Home Network Configuring Scheme for All Electric Appliances Using ZigBee-based Integrated Remote Controller
Il-Kyu Hwang, Member, IEEE and Dae-Sung Lee, Jin-Wook Baek
Abstract— Controlling the electric appliances is the essential technique in the home automation, and wireless communication between the residence gateway and electric appliances is one of the most important parts in the home network system. In these days, most of the electric appliances are controlled by infrared remote controllers. However, it is very difficult to connect most of the electric appliances to a home network, since the communication protocols are different.
In this paper, we propose an integrated remote controller to control electric appliances in the home network with no extra attachment of communication device to the appliances using ZigBee protocol and infrared remote controller technology. The integrated remote controller system for home automation is composed of integrated remote controller, ZigBee to infrared converter, and ZigBee power adapter. ZigBee power adapter is introduced for some appliances which do not have even infrared remote device to be connected in home network. This paper presents a prototype of the proposed system and shows a scheme for the implementation. It provides high flexibility for the users to configure and manage a home network in order to control electric appliances. 1
Index Terms — Integrated Remote Control, ZigBee, Power Adapter, Infrared, Home Network.
- INTRODUCTION
Home automation technologies have been greatly getting attentions, because they provide residents with a lot of convenience and completeness by controlling the home appliances in the house. Home network has become the network of consumer related electronics for various useful applications such as entertainments, telecommunications, automation systems, and remote control and monitoring systems.
Controlling the appliances is the essential technique in the home automation, and communication between the residential gateway and appliances is essentials of
1This work was supported by the Seoul Ramp;BD Program under Grant No. 10655.
Il-Kyu Hwang is with the school of Robot and Automation Systems, Dongyang Technical College, Kochuck-dong, Kuro-ku, Seoul, 152-714, Republic of Korea (e-mail: ihwang@ymail.com).
Dae-Sung Lee is with the PriVia Co. Ltd., Dongyang Incubation Center
#109, Kochuck-dong, Kuro-ku, Seoul, 152-714, Republic of Korea (e-mail: daesungy@gmail.com).
Jin-Wook Baek is with Department of Internet Commerce, Ansan College, Il-dong, Sangrok-gu, Ansan, Kyunggi-do, 426-701, Republic of Korea (e- mail: jwbaek@ansan.ac.kr).
Contributed Paper
controlling electric appliances. That is, one of the important communication techniques in the home networking is to control electric appliances and to communicate within the house. A home network, a residential local network, is used to connect several electric appliances within home. The network is composed of communications with electric appliances such as a broadband modem, a router, PCs, a wireless access point, entertainment peripherals, and other electronic devices. It allows users to control electric appliances remotely through the external network like Internet or mobile network. Many of the users can use the convenient and practical applications such as entertainments, telecommunications, and remote control and monitoring systems on the home network. By the rapid growth of personal computers, Internet, and high advanced telecommunication technologies, the importance of the home networking has increasingly emphasized in the research and commercial society. As the cost of wireless devices falls down in these days, many new applications are able to be made with wireless methods [1] [2]. There are many of wireless methods, such as Bluetooth and ZigBee, in the area of home networking. Especially, ZigBee, a protocol for wireless sensor networks based on the IEEE
802.15.4 specification [3] [4], has become the most attractive technique in the system environments because of open standard, low cost, and low power characteristics [5] [11].
There have been a lot of researches for controlling the electric appliances at home. They allow users to control and manage electric appliances in the home network. They used remote controllers, PCs, mobile phones, PDAs, voice, human movement and gesture to control appliances which connected to the home network. Remote controllers were replaced with human hand gestures [12]. It is focused on control friendliness especially for elderly or disabled people. Reference [13] tried to use the same remote controller to control different kind of appliances using radio and infrared technologies. Reference [14] allowed wireless handheld devices such as mobile phones and palm-size computers to be used as remote controls for applications on PCs and appliances within home. Universal control environments were proposed to browse multiple devices and select services [15].
There have been some studies using the integrated remote controller based on wireless network technologies to control the electric appliances within the house. These studies used Bluetooth and ZigBee protocols [16]-[18], and paid attention that electric appliances in the house are managed by the infrared (Ir) remote controller. Reference [18] proposed a
Manuscript received July 14, 2009 0098 3063/09/$20.00 copy; 2009 IEEE
scheme which converts a control message transferred through the ZigBee network into an infrared typed control signal to control several electronic devices. However, a communication module has to be attached on each home appliance in order to receive control messages in their study. It takes additional design changes and c
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中文6060字
出处：Hwang I K, Lee D S, Baek J W. Home network configuring scheme for all electric appliances using ZigBee-based integrated remote controller[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2009, 55(3):1300-1307.
为控制家庭网络所有家电设计的基于ZigBee的集成遥控器
Il-Kyu Hwang, Member, IEEE and Dae-Sung Lee, Jin-Wook Baek
摘要
控制电器是家庭自动化的基本技术，无线住宅网关之间的通信和电力电器是家中最重要的一个部分网络系统。住宅网关和家用电器之间的无线通信是家庭网络系统中最重要的一个部分。现如今，绝大部分电器使用红外遥控控制器来控制。但是，因为通信协议的区别，使得想要用一个家庭网络来控制绝大部分电器变得很困难。
在本文中，我们提出使用一种集成红外遥控来控制家庭网络里的电器，这种红外控制使用无线个域网协议和红外遥控器技术，并且没有额外的通信设备电器附件。家庭自动化的集成远程控制器系统是由集成远程控制器,无线个域网红外转换器和无线个域网电源适配器组成。无线个域网电源适配器引进一些甚至还没有红外遥控装置连接在家庭网络上的设备。本文就所提出的系统和显示方案的实施提出了一种原型。这为用户配置和管理一个家庭网络来控制家电提供了很高的灵活性。
关键字：远程控制集成，ZigBee,电源适配器，功率适配器，红外，家庭网络
I. 引言
家庭自动化技术已经得到了广泛关注，因为它们为居民在控制家用电器方面提供了很多便利和完整性。家庭网络已经成为网络消费者对各种有用的相关电子产品应用的网络,如娱乐、电信、自动化系统,远程控制和监测系统。在家庭自动化里面，控制电器是必不可少的技术，住宅网关和电器之间的通讯是电器控制的要点。也就是说，家庭网路通信技术中的一个重点就是控制室内的电器和电器的通讯。家庭网络、住宅本地网络被用来连接家里的一些电器。网络由通信用电电器组成，比如宽带调制解调器等设备,路由器,电脑,无线接入点、娱乐外设和其他电子设备。它允许用户通过像互联网或移动网络这样的外部网络来远程控制家用电器。许多用户可以在家庭网络上使用方便实用的应用比如电信、娱乐和远程控制以及监测系统。伴随着个人电脑数量的高速增长，因特网，和高速发展的通信技术，在研究和商业社会中越来越强调家庭网络的重要性。现如今，随着无线设备成本的下降，许多应用程序可以使用无线的方法来完成。【1】【2】
在家庭网络网路领域，有许多无线的应用，比如蓝牙和ZigBee，特别是ZigBee，基于IEEE 802.15.4规范【3】【4】的无线传感网络协议，由于低成本，低功耗的特点和开放标准，已经成为系统环境中最具吸引力的技术。【5】—【11】
在控制家用电器方面如今有很多的研究，它们允许用户使用和控制家庭网络里的电器。人们用遥控器，电脑，手机，PDA，声音，人的动作和姿态控制连接在家庭网络的设备，远程遥控器取代了人们的手势。【12】它集中在控制性方面，尤其是对于老年人和残疾人。参考【13】研究试图通过红外技术设备和无线电使用相同的遥控技术来控制不同种类的电器。参考[【14】允许无线手持设备，如手机和手掌大小的计算机应用作为远程控制来控制家里的电脑和电器。通用控制环境提出了浏览多个设备和选择服务。【15】
现在已经有基于无线网络技术的使用集成远程红外控制器来控制室内电器的一些研究，这些研究中使用蓝牙和ZigBee协议，【16】—【18】 并且着重让这些室内电器由红外遥控器管理参考文献【18】提出了一项计划，通过转换传送的控制消息ZigBee网络进入的红外类型化控制信号，以控制多个电子设备。但是，一个通信模块必须被安装在各家电以在他们的研究得到控制消息。这使得电器公司为了连接到家庭网络需要额外的设计变更和成本。也有另一个问题，就是没有方法来把不具有通信模块的设备的家电连接到家庭网络上。
在这项研究中，我们提出一个基于ZigBee的集成远程控制方案，该控制方案包含了构建家庭网络系统和控制所有没有额外的设计变化室内电器。我们也提出了一个基于ZigBee的电源适配器方案来连接没有通讯设备的家电。此外，我们实现了一个原型系统来表明该系统是一个用于控制家电的家庭自动化系统的切实可行的解决方案。在本文的其余部分安排如下，第2节和第3节分别提出设计和实施，结论列于最后一节。
II、系统结构与设计
在本节中，我们首先描述了系统概述，然后提出系统的每一个组件。在最后部分对系统操作进行说明。
A系统概述
一个集成的远程控制器系统的家庭自动化是由集成的远程控制器（IRC），ZigBee红外线转换器（zb2ir），和ZigBee电源适配器（ZPA）组成的，如图1所示。
图1 系统配置图
用户可以在家庭网络系统中通过IRC控制各种电器连接。IRC发送特定的ZigBee信号的几个ZB2Ir和ZPA。ZB2Ir接收从IRC和转换的ZigBee信号的形式的控制消息，转换成红外线（IR）信号。IR信号被广播，以控制特定的电器。某些设备没有红外线遥控器，如灯和加热器，可以通过ZPA来控制。ZPA打开或关闭时，它需要所连接的电器相应的ZigBee信号。在这种情况下，该设备被连接到ZPA继电器，然后ZPA通过IRC的命令供给电力的继电器。也就是说，ZPA仅启用开/关控制的设备。
因此，IRC可以通过使用ZigBee协议在家庭网络系统中的远程控制方案控制各种电器。
B集成远程控制器（IRC）
-
硬件
IRC是由一个微处理器，一个ZigBee模块，一个IR接收机和一个触摸屏组成的，如图2所
示。
在一个ZigBee网络中，IRC的ZigBee模块有一个协调的作用。ZB2Ir和ZPA作为一个ZigBee网络中的子节点参与其中，在ZigBee模块通过连接顺序分配的网络地址。它还使IRC和子节点（ZB2Ir和ZPA）之间的通信成为可能。
红外接收器是一个学习家电红外遥控器发出的红外信号的装置。IRC有一个用户学习代码的功能。也就是说，IRC接收从由红外遥控器控制红外接收器所发送红外信号，分析这些信号，然后将它们存储为二进制码。在IRC具有一个图形用户界面（GUI）环境，其中用户可以通过点击屏幕上的一个按钮，简单地操作的IRC。微处理器在屏幕上显示上下文菜单，并等待用户通过触摸屏幕输入。
图2 IRC结构图
2）软件
IRC软件是由OS和三个应用程序组成的，如图中3所示。三个应用程序的特征在于使用的库的类型。应用I（遥控器）负责将用户输入的通过屏界面和应用II（ZigBee_服务器）控制ZigBee模块和处理的信号。最后一个应用程序，应用程序III（红外服务器），感应和处理遥控器的红外线。
图3 IRC软件结构图
应用程序I（遥控器）在QT / E库的操作基础上，在屏幕上显示在IRC的功能，并等待用户输入在屏幕上。应用II和III应当在应用I的操作之前被处理，套接字用于两个应用程序之间的数据通信。
图4示出应用程序I，这是由用户输入和状态的改变所形成的一组状态转换的状态转换图。
实线表示点击屏幕上的按钮，并且点线一旦操作完成装置的自动状态就发生变化。
图4 应用1的状态转换图
经过初始化状态（初始化），状态更改为四种状态，即Remocon_Engine，ZigBee_Engine，Ir_Engine和UI-主。如图4显示的UI_Main的过渡状态，每个状态的功能如下：
遥控器引擎：用于管理遥控器列表，诸如遥控器的插入和删除的数据库引擎。
ZigBee引擎：传达到ZigBee服务器周期性和管理设备的连接到IRC列表的数据库引擎。
UI-主营：IRC的主用户界面的初始显示（UI）。
UI-设备列表：用户界面，用于管理连接到IRC设备（例如，ZB2Ir和ZPA）的列表。
UI-添加遥控器：它通过单击UI设备列表上的添加遥控器按钮来指定设备列表中的虚拟远程控制器。也就是说，用户可以指定家电遥控器的IRC。另外，也可以为设备到IRC的接通/断开控制分配新的按钮。
UI-遥控器列表：它管理分配UI-添加遥控器里每个设备的虚拟遥控器列表。
UI-遥控器：虚拟遥控器UI控制电器。它通过UI-遥控器列表选择一个虚拟遥控器来显示。因此遥控器学习应该使用虚拟遥控器之前完成 。通过点击UI-遥控器上的按钮，IRC为红外遥控学习执行UI红外遥控学习。
UI-红外线学习：一个UI的红外线遥控器学习。
应用II（ZigBee_Server）使用套接字从ZigBee模块遥控器（应用程序I）传递数据，并控制ZigBee模块来处理来自应用1的信息包。
应用III(Ir_Server)控制红外读取器设备该系统内核检测到的红外信号驱动程序，一旦IRC红外接收模块检测到的红外信号，它将成为红外读取设备的内核驱动程序。红外读设备驱动程序的措施通过高低持续时间优先顺序转移到红外服务器。红外服务器分析来自红外读取器设备驱动程序关于红外信号传输格式和长度的数据，以遥控器（应用I）比较先后和定制代码。发送到应用I的红外线信号数据格式如图5。
图5 红外光谱数据分析格式图
3）ZigBee到IR转换器（ZB2Ir）
ZB2Ir由ZigBee模块，红外发光二极管（IRED），和一个用于控制这些部件微处理器组成，如图6所示的。ZigBee模块使IRC和zb2ir参与作为ZigBee网络的子节点之间的通信
ZB2Ir具有布置在径向形式几个IrEDs并从IRC到电器的特定的红外信号转换的ZigBee信号。例如，当用户点击的IRC的电视频道按钮，IRC产生相应的红外信号的ZigBee数据，并发送至ZB2Ir。ZB2Ir的ZigBee模块的数据传送到微处理器，微处理器分析所接收的数据，并确定的红外线编码的格式，然后，它控制红外发光二极管以生成对应的红外信号，红外线信号被广播给所有的传输范围内的所有设备。
图6 ZB2Ir的结构图
4）ZigBee的电源适配器（ZPA）
ZPA是一种装置以执行开/关控制所述不具有控制装置的电器，例如一个红外遥控控制器。ZPA由ZigBee模块和商用电力和输出端的固态继电器（SSR）组成，其具有输入端子连接到电器的电源线。
ZPA的ZigBee模块作为IRC像ZB2Ir的一个子节点参与ZigBee网络。它决定了与设备相连的输出端的开或者关。
图7 ZPA结构图
5）网络
如图8中，网络的拓扑结构采用网格类型克服节点之间的断线问题，这可能是由于墙壁和在屋内的其他障碍引起的。ZB2Ir和ZPA充当网络中的路由器，并且可能有另外的作为子节点的ZB2IR和ZPA。在ZigBee网络，只能有一个的IRC（作为协调器），而可能有几个ZPAs和ZB2Irs。ZB2Ir向范围内的具有红外信号接受装置的电器传递红外信号。
图 8 网状结构图
也就是说，信号的类型是ZB2Ir对电器的单向通信。像灯和加热器这样的消费产品都没有办法通过红外信号进行通信，只能通过ZPA网络参与。
zb2ir和ZPA必须遵循关联程序由ZigBee联盟推荐参加ZigBee网络。图9表示的关联程序。
图 9 关联程序图
一旦与ZigBee模块的设备加电时，该设备发送“信标请求”指令，以检测将要连接的网络。如果设备检测到一个可用网络时，它发送“相关联请求”消息发送到相应的网络的协调器（IRC）。协调器回复的ACK信号发送到设备，然后，设备发送“数据请求”命令给协调器。
在协调器再次发送ACK信号至设备后，它分配一个16比特网络地址的装置，并发送“协会响应”命令到设备。一旦一个地址的分配，它不应该被重复使用，以防止节点的地址之间的冲突。而信号通过关联程序给每个设备分配一个64位IEEE地址 ，程序使用指定后通信协会通过IRC网络地址，相关的IRC zb2ir和ZPA把他们的网络地址和设备类型发送到IRC。然后，IRC存储设备列表中的网络地址和设备类型。
C.操作
1）设备增加
一个新设备像图9所示的关联过程添加，如果列表不是自动注册，用户可以手动通过点击用户界面的主扫描功能添加ZB2Ir和ZPA，这是在在IRC已经连接到列表中。
2）虚拟遥控器配置
为了控制被登记在设备列表的使用IRC，ZB2Ir和ZPA的电器，将其分配给所述虚拟遥控器。一个设备可以被分配给多个虚拟遥控器，并且每个遥控器可以通过其名称来识别。遥控器的登记类型是电视，DVD，视频和音频记录器，开/关开关，等等。这可以通过红外线遥控器来控制电器，如电视和DVD被分配给ZB2Ir，又比如开/关开关被分配给ZPA。
3）红外线遥控
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