随着网络技术和通信技术的不断发展，以及人们对生活要求的不断提高，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势．智能家居网络指的是在一个家居中建立一个通信网络，将家居中各种单元互相连接起来，实现对所有智能家居网络上的家电设备的远程控制和家居环境参数的监控． 网络的连接方式大体可以分成有线连接、无线连接以及有线与无线相结合的方式．目前，大多数的家庭控制网络采用的都是有线连接，有专用电缆与CPU相连．虽然有线连接方式具有稳定可靠，高速率等诸多优点，但同时具有可变性及灵活性不够，维护和升级成本高等缺点．与此同时，无线网络技术的发展以及在各领域取得的应用成果，也将大大促进家居智能化的进程．在未来的家庭中，无线网络技术将逐渐替代有线网络技术向无线连接方向发展．实现无线连接后，人们的生活空间会变得更加广阔，当然，更重要的是无线连接能跨过时间和空间的限制，让人们的生活实现真正的无限．
随着网络技术和通信技术的不断发展，以及人们对生活要求的不断提高，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势．智能家居网络指的是在一个家居中建立一个通信网络，将家居中各种单元互相连接起来，实现对所有智能家居网络上的家电设备的远程控制和家居环境参数的监控．
网络的连接方式大体可以分成有线连接、无线连接以及有线与无线相结合的方式．目前，大多数的家庭控制网络采用的都是有线连接，有专用电缆与CPU相连．虽然有线连接方式具有稳定可靠，高速率等诸多优点，但同时具有可变性及灵活性不够，维护和升级成本高等缺点．与此同时，无线网络技术的发展以及在各领域取得的应用成果，也将大大促进家居智能化的进程．在未来的家庭中，无线网络技术将逐渐替代有线网络技术向无线连接方向发展．实现无线连接后，人们的生活空间会变得更加广阔，当然，更重要的是无线连接能跨过时间和空间的限制，让人们的生活实现真正的无限．
ZigBee标准是一个正在发展中的低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准，它是专为低速率传感器和控制网络而设计的无线网络规范．ZigBee以其低功耗、低成本和协议简单的技术优势，应用于家庭和建筑物的自动化控制、消费性电子设备、工业控制等领域．国外研究有应用ZigBee、GPRS模块以及GPS技术实现特定地域的环境监控，还有应用ZigBee技术用于人体生理参数的监护、医院病人监护与管理等．本文将无线传感ZigBee网络与拥有着庞大网络基础的GSM网络相结合，应用于家居控制系统，能充分发挥各自的优点，真正实现智能化的家居．
1系统总体方案设计及系统原理
1．1方案设计
该控制系统由核心部分的充当家庭网关的智能家居主控制器和终端数据采集与控制节点组成，系统集GSM网络与ZigBee网络通信于一体，连接这两种网络实现数据的交换．系统总体设计框图如图1所示．
之所以采用此方案，是基于家居网络的特点，以及考虑到用户方便操作性．首先，家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电开关和传感器终端节点，数据量小，这种较大规模的低速率网络需要一个低成本的节点组网技术．其次，家居内部网络覆盖范围不需要很大，网络节点由电池供电需要维持长时间工作．采用ZigBee星型网络拓扑结构能完全满足且使得系统更加简单有效，便于扩展和升级．最后，为了满足用户突破时间、空间的限制，实时查看和控制家居网络中节点设备的要求，通过GSM网络用户使用随身携带的手机以短信的方式来对家居状况及家电设备进行监控(经济、实用、方便)．另外，用户在家中还能通过带ZigBee模块的遥控器以及控制器本身来实现对网络中设备的管理．
1．2系统原理
由GSM模块和ZigBee协调器模块构成的智能家居控制器，充当家庭网关的角色．其中GSM模块用于实现同用户手机的通信，接受用户的短信息命令或者发送终端节点数据或状态信息给用户．而ZigBee模块是为了实现与家庭内部设备节点的通信，主要发送经解析的用户命令到相应的设备节点和接受节点信息．由ZigBee模块搭配各种传感器或者控制模块组成的各终端节点，主要接受来自主控制器的命令，实现数据采集或者设备控制等．
总之，智能家居控制器作为家庭网关，一方面能实现本地的家居信息的显示和集中管理．另一方面连通ZigBee网络和GSM网络，使得用户可以通过GSM网络以短信息的方式访问ZigBee网络，对家居环境进行监控．此外，智能家居控制器还应当具备自动报警等功能，即当发现报警信号如有人恶意闯入、温度超高等，控制器能立即处理并向用户发出报警信号．
2硬件设计
ZigBee模块核心选择CC2430芯片，它是由Chipcon公司推出的实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案．
这种解决方案能够提高性能，并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用及对低成本、低功耗的要求．它结合一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器．CC2430芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，且外设资源丰富．作为终端节点，只要扩展合适的驱动电路和传感器，就能实现数据的采集及控制功能［7－11］．
2．1主控制器硬件设计
主控制器，也即网关硬件设计，以CC2430芯片基本应用电路(包括晶振、复位、天线以及供电电路)为核心，外加按键、LCD显示控制电路、串口和GSM模块通信电路组成．利用CC2430的I/O口直接控制液晶，按键采用ADC采样和直接电平读取两种方式，直接电平读取可以挂到中断I/O口上，可以有很快的响应速度．而ADC采样可以节省几个I/O口，通过几个电阻分压，可以判断键值．协调器电源采用5 V的变压器供电，由于CC2430工作电压为3.3 V，所以还需将5 V转化为3.3 V，这里选择一片稳压芯片LM7805外加几个电容即可．控制器电路框图(省略了基本电路)如图2所示．
2．2终端节点硬件设计
终端节点设计主要是以CC2430芯片为核心，外加一些传感器、继电器以及驱动电路组成．这里简要介绍一个温度采集以及驱动继电器的节点设计，电路设计如图3所示．温度传感器选用DS18B20，电路简单，只需占用CC2430的一个I/O口．节点电源由一节12 V干电池供电，由于DS18B20工作电压为5 V，而CC2430工作电源为3.3 V，所以电源电路设计需将12 V转5 V供温度传感器DS18B20工作，然后再变压到3.3 V供CC2430工作．
这里选用稳压管LM7805和LM1117－3.3来实现电压变换要求，电路设计如图4所示．
3软件设计
本系统采用IAR7.2集成开发环境，使用TI的ZSTACK协议栈．主控制器的主要任务是建立网络，分配网络地址给网络中节点，实时更新和显示节点数据或状态信息，并按照预先设定的报警条件进行判断，以及轮询按键任务、串口用户命令任务;通过本地显示或远程用户手机短消息的方式同用户交互，实现对整个网络的监控．程序流程图如图5所示．
终端节点的工作流程主要是加入主控制器建立的网络，监控空中无线信号(主要是来自主控制器的命令信号)，根据命令做相应处理，实现节点中传感器数据的定时采集并发送到主控制器．程序流程图如图6所示．
4软硬件调试
该系统在进行软硬件调试过程中分3步进行，首先，ZigBee节点功能以及组网功能调试．系统采用了两个终端节点，一个用于采集温度值，另一个则用于继电器控制电源开关，具备一定代表性．其调试过程主要是将主控制器串口与PC机相连，通过串口调试助手调试各模块功能，实现数据收发．调试结果如图7所示．其次，GSM网络部分调试．这部分是利用现有的GSM模块，插入一张移动的SIM卡，通过串口与单片机相连，单片机通过串口发送AT命令调试其通信功能．最后，联合调试．将GSM模块接入到主控制器进行系统联合调试运行．结果显示，在实验条件下，ZigBee无线传感网络能快速组网，接受子节点入网，实现数据收发，并能通过GSM网络与用户交互．系统调试工具如图8所示．
5结论与展望
本文研究的基于ZigBee技术与GSM传输网络设计的无线传感网络模型，通过在家居环境中进行测试，能够有效地进行通信，数据传输稳定可靠．相信随着ZigBee技术的发展，在家电中嵌入ZigBee模块以其成本、功耗、通用性的优势，将极大地改善我们的生活方式并有着广阔的发展前景．随着智能手机普及，3G网络的发展，为了满足更多应用的需求，系统可进一步研究将主控器开发为嵌入式的Web服务器，接入Internet．这样一来，用户还可通过手机或者PC机登陆浏览器，实现家居系统的监控以及参数的设置，可极大地方便用户．
