摘要:本文設計了一種基于ZigBee技術的智能家居無線傳感網絡。重點闡述了該系統(tǒng)的拓撲結構及其中各個節(jié)點的工作流程。該系統(tǒng)使用ZigBee無線網絡取代傳統(tǒng)有線家居網,使智能家居系統(tǒng)具有成本低、功耗低、覆蓋范圍大、組網靈活的特點。特別是ZigBee符合IEEE802.15.4協議,利用系統(tǒng)與其它符合標準的產品的互聯,具有良好的通用性和可擴展性。
關鍵詞:智能家居;ZIGBEE;無線傳感網
中圖分類號:TP212.9 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9599 (2012) 20-0000-02
智能家居是利用先進的計算機網絡技術,將與家居生活相關的各個子系統(tǒng)如家庭安防、環(huán)境監(jiān)測、家電控制、場景聯動和遠程抄表等有機地結合在一起,通過集中控制和管理,實現個性化的家居生活體驗[1]。智能家居系統(tǒng)主要包含的子系統(tǒng)有:家居布線系統(tǒng)、家庭網絡系統(tǒng)、智能家居控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等八大系統(tǒng)[2]。
本文使用的ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術,其可以實現無線連接智能家居各個子系統(tǒng)功能,且實現成本低廉[3]。
1 基于ZigBee技術的無線傳感網絡系統(tǒng)總體設計
本文設計的基于ZigBee技術的智能家居無線傳感網絡系統(tǒng)如圖1所示:
終端節(jié)點:這里指所有通過接入家庭內部網絡的設備,他們是系統(tǒng)控制與采集數據的對象。
路由器:路由器主要用于擴大網絡覆蓋范圍,實現路由協議,并承擔一定的控制功能。
協調器:協調器負責組建網絡,本系統(tǒng)中協調器除以上功能外還要負責網關的通信。
以上各節(jié)點中,路由器和協調器是全功能設備(RFD),終端節(jié)點是精簡功能設備(FFD)。FFD功能全面,在網絡中可以作為發(fā)起網絡的協調器和路由器。FFD功能簡單,只可以作為終端節(jié)點存在 [4]。
ZigBee提供了三種組網拓撲結構:星型、樹型和網狀。本網絡采用的是樹狀拓撲結構,相比星型結構,其覆蓋范圍較大,而比較網狀網絡,樹狀網絡的響應速度與能耗都低。
2 各節(jié)點程序設計
(1)協調器程序設計
本系統(tǒng)中,協調器需要完成如下任務:與路由和終端節(jié)點通信、與網關交互信息。其工作流程為:
協調器完成初始化后,開始根據要求的參數建網,并可確定信道、網絡地址、PAN ID等信息。
組網完成后,協調器進入等待狀態(tài),當有路由器或終端節(jié)點請求加入時,對其請求進行響應。同時協調器還需實現網關傳遞的控制命令,并回傳處理結果至網關,過程如圖2所示。
(2)路由器程序設計
路由器的任務是:轉發(fā)子節(jié)點數據和處理本節(jié)點的任務。路由器初始化完成后,選擇要加入的網絡。加入后,父節(jié)點將為其分配網絡地址,并回復路由器入網成功信息。其工作過程如圖3所示。
(3)終端節(jié)點程序設計
終端節(jié)點任務包括:加入網絡,并根據路由器或協調器發(fā)來的命令對設備進行操作;還可以設置定時器,定期采集室內溫度,并將結果反饋到家庭網關。其工作流程如圖4:
3 系統(tǒng)特點
本系統(tǒng)除具有市場上常見的智能家居無線網絡系統(tǒng)的各項功能外,還具有以下特點:
(1)低功耗:由于Zigbee最小發(fā)射功率僅0.5mW,其待機模式下耗能極少。Zigbee的待機時間可以達到0.5~2年。
(2)低成本:CC2430控制方便,自身攜帶的8051即可進行完全控制,成本降低很多。
(3)低速率:由于無線傳感網絡主要用于智能家居系統(tǒng)中控制網絡部分,其對于網絡傳輸速率的要求并不高,而Zigbee主要針對的就是低傳輸率的對象,其250K/40K/20Kbps的數據吞吐量也能夠滿足低傳輸率對象的要求。
(4)大容量:Zigbee網絡結構多樣,且每個設備的標識符由一個16位的地址提供,故一個Zigbee網絡中可容納的設備數高達65535個,這足以滿足當今大部分情況的需要。
(5)高安全可靠:Zigbee使用的抗干擾措施是直接序列擴頻(DSSS)技術,物理層則使用CSMA/CA算法,可以靈活確定安全方面相關屬性。
4 結語
使用ZigBee技術組建智能家居無線傳感網絡,克服了當前無線網絡組網價格貴、穩(wěn)定性差、待機時間短等缺點,為家庭用戶提供了一個隨時接入、隨地接入、自動接入的無線環(huán)境。這對推動智能家居產業(yè)化將起到積極作用。
參考文獻:
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[3]闞鳳龍等.ZigBee無線通信技術在智能家庭中的應用研究[J].科技廣場,2008,8.
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[5]郭娜娜.AGV在自動化物流系統(tǒng)中應用的規(guī)劃研究[D].西安科技大學,2010.
[6]周朱.多碼直接序列擴頻技術(MC-DSSS)在無線接入的應用[J].無線電工程,2012,9.