基于Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬靜

摘 要：文章首先介紹了智能家居系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中所使用的關(guān)鍵技術(shù)，Zigbee技術(shù)和CC2530芯片，然后以感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的角度分析了Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)傳感器、Zigbee節(jié)點(diǎn)、Zigbee協(xié)調(diào)器和家庭網(wǎng)關(guān)組成，軟件實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)Z-Stack協(xié)議棧軟件和IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境完成。

關(guān)鍵詞：Zigbee；智能家居；CC2530

引言

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，智能家居已悄然進(jìn)入人們的生活。早晨智能家居系統(tǒng)為您準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟窗簾，使您在溫馨的陽(yáng)光中蘇醒，當(dāng)您上班或外出時(shí)，智能家居系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家中的一切狀況。家中若有小偷光顧或可燃?xì)怏w泄漏，您可通過(guò)手機(jī)及時(shí)獲得警報(bào)信息，當(dāng)您走在回家的路上，可通過(guò)手機(jī)打開(kāi)家中的制冷或采暖設(shè)備。智能家居的出現(xiàn)正在改變我們的生活，而且一個(gè)出色的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠使我們的生活更加安全、環(huán)保、舒適和便利。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

智能家居是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)和綜合布線技術(shù)，將家居中所要使用的硬件設(shè)施實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理，從而達(dá)到合理安排時(shí)間、優(yōu)化人類(lèi)生活等目的。智能家居的關(guān)鍵技術(shù)包含以下幾個(gè)方面。

1.1 Zigbee技術(shù)

Zigbee這一名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂與同伴傳遞方位信息的方式，它實(shí)際上是一種能量消耗低、通信距離短、組網(wǎng)復(fù)雜度低、低成本，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Zigbee協(xié)議的介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義，應(yīng)用層（APL）、應(yīng)用匯聚層（APS）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定。

Zigbee設(shè)備類(lèi)型主要包括協(xié)調(diào)器、路由器和設(shè)備終端，協(xié)調(diào)器（Coordinator）是Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的第一設(shè)備，負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)，在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)協(xié)調(diào)器需要選擇信道和PAN ID（個(gè)域網(wǎng)標(biāo)志符），然而只要任務(wù)完成協(xié)調(diào)器的作用就僅相當(dāng)于一個(gè)路由器；路由器（Router）負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)設(shè)備添加到Zigbee網(wǎng)絡(luò)之中，并協(xié)助其下一級(jí)終端設(shè)備通訊；終端設(shè)備（End-Device）不需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)，通常處于休眠狀態(tài)，需要工作時(shí)才會(huì)被喚醒。

1.2 CC2530芯片

CC2530芯片是ZigBee新一代SOC芯片的片上系統(tǒng)解決方案，是理想ZigBee專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，CC2530具有業(yè)界領(lǐng)先的高性能RF收發(fā)器和8051微處理器，8 kBRAM，256 kB系統(tǒng)可編程閃存，以及強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)。CC2530具有很多特性：（1）出色的接收靈敏度和抗干擾能力（2）低功耗長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)，即睡眠模式下最低功耗1微安（3）強(qiáng)大的短距離組網(wǎng)功能（4）強(qiáng)大的外設(shè)，擁有5通道DMA、MAC 定時(shí)器，通用定時(shí)器、還具有IR發(fā)生電路，32kHz睡眠定時(shí)器等。（5）應(yīng)用范圍廣，可應(yīng)用于2.4-GHz IEEE 802.15.4 系統(tǒng)、RF4CE 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、ZigBee系統(tǒng)、智能樓宇等。由于CC2530所具有的諸多特性，因此本系統(tǒng)選用CC2530 作為核心硬件組成部分。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為三個(gè)層次，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。（1）感知層的主要組成部分包括由Zigbee協(xié)調(diào)器組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、Zigbee節(jié)點(diǎn)、傳感器。感知層的主要工作原理為，通過(guò)Zigbee節(jié)點(diǎn)將各個(gè)傳感器或家用設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)信息上傳至網(wǎng)絡(luò)層，到達(dá)應(yīng)用層之后進(jìn)行處理，下達(dá)的處理信息再由網(wǎng)絡(luò)層傳輸至物理層的Zigbee節(jié)點(diǎn)，Zigbee節(jié)點(diǎn)將處理信息發(fā)送給家用設(shè)備，從而完成相應(yīng)的用戶(hù)操作；Zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并與家庭網(wǎng)關(guān)相連。（2）網(wǎng)絡(luò)層的主要組成部分包括Zigbee無(wú)線家庭內(nèi)網(wǎng)、Internet和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，這三部分通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)相連，家庭網(wǎng)關(guān)可將無(wú)線家庭內(nèi)網(wǎng)中所采集的信息進(jìn)行匯集和處理，再向Internet和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。（3）應(yīng)用層的主要實(shí)現(xiàn)包括智能門(mén)禁、家庭安防、家用電器控制、照明系統(tǒng)控制、火災(zāi)及有害氣體警報(bào)、智能電表水表等。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)是在各個(gè)家居設(shè)備上部署各種類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)，使用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息采集，把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，并進(jìn)行集中式控制處理；系統(tǒng)服務(wù)器使用Zigbee無(wú)線網(wǎng)關(guān)，其中采用以太網(wǎng)接口的Zigbee協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)的家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)Z-Stack協(xié)議棧軟件和IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境完成，Z-Stack協(xié)議棧軟件是由美國(guó)德州公司（TI）推出的基于CC2530開(kāi)發(fā)平臺(tái)的Zigbee協(xié)議棧軟件，使用Z-Stack有助于開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)具體的實(shí)際應(yīng)用，IAR是帶有C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是全球領(lǐng)先的嵌入式開(kāi)發(fā)工具軟件。Z-Stack協(xié)議棧具體實(shí)現(xiàn)是通過(guò)其內(nèi)部的main函數(shù)的系統(tǒng)初始化和輪轉(zhuǎn)查詢(xún)式操作完成，從而完成所有網(wǎng)絡(luò)層的事件功能。

本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)以下功能，（1）智能門(mén)禁，智能門(mén)禁系統(tǒng)由IC卡閱讀器、加密IC卡、門(mén)禁機(jī)等組成，可實(shí)現(xiàn)IC卡識(shí)別功能。門(mén)禁機(jī)通過(guò)IC卡來(lái)識(shí)別身份。來(lái)人先在IC卡閱讀機(jī)上刷卡，刷卡時(shí)IC卡閱讀器采集IC卡內(nèi)部信息。然后將采集的IC卡信息與信息庫(kù)中的信息對(duì)比，如果對(duì)比成功門(mén)禁機(jī)自動(dòng)開(kāi)門(mén)，反之拒絕開(kāi)門(mén)。（2）家庭安防，此系統(tǒng)是指在房屋室內(nèi)外布有攝像頭監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，一旦有人靠近或進(jìn)入室內(nèi)，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出警報(bào)信息上傳至Internet，用戶(hù)可通過(guò)智能手機(jī)及時(shí)獲得。（3）家用電器控制，此系統(tǒng)是指用戶(hù)無(wú)論身處何地均可通過(guò)智能手機(jī)開(kāi)啟或關(guān)閉家中的所有電器。（4）火災(zāi)及有害氣體警報(bào)，此系統(tǒng)是指家中的有害氣體傳感器和溫濕度傳感器可實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)異常立即將警報(bào)上傳至網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種基于Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)的有效解決方案，使用戶(hù)能夠感受到智能家居所帶來(lái)的舒適和便利，實(shí)踐表明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可有效解決智能家居中存在的諸多問(wèn)題，能對(duì)智能家居的開(kāi)發(fā)者和學(xué)習(xí)者提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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