专利名称：一种基于ZigBee技术的数字化社区家居智能控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种智能控制系统，具体是一种基于ZigBee技术的数字化 社区家居智能控制系统。
背景技术：
计算机技术，信息技术，控制技术的发展，人们物质生活水平的提高，社 会信息化的加快促使人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密，信息化 社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社 会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。人们对家居的要求早已不 只是物理空间，更为关注的是一个高度安全性、方便、舒适的居家环境，先进 的通讯设施，完备的信息终端设备，家用设备的自动化和智能化，资源使用及 支付方式的网络化，家庭工作模式(SOHO)的需求等等，导致家庭智能化势在 必然。所谓的家居智能化就是通过家居智能管理系统的设施来实现家庭安全、 舒适、信息交互与通信的能力。家居智能，在英文中常用Smart Home。与智能 家居相对应的还有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Electronic Home、 E-home)、网络家居(NetworkHome)智能家庭/建筑(Intelligent home/building)。 家居智能化系统由如下三个方面组成家庭安全防范(HS);家庭设备自动化 (HA);家庭通讯(HC)。
传统的家居智能控制系统一般以有线方式来组建，如LonWorks、 CEBus、 X-IO、 CANBus等。由于有线网络固有的缺点，布线麻烦，可扩展性差等，将 无线网络技术应用于家庭网络己成为势不可挡的趋势。这不仅仅因为无线网络 可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。随着无线网络技术的进一步发展，必将大大 促进家庭网络智能化的进程。从消费者的角度来看，家居智能的需求就是以实 用为核心，力求实用、易用、人性化。而家居智能的三大技术趋势正是发展方
向领先的无线移动、不依靠PC的独立形态、网络化。
对普通用户来说，最为使用方便的就是握着一个无线遥控器在手中指挥， 这正是无线移动技术在家居智能领域大受青睐的原因。而正如计算机摆脱大型
机进入PC才开始大发展，脱离了 PC独立状态的智能家居才能有更大发展空间 不会由于电脑的突然瘫痪而一筹莫展， 一切都更加灵活，更加随意。领先的无 线移动和不依靠PC的独立形态，将使家变成真正的自由数码空间。
未来的家庭将充满用各种无线技术连接起来的数字设备，从而使得家庭内、 有必要的每一个家用电器和设备都能上网，使用无线技术以形成自己独立的网 络，再通过远程的已经连接到Internet上的计算机来控制和监测家庭中的各种设 备。真正实现家电信息化、网络化。
众所周知，现有的很多无线局域网技术，它们大部分使用免费频段，但传 输速度和发射功率各不相同。因为各种用电器对网络的要求不同多媒体设备要 求较高的数据传输速度和较好的服务质量，而家电设备要求低速但安全可靠的 传输控制指令所以各种无线技术的设计诉求不尽相同。本实用新型介绍的家居 智能无线网络系统采用ZigBee技术，ZigBee是一种新兴的短距离、低功率低 速率无线接入技术。工作在2.4GHz ISM频段，它是一种近距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，符合IEEE802. 15. 4协 议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。速率为10M 250Kb/S，传输距离为10~75m，技术和蓝牙接近。但大多时候处于睡眠模式， 适合于不需实时传输或连续更新的场合。ZigBee是IEEE 802.15.4的扩展集。目前ZigBee联盟包含有70多成员。物理层标准釆用三个频段北美2.4G和 915MHz、欧洲868MHz。 ZigBee采用基本的主从结构配合静态的星型网络， 因此更适合于使用频率低、传输速率低的设备。激活时延短、仅15ms、低功耗 等特点，将成为未来自动监控、遥控领域的新技术。
鉴于ZigBee的技术特性.它非常适合于家电和小型电子设备的无线控制指 令传输。ZigBee联盟认为，ZigBee可以用于PC外设(鼠标、键盘和游戏操控 杆)、消费类电子设备、家庭智能控制(照明、煤气表及报警等)、电子玩具、 医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等领域。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，提出一种基于ZigBee技术的数字化社区 家居智能控制系统。利用领先的无线移动技术，而不依靠PC实现网络化，符 合数字化社区实用、易用、人性化要求，实现家居控制智能化。
本实用新型采取的技术解决方案是，所述基于Zigbee技术的数字化社区包 括小区网络、采用GPRS无线方式与小区网络连接的家庭网关、家居智能控制 系统，其中家居智能控制系统包括连接有Zigbee设备的家庭智能终端和室内检 测模块，且所述室内检测模块中包括检测传感器，和通过微控制器MCU (Mim Controller Unit)连接的Zigbee设备；家庭智能终端上安装有应用传感器和 Zigbee设备，家庭智能终端上的所述Zigbee设备通过MCU的GIPO 口接入应 用传感器，其中所有家庭智能终端均接入家庭网关中网络协调器，并网络协调 器与WEB服务器连接。
所述Zigbee设备由模拟接收发射部分、数字调制解调部分、片内频率合成 器、电源管理部分以及与MCU接口部分组成。
网络协调器的MCU选择32位的ColdFire521X系列，网络终端的MCU选择为HCS08微处理器。
本实用新型的工作原理详述如下所述基于Zigbee技术的家居智能控制系 统的数字化社区，包括小区网络、采用GPRS无线方式与小区网络连接的家庭 网关、家居智能控制系统，其中家居智能控制系统包括连接有Zigbee设备的家 庭智能终端和室内检测模块，且所述室内检测模块中包括检测传感器，和与之 连接的微控制器MCU，和Zigbee设备；家庭智能终端上安装有应用传感器和 Zigbee设备，所述家庭智能终端上的Zigbee设备通过MCU的GIPO 口接入应 用传感器，其中所有家庭智能终端均接入网络协调器，并通过网络协调器与 WEB服务器连接。家庭网关是连接家庭内部网和外部网的网络连接设备，将内 部网接入外部网，为外部网络提供对家庭内部联网设备的控制功能；同时家庭 网关允许家庭内部可以采用不同的联网技术，利用网关为不同的通信子网提供 桥接的能力，使各子网内的联网设备之间可以相互通信。通过系统核心设备一 家庭智能终端来实现家庭智能化的功能，通过家庭智能终端实现系统信息采集、 信息输入、信息输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能。
家庭智能终端的功能一般包括如下几个方面 1)家庭安防安全是居民对智能家居的首要要求，家庭安防由此成为智 能家居的首要组成部分。家庭安防报警、门窗磁报警、紧急求助报警、燃气泄 漏报警、火灾报警等。当家庭智能终端处于布防状态时，红外探头探测到家中 有人走动，就会自动报警，通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，报警信息
报到物业管理中心，还可以自动拨号到主人的手机或电话上。
2) 可视对讲通过集成与显示技术，家庭智能终端上集成了可视对讲功能，
无需另外设置室内分机即可实现可视对讲的功能。
3) 远程抄表水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的一个重要分，它的实现解决了入户抄表的低效率、干扰性和不安全因素。
4) 家电控制家电控制是智能家居集成系统的重要组成和支持部分，代表 着家庭智能化的发展方向。通过有线或无线的联网接口，将家电、灯光与家庭 智能终端相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程控制。
5) 家庭信息服务物业管理中心与家庭智能终端联网，对住户发布信息， 住户可通过家庭智能终端的交互界面选择物业管理公司提供的各种服务。
6)增值服务通过家庭智能终端可以实现网上购物，视频点播等增值服务。
本实用新型网络结构为一个基于ZigBee技术的星型网络，由一个网络协调 器和若干个网络终端设备构成。网络协调器负责网络的管理工作，而终端设备 一方面采集模拟数据，同时把这些模拟数据通过无线网络发送给协调器。该系 统采用的基于簇(Cluster)的星状网络拓扑结构，基于簇的分层结构具有天然 的分布式处理能力，簇头就是分布式处理中心，即本文无线传感网络的一个汇 聚点，每个簇成员(传感器节点)都把数据传给簇头，在簇头粒完成数据融合， 然后直接传给用户结点。由于实现的ZigBee技术的网络是基于需求时唤醒的， 在星型拓扑结构中，由于该网络结构只允许在汇结点和传感器结点之间交换数 据，即传感器向汇聚结点发送数据以及汇聚结点发送数据给传感器结点。在汇 聚结点和传感器结点之间没有数据信息交换时，传感器结点处于睡眠状态，汇 聚结点和传感器结点的ZigBee模块只进行低功耗的信道扫描。在实际的传感器 网络应用中，两者是进行常时间周期(300s)的结点存在扫描判断，因而汇聚 结点和传感结点组成网络拓扑，每个汇聚结点能够监控的传感器结点的数目大 大增加，由于每个传感器结点与汇聚结点之间传输的信息很少，信息碰撞可能 性很小，因此拓扑结构和需求时唤醒模式确保了信息的可靠传输。此种网络结构可实现如下功能
(1) 实时监控被保护对象，若对象超出监控范围则发出报警(通常可根据
发射功率的设置调整监控范围，正常情况下为室内10m，室外30 100m，若 需要更大的监控范围，可根据具体情况增加其发射功率)。发出警报(警铃)的 同时，可将报警信息通过固定或移动电话通知相关人员。根据具体的用户需求， 也可将报警信息上报给控制中心，方便上层管理系统随时掌握下层监控并做出 相应的处理。
(2) 当被保护对象移动、监控结点(家庭智能终端上的传感器)电池电压 低等故障时，向汇聚结点(网络协调器)发送报警信号。监控结点发现同汇聚 结点链路断开时，应尽快同汇聚结点连接，以保证正常的工作。
(3) 当汇聚结点收到上级命令时，根据命令要求对监控结点发出控制命令， 结点字接到命令后，应及时采取相应的动作。
本实用新型所能达到的实现效果为所述基于ZigBee技术的数字化社区家 居智能控制系统，符合数字化社区实用、易用、人性化等要求，实现了家居控 制智能化。
图1是本实用新型的总体示意图2是实施例中的家居智能控制系统示意图3是Zigbee硬件实现示意图4是MC9S08GT60与MC13192的硬件连接；
图5是天线逻辑电路图6是基于Zigbee技术的星状组网网络流程图。 图7是基于Zigbee技术的硬件电路图。
具体实施方式
所述基于Zigbee技术的数字化社区家庭智能控制系统，包括小区网络、采 用GPRS无线方式与小区网络连接的家庭网关、家居智能控制系统，其中家居 智能控制系统包括连接有Zigbee设备的家庭智能终端和室内检测模块，且所述 室内检测模块中包括检测传感器，和通过微控制器MCU (Miro Controller Unit) 连接的Zigbee设备；家庭智能终端上安装有应用传感器和Zigbee设备，所述 Zigbee设备通过MCU的GIPO 口接入应用传感器，其中所有家庭智能终端均接 入家庭网关中网络协调器，并网络协调器与WEB服务器连接。本实施例以自动 控制室内温度的应用为例，详细描述基于Zigbee技术的数字化社区家庭智能控 制系统的结构原理和工作过程。系统首先通过温度传感器和湿度传感器检测室 内的温度和湿度，两路模拟信号经过选择开关选择一路传送到滤波放大电路， 模拟信号经AD转化后输送到MCU的10 口 ，单片机对采集到的数据进行处理 后通过SPI发送给Zigbee设备，即无线发送器MC13192， MC13192产生头帧 和帧校验序列，然后对发送的数据帧进行扩频和O- QPSK调制，再经过变压器 将差分数据合成一路数据，通过单刀双掷开关和匹配滤波后传输到天线，由天 线将数据帧发送。接收模块接收从天线来的射频信号首先经过窄带滤波，然后进 入变压器，变压器将一路数据转换成两路差分数据输入到MC13192。 MC13192 对数据进行解调解扩，去除帧头和校验序列后得到原始数据，再将原始数据通过 SPI接口发送给网络协调器的MCU, MCU判断处理后通过GPIO 口传送到传
感器，通过传感器控制空调自动调节室内的温湿度。
本系统采用ZigBee技术标准实现家庭内部组网。网关采用GPRS无线方式 连接外部网络。网关全部采用无线通信方式，可以避免家庭布线的繁琐，方便 了网关在家庭中的布置。ZigBee收发器通过SPI接口和MCU连接。可以将收发器连接到锁、灯或您想监视或控制的任何设备的传感器上。这些贴有标签的 设备作为无线网络中的节点，和连接在网路协调器上的的中心节点进行通信。
网络协调器通过以太网能够连接到WEB上，Zigbee设备包括一个射频集成电 路模块(RFIC)，以及固化了全部物理(PHY)层和媒体接入控制子层(MAC SuHayer)的功能，被连接到一台低电压，低功耗8位微控制器和其作用的应 用传感器。
Zigbee设备中MCU芯片MC13192内部结构如图4所示。芯片主要由模拟 接收发射部分、数字调制解调部分、片内频率合成器、电源管理部分以及与 MCU接口部分组成。从天线接收进来的射频信号经过两次下变频之后变成两 路正交信号(I和Q)，片内集成的CCA(空闲信道评估)模块根据接收到的基带信 号的能量进行空闲信道评估检测。CCA和前端的LNA(低噪声放大器)都要受到 AGC(自动增益控制)的控制。数字接收端通过差分码片检测(DCD)后经过相关 器对直接序列扩频(DSSS)进行解扩，经过符号同步检测和包处理以后最终得 到接收到的数据。通过SPI接口传送到MCU。要发送的128字节信号由MCU 通过SPI接口传送到MC13192的发送缓冲器中，头帧和帧检测序列由MC13192 产生，根据正EE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的 扩频序列扩频，扩频以后的信号送到相位开关调制器上O-QPSK的方式通过直 接上变频调制到载波后通过天线发射出去。芯片还集成频率合成器、电源管理 模块、定时器、中断判决器以及用于接收、发射的存储器电路。
本系统采用具有体积优势的PCB天线。具体电路图见附图5。 RFIN-和 RFIN+为接收通道，2个18pF的电容过滤掉高频干扰信号，而0.5pF的电容能 防止共扼干扰。PAO-和PAO+为发送通道，这两个管脚和VDDA连在一起，给 发送通道提供必要的能量。系统微处理器MC9S08GT60和Zigbee设备中的发送模块MC13192的接 口电路有8根线4线的SPI接口用于相互通信， 一根中断线和3根控制线。 SPI通信时，MC13192只能作为从机，因此对于MCU而言，MOSI线是发送 数据线而MISO线是接收数据线，SPI的同步时钟由MC9S08GT60在SPSCK 管脚上给出，连接到MC13192的SPICLK上。MC13192上产生的所有中断事 件，通过芯片上的IRQ管脚连接到MC9S08GT60的IRQ管脚上，当 MC9S08GT60接收到来自MCB192的外部中断时，还要查询其中断标志寄存 器，来判断产生中断事件，并作出相应的处理。ATIN管脚用于MCU将MC13192 从低功耗模式下唤醒，而RXTXEN管脚则用来使能MC13192的收发器。在通 常情况，为了降低功耗，射频芯片的收发器都是关闭的，只有在发送和接收数 据的时候才使能，这样能大大降低射频芯片的功耗。当射频芯片工作异常的时 候，MCU也可以通过RSTB管脚来硬件复位射频芯片。这3根控制线都由 MC9S08GT60的GPIO 口来进行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必须用10KQ 的电阻上拉，防止毛剌来干扰MC13192的正常工作。
其中网络协调器的MCU选择32位的ColdFire521X系列，其主要特性有: 带有MAC单元的V2核；CPU在80MHz的工作频率下达到66MIPS; 32K字 节的片上SRAM;大容量的片上FLASH,其中CF5211有128K字节，CF5212/3 有256K字节；12位精度的ADC模块；带有缓冲队列的SPI模块；4通道，32 位的DMA控制器；4通道，32位的定时器模块(可选DMA); 2个16位的PIT; 支持最多达63个中断源的中断控制器；方便的BDM调试接口； C语言支持: 商业软件CodeWarrior和开源的GNU工具链；丰富的第三方RTOS支持。
权利要求1. 一种基于Zigbee技术的数字化社区家居智能控制系统，包括小区网络、采用GPRS无线方式与小区网络连接的家庭网关、家居智能控制系统，其特征在于，家居智能控制系统包括连接有Zigbee设备的家庭智能终端和室内检测模块，且所述室内检测模块中包括检测传感器，和与之连接的系统微控制器MCU，和Zigbee设备；家庭智能终端上安装有应用传感器和Zigbee设备，所述家庭智能终端上的Zigbee设备通过MCU的GIPO口接入应用传感器，其中所有家庭智能终端均接入网络协调器，并通过网络协调器与WEB服务器连接。
2、 根据权利要求1所述基于Zigbee技术的数字化社区家居智能控制系统， 其特征在于，所述Zigbee设备由模拟接收发射部分、数字调制解调部分、片内 频率合成器、电源管理部分以及与MCU接口部分组成。
3、 根据权利要求1所述基于Zigbee技术的数字化社区家居智能控制系统， 其特征在于，所述网络协调器的MCU选择32位的ColdFire521X系列。
专利摘要本实用新型提供一种基于Zigbee技术的数字化社区包括小区网络、采用GPRS无线方式与小区网络连接的家庭网关、家居智能控制系统，其中家居智能控制系统包括连接有Zigbee设备的家庭智能终端和室内检测模块，且所述室内检测模块中包括检测传感器，和与之连接的系统微控制器MCU，和Zigbee设备；家庭智能终端上安装有应用传感器和Zigbee设备，所述家庭智能终端上的Zigbee设备通过MCU的GIPO口接入应用传感器，其中所有家庭智能终端均接入网络协调器，并通过网络协调器与WEB服务器连接。本实用新型实现了家居控制的自动化、网络化与智能化，进一步完善了数字化社区。
文档编号H04L12/28GK201130952SQ20072006385
公开日2008年10月8日 申请日期2007年7月18日 优先权日2007年7月18日
发明者全惠敏, 周海兵, 戴瑜兴, 李志娟, 杨金辉, 熊君放, 陈火炎, 黄文清 申请人:湖南省建筑工程集团总公司