基于ZigBee的智能家居通用節(jié)點設計

董 哲，邵曉琳

（北方工業(yè)大學 電氣與控制工程學院，北京 100144）

0 引 言

ZigBee技術，在消費性電子設備、工業(yè)控制、汽車及智能交通、農業(yè)自動化、醫(yī)療輔助控制等方面具有廣闊的應用前景。TI的CC2530芯片具備了實現Zig－Bee技術的各種底層硬件需求，是真正的一體化解決方案，完全符合ZigBee技術對節(jié)點“體積小”的要求。TI提供的ZStack協(xié)議棧，使ZigBee節(jié)點的軟件開發(fā)轉為應用程序的開發(fā)，盡可能地減輕了軟件開發(fā)的工作量。

從系統(tǒng)的角度來看，智能化的家居體驗必然要求節(jié)點之間的互通互聯(lián)，一個典型的ZigBee智能家居系統(tǒng)中節(jié)點繁多，功能各異，如果每個節(jié)點單獨開發(fā)，則對系統(tǒng)的開發(fā)維護帶來諸多不便，對此本文創(chuàng)新性地給出了智能家居系統(tǒng)中通用節(jié)點的軟硬件設計方案，該方案降低了系統(tǒng)的開發(fā)和維護難度，并具有一定的通用性和可擴展性。

智能家居設備可分為三類，一類是傳感器節(jié)點，通過不同功能的傳感器檢測家居中的各種狀態(tài)，如溫濕度、光照度等，該類節(jié)點由傳感變送單元、主控單元、通信單元組成。第二類是執(zhí)行器節(jié)點，通過繼電器、紅外遙控等方式實現對家電的控制，該類節(jié)點由執(zhí)行單元、主控單元、通信單元組成。第三類是網關控制器，實現網絡的建立與維護、數據轉發(fā)、節(jié)點控制等功能，該類節(jié)點由主控單元、通信單元組成。本文設計的通用型節(jié)點實現了主控單元、通信單元的基本功能，在通用單元的基礎上只需擴展傳感器、執(zhí)行器等即可實現智能家居中各專用設備硬件。同時本文開發(fā)了基于Z－stack的智能家居通用軟件，分為協(xié)調器和終端兩個版本，前者適用于網關控制器類設備，后者適用于傳感器、執(zhí)行器類設備，智能家居中所需的各種專用設備無需進行單獨的軟件開發(fā)，只需定義設備類型即可實現。

1 總體設計方案

1.1 ZigBee智能家居系統(tǒng)方案

如圖1所示，智能家居系統(tǒng)中的ZigBee網絡主要由ZigBee協(xié)調器和ZigBee終端設備組成。ZigBee協(xié)調器負責建立和維護ZigBee網絡，可通過串口連接上位機或家庭網關來實現對家居系統(tǒng)的監(jiān)測和控制；相同的ZigBee終端設備通過連接不同的傳感器和家居設備而構成不同的應用節(jié)點。

圖1 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)功能描述

如圖2所示，深色陰影部分為系統(tǒng)輸入，淺色陰影部分為系統(tǒng)輸出，ZigBee協(xié)調器為系統(tǒng)的控制中心，將綜合傳感器采集的環(huán)境信息以及串口接收的控制信息用來控制每個家居設備的運行，同時將環(huán)境信息，以及家居設備運行狀態(tài)發(fā)送到串口以供控制終端顯示。本系統(tǒng)具有自動控制、直接控制、連鎖控制、場景控制四種相互耦合的控制功能，此外系統(tǒng)還具有動作反饋的功能，不論設備以何種方式被控制，其動作變化都會在控制終端得到體現。

圖2 系統(tǒng)功能模型

（1）自動控制

協(xié)調器根據傳感設備采集的數據自動對某些家居設備進行控制，如當室外光照度較低時關閉窗簾。

（2）直接控制

用戶可根據自己的需要，直接在控制終端操作某一設備，如打開客廳的電視。

（3）連鎖控制

當用戶的某一項活動需要控制多個設備時，可實現只控制一個設備來實現連鎖控制，如當用戶打開燃氣開關后油煙機自動打開。

（4）模式控制

用戶可以在控制終端選擇不同的模式，家居設備的不同子集會在特定的模式中有不同的響應方式。如當設置睡眠模式時，一些安防功能會自動啟用，照明系統(tǒng)會自動切換至弱光檔以減少對眼睛的刺激。

2 通用節(jié)點應用層軟件設計

2.1 無線數據收發(fā)與應用層網絡建立

每個ZigBee設備有一個全球唯一的64位IEEE長地址，但在ZigBee網絡中通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，也稱作網絡地址。對于協(xié)調器來說，短地址為0000H，對于路由節(jié)點和終端節(jié)點來說，短地址是它們在加入到網絡中時由協(xié)調器動態(tài)分配的，與網絡深度、最大路由數、最大節(jié)點數等參數的設置有關，還與節(jié)點入網順序有關，直接通信關鍵點在于目標節(jié)點網絡短地址的獲得。

ZStack協(xié)議棧中定義的應用層無線數據發(fā)送函數為AF＿DataRequest，函數原型如下：

其中dstAddr為地址類型結構體變量，包含目標節(jié)點地址類型和網絡地址等參數；cID為命令號，在ZStack協(xié)議棧里主要用來區(qū)別不同命令以控制不同的操作；len為發(fā)送數據的長度；＊buf為指向發(fā)送數據緩沖區(qū)的指針。

ZigBee設備收到無線數據后，會在應用層觸發(fā)AF＿INCOMING＿MSG＿CMD事件，可在結構體afIncomingMSGPacket＿t中解析出所接收的數據及其源地址、命令號等相關的參數。

智能家居系統(tǒng)中的ZigBee網絡是以應用為中心的網絡，用戶只關注各個ZigBee終端的應用功能，而不關心每個節(jié)點的網絡地址，因此需要在終端的功能和它的網絡地址之間建立映射關系，系統(tǒng)才能正確地通信。

用撥碼開關為每個終端分配一個唯一的ID以區(qū)分其功能，以8位撥碼開關為例，如表1所示，4位區(qū)分區(qū)域，4位區(qū)分應用，這樣每個無線應用都有一個區(qū)域號和應用號組成的1個字節(jié)的ID號，系統(tǒng)最多可容納256個獨立的應用，足夠覆蓋家居生活的方方面面。

表1 終端應用ID

協(xié)調器建立網絡成功后，終端節(jié)點會自動加入網絡，終端入網成功后會在應用層觸發(fā)ZDO＿STATE＿CHANGE事件，因此可以利用此事件來實現應用層網絡的建立。首先終端在應用層任務初始化時讀取撥碼開關狀態(tài)，得到其ID號fID，當終端的ZDO＿STATE＿CHANGE事件被觸發(fā)，即終端成功加入網絡時，將自己的ID號fID發(fā)送給協(xié)調器作為應用層入網請求。協(xié)調器端定義一個記錄終端節(jié)點網絡地址的數組uint16 Saddr［256］，當協(xié)調器收到終端應用層入網請求后將無線數據的源地址賦給數組Saddr以fID為下標的元素：

這樣就在協(xié)調器端建立了與節(jié)點應用功能對應的網絡地址映射表，當需要控制某個設備時將Saddr中以被控設備為ID號fID為下標的元素賦值給協(xié)調器的目標地址：

就可以將數據或命令發(fā)送到對應的設備。

2.2 網絡通信與系統(tǒng)控制

（1）網絡通信

如圖3所示，系統(tǒng)的網絡通信主要由灰色矩形框內的7種情況發(fā)起，下面將分類對各種數據幀進行定義和解釋。

圖3 系統(tǒng)網絡通信示意圖

a.串口通信幀結構

協(xié)調器串口通信幀由起始碼、功能碼、數據碼三部分構成，其中起始碼1字節(jié)，值為0xFF，表示幀頭；功能碼1字節(jié)，由0x00遞增，表示此幀的功能，數據碼長度和內容由功能碼決定。

如表2，協(xié)調器的串口接收3種類型的幀，開機請求幀用于上位機程序打開時獲取當前系統(tǒng)的信息；場景設置幀用于設置模式，如進入睡眠模式，退出睡眠模式；節(jié)點控制幀用于直接控制，如用戶打開客廳的電視機。

表2 協(xié)調器串口接收數據幀

如表3，協(xié)調器的串口發(fā)送3種類型的幀，數據回復幀用于回復上位機的開機請求幀；設備入網幀用于告知上位機新加入ZigBee網絡的家居設備；設備數據幀用于向上位機反饋每個設備的參數和狀態(tài)信息，如溫度傳感器采集的溫度值，電視機的開關狀態(tài)。

表3 協(xié)調器串口發(fā)送數據幀

b.無線通信幀結構

無線通信幀是指協(xié)調器和終端節(jié)點通信的無線數據幀，在此用協(xié)議棧中無線數據收發(fā)的一個參數cID（命令號）來區(qū)分幀的功能和類型，用無線收發(fā)的數據緩沖區(qū)buf來存放數據，數據長度及內容由命令號cID決定。

如表4，以cID的高字節(jié)作為功能碼來區(qū)分無線數據幀的類型，低字節(jié)存放節(jié)點fID來識別應用。協(xié)調器接收2種類型的幀，入網幀為終端節(jié)點的應用層入網請求；參數幀為終端節(jié)點的參數和狀態(tài)信息。

表4 協(xié)調器無線接收數據幀

如表5，協(xié)調器發(fā)送5種類型的幀，以cID高字節(jié)的高4位表示幀類型，入網回復幀用來回復新入網的節(jié)點系統(tǒng)當前的模式；節(jié)點控制幀用于控制節(jié)點的行為動作；模式設置幀和連鎖控制幀用來進行模式設置和連鎖控制，并對cID的低12位進行如下的定義，高字節(jié)的低4位為控制方向（1為進入，0為退出），低字節(jié)為控制號，表示當前控制類型下的控制號。如0x0105為進入第5種模式，0x0005為退出第5種模式；0x1103為進入第一種連鎖，0x1003為退出第3種連鎖。

表5 協(xié)調器無線發(fā)送數據幀

（2）系統(tǒng)控制

在協(xié)調器和終端都定義一個函數指針數組

task00至taskFF為表1中每個對應設備的應用處理函數，在協(xié)調器端表現為接收到對應設備數據后的相關處理。

將終端設備分為控制型設備和輸入型設備，對于控制型終端設備M，其功能執(zhí)行函數taskM為收到協(xié)調器的控制信息后的操作。以16種模式為例，在終端節(jié)點程序中定義uint16的全局變量fmode（每一位表示一種模式，1表示模式被設置，0表示模式被清除），當終端節(jié)點收到協(xié)調器發(fā)來的無線數據時，如果是模式設置幀則按照控制方向和控制號更新fmode中相應的模式位，然后調用process＿task［fID］（（pkt－＞clustered）＞＞12，（pkt－＞clustered）＆0x00FF）來進行相應的操作。

在taskM中定義一個uint16的常量modeM，每一位表示一種模式，modeM含義為當此變量中為1的位所對應的模式至少有一種被設置時此設備打開，否則此設備關閉。當收到模式設置幀時，進行判斷if（modeM＆fmode），成立時打開設備，否則關閉設備，連鎖控制用相同的方法實現；如果是入網回復幀，則記錄下系統(tǒng)當前的模式值fmode；如果是節(jié)點控制幀則直接調用process＿task［fID］（（pkt－＞clustered）＞＞12，（pkt－＞clustered）＆0x0FFF）進行相應的控制。

輸入型設備N又可分為開關量輸入和數據輸入。以煙霧傳感器為例，其輸入到終端的信號為高或低電平表示是否有火警信號，此類輸入為開關量輸入，用外部中斷來讀取，在協(xié)議棧的中斷處理函數HAL＿ISR＿FUNCTION中利用osal＿set＿event（）函數來觸發(fā)應用層的事件。以溫濕度傳感器為例，其輸入到終端的信號為溫濕度數據，需要控制器定期讀取傳感參數，此類輸入為數據輸入，用定時器中斷來讀取，在協(xié)議棧中利用osal＿start＿timerEx（）；當外部中斷產生或定時時間到都會在應用層觸發(fā)相應的自定義事件。所以在應用層的任務處理函數中去查詢事件進行響應：

為避免和控制型設備M的控制類型（0～3）重合而導致的程序混亂，輸入型設備N的功能執(zhí)行函數taskN中的控制類型由4開始遞增。

3 實驗結果

用通用節(jié)點連接不同的傳感器和控制設備搭建的智能家居演示系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)配套的Android APP通過連接網關可實現監(jiān)控ZigBee智能家居網絡的功能，Android APP界面如圖5所示。

圖4 智能家居演示系統(tǒng)實物圖

圖5 智能家居系統(tǒng)Android APP監(jiān)控界面

4 結束語

本文介紹的基于ZigBee的智能家居通用節(jié)點的設計方案降低了智能家居系統(tǒng)開發(fā)和維護成本，滿足了智能化的家居系統(tǒng)控制要求，可以快速地實現設計方案到可執(zhí)行代碼的轉化。同時該方法具有一定的通用性，也適用于基于ZigBee的智能大棚監(jiān)管系統(tǒng)等類似系統(tǒng)的開發(fā)。

［1］ 高守緯，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程：基于CC2430／31的無線傳感器網絡解決方案［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［2］ 王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.

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