２０１１年第６期 （总第１１６期） 信息通信 ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ ２０１１ （Ｓｕｍ．Ｎｏ １１６） 基于ＦＰＧＡ￣ＵＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居系统 袁源。王紫婷，刘洋帆 （兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州７３００７０） 摘要：主要设计了一种智能装置一一智能家居系统，提出了一种采用ＦＰＧＡ技术￣ＺｉｇＢｅｅ的无线技术来完成对智能家居系 统的设计。该系统全部采用无线通信技术来完成，省去了重新布线的问题，能够实时采集温度、湿度和光照度信号，通过对信 号的处理，￣．ＰＤＡ、计算机或手机可以通ＬＣ＿Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或ＧＳＭ手机网络。在家中无人的情况下，帮助主人实现远程家务：远程烧 水，加热洗澡水，开头空调、窗帘等，从而为用户提供一种智能、灵活、方便的生活空间，并大大增强了系统的可扩展性，同样 也实现了现代社会“以人为本’’的全新家居生活体验。 关键词：智能家居；ＦＰＧＡ技术；ＺｉｇＢｅｅ技术；低功耗；远程控制；ＩＰ＿Ｌｉｎｋ１２７０ 中图分类号：ＴＰ３３２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１１３１（２０１１）０６ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｌｌｅｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｈｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｂｒｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｌｌ ａｄｏｐｔ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ，ｔｅｌｌ ｔｈｅ ｎｅｗ ｗｉｒｉｎｇ，ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ａｌｌｏｗｓ ＰＤＡ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅｓ ｔｏ ｄｏ ｔｈｅ ｈｏｕｓｅｗｏｒｋ ｗｉｔｈｏｕｔ ｐｅｏｐｌｅ ｂｅｉｎｇ ａｔ ｈｏｍｅ ｏｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｒ ＧＳＭ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｓｕｃｈ ａｓ ｂｏｉｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｏｖｅｒ ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｈｅａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｔｈ ｗａｔｅｒ，ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｎ ｏｒ ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｆｆ ｔｈｅ ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｒ ｃｕｒｔａｉｎｓ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｂｅｇｉｎ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｕｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｌｉｖｉｎｇ ｓｐａｃｅ，ａｎｄ ｇｒｅａｔｌｙ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ，ａｌｓｏ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｍｏｄｅｒｎ ｓｏｃｉｅｔｙ”ｐｅｏｐｌｅ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ”ａｓ ａ ｎｅｗ ｈｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ；ＦＰＧＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ； Ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉＰＬｉｎｋ１２７０ 智能家居保姆是指以现代住宅为平台，采用先进的电子传 典型搜索设备时延为３０ｍｓ，休眠激活时延为１５ｍｓ，活动设备信 道接入时延为１５ｍｓ；（５）开发成本低。由于网络协议简单，开发时 感技术和信息传输技术的开放性、智能化集成家居系统。它利 用网络通讯技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在 一间成本较低，而且ＺｉｇＢｅｅ协议免除专利费，ＺｉｇＢｅｅ的工作频率 采用ＩＳＭ频段，选择灵活。ＺｉｇＢｅｅ技术主要适用于自动控制以及 远程控制领域，还可以嵌入至各种设备中，完全符合家庭网络通 讯的需要，因此选择ＺｉｇＢｅｅ技术构建智能家居无线网络系统。 起，通过统筹规划，实现对住宅情况进行远程监控和实时管 理，为用户提供全方位的多功能服务。本文采用ＺｉｇＢｅｅ收发模 块及程控电话作为通信平台进行信息反馈和远程控制，实现了 电话远程报警、远程遥控等功能。 ２系统总体设计及主要功能 本系统是以单个家庭为单位进行安装，以智能家居系统中 １ ＺｉｇＢｅｅ技术简介 ＺｉｇＢｅｅ技术的主要优点有：（１）节点功耗低。节点的收发距 离短，所需功耗低。另外，ＺｉｇＢｅｅ技术配合芯片采用了多种节能 工作模式，可以确保两节五号电池支持长达６个月到１年半左右 的使用时间；（２）网络的白组织强；（３）网络容量大；（４）时延短。 的家电控制子系统为研究对象，采用ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术作为 数据传输平台，将各传感器节点采集到的环境信息通过ＺｉｇＢｅｅ 网络汇聚到网络中的控制中心节点，该控制中心节点再通过串口 发送数据到智能家居系统中的管理中心。该管理中心在智能控 敌方的通信系统。 最大的作战效能，将是我们长久面临的一个课题，唯有对抗干 （６）自适应调零天线。自适应天线系统是使卫星接收天线 在用户方向上具有高增益，在干扰方向上具有最低的增益（方 向图零点），两方向的增益差将能提高可容许的干扰与信号之 比，从而获得抗干扰能力。 扰策略做更深入的研究，才能在未来的信息化战争中占据有利 地位。 参考文献： ［１］翟利超，吕久明．数据链及其对抗方法研究［Ｊ］．舰船电子 对抗，２００４，２７（６）：２６—２９． 到目前为止还没有一种干扰手段或干扰技术措施能将所有 的通信进行有效干扰，同时也不存在一种通信手段或技术能抗 所有的干扰，因此必须发挥综合抗干扰的效能，要有针对性、 灵活性、适应性。针对不同的干扰方式和干扰样式综合应用不 同的抗干扰措施，各种措施兼容互补形成合力，发挥综合抗干 扰效能 。 ［２］闫宏生，王雪莉，杨军．计算机网络安全与防护［Ｍ］．电子工 业出版社．２００５ ［３］刘柱，张海勇．数据链通信及其抗干扰技术［Ｊ］．船舰电子 对抗，２００８，３１（５）：３６—３７． ３结语 在未来的战争中，数据链通信将使各作战指挥平台更加紧 密地联结在一起，在信息化战争中发挥更大的作用。如何在战 作者简介：张春晓（１９８８－），男，河南商丘人，在读硕士研究生， 研究方向为军事信息系统安全；孟晓锋（１９８６一），男，河南许昌 争中克服各种各样的干扰，让数据链这个“武器倍增器”发挥 ４２ 人，在读硕士研究生，研究方向为军事信息系统安全。 信息通信 制装置和每个子节点上都接有一个采用了ｌＡ］ｔｅｒａ公司推出的３２ 位高性能软处理器ｎｉｏｓ２，并移植了针对该处理器的ｕＣｌｉｎｕｘ操 袁源等：基于ＦＰＧＡ和ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居系统 围内提供２５０ｋｂｐｓ的速率：支持最新的ＲＳ２３２ ｍｅｓｈ透明串行 模式，能在网状或多次跳接（ｍｕｌｔｉｃｈｉｐ）无线网络内支持串行 数据路由，速率最高可达３８．４ ｋｂｐｓ．ＩＰ Ｌｉｎｋ１２７０是完全符合 ＩＥＥ８０２．１５．４标准与ＺｉｇＢｅｅ规范的２．４Ｇ Ｈｚ无线收发模块。射频 部分使用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ的Ｍｃ１３１９１／１３１９２／１３１９３芯片，ＭＣＵ使用的是 Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ的Ｍｃ９Ｓ０８ＧＴ６０芯片。 作系统。管理中心可根据接收到的数据进行处理，并通过家庭 总线系统与其他电器设备进行关联操作，实现家庭环境的监测 与管理，从而为家庭成员提供安全、舒适、温馨的生活环境。 本系统的家电智能控制子系统主要实现以下特色功能： （１）户式空调的智能控制： （２）室内空气质量检测与控制：通过对室内ｃ０，浓度的测 量来控制室内的通风量； （３）窗帘节能控制：通过窗帘的开度控制进入室内的太阳 辐射热； ４软件设计 本设计的软件程序是在Ｎｉｏｓ ＩＩ ＩＤＥ中由Ｃ语言编写的，在 Ｎｉｏｓ ＩＩ ＩＤＥ提供的工程管理器中完成所有的设计，特别在新 建工程时要选择在ＳＯＰＣ Ｂｕｉｌｄｅｒ中生成的Ｎｉｏｓ ＩＩ处理器，这 是和别的嵌入式开发不同的地方。系统的软件程序组成如图１ （４）灯光节能控制：利用太阳能光电转换装置，自动完成 电源的切换； （５）其他家电的控制（如：电视的开头、音响的开头等等）； （６）实现远程烧开水、烧洗澡水等控制； ３硬件设计 ３．１ ＦＰＧＡ部分 系统的核心控制部分由ＦＰＧＡ实现，它负责对系统中各个节点 采集到的数据进行汇总，并对整个系统进行智能控制。本设计中 硬件的设计都是基于Ａｌｔｅｒａ公司ＤＥ２－７０开发平台来实现的。ＦＰＧＡ 部分的设计思路是：从ＺｉｇＢｅｅ网络传输过来的数据经过串口后 存储到ＤＥ２＿７０开发板上的ＳＤＲＡＭ中，然后系统从ＳＤＲＡＭ中读取数 据后显示在ＬＣＤＡ￣，系统的整个软件都存储在Ｆｌａｓｈ中。 本设计利用ｚｉｇＢｅｅ网络在无线通信方面的优点和ｂ－ＰＧＡ的Ｉ／０端 口多，并且可自由定义其功能、自由编程支配等特点，再配 ｌｖＨＤ】／ Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ编写的内部执行软 琊Ｎｉｏｓ ＩＩ，能很好地解决无线数 据采集的问题。通过ＺｉｇＢｅｅ￣线网络将节点的数据传送￣ＵＺｉｇＢｅｅ 中继站，ＺｉｇＢｅｅ中继站使用异步串行通信的方式将数据送入ＦＰＧＡ 控制平台进行数据处理；在ＦＰＧＡ控制平台上，使用Ａｌｔｅｒａ的ＩＰ核构 ￣ｉＮｉｏｓ ＩＩ软核，再将其植入ＦＰＧ＾芯片中，然后通过编写软件来实 现ＦＰＧＡ控制平台的功能，当ＺｉｇＢｅｅ中继站将数据通过串口发送到 ＦＰＧＡ控制平台之后，按照程序设计的方案对收到的数据进行相应 的分析和处理，然后使用液晶显示屏将温度值显示出来。 系统的Ｎｉｏｓ ＩＩ软核结构如图１所示。 图１ ＦＰＧＡ部分硬件结构图 ３．２ ＺｉｇＢｅｅ平台部分 Ｈｅｌｉｃｏｍｍ公司推出的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 所示，主要包括底层驱动程序和上层应用程序设计。底层程序 包括硬件驱动程序和基本的输入输出函数（ＢＩＯＳ），用来供上层 程序的调用。 本文底层程序主要有ＬＣＤ１６０２的驱动程序和通用ＰＩＯ Ｈ的 读写程序。上层应用程序是以底层程序为基础的，本文的Ｎｉｏｓ ＩＩ软核上层程序主要完成两个功能，一个是读取串口数据并存 入ＳＤＲＡＭ，另一个是控￣ＬＣＤＩ６０２液晶对数值的显示。 ５结语 本系统通过ＦＰＧＡ和相应的外围臼，构建了一个嵌入式控制 处理平台，从而实现了智能家居控制部分的设计。基于ＦＰＧＡ技术 智能控制设计的优点就在于其设计的灵活性，ＦＰＧＡ有大量软核 和Ｉ／０口，可以方便进行二次开发，设计者可以根据实际需要很方 便的改变处理器的结构。ＺｉｇＢｅｅ网络的设计，优点在于其低功 耗、低成本和高度的扩充性。应用ＺｉｇＢｅｅ网络实现无线通信功 能，与有线传输方式相比，完全可以达到其相同的传输效果，并 可以避免现场的重复布线等不美观工作。 因此基于ＦＰＧＡ和ＺｉｇＢｅｅ的智能家居系统更具灵活性，功能 扩展也更加容易，系统升级也更方便，设计者可以根据实际需要 改变处理器的结构，改变网络的容量，使得智能家居的使用和 扩展有了很好的利用空间。 参考文献： ［１］刘经纬，关伟，郁建．基于ＤＭ６４２的智能家居保姆［ｃ］．电子 工业出版社，２００８：３７９—３９０ ［２］文璧，张洁，徐谦．基于无线射频与ＦＰＧＡ技术的数据采集 系统［Ｊ］．中国测试，２００９ ［３］张亮．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居环境监测系统［Ｄ］．武 汉科技大学硕士论文，２００９ ［４］南忠良，孙国新．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居系统设计 ［Ｊ］．电子设计工程，２０１０ ［５］王志华．基于ＦＰＧＡ的四路同步数据采集和处理系统的设 计［Ｄ］．南京理工大学硕士论文，２００７ ［６］李文仲．ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术入门与实战［Ｍ］．北京航空 航天大学出版社，２００７：１８４—２００ ［７］黄磊．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居方案研究［Ｊ］．微计算 机信息，２００９ ［８］孟祥敏，侯德文．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居系统的研 究［Ｊ］．信息技术与信息化，２００９ 作者简介：袁源（１９８６－），女，河南南阳人，硕士，研究方向为智能 仪器与虚拟仪器。 ４３