基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居設(shè)計

摘要 根據(jù)智能家居的特點和需求，選用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)以其低功耗，優(yōu)秀組網(wǎng)能力等特點，在家用系統(tǒng)控制、樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用。介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點和應(yīng)用前景，描述了ZigBee協(xié)議，對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)做了分析，對于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和節(jié)點的加入等進行了具體的分析和研究，說明了系統(tǒng)能夠?qū)揖迎h(huán)境進行良好的監(jiān)控。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee協(xié)議；智能家居

    現(xiàn)代家庭已經(jīng)從追求家居的豪華裝飾轉(zhuǎn)向家居智能化，享受智能化帶來的多元化信息，以及安全、舒適、便利的生活方式。網(wǎng)絡(luò)通信、計算機、電子和智能傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，為智能化家居的發(fā)展提供了機遇?，F(xiàn)有傳統(tǒng)無線技術(shù)通常是耗電高，且占用過多的計算和通信資源，大大增加了成本。而ZigBee技術(shù)具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗、高安全性等優(yōu)點，能夠滿足智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。

1 ZigBee技術(shù)
1．1 ZigBee協(xié)議
    ZigBee標準是基于IEEE802．15．4的標準，ZigBee協(xié)議堆棧分為兩部分，IEEE802．15．4處理低級MAC層和物理層協(xié)議；應(yīng)用層的標準規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟制定，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層和API進行了標準化。ZigBee節(jié)省的大部分能量歸功于專為低功率設(shè)計的IEEE802．15．4協(xié)議。
1．2 各層協(xié)議的功能
    ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示，各層之間通過服務(wù)接入點(SAP)實現(xiàn)層與層之間的數(shù)據(jù)通信和協(xié)議棧管理。層與層之間有2個服務(wù)接入點，一個提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，另一個實現(xiàn)管理。ZigBee設(shè)備在工作時，各種不同的任務(wù)在不同層次上執(zhí)行，通過層的服務(wù)完成所要執(zhí)行的任務(wù)，各項服務(wù)通過服務(wù)原語實現(xiàn)。物理層完成收發(fā)數(shù)據(jù)、激活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測、空閑信道評估、數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量指示的功能；物理層規(guī)范了ZigBee通信頻率的工作范圍，即2．4 GHz和868／915 MHz。MAC層主要負責(zé)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)調(diào)器同步、支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)、支持無線信道通信安全、使用CSMA-CA機制訪問信道、支持時隙保障(GTs)機制、支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸；在MAC層上，主要沿用了WLAN中802．11系列標準的載波偵聽多址接入——沖突避免機制(CSMA-CA)，以提高系統(tǒng)的兼容性。網(wǎng)絡(luò)層職責(zé)為加入和離開網(wǎng)絡(luò)機制、應(yīng)用安全幀的機制及發(fā)現(xiàn)和保持設(shè)備之間的路徑；網(wǎng)絡(luò)層方面，ZigBee聯(lián)盟規(guī)定了基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)可以采用星狀和網(wǎng)狀拓撲，也可以是兩者結(jié)合。應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層、應(yīng)用框架、ZigBee設(shè)備對象及用戶定義的應(yīng)用對象組成。應(yīng)用支持子層的作用是維護設(shè)備綁定表和設(shè)備發(fā)現(xiàn)。設(shè)備對象的職責(zé)是定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備的角色、發(fā)起或回應(yīng)綁定請求、在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全機制等。

    ZigBee標準中規(guī)定在一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)一般包含3種設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點，對應(yīng)有全功能設(shè)備FFD和精簡功能設(shè)備RFD兩類設(shè)備類型，F(xiàn)FD比RFD擁有更強大的計算能力和更豐富的系統(tǒng)資源，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立者、管理者或網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點設(shè)備，RFD在網(wǎng)絡(luò)中通常只作為終端設(shè)備，從FFD接收信息或?qū)⑿畔魉徒oFFD。路由器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是FFD設(shè)備，實現(xiàn)標準中規(guī)定的所有功能，而終端設(shè)備一般是各個傳感器節(jié)點，為RFD設(shè)備。
1．3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計
    如圖2所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本組成和功能包括如下幾個單元：(1)傳感單元，將節(jié)點與物理世界聯(lián)系起來，由一組傳感器、激勵裝置和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能模塊構(gòu)成。(2)處理單元，由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等。(3)通信單元，由無線通信模塊組成。(4)供電裝置，此外可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

    在傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量的節(jié)點部署在感知對象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，并以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，從而實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。
    監(jiān)控節(jié)點主要完成兩方面工作：將傳感器放大電路輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將這個數(shù)字信號通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，一直處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)收到來自外部的喚醒信號后，開始進行數(shù)據(jù)的采集或發(fā)送報警信號，完成任務(wù)后再次回到睡眠狀態(tài)，直到下一次喚醒。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計
2．1 網(wǎng)絡(luò)的建立
    ZigBee協(xié)議規(guī)定：只有當(dāng)前還沒有加入網(wǎng)絡(luò)且具有ZigBee協(xié)調(diào)器能力的設(shè)備，可以嘗試建立一個新網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)建網(wǎng)過程開始后，協(xié)調(diào)器首先對協(xié)議所規(guī)定的信道或由物理層所默認的有效信道進行能量檢測掃描。如果某個信道的能量低于預(yù)定值，則表示該信道是可用信道，并進行標記。然后，在可用信道中進行主動掃描，尋找信道中存在的ZigBee設(shè)備，找到一個最佳信道，即存在ZigBee設(shè)備相對較少的信道，由該信道所組建的網(wǎng)絡(luò)即為佳ZigBee網(wǎng)絡(luò)。這時，協(xié)調(diào)器通過一個PAN標識符來標注該信道，以識別該新建的網(wǎng)絡(luò)。一旦選擇一個PAN標識符后，協(xié)調(diào)器將會為自己分配一個0x0000的16位邏輯地址，這樣就成功地啟動了一個新網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

    (1)在網(wǎng)絡(luò)開始建立前，首先要確定這個設(shè)備為ZigBee協(xié)調(diào)器。我們通過協(xié)議棧配置文件ZigBee．def中的#define I_AM_COORDINATOR來定義這個設(shè)備為ZigBee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的應(yīng)用層調(diào)用NLME_NETWORK_FORMATION．request原語，發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)請求，網(wǎng)絡(luò)層收到這個原語后，要求MAC層執(zhí)行信道能量掃描。
    (2)MAC層調(diào)用MLME_SCAN．request，主要找到信道能量低于設(shè)定能量值的信道，標注這些信道是可用信道。通過函數(shù)NWKStartDiscovery()，對掃描的起始信道進行設(shè)置假定起始值為N。然后執(zhí)行MACStartED()對信道進行能量檢測掃描，得到信道能量值。
    (3)通過MACStartScan(TRUE)對信道N進行主動掃描，判斷是否發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。通過記錄每次接收到的信標幀信息掃描可用信道中網(wǎng)絡(luò)活動情況，并將掃描結(jié)果記錄在個域網(wǎng)描述符列表中，最后找到一個最優(yōu)信道。
    (4)調(diào)用函數(shù)APLNetworkForm()在最優(yōu)信道上建立網(wǎng)絡(luò)，給網(wǎng)絡(luò)隨機分配一個PAN ID，通過MACSetShortAddrLSB(0x00)和MACSetShort AddrMSB(0x00)給協(xié)調(diào)器分配一個0x0000的網(wǎng)絡(luò)地址，并把協(xié)調(diào)器的MAC地址存入鄰居表中。網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)送MLME_START．request原語請求開始發(fā)送信標幀運行新的個域網(wǎng)，MAC層將運行結(jié)果通過MLME_START．confirm原語返回網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層收到個域網(wǎng)啟動狀態(tài)后，通過NL ME_NETWORK_FORMATION．confirm原語將告知應(yīng)用層建立要求的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。最后協(xié)調(diào)器應(yīng)用層通過發(fā)送NLME_PERMIT_JOIN．request原語允許設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接。
2．2 設(shè)備入網(wǎng)
    在一個ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后，路由器設(shè)備或者終端設(shè)備，可以加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，具體加入網(wǎng)絡(luò)有兩種方式，一種是通過關(guān)聯(lián)(Association)方式，就是待加入的設(shè)備發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)，另一種是直接(Direct)方式。下面重點討論第一種方式，也是實際中用的最多的方式。
    首先對于一個ZigBee終端設(shè)備，只能加入一個網(wǎng)絡(luò)。對于新設(shè)備來說，它首先會掃描周圍它可找到的網(wǎng)絡(luò)，尋找有能力批準自己加入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并把可以找到的所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的資料存入自己的相鄰表。存入相鄰表的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的資料包括ZigBee協(xié)議版本、協(xié)議棧配置文件、PAN ID、邏輯信道以及是否允許加入網(wǎng)絡(luò)等。在相鄰表中選擇一個深度最小的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并對其發(fā)出請求信息，如果出現(xiàn)相同最小深度的兩個以上網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器信息，那么隨機選取一個發(fā)送請求。如果相鄰表中沒有合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器信息，那么表示入網(wǎng)失敗，終止過程。如果發(fā)出的請求被批準，那么網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同時會分配給它一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，此時入網(wǎng)成功，終端設(shè)備可以開始通信。如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)或者相鄰表中沒有合適的網(wǎng)絡(luò)器。
    設(shè)備關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)如下：
    (1)在加入網(wǎng)絡(luò)前，首先要確定這個設(shè)備是ZigBee終端設(shè)備。通過協(xié)議棧配置文件ZigBee．def中的#define I_AM_END_DEVICE來定義這個設(shè)備為ZigBee終端設(shè)備。
    (2)確定為終端設(shè)備后，應(yīng)用層首先設(shè)定待掃描的信道以及每個信道掃描的時間，調(diào)用NLME_NE1WORK_DISCOVERY．request原語尋找合適網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層收到該原語后，通過MLME_SCAN．request，原語要求MAC層執(zhí)行主動掃描獲得目前網(wǎng)絡(luò)描述參數(shù)。通過函數(shù)NWKStartDiscovery()，對掃描的起始信道進行設(shè)置，假定起始值為N。然后執(zhí)行MACStartScan(TRUE)對信道N進行主動掃描。
    (3)完成掃描后，網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送NLMF_NETWORK_DISCOVERY．confirm原語告知應(yīng)用層。通過調(diào)用回調(diào)函數(shù)AppOkayToAssociate()來判斷是否要加入這個網(wǎng)絡(luò)，判斷的標準是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的MAC地址是否符合終端設(shè)備的要求，這樣可以使終端設(shè)備加入到指定的網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用層根據(jù)情況調(diào)用NLME_JOIN．request原語從鄰居表中選擇所發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)加入。網(wǎng)絡(luò)確定后，網(wǎng)絡(luò)層將請求MAC層管理實體對邏輯信道，PAN標識符等有關(guān)屬性進行配置，發(fā)送MLME_SYNC．request原語獲取它所要連接協(xié)調(diào)器的信標，實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的同步。然后調(diào)用MLME_ASSOCIATE．request原語到MAC層。
    (4)執(zhí)行函數(shù)PHYPutTxData(MAC_CMD_AS_SOCIATE_REQ)向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入請求，并等待發(fā)送加入請求的確認。協(xié)調(diào)器接收到連接請求后首先調(diào)用MACIsJoinPermitted()來判斷網(wǎng)絡(luò)是否允許任何設(shè)備關(guān)聯(lián)，允許則返回給終端設(shè)備確認幀。協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層將分配惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址給該設(shè)備，并根據(jù)設(shè)備提供的信息在它的鄰居表中為終端設(shè)備創(chuàng)建新的入口，隨后向MAC發(fā)送表明連接成功的MLM_ASSOCIATE．response原語表明設(shè)備已經(jīng)成功同網(wǎng)絡(luò)連接。設(shè)備的MAC層收到來自協(xié)調(diào)器的連接響應(yīng)命令幀后，通過MLME_ASSOCIATE．confirm原語發(fā)送給設(shè)備應(yīng)用層表明加入成功，設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層將在鄰居表中設(shè)置邏輯地址信息。

3 結(jié)束語
    介紹了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建信息家居網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，能夠?qū)揖迎h(huán)境進行較好的監(jiān)控，根據(jù)現(xiàn)在家居存在的問題，擬采取現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)與短距離無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法提高家居數(shù)據(jù)的準確性、實時性和可靠性。相對于常見的Bluetooth、Wi-Fi等具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗、高安全性等優(yōu)點，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步發(fā)展，它將成為智能家居發(fā)展的趨勢。