李超杰

[摘要]以ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低成本、擴(kuò)展性好以及無縫通信的要求。

[關(guān)鍵詞]ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；智能家居

如今社會(huì)，經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，科技發(fā)展水平日新月異，人們對(duì)家庭居住環(huán)境的要求也越來越高，智能家居應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是一種具有廣泛功能的綜合性技術(shù)系統(tǒng)，將自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感、網(wǎng)絡(luò)以及嵌入式等多種技術(shù)應(yīng)用在家庭住宅中，集成各種家庭生活相關(guān)的應(yīng)用子系統(tǒng)形成一個(gè)數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，綜合進(jìn)行科學(xué)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(gòu)架家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及智能控制，這兩點(diǎn)是智能家居系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。家庭內(nèi)部網(wǎng)又分為無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)兩種組網(wǎng)方式。而今國(guó)內(nèi)外對(duì)于組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)方面十分重視，藍(lán)牙、紅外線、Wifi以及ZigBee都屬于無線，其中ZigBee應(yīng)用在智能家居中得到了廣泛的好評(píng)，主要是因?yàn)樗哂泄臉O低、安全性良好、成本造價(jià)低以及容量大等優(yōu)勢(shì)。

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee一詞是從蜜蜂群發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)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(jiǎn)單易懂的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)一般應(yīng)用在較近的范圍內(nèi)或者是在傳輸速率較低的電子設(shè)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(biāo)為代表的重復(fù)低反應(yīng)時(shí)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(shè)計(jì)

在家居監(jiān)控系統(tǒng)中的ZigBee無線模塊主要分為主、從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，區(qū)分方式可以通過對(duì)控制位的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的相同之處在于無線收發(fā)部分的硬件設(shè)計(jì)，差異在于主節(jié)點(diǎn)信息交互是與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行的，而從節(jié)點(diǎn)信息交互則是與被測(cè)對(duì)象之間進(jìn)行的。圖1（a）（b）為ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出主要分為兩個(gè)部分，一部分是負(fù)責(zé)無線收發(fā)，另一部分是對(duì)通信接口進(jìn)行控制。

節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信是無線收發(fā)部分負(fù)責(zé)的內(nèi)容：PC機(jī)和從節(jié)點(diǎn)之間使用串行接口進(jìn)行連接，從而進(jìn)行調(diào)試或者連接其他相關(guān)電器的設(shè)備接口，對(duì)電器開工進(jìn)行控制；而主節(jié)點(diǎn)中雖然有串行接口的設(shè)計(jì)，但是它以SPI控制通信接口為主，負(fù)責(zé)與TMS320F2812主控芯片之間交互傳輸數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行該模塊硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先是選擇合適的芯片。自從ZigBee技術(shù)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(guān)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(gè)集合體，匯集了微處理器和無線射頻控制器，同時(shí)產(chǎn)品體積也縮小了不少，開放應(yīng)用變得更加便利。本設(shè)計(jì)中使用的芯片為CC2430，它將微處理器、ZigBee射頻前端以及內(nèi)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(huì)產(chǎn)生小于27mA的電流損耗，對(duì)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(diǎn)。

然后是分析該模塊具體的設(shè)計(jì)原理，CC2430的外圍電路，在工作中使用兩種電壓，內(nèi)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(zhuǎn)化一個(gè)直流穩(wěn)壓器誕生了，實(shí)現(xiàn)了電壓從+3.3V到+1.8V之間的轉(zhuǎn)化。對(duì)于智能家居系統(tǒng)來說這種供電方式非常科學(xué)，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(shè)計(jì)

星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和樹型網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee都是支持的，其中最省電的是星型網(wǎng)，同時(shí)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以也是成本最低的，節(jié)點(diǎn)設(shè)備和協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行通信，維護(hù)和檢修設(shè)備的時(shí)候會(huì)更加便利。本設(shè)計(jì)底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)選擇了星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于采集監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的控制。

3.1 智能家居中ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)

首先將協(xié)調(diào)器設(shè)置為ZigBee主無線模塊，終端器件為剩余的節(jié)點(diǎn)模塊，然后協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層接收協(xié)調(diào)器應(yīng)用層發(fā)出的原語(yǔ)來建立新的網(wǎng)絡(luò)。在開始建網(wǎng)以后協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層首先會(huì)向MAC層發(fā)出請(qǐng)求，檢測(cè)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(jié)果會(huì)返回到網(wǎng)絡(luò)層。

在能量檢測(cè)掃描的結(jié)果發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層的管理實(shí)體中以后，會(huì)進(jìn)一步的處理那些處于能量范圍之內(nèi)的信道，通過原語(yǔ)的發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將主動(dòng)執(zhí)行掃描過程，同時(shí)將信道內(nèi)其余的終端節(jié)點(diǎn)模塊搜尋出來。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體還會(huì)對(duì)PAN標(biāo)識(shí)符進(jìn)行檢查從而將建網(wǎng)的最佳信道確定下來，新建網(wǎng)絡(luò)的最小編號(hào)就是查到的首個(gè)信道。如果經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體查找之后，沒有信道與其他節(jié)點(diǎn)模塊通信相符合的話，就會(huì)停止新建過程并且將建網(wǎng)失敗的信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器應(yīng)用層。

如果有合適的信道被網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體尋找到，那么就會(huì)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符給這個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，在選擇之前首先要檢查PANID參數(shù)的指定情況，確認(rèn)沒有沖突的問題，那么該ID就是新網(wǎng)絡(luò)的PANID了。一旦PANID選擇完成，接下來需要進(jìn)行十六位網(wǎng)絡(luò)地址的選擇，然后網(wǎng)絡(luò)層的管理實(shí)體會(huì)發(fā)送原語(yǔ)給MAC層，將個(gè)域網(wǎng)啟動(dòng)起來并且接收反饋的啟動(dòng)狀態(tài)，圖3為整體的流程圖。

3.2 將終端節(jié)點(diǎn)添加入智能家居ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中

成功建立網(wǎng)絡(luò)以后需要在其中進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)備或者說是終端節(jié)點(diǎn)的添加。首先終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將會(huì)發(fā)送請(qǐng)求，孤點(diǎn)掃描PHY層中每一條有效的通信信道，并且將結(jié)果通過原語(yǔ)返回。如果有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備被掃描到了，那么網(wǎng)絡(luò)管理層將會(huì)向上層報(bào)告并且發(fā)送連接請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作狀態(tài)正常則標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)成功建立了，可以再繼續(xù)打開更多的終端節(jié)點(diǎn)使其加入網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié) 論

本文從國(guó)內(nèi)外智能家居方面人們的實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合了其未來的發(fā)展前景，提出了一種具體的設(shè)計(jì)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(xiàn)：

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