基于ZigBee的家庭智能系統(tǒng)設(shè)計

佟 強，高振斌，王文杰，王國君

（河北工業(yè)大學(xué) 天津 300401）

隨著Internet的普及與發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為家庭現(xiàn)代化的潮流。家庭網(wǎng)絡(luò)，主要包括有線和無線兩種實現(xiàn)方式。由于有線網(wǎng)絡(luò)固有的缺點，布線麻煩，可擴展性差等，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢不可擋的趨勢[1]。無線網(wǎng)絡(luò)的市場發(fā)展在邏輯上可分為面向語音的市場和面向數(shù)據(jù)的市場兩類。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無線網(wǎng)絡(luò)中，小型、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合十分廣泛[2]。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.15.4規(guī)定。ZigBee協(xié)議比藍牙、高速率PAN（個人局域網(wǎng)）或者IEEE 802.11x無線局域網(wǎng)更加簡單實用[3]。

1 ZigBee簡介

2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成[4]；IEEE802.15.4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)于2003年5月獲得批準(zhǔn)；2006 年，推出 ZigBee 2006，比較完善；2007 年底，Zig-Bee PRO推出。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4。物理層和MAC層直接引用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。而ZigBee聯(lián)盟負責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場推廣等。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4 GHz物理層和868/915 MHz物理層。這兩個物理層都基于DSSS直接序列擴頻技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。ZigBee在2.4 GHz頻段有16個信道，能夠提供250 Kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調(diào)制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4 GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾[5]。

2 家庭網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀型、樹型。本文智能家居系統(tǒng)的實際情況如下：1）傳感器節(jié)點由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過電源供電，所以應(yīng)該盡量減少傳感器節(jié)點的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點用電；2）智能家居中接入的主要是傳感器和開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲來保證數(shù)據(jù)通信；3）智能家居控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計不需要很大的覆蓋范圍，根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的說明，空曠環(huán)境最大傳輸距離100 m，在室內(nèi)環(huán)境一般也能達到30多米的覆蓋距離，這對大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)來說足夠。星型拓撲結(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且成本低廉、實現(xiàn)簡單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設(shè)計選擇星型拓撲結(jié)構(gòu)[6]。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由單片機、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集和控制電路組成[7]，如圖1所示。其中，單片機選用低功耗的ATMEGA 128L，無線模塊選用CC2420型射頻收發(fā)器，兩者通過SPI接口連接。ATMEGA128L是高端8位微處理器，具有高性能，低功耗等特點，可提供128 K字節(jié)的可編程FLASH，4 K字節(jié)的SRAM，具有簡化高效的RISC指令體系。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點框圖

CC2420是符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件是適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的Smart RF 03技術(shù)，以 0.18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

CC2420只需要極少的外圍元件，外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分[8]。CC2420 通過 4 線 SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設(shè)置芯片的工作模式，并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等功能。通過控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內(nèi)有33個16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器，在每個寄存器的讀/寫周期中，SI總線上共有24比特數(shù)據(jù)，分別為：1 比特 RAM/寄存器選擇位（0 ：寄存器，1：RAM），1 比特讀/寫控制位（0：寫，1：讀），6 比特地址選擇位、16 比特數(shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。圖2為RF狀態(tài)控制圖。另外，通過CCA引腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計，通過SFD引腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時鐘/定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)引腳相連來實現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

圖2 RF狀態(tài)控制圖

CC2420與單片機的連接如圖3所示，數(shù)字為ATMEGA128對應(yīng)引腳。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過繼電器控制電氣設(shè)備的開關(guān)。系統(tǒng)節(jié)點如圖4所示。

圖3 CC2420與單片機的連接

圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實物圖

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過繼電器控制電氣設(shè)備的開關(guān)。系統(tǒng)選擇一個節(jié)點為星型網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點，該節(jié)點連接短信模塊，直接與用戶通信，向其他節(jié)點傳遞用戶命令同時向用戶發(fā)送節(jié)點狀態(tài)、報警等信息。短信模塊選用西門子的TC35i，西門子公司的TC35i模塊是一個支持中英文短信息的工業(yè)級GSM模塊。

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息技術(shù)與處理器之間的接口實際上是通過一系列AT命令實現(xiàn)的。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示信息到單片機進而用戶可以查詢控制電器狀態(tài)。短消息的文本模式與PDU模式目前，發(fā)送短消息常用的為text模式和PDU模式。使用text模式收發(fā)短信代碼簡單，容易實現(xiàn)，但最大缺點是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。

PDU模式收發(fā)短信可以使用 3種編碼：7 bit、8 bit和UCS2編碼。7 bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8 bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。一般的PDU編碼由十三項組成，它包括：短信息中心地址長度；短信息中心號碼類型；短信息中心號碼；文件頭字節(jié)；信息類型；被叫號碼長度；被叫號碼類型；被叫號碼；協(xié)議標(biāo)識；數(shù)據(jù)編碼方案；有效期；用戶數(shù)據(jù)長度；用戶數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)選擇一個節(jié)點為星型網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點，該節(jié)點連接短信模塊，直接與用戶通信，向其他節(jié)點傳遞用戶命令同時向用戶發(fā)送節(jié)點狀態(tài)、報警等信息。其他節(jié)點除了短信模塊和任務(wù)，與主節(jié)點流程基本相同。每個節(jié)點都有自己的固定地址，相互之間不會形成干擾。圖5為該系統(tǒng)設(shè)計的程序流程。

圖5 系統(tǒng)程序設(shè)計流程

用VB設(shè)計上位機界面，用戶可通過PC進入控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)電器的控制并能直接觀察需要的環(huán)境參數(shù)。圖6為上位機界面。

圖6 上位機界面

5 結(jié)束語

通過測試，節(jié)點室外空曠地通信距離最遠可達200 m，室內(nèi)40 m，節(jié)點功耗低，由兩節(jié)干電池供電，可使用3～6個月。ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗、近距離和低速率無線通信市場的空白，該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線家庭控制網(wǎng)絡(luò)，無需對室內(nèi)電線作任何改動，也無需另外布線，僅通過增加分機就可增加控制的容量，擴展方便、易行。

[1]林政廷.智能家電家庭控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)況介紹[J].電子與電腦，2004（11）：23－26.

[2]蔡型，張思全.短距離無線通信技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（3）：35－37.

[3]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：102－105.

[4]趙景宏，李英凡，許純信.ZigBee技術(shù)簡介[J].電力系通通信，2006（7）：54－56.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]翟雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[7]楊祥，趙榮陽，張遠翼.基于ZigBee的智能家庭系統(tǒng)控制終端設(shè)計[J].微計算機信息，2009，25（1－3）：126－128.

[8]王秀梅，劉乃安.利用 2.4GHz射頻芯片CC2420實現(xiàn)Zig-Bee 無線通信設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2005（3）：59－62.