基于ZigBee無線技術的智能家居系統設計

姚國風+莊斌++趙大明++霍曉蕊

摘 要： 通過比較各種短距離無線通信技術，選取ZigBee無線傳輸技術作為智能家居系統無線傳輸設計。介紹了ZigBee的網絡結構和ZigBee芯片選型，并分析基于CC2530的組網流程。結合系統設計，給出了終端節點RF無線收發核心模塊、模擬開關量多路復用及串口轉USB通信模塊、溫度傳感器采集模塊的硬件電路設計，并簡述了節點傳輸及數據采集、網絡協調器與節點協同工作的流程設計。最終，在不加PA（功放）增益的情況下，測得ZigBee無線傳輸模塊有效傳輸距離為90 m，能滿足組建智能家居個人無線網的需求。

關鍵詞： 智能家居系統； ZigBee無線傳輸技術； 組網流程； 流程設計

中圖分類號： TN915?34； TN98 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0081?04

0 引 言

如今，各種短距離無線通信技術應用廣泛。由各種短距離無線通信技術的數據[1]對比可知，ZigBee在自動組網（Mesh多跳網絡）、功耗以及成本等方面均比其他的無線通信技術在智能家居中更有優勢，惟一能競爭的是Bluetooth，但智能家居設備工作模式大多處于睡眠模式，無需實時傳輸或連續更新。ZigBee通信技術具有低功耗、低成本、組網簡單等特點，且作為惟一的無線傳感器網絡技術的國際標準，是最適合大規模傳感器組網的短距離無線通信技術，適合組建家庭個人無線區域網。

1 基于ZigBee網絡的智能家居系統結構

智能家居系統以家庭為單位進行設計，每個單位均擁有一個獨立的協調器、多個ZigBee節點模塊。在協調器和每個子節點上均接有一個ZigBee無線通信接收模塊，數據通過這些模塊在協調器和子節點之間進行傳送，網絡拓撲如圖1所示。

圖1中，協調器是建立并維護無線網絡，識別網絡中的設備；路由器完成數據包的轉發；終端設備負責數據的采集與傳輸。

2 系統設計方案及ZigBee芯片選型

本系統選用星型網絡，由協調器和若干個終端組成。網絡組成如圖2所示。協調器是網絡的核心，由其建立和監督網絡的正常運行。

2.1 ZigBee芯片選型

本設計采用TI公司的MCU+射頻芯片CC2530為核心設計傳感器節點，之所以選用該芯片的原因如下[2?4]：

（1） 集成單片機C8051、模數轉換器ADC、無線通信模塊ZigBee于一體，提高了單片機與無線通信模塊通信時的可靠性，同時也減小了體積。

（2） 支持最新的ZigBee 2007/PRO協議，通信距離更遠，組網性能更可靠。

（3） 具有CC2530開發套件、CC2530ZigBee開發套件、用于RF4CE的CC2530RemoTI?開發套件、SmartRF?軟件、數據包嗅探器、可用的IAR嵌入式工作臺。

2.2 基于CC2530 的ZigBee芯片組網流程

一個具有網絡協調器功能的設備開始組網，網絡層將會請求MAC層對規定的CH信道或PHY物理層進行檢測，確定了通信的信道后便開始確定PANID（Personal Area Network ID，個人網絡標示符）。一個網絡只有一個PANID，由相同PANID的設備組成一個網絡。16位的PAN短地址（ZigBee芯片的IEEE地址）是設備加入網絡中分配的，網絡中不同設備的通信一般是由16位短地址來區分的，當然不同網絡的16位短地址是可以相同的。如圖3所示為ZigBee組網流程圖[5?7]。

3 系統軟硬件設計

3.1 終端節點無線傳輸及數據采集電路

硬件部分主要包含RF無線收發模塊、串口擴展及串口轉USB通信模塊、溫度傳感器數據采集模塊等。除了溫度傳感器電路外，其實還可以在ADC接口允許或串口擴展的情況下，按實際的需求添加其他傳感器功能模塊。

3.1.1 RF無線收發模塊設計

在節點硬件設計中，主要有3個部分：通過模數轉換器ADC采集傳感器模塊的數據；完成ZigBee無線模塊的數據收發；通過串口進行相應的主機控制。ZigBee無線模塊CC2530的硬件電路原理圖，如圖4所示。

CC2530其典型的外圍電路簡潔，時鐘采用32 MHz以及32.768 kHz無源晶振。電路的阻抗匹配網絡較為簡單，天線端接50 Ω鞭狀負極性天線。電路中可加入LED狀態指示燈，用于指示設備入網、退網等狀態。

3.1.2 模擬開關量多路復用及串口轉USB通信硬件設計

根據控制腳A，B的邏輯電平，從輸入信號IN1～IN4中選擇。運算放大器U1構成的電壓跟隨器的輸入阻抗較高，有效地降低了模擬開關通態電阻的影響。確定控制邏輯電平AB情況下，輸入輸出信號關系如表1所示。

表1 控制邏輯電平AB選定時，輸入輸出信號關系表

串口轉USB通信模塊為系統測試提供了便利。模擬開關量多路復用電路為用戶提供了豐富的模擬量接口擴展，可簡便地增加各種模擬量檢測，例如溫度檢測、紅外檢測以及濕度檢測等。串口轉USB通信電路如圖5所示。模擬開關量多路復用電路如圖6所示。

3.1.3 溫度傳感器數據采集硬件設計

溫度傳感器選擇TI數字溫度傳感器TMP75芯片，TMP75兩線串行接口引腳SCL，SDA與I2C總線接口兼容，降低了設計難度。當溫度的檢測值超過設定的極限時，引腳ALERT輸出告警電平，上述3個引腳在實際連接中需要連接上拉電阻10 kΩ。A0，A1，A2全部接低電平，這樣TMP75器件的寫地址為0x90，讀地址為0x91，TMP75的設計原理圖如圖7所示。

3.2 終端節點無線傳輸及數據采集的軟件流程設計

終端節點無線傳輸及數據采集的軟件流程圖，如圖8所示。

設備初始化后，傳感器會依據協議搜尋并請求加入 網絡。得到確定后，傳感器會將本節點地址發送給協調器并自動建立綁定。在接收到數據傳送指令后，傳感器將采集值按時傳給協調器。

3.3 ZigBee網絡協調器與節點協調工作流程設計

在智能家居控制系統中，家居內網采用的是星狀網絡。當通過串口與PC機相連的網絡協調器開始組網，隨著終端設備的加入，開始進行數據的采集與傳輸。協調器和節點協調工作流程，如圖9和圖10所示[8?10]。

協調器和節點協同工作：

（1） 首先協調器開始組網，按照指定的信道和PAN_ID建立網絡；然后各個終端設備加入這一網絡，由此一個星狀網絡便可建立完成；

（2） 終端節點每隔一個周期向協調器發送地址信息和網絡信息，協調器接收到終端節點的信息后，將這些信息解析傳送給PC軟件，根據這些信息顯示當前網絡的拓撲結構圖。

4 系統硬件測試

系統使用IAR 8051 7.50版本應用程序的開發工具，ZigBee協議棧版本為TI_ZStack?1.4.3?1.2.1，對應標準的支持ZigBee 2006 pro及ZigBee 2007。在該測試試驗中，根據RF芯片CC2530外圍硬件的特點會有一些配置上的調整。主要關注的寄存器包括如下：

通過可編程寄存器FREQCTRL[6：0]的低7位來設置載波頻率，載波頻率fC表達式為（單位為MHz）：

fC=2 394+FREQCTRL[6：0]

IEEE 802.15.4?2006 指定2.4 GHz 頻段劃分為16個信道，步長值為5 MHz ，編號11～26，fC=（2 405+5（k-11）） MHz，k范圍為11～26，利用兩者相等可得出寄存器FREQCTRL.FREQ的值與信道之間的關系為：

FREQCTRL.FREQ = 11+5（k-11）

無線信號傳輸范圍（距離）的大小與發射功率、信道環境有關，適當增大發射功率可增大傳送范圍，但也是有限制的。另外增大發射功率也增大了電流，同時也會增加電路功耗。CC2530用TXPOWER寄存器控制輸出功率，通過改變TXPOWER寄存器的值，便可改變CC2530的發射功率。

5 結 語

因為智能家居系統是一種低數據率網絡，所以應用ZigBee網絡有較大優勢。其優勢主要體現在低功耗、低成本、高可靠性、網絡容量大。從本系統設計中可看到，基于CC2530芯片的ZigBee系統軟、硬件設計，可以根據其他控制的需求，簡便地加入其他無線傳感器模塊，具有較強的延伸性和可移植性。

參考文獻

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