物聯(lián)傳感-智能家居   徐秀珂      

    “你看，zigbee無線技術(shù)就是好，只要拿著一部手機，就搞定了一天的吃喝拉撒睡，智能家居給我?guī)砹撕芏啾憷涂旖?，真是想不到?rdquo;。隨著時代的發(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)使人們可以對家居內(nèi)的任意電器進行數(shù)字化控制，利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機地結(jié)合在一起，進行集中管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。本文以ZigBee技術(shù)對智能家居內(nèi)部進行無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計，實現(xiàn)節(jié)點對各種傳感器信息的采集、傳輸和控制功能。

一、Zigbee無線技術(shù)

    ZigBee無線技術(shù)是一種強調(diào)極低耗電、極低成本的短距離無線網(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)擴充性強，有效覆蓋范圍為10～75 m，具體依據(jù)實際發(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無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(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)盟則對其網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。

二、zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由傳感器、無線網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中有一個網(wǎng)關(guān)，負責(zé)整個網(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（傳感器節(jié)點）上電復(fù)位后，會搜索協(xié)調(diào)器節(jié)點，當(dāng)能夠搜索到協(xié)調(diào)器時，直接申請加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點搜索不到協(xié)調(diào)器時，這時就會通過路由器節(jié)點找到協(xié)調(diào)器來加入網(wǎng)絡(luò)。

    加入網(wǎng)絡(luò)后保持待機狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，按照組網(wǎng)時的路徑來收發(fā)數(shù)據(jù)信息。無線網(wǎng)關(guān)通過串口與PC機相連，利用超級終端實現(xiàn)發(fā)送命令或者顯示數(shù)據(jù)。

三、傳感器模塊與無線網(wǎng)關(guān)模塊

    傳感器模塊亦即是終端節(jié)點模塊，由傳感器、處理器CC2430、天線、LED指示燈、時鐘等部分組成。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，來負責(zé)數(shù)據(jù)采集。無線網(wǎng)關(guān)模塊與傳感器模塊的硬件電路相同，只是在編程實現(xiàn)功能上有所不同。

四、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　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)了一個合適的信道，協(xié)調(diào)器就要為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個PAN ID，然后協(xié)調(diào)器進入*狀態(tài)，隨時響應(yīng)其他節(jié)點的入網(wǎng)請求。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種設(shè)備類型：全功能節(jié)點（FFD）和半功能節(jié)點（RFD）。RFD為終端節(jié)點，F(xiàn)FD可以作為協(xié)調(diào)器或路由。軟件設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序以及路由器、終端節(jié)點程序。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CC2430、協(xié)議棧、UART串口等進行初始化；發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)通過CC2430調(diào)制并通過DMA直接送至射頻輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收、遠傳及返回信息處理。

　　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)點程序。

　　對于網(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。之后程序建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)絡(luò)的ID號和頻道號。之后程序開始進入監(jiān)測狀態(tài)。如果有新的設(shè)備請求加入網(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)備無線發(fā)送來的信息，并通過串口發(fā)送給上位機，或者從上位機得到命令，發(fā)送過終端設(shè)備。

　　對于路由器、終端節(jié)點程序，首先初始化CC2430，然后初始化協(xié)議棧。之后程序開始搜索網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)附近存在網(wǎng)絡(luò)時，則申請加入網(wǎng)絡(luò)。之后程序進入待機休眠狀態(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，進行無線發(fā)送或接受。當(dāng)事件處理完時，重新進入待機休眠狀態(tài)。

五、系統(tǒng)實現(xiàn)

　　系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個方面：建立樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；查詢網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點信息和傳感器數(shù)據(jù)，如電池電量、節(jié)點溫度信息等；控制節(jié)點的開關(guān)功能。

　　本系統(tǒng)使用了4個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這樣能夠組成一個基本的無線網(wǎng)絡(luò)。并且根據(jù)情況做了多種組網(wǎng)測試：

　　1）1個協(xié)調(diào)器節(jié)點，3個終端節(jié)點；

　　2）1個協(xié)調(diào)器節(jié)點，1個路由器節(jié)點，2個終端節(jié)點；

　　3）1個協(xié)調(diào)器節(jié)點，2個路由器節(jié)點，1個終端節(jié)點。

　　在2）和3）情況下，根據(jù)節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間距離、各節(jié)點彼此之間距離的不同，又會產(chǎn)生多種組網(wǎng)方式。例如2）情況下，終端節(jié)點離協(xié)調(diào)器近的話，會直接與協(xié)調(diào)器連接；而當(dāng)搜索不到協(xié)調(diào)器時，就會通過路由器來連接。

    智能家居系統(tǒng)的終端節(jié)點可以包括許多內(nèi)容，從而實現(xiàn)一些子系統(tǒng)。例如：照明系統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，家電控制系統(tǒng)等。在我們設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，實現(xiàn)了遠程控制燈開關(guān)照明；利用DHT11溫濕度傳感器實現(xiàn)終端節(jié)點的溫濕度監(jiān)測，其信息能夠在PC機上很好的顯示出來。

六、結(jié)束語

　　針對我國智能家居快速發(fā)展的背景，南京物聯(lián)傳感對基于ZigBee技術(shù)的智能家居組網(wǎng)進行了軟硬件設(shè)計。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以CC2430無線射頻芯片為核心，節(jié)省了成本，并且終端節(jié)點小巧，放置靈活，功耗極低，提高了監(jiān)控能力，再加上采用樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得通信更加可靠，易于控制，非常方便實用，并且成本低廉。因此，ZigBee無線技術(shù)在智能家居方面將會有廣闊的應(yīng)用前景。