CN102448194A - 一种基于Zigbee的多媒体智能家居网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee的多媒体智能家居网络，包括智能家居网关、Zigbee终端和多媒体传感节点，所述智能家居网关通过Zigbee网络与多个Zigbee终端相连；所述智能家居网关包括Zigbee无线通信模块和ARM微处理器，且Zigbee无线通信模块和ARM微处理器相连。通过本发明使用Zigbee技术作为物理层、网络层设计标准；通过在家居环境设立多种类型的传感器节点，包括多媒体传感器节点，并设立家庭网关，达到监视、控制智能家居设备的目的，构建可通过互联网与移动设备接入的智能家居控制系统。

Description

一种基于Zigbee的多媒体智能家居网络

技术领域

本发明涉及一种智能家居网络，尤其涉及一种基于Zigbee的多媒体智能家居网络。

背景技术

智能家居[1]，或称智能住宅，在英文中常用Smart Home。综合利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居网络不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

近年来，随着网络技术和通信技术的迅速发展，以及我国实行“小康型”社会的需要，人们不仅对家居的自动化和信息化程度要求越来越高，而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性提出了更高的要求。这就需要建立完善的智能家居网络，并构建智能化小区，从而真正满足家庭自动化和信息化的要求，有效提高家庭生活质量。尤其是人们对多媒体业务的需求量日益增大，在传统的传感器网络中增加麦克风、摄像头等传感器模块，侧重音频、图像、视频等大信息量媒体的采集与处理。为传统智能家居网络增加多媒体业务将满足人们的多媒体需求，提高人们的生活质量。

家居监控应用中主要有两大类数据源[2]：语音、图像和视频等大数据量、高速率的多媒体压缩码流；各类安防传感报警、抄表数据和灯光、门禁及设备电源开关控制信号等小数据量、低速率标量数据。其中的标量数据通过现有的Zigbee技术方案已经可以监控与控制；但对于语音、图像和视频等数据的采集和传输方案仍未有相关研究。

多媒体智能家居网络，一方面可以提供视频监控、语音互动等多媒体功能，另一方面可以提供多媒体家电互通信能力，在多种设备间共享多媒体数据。该项目的推广应用，一方面将与家庭安防系统相结合，防火防盗；另一方面，将减少家庭中多媒体电子设备的重复投入，增加它们的利用率和使用率；最后，通过家庭内部数据网络的数据传输与共享，将减少多媒体数据对公共网络基础平台的依赖，达到降低公共网络基础平台数据流量的目的。

家居智能化的发展，得到社会研发人员的广泛支持，积极投入，随着人们生活水平的提高，将具有更加广阔的发展空间。智能家居领域的通信、组网方式先后经历了有线、无线发展的阶段，事实证明，无线通信与组网为智能家居的推广提供了良好的保证：技术方面的优越性，使用上的方便性，成本的低廉因素，都是众多家庭支持智能家居化发展的重要因素。时代的发展，技术的更新，会让全世界的人们逐步采用这一技术，为自己的生活提供各种方便。而智能家居化在无线通信与组网方面，采用Zigbee技术，具有特别重要和关键的意义，也将成为以后的发展方向。基于Zigbee技术的产品销售额比两年前翻了3倍，Zigbee技术在智能电网，智能家居等方面都取得了广泛的应用。Zigbee技术在智能家居化领域的应用，不仅具有其重要、关键的特点，也将为相关领域、行业的技术进步产生一定的推动作用：

1)推动无线通信领域在楼宇智能化、工业场所的应用。Zigbee技术在智能家居领域的成功应用，因其特点和优越性能突出。由此产生的推广使用，将有更多的研发人员和爱好者尝试在工业场合、楼宇智能领域的应用和技术的更新。

2)引领行业技术创新。Zigbee技术是无线通信领域的重要组成部分，此技术在智能家居化领域的良好发展与广泛应用，将会引领更多的人从事该技术的研究与开发工作，更多的爱好者投入无线通信领域，去研究去探索，将会有更多的领域行业采用该技术，无线取代有线，引领行业技术创新。

3)推动相关行业重视从量变到质变的发展。传统的通信方式，在各大领域和行业中，多数采用有线的方式，基本能保证安全与可靠，方案的实施也是简单。随着智能家居全面推广化，无线通信与组网方式的良好应用，会让传统的技术和研发人员考虑采用这一新型技术的应用，从根本上改变落后的手段和技术，不再一味的寻求简单方便的安装手段，而是从用户的应用灵活性方面考虑，更多的人性化特点，让相关行业产生从量变到质变的技术更新革命

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于Zigbee的多媒体智能家居网络。本发明解决了1)多媒体Zigbee网络的搭建部分：多媒体传感器节点的设计与选型。2)多媒体Zigbee网络MAC协议的设计：MAC层超帧结构设计和与应用层接口设计。3)无线网关设计部分：无线网关的硬件设计和网络系统工作流程设计。4)Zigbee通信信道设计与视频编码技术：利用Zigbee的多信道设计，以及视频数据的多编码技术，实现Zigbee网络中的视频传输。重点解决视频数据流量远大于Zigbee单信道吞吐量的问题。

所述技术方案如下：

一种基于Zigbee的多媒体智能家居网络，包括：

智能家居网关、Zigbee终端和多媒体传感节点，所述智能家居网关通过Zigbee网络与多个Zigbee终端相连；所述智能家居网关包括Zigbee无线通信模块和ARM微处理器，且Zigbee无线通信模块和ARM微处理器相连。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过使用Zigbee技术作为物理层、网络层设计标准；通过在家居环境设立多种类型的传感器节点，包括多媒体传感器节点，并设立家庭网关，达到监视、控制智能家居设备的目的，构建可通过互联网与移动设备接入的智能家居控制系统。

附图说明

图1是多媒体智能家居系统结构图图；

图2是智能家居网关结构图；

图3是音频传感节点设计示意图；

图4是Zigbee无线通信模块软件流程图；

图5是Zigbee通信模块初始化流程图；

图6是系统主机工作流程图；

图7是GPRS通信模块工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：

参见图1，展示了多媒体智能家居系统结，包括智能家居网关、Zigbee终端和多媒体传感节点，所述智能家居网关通过Zigbee网络与多个Zigbee终端相连；所述智能家居网关包括：Zigbee无线模块和ARM微处理器，且Zigbee无线模块和ARM微处理器相连。其Zigbee负责终端智能网关作为智能家居网络的核心。Zigbee终端与媒体传感节点、三表和家用电器，所述多媒体传感节点包括视频传感器结点、音频传感器结点和图像传感器结点。

参见图2，展示了智能家居网关结构，包括智能家居网关结构，智能家居网关主要由ARM微处理器作为中央处理部件，通过Zigbee无线通信模块与Zigbee网络相连。另外通过多个通信模块即GSM模块、GPRS模块、IEEE802.1B/G模块和Ethernet可以实现与多种通信网络的连接。智能网关可通过GSM/GPRS模块接入移动网络与手机进行通信；也可通过无线IEEE802.1端口或以太网接口接入Internet与PC机通信。智能家居网关起到了连接系统中所有网络设备的作用，通过智能网关实现协议的转换与智能节点的监控。

参见图3，选择面向多媒体应用的专用DSP芯片TMS320DM642专门负责音视频采集、压缩编码、视频移动侦测等视音频信号处理，构成视音频信号处理子系统。

视音频信号处理子系统中，由音频、图像A/D转换芯片(AIC23、TVP5150)将模拟音频、视频信号转换成数字音频、视频信号输入到DM642的多通道缓冲串口(McBSP)和视频接口，继而由DM642进行音视频编码与移动侦测产生符合MPEG.4/H.264标准的压缩音视频码流和移动侦测结果：此外，为DM642配备专用的FLASH和SDRAM以存储代码及音视频数据。

音视频采集卡拟采用的DM642芯片，具有视频采集以及视频数据编解码的功能，其编码格式采用的是标准的MPEG-4的格式，图像采用qcif格式，帧率为每秒6帧。。音频数据通过音频A/D转换芯片AIC23转换后与DM642连接。音视频数据采集并编码后，经过面向多媒体应用的专用芯片TMS320DM642可通过SPI来传输给ZigBee节点的通信芯片CC2430，由ZigBee节点把数据转发给ZigBee网络的协调器。协调器可以通过IP网络或GPRS/CDMA等移动通信网，使用PDA或PC进行客户端对智能家居网关的访问，从而实现视频监控功能。

主控芯片通过DM642的外部主机接口对DM642进行控制、读取压缩视频流和视频信号处理结果。

视频采集使用的硬件选用串口摄像机。串口摄像机采用了优化的串行通讯协议，支持分包传输，使主机可以配置更小的缓存，同时提供了TTL电平和RS232电平两种输出。通过串行通信实现与主机之间的指令和数据的传输，主机可对其进行波特率、图像分辨率、发送方式等状态参数的设定。

图像传感器节点是无线多媒体传感器节点的一个重要部分，也是智能家居网络能够实施的重要环节。常用的图像传感器主要有CMOS和CCD两大类。电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device，简称CCD)，它是一种特殊的半导体材料，由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的。CCD图像传感器具有高分辨率、低噪声、高敏感度、动态范围宽、良好的线性特性等优点。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)图像传感器与CCD相比，体积小，耗电量只有CCD的1/10左右，成本也只有CCD的1/3左右。并且，CMOS传感器能将时序控制电路和图像信号的前端放大与数字化部分集成于一个芯片内，因此，其发展一直受到业界的高度重视。随着技术与工艺的发展，CMOS传感器不仅在噪声性能上得到了有效改善，而且分辨率也已得到了明显提高。CMOS图像传感器集成度高、体积小、功耗低，非常适用于有节能需求的无线多媒体传感器节点的设计。

参见图4，展示了Zigbee无线通信模块软件流程，主要包括系统异常报警信号的传输和接收、Zigbee采集模块与家居智能网关之间的数据传输控制等。具体包括：

初始化Zigbee无线通信模块；

模式选择并判断报警模式、接收模式和发送模式的类别。

报警模式，与系统主板进行通信；用来接将主板给出的报警信息，并将信息准备发送给智能网关，是主板与Zigbee通信模块通信前的准备。准备好以后可以进入接收和发送模式。

接收模式，通过继电器与多媒体数据采集节点相连，置于接收状态。当接收到智能网关发送过来的控制指令时，控制多媒体传感器执行相应的开关动作。

发送模式，通过Zigbee无线通信网络，置于发送状态。当ZigBee模块CC2430接收到系统主板的数据信息时，将数据信息发送给智能网关节点。

CC2430模块的接收与发送模式可通过拨码开关进行切换设定，还可以通过软件进行控制。

参见图5，展示了Zigbee通信模块初始化流程，包括：

Zigbee无线智能网关通过广播的形式广播组网信息；

在系统上电后，家庭网关广播系统初始化。

终端结点收到信息后加入网络，并进入睡眠状态；

由控制信息唤醒后通过响应各类中断进行信息处理。

首先判断初始化是否成功，如果是则进入节点进入低功耗模式，并判断节点电量是否低，如果电量低，则唤醒节点，并相应实时中断、SPI中断和IRQ中断，在响应实时中断后，产生随机延时，上传采集信息并判断数据是否错误；在相应SPI中断后，下传控制信息控制相应的设备，在i＝0通信成功，在i＝i+1时，判断i＞＝3是等待随机延时或者排除异常设备。在响应IRQ终端后，判断电量是否低，如果低则发出报警信息通信完成。

参见图6，展示了系统主机工作流程，包括：

用户发送命令请求到GPRS通信控制模块；

MC35i收到命令传给微处理器，微处理器解析该命令并生成相应的控制命令传输给CC2430模块，由该模块将命令发送给相应的无线网络终端设备。

GPRS通信控制模块解析请求，并建一帧数据包，并同目的进程标号发送到主控制模块，主控制模块转发到Zigbee控制模块；

无线网络终端设备收到命令后进行命令识别：如果是设备控制命令，则进行相应操作后通过CC2430向主机回复操作成功命令；如果是读取无线传感器状态命令，则向主机回复当前传感器状态。

Zigbee控制模块将接收到的数据帧经过相反的流程发送到GPRS通信控制模块，并传送到远程用户。

主机接收无线网络终端设备回复的数据后：如果是传感器节点回复的监测状态，则根据状态数据进行处理；若是正常范围值则不进行报警操作；若达到报警状态则根据无线传感器节点信息进行相应的报警操作(包括：语音电话报警、发短信给指定手机、警示音报警、发送监控图像给指定手机、主动上传报警信息到服务器等)；如果是无线设备控制节点回复的操作成功信息，则提醒操作成功；如果是无线设备控制节点回复的操作失败信息，则重复上次操作命令，若操作3次后均失败，则提醒操作失败。

用户通过GPRS发起一次对家庭内信息家电的查询或控制过程具体包括：首先，基于GPRS驱动程序，家庭网关应用程序的GPRS软件控制模块会接收到用户的请求；接着解析请求，按照家庭智能网络内的通信协议组建一帧数据包；然后再加上目的进程标号(发向Zigbee模块则标志为1)发送给主控模块，主控模块接收到数据分析出此数据包是发送给Zigbee控制模块就转发给Zigbee控制模块。Zigbee控制模块通过Zigbee硬件模块发送给信息家电，将接收到的信息帧经过相反的流程发送给GPRS控制模块，最后传送给远程用户。

同样，对于Internet控制模块及家庭内手持控制终端发出的查询控制指令，以及家电发起的报警帧都经过相同的转发路径实现多进程之间的调度，从而完成整个网关功能的实现。

参见图7，是GPRS通信模块工作流程，GPRS无线数据传输是整个家庭网关远程监控的一个亮点。本系统需要利用TCP/IP协议完成GPRS业务数据的装帧和拆帧。数据的完整流程为：家庭网关将信息数据按照TCP数据报的格式封装为TCP数据报，加上P报头和报尾封装为P数据报，之后将口数据报按照PPP帧的帧格式封装为PPP帧，然后通过串口传给GPRS模块。GPRS模块将接收的数据帧通过无线链路传送到SGSN(Serviee GPRS Support Node)。SGSN进行相应的协议转换，按照GPRS特有的GTP(GPRS Tunnel Protoc01)将其封装成GTP包，然后通过GPRS骨干网传送到相应的GGSN(Gateway GPRS Support Node)。GGSN也进行相应的协议转换，再根据外部数据网的协议格式进行新的封装，并且根据其目的IP地址选择路由进行传送，从而最终传送到监控中心。监控中心收到上传的信息数据后，根据移动终端的口地址和端口号下发确认信息给家庭网关，完成数据的传输。

GPRS网络完全采用TCP/IP协议进行通信，因此必须在系统中实现嵌入式TCP/IP协议，也就是合理地简化TCP/IP协议。TCP/IP协议是一个为广域网设计的标准协议，从下到上依次分为四个层：数据链路层，网络层，传输层和应用层。本设计数据链路层应用PPP协议，传输层采用面向连接的TCP协议。PPP协议作为Linux操作系统的一个重要组成部分，支持串行线上的TCP/IP数据传输，这就使用户可以通过串口与GPRS模块通讯，并通过GPRS网络连入Internet。家庭网关上电或复位后，首先等待参数配置命令。如果收到配置命令，则进入配置状态：否则，读取片内用户FLASH中保存的配置信息。接着通过串口向GPRS无线模块发送相应的AT指令，GPRS模块开始进行拨号和PPP协商过程。当PPP协商成功，无线模块登陆网络成功后，系统通过加载PPP/TCP/UDP/IP等协议，同中心建立起SOCKET连接，数据的双向传输通道建立，系统进入发送、接收用户数据和定时向数据中心注册的循环状态。

Zigbee路由器要对路由表进行维护。路由选择前要进行初始化，应用层发送NLDE-DATA.request原语，其参数DiscoverRoute值为TRUE，然后网络层建立一个路由选择表人口和路由搜索表入口；接到路由选择请求时，要对路由请求帧判断并应答；然后检查地址是否为目标设备，如果不是还得计算从前一个设备到本设备传送该帧的链路成本，并向目标地址单播该路由请求命令，同时刷新路由表。路由器节点的工作流程为：①路由结点加电并初始化；②初始化网络节点；③与网络协调器进行握手申请入网。如果被接收则打开接收机等采集终端加入并分配短地址，否则等待；④执行路由任务并定时查询温度并上传。数据采集终端入网后定时循环查询各个网络节点的数据，根据需要将数据上传。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，包括智能家居网关、Zigbee终端和多媒体传感节点，所述智能家居网关通过Zigbee网络与多个Zigbee终端相连；所述智能家居网关包括Zigbee无线通信模块和ARM微处理器，且Zigbee无线通信模块和ARM微处理器相连。

2.根据权利要求1所述的基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，所述Zigbee终端与三表、家用电器和多媒体传感节点连接；且多媒体传感节点包括视频传感节点、音频传感节点和图像传感器节点。

3.根据权利要求1所述的基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，所述ARM微处理器还分别连接设置有GSM模块、GPRS模块、IEEE802.1B/G模块和Ethernet；所述GSM模块通过移动网络连接用户终端；所述IEEE802.1B/G模块和Ethernet网络接口通过Internet网络连接于用户主机。

4.根据权利要求1所述的基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，所述Zigbee无线通信模块中包括报警模式、接收模式和发送模式，其无线通信模块的流程包括：

初始化Zigbee无线通信模块；

模式选择并判断报警模式、接收模式和发送模式的类别；

报警模式，与系统主板进行通信；

接收模式，通过继电器与多媒体数据采集节点相连，置于接收状态；

发送模式，通过Zigbee无线通信网络，置于发送状态。

5.根据权利要求4所述的基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，所述Zigbee无线通信模块的初始化过程包括：

Zigbee无线智能网关通过广播的形式广播组网信息；

终端结点收到信息后加入网络，并进入睡眠状态；

由控制信息唤醒后通过响应各类中断进行信息处理。

6.根据权利要求5所述的基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，所述Zigbee无线智能网关的工作流程包括：

远程服务器将相应的命令通过系统主机传输到微处理器，解析命令后生成相应的控制命令并传输发送到相应的无线网略终端设备；

对收到的命令进行识别，并根据识别回复系统主机操作命令或回复当前传感器状态；

系统主机判断是否为传感器节点回复的监测状态数据进行处理。

7.根据权利要求6所述的基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，所述系统主机的具体流程包括：

用户发送命令请求到GPRS通信控制模块；

GPRS通信控制模块解析请求，并建一帧数据包，并同目的进程标号发送到主控制模块，主控制模块转发到Zigbee控制模块；

Zigbee控制模块将接收到的数据帧经过相反的流程发送到GPRS通信控制模块，并传送到远程用户。

8.根据权利要求7所述的基于Zigbee的多媒体智能家居网络，其特征在于，所述GPRS通信控制模块与家庭网关具体工作流程包括：

家庭网关将信息数据通过封装格式并携带报头和报尾封装的数据报通过PPP帧格式封装为PPP帧，传输给GPRS通信控制模块；

GPRS通信控制模块按照GPRS含有的GTP将接收到的数据帧封装成GTP包；

GPRS通信控制模块传送到相应的GGSN，并进行相应的协议转换，然后根据外部数据网的协议格式进行新的封装，且根据其目的IP地址选择路由进行传送，传送到监控中心；

监控中心收到上传的信息后，根据移动终端的口地址和端口号下发确认信息给网关，完成数据的传输。

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