基于IPv6与ZigBee技术的智能家居系统外文翻译资料

 2022-03-22 09:03

Smart Home System Based on IPV6 and ZIGBEE Technology

Abstract

Because of high-speed growth of computer control technology and communication technology, it led to the birth of smart home. ZigBee technology is intended to be a suitable standard for a low-rate wireless home control system. The remotely controlling information appliances based on Ipv6 in a home network has become a major request for nowadays consumers. In the paper an IPv6 and Zigbee home network frame is described briefly and the real products are introduced capable of home networking like home gateway and information appliance.

Keywords: Smart home; Ipv6; Zigbee; Home Gateway

Introduction

ZigBee is an emerging network technology as a wireless communication standard that is capable to satisfy such requirements with advantage of low cost, low power and wider coverage, and therefore it is very suitable for the development and utilization of home. IPv6 offers new function such as address that is extended from 32 bits to 128bits, auto-configuration and more powerful security.

Given the global climate changes and limited resources, now it is the time to build energy awareness directly into next-generation products. Over 100 million smart meters slated are to be installed worldwide over the next five to seven years. This “tidal wave” forming in the horizon will have a dramatic impact on consumer products as homeowners search for cost-effective solutions for managing their energy. Home Network Architecture

The structure of the smart home network requires three different devices: coordinator, router and end device. Home environment can then be monitored, and the required data can be delivered to the coordinator or home gateway. After program execution, proper control commands will be sent from the gateway through coordinator to home appliances. Figure1 shows home network architecture.

A supervisory control Intranet system which is low cost and high performance can be implemented by the ZigBee technology. A terminal node first sends the data to coordinator node and then this coordinator node retransmits the data to the aiming terminal node in return. Since all appliances have their own IP addresses based on the IPv6, they can be directly connected to external network. So all appliances can be not only controlled locally and centrally through the hand remote control device at home but also can be controlled by the long-distance PC, which entered the home gateway machine through the Internet.

The Preliminary Design of Home Gateway

The home wireless network often adopts star topological(拓扑) structure, and is made of home gateway and several ZigBee sensors node module. Home gateway is a full-featured device, which acts as a network coordinator for a network establishment and normal operation. It is also an easy and effective way to control the intelligent home devices outside or in other place through mobile module embedded in gateway for remote user. Mobile terminals include PDAs, remote controllers and mobile phones. The mobility of the terminals can be managed through IPv6 mobility support. In this way, users can complete the operation over the Internet in public places to improve the system#39;s flexibility and maneuverability. Figure2 illustrates home gateway architecture with information appliance.

Communication between Home Gateway and Appliances

The control center of network is home gateway system, which is, from inside, to coordinate all household appliances, control their working condition and inquiry their current status, and, from outside, connect with Internet, receive remote usersrsquo; instructions and transfer related information to business sites.

Internal Communication. Every data transmit between ZigBee network can be communicated by each other, so people in any room can control the other roomrsquo;s devices. The query flow-work of home appliance is shown as follows: Appliance receives information from home gateway by ZigBee module and detects the household appliancersquo;s status, then corresponding status will be transmitted to the home gateway by ZigBee module. If all appliances work properly, home gateway stores appliancesrsquo; status. If not, home gateway reports an error message to supplier.

External Communication. Home gateway interconnects Internet and the home network. It sends all devices information in home network to the portal server via TCP/IP socket. And also it can control and monitor the devices with date packet communication. Thus it enables users to control and monitor the home networks through Internet and even mobile phone since the portal server has the mobile interface.

The control flow-work of home appliance is shown as follows: Home gateway receives external packets, then unpacks and gets the destination address. The next step is to select routing (destination appliance) and then transmit the data. Appliance receives the data and tests them. If the data are error, the appliance then returns an unsuccessful message to the home gateway. If proper, appliance implements corresponding operation and returns the operation information to home gateway.

The Protocol at Home Network

The protocol enables whole devices to be aware of the status updates of other devices by questioning periodically. To support this, three types of packets are defined in protocol: request packet, response packet and event packet. Those packets are identified with the packet type field in the packet header.

There are four main codes for controlling as follows:

Name code. The appliance name affects its label. Every information appliance has a relevant name. Different embedded electric appliance systems must have different appliance labels identical to the appliance word set in the system

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基于IPv6与ZigBee技术的智能家居系统

摘要:

随着社会的进步,计算机控制技术,通信技术与物联网技术的发展,智能家居的理念逐渐走进人们的生活之中。作为无线智能家居控制系统的血液,相比于其他通信技术来说,ZigBee技术的高性能低成本使之成为了无线智能家居系统通信的不二之选。对于当前消费者来说,基于IPv6的的信息家电远程控制在家电控制领域中已成为一个重要的需求。在本文中,提出了一种基于IPV6 与ZigBee 技术的家庭网络框架简要设计的方案和实际产品如家庭网关与信息家电等设计的简介。

关键字:智能家居;Ipv6;ZigBee;家庭网关

总体介绍:

ZigBee作为一种新兴的基于802.15.4标准的网络通信技术,其低成本,低功耗,安全性高,低速率以及覆盖范围广的特点使之成为智能家居系统开发中广泛应用的通信技术。在Ipv4原有强大功能之上,Ipv6提供了将地址从32位扩展到128位、自动配置地址和更加强大的网络安全等新功能。

鉴于当前全球气候变化,资源有限以及环保理念的深入人心等情况,现在正是将节能技术融入到新一代产品之中的关键时期,在智能家居系统中大量应用节能技术将是智能家居技术领域的新浪潮。根据一些调查报告及分析数据的走向,预计在未来的5~7年内,世界上将会安装超过1亿台智能电表,这一节能浪潮的出现无疑会对消费者产生重大的影响,很多消费者在选择商品时,将会把商品是否会促进节能控制,是否有利于节省家庭成本放在考虑的范围之中。本文所介绍的智能家居通过能源的双向循环和能源消耗程度随时报告用户并提供更好的节能建议的方式在保证系统实用性的基础上扩大了其节能的功效,为智能家居系统增加了一大亮点,更加有利于智能家居系统在市场上的推广。

家庭网络体系:

智能家居网络结构的构建需要三种设备进行协调工作:协调器、路由器、终端设备。路由器主要用于采集各个智能家电的状态,并将其状态信息发送给协调器,协调器再将指令进行转换,发送到终端设备,最终实现终端设备对家居电器的实时测控。同时在以上三种设备的协调工作下,在整个系统的运行时,控制指令将通过网关发送到协调器,协调器再将控制指令发送到路由器,最终由路由器将指令发送给各个智能家居设备,实现最终的控制。

为实现监控网络的低成本以及高性能,可以采用ZigBee无线通信技术,作为基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议,ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,可支持大量节点与多种网络拓扑结构,具有快速、可靠、安全等特点。本文设计的ZigBee无线通信模块采用CC2530作为核心芯片, 能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。与CC2430,相比,CC2530在内存、尺寸、RF性能等方面有了重大改进。有卓越的接收机灵敏度和可编程输出功率,在接收、发射的模式下具有极低的电流消耗,能保证较长的电池使用时间。下面具体介绍ZigBee无线通信的具体流程,终端节点首先将数据发送到协调器节点,作为回应协调器节点转发数据到目的终端节点。因为本文所提出的智能家居系统应用了Ipv6技术,所以每一个家居设备都具有基于Ipv6技术的不同的IP地址,正是这一地址的存在,使各个电器可直接与外部网络进行通信(如互联网)。进而使所有智能家居系统中的电器不仅仅可以在家中通过手持设备进行就地控制,还可以通过远程PC机或手持智能设备连入到互联网中进行远程控制,进一步提高了智能家居系统的实用性与技术的创新性。

家庭网关的初步设计

智能家居系统中的无线网络常采用星型拓扑结构,由家庭网关以及多个ZigBee节点和传感器节点模块组成。家庭网关作为一个多功能的设备,一方面作为网络协调器完成网络的建立并保证网络正常运行,另一方面,通过在网关中嵌入移动模块的方法简单而高效的实现远程控制智能家居设备的功能。本文所提到的移动终端包含了现在市场上常用的移动设备:平板电脑,远程控制器,手机,远程PC机等智能设备。终端设备的移动性可以通过Ipv6移动技术的支持来进行管理。在这种技术的支持下,用户可在公共场所通过连入互联网来控制智能家居系统中的各个电器设备,极大的改善了系统的灵活性以及可操作性,为用户带来极大的方便性。

智能电器与家庭网关间的通信:智能家居系统的控制中心是家庭网关,它主要起到两方面的作用:其一是协调家庭内部的智能电器,掌握智能电器的工作状态,并转换指令进而控制各个电器的工作,其二是通过外网连接互联网,接受和传输远程用户通过远程控制终端发送的控制指令,起到数据转化与传输的功能。总的来说,家庭网关是联系智能家居内外网的关键。下面将分别详细介绍内网和外网的工作流程和关键技术:

内网通信:通过ZigBee自组网的方式,数据可以在网络中相互传输通信,所以在任何房间中,用户可以通过ZigBee网络自由控制其他房间中的智能家电设备,并且由于任何一个设备都有自己不同的序列号,故指令的传输不会乱,即指令只会被相应的家居电器接收。智能家电工作状态的查询流程如下:智能家电通过ZigBee模块收到从家庭网关传输的指令,随后检测智能家电的状态,当前的状态将会通过ZigBee模块反馈到家庭网关中。如果所有的家电都正常工作,家庭网关将会保存所有家电的工作状态,如果有家电工作不正常,家庭网关将把错误信息报告给用户并请求处理,用户即会对请求做出处理,进而纠正工作不正常的家居电器,极大的提高了移动终端对智能家居电器控制的有效性与实时性。

外部通信:家庭网关最重要的作用是实现家庭内部网络和外部网络相互连接,进而实现底层和上层数据的相互通信的功能,他将所有在家庭网络中的智能家电的信息通过TCP/IP协议发送到相应的网络服务器并进行保存,同时,家庭网关通过数据包通信的方式监控着所有的智能家电,因此用户可以通过连入互联网的设备(手机、平板)通过具有移动通信接口的服务器来监控整个智能家居系统的网络,最终实现通过移动终端发送指令控制各个智能家居电器设备。

智能家电的控制流程如下:家庭网关接收到外部数据包后,通过解包来获得目的地址,接着选择目的家电进行数据的传输。智能家电接收到数据之后,进行检测,如果数据是错误的,智能家电会返回给家庭网关一条操作失败的信息;如果数据是正确的,智能家电会执行操作并将操作信息返回给家庭网关,家庭网关接收到智能家居电器设备的反馈信息后,会做出相应的反应,并将设定好的反应回馈给移动客户端。

家庭网络协议

该协议的功能实现所有的设备定期询问家庭网关并根据反馈的信息更新智能家居电器设备的状态,为实现这一功能,在该协议中定义了三种不同类型的数据包:请求包、应答包和事件包,这些数据包通过包头和包类型字段进行简单的识别。本文将分别介绍四种类型包的控制码:

名称控制码:智能家电的名称是它的标签,每一个家电设备都有一个独立的名称,不同的嵌入式电器系统中都必须设置不同的电器标签以生成系统中的家电词集进行对不同家电的区别,进而控制指令的传输路径。

状态控制码:在系统数据传输中,另一个重要的信息就是设备的状态控制码,它是从智能家居系统中返回的数据用来告知管理系统,家居中各个电器目前所处的状态,比如开关等等:“//Power on=on/Power off=off/Probe temperature=24/Turn up=off/Strong wind=on//”。管理系统可以将所有智能家电的直接列写在一个界面来通知用户设备的状态,方便用户对家电状态的了解,并做出相应的控制指令,这一功能的实现还有利于用户通过移动终端实时在远程了解智能家居系统中各个家电的状态,并及时做出反应。

命令控制码:该协议提供了可变长度数据包的结构,命令控制码主要由1字节的命令码和输入/输出参数组成,使用这种类型的信息能够很容易的区分控制指令,进而更加准确的控制不同的家电,如空调和微波炉等。为起到远程控制的作用,智能家电设备需要解析相应的命令控制码,同样的,作为控制中心的家庭网关也必须能够解析所有的命令控制码,这样才能够更好的实现控制指令的转发。命令控制码的设置以及分配各个电器序列号,两者的配合,更好的区分了不同控制指令,准确无误的控制相关的电器设备。

家庭控制码:在数据包通信中,家庭网络协议通过定义家庭控制码来区分不同的家庭网络,它将一个家庭作为一个封闭的局域网使之与周围邻居的家庭网络隔离开,以防数据传输的串行。基本的家庭控制码随机生成4字节的值用于防止邻居的数据进行干扰,极大的提高了基于ZigBee与Ipv6技术的智能家居系统控制的准确性以及数据传输的安全性。

ZigBee与Ipv6的网络互联

ZigBee是目前最流行的基于802.15.4标准的低功耗无线网络通信技术,同时由于TCP/IP协议的稳定性以及广泛应用性,但是802.3以太网是TCP/IP网络通信的标准,TCP/IP协议已经成为在互联网界占主导地位的协议,因此寻求一种能够解决ZigBee与Ipv6网络互联的方法已经成为最为急切的需求。但是由于TCP/IP协议与ZigBee协议遵循了不同的以太网的标准,要兼容这两种网络通信协议可以说是一个巨大的挑战,为此,本文提出以下3种方法进行这两种网络通信协议的兼容:

(1)兼容这两种网络协议最直接的方法,是将Ipv6协议栈直接置于ZigBee协议的网络层的顶部,并且为每个ZigBee节点分配一个IP地址,这样可直接通过寻找地址的方式,用移动终端对该节点进行远程控制。

(2)另一个方法是利用IP网并对其进行操作,这是一个双栈的方法,在这种方法中,无论是6LoWPAN的设计还是ZigBee协议栈的操作都工作在同一个介质访问控制层802.15.4标准之中。

(3)第三种方法是设计一个双通网关,该网管允许6LoWPAN标准和ZigBee标准转换为IPv6标准,这种方法是可行的,假设我们将一个双栈概念的IP网置于家庭网关的一侧,另一侧是通过ZigBee网络沟通底层的智能电器,这样就可以获得一个双通的网关,这也是本文最推荐的方法,也是本文设计的基于ZigBee与IPv6技术的智能家居系统中家庭网关的设计方案。

智能家电

ZigBee模块接受来自网关的控制指令并且产生相应的信号控制智能家居系统中的电器设备,只要通过终端节点的传感器检测到信号,该信号是通过网关发送到ZigBee模块,智能家电便开始相应的处理事件,并且做出反应,触发相应的动作。

为实现远程监控的功能,终端设备内嵌入了网络终端以及微控制器,智能家电控制模块与指令执行系统相互协调从网络终端模块接收指令并且根据指令操纵智能家电开启相应的功能,同时智能家电会将操作信息通过家庭网关反馈给移动终端。网络终端模块是信息家电系统的核心,兼容IPv6网络设备,并且能够作为Web服务器来响应用户的请求。该设备通过网络处理器自动获取路由器前64位的IPv6地址,通过和现有的为每个家电分配的64位地址,组成了世界上唯一的128位IPv6地址作为区分不同电器的序列码。

为了减少成本,提高网络的效率,家电设备根据其工作方式被分成智能家电设备和非智能家电设备,相应的节点也被分成正常和复杂的控制节点。对于智能家电,例如空调,仅仅需要实现开关和调温的功能;非智能家电,例如电视,实现的不仅仅是开关的功能,还需要复杂的指令实现更多的功能。针对家电的不同种类,本系统设计了不同的方法进行控制。

智能电表和家用电器的节能控制

在日常生活中,智能电表在节能方案中发挥着十分重要的作用,本文设计的基于ZigBee与IPv6技术的智能家居系统节能方案中也采用了智能电表这一方法,本文设计的智能电表的主干是AMI,其技术涉及了智能电表的安装、远程读取家具电器的用电量、远程控制家居电器设备的连接与中断服务、提供为用户的电费预支付的功能、实时向用户推送家具电器的耗电量并结合以往用电量综合分析向用户提供用电建议。实现这些功能需要对家电实施全程监控,这就涉及了家电制造技术和家电控制技术,同时也要设法将读取的数据显示在一个家电平台上——高度集成和高性能的GUI技术使消费者完全掌握自己家电能源消耗情况。家庭能源管理系统由一组具有监控,计划,修复和提供设备状态信息的设备及网络组成,它主要依靠用户的电力消费历史对智能家电进行控制。该系统包含了微型发电装置,它允许用户在不同时间,不同的税务水平之下成为家电的净买家或卖家。在控制家电设备时,家电设备间的互联尤其是一些积极响应的互联需要严加考虑。这种情况下,P2P网络结构往往会代替星型网络结构来实现移动终端与家电设备的连接,举一个典型的例子来说明这一道理,即空调和热水器的协调工作,两者都是大功率的家居电器,但是如果我们将加热设备中的冷水输入到空调制冷设备中,将制冷设备中的热水输入到热水器制热设备中,在这种双向循环的方式下,将会节省大量的能源,为用户节省一定的耗电量,本文所设计的智能家居系统中的家庭能源管理子系统正是运用了这种能源双向循环的方式进行节能控制。

总结

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