基于ZigBee技術(shù)的家居智能無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。重點闡述了該系統(tǒng)的組成、通訊協(xié)議以及無線節(jié)點的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的有線家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用ZigBee技術(shù)，使其具有成本低、功耗低、覆蓋范圍大的特點。特別是其符合IEEE802.15.4協(xié)議，利用系統(tǒng)與其它符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的互聯(lián)，具有良好的通用性和可擴展性。

關(guān)鍵詞：智能家居 無線網(wǎng)絡(luò) ZigBee 低功耗

在智能家居系統(tǒng)中，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因為無線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步發(fā)展，必將大大促進家庭網(wǎng)絡(luò)智能化的進程。

本文介紹的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，符合IEEE802.15.4協(xié)議，是IEEE工作組專門為家庭短距離通訊制定的新標(biāo)準(zhǔn)。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點有：（1）省電：兩節(jié)五號電池可使用長達六個月到兩年左右的時間；（2）可靠；采用了碰撞避免機制；（3）成本低；（4）時延短；（5）網(wǎng)絡(luò)容量大；（6）安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，各種應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

ZigBee技術(shù)的特點完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的需要，因此選擇ZigBee技術(shù)構(gòu)建智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2 智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

本系統(tǒng)以家庭為單位進行設(shè)計安裝，每個家庭都安裝一個家庭網(wǎng)關(guān)、若干個無線通訊ZigBee子節(jié)能模塊。在家庭網(wǎng)關(guān)和每個子節(jié)點上都接有一個HeliLink無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊（符號ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品），通過這些無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)和子節(jié)點之間進行傳送。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

下面介紹各部分的結(jié)構(gòu)及功能。

家庭網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)及功能為：

（1）采用ARM構(gòu)架的32位嵌入式RISC處理器和.uClinux操作系統(tǒng)；

（2）通過門鎖進行自動設(shè)防/解防；

（3）遇搶劫或疾病，按緊急按鈕，自動向管理中心報警；

（4）每家每戶配有自己的網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù)；

（5）水、電、氣各表數(shù)據(jù)發(fā)給牧業(yè)管理中心；

（6）通過以太網(wǎng)與小區(qū)管理中心通訊；

（7）通過網(wǎng)關(guān)上的無線ZigBee（IEEE802.15.4）模塊與網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點進行通訊。

ZigBee無線通訊子節(jié)點的功能為：

（1）兩路脈沖量數(shù)據(jù)采集，可采集水、電、氣三表數(shù)據(jù)；

（2）兩路安防傳感器開關(guān)量數(shù)據(jù)采集，可進行設(shè)防/撤防報警、安防報警（紅外幕簾、門磁、窗磁、玻璃破碎等）；

（3）一路模擬量數(shù)據(jù)采集；

（4）一路模擬量數(shù)據(jù)輸出；

（5）一路繼電器觸點輸出；

（6）通過無線通訊IEEE802.15.4協(xié)議及家庭網(wǎng)關(guān)通訊。

3 通訊協(xié)議

3.1 ZigBee協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)

采用符號ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的HeliLink模塊的數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)模式、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和五部分構(gòu)成，格式如下（數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)都是16進制數(shù)）:



“數(shù)據(jù)模式”占用一個字節(jié)。“目標(biāo)地址”表示數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)要發(fā)送的目標(biāo)位置（網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點號），它占用一個字節(jié)。“數(shù)據(jù)長度”表示數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中從“數(shù)據(jù)1”到“數(shù)據(jù)n”所占據(jù)的字節(jié)數(shù)，它也占據(jù)了一個字節(jié)。“數(shù)據(jù)信息”表示用戶要通過UART0傳送的命令或者有效數(shù)據(jù)，占據(jù)的字節(jié)數(shù)由“數(shù)據(jù)長度”決定。“校驗和”是對幀結(jié)構(gòu)中的全部數(shù)據(jù)（校驗和字節(jié)除外）進行的校驗，采用字節(jié)逐位異或的方式實現(xiàn)。“校驗和”也占據(jù)一個字節(jié)。

3．2 無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)是建立在ZigBee協(xié)議幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的，相當(dāng)于底層協(xié)議中的數(shù)據(jù)場部分。所以幀結(jié)構(gòu)由節(jié)點號、功能編碼、數(shù)據(jù)信息三部分組成，如下所示：



節(jié)點號字段數(shù)據(jù)長度為1字節(jié)，其中低四位為數(shù)據(jù)采集功能編號，高四位為子節(jié)點號，如下所示：



功能編碼分為三個部分：方向位、數(shù)據(jù)類型和功能類型。其格式為：



方向位：

根據(jù)主節(jié)點作為通訊發(fā)送者還是接收者，本系統(tǒng)功能可分為兩大類：上行和下行。方向位即決定了這一點。

數(shù)據(jù)類型：

數(shù)據(jù)信息與功能編碼關(guān)系十分密切，根據(jù)功能不同，數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的內(nèi)容含義不同；根據(jù)數(shù)據(jù)長度不同，數(shù)據(jù)類型也不同。

功能類型：

每一個功能類型對應(yīng)一種系統(tǒng)功能。通過解析功能類型編碼可得到系統(tǒng)功能，對于下行幀，子節(jié)點得到主節(jié)點通知其執(zhí)行的命令和需要的數(shù)據(jù)；對于上行幀，主節(jié)點得到子節(jié)點返回的信息、數(shù)據(jù)和命令執(zhí)行的情況。

數(shù)據(jù)信息存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息長度可根據(jù)功能編碼中的數(shù)據(jù)類型而定。

4 無線節(jié)點硬件設(shè)計

由于無線節(jié)點使用電池供電，且需要安裝在三表或電器內(nèi)部，要求電池體積很小，因此電池的容量不可能太大。希望一顆鈕扣電池可以有效工作一年以上。無線通訊需要電池提供足夠大的電流，耗電量較大，所以低功耗設(shè)計成為子節(jié)點設(shè)計的重點和難點。

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件組成如圖2所示，采用TI公司的16位單片機MSP430F1232作為處理器，采用符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的Heililink無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊建立無線通訊，采用RAMTRON公司的鐵電存儲器FM24LC16存儲數(shù)據(jù)，開關(guān)量輸出使用松下公司的磁保持繼電器TQ2L2—3V，PWM輸出放大器采用MAXIM公司的MAX4464。使用鋰離子鈕扣電池供電，通過采用TI公司的電荷泵IPS60210將電壓穩(wěn)定至3.3V。無線子節(jié)點通過查詢八位撥碼開關(guān)確定其功能，可以實現(xiàn)兩路脈沖量的計數(shù)、兩路開關(guān)量的輸入、兩路開關(guān)量的輸出、一路模擬量的輸入、一路模擬量的輸出、電池電量采集無線通訊等功能。

4．1 處理器

處理器采用TI公司的16位單片機MSP430F1232。該單片機突出的特點是可以實現(xiàn)極低的功耗，具有五種省電工作模式，而每種工作模式可以通過對時鐘的控制實現(xiàn)不同的功耗，其工作在LPM4模式下的功耗電流只有0.1μA,非常適合采用電池供電的系統(tǒng)。片內(nèi)FLASH ROM用于存儲應(yīng)用程序、通訊協(xié)議；UART接口連接無線通信模塊；10位A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電池電壓檢測、模擬量輸入；內(nèi)部16位定時計數(shù)器實現(xiàn)PWM輸出，經(jīng)低通濾波后，再由放大器放大，實現(xiàn)模擬量輸出；I2C接口連接鐵電存儲器FRAM。其余的通用輸入輸出端口分別實現(xiàn)數(shù)字量和脈沖量的輸入、輸出以及撥碼開關(guān)狀態(tài)的輸入。

4．2 鐵電存儲器

存儲器采用RAMTRON公司的FM24CL16，它是一種串行非易失性存儲器，其特點是可無限次地讀寫，掉電數(shù)據(jù)可保護10年；寫數(shù)據(jù)無延時；使用二線制串行總線及其傳輸規(guī)范進行雙向傳輸，這種方式占用腳位少，占用線路板空間小，總線速度可以達到1MHz，靜態(tài)工作電流僅為1μA。這些特點使其十分適合本設(shè)計對功耗低、體積小、數(shù)據(jù)讀寫頻繁的要求。

4．3 磁保持繼電路

磁保持繼電器采用松下公司的TQ2-L2—3V，通過MSP430F1232的輸出管腳DO_S、DO_R控制開關(guān)管Q1、Q2的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)繼電器線圈電流的通斷控制，從而控制繼電器觸點的動作。如果采用傳統(tǒng)繼電器，需要一直提供電流來維持繼電器狀態(tài)，這樣功耗很難降低。磁保持繼電器具有鎖存功能，觸點動作后無需繼續(xù)提供電流，從而降低了功耗。其開關(guān)兩端可耐壓直流220V，交流250V，滿足了通斷市電的要求。

4．4 無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊

該模塊特點是體積小、內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，符合ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)，為IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容產(chǎn)品，可實現(xiàn)高效率發(fā)射、高靈敏度接收，無線數(shù)據(jù)速率高達76.8kbit/s。通過串口與MSP430F1232進行通訊，將獲得的數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。

4．5 撥碼開關(guān)

八位撥碼開關(guān)的狀態(tài)決定該子節(jié)點的節(jié)點號和其實現(xiàn)的功能。

5 無線節(jié)點軟件設(shè)計

鑒于節(jié)點使用的通用性要求，需要上電后根據(jù)撥碼開關(guān)確定子節(jié)點號及其所要完成的功能。其主要功能包括水電氣三表的數(shù)據(jù)采集和存儲、報警信息的獲取、設(shè)防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)確定節(jié)點需要完成的其中一項或幾項工作，并調(diào)用相應(yīng)的初始化程序。由于無線通訊模塊的功耗較大，CPU大部分時間都處于休眠狀態(tài)，通過各級中斷喚醒CPU和恢復(fù)無線通訊模塊的正常工作。數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后，先關(guān)閉看門狗定時器，開關(guān)電源進入SNOOZE節(jié)功狀態(tài)，同時關(guān)閉無線通訊模塊電源，進行I2C接口的初始化，讀取撥碼開關(guān)狀態(tài)，并根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)進行單片機通用I/O口的初始化，以確定其作為脈沖量輸入端口還是開關(guān)量輸入端口，或是撤防設(shè)防輸入端口。其中，若作為脈沖量輸入端口，則調(diào)用相應(yīng)脈沖量初始化程序，設(shè)置其端口為上升沿觸發(fā)；若作為開關(guān)量輸入端口，則調(diào)用相應(yīng)開關(guān)量初始化程序，設(shè)置其端口為下降觸發(fā)；若作為撤防設(shè)防輸入端口，則調(diào)用設(shè)防撤防初始化程序，當(dāng)前端口狀態(tài)為設(shè)防狀態(tài)時，進行撤防初始化，設(shè)置其端口為上升沿觸發(fā)。當(dāng)前端口狀態(tài)為撤防狀態(tài)時，進行設(shè)防初始化，設(shè)置其端口為下降沿觸發(fā)。

端口初始化結(jié)束之后，進行串行通訊UART接口初始化，打開UART接收中斷使能，使其能響應(yīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給子節(jié)點的命令。定時器連續(xù)工作在計數(shù)模式，打開計數(shù)器溢出中斷使能。

單片機各部分初始化結(jié)束后，進入LPM3休眠模式，只有ACLK始終保持工作，因此在串行通訊UART和定時器初始化中，將其工作時鐘定義為ACLK是十分重要的，否則進入LPM3休眠模式后，串口和定時器將停止工作和相應(yīng)中斷。進入LPM3休眠模式后，系統(tǒng)的功耗最低。

系統(tǒng)可響應(yīng)I/O中斷，當(dāng)其作為脈沖量輸入端口時，脈沖量上升沿觸發(fā)中斷，經(jīng)過去抖處理后，脈沖量計數(shù)增1，遇到進位時，調(diào)用函數(shù)處理進位，最后將計數(shù)值寫入FRAM，進入LPM3休眠模式。當(dāng)其作為開關(guān)量輸入端口時，開關(guān)量下降沿觸發(fā)中斷，停止計數(shù)器計數(shù)，打開電源，打開串行通訊，重復(fù)發(fā)送報警信息，直到收到網(wǎng)關(guān)應(yīng)答信息時才停止報警，恢復(fù)定時器計數(shù)，進入LPM3休眠模式。

數(shù)據(jù)發(fā)送要遵循通訊協(xié)議，圖4所示為數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖。由于文章篇幅所限，這里就不多述了。

本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于其具有低成本、低功耗、較遠(yuǎn)的覆蓋范圍及通用性的特點，將成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革。