摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)。重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其中各個節(jié)點(diǎn)的工作流程。該系統(tǒng)使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)有線家居網(wǎng)，使智能家居系統(tǒng)具有成本低、功耗低、覆蓋范圍大、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。特別是ZigBee符合IEEE802.15.4協(xié)議，利用系統(tǒng)與其它符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的互聯(lián)，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZIGBEE；無線傳感網(wǎng)

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 20-0000-02

智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的各個子系統(tǒng)如家庭安防、環(huán)境監(jiān)測、家電控制、場景聯(lián)動和遠(yuǎn)程抄表等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過集中控制和管理，實(shí)現(xiàn)個性化的家居生活體驗(yàn)[1]。智能家居系統(tǒng)主要包含的子系統(tǒng)有：家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等八大系統(tǒng)[2]。

本文使用的ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，其可以實(shí)現(xiàn)無線連接智能家居各個子系統(tǒng)功能，且實(shí)現(xiàn)成本低廉[3]。

1 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示：

終端節(jié)點(diǎn)：這里指所有通過接入家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，他們是系統(tǒng)控制與采集數(shù)據(jù)的對象。

路由器：路由器主要用于擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議，并承擔(dān)一定的控制功能。

協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器除以上功能外還要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)的通信。

以上各節(jié)點(diǎn)中，路由器和協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備（RFD），終端節(jié)點(diǎn)是精簡功能設(shè)備（FFD）。FFD功能全面，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為發(fā)起網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和路由器。FFD功能簡單，只可以作為終端節(jié)點(diǎn)存在 [4]。

ZigBee提供了三種組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹型和網(wǎng)狀。本網(wǎng)絡(luò)采用的是樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比星型結(jié)構(gòu)，其覆蓋范圍較大，而比較網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度與能耗都低。

2 各節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

（1）協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器需要完成如下任務(wù)：與路由和終端節(jié)點(diǎn)通信、與網(wǎng)關(guān)交互信息。其工作流程為：

協(xié)調(diào)器完成初始化后，開始根據(jù)要求的參數(shù)建網(wǎng)，并可確定信道、網(wǎng)絡(luò)地址、PAN ID等信息。

組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)有路由器或終端節(jié)點(diǎn)請求加入時，對其請求進(jìn)行響應(yīng)。同時協(xié)調(diào)器還需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)傳遞的控制命令，并回傳處理結(jié)果至網(wǎng)關(guān)，過程如圖2所示。

（2）路由器程序設(shè)計(jì)

路由器的任務(wù)是：轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和處理本節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。路由器初始化完成后，選擇要加入的網(wǎng)絡(luò)。加入后，父節(jié)點(diǎn)將為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，并回復(fù)路由器入網(wǎng)成功信息。其工作過程如圖3所示。

（3）終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)任務(wù)包括：加入網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)路由器或協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令對設(shè)備進(jìn)行操作；還可以設(shè)置定時器，定期采集室內(nèi)溫度，并將結(jié)果反饋到家庭網(wǎng)關(guān)。其工作流程如圖4：

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)除具有市場上常見的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能外，還具有以下特點(diǎn)：

（1）低功耗：由于Zigbee最小發(fā)射功率僅0.5mW，其待機(jī)模式下耗能極少。Zigbee的待機(jī)時間可以達(dá)到0.5～2年。

（2）低成本：CC2430控制方便，自身攜帶的8051即可進(jìn)行完全控制，成本降低很多。

（3）低速率：由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于智能家居系統(tǒng)中控制網(wǎng)絡(luò)部分，其對于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求并不高，而Zigbee主要針對的就是低傳輸率的對象，其250K/40K/20Kbps的數(shù)據(jù)吞吐量也能夠滿足低傳輸率對象的要求。

（4）大容量：Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多樣，且每個設(shè)備的標(biāo)識符由一個16位的地址提供，故一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中可容納的設(shè)備數(shù)高達(dá)65535個，這足以滿足當(dāng)今大部分情況的需要。

（5）高安全可靠：Zigbee使用的抗干擾措施是直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，物理層則使用CSMA/CA算法，可以靈活確定安全方面相關(guān)屬性。

4 結(jié)語

使用ZigBee技術(shù)組建智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)，克服了當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)價格貴、穩(wěn)定性差、待機(jī)時間短等缺點(diǎn)，為家庭用戶提供了一個隨時接入、隨地接入、自動接入的無線環(huán)境。這對推動智能家居產(chǎn)業(yè)化將起到積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫靜新.基于NiosⅡ的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].河北工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]孫德遠(yuǎn)等.淺析智能控制技術(shù)在家居中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2011，23.

[3]闞鳳龍等.ZigBee無線通信技術(shù)在智能家庭中的應(yīng)用研究[J].科技廣場，2008，8.

[4]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程：基于CC3430/31的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5]郭娜娜.AGV在自動化物流系統(tǒng)中應(yīng)用的規(guī)劃研究[D].西安科技大學(xué)，2010.

[6]周朱.多碼直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（MC-DSSS）在無線接入的應(yīng)用[J].無線電工程，2012，9.