一、引言

隨著生活水平的提高和科技的發(fā)展，近幾年來(lái)，我們經(jīng)常能聽到“信息家電”或“智能家居”的詞語(yǔ)。家用電器產(chǎn)品開始朝著家庭自動(dòng)化（Home Automation）的方向發(fā)展，家庭自動(dòng)化的目的是利用微電子處理技術(shù)，集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，如咖啡爐、電腦、保安系統(tǒng)、暖氣及冷氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、視頻及音響系統(tǒng)等。從控制層次來(lái)分，智能家居控制系統(tǒng)一般有信息終端節(jié)點(diǎn)、家庭控制子網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)幾部分組成。

我們從目前家庭內(nèi)部電器特征分析可見，家用電器通信多數(shù)屬于信號(hào)量少的控制信號(hào)，少數(shù)(電腦、電話、電視、音響等)數(shù)據(jù)量大的電器一般都有專用線路。由以上分析可得，考慮到實(shí)用性和價(jià)格因素，ZigBee是智能家居系統(tǒng)的首選。

二、家庭組網(wǎng)新技術(shù)－ZigBee

ZigBee是一種新的無(wú)線連接技術(shù)，該無(wú)線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，Zigbee技術(shù)是功耗和成本最低的技術(shù)之一。Zigbee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了Zigbee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小和QoS的要求不高的業(yè)務(wù)。

ZigBee的主要特性包括：工作頻段：2.4GHz、868MHz、915MHz；最高數(shù)據(jù)傳輸速率：250、20、40kbps；覆蓋范圍：10～100 m；協(xié)議棧容量：

28 KB；可連接的設(shè)備數(shù)量為254個(gè)，且功耗極低、響應(yīng)速率極快，模塊成本在2美元左右。

三、基于ZigBee技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)的組建

1、家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀、樹型。本文智能家居系統(tǒng)的實(shí)際情況如下：

（1）、傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過(guò)電源供電，所以應(yīng)該盡量減少傳感器節(jié)點(diǎn)的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)用電；

（2）、智能家居中接入的主要是傳感器和開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)保證數(shù)據(jù)通信；

（3）、智能家居控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)不需要很大的覆蓋范圍，根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的說(shuō)明，空曠環(huán)境最大傳輸距離100m，在室內(nèi)環(huán)境一般也能達(dá)到30多米的覆蓋距離，這對(duì)于大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)來(lái)說(shuō)足夠了。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且成本低廉、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、連接容易、容易擴(kuò)充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設(shè)計(jì)選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是全功能設(shè)備，它充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由它主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。它配置較多的存儲(chǔ)空間，完成網(wǎng)絡(luò)初始化、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等功能。另外，它配置16bit本地地址給設(shè)備以節(jié)省帶寬。其他的無(wú)線通信ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊則是精簡(jiǎn)功能設(shè)備，完成傳感器狀態(tài)采集，查詢響應(yīng)、控制設(shè)備等，它們只能與家庭網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行通信，相互之間不能進(jìn)行通信。

2、家庭網(wǎng)絡(luò)的組建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織功能和自愈功能，這就保證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，增加和刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，不需要人工干預(yù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)完成。

家庭網(wǎng)絡(luò)的組建主要包括系統(tǒng)上電初始化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓潞凸?jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信三方面。家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的主控設(shè)備，起著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的作用，主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建立和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程。

(1)系統(tǒng)上電初始化

系統(tǒng)上電以后，家庭網(wǎng)關(guān)以廣播的方式向上電的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，終端節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀以后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)0～256之間的隨機(jī)數(shù)，這個(gè)隨機(jī)數(shù)乘以系統(tǒng)的時(shí)延基數(shù)得到該節(jié)點(diǎn)的時(shí)延。每個(gè)節(jié)點(diǎn)等到時(shí)延以后向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求(此時(shí)用64位IEEE擴(kuò)展地址作為節(jié)點(diǎn)號(hào))，家庭網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求以后給終端節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16bit的地址作為入網(wǎng)后的節(jié)點(diǎn)號(hào)，并在地址表中記錄該節(jié)點(diǎn)的信息。若終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求一段時(shí)間后沒有得到網(wǎng)關(guān)的回應(yīng)，則再產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)時(shí)延重新發(fā)送請(qǐng)求。家庭網(wǎng)關(guān)采集完所有上電終端節(jié)點(diǎn)信息后，則系統(tǒng)上電初始化完成。

(2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓?/p>

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化后，家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)該發(fā)現(xiàn)并記錄發(fā)生的變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓饕墙K端節(jié)點(diǎn)的接入和拆除引起的。終端節(jié)點(diǎn)的接入：系統(tǒng)運(yùn)行中，新上電的終端節(jié)點(diǎn)向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，家庭網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求后首先檢查地址表中是否記錄了該節(jié)點(diǎn)，若沒有則給節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16bit的節(jié)點(diǎn)號(hào)，并在地址表中記錄該節(jié)點(diǎn)的信息。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求一段時(shí)間后沒有得到回應(yīng)，則等待隨機(jī)時(shí)延后再次發(fā)送請(qǐng)求。這樣就完成了終端節(jié)點(diǎn)的接入。

終端節(jié)點(diǎn)的拆除：終端節(jié)點(diǎn)的拆除可能有兩種情況，一是終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求拆除，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后，收回節(jié)點(diǎn)號(hào)并對(duì)拆除請(qǐng)求進(jìn)行確認(rèn)；二是家庭網(wǎng)關(guān)三次與一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求通信失敗后，則將該節(jié)點(diǎn)拆除，如果該終端節(jié)點(diǎn)三次向網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求通信失敗，該終端節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，并被分配一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)號(hào)。

(3)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信

終端節(jié)點(diǎn)只能與家庭網(wǎng)關(guān)通信，節(jié)點(diǎn)之間不能通信。家庭網(wǎng)關(guān)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的操作包括信息采集、節(jié)點(diǎn)設(shè)置、節(jié)點(diǎn)操作和節(jié)點(diǎn)重啟。信息采集就是指采集傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的信息，如溫度、濕度等；節(jié)點(diǎn)設(shè)置就是指設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)的某些參數(shù)，譬如煤氣傳感器的門限值；節(jié)點(diǎn)操作主要指對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的控制，例如對(duì)照明系統(tǒng)的亮度控制，電視及空調(diào)的開關(guān)等。節(jié)點(diǎn)重啟指當(dāng)家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)明顯錯(cuò)誤時(shí)，關(guān)閉該節(jié)點(diǎn)并重新啟動(dòng)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層有四種類型幀格式：數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀、數(shù)據(jù)確認(rèn)幀、命令請(qǐng)求幀、命令確認(rèn)幀。其中數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀和命令請(qǐng)求幀統(tǒng)稱為請(qǐng)求幀，有相似的幀格式；數(shù)據(jù)確認(rèn)幀和命令確認(rèn)幀統(tǒng)稱為確認(rèn)幀，幀格式相似。

在系統(tǒng)運(yùn)行中還要注意終端節(jié)點(diǎn)電量的監(jiān)測(cè)，終端節(jié)點(diǎn)電量過(guò)低可能會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤信息。因此，家庭網(wǎng)關(guān)必須對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電量較低時(shí)，拆除該節(jié)點(diǎn)。

此外，為了降低終端節(jié)點(diǎn)的功耗，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于等待或休眠低功耗模式，家庭網(wǎng)關(guān)記錄該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)通信時(shí)再將其喚醒。智能家居系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)就是這樣組建起來(lái)的。

3、通信協(xié)議

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層的通信協(xié)議遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，由于本文中智能家居系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層也不涉及路由尋址等問(wèn)題，因此，本文通信協(xié)議的設(shè)計(jì)主要考慮應(yīng)用層。

4、ZigBee節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是以ZigBee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送出去。其主要包括ZigBee無(wú)線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲(chǔ)器等。ZigBee無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)；微控制器負(fù)責(zé)鏈路管理與控制，執(zhí)行通信協(xié)議和相關(guān)的處理過(guò)程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制和功率模式等。調(diào)理的傳感器模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后暫存于緩存中，由ZigBee無(wú)線通信模塊通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn)，再進(jìn)行特征提取、信息融合等高層決策處理。

四、結(jié)束語(yǔ)

ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗、近距離和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空白，隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)移到應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上。目前智能家居在國(guó)內(nèi)外都有了很大的發(fā)展，并趨于完善。