羅鵬

【摘要】提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的軟件設計。所設計的網(wǎng)關節(jié)點具備網(wǎng)關的基本功能，并結合了Bluetooth和GPRS通信功能，可以支持近遠程的綜合接入。用戶可以采用Android終端設備實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集或者控制指令的執(zhí)行，也可以通過移動通信公網(wǎng)實行遠距離的控制操作。Android終端軟件開發(fā)平臺采用的是安裝了SDK開發(fā)包的Eclipse開發(fā)軟件。除了網(wǎng)關以外的其他節(jié)點都采用了休眠管理來降低能耗。

【關鍵詞】智能家居ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡Android

中圖分類號：TN92文獻標志碼：A

本文結合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡與Android智能手機系統(tǒng)，設計了新型的智能家居系統(tǒng)。硬件方面使用TI公司的CC2530 ZigBee無線傳感模塊和支持RS-232的Android智能手機開發(fā)平臺，完成了比較完善的通信網(wǎng)關功能，使用戶可以通過Android手機端的應用程序控制ZigBee智能家居系統(tǒng)。

一、ZigBee規(guī)范分析

在ZigBee規(guī)范中，節(jié)點按功能分為3種類型[3]：①協(xié)調(diào)器（ZC），負責創(chuàng)建并維護一個PAN；②路由器（ZR），負責把感知數(shù)據(jù)路由到ZR，并幫助ZC進行PAN的創(chuàng)建和維護工作；③端設備（ZED），負責感知物理世界環(huán)境變化，然后在ZR的幫助下將感知數(shù)據(jù)傳送到ZC[4]。

二、系統(tǒng)設計

2.1建立ZigBee智能家居網(wǎng)絡

整個系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡、無線通信公網(wǎng)和Android智能終端組成。組建一個完整的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡包括兩個步驟：網(wǎng)絡初始化、ZED加入網(wǎng)絡。其中ZED加入網(wǎng)絡又包括兩種方式：通過與ZC連接入網(wǎng)和通過已有父節(jié)點入網(wǎng)。

為了建立連接，ZED需要向ZC提出請求，ZC接收到ZED的連接請求后根據(jù)情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的ZED做出響應，ZED與ZC建立連接后，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)[6]。具體的流程如圖1所示：

（1）查找網(wǎng)絡ZC。首先ZED點會主動掃描查找周圍網(wǎng)絡的ZC，如果在掃描期限內(nèi)檢測到信標，那么將獲得了ZC的有關信息，這時就向ZC發(fā)出連接請求。如果沒有檢測到，間隔一段時間后，ZED重新發(fā)起掃描。（2）發(fā)送關聯(lián)請求命令。ZED將關聯(lián)請求命令發(fā)送給ZC，ZC收到后立即回復一個確認幀（ACK），同時向它的上層發(fā)送連接指示原語，表示已經(jīng)收到ZED的連接請求。協(xié)調(diào)器接收到連接指示原語后，根據(jù)自己的資源情況（存儲空間和能量）決定是否同意此ZED的加入請求，然后給ZED的MAC層發(fā)送響應。（3）等待ZC處理。ZC給ZED的MAC層發(fā)送響應時，ZED會設置一個等待響應時間來等待ZC對其加入請求命令的處理，若ZC的資源足夠，ZC會給ZED分配一個16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應命令。若ZC資源不夠，等待加入的ZED將重新發(fā)送請求信息。（4）發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。如果ZC在響應時間內(nèi)同意ZED加入，那么將產(chǎn)生關聯(lián)響應命令并存儲這個命令。當響應時間過后，ZED發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給ZC，ZC收到后立即回復ACK，然后將存儲的關聯(lián)響應命令發(fā)給ZED。（5）ZED收到關聯(lián)響應命令后，立即向ZC回復一個確認幀（ACK），以確認接收到連接響應命令，此時ZED將保存ZC的短地址和擴展地址，并且ZED的MLME向上層發(fā)送連接確認原語，通告關聯(lián)加入成功的信息。自此，ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)成功。

當組網(wǎng)成功后，ZED將在指定的報告周期時間內(nèi)，通過zb_SendDataRequest原語向ZC發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)包。ZC通過RS-232接口將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到Android模塊，然后通過Socket或者藍牙將數(shù)據(jù)包傳遞到用戶終端。

2.2串口通信

Android模塊串口通信主要由下面幾步組成，JNI通過init、upload、download三個HAL層函數(shù)接口對串口進行初始化、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)時，通過upload在 HAL層中加上包頭及CRC位，然后在寫線程中寫入串口設備節(jié)點。讀數(shù)據(jù)時，在HAL層中通過讀數(shù)據(jù)線程從串口設備節(jié)點中將數(shù)據(jù)讀出后進行解析和CRC校驗，如果CRC校驗正常則把解析之后的數(shù)據(jù)通過JNI層傳給java中進行使用。接收數(shù)據(jù)和解析數(shù)據(jù)的時候采用buffer控制，在接收數(shù)據(jù)時采用的環(huán)形buffer，容量為1Kbyte，這樣做的目的是防止接收數(shù)據(jù)丟失。

2.3用戶與Android模塊通信

2.3.1Socket通信

Android平臺Socket通信由客戶端和服務器兩部分組成，當客戶端啟動時，會向指定IP地址和端口號的服務器發(fā)送一個短數(shù)據(jù)包，服務器接受到數(shù)據(jù)包后建立起與相應客戶端的Socket連接。當ZigBee協(xié)調(diào)器通過RS-232將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)娇蛻舳?，客戶端會將接收到的?shù)據(jù)進行拆包、解析，然后將比特流（二進制）轉換為ASCⅡ碼，重新打包，通過Socket服務器轉發(fā)到終端設備中。同理，終端設備也可以通過Socket服務器將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，從而將控制信息傳送至ZigBee協(xié)調(diào)器端。

2.3.2藍牙通信

在Android平臺上，藍牙組網(wǎng)需要設備兩端進行LMP配對。Android平臺提供的藍牙API實現(xiàn)藍牙設備之間的通信，藍牙設備之間的通信主要包括了四個步驟：設置藍牙設備、尋找局域網(wǎng)內(nèi)可能或者匹配的設備、連接設備和設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

三、干擾分析

因為基于ZigBee技術的手機智能家居系統(tǒng)需要ZigBee、Wi-Fi網(wǎng)絡或ZigBee、藍牙網(wǎng)絡共存，而他們都工作在2.4GHz頻段之下。所以，必須對不同網(wǎng)絡之間的干擾進行分析，避免它們之間的干擾。藍牙網(wǎng)絡采用了自適應調(diào)頻干擾避免策略，當出現(xiàn)干擾時，藍牙設備會自動跳轉到一個非重疊的信道，從而避免干擾發(fā)生。而ZigBee和Wi-Fi都采用了固定信道碰撞避免策略，所以，為了避免碰撞發(fā)生，選取ZigBee網(wǎng)絡中的第15、20、25、26信道，則可以有效的避免他們之間的干擾發(fā)生。

四、實驗過程與實驗結果

本實驗涉及到2種不同的網(wǎng)絡：ZigBee無線傳感網(wǎng)和移動通信網(wǎng)，其中ZigBee網(wǎng)絡中又分為2種不同的設備：協(xié)調(diào)器和終端。移動通信網(wǎng)主要是通過Android模塊實現(xiàn)。采用Z-Stack協(xié)議棧，在實驗室環(huán)境下開發(fā)了溫度檢測傳感器、適度檢測傳感器與光照檢測傳感器，終端備通過CC2530芯片對應的I/O口獲取相應的數(shù)值信息，將數(shù)值的每一位轉換為ASCⅡ碼，并通過RS-232接口將數(shù)據(jù)傳送到Android模塊。

五、結束語

進過測試與實際應用表明基于ZigBee技術的手機智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崟r完成對家庭環(huán)境信息的采集任務，并可以通過繼電器對家用電器進行控制，通過紅外傳感器與嗡鳴器形成家庭安防系統(tǒng)，提高生活的舒適度、和安全感，具有一定的實用性。

參考文獻

[1]丁龍剛，基于RFID、Wi-Fi、藍牙、ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)電磁兼容和干擾協(xié)調(diào)研究.物聯(lián)網(wǎng)技術，2011年6月