基于Zigbee的智能家居無線家庭網絡設計與實現

【摘要】本文設計了一種基于Zigbee無線通信技術的智能家居傳感器網絡系統。介紹了系統的總體設計方案、硬件組成及設計思路、軟件設計思路等。該系統具備低組網成本、低功耗、覆蓋范圍大、組網方便可靠的特點，同時具備同符合標準的產品互聯互通的優勢，在智能家居本地組網技術中，具有良好的通用性和可擴展性。

【關鍵詞】Zigbee；智能家居傳感器網絡

1.系統的總體結構設計

本智能家居系統主要由三部分構成：Zigbee無線家庭內網、嵌入式智能網關和外網。整個家庭無線網絡就是一個由若干個Zigbee終端節點和協調節點組成的無線局域網。根據應用功能不同，Zigbee節點可分為三類：安防節點、控制節點、采集節點。家庭智能網關接收用戶從遠程通過GSM或Internet網絡發來的查詢或控制信息，經過處理將其轉發給Zigbee協調器，協調器根據信息中地址信息把指令信息轉發給Zigbee終端節點，實現對家庭內的電氣設備或傳感器信息的監測和控制。當然，智能家居控制器可根據傳感器采集到的環境信息，對家中的電器和照明裝置進行智能化的控制。通過智能網關的語音識別模塊，用戶也可在本地對電氣設備進行語音開關控制。圖1.1為智能家居系統的架構圖。本文重點對基于Zigbee的無線家庭網絡部分做出深入的研究及設計實現。

2.系統硬件設計

本無線家庭網絡采用星型組網結構，由協調節點和終端節點組成。

2.1 終端節點硬件設計

根據應用和功能的不同，終端節點可分為采集節點、安防節點和控制節點[1]。采集節點主要用來檢測家庭環境數據以及發送RF數據，它不接收協調節點發送的控制命令，但接收查詢命令。例如溫濕度檢測、光照檢測、煙霧檢測等。安防節點主要對家庭中具有安全隱患的數據進行采集，例如紅外線入侵檢測等，該節點不接收協調節點發送的控制/查詢指令，以門限觸發的方式發送報警信息。控制節點主要通過Zigbee網絡實現家電的控制，主要是接收協調節點的控制命令，返回查詢命令的反饋值以及執行控制命令的狀態值。主要包括：窗簾控制、照明燈控制以及萬能遙控器控制等。

系統采用模塊化的結構設計，每個Zigbee終端節點均包括Zigbee模塊和控制接口部分。Zigbee模塊主要負責Zigbee信號的無線收發，實現基于Zigbee網絡與Zigbee協調器的數據通信。不同類型終端節點的Zigbee模塊電路相同，而不同類型終端節點的接口電路卻略有區別。模塊通過引出通用接口，來支持智能終端功能的設計。通用接口主要包括JP1、JP2、JP3、JP4四個通用接口，其中的JP1、JP2口連接CC2430芯片，而JP3、JP4口連接傳感器以及家電設備，因此需要設計JP3、JP4與家電設備之間的信息傳輸硬件電路。

（1）安防節點部分接口電路設計

當有人在防區內走動時，就會造成紅外熱輻射能量的變化。PIR傳感器將感應活動人體與背景物體之間輻射能量變化并轉換其為電信號。由外殼和菲涅耳透鏡、PIR紅外傳感器、專用IC（WT8072）等電路組成熱釋電紅外線感應器。原理圖如下所示：當有人非法入侵時，WT8702的10腳（TRLAC）輸出高電平，此電平信號接到JP3的P0.1腳。電路如圖2.1所示。

（2）控制節點部分接口電路設計

為實現電動窗簾控制功能，系統選擇L6203作為電機的功率驅動芯片，其中的IN1、IN2、ENABLE口與JP3的P0.0、P0.1、P0.4口連接，并選擇B1電機作為控制節點的執行器，執行接收到的控制命令。電路圖如圖2.2所示。

（3）采集節點部分接口電路設計

與控制節點不同的是，傳感器節點不需要添加中間電路，只需要將其I/O口與JP3連接即可，設計中采用SS-168型聯網型煙霧報警器，煙霧傳感器節點電路如圖2.4所示。

2.2 協調節點設計

本設計針對智能家居系統硬件應該具有易開發、低功耗、低成本的特點，協調節點和終端節點均采用CC2430射頻芯片作為Zigbee芯片，CC2430是無線SOC（System On Chip）設計，系統所需的一般電路都已集成在芯片內部，只需簡單外圍電路就能實現信號收發功能[2]。

協調節點是智能家居無線家庭網絡的核心，負責建立和維護網絡，并通過串口向智能網關發送終端節點上傳來的數據信息，同時將控制中心傳達的命令發送到相應的終端節點，具體結構如圖2.5所示。與終端節點的不同之處在于協調節點不包含家電控制模塊和信號采集模塊。協調器節點在硬件平臺上擴展了RS232串口，用于和家庭智能網關相連。

3.系統軟件設計

3.1 Zigbee家庭網絡配置

協調節點和終端節點通信的前提條件就是協調節點在空閑信道建立新的網絡。因此在協調節點中需寫入基于zigbee協議的無線網絡配置程序。協調節點網絡建立和配置過程如圖3.1所示。節點上電后進行系統初始化，協調節點通過掃描空閑信道嘗試建立一個新的網絡。射頻單元從當前頻帶的第一個信道開始檢查該信道是否為空閑信道，若有另一個Zigbee網絡處于該信道，協調節點將收到其反饋數據，并認為此信道已被占用，然后它會切換到下一個信道并重復該過程直到沒有接收到任何反饋數據為止。一旦找到某個信道為空，它開始監聽該信道并建立了網絡。協調節點完成建網后，便開始監聽網絡請求并隨時響應終端節點的入網請求[3]。

當收到終端節點的入網請求信號時，則發送信號來響應該節點的入網請求，同時更新地址鄰接表。

3.2 終端節點入網設計

終端節點在程序下載時，就已經確定其網絡組號以及節點序列號。因此，終端節點上電系統初始化之后，它會根據其網絡組號需找該網絡組所在的信道，一旦確定網絡組所存在的信道后，發送入網請求并等待協調節點的入網響應信號，若在等待時間段內沒有收到協調節點的入網響應信號，該節點將會重復上述入網過程，一直到接收到協調節點的入網響應信號為止。由于協調節點在接收終端節點入網時，會更新地址鄰接表，因此，終端節點發送的入網請求的數據幀應該包含其網絡組號以及序列號[4]。終端節點入網流程如圖3.2所示。

3.3 終端節點軟件流程設計

可以把家庭網絡中的所有終端節點功能分為網絡通信功能和設備操作功能兩部分。協調節點的主要功能是網絡通信和路由，相對于協調節點，終端節點的網絡通信功能更簡單。本系統中，采集節點需定時采集家庭環境數據并發送到協調節點，且同時它要監測網絡中有沒有發給它的查詢信息，并接收處理。采集節點工作流程圖如圖3.3所示。

控制節點需接收控制命令來控制家電設備的工作狀態，它的主要通信功能是RF消息接收功能。要使終端節點能夠完成其功能，就必須在網絡通信功能與設備操作功能之間建立連接，即需要在應用程序和網絡通信功能之間建立接口。在程序中，通過定義相關的應用協議來實現。而安防節點，其設備操作相對簡單，只需定時采集家庭環境中的安防數據即可。控制節點接收到不同的代碼代表對該電氣設備的不同操作，并將這些操作轉換成電氣設備能識別的命令，通過中間電路發送到家電設備。安防節點和控制節點工作流程圖如圖3.4所示。

4.結語

針對當前智能家居系統建設對于用戶側通信的需求，本文提出了基于ZigBee技術的家庭無線內網組網方案，該方案可使智能家居系統獲得可靠的本地通信，對于智能家居系統的建設與發展具有重要意義。

參考文獻

[1]吳卻，廖力清.一種基于Zigbee的智能家居無線傳感器網絡的設計[J].桂林航天工業高等專科學校學報，2010，15 （4）：439-441.

[2]鐘雄林.基于ARM9的無線智能家居控制系統[J].信息科技，2010（9）：231-232.

[3]楊浩杰，韓秀玲.一種智能家居監控系統的設計[J].微型電腦應用，2011，27（2）：49-51.

[4]萬磊，章勇，李劍.基于ZigBee無線傳感器網絡的智能家居設計[J].電子科技，2012，25（2）：116-119.

作者簡介：王麗俠（1982—），河北唐山人，碩士研究生，唐山學院講師，主要從事信息與通信系統研究及教學工作。