Zigbee無線通信技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：根據(jù)智能家居控制系統(tǒng)對控制信息和數(shù)據(jù)信息傳輸環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感器；智能家居

隨著人們對生活品質(zhì)的不斷追求以及住宅智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居系統(tǒng)內(nèi)容得到了豐富和完善。利用現(xiàn)代發(fā)展較快的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)等，將家居生活有關(guān)的電器、傳感器、通訊設(shè)備等整合，更好地滿足人們對智能家居系統(tǒng)的高品質(zhì)、高品位的需求。Zigbee技術(shù)是一種近年來興起的近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)主要用于低速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，它基本能夠滿足小型化、低成本設(shè)備的無線組網(wǎng)要求。

1 ZigBee技術(shù)研究

在無線短距離小數(shù)據(jù)量雙向傳輸方面，ZigBee表現(xiàn)出的近距離、低速率、復(fù)雜度低、功耗低和成本低等特點(diǎn)成為它能占據(jù)短距離范圍之內(nèi)在各種電子設(shè)備之間傳輸少量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)市場上一席之地的優(yōu)勢。通過ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有傳感器節(jié)點(diǎn)信息、各種控制命令及間歇性、周期性數(shù)據(jù)。

通過近年來對ZigBee技術(shù)的研究，歸納其主要特點(diǎn)如下：

（1）具有較低傳輸速率。傳輸速率為10kbps到250kbps，適合對速率要求不高的低數(shù)據(jù)傳輸場合如智能家居、醫(yī)療等；

（2）具有較大優(yōu)勢的低功耗。當(dāng)選擇工作在低耗電待機(jī)模式，兩節(jié)普通5號(hào)電池，ZigBee設(shè)備大概可使用6-24個(gè)月，免去了頻繁的充電、更換電池的麻煩；

（3）設(shè)備成本低廉。是Zigbee迅速發(fā)展起來的一個(gè)關(guān)鍵因素，其數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議不復(fù)雜并可根據(jù)需要合理刪減調(diào)整，大大降低了生產(chǎn)成本；

（4）網(wǎng)絡(luò)容量較大?？扇菁{多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)典型的具有星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納一個(gè)主設(shè)備和254個(gè)從設(shè)備，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)又可以容納100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，靈活的自組織網(wǎng)技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)組建工作高速有效；

（5）安全可靠。ZigBee提供基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES-128的對稱密碼加密算法，可以靈活確定其安全屬性；

（6）近距離傳輸。有效覆蓋范圍10-100米，基本上能覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境，若通過增加路由傳輸距離可以更遠(yuǎn)；

（7）工作頻段免執(zhí)照。工作頻段分別為868MHz（歐洲），915MHz（美國）及2.4GHz（全球），且都為免執(zhí)照頻段。本設(shè)計(jì)工作頻段為2.4GHz。

根據(jù)ZigBee技術(shù)的以上特點(diǎn)，當(dāng)需設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)時(shí)可采用此技術(shù)：

（1）對設(shè)備成本有較高要求，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，適用于推廣進(jìn)人普通用戶家庭；

（2）要求設(shè)備體積較小，不便設(shè)置電源模塊，不能頻繁更換電池或更換電池不方便，使智能家居產(chǎn)品方便操作、生命周期長；

（3）通信覆蓋范圍廣，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多，但數(shù)據(jù)量不大，用于監(jiān)測或者控制等。

2 智能家居系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)功能簡述

本文的智能家居設(shè)計(jì)主要分為三大模塊：GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊、傳感器節(jié)點(diǎn)模塊以及ZigBee通信模塊。GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)與用戶間遠(yuǎn)程交互家電信息數(shù)據(jù)、控制管理命令等數(shù)據(jù)，同時(shí)響應(yīng)內(nèi)網(wǎng)的實(shí)時(shí)報(bào)警、用戶的監(jiān)管動(dòng)作。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收集到室內(nèi)狀態(tài)信息后，通過ZigBee模塊上傳至家庭網(wǎng)關(guān)，同時(shí)通過該模塊將外部監(jiān)控命令下發(fā)至各傳感器分節(jié)點(diǎn)。

對目前的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行研究和分析，設(shè)計(jì)一個(gè)基本的智能家居系統(tǒng)，功能具體描述如下：

（1）安防功能：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控火警、煤氣泄漏的發(fā)生及非法闖人。通過外網(wǎng)傳輸報(bào)警信息與用戶交互，根據(jù)指示啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)急措施。

（2）通訊功能：可主動(dòng)通知用戶家中安防狀況，同時(shí)可接受客戶遠(yuǎn)程查詢信息、接收控制信號(hào)等。

（3）家電調(diào)控功能：根據(jù)環(huán)境狀況和用戶指令實(shí)現(xiàn)對家電的定時(shí)開啟、關(guān)閉及監(jiān)測等。

（4）系統(tǒng)自組網(wǎng)功能：實(shí)現(xiàn)住宅內(nèi)各傳感器接入、退出的自組網(wǎng)工作，并通過用戶界面執(zhí)行管理傳感器、操作家電等功能。

3 ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)及其網(wǎng)絡(luò)組建

本智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品是無線收發(fā)器CC2430。無線收發(fā)器CC2430是一種射頻發(fā)射芯片，采用18pmCMOS工藝制造，工作電流損耗為27mA，接收和發(fā)射模式時(shí)損耗甚至更低。

本設(shè)計(jì)ZigBee模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該模塊由CC2430核心處理器、無線收發(fā)模塊、各類傳感器、各類I/O接口電路和供電模塊組成。

Zigbee采用自組織網(wǎng)通信方式。ZigBee模塊與傳感器MCU通信分為同步SPI模式和異步DART模式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用波特率設(shè)置為960的DART全雙工異步傳輸模式。采用ZigBee星形結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干終端設(shè)備，所有數(shù)據(jù)包均通過唯一的協(xié)調(diào)器中繼。因此該網(wǎng)絡(luò)只具有兩類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：一類是主節(jié)點(diǎn)，一類是分節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，采用星形ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)組建。將ZigBee技術(shù)與日常生活實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，有助于智能家居系統(tǒng)的推廣。降低智能家居系統(tǒng)能耗、提高產(chǎn)品生命周期。

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