ZigBee智能家居系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)淺析

黃福浩

【摘 要】ZigBee是基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的低速率、短距離無(wú)線通信技術(shù)，是一種針對(duì)用戶終端的區(qū)域無(wú)線通信應(yīng)用。本文就針對(duì)ZigBee智能家居系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，以供參考。

【關(guān)鍵詞】ZigBee技術(shù)；智能家居系統(tǒng)；自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)；無(wú)線通訊技術(shù)；傳感網(wǎng)

智能家居網(wǎng)絡(luò)按網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的不同可分為有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)兩類。有線網(wǎng)絡(luò)主要是利用家中的電話線或電力線進(jìn)行組網(wǎng)， 而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要利用 2. 4GHz 頻段的免費(fèi)無(wú)線資源進(jìn)行組網(wǎng)。顯而易見(jiàn)， 同有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比， 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安裝方便、組網(wǎng)靈活、即插即用、可移動(dòng)性強(qiáng)， 因而更適合于智能家居網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這也為自組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基調(diào)。

一、ZigBee智能家居系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)

（一）數(shù)據(jù)通信技術(shù)

在對(duì)本智能家居系統(tǒng)的通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用了與ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)相似的分層結(jié)構(gòu)。整個(gè)通信模塊的結(jié)構(gòu)由上到下分為：應(yīng)用層、射頻層和硬件抽象層。

1、應(yīng)用層：位于整個(gè)通信模塊結(jié)構(gòu)的最上層，在整個(gè)家居系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的應(yīng)用都定義在該層。當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)軟件的時(shí)候，啟動(dòng)的就是應(yīng)用層。當(dāng)用戶需要實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能時(shí)，用戶通過(guò)操作應(yīng)用層，利用應(yīng)用層給下層的射頻層和硬件抽象層下達(dá)相關(guān)的命令，來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。

2、射頻層：主要通過(guò)調(diào)用硬件抽象層的相關(guān)函數(shù)來(lái)間接調(diào)用整個(gè)家居系統(tǒng)設(shè)備中的硬件資源，從而為數(shù)據(jù)收發(fā)提供接口用于相關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)，并通過(guò)調(diào)用相關(guān)的安全機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)收發(fā)的安全性和可靠性。硬件抽象層利用相關(guān)的接口函數(shù)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備，而射頻層和應(yīng)用層只需要調(diào)用硬件抽象層就能對(duì)相關(guān)的硬件進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單、方便。

3、硬件抽象層：在對(duì)硬件抽象層進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，讓其由：常用、接口、射頻、外射驅(qū)動(dòng)等四個(gè)文件夾組成。常用文件夾中主要對(duì)該層的數(shù)據(jù)類型、8051微控制器的特殊功能寄存器以及全局中斷函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的定義。接口文件夾中主要包含該層需要用到的所有的頭文件。GC2430的頭文件和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)文件存儲(chǔ)在射頻文件夾中，而除了CC2430射頻模塊以外，其它外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)文件則存儲(chǔ)在外射驅(qū)動(dòng)文件夾中。通過(guò)對(duì)硬件資源的寄存器進(jìn)行相關(guān)的映射，射頻層和應(yīng)用層直接利用驅(qū)動(dòng)文件夾來(lái)對(duì)硬件抽象層進(jìn)行相關(guān)的操作而不需要考慮硬件的細(xì)節(jié)。

（二）ZigBee節(jié)點(diǎn)功能

對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用層的設(shè)計(jì)，主要是對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的相關(guān)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用層的設(shè)計(jì)主要包括：ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)、路由器程序設(shè)計(jì)以及ZigBee終端功能節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

1、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序：智能家居系統(tǒng)的ZigBee中心協(xié)調(diào)器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中主要承擔(dān)著建立通信網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)以及進(jìn)行串口通信。

2、路由器程序：在對(duì)路由器進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于它在啟動(dòng)以后，會(huì)自動(dòng)的選擇加入ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，而它承擔(dān)的工作只是對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，所以設(shè)計(jì)的程序非常的簡(jiǎn)單。

3、終端節(jié)點(diǎn)程序：根據(jù)每一個(gè)ZigBee終端功能節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，將所有的終端功能節(jié)點(diǎn)分為三類：第一類是室內(nèi)安全防護(hù)類，這些終端節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控任務(wù)主要和室內(nèi)安全有關(guān)，當(dāng)它們監(jiān)測(cè)到室內(nèi)出現(xiàn)安全隱患的時(shí)候，就會(huì)立即向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息；第二類主要是控制類節(jié)點(diǎn)，它們主要連接著控制設(shè)備，然后接收中心協(xié)調(diào)器的控制命令并執(zhí)行該命令；第三類主要是普通環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)類，它和監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的傳感器直接連接，實(shí)時(shí)的對(duì)室內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并定時(shí)的將這些采集到的參數(shù)發(fā)給中心協(xié)調(diào)器。

二、智能家居系統(tǒng)自動(dòng)無(wú)線組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

（一）CC2430芯片

作為一個(gè)應(yīng)用己經(jīng)趨于成熟的無(wú)線通訊技術(shù)，市面上的ZigBee無(wú)線通訊芯片已經(jīng)有很多種了：比如jennic的JN5148芯片、TI公司的CC2430模塊、Frescal的MC13192芯片、EMBER的ME260芯片、ATMEL的LINK-23X芯片和ATMEL的Link-212芯片等。在綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、功耗、傳輸效率等問(wèn)題后，本系統(tǒng)最后決定采用TI公司設(shè)計(jì)的 CC2430射頻芯片。

CC2430的尺寸為7X7mm 48-pin的封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。這樣的設(shè)計(jì)可在一個(gè)硅晶片上實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶處理器，RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲(chǔ)器的整合。CC2430是一顆標(biāo)準(zhǔn)的SOC（System On Chip）系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。這種解決方案能滿足以ZigBee 2.4GHz ISM波段的應(yīng)用的同時(shí)，還可以有效降低成本、減小功耗、提高性能。芯片內(nèi)部集成了一個(gè)射頻收發(fā)器核心頻段2.4GHz，使芯片具備了射頻無(wú)線收發(fā)的能力。

（二）節(jié)點(diǎn)設(shè)備介紹

1.輸入/輸出端口

CC2430的3個(gè)8位的I， O端口，既可以用作通用的輸入/輸出端口，通過(guò)編程還可以作為特殊功能的輸入/輸出端口，在智能家居系統(tǒng)中P0， Pl， P2的輸入/輸出狀態(tài)和功能被做出了一定的修改。

2. DMA（直接存取控制器）

CC2430在內(nèi)存與外設(shè)之間擁有一條特殊的數(shù)據(jù)通道。通過(guò)DMA控制器的控制直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這一機(jī)制保證了不需要CPU極的太多干預(yù)，DMA控制器就實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從ADC或射頻收發(fā)器到存儲(chǔ)器的傳輸；極大的提高了數(shù)據(jù)存取效率并有效減輕8051 CPU核的負(fù)擔(dān)，保證了CC2430芯片在高性能條件下也具備很好的功耗性能。DMA控制器有0-4共5個(gè)信道。在DMA方式發(fā)送時(shí)，8051內(nèi)核只需要回應(yīng)DMA的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，DMA控制器就可以獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出。具體過(guò)程如下：首先完成DMA信道配置，當(dāng)DMA信道工作狀態(tài)寄存器中DMAARM被置1以后，DMA信道進(jìn)入工作狀態(tài)，在工作狀態(tài)下一旦觸發(fā)事件發(fā)生，隨即傳送自動(dòng)開(kāi)始。

3.MAC定時(shí)器

CC2430包括4個(gè)定時(shí)器，其中3個(gè)為普通定時(shí)器，分別為1個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器，支持普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。CC2430還包含1個(gè)16位MAC定時(shí)器，并由CSMA-CA算法和IEEE 802.15.4的MAC層來(lái)提供定時(shí)。

4. 14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

CC2430擁有一個(gè)14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC，數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括參考電壓發(fā)生器、獨(dú)立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過(guò)DMA模式把轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入內(nèi)存控制器。

通過(guò)這些軟硬件及ZigBee通訊協(xié)議的支持，就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)一隊(duì)傘兵空降后，每人持有一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過(guò)彼此自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動(dòng)，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會(huì)發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過(guò)動(dòng)態(tài)路由機(jī)制重新尋找通信對(duì)象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新，這就實(shí)現(xiàn)了智能家居應(yīng)用層面的互聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)。

三、結(jié)語(yǔ)

總而言之，利用Zigbee技術(shù)將各傳感器連接到傳感網(wǎng)內(nèi)，通過(guò)傳感網(wǎng)采集到各類居室信息并傳遞到中控機(jī)中，由中控機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳送到服務(wù)器中，通過(guò)分析用戶需求，作出調(diào)整以滿足其需求，使用戶體驗(yàn)生活更方便，更舒適，滿足了現(xiàn)代都市人對(duì)居家生活的高品質(zhì)追求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姜浩. 基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在智能家居領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué)，2010.

[2]趙奎兵. ZigBee與語(yǔ)音識(shí)別在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].大連理工大學(xué)，2013.