基于ZigBee技術(shù)的家居智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統

摘要：介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。重點(diǎn)闡述了該系統的組成、通訊協(xié)議以及無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的軟硬件設計。該系統在傳統的有線(xiàn)家居網(wǎng)絡(luò )系統的基礎上使用ZigBee技術(shù)，使其具有成本低、功耗低、覆蓋范圍大的特點(diǎn)。特別是其符合IEEE802.15.4協(xié)議，利用系統與其它符合標準的產(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) ZigBee 低功耗

在智能家居系統中，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。這不僅僅是因為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性，省去花在綜合布線(xiàn)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(diǎn)。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必將大大促進(jìn)家庭網(wǎng)絡(luò )智能化的進(jìn)程。

本文介紹的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統采用ZigBee技術(shù)，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，符合IEEE802.15.4協(xié)議，是IEEE工作組專(zhuān)門(mén)為家庭短距離通訊制定的新標準。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）省電：兩節五號電池可使用長(cháng)達六個(gè)月到兩年左右的時(shí)間；（2）可靠；采用了碰撞避免機制；（3）成本低；（4）時(shí)延短；（5）網(wǎng)絡(luò )容量大；（6）安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，各種應用可以靈活確定其安全屬性。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)完全符合家庭網(wǎng)絡(luò )通訊的需要，因此選擇ZigBee技術(shù)構建智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。

2 智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統

本系統以家庭為單位進(jìn)行設計安裝，每個(gè)家庭都安裝一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)、若干個(gè)無(wú)線(xiàn)通訊ZigBee子節能模塊。在家庭網(wǎng)關(guān)和每個(gè)子節點(diǎn)上都接有一個(gè)HeliLink無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊（符號ZigBee技術(shù)標準的產(chǎn)品），通過(guò)這些無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊，數據在網(wǎng)關(guān)和子節點(diǎn)之間進(jìn)行傳送。其系統組成如圖1所示。

下面介紹各部分的結構及功能。

家庭網(wǎng)關(guān)的結構及功能為：

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

（2）通過(guò)門(mén)鎖進(jìn)行自動(dòng)設防/解防；

（3）遇搶劫或疾病，按緊急按鈕，自動(dòng)向管理中心報警；

（4）每家每戶(hù)配有自己的網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)顯示小區通知、系統各部分工作狀況及數據；

（5）水、電、氣各表數據發(fā)給牧業(yè)管理中心；

（6）通過(guò)以太網(wǎng)與小區管理中心通訊；

（7）通過(guò)網(wǎng)關(guān)上的無(wú)線(xiàn)ZigBee（IEEE802.15.4）模塊與網(wǎng)絡(luò )中各子節點(diǎn)進(jìn)行通訊。

ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊子節點(diǎn)的功能為：

（1）兩路脈沖量數據采集，可采集水、電、氣三表數據；

（2）兩路安防傳感器開(kāi)關(guān)量數據采集，可進(jìn)行設防/撤防報警、安防報警（紅外幕簾、門(mén)磁、窗磁、玻璃破碎等）；

（3）一路模擬量數據采集；

（4）一路模擬量數據輸出；

（5）一路繼電器觸點(diǎn)輸出；

（6）通過(guò)無(wú)線(xiàn)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)議的幀結構

采用符號ZigBee標準的HeliLink模塊的數據幀由數據模式、目標地址、數據長(cháng)度、數據信息與校驗和五部分構成，格式如下（數據幀結構中的數據都是16進(jìn)制數）:



“數據模式”占用一個(gè)字節。“目標地址”表示數據幀結構要發(fā)送的目標位置（網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)號），它占用一個(gè)字節。“數據長(cháng)度”表示數據幀結構中從“數據1”到“數據n”所占據的字節數，它也占據了一個(gè)字節。“數據信息”表示用戶(hù)要通過(guò)UART0傳送的命令或者有效數據，占據的字節數由“數據長(cháng)度”決定。“校驗和”是對幀結構中的全部數據（校驗和字節除外）進(jìn)行的校驗，采用字節逐位異或的方式實(shí)現。“校驗和”也占據一個(gè)字節。

3．2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議幀結構

家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議幀結構是建立在ZigBee協(xié)議幀結構的基礎上的，相當于底層協(xié)議中的數據場(chǎng)部分。所以幀結構由節點(diǎn)號、功能編碼、數據信息三部分組成，如下所示：



節點(diǎn)號字段數據長(cháng)度為1字節，其中低四位為數據采集功能編號，高四位為子節點(diǎn)號，如下所示：



功能編碼分為三個(gè)部分：方向位、數據類(lèi)型和功能類(lèi)型。其格式為：



方向位：

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

數據類(lèi)型：

數據信息與功能編碼關(guān)系十分密切，根據功能不同，數據場(chǎng)中數據的內容含義不同；根據數據長(cháng)度不同，數據類(lèi)型也不同。

功能類(lèi)型：

每一個(gè)功能類(lèi)型對應一種系統功能。通過(guò)解析功能類(lèi)型編碼可得到系統功能，對于下行幀，子節點(diǎn)得到主節點(diǎn)通知其執行的命令和需要的數據；對于上行幀，主節點(diǎn)得到子節點(diǎn)返回的信息、數據和命令執行的情況。

數據信息存放數據，數據信息長(cháng)度可根據功能編碼中的數據類(lèi)型而定。

4 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)硬件設計

由于無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)使用電池供電，且需要安裝在三表或電器內部，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(wú)線(xiàn)通訊需要電池提供足夠大的電流，耗電量較大，所以低功耗設計成為子節點(diǎn)設計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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標準的Heililink無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊建立無(wú)線(xiàn)通訊，采用RAMTRON公司的鐵電存儲器FM24LC16存儲數據，開(kāi)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(guò)采用TI公司的電荷泵IPS60210將電壓穩定至3.3V。無(wú)線(xiàn)子節點(diǎn)通過(guò)查詢(xún)八位撥碼開(kāi)關(guān)確定其功能，可以實(shí)現兩路脈沖量的計數、兩路開(kāi)關(guān)量的輸入、兩路開(kāi)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(wú)線(xiàn)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(diǎn)是可以實(shí)現極低的功耗，具有五種省電工作模式，而每種工作模式可以通過(guò)對時(shí)鐘的控制實(shí)現不同的功耗，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。片內FLASH ROM用于存儲應用程序、通訊協(xié)議；UART接口連接無(wú)線(xiàn)通信模塊；10位A/D轉換器實(shí)現電池電壓檢測、模擬量輸入；內部16位定時(shí)計數器實(shí)現PWM輸出，經(jīng)低通濾波后，再由放大器放大，實(shí)現模擬量輸出；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(shí)現數字量和脈沖量的輸入、輸出以及撥碼開(kāi)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(diǎn)是可無(wú)限次地讀寫(xiě)，掉電數據可保護10年；寫(xiě)數據無(wú)延時(shí)；使用二線(xiàn)制串行總線(xiàn)及其傳輸規范進(jìn)行雙向傳輸，這種方式占用腳位少，占用線(xiàn)路板空間小，總線(xiàn)速度可以達到1MHz，靜態(tài)工作電流僅為1μA。這些特點(diǎn)使其十分適合本設計對功耗低、體積小、數據讀寫(xiě)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(guò)MSP430F1232的輸出管腳DO_S、DO_R控制開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現繼電器線(xiàn)圈電流的通斷控制，從而控制繼電器觸點(diǎn)的動(dòng)作。如果采用傳統繼電器，需要一直提供電流來(lái)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(diǎn)動(dòng)作后無(wú)需繼續提供電流，從而降低了功耗。其開(kāi)關(guān)兩端可耐壓直流220V，交流250V，滿(mǎn)足了通斷市電的要求。

4．4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊

該模塊特點(diǎn)是體積小、內嵌網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議，符合ZigBee網(wǎng)絡(luò )層的標準，為IEEE.802.15.4標準兼容產(chǎn)品，可實(shí)現高效率發(fā)射、高靈敏度接收，無(wú)線(xiàn)數據速率高達76.8kbit/s。通過(guò)串口與MSP430F1232進(jìn)行通訊，將獲得的數據無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去。

4．5 撥碼開(kāi)關(guān)

八位撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)決定該子節點(diǎn)的節點(diǎn)號和其實(shí)現的功能。

5 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)軟件設計

鑒于節點(diǎn)使用的通用性要求，需要上電后根據撥碼開(kāi)關(guān)確定子節點(diǎn)號及其所要完成的功能。其主要功能包括水電氣三表的數據采集和存儲、報警信息的獲取、設防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送。根據撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)確定節點(diǎn)需要完成的其中一項或幾項工作，并調用相應的初始化程序。由于無(wú)線(xiàn)通訊模塊的功耗較大，CPU大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，通過(guò)各級中斷喚醒CPU和恢復無(wú)線(xiàn)通訊模塊的正常工作。數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議。

系統主程序流程圖如圖3所示。系統上電后，先關(guān)閉看門(mén)狗定時(shí)器，開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入SNOOZE節功狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉無(wú)線(xiàn)通訊模塊電源，進(jìn)行I2C接口的初始化，讀取撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并根據撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)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(kāi)關(guān)量輸入端口，或是撤防設防輸入端口。其中，若作為脈沖量輸入端口，則調用相應脈沖量初始化程序，設置其端口為上升沿觸發(fā)；若作為開(kāi)關(guān)量輸入端口，則調用相應開(kāi)關(guān)量初始化程序，設置其端口為下降觸發(fā)；若作為撤防設防輸入端口，則調用設防撤防初始化程序，當前端口狀態(tài)為設防狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行撤防初始化，設置其端口為上升沿觸發(fā)。當前端口狀態(tài)為撤防狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行設防初始化，設置其端口為下降沿觸發(fā)。

端口初始化結束之后，進(jìn)行串行通訊UART接口初始化，打開(kāi)UART接收中斷使能，使其能響應網(wǎng)關(guān)發(fā)送給子節點(diǎn)的命令。定時(shí)器連續工作在計數模式，打開(kāi)計數器溢出中斷使能。

單片機各部分初始化結束后，進(jìn)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(shí)器初始化中，將其工作時(shí)鐘定義為ACLK是十分重要的，否則進(jìn)入LPM3休眠模式后，串口和定時(shí)器將停止工作和相應中斷。進(jìn)入LPM3休眠模式后，系統的功耗最低。

系統可響應I/O中斷，當其作為脈沖量輸入端口時(shí)，脈沖量上升沿觸發(fā)中斷，經(jīng)過(guò)去抖處理后，脈沖量計數增1，遇到進(jìn)位時(shí)，調用函數處理進(jìn)位，最后將計數值寫(xiě)入FRAM，進(jìn)入LPM3休眠模式。當其作為開(kāi)關(guān)量輸入端口時(shí)，開(kāi)關(guān)量下降沿觸發(fā)中斷，停止計數器計數，打開(kāi)電源，打開(kāi)串行通訊，重復發(fā)送報警信息，直到收到網(wǎng)關(guān)應答信息時(shí)才停止報警，恢復定時(shí)器計數，進(jìn)入LPM3休眠模式。

數據發(fā)送要遵循通訊協(xié)議，圖4所示為數據發(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，由于其具有低成本、低功耗、較遠的覆蓋范圍及通用性的特點(diǎn)，將成為智能家居系統中的又一亮點(diǎn)，必將給現代智能家居系統帶來(lái)一場(chǎng)新的變革。