ZigBee技術(shù)在智能家居網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

顧理軍

（常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，江蘇 常州 213164）

ZigBee技術(shù)在智能家居網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

顧理軍

（常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，江蘇 常州 213164）

隨著傳感器數(shù)量的增加，傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)在智能家居中的弊端逐步顯現(xiàn)?；赯igBee技術(shù)的智能家居組網(wǎng)方案，以C8051F120高性能微處理器為核心，采用ZigBee通信芯片CC2430組網(wǎng)，體現(xiàn)了智能家居網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、易擴展的特點。

智能家居；ZigBee；C8051F120；CC2430

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展及人們生活水平的提高，人們對于家庭居住環(huán)境提出了更高的要求，智能家居應(yīng)運而生。智能家居是一個多功能的綜合技術(shù)系統(tǒng)，它以家庭住宅為平臺，利用計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信、傳感、自動控制與嵌入式技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各個子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動、地板采暖等有機地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。

智能家居的關(guān)鍵技術(shù)主要有智能控制及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組建兩部分。智能控制可以是本地控制或者遠程控制，本地控制是指可直接通過網(wǎng)絡(luò)開關(guān)實現(xiàn)對燈或其他電器的各種智能控制；遠程控制是指通過遙控器、定時控制器、集中控制器或電話、手機、電腦等來實現(xiàn)各種遠距離控制。智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組建可以用有線網(wǎng)絡(luò)或者是無線網(wǎng)絡(luò)，本文介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)技術(shù)，用來實現(xiàn)智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

2 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。ZigBee協(xié)議是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)物理層和媒體訪問控制層協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行標(biāo)準(zhǔn)化而制定的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

完整的ZigBee協(xié)議棧由應(yīng)用層（APL）、應(yīng)用支持子層（APS）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、媒體訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）組成，如圖1所示。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的PHY層規(guī)定了ZigBee使用的通信頻率范圍868/915MHz和2.4GHz，MAC層使用CSMA-CA機制來控制無線電信道的訪問。NWK層為ZigBee協(xié)議棧的核心部分，實現(xiàn)節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡(luò)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。APL層包括了APS、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和制造商制訂的應(yīng)用對象。APS層負(fù)責(zé)維護綁定表，根據(jù)服務(wù)和需求在兩個綁定實體間傳遞信息。ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的角色，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)，決定提供何種應(yīng)用服務(wù)，還負(fù)責(zé)初始化或響應(yīng)綁定請求及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間安全關(guān)系[2]。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

3 智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)可以實現(xiàn)手機網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)信息網(wǎng)互聯(lián)互通，用戶在外也能通過手機控制家里的電器，及時收到家里的報警信息，必要時可向社區(qū)保安發(fā)送報警求救信號[3]。系統(tǒng)模型如圖2所示，其中空間利用ZigBee技術(shù)進行組網(wǎng)。

圖2 智能家居系統(tǒng)模型

ZigBee采用自組織方式組網(wǎng)，支持星形、樹形、網(wǎng)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按功能分為全功能設(shè)備FFD（Full Function Device）、簡化功能設(shè)備 RFD（Reduced Function Device）。FFD節(jié)點具備控制器的功能，提供數(shù)據(jù)交換，能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點來使用，可與網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備進行通信；RFD節(jié)點只能作為終端節(jié)點來使用，而且只能與FFD節(jié)點通信，兩個RFD節(jié)點之間不能通信。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點由于功能的不同，其組成也各不相同，一般由傳感器、處理器、無線傳輸及電源組成：

（1）傳感器：主要用于數(shù)據(jù)采集，不同的節(jié)點有不同的數(shù)字傳感器，溫度、濕度、亮度等傳感器。如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用在被控端或協(xié)調(diào)器中時，則不需要數(shù)據(jù)采集模塊。

（2）處理器：由C8051單片機系統(tǒng)完成。

（3）無線傳輸：由CC2430無線射頻模塊構(gòu)成，在協(xié)調(diào)器節(jié)點還需要串口或者USB接口與智能家居控制器進行數(shù)據(jù)交換。

（4）電源：負(fù)責(zé)單片機、無線射頻模塊及各種傳感器的供電。

4 ZigBee組網(wǎng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 CC2430簡介

CC2430芯片是chipcon公司生產(chǎn)的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一塊工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計結(jié)合了8Kbyte的RAM及強大的外圍模塊，有3種不同的版本，分別對應(yīng)32/64/128KB的閃存。

CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU （8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器 （Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式及快速切換主動模式的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

4.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點有協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備三種類型。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的啟動與配置。一旦網(wǎng)絡(luò)啟動完成后，協(xié)調(diào)器就完成路由器的功能。路由器的主要功能是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由并協(xié)助終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中通信。終端設(shè)備多是簡化功能設(shè)備（RFD）。

本文選擇一通用節(jié)點模塊加以說明，模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 節(jié)點模塊設(shè)計

該節(jié)點以C8051F120為核心，在單片機調(diào)試器與PC機軟件的配合下，支持對于無線傳感器節(jié)點CC2430的調(diào)試。本地提供LED，按鍵和繼電器的控制，擴展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能。模塊中設(shè)計了轉(zhuǎn)接電路，將CC2430串口通過不同形式引出，方便連接不同的外部設(shè)備，同樣C8051F120也可以對外串行通訊。

MCU C8051F120是該模塊的核心處理器，主頻最高可以到達100MHz,它可以通過串行通訊接口UART0與CC2430進行通訊，通過AD對外接傳感器的數(shù)據(jù)進行采集[4]。C8051F120外圍電路如圖4所示。

圖4 C8051F120外圍電路圖

在PC機安裝USB轉(zhuǎn)串口的驅(qū)動程序，將該模塊的USB接口連接到PC機，PC機將識別到該模塊。當(dāng)用跳線連接為TXD連接 TXD-USB，RXD連接 RXD-USB時，CC2430可以與PC機進行串行通訊。在此工作模式下，CC2430作為無線傳感網(wǎng)的協(xié)調(diào)器，監(jiān)控整個無線網(wǎng)的工作狀態(tài)，并將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)傳送給PC機，構(gòu)建好ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò)。

5結(jié)論

ZigBee組網(wǎng)技術(shù)由于其自身的特點，在實現(xiàn)智能家居中具有得天獨厚的優(yōu)勢，今后將在智能家居中有廣泛的應(yīng)用前景。

本文作者創(chuàng)新點：以C8051F120微處理器和CC2430無線射頻通信模塊為基礎(chǔ)構(gòu)建的智能家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊，能很好的完成數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等功能，具有低功耗、低成本、易擴展的特點，能夠適應(yīng)今后智能家居的發(fā)展需要。

[1]江虹，劉驪.ZigBee技術(shù)在智能家居控制器中的應(yīng)用研究[J].云南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，31（S1）：109-113.

[2]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.

[3]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.

[4]賴于樹，梁丁等.ARM微處理器與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5]明光照，李鷗，張延軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù),2009,42(2):233-238.

Research on Application of ZigBee in a Smart Home Network

GU Lijun
（Information Engineering,Changzhou Institute of Mechatronic Technology,Changzhou Jiangsu 213164,China）

With the increasing number of sensors,the traditional network in the smart home become more and more difficult to expand.This paper presented and designed a program of smart home network based on ZigBee technology,it is constructed by C8051F120 microcontroller and ZigBee communication Chip CC2430，the smart home network is low-power,low cost,and easy to expand.

Smart home；ZigBee；C8051F120；CC2430

TP39

A

1674－5787（2011）03－0160－02

2011-03-28

顧理軍（1981—），男，江蘇南通人，工程碩士，常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，講師，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)安全。

責(zé)任編輯 王榮輝