基于ZigBee的家庭智能系統設計

隨著(zhù)Internet的普及與發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò )化已經(jīng)成為家庭現代化的潮流。家庭網(wǎng)絡(luò )，主要包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種實(shí)現方式。由于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )固有的缺點(diǎn)，布線(xiàn)麻煩，可擴展性差等，將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于家庭網(wǎng)絡(luò )已成為勢不可擋的趨勢。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的市場(chǎng)發(fā)展在邏輯上可分為面向語(yǔ)音的市場(chǎng)和面向數據的市場(chǎng)兩類(lèi)。在許多以數據傳輸為主的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，小型、低成本、低復雜度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用場(chǎng)合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò )標準由IEEE 802．15．4規定。ZigBee協(xié)議比藍牙、高速率PAN(個(gè)人局域網(wǎng))或者IEEE 802．11x無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

1 ZigBee簡(jiǎn)介
2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成；IEEE802．1 5．4的ZigBee標準于2003年5月獲得批準；2006年，推出ZigBee 2006，比較完善；2007年底，ZigBee PRO推出。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802．15．4。物理層和MAC層直接引用了IEEE 802．15．4標準。而ZigBee聯(lián)盟負責網(wǎng)絡(luò )層和應用層的開(kāi)發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場(chǎng)推廣等。IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標準，分別是2．4 GHz物理層和868／915 MHz物理層。這兩個(gè)物理層都基于DSSS直接序列擴頻技術(shù)，使用相同的物理層數據包格式。ZigBee在2．4 GHz頻段有16個(gè)信道，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，采用0-QPSK調制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2．4 GHz附近各種無(wú)線(xiàn)通信設備的相互干擾。

2 家庭網(wǎng)絡(luò )拓撲結構選擇
ZigBee標準有3種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：星型、網(wǎng)狀型、樹(shù)型。本文智能家居系統的實(shí)際情況如下：1)傳感器節點(diǎn)由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過(guò)電源供電，所以應該盡量減少傳感器節點(diǎn)的工作量，以節約傳感器節點(diǎn)用電；2)智能家居中接入的主要是傳感器和開(kāi)關(guān)，網(wǎng)絡(luò )中數據量不大，沒(méi)有必要采用復雜的網(wǎng)絡(luò )拓撲來(lái)保證數據通信；3)智能家居控制網(wǎng)絡(luò )的設計不需要很大的覆蓋范圍，根據ZigBee標準的說(shuō)明，空曠環(huán)境
最大傳輸距離100 m，在室內環(huán)境一般也能達到30多米的覆蓋距離，這對大多數的智能家居系統來(lái)說(shuō)足夠。星型拓撲結構完全能滿(mǎn)足要求，并且成本低廉、實(shí)現簡(jiǎn)單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設計選擇星型拓撲結構。

3 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計
網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)由單片機、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、數據采集和控制電路組成，如圖1所示。其中，單片機選用低功耗的ATMEGA128L，無(wú)線(xiàn)模塊選用CC2-420型射頻收發(fā)器，兩者通過(guò)SPI接口連接。ATMEGAl28L是高端8位微處理器，具有高性能，低功耗等特點(diǎn)，可提供128 K字節的可編程FLASH，4 K字節的SRAM，具有簡(jiǎn)化高效的RISC指令體系。