摘要：為了能夠實現(xiàn)對家庭環(huán)境數(shù)據的采集處理以及對家用電器的自動控制，對家庭智能網絡系統(tǒng)整體設計進行了研究。整個網絡以ZigBee技術為基礎，應用JN5121模塊，對網絡中的各種節(jié)點進行設計，實現(xiàn)整個系統(tǒng)中各個節(jié)點之間無線通信的功能。該系統(tǒng)可以將家庭環(huán)境的數(shù)據通過短信發(fā)送到指定的用戶手機中，用戶還可以通過互聯(lián)網對其進行訪問，通過互聯(lián)網終端對系統(tǒng)下達指令。本系統(tǒng)功耗超低，網絡組織靈活，成本較低，安全可靠，性能穩(wěn)定。
關鍵詞：室內智能網絡系統(tǒng)；自動控制；ZigBee；網絡節(jié)點

    隨著經濟不斷發(fā)展和電子信息產業(yè)的不斷進步，智能居家系統(tǒng)早已引起了人們的注意。國外智能家居產品主要注重于家庭內部的功能實現(xiàn)，主要是兩種產品：以安全報警為主的系統(tǒng)和同時具有安防報警與家庭自動化功能的產品，但它的價格比較高，在中國市場推廣時遇到了阻力。在國內，智能家居起步相對較晚發(fā)展都相對減慢，廠家的構成較為復雜，技術實力也相差懸殊，無法準確地評價其技術水平。雖然市場還沒有較好的展開，但是我國的一些實力較強的公司已開始技術儲備，越來越多的機構和個人開始了對智能家居的研究，因此我國智能家居的蓬勃發(fā)展指日可待。本文所提出的家庭室內智能網絡系統(tǒng)整體以ZigBee無線通信技術為基礎，以實現(xiàn)安防報警和家用電器遠程控制的功能。

1 關鍵技術
1．1 ZigBee
    ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75米到幾百米、幾千米，并且支持無線擴展。它的基礎是IEEE 802．15．4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(PAN)工作組的一項標準，被稱作IEEE 802．15．4技術標準。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡層、數(shù)據鏈路層和物理層組成。其技術的主要特點是：數(shù)據傳輸速率低，功耗低，成本低，網絡容量大，時延短，安全，有效范圍小，工作頻段靈活，數(shù)據傳輸可靠性高，以及很好的兼容性。因此，ZigBee的主要應用領域集中在了消費家用電子產品和傳感器網絡領域。
1．2 JN5121模塊介紹
    本文中選擇的核心模塊是JN5121-Z01-M01，它是JENNIC公司推出的一款應用兼容IEEE 802．15．4標準和ZigBee技術的收發(fā)芯片。JN512 1是一款兼容于IEEE802．15．4的低功耗，低成本無線微型控制器。該模塊內置一款32位的RISC處理器，配置有2．4 GHz頻段的IEEE 802．1 5．4標準的無線收發(fā)器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，為無線傳感器網絡應用提供了多種解決方案，同時高度集成化的設計簡化了總的系統(tǒng)成本。
    JN5121內置的ROM存儲器集成了點對點通訊與網狀網通訊的完整協(xié)議棧；JN5121內置的RAM存儲可以支持網絡路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間；JN5121內置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負載；JN5121支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能，同時提供了對于大量的模擬和數(shù)字外設的互操作支持，讓用戶可以方便的連接到自己的外部應用系統(tǒng)。圖1為JN5121 內部結構示意圖。



2 系統(tǒng)整體設計
    家庭室內智能網絡系統(tǒng)主要包括家庭安全防范報警系統(tǒng)和家用電器自動控制系統(tǒng)兩大部分。整體的設計框圖如圖2所示。


    本系統(tǒng)采用多傳感器復合數(shù)據融合策略實現(xiàn)危險信號報警。傳感器節(jié)點會采集家庭環(huán)境的數(shù)據并進行數(shù)據處理融合，并上報給中心節(jié)點。中心節(jié)點對傳感器節(jié)點上報的數(shù)據進行判斷，如果發(fā)現(xiàn)家庭環(huán)境數(shù)據出現(xiàn)異常，中心節(jié)點將會對相應的控制節(jié)點發(fā)送控制指令。而控制節(jié)點根據這些指令啟動或者關閉家用電器，使家庭環(huán)境恢復到用戶滿意的程度。路由節(jié)點使數(shù)據和指令在傳送過程中找到最佳的路徑，準確快捷地達到目標。由于采用無線通信技術，路由節(jié)點在網絡中的位置不會受到角度、障礙物等因素的影響，非常靈活。
    在中心節(jié)點發(fā)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據異常的同時，它命令短信節(jié)點將數(shù)據通過GSM網絡將環(huán)境數(shù)據以短信的形式報告給用戶，使用戶掌握家中的環(huán)境情況。用戶還可以通過互聯(lián)網來對家中的智能網絡進行訪問，并通過網絡來控制家中的電器。系統(tǒng)所有節(jié)點的電源均使用微型電池。
2．1 傳感器節(jié)點
    本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點采集光、溫度、濕度、光電、液位、電磁感應、壓力等信號。這些傳感器節(jié)點被設置在用戶家中的窗、門、廚房等位置。傳感器節(jié)點的原理框圖如圖3所示。


    傳感器采集到家庭環(huán)境的信號后，通過A／D轉換器轉換，經過微處理器的數(shù)據融合處理，再利用通信模塊對數(shù)據發(fā)進行發(fā)送。微處理器還負責對A／D轉換器和通信模塊工作的控制。
2．2 路由節(jié)點
    由于家用電機眾多，中心節(jié)點與傳感器節(jié)點和電器控制節(jié)點距離較遠。因此在它們之間加入了路由節(jié)點，以保證信息能夠通過最佳的路徑，準確快捷達到目的地。在本系統(tǒng)中，路由器節(jié)點可以設置在用戶家中各個房間的鏈接處。路由節(jié)點的作用是對接收到的數(shù)據或命令進行信號加強后找到最佳路徑之后再轉發(fā)。
2．3 中心節(jié)點
    系統(tǒng)初始化之后，中心節(jié)點向各個子節(jié)點發(fā)送指令，規(guī)定各類傳感器節(jié)點30 min發(fā)送一次采集的數(shù)據。在接收到由傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據后，中心節(jié)點先對數(shù)據進行分析，判斷是否出現(xiàn)數(shù)據異常，當數(shù)據出現(xiàn)異常時，立即向該異常節(jié)點附近節(jié)點發(fā)送要求數(shù)據的指令，如
果該節(jié)點周圍節(jié)點數(shù)據也出現(xiàn)高于平均值的情況，則判斷為出現(xiàn)異常情況。并根據具體的數(shù)據，例如溫度、光強、濕度等，來對相應的控制節(jié)點發(fā)送家用電器的操作命名，實現(xiàn)對家用電器的自動控制功能。中心節(jié)點的位置一般設置在用戶家中的主室之中，和PC主機應用RS 232
串口相連。中心節(jié)點的原理框圖如圖4所示。

2．4 控制節(jié)點
    控制節(jié)點的功能是接受并執(zhí)行中心節(jié)點傳來的指令?？刂乒?jié)點執(zhí)行的目標是用戶家中的家用電器。為了能夠很好地實現(xiàn)這個目標，控制節(jié)點在安裝時盡量靠近家用電器。控制節(jié)點的原理框圖如圖5所示。

    通信模塊負責指令的接收與家用電器狀態(tài)數(shù)據的發(fā)送；控制模塊負責根據命令開啟或關閉家用電器。

3 網關的設計
3．1 GSM短信
    系統(tǒng)的中心節(jié)點確定有家庭環(huán)境數(shù)據異常的同時，中心節(jié)點會將異常的數(shù)據發(fā)送給短信節(jié)點，短信節(jié)點通過GSM網絡以短信的方式將數(shù)據發(fā)送到指定的用戶手機中，使異地手機用戶隨時監(jiān)測本地網絡動態(tài)。此時，短信模塊將接收到的ZigBee協(xié)議的數(shù)據解析，然后封裝成符合GSM網絡協(xié)議的幀格式，接入到移動通信網絡，實現(xiàn)私有網絡與G網的協(xié)議轉換，即完成GSM網關功能。
3．2 互聯(lián)網
    本系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網進行訪問。這就需要將ZigBee無線通信協(xié)議和常用的互聯(lián)網的TCP／IP協(xié)議互相轉換。
    中心節(jié)點通過RS 232串口與用的PC主機相連，PC主機通過網卡與互聯(lián)網相連。智能網絡通過串口將數(shù)據發(fā)送給主機，主機應用軟件將符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據解析，再封裝成符合TCP／IP協(xié)議的數(shù)據包，發(fā)送至互聯(lián)網中，這樣用戶就可以在遠程互聯(lián)網終端對智能網絡的情況進行查看。同樣，當用戶在遠程互聯(lián)網終端向家中的智能網絡下達命令時，主機應用軟件將符合TCP／IP協(xié)議的數(shù)據包解析，在封裝成符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據包，通過串口發(fā)送給家中的智能網絡。這樣就完成了用戶通過互聯(lián)網與家中智能網絡交互的目的。
    軟件實現(xiàn)互聯(lián)網通信的方法是應用C++語言采用Socket編程實現(xiàn)C／S模式。

4 結語
    本系統(tǒng)采用無線、短距離、自組織路由功能的AdHoc通信技術，結合了各種傳感器采集技術，通信網絡技術、定位技術、硬件技術、軟件設計等。形成具有定位、溫度、濕度、壓力、紅外、入侵監(jiān)測等的復合感知，然后控制各種電器設備工作，滿足室內安全環(huán)境要求。智能網與Internet、移動通信網可連接，方便異地遙控。遠程監(jiān)控軟件運行在PC上，顯示當前室內的環(huán)境參數(shù)和設備運行狀態(tài)，與Internet連接，遠程用戶可以通過Internet在遠程終端上監(jiān)控。該系統(tǒng)兩節(jié)點之間直接通信距離不小于60 m；連接Internet速度不低于100 Mb／s；本地到遠程視頻放映時間小于3 s。