基于ZigBee无线传感网络的嵌入式智能家居监控系统研究

李超杰

(南京赛宝工业技术研究院,江苏　南京　211135)

基于ZigBee无线传感网络的嵌入式智能家居监控系统研究

李超杰

(南京赛宝工业技术研究院,江苏南京211135)

[摘要]以ZigBee无线传感网络为基础而设计的嵌入式智能家居监控系统,解决了传统系统中高功耗、有通信盲区存在的问题,文章从硬件和软件两方面分析了ZigBee无线模块的设计,实现了低成本、扩展性好以及无缝通信的要求。

[关键词]ZigBee；无线传感网络；智能家居

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.10.058

如今社会,经济水平不断提高,科技发展水平日新月异,人们对家庭居住环境的要求也越来越高,智能家居应运而生。智能家居是一种具有广泛功能的综合性技术系统,将自动控制、计算机、传感、网络以及嵌入式等多种技术应用在家庭住宅中,集成各种家庭生活相关的应用子系统形成一个数字化的网络结构,综合进行科学管理和监控以保持居住环境的安全性、舒适性以及节能性。构架家庭内部网络以及智能控制,这两点是智能家居系统中的关键部分。家庭内部网又分为无线网络和有线网络两种组网方式。而今国内外对于组建家庭无线网络方面十分重视,蓝牙、红外线、Wifi以及ZigBee都属于无线,其中ZigBee应用在智能家居中得到了广泛的好评,主要是因为它具有功耗极低、安全性良好、成本造价低以及容量大等优势。

1ZigBee技术概述

ZigBee一词是从蜜蜂群发现花粉位置时候跳的舞蹈演变而来的,人们用此来代称一种成本、功耗低并且简单易懂的近距离无线网络通信技术。ZigBee技术一般应用在较近的范围内或者是在传输速率较低的电子设备之间使用,因此在传输各种家电的无线控制指令方面非常适合。在传输的数据类型方面主要有以下几种：

以传感器为代表的周期性数据、以鼠标为代表的重复低反应时间数据、以照明控制为代表的间歇性数据。

2家居监控系统中ZigBee无线模块的硬件设计

在家居监控系统中的ZigBee无线模块主要分为主、从两个节点,区分方式可以通过对控制位的设置来实现,主节点和从节点的相同之处在于无线收发部分的硬件设计,差异在于主节点信息交互是与数据处理模块进行的,而从节点信息交互则是与被测对象之间进行的。图1(a)(b)为ZigBee节点模块的硬件结构示意图,可以看出主要分为两个部分,一部分是负责无线收发,另一部分是对通信接口进行控制。

图1(a)　ZigBee无线模块主节点硬件示意图

图1(b)　ZigBee无线模块从节点的硬件示意图

节点之间的数据通信是无线收发部分负责的内容：PC机和从节点之间使用串行接口进行连接,从而进行调试或者连接其他相关电器的设备接口,对电器开工进行控制；而主节点中虽然有串行接口的设计,但是它以SPI控制通信接口为主,负责与TMS320F2812主控芯片之间交互传输数据。

在进行该模块硬件设计的时候,首先是选择合适的芯片。自从ZigBee技术出现,就有众多无线芯片公司注意到了它并且开始研制相关的产品,而芯片的功能也从最初的单纯无线收发发展成为了一个集合体,汇集了微处理器和无线射频控制器,同时产品体积也缩小了不少,开放应用变得更加便利。本设计中使用的芯片为CC2430,它将微处理器、ZigBee射频前端以及内存集于一体。并且CC2430芯片的生产工艺决定了它在工作中只会产生小于27mA的电流损耗,对于智能家居来说采集和控制无线数据正需要这种低功耗的特点。

然后是分析该模块具体的设计原理,CC2430的外围电路,在工作中使用两种电压,内部的工作电压为+1.8V,而外部数字I/O接口的电压则为+3.3V,通过电压转化一个直流稳压器诞生了,实现了电压从+3.3V到+1.8V之间的转化。对于智能家居系统来说这种供电方式非常科学,只需要一块+3.3V的纽扣电池就可以为该无线收发模块提供足够的电力了。

图2　CC2430无线模块原理图

3智能家居监控系统的软件设计

星型网、网状网和树型网三种网络拓扑结构ZigBee都是支持的,其中最省电的是星型网,同时因为其结构简单，所以也是成本最低的,节点设备和协调器之间进行通信,维护和检修设备的时候会更加便利。本设计底层无线传感网络选择了星型的拓扑结构,用于采集监控系统的数据并进行一些简单的控制。

3.1智能家居中ZigBee无线传感网络的组网

首先将协调器设置为ZigBee主无线模块,终端器件为剩余的节点模块,然后协调器网络层接收协调器应用层发出的原语来建立新的网络。在开始建网以后协调器网络层首先会向MAC层发出请求,检测扫描物理层中的有效信道的能量，从而将可能被占用的信道排除出去,最终扫描结果会返回到网络层。

在能量检测扫描的结果发送到网络层的管理实体中以后,会进一步的处理那些处于能量范围之内的信道,通过原语的发送网络层管理实体将主动执行扫描过程,同时将信道内其余的终端节点模块搜寻出来。同时网络层管理实体还会对PAN标识符进行检查从而将建网的最佳信道确定下来,新建网络的最小编号就是查到的首个信道。如果经过网络层管理实体查找之后,没有信道与其他节点模块通信相符合的话,就会停止新建过程并且将建网失败的信息发送至协调器应用层。

如果有合适的信道被网络层管理实体寻找到,那么就会选择一个PAN标识符给这个新网络,在选择之前首先要检查PANID参数的指定情况,确认没有冲突的问题,那么该ID就是新网络的PANID了。一旦PANID选择完成,接下来需要进行十六位网络地址的选择,然后网络层的管理实体会发送原语给MAC层,将个域网启动起来并且接收反馈的启动状态,图3为整体的流程图。

图3　网络建立流程

3.2将终端节点添加入智能家居ZigBee无线传感网络中

成功建立网络以后需要在其中进行重点设备或者说是终端节点的添加。首先终端设备的网络层管理实体将会发送请求,孤点扫描PHY层中每一条有效的通信信道,并且将结果通过原语返回。如果有网络协调器设备被扫描到了,那么网络管理层将会向上层报告并且发送连接请求。网络协调器工作状态正常则标志着网络成功建立了,可以再继续打开更多的终端节点使其加入网络。

4结论

本文从国内外智能家居方面人们的实际需求出发,结合了其未来的发展前景,提出了一种具体的设计方案。目的在于为人们提供更好的家居生活环境。

参考文献:

陈智杰,余楚中,等.ZigBee技术在家居智能监控中的应用研究[J].微计算机信息,2011(1):64-66.

[作者简介]李超杰(1991—),男,汉族,江苏南京人,硕士研究生,助理工程师。研究方向：软件测试。