基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统及其方法与流程

本发明涉及电子信息通信领域，尤其涉及一种基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统及其方法。

背景技术：

目前，智能家居领域的国际标准尚未成熟，各大厂商和相关组织机构正在着手建立和制定智能家居系统内部设备之间的网络接口标准和数据传输协议，但是就目前情况来看，智能家居通讯协议阵营复杂，而且各不兼容。关于通讯协议，智能家居领域已经有不少通信协议了，WiFi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave等等。估计开发者在选用哪种协议的时候头都大了，最后很可能像Homey一样被迫支持八种通信协议。现在，三星、Nest、ARM 又联手推出了一种新的协议Thread。不知道Thread会加速行业统一标准形成，还是让原本已经够乱的通信协议更加 “剪不断、理还乱”。

现在比较常用的网络协议有 WiFi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave，不过都有存在以下的不足：

1、WiFi 的功耗比较大，适合传输大量的数据；

2、蓝牙功耗比较低，但现在还存在蓝牙 2.0 与蓝牙 4.0 并存的混乱局面，且不支持 IPv6；

3、Z-Wave 由丹麦公司 Zensys 主导，暂时还不够强大，选用者太少。

在智能家居系统设计中，在尽可能保持标准统一的前提下，针对各种信号类型来选择合适的总线或无线技术并设计主控制器己成为智能家居建设的首要问题。在有线方式中，各传感器和控制器的连接通过总线，它的优点是可以简化各功能单元的设计，缺点就是布线多，结构复杂，也存在总线协议设计选择的问题。

在目前的智能家居系统中，系统通信模块一般与功能控制模块集成在一起，在智能家居系统发展的早期，智能家居生产厂商比较少，且各个系统比较独立，这样可以增加系统集成，降低系统成本，推动了智能家居的发展。但随着人们生活水平的提高，各种家居设备发展迅速，家居系统网络技术(有线和无线技术)的不断应用，采用通信模块和功能控制模块集成的传统智能家居系统具有通用性不好，系统难维护和设计不灵活等缺点。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统及其方法，本发明的智能家居系统具有复用性，安装容易，调试简单，通用性好等特点。

为实现上述目的，本发明提供一种基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统，包括主节点智能家居网络控制器和分布在每个房间内的家居网络设备，所述家居网络设备均与主节点智能家居网络控制器通信连接，所述房间的数量至少为一个；

每个房间内的家居网络设备包括分节点智能家居网络控制路由器、多个家居设备、多个作为家居设备的功能执行机构的功能驱动模块和多个分节点智能家居网络控制器；每个家居设备与对应的功能驱动模块交互连接，每个功能驱动模块与对应的分节点智能家居网络控制器进行交互连接，每个分节点智能家居网络控制器均与分节点智能家居网络控制路由器进行通信连接；

每个房间的分节点智能家居网络控制路由器与主节点智能家居网络控制器之间进行通信连接后形成该系统的Zigbee无线通信网络；

主节点智能家居网络控制器建立Zigbee智能网络后，各个房间的分节点智能家居网络控制路由器随后加入该网络，由此两者共同组成了一个簇状的Zigbee无线家居网络；当需要对某一家居设备进行控制或者监测时，主节点智能家居网络控制器找到与该家居设备相连的分节点的ID信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的分节点智能家居网络控制路由器，分节点智能家居网络控制路由器再将信息转发给对应的分节点智能家居网络控制器，分节点智能家居网络控制器接收到信息后，送入对应的功能驱动模块；最后由功能驱动模块对该家居设备进行相应的操作。

其中，主节点智能家居网络控制器和每个分节点智能家居网络控制器内均设有一Zigbee无线收发模块，且主节点智能家居网络控制器还设置有GPRS模块，所述主节点智能家居网络控制器通过GPRS模块与移动电话和互联网通信连接，可通过互联网和移动电话对家居设备进行远程监控；

功能驱动模块对对应的家居设备进行的相应操作有：可以通过移动电话或者互联网远程监测，用户远程监测时，发送信息到GPRS模块中的SIM手机号码，GPRS模块接收到该信息，传给主节点智能家居网络控制器，主节点智能家居网络控制器对该信息进行解析，并通过Zigbee无线通信发送到相应的家居设备。

其中，所述Zigbee无线通信网络采用Zigbee簇状结构组建无线智能家居网络。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调方法，该方法为：

主节点智能家居网络控制器建立Zigbee智能网络后，各个房间的分节点智能家居网络控制路由器随后加入该网络，由此两者共同组成了一个簇状的Zigbee无线家居网络；当需要对某一家居设备进行控制或者监测时，主节点智能家居网络控制器找到与该家居设备相连的分节点的ID信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的分节点智能家居网络控制路由器，分节点智能家居网络控制路由器再将信息转发给对应的分节点智能家居网络控制器，分节点智能家居网络控制器接收到信息后，送入对应的功能驱动模块；最后由功能驱动模块对该家居设备进行相应的操作。

其中，Zigbee智能网络的组网流程具体如下：

首先由充当网络协调器的主节点智能家居网络控制器发起请求并建立网络，同时创建一个网络邻接表，随后为每个分节点智能家居网络控制路由器分配一个16位PAN m，并将信息添加到该网络邻接表中，网络节点的添加就完成了。

其中，当家居设备想加入该网络时，将自身信息发送给分节点智能家居网络控制路由器，再由分节点智能家居网络控制路由器将此信息转发给主节点智能家居网络控制器，主节点智能家居网络控制器根据不同分节点智能家居网络控制路由器转发来的信息进行分组，然后为每个家居设备分配一个16位的PAN ID，再将此家居设备添加到网络邻接表中，标志终端设备被添加到此网络中。

其中，网络协调器在Zigbee智能网络中起着至关重要的作用，除了直接参与网络的应用之外，还要完成许成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发任务。

其中，自适应网络协调器选择方法具体为:

首先考虑到网络协调器随时有终止正常工作的可能性，所以设定各个房间的分节点智能家居网络控制路由器在各节点设备请求数据传输的时候要先广播搜寻网络内是否存在网络协调器；当搜索到网络中存在网络协调器，则发送一个信标帧给该网络协调器，通知它有一组数据将要进行发送；如果网络协调器处于空闲状态则发送一个确认帧给分节点智能家居网络控制路由器，并分配相应信道给分节点智能家居网络控制路由器，分节点智能家居网络控制路由器再转发给家居设备，家居设备接收到确认帧后开始数据的发送；若此时网络协调器并不空闲，处于工作状态，则不对分节点智能家居网络控制路由器发送的信标帧作出反映，分节点智能家居网络控制路由器则按规定的时间间隔向网络协调器发送信标帧提出请求直至网络协调器空闲；当分节点智能家居网络控制路由器在搜索网络时没有发现网络协调器，则可自动组建网络，临时担当网络协调器的职责，并分配16位的PAN ID地址给网络设备；各家居设备想要进行数据交换时，则可按照上述步骤进行；在网络协调器不能正常工作的时候，这种方法可以使家居设备暂时由分节点智能家居网络控制路由器来进行控制。

与现有技术相比，本发明提供的基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统及其方法，

该智能家居系统主要包括主节点智能家居网络控制器、分节点智能家居网络控制路由器、作为家居设备的功能执行机构的功能驱动模块和分节点智能家居网络控制器；每个房间的分节点智能家居网络控制路由器与主节点智能家居网络控制器之间进行通信连接后形成该系统的Zigbee无线通信网络，是整个智能家居系统的通信网络，该系统及方法的改进，具有如下有益效果：

1) 将zigbce无线通信技术应用于智能家居中，提出一种采用Zigbee无线通信技术的智能家居系统设计方案。与传统智能家居系统相比，具有免布线，维护方便，运行费用低，实时在线监控，对家居内部各种数据进行无线采集和传彩等特点；

2) 针对智能家居网络特点，采用簇状网络组建智能家居内部网，并提出一种自适应智能家居网络协调器选择策略，可克服因意外导致网络瘫痪的弊端；

3)提高家居网络数据传输可靠性；

4）使家居网络具有自组织性，自适用性；

5）提高网络安全性等；

6）使系统具有可扩展性。

附图说明

图1为本发明的基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统的示意图；

图2为本发明中自适应网络协调器选择方法。

主要元件符号说明如下：

10、主节点智能家居网络控制器 11、家居网络设备

12、移动电话 13、互联网

101、GPRS模块 111、分节点智能家居网络控制路由器

112、家居设备 113、功能驱动模块

114、分节点智能家居网络控制器。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明的基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统，包括主节点智能家居网络控制器10和分布在每个房间内的家居网络设备11，所述家居网络设备11均与主节点智能家居网络控制器10通信连接，所述房间的数量至少为一个；

每个房间内的家居网络设备包括分节点智能家居网络控制路由器111、多个家居设备112、多个作为家居设备112的功能执行机构的功能驱动模块113和多个分节点智能家居网络控制器114；每个家居设备与对应的功能驱动模块交互连接，每个功能驱动模块与对应的分节点智能家居网络控制器进行交互连接，每个分节点智能家居网络控制器均与分节点智能家居网络控制路由器进行通信连接；

每个房间的分节点智能家居网络控制路由器与主节点智能家居网络控制器之间进行通信连接后形成该系统的Zigbee无线通信网络；

主节点智能家居网络控制器建立Zigbee智能网络后，各个房间的分节点智能家居网络控制路由器随后加入该网络，由此两者共同组成了一个簇状的Zigbee无线家居网络；当需要对某一家居设备进行控制或者监测时，主节点智能家居网络控制器找到与该家居设备相连的分节点的ID信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的分节点智能家居网络控制路由器，分节点智能家居网络控制路由器再将信息转发给对应的分节点智能家居网络控制器，分节点智能家居网络控制器接收到信息后，送入对应的功能驱动模块；最后由功能驱动模块对该家居设备进行相应的操作。本发明是将功能驱动模块和分节点智能家居网络控制器分开实现的方案，功能控制驱动模块实现与各种家居设备的接口，并为家居设备的功能执行机构。

在本实施例中，主节点智能家居网络控制器10和每个分节点智能家居网络控制器114内均设有一Zigbee无线收发模块，且主节点智能家居网络控制器10还设置有GPRS模块101，所述主节点智能家居网络控制器通过GPRS模块101与移动电话12和互联网13通信连接，可通过互联网和移动电话对家居设备进行远程监控；功能驱动模块对对应的家居设备进行的相应操作有：可以通过移动电话或者互联网远程监测，用户远程监测时，发送信息到GPRS模块中的SIM手机号码，GPRS模块接收到该信息，传给主节点智能家居网络控制器，主节点智能家居网络控制器对该信息进行解析，并通过Zigbee无线通信发送到相应的家居设备。本系统采用该设计方案，可以方便地组建智能家居系统网络，与各个家居设备进行通信，当新加入家居设备时，只需要对功能控制模块进行相应的修改，当删除家居设备时，也只需要移除相应的智能家居网络控制器分节点。因此该方案具有设计灵活，通用性好，可扩展性好等优点。

在本实施例中，Zigbee无线通信网络采用Zigbee簇状结构组建无线智能家居网络。目前，大部分的无线智能家居网络都采用的是星型网络，以一台PC机作为主控制器，在PC机上外接一个FFD Zigbee模块，从而充当星型网络中的网络协调器，它结构简单，易于维护，但同时也存在着一个很严重的缺点：一旦网络协调器损坏或者能量耗尽，整个网络将处于瘫痪状态，无法实现控制操作，智能家居也失去了意义。而网状网络结构比较复杂，相比之下价格昂贵，对于智能家居实现低成本的目的来说不太适用，并且由于可通信节点过多，容易产生信道冲突，会增加消息传递的延迟和通信开销。因此，本发明结合智能家居的实际情况采用了Zigbee簇状结构组建无线智能家居网络。网络结构的设计考虑到智能家居系统具有复用性，安装容易，调试简单，通用性好等特点，本案采用了模块化设计原则，即家居系统的通信部分和功能驱动模块分开实现，通信部分由分节点智能家居网络控制器来充当。智能家居网络控制器主节点作为家庭网络的网络协调器即智能家居设备的主控制器，同时在每一个房间安装一个分节点智能家居网络控制路由器实现家庭网络的路由器功能，每个家居设备也连接一个智能家居网络控制器分节点，这样组成一个小型家庭簇状网络。

簇型网络也是对等网络的一种应用，在此中网络中，绝大多数的设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(Cluster Header，CLH)并将簇标识号(Cluster Identifier，CID)设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识号，形成网络的第一个簇，接着，网络协调器开始广播信标帧。临近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的字设备加入到网络协调器的邻居节点列表中，新加入的设备将簇头作为它的父设备加入到字节的邻居节点列表中。

对于家庭系统网络结构，首先需分清楚两个概念，即网内标识符和全球唯一标识符。在Zigbee网络中，设备地址有两种格式：16位(2个字节)的短地址和64位(8个字节1的扩展地址。16位短地址是设备与PAN网络协调设备关联时，由协调设备分配的网内局部地址，是该设备在这个局域网内的标识符；而64位扩展地址是全球唯一地址，在设备出厂时、进入网络之前由生产厂家分配好，这方面工作由Zigbee联盟负责。16位短地址只能保证在PAN网络内部是唯一的，由网络协调器在组建网络的时候为每个网内节点分配，所以在使用16位短地址通信时需要结合16位的PAN网络标识符才有意义。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调方法，该方法为：

主节点智能家居网络控制器建立Zigbee智能网络后，各个房间的分节点智能家居网络控制路由器随后加入该网络，由此两者共同组成了一个簇状的Zigbee无线家居网络；当需要对某一家居设备进行控制或者监测时，主节点智能家居网络控制器找到与该家居设备相连的分节点的ID信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的分节点智能家居网络控制路由器，分节点智能家居网络控制路由器再将信息转发给对应的分节点智能家居网络控制器，分节点智能家居网络控制器接收到信息后，送入对应的功能驱动模块；最后由功能驱动模块对该家居设备进行相应的操作。Zigbee智能网络的组网流程具体如下：

首先由充当网络协调器的主节点智能家居网络控制器发起请求并建立网络，同时创建一个网络邻接表，随后为每个分节点智能家居网络控制路由器分配一个16位PAN m，并将信息添加到该网络邻接表中，网络节点的添加就完成了。

在本实施例中，当家居设备想加入该网络时，将自身信息发送给分节点智能家居网络控制路由器，再由分节点智能家居网络控制路由器将此信息转发给主节点智能家居网络控制器，主节点智能家居网络控制器根据不同分节点智能家居网络控制路由器转发来的信息进行分组，然后为每个家居设备分配一个16位的PAN ID，再将此家居设备添加到网络邻接表中，标志终端设备被添加到此网络中。网络协调器在Zigbee智能网络中起着至关重要的作用，除了直接参与网络的应用之外，还要完成许成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发任务。

请参阅图2，同时考虑到整个家居网络的健全性，一旦主节点发生瘫痪，采用相应策略由某个房间的路由器充当主节点功能。该策略具体为自适应网络协调器选择方法，自适应网络协调器选择方法具体为:首先考虑到网络协调器随时有终止正常工作的可能性，所以设定各个房间的分节点智能家居网络控制路由器在各节点设备请求数据传输的时候要先广播搜寻网络内是否存在网络协调器；当搜索到网络中存在网络协调器，则发送一个信标帧给该网络协调器，通知它有一组数据将要进行发送；如果网络协调器处于空闲状态则发送一个确认帧给分节点智能家居网络控制路由器，并分配相应信道给分节点智能家居网络控制路由器，分节点智能家居网络控制路由器再转发给家居设备，家居设备接收到确认帧后开始数据的发送；若此时网络协调器并不空闲，处于工作状态，则不对分节点智能家居网络控制路由器发送的信标帧作出反映，分节点智能家居网络控制路由器则按规定的时间间隔向网络协调器发送信标帧提出请求直至网络协调器空闲；当分节点智能家居网络控制路由器在搜索网络时没有发现网络协调器，则可自动组建网络，临时担当网络协调器的职责，并分配16位的PAN ID地址给网络设备；各家居设备想要进行数据交换时，则可按照上述步骤进行；在网络协调器不能正常工作的时候，这种方法可以使家居设备暂时由分节点智能家居网络控制路由器来进行控制。

本案中一旦原网络协调器不能正常工作，在原网络协调器恢复正常之前，这段期间内想要进行数据交换的任何一台分节点智能家居网络控制路由器都可以根据情况自动充当网络协调器。各终端节点在准备通信之前发送一个信标帧给目的节点，目的节点接收到信标帧后发送一个确认帧给源节点，源节点收到确认帧并确认信道是否处于空闲状态，若是则开始进行数据的发送。

相较于现有技术的情况，本发明提供的基于Zigbee无线通信技术的智能家居系统的协调系统及其方法，该智能家居系统及方法主要包括主节点智能家居网络控制器、分节点智能家居网络控制路由器、作为家居设备的功能执行机构的功能驱动模块和分节点智能家居网络控制器；每个房间的分节点智能家居网络控制路由器与主节点智能家居网络控制器之间进行通信连接后形成该系统的Zigbee无线通信网络，是整个智能家居系统的通信网络，该系统及方法的改进，具有如下有益效果：

1) 将zigbce无线通信技术应用于智能家居中，提出一种采用Zigbee无线通信技术的智能家居系统设计方案。与传统智能家居系统相比，具有免布线，维护方便，运行费用低，实时在线监控，对家居内部各种数据进行无线采集和传彩等特点；

2) 针对智能家居网络特点，采用簇状网络组建智能家居内部网，并提出一种自适应智能家居网络协调器选择策略，可克服因意外导致网络瘫痪的弊端；

3)提高家居网络数据传输可靠性；

4）使家居网络具有自组织性，自适用性；

5）提高网络安全性等；

6）使系统具有可扩展性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。