基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統內部網(wǎng)絡(luò )設計

摘要：采用TI公司推測出的無(wú)線(xiàn)SOC芯片CC2530作為ZigBee組網(wǎng)模塊。整個(gè)系統由傳感器組網(wǎng)部分、協(xié)調器控制、LCD顯示部分構成，系統可以對多個(gè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，當任一傳感器在LCD上顯示的數值超過(guò)預先設定的閾值時(shí)，系統將自動(dòng)控制繼電器、步進(jìn)電機及蜂鳴器的開(kāi)啟，進(jìn)而起到控制電器的開(kāi)啟和安全警報的作用。

關(guān)鍵詞：ZigBee;Z—Stack;自組網(wǎng);智能家居系統

在這個(gè)信息的時(shí)代，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，家居智能化已經(jīng)成為人們的迫切需求。因此，為了使人們的生活更綠色環(huán)保、更方便、更安全，溫濕度及光照實(shí)現實(shí)時(shí)采集和家實(shí)現自動(dòng)控制、室內火情和可燃性氣體實(shí)現事實(shí)檢測與監控變得越來(lái)越重要。在智能家居系統中，擔任重要成分的控制系統和組網(wǎng)技術(shù)，對其的選擇是十分重要。其中，在智能家居的控制系統中，無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式的靈活等特點(diǎn)戰勝了傳統的有線(xiàn)數據傳輸的局限性，從而得到了廣泛應用;為了方便用戶(hù)的安裝和使用，避免繁瑣的有線(xiàn)的布線(xiàn)，采用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行組網(wǎng)。無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式多種多樣，其中ZigBee技術(shù)以其組網(wǎng)靈活性、功耗低等優(yōu)異特性而得到廣泛使用。

1 網(wǎng)絡(luò )結構概述

智能家居系統采用ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)作為基層網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現家居系統內部網(wǎng)絡(luò )。在多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，星型結構的覆蓋范圍較小，但是結構簡(jiǎn)單、數據傳輸快，所以在家庭范圍內，采用星型結構作為基礎的網(wǎng)絡(luò )結構。通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊模塊與傳感器模塊及家電構成終端設備，實(shí)現數據的采集，傳輸等;使用全功能設備作為家居內部ZigBee網(wǎng)絡(luò )的中心協(xié)調器，負責建立和維護網(wǎng)絡(luò );通過(guò)RS232串口通信實(shí)現協(xié)調器與傳感器模塊之間的連接，系統結構圖如圖1所示。作為智能家居系統的底層基礎網(wǎng)絡(luò )，家居內部ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現的功能有：1)采集家庭環(huán)境的數據和信息。2)簡(jiǎn)單處理設備終端上傳來(lái)的數據。3)通過(guò)串口通信協(xié)議將數據上傳到中心協(xié)調器。4)協(xié)調器根據采集上的實(shí)時(shí)數據作出判斷，給出控制指令。5)通過(guò)串口通信協(xié)議將數據回傳給設備終端。6)設備終端作出相應的響應。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)一種短距離低速傳輸的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，其功耗抵、快速、可靠、成本低、容量大、安全的特點(diǎn)，使其可廣泛應用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。

ZigBee協(xié)議棧是在OSI七層模型的基礎上根據市場(chǎng)和應用的實(shí)際需要定義的簡(jiǎn)化協(xié)議棧，ZigBee協(xié)議棧由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層四層結構組成，其中網(wǎng)絡(luò )層和應用層是ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4標準基礎上重新定義的，而物理層和MAC層則是沿用了IEEE 802.15.4標準。ZigBee協(xié)議棧結構如圖2所示。

1)物理層(PHY)：本層規定了物理無(wú)線(xiàn)信道以及MAC子層之間的接口，提供了PHY層的數據服務(wù)和管理服務(wù)。主要功能是激活/休眠無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備，對當前信道進(jìn)行能量檢測，鏈接質(zhì)量指示，為載波檢測多址與碰撞避免(CMSA—CA)進(jìn)行空閑頻道評估、頻道選擇、數據的發(fā)送及接收等。

2)媒體介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層(MAC層)：提供數據服務(wù)和管理服務(wù)兩種服務(wù)，主要完成的功能有：網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，設備與信標同步，支持RAN網(wǎng)絡(luò )的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作，為設備的安全性提供支持，信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪(fǎng)問(wèn)(CMSA—CA)機制，處理和維護保護時(shí)隙機制，在兩個(gè)對等的 MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠地通信連路。

3)網(wǎng)絡(luò )層(NWK)：負責拓撲結構的建立和維護網(wǎng)絡(luò )連接，主要功能有設備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò )時(shí)所采用的機制，以及在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機制。

4)應用層(APL)：是用戶(hù)根據需要自行來(lái)開(kāi)發(fā)的，由應用支持子層、ZigBee設備配置層和應用架構層組成，其中，應用支持子層為網(wǎng)絡(luò )層和應用層提供接口，把基于服務(wù)和需求相匹配的兩個(gè)設備作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行管理的綁定服務(wù)，并未綁定服務(wù)構建和保留綁定表，在綁定設備之間傳輸信息;ZigBee設備配置層提供標定服務(wù)、為遠程設備提供請求的任何標準的描述符信息;應用架構層是應用支持子層的應用程序的無(wú)線(xiàn)數據接口，應用程序使用該層提供的功能來(lái)發(fā)送和接收無(wú)線(xiàn)數據。

3 系統硬件設計

ZigBee系統采用的傳感器模塊芯片為CC2530芯片，CC2530是TI公司推出的無(wú)線(xiàn)片上系統(SOC)芯片，其需要極少的外接元件，片上集成了不同的構造模塊，大致可分為CPU和相關(guān)的存儲器模塊，外設、時(shí)鐘和電源管理模塊，無(wú)線(xiàn)信收發(fā)模塊3類(lèi)，并通過(guò)ZigBee協(xié)議棧實(shí)現了應用。

3.1 溫濕度及光照傳感器硬件電路

在本設計中，STH10作為溫濕度模塊的主芯片，供電電壓為3.3 V，負責采集室內的溫度和濕度。光照傳感器模塊可以感應光照的強度。溫濕度探頭直接使用IIC接口進(jìn)行控制，光敏探頭經(jīng)運放處理后輸出電壓信號到AD輸入。其電路原理圖如圖3所示。

3.2 酒精傳感器電路

酒精傳感器模塊是用等級來(lái)劃分的，不能顯示具體的數值。通過(guò)傳感器輸出端的電壓變化來(lái)體現酒精的含有量等級。外界給傳感器供5 V電壓，傳感器內部工作。在清潔的空氣中，輸出端的電壓為一恒定值，若空氣中含有酒精，輸出端的電壓會(huì )降低，根據電壓降低程度來(lái)判斷酒精含量等級。其原理圖如圖4所示。

3.3 繼電器模塊電路

每個(gè)繼電器模塊上有4個(gè)繼電器，每個(gè)繼電器都能單獨進(jìn)行工作。繼電器模塊采用一片帶中斷輸出的IIC接口的GPIO擴展芯片實(shí)現，IIC總線(xiàn)擴展芯片使用PCA9554，作為輸出是高電平有效。其原理圖如圖5所示。

4 系統軟件設計

本設計是在IAR7.51軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)驅動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行仿真調試的。

4.1 Z—Stack協(xié)議棧軟件架構

Z—Stack協(xié)議棧是基于一個(gè)輪轉查詢(xún)時(shí)操作系統的，ZStack從main()函數進(jìn)入，首先對系統進(jìn)行初始化，然后開(kāi)始執行操作系統。協(xié)議棧著(zhù)有流程如圖6所示。

4.1.1 系統初始化

初始時(shí)，系統需要對硬件平臺和軟件架構所需的要的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，為操作系統的運行做好準備工作，其具體流程圖和對應的函數如圖7所示。

4.1.2 操作系統的執行

操作系統實(shí)體只有一行代碼：

Osal_start_system();//no return from here

此函數不會(huì )返回，是一個(gè)死循環(huán)，這個(gè)函數就是輪轉查詢(xún)式操作系統的主體部分，這個(gè)函數會(huì )不斷地查詢(xún)每個(gè)任務(wù)是否有事件發(fā)生，如果發(fā)生，執行函數;如果沒(méi)有發(fā)生，查詢(xún)下一個(gè)任務(wù)。

任務(wù)是由優(yōu)先級的，系統優(yōu)先處理優(yōu)先級高的任務(wù)。

程序清單：

操作系統要處理MAC層，網(wǎng)絡(luò )層，物理層，應用層，zigbee設備應用層，應用層，這6層的任務(wù)，優(yōu)先級是從MAC層具有最高優(yōu)先級，到用戶(hù)層具有最低優(yōu)先級。如果MAC層任務(wù)有事件處理不完，用戶(hù)層任務(wù)就不會(huì )得到執行。

4.2 系統網(wǎng)絡(luò )的形成

4.2.1 協(xié)調器建立網(wǎng)絡(luò )

ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備調用ZDO_StartDevice()函數來(lái)啟動(dòng)設備，然后調用它們形成網(wǎng)絡(luò )。協(xié)調器將掃描DEFAUL_CHANLIST，從中選擇一個(gè)合適的信道。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )會(huì )被配置一個(gè)PAN標示符和一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò )地址。然后調用 NLME_JNetworkFormationRequest()函數來(lái)建立網(wǎng)絡(luò )：

4.2.2 節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )

數據采集節點(diǎn)首先會(huì )通過(guò)NLME_NETWORK_DISCOVERYrequest原語(yǔ)，啟動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò )流程。數據節點(diǎn)啟動(dòng)后，先掃描 DEFAULT_CHANLIST指定的頻道。數據采集節點(diǎn)首先要通過(guò)信道掃描來(lái)發(fā)現2.4GHz頻段的信道中存在的網(wǎng)絡(luò )。當收到協(xié)調器發(fā)送的信標應道后，就按照信標內的協(xié)調器的網(wǎng)絡(luò )地址和PAN_ID等信息加入網(wǎng)絡(luò )。

5 調試結果

調試結果如圖8所示。

6 結論

在協(xié)調器上顯示溫濕度值、光照值及反應酒精濃度的電壓值，并且當溫度高于23攝氏度時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟繼電器進(jìn)而驅動(dòng)電扇的開(kāi)啟與關(guān)閉;當光照大于250勒克斯時(shí)，步進(jìn)電機上的直流電機自動(dòng)運轉進(jìn)而驅動(dòng)窗簾的開(kāi)合;當酒精傳感器采集的電壓值大于120 V時(shí)，驅動(dòng)蜂鳴器報警。