基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的智能家居設計

摘要 根據智能家居的特點(diǎn)和需求，選用基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，實(shí)現以其低功耗，優(yōu)秀組網(wǎng)能力等特點(diǎn)，在家用系統控制、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監控領(lǐng)域的應用。介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和應用前景，描述了ZigBee協(xié)議，對ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構做了分析，對于網(wǎng)絡(luò )的設計和節點(diǎn)的加入等進(jìn)行了具體的分析和研究，說(shuō)明了系統能夠對家居環(huán)境進(jìn)行良好的監控。
關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；ZigBee協(xié)議；智能家居

現代家庭已經(jīng)從追求家居的豪華裝飾轉向家居智能化，享受智能化帶來(lái)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有傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)通常是耗電高，且占用過(guò)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(diǎn)，能夠滿(mǎn)足智能家居無(wú)線(xiàn)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；應用層的標準規范由ZigBee聯(lián)盟制定，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò )層和API進(jìn)行了標準化。ZigBee節省的大部分能量歸功于專(zhuān)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)議棧架構如圖1所示，各層之間通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)實(shí)現層與層之間的數據通信和協(xié)議棧管理。層與層之間有2個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)，一個(gè)提供數據傳輸服務(wù)，另一個(gè)實(shí)現管理。ZigBee設備在工作時(shí)，各種不同的任務(wù)在不同層次上執行，通過(guò)層的服務(wù)完成所要執行的任務(wù)，各項服務(wù)通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)實(shí)現。物理層完成收發(fā)數據、激活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測、空閑信道評估、數據鏈路質(zhì)量指示的功能；物理層規范了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)調器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設備根據協(xié)調器的信標幀與協(xié)調器同步、支持PAN網(wǎng)絡(luò )的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)、支持無(wú)線(xiàn)信道通信安全、使用CSMA-CA機制訪(fǎng)問(wèn)信道、支持時(shí)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(tīng)多址接入——沖突避免機制(CSMA-CA)，以提高系統的兼容性。網(wǎng)絡(luò )層職責為加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )機制、應用安全幀的機制及發(fā)現和保持設備之間的路徑；網(wǎng)絡(luò )層方面，ZigBee聯(lián)盟規定了基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )可以采用星狀和網(wǎng)狀拓撲，也可以是兩者結合。應用層由應用支持子層、應用框架、ZigBee設備對象及用戶(hù)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。設備對象的職責是定義網(wǎng)絡(luò )內其它設備的角色、發(fā)起或回應綁定請求、在網(wǎng)絡(luò )設備間建立安全機制等。

ZigBee標準中規定在一個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )一般包含3種設備：協(xié)調器、路由器、終端節點(diǎn)，對應有全功能設備FFD和精簡(jiǎn)功能設備RFD兩類(lèi)設備類(lèi)型，FFD比RFD擁有更強大的計算能力和更豐富的系統資源，可以充當網(wǎng)絡(luò )建立者、管理者或網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)設備，RFD在網(wǎng)絡(luò )中通常只作為終端設備，從FFD接收信息或將信息傳送給FFD。路由器和網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器是FFD設備，實(shí)現標準中規定的所有功能，而終端設備一般是各個(gè)傳感器節點(diǎn)，為RFD設備。