基于FPGA和ZIHBEE技術的智能家居系統

王曉雪

【摘 要】本文主要從智能家居的概述、ZIHBEE技術介紹、系統設計以及硬件設計等方面進行了全面的闡述。

【關鍵詞】智能家居；ZIHBEE技術；FPGA技術

一、前言

隨著我國科技的不斷進步與發展，FPGA和ZIHBEE技術在智能家居系統中應用越來越廣泛，也逐漸受到了企業及技術人員的重視。

二、智能家居的概述

智能家居通常指的是利用陷阱的網絡通訊技術、計算機技術以及綜合的布線技術把家居生活相關的各個子系統來進行有機的結合，再經過統籌的科學管理，讓家居生活更加安全、舒適以及有效等。對于普通的家居來說，智能家居也可以滿足人們最起碼的居住功能，也可以提供高品位、舒適以及安全的家庭生活空間。與普通家居相比，智能家居還將傳統普通家居的被動的靜止結構轉變成為能動的智慧工具，為人們提供全方面的信息功能，給予實時的信息交換，進一步使家庭和外部保持更流暢的信息交通，使人們的生活方式得到進一步優化，科學合理的幫助人們進行有效的實踐安排，強化家居生活的安全，為各種能源費用進行節約。

當前的智能家居系統通?？梢詣澐址Q為網關、內部網以及內部網等三個組成部分。對于內部網來說，是通過家庭內部互聯的設備局域網以及各種家電形成的局域網，家居所連接的各種設備差別很大，其組網的形式往往表現出很不同的多樣性。外部網則是以有線電視網、小區局域網、Internet以及電話網等組成，大部分的網絡技術非常成熟。

家庭內部網絡根據其內部工程大致可以分為以下三種類型：用于進行數據交換信息的數據網絡、用于來實現其控制相關功能的控制網絡以及用于傳輸視頻和音頻等多媒體網絡。

對于家庭網關來說，其是連接家庭外部網絡和內部網絡的連接設備，將外部網與內部網相連，對家庭的內部網絡設備以及網布網絡的控制功能都提供了途徑；對于家庭的網關來說，其允許家庭的內部采用不一樣的聯網技術，利用家庭網關為各種信息網絡的子網來提供橋接功能，這樣就使每一個子網內的聯網設備之間實現相互通信。

對于當前的智能家居系統來說，其重點的考慮問題是家庭內部的互相通信網絡，主要包括家庭智能傳感器的節點以及智能家居的網關兩個組成部分。對于智能家居網關來說，其是家庭整體資源配置和管理的中心，智能家居網關完成了將的節點控制和組網等功能。智能家居的網關是通過組網的技術來對家庭網絡當中每一個傳感器的開關節點來進行連接，按照標準的通信協議，對智能家居的內部網絡控制和內部管理管理進行完善，同時也對外部網絡和家庭網絡之間的信息提供交互平臺。

三、ZIHBEE技術介紹

隨著傳感器技術、嵌入式微處理技術等的快速發展，尤其是無線傳感器網絡ZIHBEE技術的興起與成熟，極大的推動了智能家居系統的發展，預計在不久的將來智能家居將真正地進入人們生活的各個方面，極大的改變人們的生活方式。ZIHBEE是由ZIHBEE聯盟制定的面向低速無線個人區域網絡（LR-WAPN）的雙向無線通信技術標準，其物理層和數據鏈路層使用工EEE802-5.4標準，網絡層和應用層由ZIHBEE聯盟定義。與Wi-Fi，IrDA，UWB，Bluetooth等其他無線接入技術相比，ZIHBEE具有如下優勢：（1）成本低：每塊ZIHBEE芯片的價格大約為2美元，且ZIHBEE協議免專利費；（2）功耗低：在待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月；（3）可靠性高：采取碰撞避免機制，避免發送數據時的競爭和沖突；（4）網絡容量大，組網靈活：支持多種組網方式和大量的網絡節點，每個ZIHBEE網絡理論上可容納大約65000個設備。智能家居網絡中的各類安防報警、傳感、抄表數據、燈光、門禁及家電開關控制信號傳輸的數據量小，無需太大的傳輸速率，但要求容量大、實時性好、可靠性高、功耗低。智能家居系統若要在未來普及，發展趨勢是低成本、安裝簡便、使用方便、可擴展性好、自組織能力強。綜合這些特點，ZIHBEE技術是實現智能家居比較合適的選擇。

ZIHBEE網絡中的三種拓撲結構：星型拓撲、樹型拓撲和網狀拓撲。（1）星型拓撲：節點之間的數據路由只有惟一的一條路徑。（2）樹型拓撲：當從一個節點向另一個節點發送數據時，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協調器節點，然后再向下遞到目標節點。也可以組成極為復雜的網絡，具有很大的路由深度和網絡節點規模。由于需要滴家庭網絡的情況進行實際的考慮。設備會分布在不同的房間，這樣家具、墻壁等都成為信號傳播的障礙，這些障礙因素都會使各個設備的通信范圍相應的縮??；網絡就需要具有很強的擴展性，這就要求增加路由節點，進而使信號的覆蓋范圍更廣；網絡應該具有一定的可靠性和健壯性，不能由于少數設備的崩潰導致系統失效，盡量保證每次通信的成功。

四、系統設計

ZIHBEE家庭無線網絡是本智能家居系統中最重要部分，主要負責監控家庭中各種信息，采集相關數據，并將處理過的數據存儲到主控系統中，一個ZIHBEE模塊作為網絡協調器，是組建整個星形網絡核心，負責節點管理，動態組網與數據傳輸，終端節點有傳感器和ZIHBEE構成，負責監控信息和數據采集，終端節點和協調節點共同構成了內部網的ZIHBEE無線網絡部分，以某系統為例，本系統ZIHBEE通信如下：

1、采取協調器查詢，節點應答的方式進行通信，通信協議無變化；

2、由PC通過串口，向協調器發送“發送命令”指令，協調器向對應的節點發送命令和參數（各占一個字節）；

3、節點在接收到協調器發送的命令后，根據命令和參數做出響應，并返回相應的結果，結果由兩個字節組成，先發高8位，再發低8位；

4、協調器接收到節點返回的結果數據后，在串口調試器上顯示（兩個字節，先高8位，再低8位）。

五、硬件設計

1、FPGA部分。系統的核心控制部分由FPGA實現，它負責對系統中各個節點采集到的數據進行匯總，并對整個系統進行智能控制。本設計中硬件的設計都是基于Altera公司DE2-70開發平臺來實現的。FPGA部分的設計思路是：從ZIHBEE網絡傳輸過來的數據經過串口后存儲到DE2-70開發板上的SDRAM中，然后系統從SDRAM中讀取數據后顯示在LCD上，系統的整個軟件都存儲在Flash中。

2、ZIHBEE平臺部分。HELICOMM公司推出的ZIHBEE開發工具和產品，包含符合802.15.4標準的2.4GHZ射頻組件、低功耗的8位微控制器、ZIHBEE網絡軟件和全波長天線，每次接力通信都能在75m范圍內提供250kbps的速率；支持最新的RS232mesh透明串行模式，能在網狀或多次跳接（multichip）無線網絡內支持串行數據路由，速率最高可達38.4kbps.IP_Link1270是完全符合IEE802.15.4標準與ZIHBEE規范的2.4GHz無線收發模塊。射頻部分使用FREESVALE的MC13191/13192/13193芯片，MCU使用的是FREESVALE的Mc9S08GT60芯片。

六、軟件設計

本設計的軟件程序是在NIOSIIIDE中由C語言編寫的，在NIOSIIIDE提供的工程管理器中進行所有涉及的完成，尤其是在新建工程的時候，需要選擇在SOPCBuilder中生成的NIOSII處理器，這是是和別的嵌入式由差異的地方。主要包括底層驅動程序和上層應用程序設計。底層程序包括硬件驅動程序和基本的輸入輸出函數（BIOS），用來供上層程序的調用。

七、結束語

加強對FPGA和ZIHBEE技術的智能家居系統中應用的研究，可以使智能家居系統更加完善，是非常具有現實意義的研究。

參考文獻：

[1]王濤.淺析FPGA和ZIHBEE技術的智能家居系統[J].信息通信.2013（3）：166-168.

[2]盛文仲.淺談FPGA和ZIHBEE技術的智能家居系統[J].軟件透視.2012（3）：16-18.

[3]王文鵬.FPGA和ZIHBEE技術的智能家居系統分析[J].經驗交流.2013（6）：66-69.