基于ZigBee無線傳感網絡的嵌入式智能家居監控系統研究

李超杰

(南京賽寶工業技術研究院,江蘇　南京　211135)

基于ZigBee無線傳感網絡的嵌入式智能家居監控系統研究

李超杰

(南京賽寶工業技術研究院,江蘇南京211135)

[摘要]以ZigBee無線傳感網絡為基礎而設計的嵌入式智能家居監控系統,解決了傳統系統中高功耗、有通信盲區存在的問題,文章從硬件和軟件兩方面分析了ZigBee無線模塊的設計,實現了低成本、擴展性好以及無縫通信的要求。

[關鍵詞]ZigBee；無線傳感網絡；智能家居

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.10.058

如今社會,經濟水平不斷提高,科技發展水平日新月異,人們對家庭居住環境的要求也越來越高,智能家居應運而生。智能家居是一種具有廣泛功能的綜合性技術系統,將自動控制、計算機、傳感、網絡以及嵌入式等多種技術應用在家庭住宅中,集成各種家庭生活相關的應用子系統形成一個數字化的網絡結構,綜合進行科學管理和監控以保持居住環境的安全性、舒適性以及節能性。構架家庭內部網絡以及智能控制,這兩點是智能家居系統中的關鍵部分。家庭內部網又分為無線網絡和有線網絡兩種組網方式。而今國內外對于組建家庭無線網絡方面十分重視,藍牙、紅外線、Wifi以及ZigBee都屬于無線,其中ZigBee應用在智能家居中得到了廣泛的好評,主要是因為它具有功耗極低、安全性良好、成本造價低以及容量大等優勢。

1ZigBee技術概述

ZigBee一詞是從蜜蜂群發現花粉位置時候跳的舞蹈演變而來的,人們用此來代稱一種成本、功耗低并且簡單易懂的近距離無線網絡通信技術。ZigBee技術一般應用在較近的范圍內或者是在傳輸速率較低的電子設備之間使用,因此在傳輸各種家電的無線控制指令方面非常適合。在傳輸的數據類型方面主要有以下幾種：

以傳感器為代表的周期性數據、以鼠標為代表的重復低反應時間數據、以照明控制為代表的間歇性數據。

2家居監控系統中ZigBee無線模塊的硬件設計

在家居監控系統中的ZigBee無線模塊主要分為主、從兩個節點,區分方式可以通過對控制位的設置來實現,主節點和從節點的相同之處在于無線收發部分的硬件設計,差異在于主節點信息交互是與數據處理模塊進行的,而從節點信息交互則是與被測對象之間進行的。圖1(a)(b)為ZigBee節點模塊的硬件結構示意圖,可以看出主要分為兩個部分,一部分是負責無線收發,另一部分是對通信接口進行控制。

圖1(a)　ZigBee無線模塊主節點硬件示意圖

圖1(b)　ZigBee無線模塊從節點的硬件示意圖

節點之間的數據通信是無線收發部分負責的內容：PC機和從節點之間使用串行接口進行連接,從而進行調試或者連接其他相關電器的設備接口,對電器開工進行控制；而主節點中雖然有串行接口的設計,但是它以SPI控制通信接口為主,負責與TMS320F2812主控芯片之間交互傳輸數據。

在進行該模塊硬件設計的時候,首先是選擇合適的芯片。自從ZigBee技術出現,就有眾多無線芯片公司注意到了它并且開始研制相關的產品,而芯片的功能也從最初的單純無線收發發展成為了一個集合體,匯集了微處理器和無線射頻控制器,同時產品體積也縮小了不少,開放應用變得更加便利。本設計中使用的芯片為CC2430,它將微處理器、ZigBee射頻前端以及內存集于一體。并且CC2430芯片的生產工藝決定了它在工作中只會產生小于27mA的電流損耗,對于智能家居來說采集和控制無線數據正需要這種低功耗的特點。

然后是分析該模塊具體的設計原理,CC2430的外圍電路,在工作中使用兩種電壓,內部的工作電壓為+1.8V,而外部數字I/O接口的電壓則為+3.3V,通過電壓轉化一個直流穩壓器誕生了,實現了電壓從+3.3V到+1.8V之間的轉化。對于智能家居系統來說這種供電方式非常科學,只需要一塊+3.3V的紐扣電池就可以為該無線收發模塊提供足夠的電力了。

圖2　CC2430無線模塊原理圖

3智能家居監控系統的軟件設計

星型網、網狀網和樹型網三種網絡拓撲結構ZigBee都是支持的,其中最省電的是星型網,同時因為其結構簡單，所以也是成本最低的,節點設備和協調器之間進行通信,維護和檢修設備的時候會更加便利。本設計底層無線傳感網絡選擇了星型的拓撲結構,用于采集監控系統的數據并進行一些簡單的控制。

3.1智能家居中ZigBee無線傳感網絡的組網

首先將協調器設置為ZigBee主無線模塊,終端器件為剩余的節點模塊,然后協調器網絡層接收協調器應用層發出的原語來建立新的網絡。在開始建網以后協調器網絡層首先會向MAC層發出請求,檢測掃描物理層中的有效信道的能量，從而將可能被占用的信道排除出去,最終掃描結果會返回到網絡層。

在能量檢測掃描的結果發送到網絡層的管理實體中以后,會進一步的處理那些處于能量范圍之內的信道,通過原語的發送網絡層管理實體將主動執行掃描過程,同時將信道內其余的終端節點模塊搜尋出來。同時網絡層管理實體還會對PAN標識符進行檢查從而將建網的最佳信道確定下來,新建網絡的最小編號就是查到的首個信道。如果經過網絡層管理實體查找之后,沒有信道與其他節點模塊通信相符合的話,就會停止新建過程并且將建網失敗的信息發送至協調器應用層。

如果有合適的信道被網絡層管理實體尋找到,那么就會選擇一個PAN標識符給這個新網絡,在選擇之前首先要檢查PANID參數的指定情況,確認沒有沖突的問題,那么該ID就是新網絡的PANID了。一旦PANID選擇完成,接下來需要進行十六位網絡地址的選擇,然后網絡層的管理實體會發送原語給MAC層,將個域網啟動起來并且接收反饋的啟動狀態,圖3為整體的流程圖。

圖3　網絡建立流程

3.2將終端節點添加入智能家居ZigBee無線傳感網絡中

成功建立網絡以后需要在其中進行重點設備或者說是終端節點的添加。首先終端設備的網絡層管理實體將會發送請求,孤點掃描PHY層中每一條有效的通信信道,并且將結果通過原語返回。如果有網絡協調器設備被掃描到了,那么網絡管理層將會向上層報告并且發送連接請求。網絡協調器工作狀態正常則標志著網絡成功建立了,可以再繼續打開更多的終端節點使其加入網絡。

4結論

本文從國內外智能家居方面人們的實際需求出發,結合了其未來的發展前景,提出了一種具體的設計方案。目的在于為人們提供更好的家居生活環境。

參考文獻:

陳智杰,余楚中,等.ZigBee技術在家居智能監控中的應用研究[J].微計算機信息,2011(1):64-66.

[作者簡介]李超杰(1991—),男,漢族,江蘇南京人,碩士研究生,助理工程師。研究方向：軟件測試。