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基于Zigbee的智能家居实时监控系统的设计
作者：陈杨 吴海燕
来源：《电子技术与软件工程》2015年第15期
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。
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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
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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 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
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