基于ZigBee技術智能家居系統的研究與設計*

陳龍濤，羅桂娥，周 衛，唐瑋圣

（中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙410083）

“智能家居”通常是指以住宅為平臺，兼備家庭自動化、家庭網絡、信息家電，集系統、結構、服務、管理、控制為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。它利用先進的計算機技術、網絡通信技術、電力自動化技術，將與家居生活有關的各種子系統有機地結合在一起，進行網絡化的綜合管理。

有線網絡存在著布線困難、擴展性差等缺點，隨著現代短距離無線通信技術的迅速發展，在智能家居系統中采用無線組網技術已經成為必然趨勢。目前比較常用的短距離無線通信技術主要有藍牙技術（Bluetooth）、Wi-Fi、UWB、 紅 外 技 術 （IrDA）、ZigBee、 射 頻 識 別 技 術（RFID）等。與其他無線通信技術相比，ZigBee技術的特點是[1]：（1）低成本：每塊ZigBee芯片的價格大約為 2美元，且Zigbee協議免專利費；(2)低功耗：在待機模式下，2節 5號干電池可支持 1個節點工作 6～24個月；（3）低速率：數據傳輸速率只有 20 kb/s～250 kb/s；（4）近距離：單個設備的有效覆蓋范圍在10 m～75 m之間，具體取決于實際發射功率的大小和各種不同的應用模式；（5）短時延：通信時延和從休眠狀態激活的時延都很短。典型的設備搜索時延為 30 ms，休眠激活時延為 15 ms，活動設備信道接入時延為 15 ms；（6）高可靠：采取碰撞避免機制，避免發送數據時的競爭和沖突；（7）網絡容量大，組網靈活：支持多種組網方式和大量的網絡節點，每個ZigBee網絡理論上可容納大約 65 000個設備；（8）高安全：提供了數據完整性檢查和鑒權功能，提供三級安全性，采用AES-128加密算法，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性；（9）工作頻段靈活：使用頻段為2.4 GHz、915 MHz（美國）及 868 MHz（歐洲），均為免執照頻段。

智能家居網絡中的各類安防報警、傳感、抄表數據、燈光、門禁及家電開關控制信號傳輸的數據量小，無需太大的傳輸速率，但要求容量大、實時性好、可靠性高、功耗低。智能家居系統若要在未來普及，發展趨勢是低成本、安裝簡便、使用方便、可擴展性好、自組織以及嵌入式應用。綜合這些特點，ZigBee技術是實現智能家居比較合適的選擇。

1 ZigBee協議

ZigBee技術是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術，其體系結構通常由層來量化它的各個簡化標準。完整的ZigBee協議[2]包括物理層、MAC層、網絡層、安全服務層、應用層及高級應用層規范。IEEE 802.15.4[3]定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質接入控制子層(MAC)。ZigBee聯盟提供了網絡層、安全服務層和應用層(APL)框架的設計。應用層的結構包括應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和用戶自定義的應用服務。與其他的無線通信標準相比，ZigBee協議組件簡單緊湊，對某種具體實現的要求很低，實現相對容易。

ZigBee協議棧結構每一層負責完成所規定的任務，并且向上層提供服務。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路提供服務。下面的層為上面的層執行一組特定的服務：數據實體提供數據傳輸服務，管理實體提供管理服務。每個服務實體通過一個服務接入點SAP為上層提供一個接口，每個SAP支持多種服務原語來實現要求的功能。

2 基于ZigBee協議的組網技術

2.1 ZigBee設備

ZigBee網絡中的設備通常可以劃分為兩種類型[4]，一種是全功能器件(FFD)，它可以承擔網絡協調者的功能，可以與網絡中的任何設備通信；另一種是簡化功能器件(RFD)，它不能作為網絡協調者，只能與FFD通信，兩個RFD之間不能直接通信。

ZigBee網絡定義了三種功能設備：網絡協調器(Coor dinator)、網絡路由器(Router)和網絡終端設備(End Device)。前兩種都是FFD，后一種是RFD。

2.2 ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee支持三種網絡拓撲結構[5]：星型網、樹型網和網狀網。每一個ZigBee網絡至少需要一個FFD作為Coordinator實現網絡建立和協調功能。

考慮到家庭網絡的實際情況：設備可能分布在不同的房間，家具墻壁等障礙因素會使每個設備的通信范圍減小的同時增大干擾；網絡應該具有可擴展性，應該可以通過增加路由節點擴展覆蓋范圍；網絡應該具有一定的可靠性和健壯性，不能由于少數設備的崩潰導致系統失效，盡量保證每次通信的成功。基于以上考慮，本智能家居系統選擇了網型的網絡拓撲結構。

2.3 ZigBee網絡的路由

ZigBee執行用于AODV專用網絡的路由協議，簡化后用于傳感器網絡。ZigBee終端節點不執行任何路由功能。終端節點要向任何一個設備傳送數據包，只需簡單地將數據向上發送給它的父設備，由它的父設備以自己的名義執行路由。同樣地，任何一個設備要給終端節點發送數據，發起路由尋找，終端節點的父節點都以其自身名義回應。

3 基于Zigbee的智能家居系統設計

3.1 系統總體結構設計

系統以ARM9為主控制器（家庭服務器），由一個協調器節點、多個路由器節點、多路傳感器節點、多路家電控制節點組成，系統總體結構框圖如圖1所示。其中各個傳感器節點采集溫度、濕度、光照條件等狀態通過ZigBee協議與協調器進行數據傳輸。各個控制器節點由紅外遙控解碼和其他控制部分組成，根據協調器發送過來的指令控制相應的家用電器工作。協調器在程序設立的信道上建立PAN網絡，并通過串口把各傳感器狀態顯示在主控制器的LCD上。

3.2 智能家居主控制器的功能

智能家居主控制器接收由協調器傳輸來的各類傳感器返回的狀態信息，通過事先由用戶設定好的各個指標（溫度、濕度、光照條件等）的閾值進行綜合智能判斷，采取對應的控制措施發出各類家電控制指令。同時通過在μClinux操作系統里架設基于WEB的BOA服務器，可實現遠程PC的Http訪問，主控制器將各種傳感器和家電信息通過BOA服務器反饋給遠程PC，主控制器也可以通過BOA服務器將遠程PC發送的各類控制信息傳遞給協調器。

智能家居主控制器以ARM9內核的Samsung S3C24lO為核心，外擴網卡、LCD、SDRAM、Flash等模塊。軟件方面，主控制器的軟件開發工作包括μClinux的移植、底層驅動程序的開發、開源BOA服務器的配置、嵌入式OS上的應用程序開發。

3.3 Zigbee網絡微型節點

Zigbee網絡微型節點在此系統中有兩個模塊：FFD與RFD。其中RFD由傳感器模塊（家電控制模塊）、處理器模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊4部分組成。傳感器模塊和家電控制模塊在每個RFD中只出現一種，取決于此RFD的用途是用于數據采集還是家電控制。兩種用途的RFD數量也可靈活配置，有利于節省成本。傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器等各類傳感器以及數據轉換電路。家電控制模塊包括紅外遙控解碼和其他控制部分，負責接收和解析從主控制器發來的控制命令，同時采取相應的措施控制家電運作。處理器模塊負責控制整個節點的處理操作、ZigBee協議棧運行、同步定位、功耗管理以及任務管理等。數據傳輸模塊負責與其他節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據。由于有先進的SoC技術，故本設計采用集微處理器和RF收發芯片一體的SoC芯片CC2430。

CC2430是一顆真正的系統芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求。它結合一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器。電源管理模塊選通所用到的傳感器，節點電源由兩節1.5 V堿性電池組成，采用LM1117穩壓芯片，未來趨勢將采用微型紐扣電池應用到終端節點上，以進一步減小節點體積，便于安裝。FFD與RFD相比，缺少了傳感器模塊和家電控制模塊，同時增加了控制器的RAM和ROM容量以及主頻，主要用于ZigBee網絡的組建和路由。

3.4 系統軟件設計

軟件設計方面，Zigbee網絡微型節點在Zigbee網絡中既充當RFD的角色，又充當FFD的角色，RFD與FFD的軟件設計流程如圖2所示。

本文根據ZigBee技術的特點和現代智能家居系統的要求，提出了一種基于ZigBee技術的智能家居系統的總體構架以及軟硬件設計和實現方案。采用ARM9芯片為主控制器，通過ZigBee網狀網絡結構實現家庭內部的通信，使家庭網絡中的各種設備形成一個整體的智能家居控制體系，而非單一的變量控制體系。該系統能滿足現代智能家居的要求，具有成本低、功耗低、通用性強、可擴展性好等優點，是一種有效的解決方案。

[1]黃磊，付菲，閔華松.基于 ZigBee技術的智能家居方案研究[J].微計算機信息，2009，25(14)：71-73.

[2]AKYILDIZE.Wireless sensor networks：A survey[J].Computer Networks，2002，38：392-422.

[3]LAN/MAN Standards Committee.Part 15.4：Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks[EB/OL].[2010-03-20].http：//www.zigbee.org/.

[4]KINNEY P.ZigBee technology：wireless control that simply works[DB/OL].(2010-03-20)http：//www.hometoys.com/htinews/oct03/articles/kinney/zigbee,htm.

[5]ZigBee V1.0 Architecture Overview[EB/OL].[2005-09-16].http：//www.ZigBee.org Mar 2006-Open-House-Presentations/ZigBee%20 Architecture2.pdf.