本智能家居系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：Zigbee無(wú)線家庭內(nèi)網(wǎng)、嵌入式智能網(wǎng)關(guān)和外網(wǎng)。整個(gè)家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)由若干個(gè)Zigbee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線局域網(wǎng)。根據(jù)應(yīng)用功能不同，Zigbee節(jié)點(diǎn)可分為三類：安防節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)。

　　【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、硬件組成及設(shè)計(jì)思路、軟件設(shè)計(jì)思路等。該系統(tǒng)具備低組網(wǎng)成本、低功耗、覆蓋范圍大、組網(wǎng)方便可靠的特點(diǎn)，同時(shí)具備同符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品互聯(lián)互通的優(yōu)勢(shì)，在智能家居本地組網(wǎng)技術(shù)中，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。

　　【關(guān)鍵詞】Zigbee,智能家居,傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　家庭智能網(wǎng)關(guān)接收用戶從遠(yuǎn)程通過(guò)GSM或Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的查詢或控制信息，經(jīng)過(guò)處理將其轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)信息中地址信息把指令信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)的電氣設(shè)備或傳感器信息的監(jiān)測(cè)和控制。當(dāng)然，智能家居控制器可根據(jù)傳感器采集到的環(huán)境信息，對(duì)家中的電器和照明裝置進(jìn)行智能化的控制。通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)的語(yǔ)音識(shí)別模塊，用戶也可在本地對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音開(kāi)關(guān)控制。圖1.1為智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)圖。本文重點(diǎn)對(duì)基于Zigbee的無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)部分做出深入的研究及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)采用星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。

　　2.1終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)應(yīng)用和功能的不同，終端節(jié)點(diǎn)可分為采集節(jié)點(diǎn)、安防節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)[1]。采集節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)檢測(cè)家庭環(huán)境數(shù)據(jù)以及發(fā)送RF數(shù)據(jù)，它不接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令，但接收查詢命令。例如溫濕度檢測(cè)、光照檢測(cè)、煙霧檢測(cè)等。安防節(jié)點(diǎn)主要對(duì)家庭中具有安全隱患的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，例如紅外線入侵檢測(cè)等，該節(jié)點(diǎn)不接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制/查詢指令，以門限觸發(fā)的方式發(fā)送報(bào)警信息。控制節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)家電的控制，主要是接收協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的控制命令，返回查詢命令的反饋值以及執(zhí)行控制命令的狀態(tài)值。主要包括：窗簾控制、照明燈控制以及萬(wàn)能遙控器控制等。

　　系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)Zigbee終端節(jié)點(diǎn)均包括Zigbee模塊和控制接口部分。Zigbee模塊主要負(fù)責(zé)Zigbee信號(hào)的無(wú)線收發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)與Zigbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)通信。不同類型終端節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊電路相同，而不同類型終端節(jié)點(diǎn)的接口電路卻略有區(qū)別。模塊通過(guò)引出通用接口，來(lái)支持智能終端功能的設(shè)計(jì)。通用接口主要包括JP1、JP2、JP3、JP4四個(gè)通用接口，其中的JP1、JP2口連接CC2430芯片，而JP3、JP4口連接傳感器以及家電設(shè)備，因此需要設(shè)計(jì)JP3、JP4與家電設(shè)備之間的信息傳輸硬件電路。

　�。�1）安防節(jié)點(diǎn)部分接口電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)有人在防區(qū)內(nèi)走動(dòng)時(shí)，就會(huì)造成紅外熱輻射能量的變化。PIR傳感器將感應(yīng)活動(dòng)人體與背景物體之間輻射能量變化并轉(zhuǎn)換其為電信號(hào)。由外殼和菲涅耳透鏡、PIR紅外傳感器、專用IC（WT8072）等電路組成熱釋電紅外線感應(yīng)器。原理圖如下所示：當(dāng)有人非法入侵時(shí)，WT8702的10腳（TRLAC）輸出高電平，此電平信號(hào)接到JP3的P0.1腳。電路如圖2.1所示。

　　（2）控制節(jié)點(diǎn)部分接口電路設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)窗簾控制功能，系統(tǒng)選擇L6203作為電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)芯片，其中的IN1、IN2、ENABLE口與JP3的P0.0、P0.1、P0.4口連接，并選擇B1電機(jī)作為控制節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行器，執(zhí)行接收到的控制命令。電路圖如圖2.2所示。

　　（3）采集節(jié)點(diǎn)部分接口電路設(shè)計(jì)

　　與控制節(jié)點(diǎn)不同的是，傳感器節(jié)點(diǎn)不需要添加中間電路，只需要將其I/O口與JP3連接即可，設(shè)計(jì)中采用SS-168型聯(lián)網(wǎng)型煙霧報(bào)警器，煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)電路如圖2.4所示。

　　2.2協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)針對(duì)智能家居系統(tǒng)硬件應(yīng)該具有易開(kāi)發(fā)、低功耗、低成本的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)均采用CC2430射頻芯片作為Zigbee芯片，CC2430是無(wú)線SOC（SystemOnChip）設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所需的一般電路都已集成在芯片內(nèi)部，只需簡(jiǎn)單外圍電路就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)收發(fā)功能[2]。

　　協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是智能家居無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)串口向智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將控制中心傳達(dá)的命令發(fā)送到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。與終端節(jié)點(diǎn)的不同之處在于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)不包含家電控制模塊和信號(hào)采集模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在硬件平臺(tái)上擴(kuò)展了RS232串口，用于和家庭智能網(wǎng)關(guān)相連。

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1Zigbee家庭網(wǎng)絡(luò)配置

　　協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)通信的前提條件就是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在空閑信道建立新的網(wǎng)絡(luò)。因此在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)中需寫(xiě)入基于zigbee協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置程序。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)建立和配置過(guò)程如圖3.1所示。節(jié)點(diǎn)上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)掃描空閑信道嘗試建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。射頻單元從當(dāng)前頻帶的第一個(gè)信道開(kāi)始檢查該信道是否為空閑信道，若有另一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)處于該信道，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將收到其反饋數(shù)據(jù)，并認(rèn)為此信道已被占用，然后它會(huì)切換到下一個(gè)信道并重復(fù)該過(guò)程直到?jīng)]有接收到任何反饋數(shù)據(jù)為止。一旦找到某個(gè)信道為空，它開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)該信道并建立了網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)完成建網(wǎng)后，便開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求并隨時(shí)響應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求[3]。

　　當(dāng)收到終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，則發(fā)送信號(hào)來(lái)響應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，同時(shí)更新地址鄰接表。

　　3.2終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　終端節(jié)點(diǎn)在程序下載時(shí)，就已經(jīng)確定其網(wǎng)絡(luò)組號(hào)以及節(jié)點(diǎn)序列號(hào)。因此，終端節(jié)點(diǎn)上電系統(tǒng)初始化之后，它會(huì)根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)組號(hào)需找該網(wǎng)絡(luò)組所在的信道，一旦確定網(wǎng)絡(luò)組所存在的信道后，發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求并等待協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)響應(yīng)信號(hào)，若在等待時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有收到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)響應(yīng)信號(hào)，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)重復(fù)上述入網(wǎng)過(guò)程，一直到接收到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)響應(yīng)信號(hào)為止。由于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在接收終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)，會(huì)更新地址鄰接表，因此，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的入網(wǎng)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該包含其網(wǎng)絡(luò)組號(hào)以及序列號(hào)[4]。終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程如圖3.2所示。

　　3.3終端節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

　　可以把家庭網(wǎng)絡(luò)中的所有終端節(jié)點(diǎn)功能分為網(wǎng)絡(luò)通信功能和設(shè)備操作功能兩部分。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的主要功能是網(wǎng)絡(luò)通信和路由，相對(duì)于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信功能更簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)中，采集節(jié)點(diǎn)需定時(shí)采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，且同時(shí)它要監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中有沒(méi)有發(fā)給它的查詢信息，并接收處理。采集節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖3.3所示。

　　控制節(jié)點(diǎn)需接收控制命令來(lái)控制家電設(shè)備的工作狀態(tài)，它的主要通信功能是RF消息接收功能。要使終端節(jié)點(diǎn)能夠完成其功能，就必須在網(wǎng)絡(luò)通信功能與設(shè)備操作功能之間建立連接，即需要在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)通信功能之間建立接口。在程序中，通過(guò)定義相關(guān)的應(yīng)用協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。而安防節(jié)點(diǎn)，其設(shè)備操作相對(duì)簡(jiǎn)單，只需定時(shí)采集家庭環(huán)境中的安防數(shù)據(jù)即可�？刂乒�(jié)點(diǎn)接收到不同的代碼代表對(duì)該電氣設(shè)備的不同操作，并將這些操作轉(zhuǎn)換成電氣設(shè)備能識(shí)別的命令，通過(guò)中間電路發(fā)送到家電設(shè)備。安防節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖3.4所示。

　　4.結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)當(dāng)前智能家居系統(tǒng)建設(shè)對(duì)于用戶側(cè)通信的需求，本文提出了基于ZigBee技術(shù)的家庭無(wú)線內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)方案，該方案可使智能家居系統(tǒng)獲得可靠的本地通信，對(duì)于智能家居系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]吳卻，廖力清.一種基于Zigbee的智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J].桂林航天工業(yè)高等�？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，15（4）：439-441.

　　[2]鐘雄林.基于ARM9的無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)[J].信息科技，2010（9）：231-232.

　　[3]楊浩杰，韓秀玲.一種智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2011，27（2）：49-51.

　　[4]萬(wàn)磊，章勇，李劍.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居設(shè)計(jì)[J].電子科技，2012，25（2）：116-119.

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