基于ZigBee技術的手機智能家居系統設計

羅鵬

【摘要】提出了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的智能家居系統，給出系統的軟件設計。所設計的網關節點具備網關的基本功能，并結合了Bluetooth和GPRS通信功能，可以支持近遠程的綜合接入。用戶可以采用Android終端設備實現實時數據的采集或者控制指令的執行，也可以通過移動通信公網實行遠距離的控制操作。Android終端軟件開發平臺采用的是安裝了SDK開發包的Eclipse開發軟件。除了網關以外的其他節點都采用了休眠管理來降低能耗。

【關鍵詞】智能家居ZigBee無線傳感器網絡Android

中圖分類號：TN92文獻標志碼：A

本文結合ZigBee無線傳感網絡與Android智能手機系統，設計了新型的智能家居系統。硬件方面使用TI公司的CC2530 ZigBee無線傳感模塊和支持RS-232的Android智能手機開發平臺，完成了比較完善的通信網關功能，使用戶可以通過Android手機端的應用程序控制ZigBee智能家居系統。

一、ZigBee規范分析

在ZigBee規范中，節點按功能分為3種類型[3]：①協調器（ZC），負責創建并維護一個PAN；②路由器（ZR），負責把感知數據路由到ZR，并幫助ZC進行PAN的創建和維護工作；③端設備（ZED），負責感知物理世界環境變化，然后在ZR的幫助下將感知數據傳送到ZC[4]。

二、系統設計

2.1建立ZigBee智能家居網絡

整個系統由ZigBee無線傳感器網絡、無線通信公網和Android智能終端組成。組建一個完整的ZigBee網狀網絡包括兩個步驟：網絡初始化、ZED加入網絡。其中ZED加入網絡又包括兩種方式：通過與ZC連接入網和通過已有父節點入網。

為了建立連接，ZED需要向ZC提出請求，ZC接收到ZED的連接請求后根據情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的ZED做出響應，ZED與ZC建立連接后，才能實現數據的收發[6]。具體的流程如圖1所示：

（1）查找網絡ZC。首先ZED點會主動掃描查找周圍網絡的ZC，如果在掃描期限內檢測到信標，那么將獲得了ZC的有關信息，這時就向ZC發出連接請求。如果沒有檢測到，間隔一段時間后，ZED重新發起掃描。（2）發送關聯請求命令。ZED將關聯請求命令發送給ZC，ZC收到后立即回復一個確認幀（ACK），同時向它的上層發送連接指示原語，表示已經收到ZED的連接請求。協調器接收到連接指示原語后，根據自己的資源情況（存儲空間和能量）決定是否同意此ZED的加入請求，然后給ZED的MAC層發送響應。（3）等待ZC處理。ZC給ZED的MAC層發送響應時，ZED會設置一個等待響應時間來等待ZC對其加入請求命令的處理，若ZC的資源足夠，ZC會給ZED分配一個16位的短地址，并產生包含新地址和連接成功狀態的連接響應命令。若ZC資源不夠，等待加入的ZED將重新發送請求信息。（4）發送數據請求命令。如果ZC在響應時間內同意ZED加入，那么將產生關聯響應命令并存儲這個命令。當響應時間過后，ZED發送數據請求命令給ZC，ZC收到后立即回復ACK，然后將存儲的關聯響應命令發給ZED。（5）ZED收到關聯響應命令后，立即向ZC回復一個確認幀（ACK），以確認接收到連接響應命令，此時ZED將保存ZC的短地址和擴展地址，并且ZED的MLME向上層發送連接確認原語，通告關聯加入成功的信息。自此，ZigBee網絡組網成功。

當組網成功后，ZED將在指定的報告周期時間內，通過zb_SendDataRequest原語向ZC發送狀態數據包。ZC通過RS-232接口將數據包轉發到Android模塊，然后通過Socket或者藍牙將數據包傳遞到用戶終端。

2.2串口通信

Android模塊串口通信主要由下面幾步組成，JNI通過init、upload、download三個HAL層函數接口對串口進行初始化、寫數據和讀數據。寫數據時，通過upload在 HAL層中加上包頭及CRC位，然后在寫線程中寫入串口設備節點。讀數據時，在HAL層中通過讀數據線程從串口設備節點中將數據讀出后進行解析和CRC校驗，如果CRC校驗正常則把解析之后的數據通過JNI層傳給java中進行使用。接收數據和解析數據的時候采用buffer控制，在接收數據時采用的環形buffer，容量為1Kbyte，這樣做的目的是防止接收數據丟失。

2.3用戶與Android模塊通信

2.3.1Socket通信

Android平臺Socket通信由客戶端和服務器兩部分組成，當客戶端啟動時，會向指定IP地址和端口號的服務器發送一個短數據包，服務器接受到數據包后建立起與相應客戶端的Socket連接。當ZigBee協調器通過RS-232將數據包傳輸到客戶端，客戶端會將接收到的數據進行拆包、解析，然后將比特流（二進制）轉換為ASCⅡ碼，重新打包，通過Socket服務器轉發到終端設備中。同理，終端設備也可以通過Socket服務器將數據發送到客戶端，從而將控制信息傳送至ZigBee協調器端。

2.3.2藍牙通信

在Android平臺上，藍牙組網需要設備兩端進行LMP配對。Android平臺提供的藍牙API實現藍牙設備之間的通信，藍牙設備之間的通信主要包括了四個步驟：設置藍牙設備、尋找局域網內可能或者匹配的設備、連接設備和設備之間的數據傳輸。

三、干擾分析

因為基于ZigBee技術的手機智能家居系統需要ZigBee、Wi-Fi網絡或ZigBee、藍牙網絡共存，而他們都工作在2.4GHz頻段之下。所以，必須對不同網絡之間的干擾進行分析，避免它們之間的干擾。藍牙網絡采用了自適應調頻干擾避免策略，當出現干擾時，藍牙設備會自動跳轉到一個非重疊的信道，從而避免干擾發生。而ZigBee和Wi-Fi都采用了固定信道碰撞避免策略，所以，為了避免碰撞發生，選取ZigBee網絡中的第15、20、25、26信道，則可以有效的避免他們之間的干擾發生。

四、實驗過程與實驗結果

本實驗涉及到2種不同的網絡：ZigBee無線傳感網和移動通信網，其中ZigBee網絡中又分為2種不同的設備：協調器和終端。移動通信網主要是通過Android模塊實現。采用Z-Stack協議棧，在實驗室環境下開發了溫度檢測傳感器、適度檢測傳感器與光照檢測傳感器，終端備通過CC2530芯片對應的I/O口獲取相應的數值信息，將數值的每一位轉換為ASCⅡ碼，并通過RS-232接口將數據傳送到Android模塊。

五、結束語

進過測試與實際應用表明基于ZigBee技術的手機智能家居系統能夠實時完成對家庭環境信息的采集任務，并可以通過繼電器對家用電器進行控制，通過紅外傳感器與嗡鳴器形成家庭安防系統，提高生活的舒適度、和安全感，具有一定的實用性。

參考文獻

[1]丁龍剛，基于RFID、Wi-Fi、藍牙、ZigBee的物聯網電磁兼容和干擾協調研究.物聯網技術，2011年6月