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基于Zigbee的智能家居实时监控系统的设计
摘 要：本文提出一套智能家居系统的解决方案;本智能家居系统以一种基于Zigbee技术的实时监控系统为核心，从而实现家居系统的智能化;文章简要分析和介绍了实时监控系统的体系结构、拓扑结构、软、硬件设计等多个方面;实验表明，本系统具有集成度高、功耗低、易于布署、成本低廉、实时性好等特点，具备广阔的应用前景。
【关键词】Zigbee 智能家居 实时监控系统
1 引言
随着生活水平的提高，以及电子和网络通信技术的飞速发展，使得人们对居住环境的追求从居室的空间和豪华转向安全、舒适、便捷和智能化。
现在，实现智能家居系统的技术包括：总线技术、电力载波技术和无线技术;总线技术和电力载波技术分别因为施工麻烦、传输信号不稳定等因素，不利于市场推广;而无线技术，特别是本系统所采用的Zigbee技术，是一种低速率、短距离的无线网络技术，具有灵活的工作频段和网络拓扑结构、安全可靠的数据传输、低功耗等特点，通信效率高;因此适合用于组建智能家居系统的家庭局域网。
2 系统功能和设计
2.1 主要功能
(1)家电控制。
(2) 环境控制(室温、照明、窗帘等)。
(3)安防报警。
(4)三表抄送;
(5)远程监控。
2.2 系统结构设计
系统主要由三大部分组成：智能家居管理中心、家庭局域网(Zigbee网络)、远程智能终端，其系统总体结构如图1所示。智能家居管理中心是整个系统的核心，负责系统的监控和管理以及与远程智能终端的联系;家庭局域网以Zigbee网络为基础连接家庭的各种家用设备、智能开关和传感器等，为管理中心提供监控信息，并传递管理中心的控制信号。远程智能终端可以实时登录家居管理中心，查询家庭环境信息或控制各种家用设备和智能开关;当家庭环境或设备发生问题时，管理中心可以第一时间将安防报警信息向远程智能终端发送，以便通知家庭成员。
2.3 系统网络体系结构设计
智能家居实时监控系统主要由两部分构成：管理中心和ZigBee监控网络，其体系结构如图2所示;由图可以看出，Zigbee网络是实现家居系统智能化的基础和关键。
管理中心由监控管理软件和协调器节点构成，监控管理软件主要完成网络的管理、配置、监控及相关操作日志等功能;协调器节点主要用作监控管理软件同其它监控节点的通信网关，完成数据的收发和格式转换等功能。在管理中心失效或暂停工作条件下，协调器节点可以直接作为网络的管理中心，完成网络日常管理、维护、数据采集以及异常情况下的报警提示等工作。通常情况下协调器节点配有GSM/GPRS模块，以便远程数据传输。
ZigBee监控网络主要包括：协调器节点、路由节点、监控节点和信标节点。协调器节点是其中心，用来完成网络的管理。路由节点主要实现数据的路由转发功能，当网络采用树簇型结构时，路由节点作为簇首完成簇内的管理;通常路由节点采用大功率模式，以达到延长通信距离、扩展网络监控范围的需求。监控节点遍布网络，实现网络数据的采集和设备的监控功能，一般体积较小，工作时间很长，易于嵌入到被监控设备当中，实时采集相关数据。网络通常需要部署信标节点来完成定位功能;信标节点给其它节点提供具体的位置信息，以便其它节点根据此信息计算自身的位置，从而完成局部定位功能。
根据Zigbee监控网络使用的三种节点类型和作用，设计其拓扑结构(图3)。图中，监控节点彼此不通信，也不具备报文转发能力;每个路由节点管理若干监控节点，主要完成报文在监控节点和协调器节点间的转发功能;如果同时具备相关传感器，路由节点也可以进行环境信息监测;协调器节点在管理中心控制下负责网络的维护及管理。从图可以看出，整个安全监控系统采用树簇型拓扑结构;协调器节点为其根节点，路由节点为枝节点，监控节点相当于叶节点，设计协议过程中可采用分层的方法。
3 实验结果
实验环境：选取一栋建筑，东西长约70m，共8层，每层3m高，每层房间按20个计;每个办公室安排一个RFD(监控节点)，每层楼安排2个FFD(路由节点)，楼层之间安排1个FFD(路由节点)，整个监控系统设置2个FFD(协调器节点)，其中1个作为备用;实验成本：20*8*70(监控节点)+(2*8+7)*150(路由节点)+2*150(协调器节点)=14950元<1.5万元;
相关测试结果如表1所示。
表1：实验数据
实验内容 实验数据
监控区域 东西60-70m，南北20-30m，高度24m的建筑物;
监控节点距离 ≤ 70m
大功率节点距离 ≥400m
组网时间 3s
ZigBee网络网内通信速率 200-250kbps
短信报警时间 ≤20s
短信报警长度(字符数) 70/条
连续工作时间 6个月
多次实验证明，最终产品可以在安全监控系统硬件平台上独立工作，管理中心软件可以运行于Windows XP、Windows2003等各个发行版上，具有良好的稳定性、可靠性和开放性;可以达到的主要技术性能指标如表2所示。
表2：主要技术性能指标
技术指标 参数及说明
响应时间 ZigBee网络+GSM网络<20s
通信速率 ZigBee网络：250kbps，GSM网络：9.6kbps
通信距离 监控节点间>70m，大功率节点间>400m
监测范围 本地模式：ZigBee网络覆盖范围，远程模式：GSM 网络覆盖区域
生存时间 监控节点无间断工作>180天
为了进一步说明所设计的监控系统的优势，将其与无线龙传感器的性能指标进行了比较，测试结果如表3所示。从表3的数据可以看出，所设计的监控系统在硬件集成度、监控节点发送功率、灵敏度、所需能源和覆盖范围中均具有优势，并且网络部署成本经济，具有可方便操作的后台管理软件。
表3：与无线龙的指标比较
性能指标 本监控系统 无线龙
集成度/体积 <3公分(一元硬币) 4-5公分
监控节点发送功率(最大) 22dBm 20dBm
监控节点灵敏度(最高) -98dBm -92dBm
能源提供 CR2302纽扣电池 两节8号电池/交流转换
监控覆盖范围 GSM+Zigbee网络覆盖范围 Zigbee网络覆盖范围
实验网络成本(万元) <1.5w >3w
后台中心软件设计 操作简单，使用方便 无
4 结束语
采用基于Zigbee技术的无线传感器网络实时监控家居系统，为家居系统智能化提供了一个良好的思路;本系统设计了具有更大通信距离、灵敏度更高和连续工作时间更长的传感器监控节点，并将ZigBee技术与GMS移动通信技术较好地结合，采用方便简洁的监控软件轻松实现家居系统的实时监控，对家居系统智能化具有一定的意义。该系统设计成熟完善后可移植到其它监控领域。
参考文献
[1]花铁森.智能家居系统核心技术探讨[J]. 智能建筑电气技术，2009，3(1)：92-98.
[2]潘伟，黄东.基于Zigbee技术的无线传感网络研究[J].计算机技术与发展，2008，18(9)：244-247
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