隨著時代的發(fā)展，人們將更多的注意力放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上，從而出現(xiàn)了智能家居的概念。智能家居控制系統(tǒng)使人們可以對家居內(nèi)的任意電器進行數(shù)字化控制，利用計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術將與家居生活有關的各種設備有機地結(jié)合在一起，進行集中管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。本文以ZigBee技術對智能家居內(nèi)部進行無線網(wǎng)絡組網(wǎng)，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計，實現(xiàn)節(jié)點對各種傳感器信息的采集、傳輸和控制功能。
1 Zigbee技術
ZigBee技術是一種強調(diào)極低耗電、極低成本的短距離無線網(wǎng)絡技術，遵循IEEE802.15.4標準。它專注于低速率傳輸控制，網(wǎng)絡容量大，時延短，提供數(shù)據(jù)完整性檢查，加密算法采用AES-128，網(wǎng)絡擴充性強，有效覆蓋范圍為10～75 m，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭環(huán)境，通信頻率采用2.4 GHz免執(zhí)照頻段。
ZigBee是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的，有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。IEEE802.15.4僅定義了MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟則對其網(wǎng)絡層和應用層進行了標準化。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由傳感器、CC2430無線模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
無線傳感器網(wǎng)絡采用樹狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡中有一個協(xié)調(diào)器，負責整個網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)以及網(wǎng)絡的管理。終端節(jié)點（傳感器節(jié)點）上電復位后，會搜索協(xié)調(diào)器節(jié)點，當能夠搜索到協(xié)調(diào)器時，直接申請加入網(wǎng)絡。當終端節(jié)點搜索不到協(xié)調(diào)器時，這時就會通過路由器節(jié)點找到協(xié)調(diào)器來加入網(wǎng)絡。
加入網(wǎng)絡后保持待機狀態(tài)，當有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，按照組網(wǎng)時的路徑來收發(fā)數(shù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)器通過串口與PC機相連，利用超級終端實現(xiàn)發(fā)送命令或者顯示數(shù)據(jù)。
3 硬件電路設計
本文設計的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由協(xié)調(diào)器模塊，路由器模塊，傳感器模塊，串口轉(zhuǎn)換模塊，供電模塊以及PC機等組成。其中協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器3個模塊作為主要的無線通信模塊，由主控芯片CC2430作為數(shù)據(jù)處理以及無線收發(fā)器。其系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖
3.1 主控芯片
選用CC2430芯片作為無線收發(fā)器和數(shù)據(jù)處理及控制器。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它采用增強型8051MCU、32／64／128 kB閃存、8 kBSRAM等高性能模塊，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個定時器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器。32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I／O引腳。
3.2 無線模塊設計
1）協(xié)調(diào)器模塊
協(xié)調(diào)器節(jié)點由電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、LCD模塊、LED指示燈、時鐘、處理器CC2430、天線等部分組成。CC2430的工作電壓為3～3.3 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換模塊把電壓從5 V降低到3.3 V左右；LED指示燈用來顯示協(xié)調(diào)器節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)信息（如是否組網(wǎng)成功）；LCD模塊是用戶和傳感器網(wǎng)絡的交互界面，用來顯示功最長能菜單，用戶通過按鍵來選擇功能菜單。其電路圖如圖3所示。
圖3 節(jié)點電路圖
2）傳感器模塊與路由器模塊
傳感器模塊亦即是終端節(jié)點模塊，由傳感器、處理器CC2430、天線、LED指示燈、時鐘等部分組成。LED指示燈由P1.0、P1.1口控制。傳感器模塊就是在協(xié)調(diào)器模塊的基礎上去掉了LCD，而加入了傳感器。傳感器選用了DHT11溫濕度傳感器，與P0.0口相連，來負責數(shù)據(jù)采集。路由器模塊與傳感器模塊的硬件電路相同，只是在編程實現(xiàn)功能上有所不同。
4 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件設計
在ZigBee網(wǎng)絡中，只有那些可以成為ZigBee協(xié)調(diào)器的設備才能建立新網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器首先執(zhí)行信道掃描，如果發(fā)現(xiàn)了一個合適的信道，協(xié)調(diào)器就要為新網(wǎng)絡選擇一個PAN ID，然后協(xié)調(diào)器進入*狀態(tài)，隨時響應其他節(jié)點的入網(wǎng)請求。
ZigBee網(wǎng)絡有兩種設備類型：全功能節(jié)點（FFD）和半功能節(jié)點（RFD）。RFD為終端節(jié)點，F(xiàn)FD可以作為協(xié)調(diào)器或路由。軟件設計包括網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器程序以及路由器、終端節(jié)點程序。它們均包括初始化程序、協(xié)議棧配置、組網(wǎng)方式配置程序、各處理層設置程序以及發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對CC2430、協(xié)議棧、UART串口等進行初始化；發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)通過CC2430調(diào)制并通過DMA直接送至射頻輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收、遠傳及返回信息處理。主程序流程如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
主程序主要分為2部分，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器程序以及路由器、終端節(jié)點程序。
對于網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器主程序，首先初始化CC2430，然后初始化協(xié)議棧。之后程序建立一個新的網(wǎng)絡，確定網(wǎng)絡的ID號和頻道號。之后程序開始進入監(jiān)測狀態(tài)。如果有新的設備請求加入網(wǎng)絡，則為其分配網(wǎng)絡地址，批準其加入網(wǎng)絡。同樣，協(xié)調(diào)器接收終端設備無線發(fā)送來的信息，并通過串口發(fā)送給上位機，或者從上位機得到命令，發(fā)送過終端設備。
對于路由器、終端節(jié)點程序，首先初始化CC2430，然后初始化協(xié)議棧。之后程序開始搜索網(wǎng)絡，當附近存在網(wǎng)絡時，則申請加入網(wǎng)絡。之后程序進入待機休眠狀態(tài)。如果終端傳感器有信息要發(fā)送，或者接收到協(xié)調(diào)器的命令，則喚醒設備，進行無線發(fā)送或接受。當事件處理完時，重新進入待機休眠狀態(tài)。
5 系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個方面：建立樹狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)；查詢網(wǎng)絡中各節(jié)點信息和傳感器數(shù)據(jù)，如電池電量、節(jié)點溫度信息等；控制節(jié)點的開關功能。
本系統(tǒng)使用了4個無線網(wǎng)絡節(jié)點，這樣能夠組成一個基本的無線網(wǎng)絡。并且根據(jù)情況做了多種組網(wǎng)測試：
1）1個協(xié)調(diào)器節(jié)點，3個終端節(jié)點；
2）1個協(xié)調(diào)器節(jié)點，1個路由器節(jié)點，2個終端節(jié)點；
3）1個協(xié)調(diào)器節(jié)點，2個路由器節(jié)點，1個終端節(jié)點。
在2）和3）情況下，根據(jù)節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間距離、各節(jié)點彼此之間距離的不同，又會產(chǎn)生多種組網(wǎng)方式。例如2）情況下，終端節(jié)點離協(xié)調(diào)器近的話，會直接與協(xié)調(diào)器連接；而當搜索不到協(xié)調(diào)器時，就會通過路由器來連接。圖5為3）情況下的一種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
圖5 節(jié)點管理界面
圖5所示為C51RF-WSN網(wǎng)絡監(jiān)控軟件所截圖，通過此軟件，可以實時查看網(wǎng)絡狀態(tài)，并能向各個節(jié)點發(fā)送命令信息，例如查看網(wǎng)絡狀態(tài)，查看信號質(zhì)量，電池電量，采集數(shù)據(jù)信息等。
智能家居系統(tǒng)的終端節(jié)點可以包括許多內(nèi)容，從而實現(xiàn)一些子系統(tǒng)。例如：照明系統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，家電控制系統(tǒng)等。在我們設計的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中，實現(xiàn)了遠程控制燈開關照明；利用DHT11溫濕度傳感器實現(xiàn)終端節(jié)點的溫濕度監(jiān)測，其信息能夠在PC機上很好的顯示出來。
圖6所示為傳感器所測2個路由器節(jié)點與1個終端節(jié)點的溫濕度信息。
圖6 溫濕度信息
6 結(jié)束語
針對我國智能家居快速發(fā)展的背景，本文對基于ZigBee技術的智能家居組網(wǎng)進行了軟硬件設計。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)以CC2430無線射頻芯片為核心，節(jié)省了成本，并且終端節(jié)點小巧，放置靈活，功耗極低，提高了監(jiān)控能力，再加上采用樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)使得通信更加可靠，易于控制，非常方便實用，并且成本低廉。因此，ZigBee技術將會有廣闊的應用前景。
