黃福浩

【摘 要】ZigBee是基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的低速率、短距離無線通信技術，是一種針對用戶終端的區(qū)域無線通信應用。本文就針對ZigBee智能家居系統(tǒng)自動組網(wǎng)技術進行簡單分析，以供參考。

【關鍵詞】ZigBee技術；智能家居系統(tǒng)；自動組網(wǎng)技術；無線通訊技術；傳感網(wǎng)

智能家居網(wǎng)絡按網(wǎng)絡介質的不同可分為有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡兩類。有線網(wǎng)絡主要是利用家中的電話線或電力線進行組網(wǎng)， 而無線網(wǎng)絡主要利用 2. 4GHz 頻段的免費無線資源進行組網(wǎng)。顯而易見， 同有線網(wǎng)絡技術相比， 無線網(wǎng)絡安裝方便、組網(wǎng)靈活、即插即用、可移動性強， 因而更適合于智能家居網(wǎng)絡的發(fā)展，這也為自組網(wǎng)技術的發(fā)展奠定了良好的基調。

一、ZigBee智能家居系統(tǒng)自動組網(wǎng)技術

（一）數(shù)據(jù)通信技術

在對本智能家居系統(tǒng)的通信模塊進行設計的時候，采用了與ZigBee協(xié)議結構相似的分層結構。整個通信模塊的結構由上到下分為：應用層、射頻層和硬件抽象層。

1、應用層：位于整個通信模塊結構的最上層，在整個家居系統(tǒng)中設計的應用都定義在該層。當啟動系統(tǒng)軟件的時候，啟動的就是應用層。當用戶需要實現(xiàn)某個功能時，用戶通過操作應用層，利用應用層給下層的射頻層和硬件抽象層下達相關的命令，來實現(xiàn)相關的功能。

2、射頻層：主要通過調用硬件抽象層的相關函數(shù)來間接調用整個家居系統(tǒng)設備中的硬件資源，從而為數(shù)據(jù)收發(fā)提供接口用于相關數(shù)據(jù)的收發(fā)，并通過調用相關的安全機制來保證數(shù)據(jù)收發(fā)的安全性和可靠性。硬件抽象層利用相關的接口函數(shù)來直接驅動硬件設備，而射頻層和應用層只需要調用硬件抽象層就能對相關的硬件進行控制，簡單、方便。

3、硬件抽象層：在對硬件抽象層進行具體設計時，讓其由：常用、接口、射頻、外射驅動等四個文件夾組成。常用文件夾中主要對該層的數(shù)據(jù)類型、8051微控制器的特殊功能寄存器以及全局中斷函數(shù)進行相關的定義。接口文件夾中主要包含該層需要用到的所有的頭文件。GC2430的頭文件和相關的驅動文件存儲在射頻文件夾中，而除了CC2430射頻模塊以外，其它外部設備的驅動文件則存儲在外射驅動文件夾中。通過對硬件資源的寄存器進行相關的映射，射頻層和應用層直接利用驅動文件夾來對硬件抽象層進行相關的操作而不需要考慮硬件的細節(jié)。

（二）ZigBee節(jié)點功能

對于通信網(wǎng)絡中的應用層的設計，主要是對ZigBee節(jié)點的相關功能進行設計。應用層的設計主要包括：ZigBee網(wǎng)絡中心協(xié)調器節(jié)點的程序設計、路由器程序設計以及ZigBee終端功能節(jié)點的程序設計。

1、協(xié)調器節(jié)點程序：智能家居系統(tǒng)的ZigBee中心協(xié)調器在整個網(wǎng)絡中主要承擔著建立通信網(wǎng)絡、收發(fā)相關的數(shù)據(jù)以及進行串口通信。

2、路由器程序：在對路由器進行設計的時候，由于它在啟動以后，會自動的選擇加入ZigBee無線網(wǎng)絡，而它承擔的工作只是對相關數(shù)據(jù)進行轉發(fā)，所以設計的程序非常的簡單。

3、終端節(jié)點程序：根據(jù)每一個ZigBee終端功能節(jié)點的任務，將所有的終端功能節(jié)點分為三類：第一類是室內安全防護類，這些終端節(jié)點的監(jiān)控任務主要和室內安全有關，當它們監(jiān)測到室內出現(xiàn)安全隱患的時候，就會立即向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息；第二類主要是控制類節(jié)點，它們主要連接著控制設備，然后接收中心協(xié)調器的控制命令并執(zhí)行該命令；第三類主要是普通環(huán)境參數(shù)監(jiān)測類，它和監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的傳感器直接連接，實時的對室內外的環(huán)境參數(shù)進行采集，并定時的將這些采集到的參數(shù)發(fā)給中心協(xié)調器。

二、智能家居系統(tǒng)自動無線組網(wǎng)的實現(xiàn)

（一）CC2430芯片

作為一個應用己經(jīng)趨于成熟的無線通訊技術，市面上的ZigBee無線通訊芯片已經(jīng)有很多種了：比如jennic的JN5148芯片、TI公司的CC2430模塊、Frescal的MC13192芯片、EMBER的ME260芯片、ATMEL的LINK-23X芯片和ATMEL的Link-212芯片等。在綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、功耗、傳輸效率等問題后，本系統(tǒng)最后決定采用TI公司設計的 CC2430射頻芯片。

CC2430的尺寸為7X7mm 48-pin的封裝，采用具有內嵌閃存的CMOS標準技術。這樣的設計可在一個硅晶片上實現(xiàn)數(shù)字基帶處理器，RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲器的整合。CC2430是一顆標準的SOC（System On Chip）系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。這種解決方案能滿足以ZigBee 2.4GHz ISM波段的應用的同時，還可以有效降低成本、減小功耗、提高性能。芯片內部集成了一個射頻收發(fā)器核心頻段2.4GHz，使芯片具備了射頻無線收發(fā)的能力。

（二）節(jié)點設備介紹

1.輸入/輸出端口

CC2430的3個8位的I， O端口，既可以用作通用的輸入/輸出端口，通過編程還可以作為特殊功能的輸入/輸出端口，在智能家居系統(tǒng)中P0， Pl， P2的輸入/輸出狀態(tài)和功能被做出了一定的修改。

2. DMA（直接存取控制器）

CC2430在內存與外設之間擁有一條特殊的數(shù)據(jù)通道。通過DMA控制器的控制直接進行數(shù)據(jù)交換，這一機制保證了不需要CPU極的太多干預，DMA控制器就實現(xiàn)將數(shù)據(jù)從ADC或射頻收發(fā)器到存儲器的傳輸；極大的提高了數(shù)據(jù)存取效率并有效減輕8051 CPU核的負擔，保證了CC2430芯片在高性能條件下也具備很好的功耗性能。DMA控制器有0-4共5個信道。在DMA方式發(fā)送時，8051內核只需要回應DMA的數(shù)據(jù)傳輸請求，DMA控制器就可以獨立完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出。具體過程如下：首先完成DMA信道配置，當DMA信道工作狀態(tài)寄存器中DMAARM被置1以后，DMA信道進入工作狀態(tài)，在工作狀態(tài)下一旦觸發(fā)事件發(fā)生，隨即傳送自動開始。

3.MAC定時器

CC2430包括4個定時器，其中3個為普通定時器，分別為1個16位定時器和2個8位定時器，支持普通的定時/計數(shù)功能。CC2430還包含1個16位MAC定時器，并由CSMA-CA算法和IEEE 802.15.4的MAC層來提供定時。

4. 14位模/數(shù)轉換器（ADC）

CC2430擁有一個14位的模/數(shù)轉換ADC，數(shù)模轉換器內部包括參考電壓發(fā)生器、獨立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過DMA模式把轉換結果寫入內存控制器。

通過這些軟硬件及ZigBee通訊協(xié)議的支持，就能夠實現(xiàn)自動組網(wǎng)，舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡模塊的通信范圍內，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過動態(tài)路由機制重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡，對原有網(wǎng)絡進行刷新，這就實現(xiàn)了智能家居應用層面的互聯(lián)感知網(wǎng)絡。

三、結語

總而言之，利用Zigbee技術將各傳感器連接到傳感網(wǎng)內，通過傳感網(wǎng)采集到各類居室信息并傳遞到中控機中，由中控機對信息進行處理并通過無線網(wǎng)絡技術傳送到服務器中，通過分析用戶需求，作出調整以滿足其需求，使用戶體驗生活更方便，更舒適，滿足了現(xiàn)代都市人對居家生活的高品質追求。

【參考文獻】

[1]姜浩. 基于ZigBee無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡在智能家居領域的實現(xiàn)[D].大連理工大學，2010.

[2]趙奎兵. ZigBee與語音識別在智能家居系統(tǒng)中的應用研究[D].大連理工大學，2013.