一種基於ZigBee技術的數位化社區家居智能控制系統的製作方法
2023-10-08 03:40:19 1
專利名稱：一種基於ZigBee技術的數位化社區家居智能控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能控制系統，具體是一種基於ZigBee技術的數位化 社區家居智能控制系統。
背景技術：
計算機技術，信息技術，控制技術的發展，人們物質生活水平的提高，社 會信息化的加快促使人們的工作、生活和通訊、信息的關係日益緊密，信息化 社會在改變人們生活方式與工作習慣的同時，也對傳統的住宅提出了挑戰，社 會、技術以及經濟的進步更使人們的觀念隨之巨變。人們對家居的要求早已不 只是物理空間，更為關注的是一個高度安全性、方便、舒適的居家環境，先進 的通訊設施，完備的信息終端設備，家用設備的自動化和智能化，資源使用及 支付方式的網絡化，家庭工作模式(SOHO)的需求等等，導致家庭智能化勢在 必然。所謂的家居智能化就是通過家居智能管理系統的設施來實現家庭安全、 舒適、信息交互與通信的能力。家居智能，在英文中常用Smart Home。與智能 家居相對應的還有家庭自動化(Home Automation)、電子家庭(Electronic Home、 E-home)、網絡家居(NetworkHome)智能家庭/建築(Intelligent home/building)。 家居智能化系統由如下三個方面組成家庭安全防範(HS);家庭設備自動化 (HA);家庭通訊(HC)。
傳統的家居智能控制系統一般以有線方式來組建，如LonWorks、 CEBus、 X-IO、 CANBus等。由於有線網絡固有的缺點，布線麻煩，可擴展性差等，將 無線網絡技術應用於家庭網絡己成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅因為無線網絡 可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網絡的通訊特點。隨著無線網絡技術的進一步發展，必將大大 促進家庭網絡智能化的進程。從消費者的角度來看，家居智能的需求就是以實 用為核心，力求實用、易用、人性化。而家居智能的三大技術趨勢正是發展方
向領先的無線移動、不依靠PC的獨立形態、網絡化。
對普通用戶來說，最為使用方便的就是握著一個無線遙控器在手中指揮， 這正是無線移動技術在家居智能領域大受青睞的原因。而正如計算機擺脫大型
機進入PC才開始大發展，脫離了 PC獨立狀態的智能家居才能有更大發展空間 不會由於電腦的突然癱瘓而一籌莫展， 一切都更加靈活，更加隨意。領先的無 線移動和不依靠PC的獨立形態，將使家變成真正的自由數碼空間。
未來的家庭將充滿用各種無線技術連接起來的數字設備，從而使得家庭內、 有必要的每一個家用電器和設備都能上網，使用無線技術以形成自己獨立的網 絡，再通過遠程的已經連接到Internet上的計算機來控制和監測家庭中的各種設 備。真正實現家電信息化、網絡化。
眾所周知，現有的很多無線區域網技術，它們大部分使用免費頻段，但傳 輸速度和發射功率各不相同。因為各種用電器對網絡的要求不同多媒體設備要 求較高的數據傳輸速度和較好的服務質量，而家電設備要求低速但安全可靠的 傳輸控制指令所以各種無線技術的設計訴求不盡相同。本實用新型介紹的家居 智能無線網絡系統採用ZigBee技術，ZigBee是一種新興的短距離、低功率低 速率無線接入技術。工作在2.4GHz ISM頻段，它是一種近距離、低複雜度、 低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，符合IEEE802. 15. 4協 議，是IEEE工作組專門為家庭短距離通訊制定的新標準。速率為10M 250Kb/S，傳輸距離為10~75m，技術和藍牙接近。但大多時候處於睡眠模式， 適合於不需實時傳輸或連續更新的場合。ZigBee是IEEE 802.15.4的擴展集。目前ZigBee聯盟包含有70多成員。物理層標準釆用三個頻段北美2.4G和 915MHz、歐洲868MHz。 ZigBee採用基本的主從結構配合靜態的星型網絡， 因此更適合於使用頻率低、傳輸速率低的設備。激活時延短、僅15ms、低功耗 等特點，將成為未來自動監控、遙控領域的新技術。
鑑於ZigBee的技術特性.它非常適合於家電和小型電子設備的無線控制指 令傳輸。ZigBee聯盟認為，ZigBee可以用於PC外設(滑鼠、鍵盤和遊戲操控 杆)、消費類電子設備、家庭智能控制(照明、煤氣表及報警等)、電子玩具、 醫護(監視器和傳感器)、工控(監視器、傳感器和自動控制設備)等領域。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是，提出一種基於ZigBee技術的數位化社區 家居智能控制系統。利用領先的無線移動技術，而不依靠PC實現網絡化，符 合數位化社區實用、易用、人性化要求，實現家居控制智能化。
本實用新型採取的技術解決方案是，所述基於Zigbee技術的數位化社區包 括小區網絡、採用GPRS無線方式與小區網絡連接的家庭網關、家居智能控制 系統，其中家居智能控制系統包括連接有Zigbee設備的家庭智能終端和室內檢 測模塊，且所述室內檢測模塊中包括檢測傳感器，和通過微控制器MCU (Mim Controller Unit)連接的Zigbee設備；家庭智能終端上安裝有應用傳感器和 Zigbee設備，家庭智能終端上的所述Zigbee設備通過MCU的GIPO 口接入應 用傳感器，其中所有家庭智能終端均接入家庭網關中網絡協調器，併網絡協調 器與WEB伺服器連接。
所述Zigbee設備由模擬接收發射部分、數字調製解調部分、片內頻率合成 器、電源管理部分以及與MCU接口部分組成。
網絡協調器的MCU選擇32位的ColdFire521X系列，網絡終端的MCU選擇為HCS08微處理器。
本實用新型的工作原理詳述如下所述基於Zigbee技術的家居智能控制系 統的數位化社區，包括小區網絡、採用GPRS無線方式與小區網絡連接的家庭 網關、家居智能控制系統，其中家居智能控制系統包括連接有Zigbee設備的家 庭智能終端和室內檢測模塊，且所述室內檢測模塊中包括檢測傳感器，和與之 連接的微控制器MCU，和Zigbee設備；家庭智能終端上安裝有應用傳感器和 Zigbee設備，所述家庭智能終端上的Zigbee設備通過MCU的GIPO 口接入應 用傳感器，其中所有家庭智能終端均接入網絡協調器，並通過網絡協調器與 WEB伺服器連接。家庭網關是連接家庭內部網和外部網的網絡連接設備，將內 部網接入外部網，為外部網絡提供對家庭內部聯網設備的控制功能；同時家庭 網關允許家庭內部可以採用不同的聯網技術，利用網關為不同的通信子網提供 橋接的能力，使各子網內的聯網設備之間可以相互通信。通過系統核心設備一 家庭智能終端來實現家庭智能化的功能，通過家庭智能終端實現系統信息採集、 信息輸入、信息輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能。
家庭智能終端的功能一般包括如下幾個方面 1)家庭安防安全是居民對智能家居的首要要求，家庭安防由此成為智 能家居的首要組成部分。家庭安防報警、門窗磁報警、緊急求助報警、燃氣洩 漏報警、火災報警等。當家庭智能終端處於布防狀態時，紅外探頭探測到家中 有人走動，就會自動報警，通過蜂鳴器和語音實現本地報警；同時，報警信息
報到物業管理中心，還可以自動撥號到主人的手機或電話上。
2) 可視對講通過集成與顯示技術，家庭智能終端上集成了可視對講功能，
無需另外設置室內分機即可實現可視對講的功能。
3) 遠程抄表水、電、氣表的遠程自動抄收計費是物業管理的一個重要分，它的實現解決了入戶抄表的低效率、幹擾性和不安全因素。
4) 家電控制家電控制是智能家居集成系統的重要組成和支持部分，代表 著家庭智能化的發展方向。通過有線或無線的聯網接口，將家電、燈光與家庭 智能終端相連，組成網絡家電系統，實現家用電器的遠程控制。
5) 家庭信息服務物業管理中心與家庭智能終端聯網，對住戶發布信息， 住戶可通過家庭智能終端的交互界面選擇物業管理公司提供的各種服務。
6)增值服務通過家庭智能終端可以實現網上購物，視頻點播等增值服務。
本實用新型網絡結構為一個基於ZigBee技術的星型網絡，由一個網絡協調 器和若干個網絡終端設備構成。網絡協調器負責網絡的管理工作，而終端設備 一方面採集模擬數據，同時把這些模擬數據通過無線網絡發送給協調器。該系 統採用的基於簇(Cluster)的星狀網絡拓撲結構，基於簇的分層結構具有天然 的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心，即本文無線傳感網絡的一個匯 聚點，每個簇成員(傳感器節點)都把數據傳給簇頭，在簇頭粒完成數據融合， 然後直接傳給用戶結點。由於實現的ZigBee技術的網絡是基於需求時喚醒的， 在星型拓撲結構中，由於該網絡結構只允許在匯結點和傳感器結點之間交換數 據，即傳感器向匯聚結點發送數據以及匯聚結點發送數據給傳感器結點。在匯 聚結點和傳感器結點之間沒有數據信息交換時，傳感器結點處於睡眠狀態，匯 聚結點和傳感器結點的ZigBee模塊只進行低功耗的信道掃描。在實際的傳感器 網絡應用中，兩者是進行常時間周期(300s)的結點存在掃描判斷，因而匯聚 結點和傳感結點組成網絡拓撲，每個匯聚結點能夠監控的傳感器結點的數目大 大增加，由於每個傳感器結點與匯聚結點之間傳輸的信息很少，信息碰撞可能 性很小，因此拓撲結構和需求時喚醒模式確保了信息的可靠傳輸。此種網絡結構可實現如下功能
(1) 實時監控被保護對象，若對象超出監控範圍則發出報警(通常可根據
發射功率的設置調整監控範圍，正常情況下為室內10m，室外30 100m，若 需要更大的監控範圍，可根據具體情況增加其發射功率)。發出警報(警鈴)的 同時，可將報警信息通過固定或行動電話通知相關人員。根據具體的用戶需求， 也可將報警信息上報給控制中心，方便上層管理系統隨時掌握下層監控並做出 相應的處理。
(2) 當被保護對象移動、監控結點(家庭智能終端上的傳感器)電池電壓 低等故障時，向匯聚結點(網絡協調器)發送報警信號。監控結點發現同匯聚 結點鏈路斷開時，應儘快同匯聚結點連接，以保證正常的工作。
(3) 當匯聚結點收到上級命令時，根據命令要求對監控結點發出控制命令， 結點字接到命令後，應及時採取相應的動作。
本實用新型所能達到的實現效果為所述基於ZigBee技術的數位化社區家 居智能控制系統，符合數位化社區實用、易用、人性化等要求，實現了家居控 制智能化。
圖1是本實用新型的總體示意圖2是實施例中的家居智能控制系統示意圖3是Zigbee硬體實現示意圖4是MC9S08GT60與MC13192的硬體連接；
圖5是天線邏輯電路圖6是基於Zigbee技術的星狀組網網絡流程圖。 圖7是基於Zigbee技術的硬體電路圖。
具體實施方式
所述基於Zigbee技術的數位化社區家庭智能控制系統，包括小區網絡、採 用GPRS無線方式與小區網絡連接的家庭網關、家居智能控制系統，其中家居 智能控制系統包括連接有Zigbee設備的家庭智能終端和室內檢測模塊，且所述 室內檢測模塊中包括檢測傳感器，和通過微控制器MCU (Miro Controller Unit) 連接的Zigbee設備；家庭智能終端上安裝有應用傳感器和Zigbee設備，所述 Zigbee設備通過MCU的GIPO 口接入應用傳感器，其中所有家庭智能終端均接 入家庭網關中網絡協調器，併網絡協調器與WEB伺服器連接。本實施例以自動 控制室內溫度的應用為例，詳細描述基於Zigbee技術的數位化社區家庭智能控 制系統的結構原理和工作過程。系統首先通過溫度傳感器和溼度傳感器檢測室 內的溫度和溼度，兩路模擬信號經過選擇開關選擇一路傳送到濾波放大電路， 模擬信號經AD轉化後輸送到MCU的10 口 ，單片機對採集到的數據進行處理 後通過SPI發送給Zigbee設備，即無線發送器MC13192， MC13192產生頭幀 和幀校驗序列，然後對發送的數據幀進行擴頻和O- QPSK調製，再經過變壓器 將差分數據合成一路數據，通過單刀雙擲開關和匹配濾波後傳輸到天線，由天 線將數據幀發送。接收模塊接收從天線來的射頻信號首先經過窄帶濾波，然後進 入變壓器，變壓器將一路數據轉換成兩路差分數據輸入到MC13192。 MC13192 對數據進行解調解擴，去除幀頭和校驗序列後得到原始數據，再將原始數據通過 SPI接口發送給網絡協調器的MCU, MCU判斷處理後通過GPIO 口傳送到傳
感器，通過傳感器控制空調自動調節室內的溫溼度。
本系統採用ZigBee技術標準實現家庭內部組網。網關採用GPRS無線方式 連接外部網絡。網關全部採用無線通信方式，可以避免家庭布線的繁瑣，方便 了網關在家庭中的布置。ZigBee收發器通過SPI接口和MCU連接。可以將收發器連接到鎖、燈或您想監視或控制的任何設備的傳感器上。這些貼有標籤的 設備作為無線網絡中的節點，和連接在網路協調器上的的中心節點進行通信。
網絡協調器通過乙太網能夠連接到WEB上，Zigbee設備包括一個射頻集成電 路模塊(RFIC)，以及固化了全部物理(PHY)層和媒體接入控制子層(MAC SuHayer)的功能，被連接到一臺低電壓，低功耗8位微控制器和其作用的應 用傳感器。
Zigbee設備中MCU晶片MC13192內部結構如圖4所示。晶片主要由模擬 接收發射部分、數字調製解調部分、片內頻率合成器、電源管理部分以及與 MCU接口部分組成。從天線接收進來的射頻信號經過兩次下變頻之後變成兩 路正交信號(I和Q)，片內集成的CCA(空閒信道評估)模塊根據接收到的基帶信 號的能量進行空閒信道評估檢測。CCA和前端的LNA(低噪聲放大器)都要受到 AGC(自動增益控制)的控制。數字接收端通過差分碼片檢測(DCD)後經過相關 器對直接序列擴頻(DSSS)進行解擴，經過符號同步檢測和包處理以後最終得 到接收到的數據。通過SPI接口傳送到MCU。要發送的128位元組信號由MCU 通過SPI接口傳送到MC13192的發送緩衝器中，頭幀和幀檢測序列由MC13192 產生，根據正EE802.15.4標準，所要發送的數據流的每4個比特被32碼片的 擴頻序列擴頻，擴頻以後的信號送到相位開關調製器上O-QPSK的方式通過直 接上變頻調製到載波後通過天線發射出去。晶片還集成頻率合成器、電源管理 模塊、定時器、中斷判決器以及用於接收、發射的存儲器電路。
本系統採用具有體積優勢的PCB天線。具體電路圖見附圖5。 RFIN-和 RFIN+為接收通道，2個18pF的電容過濾掉高頻幹擾信號，而0.5pF的電容能 防止共扼幹擾。PAO-和PAO+為發送通道，這兩個管腳和VDDA連在一起，給 發送通道提供必要的能量。系統微處理器MC9S08GT60和Zigbee設備中的發送模塊MC13192的接 口電路有8根線4線的SPI接口用於相互通信， 一根中斷線和3根控制線。 SPI通信時，MC13192隻能作為從機，因此對於MCU而言，MOSI線是發送 數據線而MISO線是接收數據線，SPI的同步時鐘由MC9S08GT60在SPSCK 管腳上給出，連接到MC13192的SPICLK上。MC13192上產生的所有中斷事 件，通過晶片上的IRQ管腳連接到MC9S08GT60的IRQ管腳上，當 MC9S08GT60接收到來自MCB192的外部中斷時，還要查詢其中斷標誌寄存 器，來判斷產生中斷事件，並作出相應的處理。ATIN管腳用於MCU將MC13192 從低功耗模式下喚醒，而RXTXEN管腳則用來使能MC13192的收發器。在通 常情況，為了降低功耗，射頻晶片的收發器都是關閉的，只有在發送和接收數 據的時候才使能，這樣能大大降低射頻晶片的功耗。當射頻晶片工作異常的時 候，MCU也可以通過RSTB管腳來硬體復位射頻晶片。這3根控制線都由 MC9S08GT60的GPIO 口來進行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必須用10KQ 的電阻上拉，防止毛剌來幹擾MC13192的正常工作。
其中網絡協調器的MCU選擇32位的ColdFire521X系列，其主要特性有: 帶有MAC單元的V2核；CPU在80MHz的工作頻率下達到66MIPS; 32K字 節的片上SRAM;大容量的片上FLASH,其中CF5211有128K字節，CF5212/3 有256K字節；12位精度的ADC模塊；帶有緩衝隊列的SPI模塊；4通道，32 位的DMA控制器；4通道，32位的定時器模塊(可選DMA); 2個16位的PIT; 支持最多達63個中斷源的中斷控制器；方便的BDM調試接口； C語言支持: 商業軟體CodeWarrior和開源的GNU工具鏈；豐富的第三方RTOS支持。
權利要求1. 一種基於Zigbee技術的數位化社區家居智能控制系統，包括小區網絡、採用GPRS無線方式與小區網絡連接的家庭網關、家居智能控制系統，其特徵在於，家居智能控制系統包括連接有Zigbee設備的家庭智能終端和室內檢測模塊，且所述室內檢測模塊中包括檢測傳感器，和與之連接的系統微控制器MCU，和Zigbee設備；家庭智能終端上安裝有應用傳感器和Zigbee設備，所述家庭智能終端上的Zigbee設備通過MCU的GIPO口接入應用傳感器，其中所有家庭智能終端均接入網絡協調器，並通過網絡協調器與WEB伺服器連接。
2、 根據權利要求1所述基於Zigbee技術的數位化社區家居智能控制系統， 其特徵在於，所述Zigbee設備由模擬接收發射部分、數字調製解調部分、片內 頻率合成器、電源管理部分以及與MCU接口部分組成。
3、 根據權利要求1所述基於Zigbee技術的數位化社區家居智能控制系統， 其特徵在於，所述網絡協調器的MCU選擇32位的ColdFire521X系列。
專利摘要本實用新型提供一種基於Zigbee技術的數位化社區包括小區網絡、採用GPRS無線方式與小區網絡連接的家庭網關、家居智能控制系統，其中家居智能控制系統包括連接有Zigbee設備的家庭智能終端和室內檢測模塊，且所述室內檢測模塊中包括檢測傳感器，和與之連接的系統微控制器MCU，和Zigbee設備；家庭智能終端上安裝有應用傳感器和Zigbee設備，所述家庭智能終端上的Zigbee設備通過MCU的GIPO口接入應用傳感器，其中所有家庭智能終端均接入網絡協調器，並通過網絡協調器與WEB伺服器連接。本實用新型實現了家居控制的自動化、網絡化與智能化，進一步完善了數位化社區。
文檔編號H04L12/28GK201130952SQ20072006385
公開日2008年10月8日 申請日期2007年7月18日 優先權日2007年7月18日
發明者全惠敏, 周海兵, 戴瑜興, 李志娟, 楊金輝, 熊君放, 陳火炎, 黃文清 申請人:湖南省建築工程集團總公司