基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居設計

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)域的應用。介紹了ZigBee網(wǎng)絡的特點和應用前景，描述了ZigBee協(xié)議，對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)做了分析，對于網(wǎng)絡的設計和節(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；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。現(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；應用層的標準規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟制定，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層和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個服務接入點，一個提供數(shù)據(jù)傳輸服務，另一個實現(xiàn)管理。ZigBee設備在工作時，各種不同的任務在不同層次上執(zhí)行，通過層的服務完成所要執(zhí)行的任務，各項服務通過服務原語實現(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層主要負責協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設備根據(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)絡層職責為加入和離開網(wǎng)絡機制、應用安全幀的機制及發(fā)現(xiàn)和保持設備之間的路徑；網(wǎng)絡層方面，ZigBee聯(lián)盟規(guī)定了基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡可以采用星狀和網(wǎng)狀拓撲，也可以是兩者結(jié)合。應用層由應用支持子層、應用框架、ZigBee設備對象及用戶定義的應用對象組成。應用支持子層的作用是維護設備綁定表和設備發(fā)現(xiàn)。設備對象的職責是定義網(wǎng)絡內(nèi)其它設備的角色、發(fā)起或回應綁定請求、在網(wǎng)絡設備間建立安全機制等。

ZigBee標準中規(guī)定在一個ZigBee無線網(wǎng)絡一般包含3種設備：協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點，對應有全功能設備FFD和精簡功能設備RFD兩類設備類型，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，可以充當網(wǎng)絡建立者、管理者或網(wǎng)絡終端節(jié)點設備，RFD在網(wǎng)絡中通常只作為終端設備，從FFD接收信息或?qū)⑿畔魉徒oFFD。路由器和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器是FFD設備，實現(xiàn)標準中規(guī)定的所有功能，而終端設備一般是各個傳感器節(jié)點，為RFD設備。