基于ZigBee的家庭智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著Internet的普及與發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為家庭現(xiàn)代化的潮流。家庭網(wǎng)絡(luò)，主要包括有線和無線兩種實(shí)現(xiàn)方式。由于有線網(wǎng)絡(luò)固有的缺點(diǎn)，布線麻煩，可擴(kuò)展性差等，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。無線網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)發(fā)展在邏輯上可分為面向語音的市場(chǎng)和面向數(shù)據(jù)的市場(chǎng)兩類。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無線網(wǎng)絡(luò)中，小型、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802．15．4規(guī)定。ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、高速率PAN(個(gè)人局域網(wǎng))或者IEEE 802．11x無線局域網(wǎng)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

1 ZigBee簡(jiǎn)介
    2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成；IEEE802．1 5．4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)于2003年5月獲得批準(zhǔn)；2006年，推出ZigBee 2006，比較完善；2007年底，ZigBee PRO推出。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802．15．4。物理層和MAC層直接引用了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。而ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場(chǎng)推廣等。IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2．4 GHz物理層和868／915 MHz物理層。這兩個(gè)物理層都基于DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。ZigBee在2．4 GHz頻段有16個(gè)信道，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，采用0-QPSK調(diào)制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國(guó)的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2．4 GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。

2 家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇
    ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀型、樹型。本文智能家居系統(tǒng)的實(shí)際情況如下：1)傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過電源供電，所以應(yīng)該盡量減少傳感器節(jié)點(diǎn)的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)用電；2)智能家居中接入的主要是傳感器和開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪肀ＷC數(shù)據(jù)通信；3)智能家居控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)不需要很大的覆蓋范圍，根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的說明，空曠環(huán)境
最大傳輸距離100 m，在室內(nèi)環(huán)境一般也能達(dá)到30多米的覆蓋距離，這對(duì)大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)來說足夠。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且成本低廉、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、連接容易、容易擴(kuò)充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設(shè)計(jì)選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集和控制電路組成，如圖1所示。其中，單片機(jī)選用低功耗的ATMEGA128L，無線模塊選用CC2-420型射頻收發(fā)器，兩者通過SPI接口連接。ATMEGAl28L是高端8位微處理器，具有高性能，低功耗等特點(diǎn)，可提供128 K字節(jié)的可編程FLASH，4 K字節(jié)的SRAM，具有簡(jiǎn)化高效的RISC指令體系。

    CC2420是符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件是適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipeon公司的Smalt RF 03技術(shù)，以0．18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。
    CC2420只需要極少的外圍元件，外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420通過4線SPI總線(SI、S0、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)，讀／寫狀態(tài)寄存器等功能。通過控制FIF0和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內(nèi)有33個(gè)16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器，在每個(gè)寄存器的讀／寫周期中，SI總線上共有24比特?cái)?shù)據(jù)，分別為：1比特RAM／寄存器選擇位(0：寄存器，1：RAM)，1比特讀／寫控制位(0：寫，1：讀)，6比特地址選擇位、16比特?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。圖2為RF狀態(tài)控制圖。另外，通過CCA引腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過SFD引腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)引腳相連來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

    CC2420與單片機(jī)的連接如圖3所示，數(shù)字為ATMEGAl28對(duì)應(yīng)引腳。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過繼電器控制電氣設(shè)備的開關(guān)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過繼電器控制電氣設(shè)備的開關(guān)。系統(tǒng)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)為星型網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)連接短信模塊，直接與用戶通信，向其他節(jié)點(diǎn)傳遞用戶命令同時(shí)向用戶發(fā)送節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、報(bào)警等信息。短信模塊選用西門子的TC35i，西門子公司的TC35i模塊是一個(gè)支持中英文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊。
    基于GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息技術(shù)與處理器之間的接口實(shí)際上是通過一系列AT命令實(shí)現(xiàn)的。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時(shí)，能夠通過串口發(fā)送指示信息到單片機(jī)進(jìn)而用戶可以查詢控制電器狀態(tài)。短消息的文本模式與PDU模式目前，發(fā)送短消息常用的為text模式和PDU模式。使用text模式收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但最大缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。
    PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7 bit、8 bit和UCS2編碼。7 bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8 bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。一般的PDU編碼由十三項(xiàng)組成，它包括：短信息中心地址長(zhǎng)度；短信息中心號(hào)碼類型；短信息中心號(hào)碼；文件頭字節(jié)；信息類型；被叫號(hào)碼長(zhǎng)度；被叫號(hào)碼類型；被叫號(hào)碼；協(xié)議標(biāo)識(shí)；數(shù)據(jù)編碼方案；有效期；用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；用戶數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)為星型網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)連接短信模塊，直接與用戶通信，向其他節(jié)點(diǎn)傳遞用戶命令同時(shí)向用戶發(fā)送節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、報(bào)警等信息。其他節(jié)點(diǎn)除了短信模塊和任務(wù)，與主節(jié)點(diǎn)流程基本相同。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的固定地址，相互之間不會(huì)形成干擾。圖5為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序流程。

    用VB設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，用戶可通過PC進(jìn)入控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電器的控制并能直接觀察需要的環(huán)境參數(shù)。圖6為上位機(jī)界面。

5 結(jié)束語
    通過測(cè)試，節(jié)點(diǎn)室外空曠地通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)200 m，室內(nèi)40 m，節(jié)點(diǎn)功耗低，由兩節(jié)干電池供電，可使用3～6個(gè)月。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗、近距離和低速率無線通信市場(chǎng)的空白，該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線家庭控制網(wǎng)絡(luò)，無需對(duì)室內(nèi)電線作任何改動(dòng)，也無需另外布線，僅通過增加分機(jī)就可增加控制的容量，擴(kuò)展方便、易行。