智能家居系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中。提出了一種以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體構(gòu)成，以CC2430無(wú)線芯片為棱心，選取了合適的ZigBee模塊進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)。研究并分析了ZigBee技術(shù)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了串口收發(fā)程序，傳感器程序，以及節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信程序，并根據(jù)ZigBee協(xié)議，使節(jié)點(diǎn)組成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，有著廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：智能家居；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2430

    隨著時(shí)代的發(fā)展，人們將更多的注意力放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上，從而出現(xiàn)了智能家居的概念。智能家居控制系統(tǒng)使人們可以對(duì)家居內(nèi)的任意電器進(jìn)行數(shù)字化控制，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，進(jìn)行集中管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。本文以ZigBee技術(shù)對(duì)智能家居內(nèi)部進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)各種傳感器信息的采集、傳輸和控制功能。

1 Zigbee技術(shù)
    ZigBee技術(shù)是一種強(qiáng)調(diào)極低耗電、極低成本的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遵循IEEE802．15.4標(biāo)準(zhǔn)。它專注于低速率傳輸控制，網(wǎng)絡(luò)容量大，時(shí)延短，提供數(shù)據(jù)完整性檢查，加密算法采用AES-128，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充性強(qiáng)，有效覆蓋范圍為10～75 m，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭環(huán)境，通信頻率采用2．4 GHz免執(zhí)照頻段。
    ZigBee是一組基于IEEE802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4僅定義了MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟則對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由傳感器、CC2430無(wú)線模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)的管理。終端節(jié)點(diǎn)(傳感器節(jié)點(diǎn))上電復(fù)位后，會(huì)搜索協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)能夠搜索到協(xié)調(diào)器時(shí)，直接申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)搜索不到協(xié)調(diào)器時(shí)，這時(shí)就會(huì)通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)找到協(xié)調(diào)器來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)。
    加入網(wǎng)絡(luò)后保持待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，按照組網(wǎng)時(shí)的路徑來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與PC機(jī)相連，利用超級(jí)終端實(shí)現(xiàn)發(fā)送命令或者顯示數(shù)據(jù)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由協(xié)調(diào)器模塊，路由器模塊，傳感器模塊，串口轉(zhuǎn)換模塊，供電模塊以及PC機(jī)等組成。其中協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器3個(gè)模塊作為主要的無(wú)線通信模塊，由主控芯片CC2430作為數(shù)據(jù)處理以及無(wú)線收發(fā)器。其系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3．1 主控芯片
    選用CC2430芯片作為無(wú)線收發(fā)器和數(shù)據(jù)處理及控制器。CC2430在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它采用增強(qiáng)型8051MCU、32／64／128 kB閃存、8 kBSRAM等高性能模塊，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器。32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I／O引腳。
3．2 無(wú)線模塊設(shè)計(jì)
    1)協(xié)調(diào)器模塊
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、LCD模塊、LED指示燈、時(shí)鐘、處理器CC2430、天線等部分組成。CC2430的工作電壓為3～3．3 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換模塊把電壓從5 V降低到3．3 V左右；LED指示燈用來(lái)顯示協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息(如是否組網(wǎng)成功)；LCD模塊是用戶和傳感器網(wǎng)絡(luò)的交互界面，用來(lái)顯示功最長(zhǎng)能菜單，用戶通過(guò)按鍵來(lái)選擇功能菜單。其電路圖如圖3所示。

    2)傳感器模塊與路由器模塊
    傳感器模塊亦即是終端節(jié)點(diǎn)模塊，由傳感器、處理器CC2430、天線、LED指示燈、時(shí)鐘等部分組成。LED指示燈由P1．0、P1．1口控制。傳感器模塊就是在協(xié)調(diào)器模塊的基礎(chǔ)上去掉了LCD，而加入了傳感器。傳感器選用了DHT11溫濕度傳感器，與P0．0口相連，來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。路由器模塊與傳感器模塊的硬件電路相同，只是在編程實(shí)現(xiàn)功能上有所不同。

4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有那些可以成為ZigBee協(xié)調(diào)器的設(shè)備才能建立新網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器首先執(zhí)行信道掃描，如果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)合適的信道，協(xié)調(diào)器就要為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN ID，然后協(xié)調(diào)器進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，隨時(shí)響應(yīng)其他節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種設(shè)備類型：全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)和半功能節(jié)點(diǎn)(RFD)。RFD為終端節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)FD可以作為協(xié)調(diào)器或路由。軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序以及路由器、終端節(jié)點(diǎn)程序。它們均包括初始化程序、協(xié)議棧配置、組網(wǎng)方式配置程序、各處理層設(shè)置程序以及發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對(duì)CC2430、協(xié)議棧、UART串口等進(jìn)行初始化；發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)通過(guò)CC2430調(diào)制并通過(guò)DMA直接送至射頻輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收、遠(yuǎn)傳及返回信息處理。主程序流程如圖4所示。

    主程序主要分為2部分，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序以及路由器、終端節(jié)點(diǎn)程序。
    對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主程序，首先初始化CC2430，然后初始化協(xié)議棧。之后程序建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)和頻道號(hào)。之后程序開(kāi)始進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)。如果有新的設(shè)備請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，則為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，批準(zhǔn)其加入網(wǎng)絡(luò)。同樣，協(xié)調(diào)器接收終端設(shè)備無(wú)線發(fā)送來(lái)的信息，并通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，或者從上位機(jī)得到命令，發(fā)送過(guò)終端設(shè)備。
    對(duì)于路由器、終端節(jié)點(diǎn)程序，首先初始化CC2430，然后初始化協(xié)議棧。之后程序開(kāi)始搜索網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)附近存在網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。之后程序進(jìn)入待機(jī)休眠狀態(tài)。如果終端傳感器有信息要發(fā)送，或者接收到協(xié)調(diào)器的命令，則喚醒設(shè)備，進(jìn)行無(wú)線發(fā)送或接受。當(dāng)事件處理完時(shí)，重新進(jìn)入待機(jī)休眠狀態(tài)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個(gè)方面：建立樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；查詢網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)信息和傳感器數(shù)據(jù)，如電池電量、節(jié)點(diǎn)溫度信息等；控制節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)功能。
    本系統(tǒng)使用了4個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這樣能夠組成一個(gè)基本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。并且根據(jù)情況做了多種組網(wǎng)測(cè)試：
    1)1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)；
    2)1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，1個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)；
    3)1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，2個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。
    在2)和3)情況下，根據(jù)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間距離、各節(jié)點(diǎn)彼此之間距離的不同，又會(huì)產(chǎn)生多種組網(wǎng)方式。例如2)情況下，終端節(jié)點(diǎn)離協(xié)調(diào)器近的話，會(huì)直接與協(xié)調(diào)器連接；而當(dāng)搜索不到協(xié)調(diào)器時(shí)，就會(huì)通過(guò)路由器來(lái)連接。圖5為3)情況下的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
    圖5所示為C51RF-WSN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件所截圖，通過(guò)此軟件，可以實(shí)時(shí)查看網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并能向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令信息，例如查看網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，查看信號(hào)質(zhì)量，電池電量，采集數(shù)據(jù)信息等。

    智能家居系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)可以包括許多內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)一些子系統(tǒng)。例如：照明系統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)，家電控制系統(tǒng)等。在我們?cè)O(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制燈開(kāi)關(guān)照明；利用DHT11溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度監(jiān)測(cè)，其信息能夠在PC機(jī)上很好的顯示出來(lái)。
    圖6所示為傳感器所測(cè)2個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)與1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度信息。

6 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)我國(guó)智能家居快速發(fā)展的背景，本文對(duì)基于ZigBee技術(shù)的智能家居組網(wǎng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以CC2430無(wú)線射頻芯片為核心，節(jié)省了成本，并且終端節(jié)點(diǎn)小巧，放置靈活，功耗極低，提高了監(jiān)控能力，再加上采用樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得通信更加可靠，易于控制，非常方便實(shí)用，并且成本低廉。因此，ZigBee技術(shù)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。