基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研究

李超杰

[摘要]以ZigBee無線傳感網(wǎng)絡為基礎而設計的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中高功耗、有通信盲區(qū)存在的問題，文章從硬件和軟件兩方面分析了ZigBee無線模塊的設計，實現(xiàn)了低成本、擴展性好以及無縫通信的要求。

[關鍵詞]ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡；智能家居

如今社會，經(jīng)濟水平不斷提高，科技發(fā)展水平日新月異，人們對家庭居住環(huán)境的要求也越來越高，智能家居應運而生。智能家居是一種具有廣泛功能的綜合性技術系統(tǒng)，將自動控制、計算機、傳感、網(wǎng)絡以及嵌入式等多種技術應用在家庭住宅中，集成各種家庭生活相關的應用子系統(tǒng)形成一個數(shù)字化的網(wǎng)絡結構，綜合進行科學管理和監(jiān)控以保持居住環(huán)境的安全性、舒適性以及節(jié)能性。構架家庭內部網(wǎng)絡以及智能控制，這兩點是智能家居系統(tǒng)中的關鍵部分。家庭內部網(wǎng)又分為無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡兩種組網(wǎng)方式。而今國內外對于組建家庭無線網(wǎng)絡方面十分重視，藍牙、紅外線、Wifi以及ZigBee都屬于無線，其中ZigBee應用在智能家居中得到了廣泛的好評，主要是因為它具有功耗極低、安全性良好、成本造價低以及容量大等優(yōu)勢。

1 ZigBee技術概述

ZigBee一詞是從蜜蜂群發(fā)現(xiàn)花粉位置時候跳的舞蹈演變而來的，人們用此來代稱一種成本、功耗低并且簡單易懂的近距離無線網(wǎng)絡通信技術。ZigBee技術一般應用在較近的范圍內或者是在傳輸速率較低的電子設備之間使用，因此在傳輸各種家電的無線控制指令方面非常適合。在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型方面主要有以下幾種：

以傳感器為代表的周期性數(shù)據(jù)、以鼠標為代表的重復低反應時間數(shù)據(jù)、以照明控制為代表的間歇性數(shù)據(jù)。

2 家居監(jiān)控系統(tǒng)中ZigBee無線模塊的硬件設計

在家居監(jiān)控系統(tǒng)中的ZigBee無線模塊主要分為主、從兩個節(jié)點，區(qū)分方式可以通過對控制位的設置來實現(xiàn)，主節(jié)點和從節(jié)點的相同之處在于無線收發(fā)部分的硬件設計，差異在于主節(jié)點信息交互是與數(shù)據(jù)處理模塊進行的，而從節(jié)點信息交互則是與被測對象之間進行的。圖1（a）（b）為ZigBee節(jié)點模塊的硬件結構示意圖，可以看出主要分為兩個部分，一部分是負責無線收發(fā)，另一部分是對通信接口進行控制。

節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信是無線收發(fā)部分負責的內容：PC機和從節(jié)點之間使用串行接口進行連接，從而進行調試或者連接其他相關電器的設備接口，對電器開工進行控制；而主節(jié)點中雖然有串行接口的設計，但是它以SPI控制通信接口為主，負責與TMS320F2812主控芯片之間交互傳輸數(shù)據(jù)。

在進行該模塊硬件設計的時候，首先是選擇合適的芯片。自從ZigBee技術出現(xiàn)，就有眾多無線芯片公司注意到了它并且開始研制相關的產(chǎn)品，而芯片的功能也從最初的單純無線收發(fā)發(fā)展成為了一個集合體，匯集了微處理器和無線射頻控制器，同時產(chǎn)品體積也縮小了不少，開放應用變得更加便利。本設計中使用的芯片為CC2430，它將微處理器、ZigBee射頻前端以及內存集于一體。并且CC2430芯片的生產(chǎn)工藝決定了它在工作中只會產(chǎn)生小于27mA的電流損耗，對于智能家居來說采集和控制無線數(shù)據(jù)正需要這種低功耗的特點。

然后是分析該模塊具體的設計原理，CC2430的外圍電路，在工作中使用兩種電壓，內部的工作電壓為+1.8V，而外部數(shù)字I/O接口的電壓則為+3.3V，通過電壓轉化一個直流穩(wěn)壓器誕生了，實現(xiàn)了電壓從+3.3V到+1.8V之間的轉化。對于智能家居系統(tǒng)來說這種供電方式非常科學，只需要一塊+3.3V的紐扣電池就可以為該無線收發(fā)模塊提供足夠的電力了。

3 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和樹型網(wǎng)三種網(wǎng)絡拓撲結構ZigBee都是支持的，其中最省電的是星型網(wǎng)，同時因為其結構簡單，所以也是成本最低的，節(jié)點設備和協(xié)調器之間進行通信，維護和檢修設備的時候會更加便利。本設計底層無線傳感網(wǎng)絡選擇了星型的拓撲結構，用于采集監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進行一些簡單的控制。

3.1 智能家居中ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng)

首先將協(xié)調器設置為ZigBee主無線模塊，終端器件為剩余的節(jié)點模塊，然后協(xié)調器網(wǎng)絡層接收協(xié)調器應用層發(fā)出的原語來建立新的網(wǎng)絡。在開始建網(wǎng)以后協(xié)調器網(wǎng)絡層首先會向MAC層發(fā)出請求，檢測掃描物理層中的有效信道的能量，從而將可能被占用的信道排除出去，最終掃描結果會返回到網(wǎng)絡層。

在能量檢測掃描的結果發(fā)送到網(wǎng)絡層的管理實體中以后，會進一步的處理那些處于能量范圍之內的信道，通過原語的發(fā)送網(wǎng)絡層管理實體將主動執(zhí)行掃描過程，同時將信道內其余的終端節(jié)點模塊搜尋出來。同時網(wǎng)絡層管理實體還會對PAN標識符進行檢查從而將建網(wǎng)的最佳信道確定下來，新建網(wǎng)絡的最小編號就是查到的首個信道。如果經(jīng)過網(wǎng)絡層管理實體查找之后，沒有信道與其他節(jié)點模塊通信相符合的話，就會停止新建過程并且將建網(wǎng)失敗的信息發(fā)送至協(xié)調器應用層。

如果有合適的信道被網(wǎng)絡層管理實體尋找到，那么就會選擇一個PAN標識符給這個新網(wǎng)絡，在選擇之前首先要檢查PANID參數(shù)的指定情況，確認沒有沖突的問題，那么該ID就是新網(wǎng)絡的PANID了。一旦PANID選擇完成，接下來需要進行十六位網(wǎng)絡地址的選擇，然后網(wǎng)絡層的管理實體會發(fā)送原語給MAC層，將個域網(wǎng)啟動起來并且接收反饋的啟動狀態(tài)，圖3為整體的流程圖。

3.2 將終端節(jié)點添加入智能家居ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中

成功建立網(wǎng)絡以后需要在其中進行重點設備或者說是終端節(jié)點的添加。首先終端設備的網(wǎng)絡層管理實體將會發(fā)送請求，孤點掃描PHY層中每一條有效的通信信道，并且將結果通過原語返回。如果有網(wǎng)絡協(xié)調器設備被掃描到了，那么網(wǎng)絡管理層將會向上層報告并且發(fā)送連接請求。網(wǎng)絡協(xié)調器工作狀態(tài)正常則標志著網(wǎng)絡成功建立了，可以再繼續(xù)打開更多的終端節(jié)點使其加入網(wǎng)絡。

4 結 論

本文從國內外智能家居方面人們的實際需求出發(fā)，結合了其未來的發(fā)展前景，提出了一種具體的設計方案。目的在于為人們提供更好的家居生活環(huán)境。

參考文獻：

陳智杰，余楚中，等.ZigBee技術在家居智能監(jiān)控中的應用研究[J].微計算機信息，2011（1）：64-66.