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基于ZigBee的智能网关研究

作者:李静静 于会山 来源:电子技术与软件工程 论文栏目:计算机论文     更新时间:2019-06-13   浏览

本学术论文《基于ZigBee的智能网关研究》,转载自学术期刊《电子技术与软件工程》2014年17期 发表过的职称 论文,原文作者:李静静于会山,由中国学术论文网编辑整理录入,仅供您在等方面参考学习。

李静静于会山

摘 要

本文分析了智能家居的特点,从工作频段、传输速率、功耗、传输方式、连接设备能力等角度对比分析无线连接技术,提出基于ZigBee无线通信技术的智能家居控制系统的组成、开发方案、具体的硬件设计方法,文中展现出智能家居的部分功能。【关键词】ZigBee 传感器 智能家居 Imx283

在当今科技高度发展的时代,常用的无线技术有红外技术(IrDA)、家庭无线电射频技术(Home RF)、Wi-Fi技术,蓝牙技(Bluetooth)、智蜂技术(ZigBee)等,丰富的无线连接技术为我们的内部组网提供了更多更灵活的选择,各自的技术性能不同,应用范围及领域也有所不同。

1 无线通信技术

常见的无线通信技术有IrDA、HomeRF技术、蓝牙技术、Wifi以及ZigBee技术。红外技术不适用于智能家居内部组网,是因为红外技术是典型的点对点技术且通讯距离超短,安全性方面极易受到干扰,红外技术的典型和有效应用应该是遥控方面而不适用于智能家居无线内部组网;其次是HomeRF技术,其技术定位是家庭无线局域网,智能家居的定位则为传感器网络:再次是蓝牙技术,蓝牙技术尤其是在手机领域已经得到成熟的应用,蓝牙的不足之处在于连接设备数只有7到8个,这在多节点的家居环境中的应用是不足的;wifi提供的服务则是互联网+接入,明显不符合智能家居的无线组网;最后是Zigbee技术,其具有低成本、低复杂度、低功耗、自动组网、高安全等特点,可以无限制地链接端口,满足系统不断升级的消费需要。Zigbee节点缩小了传输速率和覆盖范围,但在家庭环境中没有电源的制约,在智能家居环境中实现无线传感器网络,其传输速率足以满足需要。

综上所述,构建一个低成本、高效、安全可靠的智能家居无线网络,Zigbee将是不二选择。

2 系统设计概述

2.1 系统构成

本控制系统基于ZigBee无线通信技术,充分利用系统中资源实现对家居环境监测以及设备的控 制,为用户提供智能、便捷、舒适的家居生活。用户可以通过终端设备查看信息(温度、湿度等),根据传感器采集的相应的数据和用户设定的参数,实现对家电器、窗帘等处的电机等家具设备进行控制。

系统由一个终端、一台上位机、一个多节点构成。节点由传感器、电器、电机以及ZigBee模块接入系统终端构成。其中位于星型网络中心的ZigBee收发模块终端与作为终端控制器的imx253开发板相连接。控制器通过上位机软件连接电脑;与GSM模块相连接,实现发送短信的功能;通过usb接口与摄像头相连,实现录像监视的功能;控制器还连有触摸屏实现人机交互。

2.2 系统功能的实现

本系统的设计,可以实现便捷有效地控制家居设备,给用户提供舒适、安全、便捷的生活的功能,其部分功能如下所示。

(1)检测室温,并将温度在显示屏显示,根据事先设置的参数对空调实现自动调节,或者通过触摸屏输入相关参数进行控制空调的温度。

(2)检测非法进入、火灾、漏水、漏气等情况,同时可以通过扬声器进行报警,或者通过短信进行报警,也可以进行视频监控。

(3)门锁为磁力锁,当有用户进出入时,通过人像可以自动完成消磁作用,将门打开。

(4)在设定的时间或者通过短信,热水器、微波炉等自动打开。

(5)用户可以通过上位机设置参数。

(6)在晚上关闭窗帘,在白天打开窗帘。

2.3 控制方式

系统可以通过上位机向控制器设置空调开关温度、开关时间等参数,对空调进行自动控制,其他电器类似。另外用户可以通过触摸屏输入控制令,随时控制打开或者关闭家电器。

上位机LINUX操作系统下进行开发通过RS232串口器连接,主要作用在于湿温度等参数。ZigBee收发模块终端通过SPI接口与控制器连接进行数据传输。

3 系统硬件开发

系统需要的硬件有ZigBee收发模块、Imx283开发板、传感器模块、电机、与家电器相连接的继电器等。以下主要介绍系统硬件结构以及ZigBee模块。

3.1 ZigBee原理

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议架构是建立在IEEE 802.15.4标准基础之上的。IEEE 802.15.4标准定义了物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)。ZigBee联盟定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。ZigBee协议以OSI七层参考模型为基础,只定义了其中与LR-WPAN应用相关的协议层。ZigBee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能:数据实体提供数据传输服务,管理实体提供其他的服务。每个服务实体和上层之间的接口称作”服务访问点(SAP)”,通过SAP交换一组服务原语为上层提供相关的服务功能。服务原语是一个抽象的概念,它仅仅指定了实现特定的服务需要传递的信息,而与实现服务的具体方式无关。一种服务包括一种或多种服务原语,原语中的参数用来传递提供服务所需要的信息。OSI/RM规定了四种类型的服务原语:请求、指示、响应、证实。

IEEE 802.15.4的物理层提供两类服务:物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、信道评估(CCA)和物理媒体收发数据包。MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管路服务,其主要功能包括采用CSMA/CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。

3.2 以CC2530为核心的ZigBee模块硬件设计

如图1所示,ZigBee模块核心部分为cc2530+cc2591, CC2591 是TI公司生产的高性价比和高性能的2.4GHz RF前端,适合低功耗低电2.4GHz无线应用,CC2591的输出功率高达22dBm,集成了开关,匹配网络和平衡/不平衡电路, 电感 ,功率 放大器 (PA)以及低噪音放大器(LNA),可以用在所有的2.4GHz ISM系统,无线 传感器 网络,无线工业系统, IEEE 802.15.4 和ZigBee系统,无线消费类电子系统和无线音频系统.本文中主要利用其强大的功率放大功能。CC2530 是用于2.4-GHz 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。

4 软件设计

4.1 节点软件设计

系统各节点的运行原理相似,以下在红外线传感器节点的基础上说明系统软件设计原理。此节点在初始化后开始采集红外传感器和状态选择开关的信息,状态选择开关电平为高电平说明用户在家,无需进入警戒状态,反之说明用户不在家或者处于休息状态,系统进入警戒状态。进入警戒状态则读取红外线的高低电平,若为低电平则有人进入室内节点向控制器发送警告数据。

4.2 控制其软件设计

该部分在IMX283开发平台完成,其工作流程如图2所示。

5 结论

本系统利用ZigBee技术对家居环境完成检测,实时掌握家居信息,完成对设备的自动控制,以及报警功能。物联网技术是信息化时代发展的必然结果,在我国网联网正被人们认识和接受,智能化家居正逐步推广和应用。智能化家居给人们提供高质量、高安全、高快捷的生活。智能家居具有广阔的市场,随着科技的发展智能家居必定还会有质的飞跃。

参考文献

[1]金纯,罗祖秋,罗凤等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008.

[2]白瑜.基于嵌入式的智能家居系统的设计[D].中国地质大学,2009.

作者单位

聊城大学 物理科学与信息工程学院学院 山东省聊城市 252000

摘 要

本文分析了智能家居的特点,从工作频段、传输速率、功耗、传输方式、连接设备能力等角度对比分析无线连接技术,提出基于ZigBee无线通信技术的智能家居控制系统的组成、开发方案、具体的硬件设计方法,文中展现出智能家居的部分功能。【关键词】ZigBee 传感器 智能家居 Imx283

在当今科技高度发展的时代,常用的无线技术有红外技术(IrDA)、家庭无线电射频技术(Home RF)、Wi-Fi技术,蓝牙技(Bluetooth)、智蜂技术(ZigBee)等,丰富的无线连接技术为我们的内部组网提供了更多更灵活的选择,各自的技术性能不同,应用范围及领域也有所不同。

1 无线通信技术

常见的无线通信技术有IrDA、HomeRF技术、蓝牙技术、Wifi以及ZigBee技术。红外技术不适用于智能家居内部组网,是因为红外技术是典型的点对点技术且通讯距离超短,安全性方面极易受到干扰,红外技术的典型和有效应用应该是遥控方面而不适用于智能家居无线内部组网;其次是HomeRF技术,其技术定位是家庭无线局域网,智能家居的定位则为传感器网络:再次是蓝牙技术,蓝牙技术尤其是在手机领域已经得到成熟的应用,蓝牙的不足之处在于连接设备数只有7到8个,这在多节点的家居环境中的应用是不足的;wifi提供的服务则是互联网接入,明显不符合智能家居的无线组网;最后是Zigbee技术,其具有低成本、低复杂度、低功耗、自动组网、高安全等特点,可以无限制地链接端口,满足系统不断升级的消费需要。Zigbee节点缩小了传输速率和覆盖范围,但在家庭环境中没有电源的制约,在智能家居环境中实现无线传感器网络,其传输速率足以满足需要。

综上所述,构建一个低成本、高效、安全可靠的智能家居无线网络,Zigbee将是不二选择。

2 系统设计概述

2.1 系统构成

本控制系统基于ZigBee无线通信技术,充分利用系统中资源实现对家居环境监测以及设备的控 制,为用户提供智能、便捷、舒适的家居生活。用户可以通过终端设备查看信息(温度、湿度等),根据传感器采集的相应的数据和用户设定的参数,实现对家电器、窗帘等处的电机等家具设备进行控制。

系统由一个终端、一台上位机、一个多节点构成。节点由传感器、电器、电机以及ZigBee模块接入系统终端构成。其中位于星型网络中心的ZigBee收发模块终端与作为终端控制器的imx253开发板相连接。控制器通过上位机软件连接电脑;与GSM模块相连接,实现发送短信的功能;通过usb接口与摄像头相连,实现录像监视的功能;控制器还连有触摸屏实现人机交互。

2.2 系统功能的实现

本系统的设计,可以实现便捷有效地控制家居设备,给用户提供舒适、安全、便捷的生活的功能,其部分功能如下所示。

(1)检测室温,并将温度在显示屏显示,根据事先设置的参数对空调实现自动调节,或者通过触摸屏输入相关参数进行控制空调的温度。

(2)检测非法进入、火灾、漏水、漏气等情况,同时可以通过扬声器进行报警,或者通过短信进行报警,也可以进行视频监控。

(3)门锁为磁力锁,当有用户进出入时,通过人像可以自动完成消磁作用,将门打开。

(4)在设定的时间或者通过短信,热水器、微波炉等自动打开。

(5)用户可以通过上位机设置参数。

(6)在晚上关闭窗帘,在白天打开窗帘。

2.3 控制方式

系统可以通过上位机向控制器设置空调开关温度、开关时间等参数,对空调进行自动控制,其他电器类似。另外用户可以通过触摸屏输入控制令,随时控制打开或者关闭家电器。

上位机LINUX操作系统下进行开发通过RS232串口器连接,主要作用在于湿温度等参数。ZigBee收发模块终端通过SPI接口与控制器连接进行数据传输。

3 系统硬件开发

系统需要的硬件有ZigBee收发模块、Imx283开发板、传感器模块、电机、与家电器相连接的继电器等。以下主要介绍系统硬件结构以及ZigBee模块。

3.1 ZigBee原理

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议架构是建立在IEEE 802.15.4标准基础之上的。IEEE 802.15.4标准定义了物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)。ZigBee联盟定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。ZigBee协议以OSI七层参考模型为基础,只定义了其中与LR-WPAN应用相关的协议层。ZigBee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能:数据实体提供数据传输服务,管理实体提供其他的服务。每个服务实体和上层之间的接口称作”服务访问点(SAP)”,通过SAP交换一组服务原语为上层提供相关的服务功能。服务原语是一个抽象的概念,它仅仅指定了实现特定的服务需要传递的信息,而与实现服务的具体方式无关。一种服务包括一种或多种服务原语,原语中的参数用来传递提供服务所需要的信息。OSI/RM规定了四种类型的服务原语:请求、指示、响应、证实。

IEEE 802.15.4的物理层提供两类服务:物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、信道评估(CCA)和物理媒体收发数据包。MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管路服务,其主要功能包括采用CSMA/CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。

3.2 以CC2530为核心的ZigBee模块硬件设计

如图1所示,ZigBee模块核心部分为cc2530+cc2591, CC2591 是TI公司生产的高性价比和高性能的2.4GHz RF前端,适合低功耗低电2.4GHz无线应用,CC2591的输出功率高达22dBm,集成了开关,匹配网络和平衡/不平衡电路, 电感 ,功率 放大器 (PA)以及低噪音放大器(LNA),可以用在所有的2.4GHz ISM系统,无线 传感器 网络,无线工业系统, IEEE 802.15.4 和ZigBee系统,无线消费类电子系统和无线音频系统.本文中主要利用其强大的功率放大功能。CC2530 是用于2.4-GHz 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。

4 软件设计

4.1 节点软件设计

系统各节点的运行原理相似,以下在红外线传感器节点的基础上说明系统软件设计原理。此节点在初始化后开始采集红外传感器和状态选择开关的信息,状态选择开关电平为高电平说明用户在家,无需进入警戒状态,反之说明用户不在家或者处于休息状态,系统进入警戒状态。进入警戒状态则读取红外线的高低电平,若为低电平则有人进入室内节点向控制器发送警告数据。

4.2 控制其软件设计

该部分在IMX283开发平台完成,其工作流程如图2所示。

5 结论

本系统利用ZigBee技术对家居环境完成检测,实时掌握家居信息,完成对设备的自动控制,以及报警功能。物联网技术是信息化时代发展的必然结果,在我国网联网正被人们认识和接受,智能化家居正逐步推广和应用。智能化家居给人们提供高质量、高安全、高快捷的生活。智能家居具有广阔的市场,随着科技的发展智能家居必定还会有质的飞跃。

参考文献

[1]金纯,罗祖秋,罗凤等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008.

[2]白瑜.基于嵌入式的智能家居系统的设计[D].中国地质大学,2009.

作者单位

聊城大学 物理科学与信息工程学院学院 山东省聊城市 252000

摘 要

本文分析了智能家居的特点,从工作频段、传输速率、功耗、传输方式、连接设备能力等角度对比分析无线连接技术,提出基于ZigBee无线通信技术的智能家居控制系统的组成、开发方案、具体的硬件设计方法,文中展现出智能家居的部分功能。【关键词】ZigBee 传感器 智能家居 Imx283

在当今科技高度发展的时代,常用的无线技术有红外技术(IrDA)、家庭无线电射频技术(Home RF)、Wi-Fi技术,蓝牙技(Bluetooth)、智蜂技术(ZigBee)等,丰富的无线连接技术为我们的内部组网提供了更多更灵活的选择,各自的技术性能不同,应用范围及领域也有所不同。

1 无线通信技术

常见的无线通信技术有IrDA、HomeRF技术、蓝牙技术、Wifi以及ZigBee技术。红外技术不适用于智能家居内部组网,是因为红外技术是典型的点对点技术且通讯距离超短,安全性方面极易受到干扰,红外技术的典型和有效应用应该是遥控方面而不适用于智能家居无线内部组网;其次是HomeRF技术,其技术定位是家庭无线局域网,智能家居的定位则为传感器网络:再次是蓝牙技术,蓝牙技术尤其是在手机领域已经得到成熟的应用,蓝牙的不足之处在于连接设备数只有7到8个,这在多节点的家居环境中的应用是不足的;wifi提供的服务则是互联网接入,明显不符合智能家居的无线组网;最后是Zigbee技术,其具有低成本、低复杂度、低功耗、自动组网、高安全等特点,可以无限制地链接端口,满足系统不断升级的消费需要。Zigbee节点缩小了传输速率和覆盖范围,但在家庭环境中没有电源的制约,在智能家居环境中实现无线传感器网络,其传输速率足以满足需要。

综上所述,构建一个低成本、高效、安全可靠的智能家居无线网络,Zigbee将是不二选择。

2 系统设计概述

2.1 系统构成

本控制系统基于ZigBee无线通信技术,充分利用系统中资源实现对家居环境监测以及设备的控 制,为用户提供智能、便捷、舒适的家居生活。用户可以通过终端设备查看信息(温度、湿度等),根据传感器采集的相应的数据和用户设定的参数,实现对家电器、窗帘等处的电机等家具设备进行控制。

系统由一个终端、一台上位机、一个多节点构成。节点由传感器、电器、电机以及ZigBee模块接入系统终端构成。其中位于星型网络中心的ZigBee收发模块终端与作为终端控制器的imx253开发板相连接。控制器通过上位机软件连接电脑;与GSM模块相连接,实现发送短信的功能;通过usb接口与摄像头相连,实现录像监视的功能;控制器还连有触摸屏实现人机交互。

2.2 系统功能的实现

本系统的设计,可以实现便捷有效地控制家居设备,给用户提供舒适、安全、便捷的生活的功能,其部分功能如下所示。

(1)检测室温,并将温度在显示屏显示,根据事先设置的参数对空调实现自动调节,或者通过触摸屏输入相关参数进行控制空调的温度。

(2)检测非法进入、火灾、漏水、漏气等情况,同时可以通过扬声器进行报警,或者通过短信进行报警,也可以进行视频监控。

(3)门锁为磁力锁,当有用户进出入时,通过人像可以自动完成消磁作用,将门打开。

(4)在设定的时间或者通过短信,热水器、微波炉等自动打开。

(5)用户可以通过上位机设置参数。

(6)在晚上关闭窗帘,在白天打开窗帘。

2.3 控制方式

系统可以通过上位机向控制器设置空调开关温度、开关时间等参数,对空调进行自动控制,其他电器类似。另外用户可以通过触摸屏输入控制令,随时控制打开或者关闭家电器。

上位机LINUX操作系统下进行开发通过RS232串口器连接,主要作用在于湿温度等参数。ZigBee收发模块终端通过SPI接口与控制器连接进行数据传输。

3 系统硬件开发

系统需要的硬件有ZigBee收发模块、Imx283开发板、传感器模块、电机、与家电器相连接的继电器等。以下主要介绍系统硬件结构以及ZigBee模块。

3.1 ZigBee原理

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议架构是建立在IEEE 802.15.4标准基础之上的。IEEE 802.15.4标准定义了物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)。ZigBee联盟定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。ZigBee协议以OSI七层参考模型为基础,只定义了其中与LR-WPAN应用相关的协议层。ZigBee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能:数据实体提供数据传输服务,管理实体提供其他的服务。每个服务实体和上层之间的接口称作”服务访问点(SAP)”,通过SAP交换一组服务原语为上层提供相关的服务功能。服务原语是一个抽象的概念,它仅仅指定了实现特定的服务需要传递的信息,而与实现服务的具体方式无关。一种服务包括一种或多种服务原语,原语中的参数用来传递提供服务所需要的信息。OSI/RM规定了四种类型的服务原语:请求、指示、响应、证实。

IEEE 802.15.4的物理层提供两类服务:物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、信道评估(CCA)和物理媒体收发数据包。MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管路服务,其主要功能包括采用CSMA/CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。

3.2 以CC2530为核心的ZigBee模块硬件设计

如图1所示,ZigBee模块核心部分为cc2530+cc2591, CC2591 是TI公司生产的高性价比和高性能的2.4GHz RF前端,适合低功耗低电2.4GHz无线应用,CC2591的输出功率高达22dBm,集成了开关,匹配网络和平衡/不平衡电路, 电感 ,功率 放大器 (PA)以及低噪音放大器(LNA),可以用在所有的2.4GHz ISM系统,无线 传感器 网络,无线工业系统, IEEE 802.15.4 和ZigBee系统,无线消费类电子系统和无线音频系统.本文中主要利用其强大的功率放大功能。CC2530 是用于2.4-GHz 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。

4 软件设计

4.1 节点软件设计

系统各节点的运行原理相似,以下在红外线传感器节点的基础上说明系统软件设计原理。此节点在初始化后开始采集红外传感器和状态选择开关的信息,状态选择开关电平为高电平说明用户在家,无需进入警戒状态,反之说明用户不在家或者处于休息状态,系统进入警戒状态。进入警戒状态则读取红外线的高低电平,若为低电平则有人进入室内节点向控制器发送警告数据。

4.2 控制其软件设计

该部分在IMX283开发平台完成,其工作流程如图2所示。

5 结论

本系统利用ZigBee技术对家居环境完成检测,实时掌握家居信息,完成对设备的自动控制,以及报警功能。物联网技术是信息化时代发展的必然结果,在我国网联网正被人们认识和接受,智能化家居正逐步推广和应用。智能化家居给人们提供高质量、高安全、高快捷的生活。智能家居具有广阔的市场,随着科技的发展智能家居必定还会有质的飞跃。

参考文献

[1]金纯,罗祖秋,罗凤等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008.

[2]白瑜.基于嵌入式的智能家居系统的设计[D].中国地质大学,2009.

作者单位

聊城大学 物理科学与信息工程学院学院 山东省聊城市 252000

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