基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研究

李超杰

(南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院,江蘇　南京　211135)

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研究

李超杰

(南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院,江蘇南京211135)

[摘要]以ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)而設(shè)計的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中高功耗、有通信盲區(qū)存在的問題,文章從硬件和軟件兩方面分析了ZigBee無線模塊的設(shè)計,實現(xiàn)了低成本、擴展性好以及無縫通信的要求。

[關(guān)鍵詞]ZigBee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；智能家居

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.10.058

如今社會,經(jīng)濟水平不斷提高,科技發(fā)展水平日新月異,人們對家庭居住環(huán)境的要求也越來越高,智能家居應(yīng)運而生。智能家居是一種具有廣泛功能的綜合性技術(shù)系統(tǒng),將自動控制、計算機、傳感、網(wǎng)絡(luò)以及嵌入式等多種技術(shù)應(yīng)用在家庭住宅中,集成各種家庭生活相關(guān)的應(yīng)用子系統(tǒng)形成一個數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),綜合進行科學管理和監(jiān)控以保持居住環(huán)境的安全性、舒適性以及節(jié)能性。構(gòu)架家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及智能控制,這兩點是智能家居系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。家庭內(nèi)部網(wǎng)又分為無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)兩種組網(wǎng)方式。而今國內(nèi)外對于組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)方面十分重視,藍牙、紅外線、Wifi以及ZigBee都屬于無線,其中ZigBee應(yīng)用在智能家居中得到了廣泛的好評,主要是因為它具有功耗極低、安全性良好、成本造價低以及容量大等優(yōu)勢。

1ZigBee技術(shù)概述

ZigBee一詞是從蜜蜂群發(fā)現(xiàn)花粉位置時候跳的舞蹈演變而來的,人們用此來代稱一種成本、功耗低并且簡單易懂的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)一般應(yīng)用在較近的范圍內(nèi)或者是在傳輸速率較低的電子設(shè)備之間使用,因此在傳輸各種家電的無線控制指令方面非常適合。在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型方面主要有以下幾種：

以傳感器為代表的周期性數(shù)據(jù)、以鼠標為代表的重復低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)、以照明控制為代表的間歇性數(shù)據(jù)。

2家居監(jiān)控系統(tǒng)中ZigBee無線模塊的硬件設(shè)計

在家居監(jiān)控系統(tǒng)中的ZigBee無線模塊主要分為主、從兩個節(jié)點,區(qū)分方式可以通過對控制位的設(shè)置來實現(xiàn),主節(jié)點和從節(jié)點的相同之處在于無線收發(fā)部分的硬件設(shè)計,差異在于主節(jié)點信息交互是與數(shù)據(jù)處理模塊進行的,而從節(jié)點信息交互則是與被測對象之間進行的。圖1(a)(b)為ZigBee節(jié)點模塊的硬件結(jié)構(gòu)示意圖,可以看出主要分為兩個部分,一部分是負責無線收發(fā),另一部分是對通信接口進行控制。

圖1(a)　ZigBee無線模塊主節(jié)點硬件示意圖

圖1(b)　ZigBee無線模塊從節(jié)點的硬件示意圖

節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信是無線收發(fā)部分負責的內(nèi)容：PC機和從節(jié)點之間使用串行接口進行連接,從而進行調(diào)試或者連接其他相關(guān)電器的設(shè)備接口,對電器開工進行控制；而主節(jié)點中雖然有串行接口的設(shè)計,但是它以SPI控制通信接口為主,負責與TMS320F2812主控芯片之間交互傳輸數(shù)據(jù)。

在進行該模塊硬件設(shè)計的時候,首先是選擇合適的芯片。自從ZigBee技術(shù)出現(xiàn),就有眾多無線芯片公司注意到了它并且開始研制相關(guān)的產(chǎn)品,而芯片的功能也從最初的單純無線收發(fā)發(fā)展成為了一個集合體,匯集了微處理器和無線射頻控制器,同時產(chǎn)品體積也縮小了不少,開放應(yīng)用變得更加便利。本設(shè)計中使用的芯片為CC2430,它將微處理器、ZigBee射頻前端以及內(nèi)存集于一體。并且CC2430芯片的生產(chǎn)工藝決定了它在工作中只會產(chǎn)生小于27mA的電流損耗,對于智能家居來說采集和控制無線數(shù)據(jù)正需要這種低功耗的特點。

然后是分析該模塊具體的設(shè)計原理,CC2430的外圍電路,在工作中使用兩種電壓,內(nèi)部的工作電壓為+1.8V,而外部數(shù)字I/O接口的電壓則為+3.3V,通過電壓轉(zhuǎn)化一個直流穩(wěn)壓器誕生了,實現(xiàn)了電壓從+3.3V到+1.8V之間的轉(zhuǎn)化。對于智能家居系統(tǒng)來說這種供電方式非?？茖W,只需要一塊+3.3V的紐扣電池就可以為該無線收發(fā)模塊提供足夠的電力了。

圖2　CC2430無線模塊原理圖

3智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和樹型網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee都是支持的,其中最省電的是星型網(wǎng),同時因為其結(jié)構(gòu)簡單，所以也是成本最低的,節(jié)點設(shè)備和協(xié)調(diào)器之間進行通信,維護和檢修設(shè)備的時候會更加便利。本設(shè)計底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)選擇了星型的拓撲結(jié)構(gòu),用于采集監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進行一些簡單的控制。

3.1智能家居中ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)

首先將協(xié)調(diào)器設(shè)置為ZigBee主無線模塊,終端器件為剩余的節(jié)點模塊,然后協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層接收協(xié)調(diào)器應(yīng)用層發(fā)出的原語來建立新的網(wǎng)絡(luò)。在開始建網(wǎng)以后協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層首先會向MAC層發(fā)出請求,檢測掃描物理層中的有效信道的能量，從而將可能被占用的信道排除出去,最終掃描結(jié)果會返回到網(wǎng)絡(luò)層。

在能量檢測掃描的結(jié)果發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層的管理實體中以后,會進一步的處理那些處于能量范圍之內(nèi)的信道,通過原語的發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層管理實體將主動執(zhí)行掃描過程,同時將信道內(nèi)其余的終端節(jié)點模塊搜尋出來。同時網(wǎng)絡(luò)層管理實體還會對PAN標識符進行檢查從而將建網(wǎng)的最佳信道確定下來,新建網(wǎng)絡(luò)的最小編號就是查到的首個信道。如果經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層管理實體查找之后,沒有信道與其他節(jié)點模塊通信相符合的話,就會停止新建過程并且將建網(wǎng)失敗的信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器應(yīng)用層。

如果有合適的信道被網(wǎng)絡(luò)層管理實體尋找到,那么就會選擇一個PAN標識符給這個新網(wǎng)絡(luò),在選擇之前首先要檢查PANID參數(shù)的指定情況,確認沒有沖突的問題,那么該ID就是新網(wǎng)絡(luò)的PANID了。一旦PANID選擇完成,接下來需要進行十六位網(wǎng)絡(luò)地址的選擇,然后網(wǎng)絡(luò)層的管理實體會發(fā)送原語給MAC層,將個域網(wǎng)啟動起來并且接收反饋的啟動狀態(tài),圖3為整體的流程圖。

圖3　網(wǎng)絡(luò)建立流程

3.2將終端節(jié)點添加入智能家居ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中

成功建立網(wǎng)絡(luò)以后需要在其中進行重點設(shè)備或者說是終端節(jié)點的添加。首先終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體將會發(fā)送請求,孤點掃描PHY層中每一條有效的通信信道,并且將結(jié)果通過原語返回。如果有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備被掃描到了,那么網(wǎng)絡(luò)管理層將會向上層報告并且發(fā)送連接請求。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作狀態(tài)正常則標志著網(wǎng)絡(luò)成功建立了,可以再繼續(xù)打開更多的終端節(jié)點使其加入網(wǎng)絡(luò)。

4結(jié)論

本文從國內(nèi)外智能家居方面人們的實際需求出發(fā),結(jié)合了其未來的發(fā)展前景,提出了一種具體的設(shè)計方案。目的在于為人們提供更好的家居生活環(huán)境。

參考文獻:

陳智杰,余楚中,等.ZigBee技術(shù)在家居智能監(jiān)控中的應(yīng)用研究[J].微計算機信息,2011(1):64-66.

[作者簡介]李超杰(1991—),男,漢族,江蘇南京人,碩士研究生,助理工程師。研究方向：軟件測試。