僵息技术与循患亿 基于 Ｚｉｇｂｅｅ 技术的智能家居系统的研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｍａｒｔ Ｈｏｍｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 孟祥敏 侯德文 ＭＥＮＧ Ｘｉａｎｇ——ｍｉｎ ＨＯＵ Ｄｅ——Ｗｅｎ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９５２８．２００９．０２．０１２ Ａｂｓｔｒａｃｔ ＺｉｇＢｅｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗ ｓｈｏｒｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｌｏｗ ｅｎｅｒｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｇｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｄａｔａ ｒａｔｅｓ，ａｎｄ ｉｓ ｑｕｉｔｅｌｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｍｅ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｚｉｇｂｅｅ，ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＡＲＭ ｐｒｏ— ｃｃｓｓｏｒ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ ＯＳ．Ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ａｓｐｅｃｔｓ，ｗｅ ｄｏ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ Ｏｆｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＺｉｇＢｅｅ ＡＲＭ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｌｉｎｕｘ Ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ 引言 信息家电智能化是目前家电控制领域发展的主要方向。许 多家庭希望能实现各种家电“远程监控一体化”，即通过远程计算 １．２．１ ＺｉｇＢｅｅ设备 ＺｉｇＢｅｅ网络中的设备通常可以划分为两种类型，一种是全 功能器件（ＦＦＤ），它承担了网络协调者的功能，可以同网络中的 任何设备通信，支持任何拓扑结构；另一种是简化功能器件 机控制各种家电。新出现的ＺｉｇＢｅｅ技术、ＡＲＭ微处理器以及嵌 入式操作系统的结合为解决此类无线传输与控制问题提供了一 种切实可行的技术解决方案。本文就是以ＺｉｇＢｅｅ技术为基础， 以ＡＲＭ微处理器为控制核心对智能家居系统做了研究。 （ＲＦＤ），它不能作为网络协调者，只能与ＦＦＤ通信，两个ＲＦＤ之 间不能通信，ＲＦＤ通常只用于星型拓扑结构中 。 １．２．２ ＺｉｇＢｅｅ网络模型 ＺｉｇＢｅｅ主要采用三种组网方式：星型网、树型网和网状网。 每一个ＺｉｇＢｅｅ网络至少需要一个ＦＦＤ（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）实现网络协 调功能。在星型网中，一个功能强大的主器件位于网络的中心， 作为网络协调者，其它的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。 网络协调器负责建立和维持网络，而网络协调者定义了整个网络 的时分复用和多址接入方式，因此星型网的控制和同步都比较简 １ ＺｉｇＢｅｅ技术 １．１ ＺｉｇＢｅｅ技术概述 ＺｉｇＢｅｅ是一组基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４无线标准研制开发的有关 组网、安全和应用软件方面的技术标准。它主要工作在无须注册 的２．４ＧＩＳＭ频段，传输范围在ｌＯ～７５ｍ，典型距离为３０ｍ。Ｚｉｇ— Ｂｅｅ技术拥有低功率、低速率、通信范围较小、网络容量大和组网 简单等特点，且拥有省电、安全、可靠、成本低、时延短等优点…。 单，本文所研究的智能家居系统正是采用了这种组网方式。Ｚｉｇ— Ｂｅｅ的组网采用的是ａｄ—ｈｏｃ方式，这是一种无基础设施的移动 网络，网络中的每个终端可以自由移动，地位相等。这种网络对 网络内部的设备数量不加限制，并随时可以建立无线通信链路。 采用ａｄ—ｈｏｃ方式组网为位置分散的家庭设备实现无线连接提 供了可能。 ＺｉｇＢｅｅ主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率，降 低帧开销以及实行严格的功率管理机制。ＺｉｇＢｅｅ提供了数据完 整性检查和鉴权功能，采用ＡＥＳ一１２８加密算法。并采取了碰撞 避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避 免了发送数据时的竞争和冲突。ＭＡＣ层采用了完全确认的数据 ２ ＡＲＭ处理器和嵌入式操作系统 ２．１ ＡＲＭ处理器 ＡＲＭ是Ａｄｖａｎｃｅｄ ＲＩＳＣ（ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎｓｔ ｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ） Ｍａｃｈｉｎｅｓ的简称。ＡＲＭ内核分为ＡＲＭ７、ＡＲＭ９、ＡＲＭ１０以及Ｓｔ 传输机制，每个发送的数据包都必须等待对方的确认信息 ］。 而家庭网络通讯有这些方面的要求：①传输数据量小，无需太大 的传输速度；②网络的容量要大，家庭中的各种设备多；③信息 的实时性要好，时延要短。因此ＺｉｇＢｅｅ的技术特点决定了其能 ｒｏｎｇＡＲＭ等几类，其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分 成多种构成。ＡＲＭ的３２位体系结构目前被公认为是业界领先 的３２位嵌入式ＲＩＳＣ微处理器结构，所以本设计的嵌入式微处理 器采用３２位的ＡＲＭ９系列的ＡＲＭ９２０Ｔ内核，它是目前应用很广 很好的满足家庭网络的上述需求。 １．２ ＺｉｇＢｅｅ技术相关概念 山东师范大学信息科学与工程学院 山东济南２５００１４ 的嵌入式ＲＩＳＣ处理器。￥３Ｃ２４４０是一款专用的以手持设备为主 曩虱瞧稠堡皇堡 量堡皇鱼 该系统把一些带有Ｚｉ ｇｂｅｅ协议的芯片模块与传感器集成，然 后把此芯片嵌入到家居设备中，如嵌入到电冰箱、洗衣机、电视 等，把它作为ＺｉｇＢｅｅ网络的一个节点。当传感器监测到家居设备 中某些信号发生变化，它能触发节点芯片的中断，从而激活节点 而设计的芯片，其特点有低功耗、高速的处理计算能力。２４４０基于 ＡＲＭ９２０Ｔ内核的，０．１３ｌ￣ｍ ａｍｏｓ标准单元和存储单元复合体，它功 耗极小，简单、稳定的设计非常适合对电源要求较高的产品上。 ２．２嵌入式操作系统 嵌入式操作系统作为嵌入式系统的灵魂组成，如何正确选 择一个合适的嵌入式操作系统显得尤其重要。嵌入式Ｌｉｎｕｘ开 放的源代码、广泛的技术支持、良好的可扩展性能、对众多硬件的 支持都是其独有的优势。Ｌｉｎｕｘ的稳定性、可靠性和运行的高效 率早已得到证明。ＩＪｎｕｘ是可以定制的，其系统内核最小只有约 １３４ｋＢ。一个带有中文系统和图形用户界面的核心程序也可以做 芯片，芯片会自动进入数据采集程序，当数据采集结束后，它通过 无线接发模块，把打好的数据包发送出去。中间的协调器负责网 络的管理以及数据的转发，它可以通过发广播进行节点的管理， 还可以通过收发模块把发往它的多个节点的数据收集处理。 ４．１ ＺｉｇＢｅｅ协调器 ＺｉｇＢｅｅ协调器开发平台采用的是基于ＡＲＭ９２０Ｔ核的 到不足１ＭＢ，并且同样稳定。另外，它和多数Ｕｎｉｘ系统兼容，应 用程序的开发和移植相当容易。并且Ｌｉｎｕｘ具有优异的网络支 持。微内核直接提供网络支持，而不必像其它操作系统要外挂 ＴＣＰ／ＩＰ，协议包因为本身就是在网络基础上发展起来的 。因此 在本文的研究中选用嵌入式Ｌｉｎｕｘ作为嵌入式操作系统。 ２．３ ＡＲＭ微处理器结构与嵌入式Ｌｉｎｕｘ的结合 ＡＲＭ微处理器支持多种操作系统，同时Ｌｉｎｕｘ支持ＡＲＭ技 术的ＣＰＵ，Ｌｉｎｕｘ提供ＡＲＭ微处理器的编译环境，ＡＲＭ的汇编指 令和Ｃ语言可以进行交叉编程。标准Ｃ语言写的程序可以直接 在ＡＲＭ技术的ＣＰＵ上运行 。本文提出以ＺｉｇＢｅｅ协议为基础， 利用ＡＲＭ微处理器和嵌入式Ｌ ｉｎｕｘ操作系统，将它们有机结合， 构建出针对无线网络的智能家居系统。 ３智能家居系统的设计 系统采用相对简单的ＺｉｇＢｅｅ星型结构。即以ＺｉｇＢｅｅ协调器 （含全功能ＺｉｇＢｅｅ设备ＦＦＤ）为整个通信方案的核心，以多个 ＺｉｇＢｅｅ终端设备（含半功能设备ＲＦＤ）作为周围的节点，构成一 个星型网络，再结合远端控制。该方案可由以下这几部分组成： ＺｉｇＢｅｅ协调器、ＺｉｇＢｅｅ终端设备（被控对象，例如煤气水三表等电 器）、Ｉｎｔｅｎｅｔ、远程计算机。其中ＺｉｇＢｅｅ协调器负责与ＺｉｇＢｅｅ终端 和外部网络之间的通信，是整个系统的核心。ＺｉｇＢｅｅ终端设备负 责数据的采集和各种数据的传输。此系统的结构如图１所示。家 庭ＺｉｇＢｅｅ协调器以ＡＲＭ微处理器为核心，通过协调器端无线收 发模块与终端模块实现通信，通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ与远程计算机通信。 匡 图１ 智能家居系统结构 ４智能家居系统的工作原理 ￥３Ｃ２４４０微处理器，是整个通信方案的核心。协调器的无线收发 模块用的ＺｉｇＢｅｅ全功能设备ＲＦ收发芯片ＣＣ２４３０，实现一对多 的短距离通信。由于ＣＣ２４３０已固化了ＺｉｇＢｅｅ协议栈的底层（即 ＰＨＹ层和ＭＡＣ层），只需配简单的外围设备即可构成协调器的 收发模块。这样，通过￥３Ｃ２４４０微处理器实现了ＺｉｇＢｅｅ协调器 端与ＺｉｇＢｅｅ终端之间的通信。而基于ＡＲＭ９２０Ｔ核的￥３Ｃ２４４０微 处理器具有１０Ｍ以太网接口（ＣＳ８９００），由此可以通过Ｉｎｔｅｎｅｔ与 远程计算机通信。 ４．２ ＺｉｇＢｅｅ终端 要实现与ＺｉｇＢｅｅ网络中的协调器通信，终端节点也必须安装 ＺｉｇＢｅｅ简单协议，这样它才能按照ＺｉｇＢｅｅ协议数据帧格式，把数 据发送给协调器，协调器才能进行数据的提取。ＺｉｇＢｅｅ终端采用 与协调器一样的功能模块，采用的也是ＣＣ２４３０无线通信芯片。 在这个系统中由于协调器与终端之间采用的是相对简单的星型 结构，这使得终端只能用协调器通信，终端与终端之间不能通信。 ５结束语 本文以ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术为基础，以￥３Ｃ２４４０微处理器 为核心器件，结合嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统分析了智能家居系统的机 理。尽管这是一种较为简单的模型，但是为远程监控信息家电提 出了一种有效的方案。我们可以在此基础上构建较为复杂的方 案以实现工业等其他领域的控制。 参考文献： ［１］ 陈章龙，余厚全，倪腾飞．基于ＺｉｇＢｅｅ的信息家电远程监控 方案设计．现代计算机（总第二七一期），２００７（１１）：１２１～ １２３． ［２］ 张维勇，冯琳．ＺｉｇＢｅｅ实现家庭组网技术的研究．合肥工业 大学学报（自然科学版），２００５，２８（７）：７５５—７５９． ［３］ 叶史进．基于ＡＲＭ＆Ｌｉｎｕｘ的ＺｉｇＢｅｅ无线通信系统实现．西 北工业大学．２００７． ［４］ 刘骊，江虹，吕杨．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的嵌入式无线网络平台 的研究．昆明理工大学学报（理．Ｙ－版）第３２卷第１期， ２００７（２）：４０～４４． ［作者简介］ 孟祥敏，女，硕士，主要从事嵌入式系统的研 究。 侯德文，男，副教授，主要从事计算机图像处理；计算机网络 应用的研究。 （收稿日期：２００８—１０—２０）