智能遥控器来控制，这个遥控器可以是手机、电脑等移动通信设备。（2）感应延时开关。在厨房、卫生间设置感应延时开关，有人在时感应灯通过感应开启，无人在时感应灯通过感应熄灭。（3）网络开关的网络功能。一个开关可以控制整个网络，整个网络可以控制任意电路。其控制对象可以设置和轻松更改全开全关、场景设置、复杂的多交换机网络操作功能。

2.2 Zigbee无线通信技术

无线技术逐渐取代有线技术，科学技术是未来的发展趋势。有短距离无线IEEE802.11，蓝牙，WIFI等一般成熟的技术领域，虽然他们有自己的优势，但功耗高，较差的自组网能力。2004年ZigBee联盟引入ZigBee技术，其主要基于IEEE802.15.4 PHY和MAC层，它具有成本低、功耗低、自组

网的优点，并具有其他协议不具备的自愈能力。

IEEE802.15.4 定义了星型拓扑与对等拓扑两种拓扑结构。

ZigBee的主要技术特点如下：（1）通信速率低、协议简单：ZigBee是使用星形和网状网络的数据传输设备，具有

20-250kbps的传输速率。（2）功耗低：由于设备占空比短，和ZigBee采用了多种节能模式，它的功耗是非常低的。两节AA电池可支持长达半年至2年的使用，这是ZigBee很明显

的优势。（3）成本低廉、工作频段灵活：免版税的ZigBee协议、简单的协议、低数据率及小的存储空间，大大降低的ZigBee的成本。（4）网络容量大：一个ZigBee网络最多可容纳65535个从设备和一个主设备。（5）ZigBee网络的自组织、自愈能力强：形成无需人工干预ZigBee网络，设备节点可以知道，通过信息交换等设备节点的存在，然后他们能确定它们之间的关系；自愈ZigBee网络设备节点位置进行更改以删除或附加设备节点，可以自动恢复网络，无需人工干预，以确保系统的可靠性。

2.3 智能家居系统的总体架构

由于智能家居系统的复杂性，所以将智能家居系统分为多个子系统。本论文主要研究的子系统有智能家居控制主机、智能照明控制系统、家居安防系统、智能电器控制系统、家居环境控制系统。通过对智能家居系统组网方法的学习，我们了解到智能家居系统是由一个结构非常复杂的异构网络

组成的。它是由一个智能家居控制主机通过若干个转接设备接入多个不同的子系统来实现的。家居环境控制系统、智能照明控制系统和智能电器控制系统的组合可以实现家居控

制的功能。家居安防系统通过可视对讲模块、视频监控模块和防盗报警模块三个子系统结合来实现家居安防的功能。电阻式触摸显示屏使智能家居系统可以实现本地控制的功能。借助智能手机和个人计算机实现智能家居系统远程控制的

功能。

2.4 智能家居管理终端的研究

2.4.1 智能家居管理终端的总体功能。前面提到的智能

家居控制主机又称为智能家居集中控制器，是指封装好的有智能家居系统控制功能的控制器硬件和软件，具备有相应外围接口。控制主机通常包括各种形式的控制器终端产品，通过直接连接或者协议转换间接控制方式，实现智能电器控制、家居环境控制的功能。

2.4.2 智能家居管理终端的功能模块。根据前面对智能

家居系统的功能需求分析，我们主要来了解家居控制模块。

家居控制模块：家居控制模块的主要功能是通过各执行器实现对智能家电设备的控制和家居环境的设置。该模块包括三个子功能模块：智能照明控制模块、智能电器控制模块、家居环境控制模块。当有新的智能家电设备增加或者需要移除某家电设备时，用户通过智能家居管理终端提供的人机界