基于LonWorks与ZigBee技术的智能家居系统构建

张佑春 张晓娟 朱炼

(安徽工商职业学院电子信息系，合肥 231131)

随着计算机、自动化和无线通信等技术的飞速发展，传统的家居设备本身存在通用性差、可扩展性低、标准不统一以及通信组网不便等诸多不足，越来越不能适应当下家居行业发展的需求。

智能家居(Smart Home)是基于计算机技术、自动化技术、网络通信技术、安全防范技术、传感器技术、综合布线技术和多媒体等技术的家居生活管理集成，是高效的日常事物管理系统。智能家居研究主要涉及智能家居布线系统、家庭网络系统、家居照明控制系统、家居控制管理系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等8大子系统的研究。借助现场总线技术，智能家居系统可以和各种模块系统相互通讯，再通过发送相关指令，指挥家居各系统分工协作，使家居更加舒适、方便、温馨、智能和安全。本次研究在分析智能家居系统特征与需求的基础上，借助LonWorks技术完成了整个智能家居系统模型的搭建，并运用ZigBee技术简化了系统布线，方便了无线接入。

1 基于LonWorks与ZigBee技术智能家居系统硬件设计

图1所示为基于LonWorks与ZigBee技术智能家居系统硬件框图。对于支持LON协议的设备，如LON照明控制器、LON空调控制器、LON给排水控制器等，可以直接通过电力线接到LonWorks总线上;对于485总线设备，如水电气三表，可以通过485-LON网关接到LonWorks总线上;对于无线设备，如蓝牙、红外、WiFi、WiMAX、ZigBee也可以通过相应网关接到LonWorks总线上。通过LonWorks总线与通用PC接口，如USB接口可完成整个系统的硬件设计。图1所示直接数字控制器(Direct digital controller，DDC)的主要作用是，通过数据网关或网络控制器连接现场设备，一方面与上级控制中心计算机进行数据交换，另一方面发出请求并接收各种控制命令。

2 基于LonWorks与ZigBee技术的智能家居系统软件设计

2.1 ZigBee协议栈Z-Stack程序的设计

整个Z-Stack采用分层的软件结构，硬件抽象层(HAL)提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer，通用 I/O口 GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集［6-8］。操作系统抽象层(OSAL)提供了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立任务来实现。整个ZStack的主要工作流程，大致分为系统启动、驱动初始化、OSAL初始化和启动，以及任务轮循。系统流程如图2所示。

2.2 ZigBee无线区域网络的建立

图3为ZigBee无线区域网络的建立流程。首先，每个设备的协议栈必须要对其PHY和MAC层初始化，每个网络必须且只能有一个是个人区域网络协调器(PAN Co-ordinator)，个人区域网络地址(PAN ID)作为网络标识，可以人为预定义;除64位IEEE MAC地址外，还须分配一个16位的短地址，选择2.4 GHz作为ZigBee通讯频率;设备以Co-ordinator的模式启动，然后就开放请求应答，有可以利用的Co-ordinator，设备就可以申请加入网络，如果设备被Co-ordinator接受，将获得短地址作为标识，即可传输数据。

图1 基于LonWorks与ZigBee技术的智能家居系统硬件框图

图2 Z-Stack系统流程图

图3 ZigBee无线局域网络建立流程

2.3 底层控制网络的搭建

此次研究基于LonWorks与ZigBee技术智能家居系统底层控制网络，采用Echelon公司提供的LonMaker for Windows软件搭建，并且进行控制网络的构建、安装和监护。在控制网络搭建过程中，借助海湾HW-DDC5208控制模块和HWDDC5210时钟模块，通过调用内置实时时钟功能模块(Real Time)和任务列表功能模块(Event Scheduler)，完成系统的时间事件控制模式设置，通过设置小状态机功能模块(Small State Machine)规则参数，完成整个系统控制方案的配置。底层控制网络图如图4所示。

图4 底层控制网络图

2.4 上层监控界面的设计

上层监控界面采用力控组态软件设计，整个监控软件主要包括3部分，即三表数据采集、有限控制和无线控制。通过三表数据采集显示水表、电表和气表的实时数据，方便抄表;对于照明、空调和给排水的控制，采用有线控制方式，点击相应按钮便可进入相关控制子界面，从而满足控制需求;借助ZigBee无线区域网络的组建，最终在力控组态软件中实现无线开关、无线插座和无线门磁的上层控制。上层监控界面如图5所示。

2.5 系统运行效果

借助动态数据交换技术(Dynamic Data Exchange，DDE)，上位PC机和下位DDC控制器可以较为方便地建立通讯通道，实现数据的相互访问。通过实验运行，底层控制网络与上层监控系统整体运行效果良好，可以实现监控系统的手动与自动控制。

图5 上层监控界面图

3 结语

本次研究首先利用LonWorks技术完成系统主体框架的搭建，再借助ZigBee技术完成部分局域无线网络的建立，使得智能家居系统既具有集中监视与分散控制的能力，同时又具有布线简化的优势。需要说明的是，物联网技术的迅速兴起也给智能家居的发展带来了新的机遇，未来的智能家居系统将会给用户提供一个便捷、高效、功能丰富的智能居住空间。

［1］Echelon Corporation.Introduction to the LonWorks System［G］.Echelon，1999:5-54.

［2］Echelon Corporation.LonMaker for Windows User's Guide［G］.Echelon，2001:70-76.

［3］张玉萍，佟为明，李辰.LonWorks总线实时通信协议的研究［J］.仪器仪表学报，2009，30(8):1783-1788.

［4］马占敖.基于LonWorks技术的智能建筑楼宇自动化系统的研究［J］.制造业自动化，2010，32(6):98-100.

［5］何芳，刘皓春，于海燕.基于LonWorks控制网络的多功能节点设计［J］.武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2009，31(5):708-711.

［6］Mao C H，Jyun C H，Jing C Y，et al.The Wireless Sensor Network for Home-Care System Using ZigBee［C］//Third International Conference on International Information Hiding and Multimedia Signal Processing.2007:643-646.

［7］Mantoro T，Elnour E E.Web-enabled Smart Home Using Wireless Node Infrastructure［C］//Proceedings of the 9th International Conference on Advances in Mobile Computing and Multimedia.ACM，2011:72-79.

［8］徐书芳，王金海，宫玉龙，等.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计［J］.电子技术应用，2013，39(8):80-83.