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For the ZigBee network, IEEE 802.15.4 divides devices in the network into full-function device (FFD) and simplifies function device (RFD). FFD completely achieve the IEEE 802.15.4 protocol, complete agreement has 32k, but RFD is only achieved part of the IEEE 802.15.4 protocol, the agreement is only 4k. It can communicate between FFD and between the FFD and RFD, but RFD can only communicate with the FFD. In the home network, FFD is able to act any role, while the RFD can only act as a terminal node.
ZigBee Networking Methods mainly are three kinds which are star, tree and mesh. Each ZigBee network requires at least one FFD to achieve the network coordination and management functions. Mesh network is recommended. C. Software Design
ZigBee protocol stack achieves each node's procedure respectively, but is mainly below the network layer communication protocol. To achieve the function of each node, it needs to modifY the procedures of application layer. The revised work flow chart of nodes, namely the terminal node's work flow is shown in \
Figure 5 Terminal node workflow Figure 6 Home gateway workflow
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VI. CONCLUSION
This paper analyzes the status of the development of China's Smart Home industry, put forward a smart home system design and implementation with strong applied and based on ZigBee technology. It is believed that with the development of Smart Home industry in China, and the increasing of people's expectancy of life quality, the Smart Home system based on wireless communication technology will receive people's favor more and more.
中文翻译：
智能家居系统设计
摘要：本文旨在构建一个基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统。本文将介绍智能家居行业的优势和分析ZigBee无线通信技术在智能家居系统中使用。它描述了基于ZigBee的智能家居系统的结构组成,最后给出了系统的设计理念和实现方法。
关键字：ZigBee、智能家居、无线通信、系统设计
一、 介绍
近年来,随着个人计算机和互联网的迅速普及,家电行业的快速发展,信息技术逐渐渗透到人们的日常生活,智能家居设计也逐渐进入人们的视野。本文介绍了基于ZigBee的智能家居系统的设计和实现,它具有良好的灵活性、可移植性高,容易扩展等等。
二、 智能家居及其发展
智能家居的目标是实现家庭设备通过网络信息通信技术进行智能控制，使他们工作不再受距离的限制。 1、 智能家居的概念
智能家居是高效、舒适、安全、便利的生活环境,使用一个家庭作为一个平台,把建筑自动化和智能化[1]。通过利用先进的计算机技术、网络通信技术和控制技术(3c),智能家居将创建一个家庭综合服务与管理集成系统由家庭安全防护系统,网络服务系统和家庭自动化系统,为了实现全面的安全保护、通信网络方便、舒适的生活环境。
智能家居起源于美国, 在中国发展十多年。随着网络技术的发展,尤其是无线网络技术、智能家居系统可以提供照明控制,有三个方向,家电控制、防盗门窗禁止,家庭环境监测报警,能源管理,火灾预警功能,使各种控制手段,包括电脑、智能手机远程控制。 2、 智能家居的发展
目前智能家居的概念已广泛流行,许多开发人员都积极参与智能家居系统和相关产品的发展。很多房地产公司也把智能家居系统进入他们的房子增加卖点,主流媒体也加强了关注智能家居领域,在这样一个大的环境,许多消费者都渴望智能家居。
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智能家居的发展是令人欣慰的,但目前智能家居的发展中存在的问题不应该被忽略。大部分的智能家居系统目前只停留在演出舞台上,而没有让它进入电器商店和人们的生活。有成千上万的企业,从事智能家庭的产业,但相关产品却很少在市场上蔓延。没有统一的规范或行业标准,使整个行业的发展停滞不前。主要企业的设计智能家居系统也使用布线技术,实现过程很复杂,灵活且难以修复。此外,数万甚至数十万在每一个中控的生产和维护成本,普通人也不能负担得起。与此同时,大多数产品的稳定性和功能在市场上应该进一步增强,更好地满足用户需求[1]。
三、 ZigBee技术
1、 ZigBee介绍
内部基于IEEE 802.15.4无线标准提供服务, ZigBee是一组关于网络,安全性和应用软件的技术标准。是一种近距离、低功耗,低数据传输速率、低成本和双向无线通讯技术[2]。
这项技术可以应用到无线网络与超低功耗满足ISO / OSI参考模型。其物理层和媒体访问控制(MAC)层内部使用802.15.4标准提供服务; ZigBee联盟定义上面的部分,包括网络安全和应用程序层。其应用主要定位在家庭自动化的方向,建筑自动化,工业和农业监控、传感器应用、电信应用程序和其他控制区域(医疗、消费电子、计算机外围设备,等等)。
2、 ZigBee技术的未来 ZigBee的主要技术特点包括:
? 低功率:在低功耗待机模式,一对电池可以支持一个节点工作6到24个月,甚至更长时间,这是ZigBee的杰出的优势之一。
? 低成本:简单的协议和减少对通信控制器的要求大大降低无线个域网的成本,每个芯片的价格大约是2美元,并且无线个域网协议是免税的。频带2.4 GHz \\ 868 MHz(欧洲)和915 MHz (美国)的免授权使用频段。
? 低速率:无线个域网工作在20 ~ 250 kbps的低速率,根据不同的频段,分别供应250 kbps(2.4 GHz),40 kbps(915 GHz)和20 kbps(868 GHz)的原始数据吞吐量以满足低速传输数据的应用程序。
? 短延迟:无线个域网的反应更快,一般从睡眠状态到工作状态只需15ms,节点连接成网络只需要30 ms,进一步节约能源。
? 大型网络容量,网络灵活性:无线个域网可以使用星,树,网状网络结构,在大型网络中更是多达65536个节点组成的。网状网络架构的特点自动配置,自动愈合和小干扰,特别适合家庭系统。
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? 高安全:无线个域网提供了三个安全模型,包括安全性设置,使用干预控制列表(ACL),以防止非法数据访问和使用高级加密标准(AES 128)的对称密码,为了确定其安全属性灵活。
家庭网络通信具有以下特点:（1）少量的传输数据没有太快的速度;（2）网络容量大,家里有多种设备；（3）良好的实时信息,延迟短；（4）低成本。无线个域网的技术特点决定它可以很好地定位于满足上述需求的家庭网络。 四、 基于ZigBee技术组建智能家庭系统
在本系统的设计ZigBee无线网络技术适用于家庭网络控制。家庭网络通过无线网络不仅可以消除很多困难如布线,而且也提供了更大的灵活性。无线个域网联盟发展标准的通信协议,允许不同的供应商生产产品按照统一的标准,而其低成本将加速智能家居的普及。 1、 家庭网路
基于无线个域网技术,智能家居系统主要是嵌入在一个基于ZigBee无线网络收发器芯片的各种家用电子设备,通过这些子节点之间无线模块传输数据,实现家庭内部电子设备的无线互联的和家庭自动化。
ZigBee网络协调员负责建立整个家庭网络的无线个域网网络，路由器负责路由中继,剩下的部分是无线个域网网络设备功能部分。考虑可靠性和灵活性,整个系统采用网状网络拓扑结构,网络覆盖不够的可以适当添加路由设备,确保网络通信。家庭网络的体系结构如图1所示。 2、 家庭网关
家庭网关功能用来互连各种设备在家庭网络和连接到外部网络与外部设备提供控制接口。家庭网关有上网的功能,可以通过GPRS连接到移动互联网和其他模块,通过无线访问家庭网络控制。每天在世界任何地方，通过友好的界面,用户可以很容易地了解家里情况,防止入侵者的破坏财产,并通过一个简单的操作可以控制家用电器。家庭网关连接如图2所示。 3、 外部网络
家庭网关提供了连接到互联网,移动互联网和其他功能,允许家庭控制网络可以通过建立外部网络控制。通过无线网络可以连接到你的家庭局域网,实现本地控制,然后通过主控制器,或其它局域网设备控制家庭网络;通过GPRS模块访问移动互联网通过移动互联网实现远程控制,通过手机进入移动互联网控制家庭网络;也可以通过设备访问互联网,通过计算机网络、家庭网络的控制,通过计算机和其他设备实时监控家庭条件。多种控制方法提供了一个更灵活和更方便的方案控制智能家居系统,有利于智能家居系统的普及和推广。
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五、 基于ZigBee技术智能家庭系统设计
在智能家居系统中,无线个域网家庭网络模块主要负责各种家庭设备监测和数据采集,并将处理过的数据转移到家庭网络或通过网关将数据传输到外部网络。ZigBee模块连接到家庭设备构成网络终止负责监控信息,收集数据或接受控制命令等等,网络聚合节点负责管理网络收集数据并将其发送到外部网络。
考虑到节点的能耗,使用需求导向操作来进入唤醒模式。大部分时间在传感器节点保持在睡眠模式下,当发生的触发条件时,ZigBee模块的I/O口触发中断,信息传播给ZigBee模块,该模块唤醒,控制器芯片处理信息,发送回无线控制模块。 1、 硬件设计
本设计采用CC2430芯片作为ZigBee模块基础系统的一部分。CC2430芯片系统CC2420收发器的功能集成,增强行业标准8051单片机,一个可编程看门狗定时器,DMA和其他高性能模块,内置无线个域网协议栈。再加上超低功耗,可以构建一个无线个域网节点以非常低的成本,从而拥有一个强大的市场竞争力。
家庭网络设备的功能节点是终端节点,主要由终端设备、智能传感器和CC2430芯片,和其他一些组成,其结构如图3所示。
家庭网关使用芯片S3C2440作为控制芯片,芯片和无线个域网连接,GPRS和其他移动互联网接入模块,无线,等。局域网访问模块,并连接到互联网,其结构如图4所示。 2、 网络设备和网络使用
无线个域网网络,内部IEEE 802.15.4网络中的设备分为全功能设备提供服务(FFD)和简化功能设备(RFD)。FFD完全实现内部IEEE 802.15.4协议提供服务,完成协议需要32 k,但RFD只是实现内部IEEE 802.15.4协议提供服务的一部分,该协议仅为4 k。他可以在FFD和 FFD/RFD之间,但RFD只能与FFD通信。在家庭网络,FFD可以扮演任何角色,而RFD只能充当一个终端节点。 3、 软件设计
ZigBee协议栈每个节点的实现过程，主要是在网络层通信协议。实现每个节点的功能,它还需要修改应用程序层的过程。修改后的工作流程图的节点,即终端节点的工作流程如图5所示，家庭网关工作流程如图6所示。 六、 结论
本文分析了中国智能家居行业的发展现状,提出了智能家居系统的设计和实现,并有很强基于无线个域网技术的应用。相信随着智能家居行业在中国的发展, 和越来越多的人对生活质量的期望，基于无线通信技术的智能家居系统将得到人们越来越多的支持。
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