基于Zigbee的智能家居無線家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

【摘要】本文設(shè)計了一種基于Zigbee無線通信技術(shù)的智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、硬件組成及設(shè)計思路、軟件設(shè)計思路等。該系統(tǒng)具備低組網(wǎng)成本、低功耗、覆蓋范圍大、組網(wǎng)方便可靠的特點(diǎn)，同時具備同符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品互聯(lián)互通的優(yōu)勢，在智能家居本地組網(wǎng)技術(shù)中，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。

【關(guān)鍵詞】Zigbee；智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本智能家居系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：Zigbee無線家庭內(nèi)網(wǎng)、嵌入式智能網(wǎng)關(guān)和外網(wǎng)。整個家庭無線網(wǎng)絡(luò)就是一個由若干個Zigbee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成的無線局域網(wǎng)。根據(jù)應(yīng)用功能不同，Zigbee節(jié)點(diǎn)可分為三類：安防節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)。家庭智能網(wǎng)關(guān)接收用戶從遠(yuǎn)程通過GSM或Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的查詢或控制信息，經(jīng)過處理將其轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)信息中地址信息把指令信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對家庭內(nèi)的電氣設(shè)備或傳感器信息的監(jiān)測和控制。當(dāng)然，智能家居控制器可根據(jù)傳感器采集到的環(huán)境信息，對家中的電器和照明裝置進(jìn)行智能化的控制。通過智能網(wǎng)關(guān)的語音識別模塊，用戶也可在本地對電氣設(shè)備進(jìn)行語音開關(guān)控制。圖1.1為智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)圖。本文重點(diǎn)對基于Zigbee的無線家庭網(wǎng)絡(luò)部分做出深入的研究及設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本無線家庭網(wǎng)絡(luò)采用星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用和功能的不同，終端節(jié)點(diǎn)可分為采集節(jié)點(diǎn)、安防節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)[1]。采集節(jié)點(diǎn)主要用來檢測家庭環(huán)境數(shù)據(jù)以及發(fā)送RF數(shù)據(jù)，它不接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令，但接收查詢命令。例如溫濕度檢測、光照檢測、煙霧檢測等。安防節(jié)點(diǎn)主要對家庭中具有安全隱患的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，例如紅外線入侵檢測等，該節(jié)點(diǎn)不接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制/查詢指令，以門限觸發(fā)的方式發(fā)送報警信息。控制節(jié)點(diǎn)主要通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)家電的控制，主要是接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的控制命令，返回查詢命令的反饋值以及執(zhí)行控制命令的狀態(tài)值。主要包括：窗簾控制、照明燈控制以及萬能遙控器控制等。

系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個Zigbee終端節(jié)點(diǎn)均包括Zigbee模塊和控制接口部分。Zigbee模塊主要負(fù)責(zé)Zigbee信號的無線收發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)與Zigbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)通信。不同類型終端節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊電路相同，而不同類型終端節(jié)點(diǎn)的接口電路卻略有區(qū)別。模塊通過引出通用接口，來支持智能終端功能的設(shè)計。通用接口主要包括JP1、JP2、JP3、JP4四個通用接口，其中的JP1、JP2口連接CC2430芯片，而JP3、JP4口連接傳感器以及家電設(shè)備，因此需要設(shè)計JP3、JP4與家電設(shè)備之間的信息傳輸硬件電路。

（1）安防節(jié)點(diǎn)部分接口電路設(shè)計

當(dāng)有人在防區(qū)內(nèi)走動時，就會造成紅外熱輻射能量的變化。PIR傳感器將感應(yīng)活動人體與背景物體之間輻射能量變化并轉(zhuǎn)換其為電信號。由外殼和菲涅耳透鏡、PIR紅外傳感器、專用IC（WT8072）等電路組成熱釋電紅外線感應(yīng)器。原理圖如下所示：當(dāng)有人非法入侵時，WT8702的10腳（TRLAC）輸出高電平，此電平信號接到JP3的P0.1腳。電路如圖2.1所示。

（2）控制節(jié)點(diǎn)部分接口電路設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)電動窗簾控制功能，系統(tǒng)選擇L6203作為電機(jī)的功率驅(qū)動芯片，其中的IN1、IN2、ENABLE口與JP3的P0.0、P0.1、P0.4口連接，并選擇B1電機(jī)作為控制節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行器，執(zhí)行接收到的控制命令。電路圖如圖2.2所示。

（3）采集節(jié)點(diǎn)部分接口電路設(shè)計

與控制節(jié)點(diǎn)不同的是，傳感器節(jié)點(diǎn)不需要添加中間電路，只需要將其I/O口與JP3連接即可，設(shè)計中采用SS-168型聯(lián)網(wǎng)型煙霧報警器，煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)電路如圖2.4所示。

2.2 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

本設(shè)計針對智能家居系統(tǒng)硬件應(yīng)該具有易開發(fā)、低功耗、低成本的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)均采用CC2430射頻芯片作為Zigbee芯片，CC2430是無線SOC（System On Chip）設(shè)計，系統(tǒng)所需的一般電路都已集成在芯片內(nèi)部，只需簡單外圍電路就能實(shí)現(xiàn)信號收發(fā)功能[2]。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是智能家居無線家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并通過串口向智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)上傳來的數(shù)據(jù)信息，同時將控制中心傳達(dá)的命令發(fā)送到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。與終端節(jié)點(diǎn)的不同之處在于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)不包含家電控制模塊和信號采集模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在硬件平臺上擴(kuò)展了RS232串口，用于和家庭智能網(wǎng)關(guān)相連。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Zigbee家庭網(wǎng)絡(luò)配置

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)通信的前提條件就是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在空閑信道建立新的網(wǎng)絡(luò)。因此在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)中需寫入基于zigbee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)配置程序。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)建立和配置過程如圖3.1所示。節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過掃描空閑信道嘗試建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。射頻單元從當(dāng)前頻帶的第一個信道開始檢查該信道是否為空閑信道，若有另一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)處于該信道，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將收到其反饋數(shù)據(jù)，并認(rèn)為此信道已被占用，然后它會切換到下一個信道并重復(fù)該過程直到?jīng)]有接收到任何反饋數(shù)據(jù)為止。一旦找到某個信道為空，它開始監(jiān)聽該信道并建立了網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)完成建網(wǎng)后，便開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)請求并隨時響應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求[3]。

當(dāng)收到終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求信號時，則發(fā)送信號來響應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求，同時更新地址鄰接表。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)在程序下載時，就已經(jīng)確定其網(wǎng)絡(luò)組號以及節(jié)點(diǎn)序列號。因此，終端節(jié)點(diǎn)上電系統(tǒng)初始化之后，它會根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)組號需找該網(wǎng)絡(luò)組所在的信道，一旦確定網(wǎng)絡(luò)組所存在的信道后，發(fā)送入網(wǎng)請求并等待協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)響應(yīng)信號，若在等待時間段內(nèi)沒有收到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)響應(yīng)信號，該節(jié)點(diǎn)將會重復(fù)上述入網(wǎng)過程，一直到接收到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)響應(yīng)信號為止。由于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在接收終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時，會更新地址鄰接表，因此，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的入網(wǎng)請求的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該包含其網(wǎng)絡(luò)組號以及序列號[4]。終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程如圖3.2所示。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計

可以把家庭網(wǎng)絡(luò)中的所有終端節(jié)點(diǎn)功能分為網(wǎng)絡(luò)通信功能和設(shè)備操作功能兩部分。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的主要功能是網(wǎng)絡(luò)通信和路由，相對于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信功能更簡單。本系統(tǒng)中，采集節(jié)點(diǎn)需定時采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，且同時它要監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中有沒有發(fā)給它的查詢信息，并接收處理。采集節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖3.3所示。

控制節(jié)點(diǎn)需接收控制命令來控制家電設(shè)備的工作狀態(tài)，它的主要通信功能是RF消息接收功能。要使終端節(jié)點(diǎn)能夠完成其功能，就必須在網(wǎng)絡(luò)通信功能與設(shè)備操作功能之間建立連接，即需要在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)通信功能之間建立接口。在程序中，通過定義相關(guān)的應(yīng)用協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。而安防節(jié)點(diǎn)，其設(shè)備操作相對簡單，只需定時采集家庭環(huán)境中的安防數(shù)據(jù)即可?？刂乒?jié)點(diǎn)接收到不同的代碼代表對該電氣設(shè)備的不同操作，并將這些操作轉(zhuǎn)換成電氣設(shè)備能識別的命令，通過中間電路發(fā)送到家電設(shè)備。安防節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖3.4所示。

4.結(jié)語

針對當(dāng)前智能家居系統(tǒng)建設(shè)對于用戶側(cè)通信的需求，本文提出了基于ZigBee技術(shù)的家庭無線內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)方案，該方案可使智能家居系統(tǒng)獲得可靠的本地通信，對于智能家居系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王麗俠（1982—），河北唐山人，碩士研究生，唐山學(xué)院講師，主要從事信息與通信系統(tǒng)研究及教學(xué)工作。