英语原文共 7 页

基于ZigBee和移动设备的智能家居

作者：Alexandru-Corneliu Olteanu, George-Daniel Oprina, Nicolae Tapus and Sven Zeisberg

布加勒斯特大学Politehnica，布加勒斯特，罗马尼亚

德累斯顿应用科技大学，德国德累斯顿

摘要

智能家居系统是房子中用于控制内各种功能的互连设备的集合，如光控，暖气，空调等。移动设备是在智能家居系统中提供用户界面的理想选择，由于其便携性和广泛的功能。他们可以通过Internet网关在智能家居网络中进行通信，但不能直接与设备通信在网络中，这些设备通常实现低功耗通信协议，例如ZigBee。我们调查了几个能为Android设备配备使用ZigBee通讯的加密狗的方法。我们提出了一个可扩展的架构，包括三个抽象层，可以扩展多个通信通道，如TCP通道，用于与之通信网关和通过加密狗设备直接通信的USB通道。我们用两个客户端测试应用程序运行Android 4.0的设备和模拟由几个ZigBee设备和一个PC组成的网关组成的智能家居网络。我们估计WiFi传输的能耗超过几个典型的用例，我们得出结论，可以证明在某些情况下，使用ZigBee无论在功能还是实际表现方面都是有益的性能。

关键词：智能家居 智能手机 ZigBee

简介

智能家居系统是用于控制房屋内各种功能的装置互联的集合，例如灯光控制，加热，通风，空调，监控，娱乐等。除了直接控制打开和关闭灯的功能，系统应该还提供复杂的功能，如能源管理，消费报告，设置档案和计划，以及对几个关键设备的远程控制。

鉴于其功能的多样性，智能家居系统通常会达到惊人的复杂性。 无线传感器和执行器网络（WSAN）是提供的理想选择这样的功能。 它们可能包含数十个节点，与低功率通信协议互连，例如作为IEEE 802.15.4。 ZigBee[1]是一个高级规范通信协议，基于IEEE 802.15.4标准，其中描述了一些智能家居配置文件由制造商个性化为商业解决方案。

这种系统所面临的挑战之一就是提供可用性。 用户应该具有控制复杂性的能力无缝地运作，独立于其位置，有时，与其他用户同时进行。 在屋内，用户可能不想进入中央控制面板，甚至不想进入中央控制面板到笔记本电脑，但使用通常放在更近的手机靠近用户。 当远离房子时，用户可能会想要查看其当前状态，甚至为他安排行动返回。移动设备是提供用户界面的理想选择智能家居系统，由于其便携性和广泛性能力范围。

对可用性的关注出现在最初的专利中用于智能家居[2]。 随着现代技术中人机交互的进步，研究人员设想基于手势的家庭控制系统[3]。 我们的工作是专注于从家中抽象出复杂的功能自动化系统，并将其带到现成的智能手机和平板电脑上。

移动设备可以通过Internet网关与智能家居通信网络，但不能直接通常与网络中的设备通信实现像IEEE802.15.4这样的低功率通信协议。

一些研究是在使用智能手机的情况下进行的与IEEE 802.15.4 [4] [5]。 但是，据我们所知，有没有在家庭环境中调查这种用法的工作自动化。 我们调查了多种沟通的使用使用WiFi连接的通道，例如TCP通道网关和USB通道，可以连接到设备智能家居网络通过USB加密狗。

我们的主要做了一下三方面：

bull; 我们会调查连接Android的不同方法设备，一个能够调解双向的加密狗IEEE802.15.4通信（第II节）;

bull; 我们提出了一般客户架构（第III节）和一个Android实现（第IV节），有几个抽象层，可以支持多个沟通渠道，并使其他开发人员为我们的沟通提供不同的用户界面系统，同时隐藏智能家居系统的复杂性;

bull; 我们估计WiFi传输的能耗典型的智能家居场景（第V节）。

我们发现使用USB主机是最有前途的解决方案，在我们调查的那些，连接到移动设备加密狗能够双向IEEE 802.15.4通讯。 我们提出了三个抽象层来统一本地和远程访问，不同的通信渠道，如以及为多个提供功能的各种方法用户界面。 我们对三个用例的能量估计，

典型的智能家居，表明值得使用低功耗协议，如IEEE 802.15.4，尤其适用于发出具有小有效负载的命令，如打开和关闭灯光。

通信技术的比较

无线通信技术

本节重点介绍几个方面的比较主要无线标准：Wi-Fi（IEEE 802.11a / b / g），UWB（IEEE 802.15.3），蓝牙（IEEE 802.15.1）和ZigBee（IEEE802.15.4）。 在此比较中，我们使用来自多个来源的数据[6]，但我们关注的是WPAN之间的区别通信，由ZigBee和蓝牙提供，范围广泛大约10米，通过WiFi提供WLAN通信，其范围约为100米。

在工作频率Wi-Fi，蓝牙和ZigBee使用2.4GHz频段; 另一方面，UWB使用3.1-10GHz频段。 因为Wi-Fi，ZigBee和蓝牙都使用了同一频段，必须处理干扰问题。 从而Wi-Fi和ZigBee使用动态频率选择机制防止通道干扰，UWB和蓝牙使用自适应跳频。

如表1所示，ZigBee是一种节能协议，在发送和接收中使用最少的电量数据。 考虑到通常蓝牙模块的运行约为1.8V和ZigBee模块，3.3V，蓝牙电源消耗与ZigBee功率相同消费。 相比之下，Wi-Fi和UWB需要高达230mA的电流发送和接收数据。

我们也对能源/转移MB感兴趣能耗测量。 虽然Wi-Fi和UWB有更高的功耗水平，他们也有相当大的更大的带宽，这使它们的比例非常低能量/转移MB。 蓝牙具有中等带宽，并且ZigBee具有最低的带宽，非常适合小型消息。

这种比较考虑了关键要求无线传感器网络，如低功耗，能够应对节点故障，可扩展性，异构性节点，节点移动性和实现成本。 Wi-Fi不是由于其高功率，适用于智能家居网络消耗和昂贵的实施成本。 UWB也不适合因为它是为高数据速率而设计的沟通，并由于额外的实施费用由其运营的许可频段引起的。蓝牙可能是一个可行的选择，但不符合广泛的智能家居网络。 ZigBee提供低价功耗，可以应付网络变化，降低了实施成本，并且可以覆盖家庭大小的地区。

表1 无线通信技术

加密狗连接智能手机技术

现代移动设备具有多个嵌入式模块无线通信技术，如WiFi，UMTS和蓝牙。 但是，正如我们在第II.A节中所示，这些不是适用于智能家居设备。 为了启用ZigBee与智能手机的通信，我们研究方法连接通信加密狗，连接到的设备智能手机旨在增强其功能。

在本节中，我们将研究几种可能的方法用于将Android设备与加密狗连接。 我们的主要使用评估的标准是：

bull;双向串行：双向通信能力，连续;

bull;支持的移动设备：有多少现成的设备将受益于使用相应的加密狗技术;

bull;功耗：没有自己电源的加密狗由于尺寸因素和便利性，供应是可取的;因此，有必要从中获取权力移动设备。

对于我们的调查，我们确定了几个候选技术：

bull;音频插孔：音频插孔是通用连接端口适用于所有现代移动设备。 信号是以模拟形式传输，因为它主要是设计的用于音频信号，最多四个通道。 数字数据可以通过编码信号[7]或使用来传输频移键控[8]。 但是，比特率是显着低，其收集能力的能力有限来自移动设备使其无法用作加密狗;

bull;USB：通用串行总线是不对称的通信协议，假设存在于主机和客户端的通信过程。 从而，Android的USB通信有两种形式：USB主机，当移动设备扮演的角色加密狗播放时的主机和USB配件模式主人的角色，被称为配件;

bull;蓝牙：是一种很传统的通信协议，通常用于短文件传输范围; 现在是第四次迭代，蓝牙协议具有低功耗的配置文件通常用于有能量限制的设备上，例如那些参与智能家居的人。

我们总结了我们对连接方法的比较加密狗到表2中的Android设备。 而音频插孔蓝牙是唯一真正的通用连接端口，它们缺乏USB连接的性能和可靠性。另一方面，并非所有Android设备都有USB端口，那些有一个，可以有USB的几种变体之一端口，这使加密狗设计师面临挑战。在配件模式下使用Android设备很有意思Google通过附件推广的方法开发套件[9]，专门用于旧手机，没有USB主机模式。 但是，有了移动设备充当客户端意味着加密狗会必须为公共汽车提供动力，这在我们的车里完全不可行情况，由于形状因素的限制。

对于我们的其余工作，我们使用了沟通由ZigPos GmbH [10]开发的加密狗，连接到移动设备通过USB。 这款加密狗具有FTDI芯片USB通信，连接到电话和IEEE用于ZigBee通信的802.15.4模块，带有家庭功能自动化设备。 我们在第III.C节详细介绍了沟通过程。

表2 加密狗连接智能手机技术

系统设计

通用系统架构

我们工作中使用的智能家居系统（图1）由以下组成：

bull;各种智能家居设备相互连接无线传感器网络，每个运行ZigBee堆栈;对于我们的测试，我们使用了几个ZigBee节点用LED灯模拟传统的家用灯;

bull;网络边缘的网关，形式为PC，它有几个功能，如提供一个与Internet和缓存传感器的双向接口获取本地数据库中的数据;

bull;一个或多个客户端设备，可以是其中之一应该提供的智能手机，平板电脑或笔记本电脑用户访问状态更新和命令，同时确保适当的安全性和隐私考虑因素，以及并发访问。

我们专注于一个充当客户端的Android设备智能家居系统。 移动设备是提供的理想选择这种系统中的用户界

资料编号：[5212]

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