鹭岛国际别墅智能家居方案


功能需求描述
1. 遥控控制功能
用户可以使用遥控器来控制家中灯光、热水器、电动窗帘、饮水机、空调等设备的开启和关闭,并且可以在一楼(或客厅)来查询二楼(或卧室)灯光电器的开启关闭状态;同时遥控器还可以学习控制家中诸如:电视、DVD、音响等红外电器设备。 
2. 定时控制功能
用户可以提前设定某些产品的自动开启关闭时间,如:电动窗帘每天早晨08:30自动开启,18:30自动关闭。其他电器和灯光的自动开启关闭也是如此。


系统原理图

3. 集中控制功能
用户可以在进入家门或是离开家门时,在玄关处就可以同时打开客厅,餐厅和厨房的灯光,厨宝等电器,尤其是在夜晚可以在卧室控制客厅和卫生间的灯光电器,既方便又安全,还可以查询它们的工作状态。
4. 远程控制功能
用户可以在户外利用手机,固定电话来控制家中的空调、热水器和灯光,使之提前制冷、制热或进行灯光的开启和关闭。
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5. 场景功能
用户依据自己的喜好设置不同的场景模式,如会客场景、就餐场景、休息场景等。
6. 网络总控功能
不管在什么时间,什么地点只要上网就可以轻松的控制家里的灯光电器、电动窗帘等。
7. 密码指纹锁功能
再也不用因为没有带钥匙而进不去家门了,只要用密码、指纹就可以打开房门;亲戚和朋友来访也可以用电话打开房门;如果主人很忙而无法起身给家人朋友开门,用遥控器也可以打开房门。
8. 电动天棚帘


电动窗帘原理图

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产品性能需求描述
所要控制的灯光电器,在墙上86暗盒开关处最好有零线预留;最好要求86暗盒为加深型;
产品工作电压为:AC220V;
工作环境:工作温度-5℃—50℃。


智能家居系统原理框图

实现功能描述
1. 双向48健LCD多功能遥控器
键盘上多达16个常用房间和电器快捷操作健的预留,免除了不好记忆和使用麻烦的苦恼;您只要点按要控制的房间就可以进行快捷操作了,无需再去记忆什么所谓的“房间码,地址码”。
2.“查询”健
“查询”健的预留,真正解决了远距离遥控结果可知,电器工作状态可查询。身在一楼客厅的您,点按“查询”健,在随意选择要查看的房间,如:二楼主卧,电器的工作状态立即就会反馈到您的遥控器显示屏上,让您真的感觉到“智能和安全”。
3. 无线定时转发器
通过此产品客户可以提前设定某些产品的自动开启和关闭时间,如:电热水器每天晚上20:30分自动开启加热,23:30分自动断电关闭。同时此产品负责转发由遥控器发过来的射频信号。为此希望将此产品尽量放在建筑物中央地带,如:客厅,二楼等地。
4. 墙上开关集中控制器
通过此产品客户可以在进门的玄关处就打开客厅,餐厅和厨房等房间的灯光和电器,尤其是在夜晚您可以在卧室控制客厅和卫生间的灯光电器,既方便又安全,还可以“查询”他们的工作状态。
5. 双键场景模块
通过此产品客户可以做到一键就能实现客户所需的场景氛围(即一键按下就可以使房间的灯光电器按照客户设置的要求依次打开/关闭),该模块共两路,每路最多可以设置16个地址。
6. 入户阻波器
防止户户之间信号串扰。

全面解读Zigbee技术

    对于嵌入式系统应用,往往需要相互间的通信,以交换测量数据和控制指令。目前采用的方式多是有线连接,包括点对点或总线方式,如RS485、CAN、Modbus等。随着无线网络通信技术的发展,在一些不便于或需要消除有线连接的场合,无线通信技术便有了它的用武之地。



    目前,市场上已有多家公司推出应用于近距离通信的RF芯片产品,如工作在2.4GHz的NRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chipcon),工作在300~450 MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式应用也采用了这类技术,但它们大部分只提供解决无线通信的射频通道,没有标准规范(或采用自己的专用标准)来制定MAC层、链路层和网络层的通信协议,不具备兼容性;对通信的控制软件完全依赖目标系统设计,由用户自己完成,不仅额外增加了工作量,而且编制代码的可靠性、效率都较低,对组网应用更可能存在问题;不同厂家的产品不具备互操作能力,不具有通用性。
    Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。它出现的时间较短,2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范,尚未进入大规模的商业化生产和应用;但是,它的上升势头十分明显,已有Chipcon、FREESCALE、CompXs、Ember四家公司通过了Zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。从2006年开始,基于Zigbee的无线通信产品和应用迅速得到普及和高速发展。

Zigbee技术及应用
1.主要技术特点
    Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时,通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的,可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术,亦包含寓意。
    Zigbee技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)协议标准,但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)由Zigbee联盟进行了制定,整个协议架构如图1所示。
图1 Zigbee协议栈架构
    Zigbee是以一个个独立的工作节点为依托,通过无线通信组成星状、片状或网状网络,因此,每个节点的功能并非都相同。为降低成本,系统中大部分的节点为子节点,从组网通信上,它只是其功能的一个子集,称为精简功能设备;而另外还有一些节点,负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制,起到通信路由的作用,称之为全功能设备(也称为协调器)。

    Zigbee的特点突出,尤其在低功耗、低成本上,主要有以下几个方面:
①低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。
③低速率。Zigbee工作在20~250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。传输范围一般介于10~100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1~3km,这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
⑤短时延。Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3~10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。
⑦高安全。Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。
⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。

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2.Zigbee产品应用
    Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想,它的应用目标主要是:工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络),医护(如监视和传感),家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警),消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。
一般而言,满足如下一些特点的应用场合,是Zigbee应用极具优势的地方:
①需要无线通信交换信息的低成本装置;
②数据的交换量较小、传输的速率要求不高;
③功耗要求极低,采用电池供电且需要维持较长时间;
④需要多个(尤其是大量)设备组成无线通信网络,主要进行监测和控制的场合。
    依据Zigbee联盟和参与联盟的主要厂商的基本设想,产品应提供一站式的解决方案,以方便应用,使那些不熟悉RF技术的人员也能迅速上手。因此其产品不仅提供RF的无线信道解决方案,同时其内置的协议栈将Zigbee的通信、组网等无线沟通方面的工作已完全由产品实现,用户只需要根据协议提供的标准接口进行应用软件编程。由于协议栈的简化,完成Zigbee协议的内嵌处理器一般可采用低价低功耗的8位MCU。
    Chipcon公司推出的高度整合的系统级射频收发器CC2430,如图3所示,集成了RF前端、128KB闪存、8KB RAM以及8051八位MCU核;另外还集成了模数转换器(ADC)、定时器、AES128协同处理器、看门狗、32kHz晶振休眠定时器、上电复位和掉电检测电路,以及21个可编程I/O引脚。使这款产品就是一个具备Zigbee功能的SoC,可用于各种Zigbee无线网络节点,包括协调器、路由器和终端设备等。
图3 CC2430 Zigbee芯片
    此外,不少厂商也推出了Zigbee的产品和全套解决方案。如FREESCALE公司发布的低功耗2.45GHz集成射频器件MC13192,包含802.15.4物理层,支持星型和网状网络,并在一个配套的MCU上实现Zigbee的协议栈;传输速率为250kbps,采用正交QPSK调制和直接序列扩频编码,通过1个四线串行接口与MCU通信。Helicomm公司推出的IPLink1200 Zigbee开发工具和产品,包含符合802.15.4标准的2.4GHz射频组件、低功耗的8位微控制器、Zigbee网络软件和全波长天线,每次接力通信都能在75m范围内提供250kbps的速率,支持最新的RS232mesh透明串行模式,能在网状或多次跳接(multihop)无线网络内支持串行数据路由,速率最高可达38.4kbps。
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    可以看出,一些国际著名的半导体厂商已在积极推出Zigbee产品,有望在今后一段时间通过商业化推进,使Zigbee产品应用得到极大扩展。但同时,也有一些RF厂商在发展自己的专有产品,如Zensys公司就积极推进它的ZWave无线协议,尤其在家庭自动化领域与其争夺市场。另外,Dust公司坚持使用自己的技术。Ember公司虽然大举进军Zigbee领域,但也计划继续提供自己的专有EmberNet技术。可以说,Zigbee的应用并非一片坦途,需要Zigbee联盟及厂商的持续努力和市场的广泛认同。

与其他几种无线通信技术的比较
    目前,市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网WiFi、蓝牙和一些专用标准(如Adhoc网等)的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域,也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准,如无线USB、超宽带通信UWB和WiMax等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较。
    蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头,一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域,且互通性方面也存在问题。
WiFi在Intel的大力支持下,借迅驰处理器迅速占领市场;采用IEEE802.11b标准,使用2.4GHz直接序列扩频,最大数据传输速率为11Mbps,并可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽;采用最新的802.11g时,速率可达54Mbps,是目前应用最广的无线网络传输协议。
    借助USB在PC上的广泛应用,无线USB也受Intel、HP、微软等几家PC领域大公司的力推,已于近期制定了无线USB规范。使用WiMedia联盟的MBOFDM超宽带MAC和PHY层,通信距离在3~10m,最高速率在480Mbps,有望短期内在PC周边设备的无线连接上得到大量应用。
    UWB是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术,因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块,实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准,预期的通信距离5~10m,速率甚至可高达1Gbps,非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。
    作为WiFi下一代技术的WiMax,被设想成一项无线城域网接入技术,在传输距离和速度方面均胜过WiFi,最高接入速率为70Mbps,信号传输半径可达到50km。图4是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。

    从图4中看,主要的无线技术都集中在1Mbps以上的速率,新的标准还在追求更快的速率;而Zigbee恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺,与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中,低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活,同样具有广泛的市场。从现今的市场看,每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点,或在距离、或在成本、或在速率等方面。因此,在今后一段时间内,虽然会有一些竞争,但仍会有多种无线通信技术的产品在市场上共存。

结 语
    无线组网通信是当今工业控制、计算机应用、家庭自动化等方面技术发展的一个热点,而低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生;高度集成化的软、硬件架构和产品,也使应用人员如虎添翼,更快、更方便地进行最终产品设计。这些显示出Zigbee具有超强的生命力和优势,应用前景十分看好,值得广大嵌入式应用的技术人员关注,并加入到它的应用行列。