[01374733]基于ZigBee无线组网的智能家居控制系统研究

课题以新兴的ZigBee技术实现智能家居系统内部网络的无线连接;并基于最新的ARMv7架构的Contex-M3微控制器,以低成本、低功耗实现网络接入、家居安防、家电控制、照明控制、家居环境监测、消防报警、煤气报警等家居生活常用功能。 智能家居系统属于数字家庭系统的最小模型,也是构成智能小区、数字社区的最小单元。智能家居系统、智能小区、数字社区等功能实体没有标准化定义,实施方式可能多种多样,但其宗旨都是为提高人们的生活水平。 目前,基于ZigBee技术实现智能家居无线组网是数字化家庭建设研究的一个热点;同时,它和ARMv7架构的Contex-M3微控制器都是面向低成本、低功耗、监测与控制领域,通过二者的有机结合实现家居智能控制是技术应用上的创新,有很大的推广和应用研究价值。 如何提高系统的实用性、经济性、可扩展性、可维护性以及易操作性是推广普及智能家居产品的关键。 （1）ZigBee无线组网的家居物联网节点和能量优化算法仿真; （2）利用带有ZigBee 2007协议栈的CC2430（或CC2530）和Contex-M3处理器实现嵌入式核心的无线智能网关以及基于ZigBee无线组网的家居物联网; （3）基于ZigBee和GPRS技术的无线近距离传输及远程控制的多种信道传输控制机制,实现低成本、低功耗的ZigBee无线组网家居智能化。 一、ZigBee技术相关算法仿真与实现 ZigBee作为一种广泛应用于智能家居、工业控制和医疗等领域的双向无线通信技术,具有低成本、低功耗、低速率的特点。ZigBee网络节点的处理能力、能量和带宽都相当有限,节点通常是通过电池来供电的,网络的生存期很大程度上依赖于ZigBee节点的能量利用效率,因此通过节约ZigBee节点能量来延长网络的生存期对ZigBee网络至关重要,ZigBee节点动态电压调节（DVS）算法和ZigBee路由算法节能机制的研究是一个意义重大的课题。 1.DVS技术 如何高效率地使用ZigBee节点电池的有限能量,通过延长ZigBee节点的使用寿命来最大化延长ZigBee 网络的工作生命周期,将是ZigBee研究和应用中面临的重要问题。功率消耗是与处理器的工作电压和工作频率的平方成正比关系的,这是动态电压调节算法（DVS）的理论基础。动态电压调节算法（DVS）可以在不影响处理器峰值性能为前提的条件下,在运行时动态调整处理器的工作频率和工作电压,从而更有效地减少无线传感器节点的能量消耗。DVS 技术虽然可以减少能量消耗,但它是以延长任务执行时间为代价的,这体现了功耗与性能之间的权衡。在实时系统中,用户对系统的性能需求是不断动态改变的,并不是总需要最大性能,这就为通过延长任务执行时间来降低能量消耗提供了条件。在满足任务时限要求的前提下,通过适当的调节处理器的频率和电压,使单个任务的能量消耗最小化,是基于能量消耗模型的DVS算法的基本原理。 2.ZigBee能量路由算法 路由协议是一个网络中的核心,负责节点间的信息传输,网络需要路由算法实现通信的整个过程。ZigBee网络是移动的,网络拓扑也会随着其移动而动态变化,因此ZigBee这种可移动的网络需要具有一种路由算法,进行动态路由。所采用的路由算法对ZigBee网络性能有着直接影响,选择的路由算法不恰当,网络时延就会很大。ZigBee网络中的节点是由电池供电的,而电池寿命非常有限,在 ZigBee 路由算法的设计过程中,必须考虑能量有效性,算法也要高效、简单、控制开销小。 3.结合AODVjr和Cluster-Tree的ZigBee路由算法 剩余能量低或者存储能力受限的节点在ZigBee网络中使用Cluster-Tree算法会更加适合,Cluster-Tree算法中节点转发数据包的对象只有两个,要么发送给它的父节点要么发送给子节点,不需要节点进行路由发现的过程。但是在节点分布不均匀的网络中,Cluster-Tree算法由于深度小的节点负载过大,容易造成网络中业务量分布不均衡,从而导致深度较低的节点在网络中会过早耗尽电量而形成了网络分割的现象,导致通信的中断,使整个 ZigBee 网络无法正常工作。AODVjr 路由算法是按需路由,提高了协议的效率,具有快速适应动态链路的环境、快速收敛,具有很强的自我学习能力和拓扑发现能力,同时它需要进行路由表的维护,会额外消耗一些能量,导致节点能量的减少比较快。AODVjr和Cluster-Tree算法相结合的路由算法可以对两种路由算法各自存在的缺点进行改善。 新的算法结合了AODVjr和Cluster路由算法的优点。根据节点的能量将路由节点分成两种类型,能量充足的节点采用 AODVjr 算法进行发现路由,而能量较低的节点采用的是Cluster-Tree路由算法进行数据的发送和接受。结合了AODVjr路由算法和ZigBee路由算法后,把网络中的节点分成了三种类型：RN+、RN-和RFD。根据节点剩余能量,剩余能量充足的节点具有足够的存储空间和能力去执行AODVjr路由算法,称为RN+节点;而剩余能量低的节点没有多余的能量进行存储,如果不进行路由会进一步减轻节点能量的负担,因此采用Cluster-Tree算法处理数据,这样的节点称为RN-节点。中心协调器的算法和RN+节点的算法相同,并且中心协调器和RN+、RN-都属于FFD节点类型,能够给其它节点充当路由,只是当节点的能量较少的时候,转换了算法;RFD设备的终端节点采用的是Cluster-Tree算法,直接将数据发送给自己的父节点。 AODVjr路由算法是按需路由,提高了协议的效率,具有快速适应动态链路的环境、快速收敛,具有很强的自我学习能力和拓扑发现能力,同时它需要进行路由表的维护,会额外消耗一些能量,导致节点能量的减少比较快。AODVjr和Cluster-Tree算法相结合的路由算法可以对两种路由算法各自存在的缺点进行改善。 综合以上对AODVjr-Tree路由算法的分析,AODVjr-Tree算法在能量均衡和消耗方面是AODVjr-Tree、AODVjr、Cluster-Tree三种路由最好的,因此在网络运行的时间上也是最长的。 由于AODVjr算法可以启动邻居节点进行路由,路由寻找势必会大量消耗节点能量,所需要的过程也较负责,因此在平均端到端时延会低于Cluster-Tree算法。Cluster-Tree算法的平均端到端时延是最长的,但其总体能量消耗比Cluster-Tree算法低。通过结合 AODVjr和Cluster-Tree两种路由算法的优缺点,AODVjr-Tree路由算法的平均端到端延时是居中的,但是在整个网络的能量均衡方面却是最好的,达到了能量优化的目标。 二、基于ZigBee智能家居控制系统的设计与实现 本智能家居控制系统主要是以经济、实用、易操作、人性化为目标,实现网络接入（进行远程控制）、家电控制、环境监测、安防、火警、煤气报警、灯光照明控制等功能。该智能家居控制系统以ARM Contex-M3微处理器为核心,采用嵌入式实时操作系统μC/OS Ⅱ,基于ZigBee无线技术无线组网实现智能家居控制系统的设计,其整体设计主要由硬件和软件两大部分组成,硬件部分主要包括主控制器和各种功能实现子模块,软件部分则主要包括μC/OS Ⅱ操作系统在ARM Contex-M3微处理器内核的移植、嵌入式ZigBee协议栈的实现和驱动程序、应用主程序及子程序实现。 根据智能家居控制系统的功能要求,各功能模块和外部接口主要有微处理器、键盘控制及LCD显示、无线收发子节点模块、以太网接口模块、GPRS无线通讯模块、RS485接口和电源等部分组成。 智能家居控制系统通过键盘控制和LCD显示部分以及外围接口模块设计可以在家中或者远程监控家庭各个子模块的工作状态,并在必要时能自动发送信息和报警。系统子节点分别把各自采集信号进行预处理,然后通过无线收发子节点传送到主控制器的收发子节点模块,通过嵌入式实时操作系统μC\OS Ⅱ的TCP/IP协议栈,将数据打包运行于嵌入式WEB服务器。客户端既可通过本地PC实现现场级监控和控制,也可通过以太网模块进行远程访问。另外,智能家居控制系统带有GPRS无线通讯模块,通过手机短信息可进行远程控制各系统子节点,也能在异常的情况下将报警信息发送到预先设置好号码的手机卡上。