基于ZigBee技术的智能家居系统设计

【中心议题】

• 研究了智能家居中ZigBee技术在信息感知和信息传输方面的应用
• 给出基于ZigBee技术的智能家居系统设计方案

【解决方案】

• 采用TI公司推出的CC2430芯片来实现ZigBee通信
• 设计各个节点的应用层软件

智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术,将各种与家居生活有关的子系统(如照明、安防、家电等)有机地结合,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全、有效.目前,智能家居中信息的传输主要有有线传输和无线传输2种.有线传输由于存在布线复杂、可扩展性差、标准不统一等缺点,因此,采用无线方式进行通信是当前智能家居研究的重点.目前,家庭内部局域无线通信技术如蓝牙、红外和WIFI等各有优点,使用于不同的领域.另外,有一种专门针对无线个人区域网的技术ZigBee,具有低功耗、低成本、短距离和易于开发等特点,可更好满足智能家居内部组网要求.

1　系统的组构

1.1　ZigBee技术

ZigBee技术主要用于近距离无线连接.其协议架构是建立在IEEE802.15.4标准基础之上的.IEEE 802.15.4标准仅定义了ZigBee的媒体访问控制层(MAC)和物理层(PHY),而ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层协议(Network Layer,NWK)、API以及安全层,其中应用层包括应用支持子层(Application Support Sub-Layer,APS),应用架构(Application Framework,AF)如图1所示.

1.2　系统拓扑结构

智能家居网络主要包括外部网、家庭网关和内部网.外部网可以是因特网或小区局域网;内部网是家庭内部家电设备互联的局域网;家庭网关则是连接外部网和内部网的部分,以协议转换方式完成外部网和内部网的数据交换.本文不涉及外部网.家庭网关由ARM9芯片S3C2440和相应的功能模块实现,可以分别与PC机、移动通信网和Internet进行互联.

内部网由一个ZigBee协调器节点和3个ZigBee终端组成.协调器通过RS232协议与家庭网关部分连接;终端节点分别连接一个温湿度传感器、气体浓度传感器和门禁系统.各个终端通过定时器定期采集传感器数据,然后通过无线射频单元传输给协调器节点.协调器建立和管理ZigBee网络,工作频段为2.4 GHz,接受家庭网关传输的控制命令并发送给各个终端节点,将接受到的传感器数据传输给家庭网关系统以保存起来.

2　系统设计

2.1　设计思想

ZigBee家庭无线网络是本智能家居系统中最重要的部分,主要负责监控家庭中的各种信息,采集相关数据,并将内部处理过的数据存储到家庭网关中.终端节点由传感器和ZigBee模块构成,负责监控信息和采集数据;协调器节点创建和管理网络,收集数据和传输来自家庭网关的命令,由一个ZigBee模块充当.终端节点和协调器节点共同构成了内部网的ZigBee无线网络部分.

在一个ZigBee网络中,网络的拓扑结构主要有星型、网状网和混合型.网状网具有强大的功能,可以通过“多级跳”的方式来通信.网络还具备自组织、自愈功能,结构也最为复杂;星型网络具有简洁和低功耗等特点,使用简单,适用于家庭的小规模点对点、距离相对较近、低复杂度的应用;混合网络则介于两者之间.在智能家居中,采用星型网络,在满足需求的前提下,具有最高的性价比.

根据ZigBee协议规定,一个ZigBee网络必须包括一个全功能节点作为协调器(coordinator),以建立、管理和维护网络.在智能家居网络中.由于采用星型拓扑结构,通信距离短,各个ZigBee终端不需通过路由器节点(router)就可直接与协调器进行通信.

2.2　硬件设计

系统采用TI公司推出的CC2430芯片来实现ZigBee通信.CC2430是TI为了实现嵌入式ZigBee应用而设计的片上系统,功能模块集成了CC2420RF收发器、高速超低功耗的8051内核、最高128KB闪存、8 KB SRAM、21个可编程通用I/O引脚、2个支持多种串行通信协议的USART、8路输入8~14位ADC、AES-128安全协处理器、可编程看门狗定时器、DMA等高性能模块,而且TI公司开发了其ZigBee协议栈,开发周期短,使得它可以用很低的费用构成ZigBee节点.加上在接收和发射模式下,电流消耗低于27 mA,有休眠模式和转换,特别适合于电池供电的应用.

内部网中的ZigBee终端由CC2430、传感器和供电电路组成.传感器与CC2430芯片的ADC模块连接,然后将监测到的数据进行模数变换,发送给协调器.终端由电池供电.

2.3　软件设计

由于TI公司开放了其针对CC2430的ZigBee协议栈,因此,要实现上述功能,需要设计各个节点的应用层软件.协调器节点和终端节点的程序流程如图3、图4所示.

协调器节点上电后进行系统初始化工作,然后等待家庭网关通过RS232发过来的建立网络命令,收到命令后,射频单元开始检查信道,若无网络则在该信道建立网络,否则继续搜索信道.ZigBee通信网络建立后,等待终端的加入.然后接收家庭网关的命令,在网络中发送开始监测的命令.在收到终端的监测数据后定期传送给家庭网关.

终端节点上电后,首先完成系统初始化工作,然后射频单元搜索指定信道是否有网络,有网络则申请加入网络,无网络则等待继续监测.加入网络后接收网络中协调器发送的命令,然后进入休眠状态,通过定时器唤醒,定期监测数据并且发送给协调器.若数据发送失败,则继续发送,直到发送成功为止.