一种基于Zigbee技术的智能家居系统

一种基于Zigbee技术的智能家居系统

Khusvinder Gill, Shuang-Hua Yang, Fang Yao, and Xin Lu

摘要

最近几年，出现了家居环境网络功能数字技术的快速引入。这项技术提供

了新的和令人兴奋的机会，从而增加了在家园内以连接设备为宗旨的家园自动化。此外，随着internet的快速扩张，凸显了遥控器的增值潜力，同时也催生了具有网络监控等功能设备。然而，家园自动化系统的应用却一直缓慢。恰恰

如此，本次研究为了确定导致这种缓慢的原因，并通过ZigBee的设计和灵活的执行家园自动化架构，来评估解决这些潜在的问题。通过一个共同的家园网关，使一种基于ZigBee家园自动化系统与Wi- Fi网络集成。家园网关提供网络的

互联互通，一个简单而灵活的用户界面，与远程访问系统。构建一个专用的虚

拟家园，以配合系统的安全性和安全性需要。为了演示的可行性和有效性，而

提出拟定系统。四类设备：电灯开关，散热器阀门，安全传感器和ZigBee。以

此四类设备完成家园自动化系统的远程控制与评估。

索引词：家园自动化、ZigBee技术、传感器网络。

I.导言

近年来，引进具有网络功能的设备进入家园环境得到空前发展。此外，随

着internet的迅速扩大，具有远程控制和监测等潜在网络功能的设备也得到迅速发展。然而，这些新的和令人兴奋的机会，主要是用于增强那些留在家中而

未开发的家园自动化设备的连接。

A.现有的家园自动化技术

目前许多重大研究已进入家园自动化领域。[1]经过作者的审查确定， X10

的行业标准（X10 是一国际和开放工业标准为通信在电子设备之中使用为家园

自动化亦称domotics。它主要用途输电线接线为信号和控制，信号介入摘要

射频爆炸代表数字式信息）于1975年开发了电子设备之间的通信是最古老的标准：从通过家里的电源线，对家园设备提供有限的控制。最近，进入家园自动

化领域的研究在学术界继续得到重视。[2]开发一个基于Java的家园自动化系统。通过以Web服务器为基础的个人电脑（PC）让嵌入式板与所有家园自动

化设备形成物理连接的集成，并为系统提供远程访问。Java技术的使用，它包

括内置的网络安全特性，也产生一个安全的解决方案。但是，该系统的使用需

要一个昂贵的具有干扰性有线安装和高端PC机。[3]介绍一种基于蓝牙技术的

家园自动化系统，该系统由一个主控制器和许多蓝牙子控制器组成。每个家园

设备物理连接到本地蓝牙子控制器上。每个家园设备与它们各自的子控制器采

用有线通信。从子控制器发送到主控制器的所有通信使用无线通信。每个家园

设备有一个专门的蓝牙模块是可取的。然而，由于蓝牙技术的费用，一个模块

可供多个设备之间共享。此结构通过无线技术的使用可减少所需的物理布线，

因此减少安装的金额。然而，该结构由于还有安装一些有线通信部分，因而通

信侵扰不能完全缓解。此外，众多设备共享单一蓝牙模块导致了访问延迟的缺点。[4]提出了一种基于遥控家园和办公室自动化电话。该系统不同之处在于所

有的通信都发生在固定电话线上，而不是发生在internet上。该系统可使用任

何电话访问，支持双音多频（DTMF）。该系统的缺点有三：没有为用户提供

具有图形的用户界面，用户必须记住一个接入码，用户必须记住按下哪个按钮

连接哪个装置的控制。[5]介绍一种新的控制网络，使用手势。控制器使用了一

种手套感应手势来连接系统。这种系统的问题在于手势不准确，正常的手臂动

作不能准确地阐释指令。此外，还有一个风险，如果用户需要重复手势容易导

致疲劳。

导言提供了一个现有进入家园自动化学术研究的简短评论。现有的公开进

入家园自动化的研究主要存在于学术舞台上，很少的工业研究被公开使用。家

园自动化技术系统进入商业的应用受到了限制，并为现有的消费吸收缓慢。

上述系统提供的互操作方式很少。通过尝试提供网络互操作性和远程访问，使家园网关发展到家园自动化系统。[6]定义一个家园网关作为个人区域网络和公共接入网络之间的入口点。他们开发了一个基于Web的服务器，通过基于家

园自动化系统电力线和internet来与IEEE1394互连。为了使系统更吸引用户，列入了实时影音转码功能。该系统为家园网关发展提供了有见地研究，但是，

作为沟通媒介使用的电力线限制了必须靠近电源插座的设备在家园中的位置。[7]提出一种集中于家园网关连接家园网络与internet的家园能源管理。该系统

安装在东京地区的二十号房屋。[8]提出了基于OSGi（开放服务网关）家园网关，它使服务提供商能够访问家园自动化系统，从而能管理和维修服务。提出

的系统分为两个子系统。首先是帝斯曼（数字家园服务的分配和管理系统），

它提供了控制和监控家园自动化设备的用户界面。二是家园网关，它负责管理

家园自动化系统。这种开放式结构会引发隐私问题，这些问题对于某些用户来说，可能会比第三方所提供的好处更大。[[9]实现一种家园网关，通过接受手机

信号，激活或停用一个LED来代替一台家用设备。

这些系统已经为一个家园网关的发展做出了重大贡献。然而，在现有的家

园环境网络基础设施还没有考虑在什么时候选择各自的家园网关一体化的网络。此外，现有的研究都集中在提供远程连接，并已在很大程度上已经忽视了调查

现有本地网络的集成。

B.分析现有系统

消费者采用家园自动化技术是有限的。我们建议，从家园自动化领域分析，限制的广泛消费者传播采用问题的一般可分为五个类别进行分组。首先，复杂

和昂贵的架构：现有的系统架构，一般纳入以网络管理和提供远程访问为目的

的个人电脑。这就增加了系统的额外复杂，因此提高了整体的费用支出。其次，干扰安装：大多数系统需要在实体布线水平不同的体系结构。这在某些情况下，是由于替代无线技术的费用。因此，这些系统需要干扰性和昂贵的设施。第三，网络互操作性的缺乏：两个家园网络和家园自动化系统，它们已经被利用无计

划和特设的方式开发并通过。这导致了家园环境由异构网络的复杂迷宫组成。

这些网络和系统，利用它们通常提供很少的互操作性；导致三个潜在的问题：?由于缺乏互操作性，监测活动重复。

?网络间的合作导致了干扰的可能。

?两个并发可能，对现有的合作网络自主行动，在互动和形成中产生不良结果。

第四，界面一成不变：现有的系统为用户提供不同的方法来控制和监视设的连

接备。然而，这通常仅限于一种单一的控制方法，它只能有限的为用户提供灵

活性。该系统提供的多个接口设备通常提供不同的用户界面和风险来迷惑用户。最后，安全和安全性：现有的方法并没有集中在可能来自于他们的实施而带来

的安全和安全问题，。此外，该系统能提供一些安全系数，却忽视由于多个供

应商之间建立以安全生产为目的的共享信息的设备而存在的问题。

C.提出的系统的特点

本文介绍一种新型的，独立的，低成本和基于ZigBee的灵活家园自动化

系统。该结构的设计，以减少系统的复杂性，降低成本。因此，在可以的情况，系统尽量不会用复杂和昂贵的组件，如高端个人电脑。该系统是灵活的，可扩

展性，使更多的传统家中电器被多家厂商设计，必须安全，用最少的功夫安全

地添加到家园网络。该系统允许用户在家里通过各种控件以监测和控制设备连接，包括一个基于ZigBee支持Java的遥控器，以及任何支持Java并具有Wi- Fi功能的装置。此外，用户可以使用任何支持Java的具有上网功能的设备远

程监视和控制他们的家用设备。一个家园网关的实施是为促进异构网络之间的

互操作性，并提供一个一致的界面，而无需访问设备。

一个虚拟家园预处理所有的通信是在它们实现真正家园自动化系统之前。

所有通讯的通过安全检查并安全后，才可允许连接各自的目的地。

本文组织如下：第2节讨论了家园自动化架构的发展，包括一个技术用途

的审查；第3节描述了该系统的实施过程；第4节是讲系统价值的探讨；第5

条提供结论。

II.系统构架

本节提出一个灵活的，低成本的家园自动化基础设施（见图1）设计概念。由于家园的低数据速率，控制和监测需求需要采用采用ZigBee技术。家园高数据速率的需求和多媒体等的应用，符合Wi- Fi的（IEEE802.11g）标准。

图.1:概念性架构概述

一个家园网关的实现提供了异构Zigbee和Wi - Fi网络之间的互操作性，便于家园设备的本地和远程控制和监测。一个虚拟的家的采用提供了实时的安

全和家园及其居民的安全。

如图1所示，本系统主要包括四个步骤。远程用户可以使用internet访问

系统。远程用户的通讯覆盖全Internet，直到他们达到自己的家园网络。然后，他们使用家园的Wi- Fi网络，通过无线方式传输到家园网关。一个虚拟的家集

成了家园网关。这些通信由家园网关和虚拟的家进行更详细的讨论后进行检查

和处理。此检查过程涉及与家园网络协调员的通信，这是一个完整的家园设备

数据库，并包含所有连接设备的通信状态。最后检查过通信发送到真正的家园

自动化系统和相应的设备。此外，本地基于ZigBee远程遥控可以用来直接控

制连接的设备。

A.住宅网络

如前所述，提出的系统架构实现了一个基于ZigBee家园自动化网络和基

于Wi- Fi的多媒体网络。其他标准可以被集成到家园网关。然而，ZigBee和

Wi - Fi的使用提供了一定的优势。Zigbee技术是专门服务于那些需要在低数据

速率，低成本，低功耗和双向无线的通信。Wi- Fi标准的目的是提供较高的数

据率通信。Wi - Fi已经在英国家园拥有率和广泛的传播方面有优势。ZigBee和Wi- Fi技术的结合有可能提供一个全面的家园自动化解决方案。

Zigbee 技术

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4的标准的无线电频率（RF）通信。图2

描述了一个基于ZigBee家园自动化网络的总体结构。ZigBee协调器负责创建

和维护网络。系统的每个电子设备（如洗衣机，电视机，灯泡等）都是ZigBee

设备并由协调器管理。所有的设备之间的传播通信都是通过到目标设备的协调员。无线自然的ZigBee技术有助于克服现有的家园自动化与先前确定系统安装干扰问题。ZigBee标准在理论上提供250kbps的数据速率，而40kbps就能满

足大部分控制系统的要求，足以控制大多数家园自动化设备了。在ZigBee提供帮助下，低费用的安装和运行解决了现有的家园自动化早期认定系统价格昂贵，结构复杂的问题。

Wi-Fi技术

在提出的系统架构，Wi - Fi主要是用于两个目的。首先，它是家园多媒体

应用选择的通信标准。其次，它是用来提供一个从Wi- Fi功能设备到家园自动

化系统的接口，作为一种基于ZigBee本地控制器的替代设备。采取这种做法，是因为家园中有越来越多具有Wi- Fi网络和Wi- Fi功能的设备，如PDA和手

机等设备。在这些情况下，一个基于Zigbee技术控制的额外成本是没有必要的。此外，高数据率Wi- Fi的普及允许在接口设计方面有更大的灵活性。Wi - Fi的

实现了IEEE802.11标准，并通过无线电频率提供无线网络使用。此协议有不

同的版本。在目前使用的主要协议是IEEE802.11g标准，它工作在无需申请的2.4 GHz频段，并提供了最高54 Mbps的原始数据速率。

图.2:基于ZigBee的家园自动化结构

Wi - Fi的使用比替代技术提供了的诸多优势。在英国Wi - Fi的标准建

立比其他替代技术更悠久，诸如作为一种无线家园网络技术的蓝牙技术。其结果是减少了消费者支付的设备费用，以及用户使用技术时更加熟悉。

网络共存

在同一环境中，同质的和异构的家园网络可以并存。随着这些网络之间的干扰问题的增加，出现了越来越多使用相同的通信媒介的标准。标准之间对可能的干扰问题进行了研究。[10]研究ZigBee，蓝牙和Wi- Fi这三种技术的共存。

这三个协议使用相同的2.4 GHz的ISM频段。结果发现，Zigbee的干预，对Wi - Fi吞吐量影响不大。基于Zigbee的Wi - Fi的吞吐量的影响是吞吐量减少10％，它提供了一个业务解决方案。实验重复使用Wi- Fi和蓝牙。结果显示，Wi - Fi的吞吐量和蓝牙的吞吐量显著减少。可以得出结论，使用无需申请的Zigbee无线频谱是造成干扰问题的一部分原因。一些技术如蓝牙，微波炉和无绳电话，与ZigBee技术可引起干扰。[11]然而，Zigbee技术和Wi – Fi技术可以共存，而且干扰问题比现有的替代技术少，因此我们的意愿是提供可使用的最佳构架。

B.家园网关

家园网关，如图1所示，是负责提供不同的连接网络之间的互操作性。家园网关为提出的架构提供了两个的主要功能。首先，家园网关为internet，无线网络和ZigBee网络之间提供了数据翻译服务。其次，家园网关提供了一个用于连接到ZigBee家园网络，远程使用internet或在本地使用的Wi- Fi网络设备的标准化用户界面。家园网关不为本地的ZigBee远程控制（见图1）提供标准接口。这一设计是为接口设计提供了更大自由度，避免了必须要考虑的低数据速率，低功耗ZigBee遥控接口的限制。虽然，所描绘的家园网关与设备数据库之间的密切合作允许实时控制和监测所有家园设备，不论其使用的网络和接入设备。现有的家园自动化方法确定的、实现在系统架构的家园网关是为克服网络互操作性不足的问题。此外，该方法着眼于建立在现有的家园环境中的网络结构和集成网络。此外，家园网关可以减少对现有家园自动化系统的控制模式的僵化；这是功能运用是通过手动预知，本地和远程控制。此外，通过整个控制模式使控制设备的接口标准化。

C.虚拟家园

虚拟家园，如图1所示，是为保障安全管理和家园自动化系统的安全。虚拟的家园，顾名思义，是一个对用户要求的行为进行检查的虚拟环境。出于安

全的目的，所有由虚拟家园收到的指令需通过验证检查发件人，检查指令的完

整性，以确保它们没有被篡改，通过使用加密指令使其具有保密性。确保各自

的家园网络收到的指令是适当的，用以保护该系统的安全，所有的变化要求在

指定的安全标准范围之内。虚拟家园的主要目的是防止任何能构成安全事件或

者实现家园网络时所面临的安全问题。虚拟家园，包括在提出的架构中来解决

安全和安全问题。

D设备引擎

家园自动化系统的设计是灵活的，允许连接由多个厂商的设计不同的设备。每个设备集成了一个专门的引擎，主要工作是提供必要的应用程序的功能和ZigBee网络连接。此外，每个设备的引擎可能包括专门的安全和安全保障措施。关键设备应检查所有要求的行动，以确保它们不会导致不良的结果。此外，虚

拟家园合作应提供必要的资料，以便安全通信。

III.系统实现

提出的系统的实施是如图3所示。如图所绘，一个基于ZigBee家园自动化系统实施了监测和控制家用设备功能。为照顾家园的高数据速率需求，如多媒

体娱乐，实现一个Wi- Fi网络。家园网关已经开发出来，提供这些网络之间的互操作性。家园网关提出了一个统一的接口供用户在本地和远程接入家园网络。安全和家园自动化网络的安全是通过较早的家园网关上描述虚拟家园的发展实

现的。为了演示的可行性和提出的系统的有效性，四种器件，电灯开关，散热

器阀门，安全传感器和ZigBee远程控制器已经开发，并与家园自动化系统集成。本节提供了系统的实施的深入讨论。

图3.系统的实施

A.ZigBee家园自动化网络

ZigBee家园自动化网络由一名协调员，路由器和一些终端设备组成。协调

员负责启动ZigBee网络。在网络初始化阶段，协调员扫描并寻找最合适的可用的广播频道。通常，这将是拥有最少的活动的频道，以降低干扰水平。这是可

能的限制通道扫描，例如排除这些由Wi- Fi网络包括提出的架构使用过频率范围。然而，实验表明，扫描所有可用渠道的平均时间为9秒（精确到秒）。这

种扫描时间也比较小，家园协调员经常初始化，与通过使用干扰少的频道可能

提升的性能对比，这是一个可以接受的延迟。协调员是用PAN ID（个人区域网

络标识符）预编程的，虽然它有可能为协调员提供动态扫描同频网络中PAN

IDs和生成一个 PAN ID，但这并不冲突。所有连接到ZigBee家园自动化网络

的家园设备都分配了一个固定的64位MAC地址。此外，每个设备分配一个动态的16位短地址是为固定网络的生命周期。在这个网络的初始化阶段，协调员给自己分配短期地址0x0000。经过协调员的初始化阶段，协调员进入“协调员模式”，在这个阶段，它正在等待ZigBee设备激励加入网络。

ZigBee的发展为家园网络提供了设备，如前所上设备，包括电灯开关，散热器

阀门，安全传感器和ZigBee的远程控制。一个ZigBee终端节点已被集成到这

些设备。由于设备已经启动，在各自的初始化阶段，节点扫描可用的网络渠道，以确定它希望加入。有可能在相同的频道多个网络，这些网络区别通常在于它

们的PAN ID。节点通过PAN ID选择加入哪个网络。节点发送一个激励到网络

协调员以加入该网络。激励被直接发送到协调员或通过相邻路由器发送到所需

的网络可以共享最佳信号节点上。在协调员收到激励后判断设备是否允许连接

到家园自动化网络。大多数ZigBee网络实施的标准可以防止未经授权的用户在设备可以连接的地方仅提供一个用户使用期限而加入该网络。在我们看来，这

本身并不提供足够的网络安全。为了提高系统的安全性，提出的系统加密所有

设备的要求，包括拥有私钥而激励加入家园网络的激励。只有那些设备在拥有

了正确的私钥后，才可以成功地连接到家园网络。而所允许加入网络的设备都

记录在设备数据库和储存在网络协调员处。部分连接的网状拓扑结构适用于基

于ZigBee的家园自动化网络。由于家园环境通信干扰是不断波动的特性，通

过采用网状的拓扑结构来增加的通信线路的优势超过了添加复杂的路由。

B.Wi-Fi网络

家中的Wi- Fi网络，通过标准的无线（802.11b和802.11g）的ADSL宽

带路由器实施，带有4端口交换机。调制解调器提供了两个主要职能。首先，

调制解调器提供了internet与本地Wi- Fi网络的连接，因此利用Internet可以

扩大访问到具有Wi- Fi功能的家园网关的任何位置。其次，任何本地具有Wi-

Fi功能的设备在家园Wi- Fi网络范围内可以直接访问家园网关。这利用家园网

络提供了一个低成本的通信方式，降低已经在使用的Wi - Fi设备的基础设施成本。此外，用户可以使用熟悉的技术和设备监视和控制的家园自动化网络。

C.家园网关

对现有的家园网关技术的全面研究表明，没有现成的解决方案提供了家园

网关的要求所指定的功能，如前讨论。这包括网际网路，Wi- Fi和ZigBee网

络之间互操作性的规定。因此，有必要研究一个量身定做的家园网关，如图4

所示。家园网关包含了Wi- Fi模块，一个ZigBee微控制器和电源。Wi- Fi模

块提供了低消耗和嵌入式串行到Wi- Fi连接。ZigBee的微控制器提供到

ZigBee网络的连接。Wi- Fi模块连接到家里的本地Wi- Fi网络和ZigBee微控制器连接到ZigBee家园网络，作为一个终端设备。家园网关一旦开始进入配置阶段。在配置阶段的嵌入式Wi- Fi模块建立与本地Wi- Fi网络连接。Wi- Fi

连接的参数如网络的SSID和安全参数都是预先配置。同时，一个ZigBee的微

控制器搜索ZigBee家园网络并讨论，然后与其建立连接。作为Wi- Fi模块，ZigBee微控制器的连接参数是预先配置。配置阶段到此结束。

图4.家庭网关

一旦家园网关已被初始化，直到接收到输入值，网关一直处于空闲状态。

输入可以来自两个方面的输入，一是从ZigBee网络到Wi- Fi网络输入，或者

相反，从Wi- Fi网络到ZigBee网络的输出。从Wi- Fi网络的输入通常需要以用户界面的设备指令的形式。从ZigBee网络的输入的反应通常需要以从早期的收到的用户界面设备指令形式。

D.虚拟家园

虚拟家园是一个在C语言上开发的软件结构。虚拟家园是在家园网关上实

现的。所有的通信和指令都要进行检查，如图5所示，出于安全性和安全，在

现实的家园环境实施前先在虚拟环境中模拟。虚拟家园等待来自外部源的输入。所有基于ZigBee网络中的器件集成了ZigBee微控制器和一个专用的AES协

处理器。家园网络上的敏感通信是通过加密的。因此，虚拟家园接受的来自合

法来源的敏感通信信息的有效负荷将通过对称密钥进行加密。一旦建立了信息

安全，虚拟家园会检查指令的安全问题。解密后将从指令中提取目标设备地址

并检查其是否存在设备数据库中。一旦设备在网络上的存在已经确定，包含在

指令中的指令和参数将被提取。对相应的设备指令的存在进行检查，以确保真

实的设备提供所要求的功能。为相应的设备和指令提取出的参数与预设的安全

范围进行比较。只有在该指令通过虚拟家园安全性和安全算法处理后，并重新

加密宣布信息安全，然后将其转发到真正的家园网络设备。

E.用户接口设备

为了提供简明的执行指令而评估系统架构的有效性，以及灵活的控制方式；开发了三种控制模式。

图5.虚拟家园流程图

ZigBee远程控制：成本低、易于操作遥控器、已开发的本地的监测和控制设备。控制板包括一个ZigBee微控制器、液晶显示、四个按键开关，由四节AA电池

供电。来自远程控制指令遍历家园网络直到目标设备接收。

远程访问设备和Wi- Fi远程控制：一个标准的支持Wi- Fi和J2ME技术的移

动电话用于访问和控制系统。然而本地访问系统，使用手机的Wi- Fi自由获取

和控制系统。当一个Wi- Fi连接不可用时，手机建立了一个互联网连接来访问

和控制系统。在这两种情况下由家园网关收到的移动电话发送的指令，翻译通信，并将其转发到虚拟的家园，如上讨论，一切在被发送到目标设备之前。

F.家园自动化设备

为了演示所提出系统的三种设备的可行性和有效性；一个电灯开关，散热器阀门和安全传感器都已经被开发。这些设备是描绘分别如图6（a），（b）和（c）所示。

a b c

图6.(a）ZigBee处于关闭状态灯泡;（b）基于ZigBee的自动散热器阀门;（c）ZigBee的安全传感器

电灯开关：一个传统的电灯开关与一个ZigBee微控制器集成，如图6（a），

在此原型，用户可以访问电灯开关，检测电灯当前的状态（“开”或“关”），并相应地调整状态。

散热器阀门：一种已开发的自动散热器阀门样机和一个ZigBee微控制器集成，如图6（b）所示。阀门可像常规阀门手动控制，而且还可以远程监测和控制。

安全传感器：安全传感器有利益的特殊性。例如，不像大多数设备，安全传感

器必须不断监测其环境并提供反馈。这减少了设备可以在休眠模式的时间，从

而大大降低电池的寿命。开发了一个安全传感器（参见图6（c）段），来调查

大众终端设备市场在系统资源的大量需求的潜在可行性。安全传感器是温度传

感器，一氧化碳传感器，火焰传感器，烟雾传感器的合并。

G.系统构造

本节详细介绍了所与提出的系统架构实施相结合的各个元素。用户可以采

用以下三种用户接口设备（ZigBee远程控制，Wi-Fi远程控制，远程访问设备）之一登录并监视和控制家园自动化系统的终端设备。所有使用的internet进行通信的设备指令将被发送到家里的IP地址。通过本地的Wi - Fi网络启用

ADSL调制解调器将这些指令转发到家园网关的IP地址。同样，设备之间的通

信通过使用用于通信的Wi - Fi网络转发到家园网关的IP地址。一旦家园网关收到了指令，它们将被转发到虚拟家园。ZigBee控制器的信息通过ZigBee网

络直接发送到终端设备。虚拟家园检查所有收到的指令安全和安全性。这些指令，无法验证的被拒绝，经过验证的指令转发到真正家庭网络上的目标设备。

从所有设备响应（即确认，设备状态通知，传感器的读数）转达到该设备，通

过ZigBee网络到虚拟家园，通过家庭网关，经过整个Wi - Fi网络，在适当情况下经过整个互联网，最后所有响应都连接用户接口设备。

IV. 评估

所开发的系统同时在量化上和质量上进行评估。为了系统演示的可行性和

有效性，四种设备：电灯开关，散热器阀门，安全传感器和ZigBee远程控制的有效性已经开发出，并与家庭自动化系统集成。这些系统工作在高强度工作周

期来模拟日常使用的高强度使用。该灯的状态使用ZigBee远程控制改变20次

和使用的Wi - Fi控制器改变20次。同样，散热器阀门的状态，使用ZigBee

控制器改为20次和使用Wi- Fi无线控制器改变20次。实验表明，设备在100％的时间里显示正常功能。表1总结提供了变换采用ZigBee和Wi - Fi控制器激励和相应之间的平均延迟。

表一：Zigbee和Wi-Fi控制器的访问迟延哦

电灯开电灯开关散热器阀门门Zigbee控制器访问迟延（ms） 670 *N/A

Wi-Fi控制器访问迟延（ms） 1337 613 3

*N/A表示时间迟延太短，监测设备无法检测记录。

如表1所示， Wi - Fi控制器的平均访问延迟比ZigBee的控制器的更大。然而，ZigBee的控制器有控制电灯开关时有一个670毫秒的平均访问延迟，而

访问延迟引起控制散热器阀门迟延很小，事后我们的记录仪器不能测量。这意

味着大多数的访问延迟存在于电灯开关状态的驱动和随后灯泡的改变，而不是

归因于控制方法。这是正如表1的*N/ A所示。考虑到灯泡的访问延迟（1337

毫秒）这一点，可以抵消归因于开关动作的670毫秒的访问延迟，来防止一个

更实际的通过Wi- Fi无线控制器访问电灯开关667毫秒的时间迟延。散热器阀门记录的613毫秒访问延迟支持这个平均访问延迟。

通过所提出系统的散热器阀门的实战检验对家庭自动化系统的可行性进行

了评价。散热器阀门，如图6（b）所示，在真正的房子中进行测试。散热器阀

门放置在测试房子的起居室里，在一楼在图7所示。散热器的原有TRV阀门被

自动散热器样板阀门取代。本地控制器是放在距离的散热器2米的桌子上，并

连接到一台笔记本电脑。这种配置允许测试软件运行在本地控制器上，从而打

印出由用户设置的所要求需要的温度，当前散热器周围的温度和通过自动散热

器阀门达到所要求温度的时间。图8显示了实验环境。

图7. 散热器阀门架构

该实验的结果如图9所示。该图显示散热器在固定时间间隔为15分钟时用户（设定值）设置所需温度与实际温度（测量值）的对比。正如所示，散热器的实际温度迅速调整到由用户设置的所需温度，这对于大多数用户设置的温度范围是能实现的。然而，实际温度不能达到25℃，这是表明散热器太小而不能使这样一个大房间达到此温度。散热器阀门的性能评估显示了所提出的系统与现实世界最终产品是相适用的。本实验着重指出，散热器阀门采用ZigBee通信标准可成功地实施，监测和控制所提出的系统。这次成功的评估和该系统潜力的演示，表明所提出的系统可以很容易地从实验室环境适应商业市场。

图8.实验环境

对于所提出系统的定性分析，一个观察小组开展了关于从2008年3月4日至最终用户对提出的系统的观点进行评估，以获得进一步的工作的反馈意见。观察小组由十名被选为反映最终客户的意见的英国房屋协会（房委会）成员组成。大多数与会者提出的意见认为，该系统有远程诊断和检查系统潜在错误的能力，比如公用照明是一个有吸引力的功能。

图9.设置温度与实际温度

目前，房委会每年在监控和维护公共照明花费约10万英镑。采用这种系统不要实物形态的人力监测，能够检测到照明的故障，而且将作出重大的储蓄和

激励投资。此外，灵活的和大众化的界面提供了控制和监控设备连接到家庭自

动化网络，被认为是一个有吸引力的功能。有人认为，此功能将有利于大多数

行动不便的人。其中一个改善是突出一个参与者，并听取了验收组广泛的建议，让用户直接从手机访问家庭自动化系统，而不需要一个物理网络连接到家庭。

V.结论

本文回顾了家庭自动化系统的现有状态，确定并讨论阻碍消费者采用这种

技术的五个方面原因。简单地说，这些方面包括：采用现有系统其体系结构的

复杂性和费用，该系统安装的干扰，在不同的家庭自动化技术之间互操作性的

缺乏，以及利用相同开发技术不同厂家的系统间的互操作性的缺乏。接口僵化

和对安全性和安全采取的方法不一致也是问题。已提出和实施一种新型的家庭

自动化系统的体系结构，使用相对较新的通信技术：ZigBee。ZigBee通信技术

的使用有助于降低系统的费用和减少相应的系统安装的干扰。虚拟家园的的概

念负责协调系统的安全性和安全，所有会有一个通畅和兼容的庄园。一个家庭

网关的列入有助于克服网络互操作性问题。家庭网关在我们操作过程中提供本

地的ZigBee和Wi- Fi网络和互联网的之间的互操作性。此外，家庭网关提供

了很容易扩展到与包括其它通信标准网络之间互操作性的可能性。再者，以前

用于用于访问系统的家庭网关结合由系统所提供的接口可以访问不同的网络和

设备。所提出的架构和技术的可行性与适宜性在建立时是一个低成本，系统的

灵活和安全已成功地通过试验和试用用户的评估。实验突出了新架构的稳定，

包括了虚拟家园的列入对系统的性能影响非常小。Wi- Fi和ZigBee成功的共

存和具有互操作性的潜能，实际上已被一个真正的家庭自动化系统的实施证明。观察组会议都表现出对已开发系统积极的态度，并大力支持控制、监测各种模式，整合现有的家庭网络诸如Wi- Fi。

鸣谢

作者希望感谢拉夫堡大学网络与控制研究组同事的不断支持与建议！