嵌入式智能家居监控系统详解

　0.设计摘要
　　与普通的家居相比，智能家居（Smart Home）不仅具有传统的居住功能，能够提供舒适安全、高品位且宜人的生活空间，还把原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各种能源支出节约资金家居。无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。无线传感网络的出现克服了家庭中布线的烦琐，充分体现了智能家居系统的灵活、方便、高效。本项目研究开发了基于ZigBee技术和Internet技术的智能家居监控系统，将Internet的远程监控与ZigBee短距离控制相结合，实现系统的家居无线控制和数据采集，避免了综合布线，可扩展性好。
　　整个智能家居监控系统能够对家用电器的完成开关量的控制，还能够对三表（水表、电表、燃气表）进行无线抄表，最重要的是可监测来自家庭安防传感器（火警、煤气泄露）的数据，以备物业等部门监控。通过测试后，证实了设计方案的正确性，结果满足系统设计要求，该设计具有一定的新颖性和实用性。本项目针对目前人们对居住环境的要求越来越高，同时家用设施的管理和安全亟待改善的迫切需要，设计了一种基于嵌入式无线通信技术的智能家居监控系统，以便能够对小区中各家各户的各种情况（煤气泄露、火警等）进行监控，而且还可以对家居设施进行控制。此外，物业管理单位也可以通过此系统为小区居民提供更为方便、人性的服务。
　　1.系统原理
　　本课题首先进行系统总体设计，结合底层ZigBee无线传感网络的特点和系统总体网络监控的要求，将该系统设计分为四部分：无线传输模块、数据处理模块、以太网传输模块、上位机显示界面。然后对ZigBee协议标准做了全面地研究分析，同时给出了基于CC2430的无线传输模块的软硬件设计和星型网络搭建，并给出了测试结果。接着设计了基于PIC32的数据处理模块，给出了硬件电路和外围辅助电路设计方案，并为其移植了实时操作系统uC/OS-II。本设计完成了基于DP43848C的以太网传输模块设计和系统的以太网通信程序的设计，实现了从底层ZigBee无线传感网络的数据采集最终到监控机的数据传输并测试成功。最后在VC++6.0环境下，应用Windows Sockets套件接口开发显示界面对底层采集的数据分类显示。
　　
　　图1 系统设计结构图
　　如上图1所示，本设计主要分为以下部分：
　　（1）无线传输模块：基于CC2430芯片（包括无线收发及传感器）设计无线传感网络模块，并完成各节点模块的软件编写和节点间通信调试。
　　（2）数据处理模块：基于PIC32芯片设计数据处理模块，并完成程序编写，同时在该系统上移植嵌入式实时操作系统uC/OSII。
　　（3）以太网传输模块：利用网络接口芯片DP43848C设计以太网通信模块，并完成通信测试程序编写。
　　（4）上位机显示界面设计：利用VC++6.0基于WindowsSockcts编写上位机界面程序，使经过数据处理模块处理后的数据通过以太网上传到上位机（PC机）界面上，实现统一管理。
　　1.1.智能家居监控系统中的ZigBee无线传感网络方案
　　ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE无线个人区域网工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。它采用跳频技术，。使用的频段分别为2.4GHz（ ISM ）， 868 MHz（欧洲）及915 MHz（美国），而且均为免执照频段，有效覆盖范围为1075 m。所支持的数据传输速率为10Kb/s--250Kb/s。功耗低，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可以6个月到2年。网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备。成本低。由于ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
　　要从以上这些无线射频技术中选择一种作为本设计的无线通信方案，需要考虑的是：该方案是否能够满足家庭网络的成本要求，还有就是功耗和网络容量能否满足家庭要求。而这些问题在ZigBee技术面前都将不复存在。在智能家居系统中，将ZigBee无线传感网络技术应用于家庭网络己成为趋势。这不仅仅是因为ZigBee无线传感网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。所以本智能家居监控系统采用ZigBee技术作为智能家居中无线传感网络的设计方案。
　　本智能家居监控系统中的无线传感网络采用星型连接，主要包括了一个家庭网关以及若干个无线通信子节点。家庭网关上有一个无线收发模块（主节点FFD ），而其他的无线通信子节点则作为End Device安放在家用电器、三表和安防传感器上，通过这些无线收发模块，数据就在主节点和子节点之间进行传输。智能家居中的无线传感网络结构如下图2 所示。
　　
　　图2 智能家居中的无线传感网络结构
　　1.2.智能家居监控系统中的有线网络方案
　　在单个家庭中的网络连接可以选用无线传感网络，而如果要对整个一栋大楼、一个小区进行统一化的管理，无线传感网络的优势就不那么明显了，而且对于整个小区的网络来说，它所承载的数据流量就很大了，对于无线传感网络这种低通信速率网络来说是不合适的。
　　以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。它连接方便，可屏蔽干扰，通信速率可达10/100/1000Mbps以上，而且成本低廉。目前大部分的小区都要宽带网，因此集中网络管理采用比较流行的而且易于实现的以太网连接具有良好的性价比。
　　在本课题中，家庭网络部分采用无线传感网络来监控，无线采集协调器再将采集的数据发送到数据处理模块，最后经过处理后的数据将通过以太网传输到上位机上。