摘要：介紹了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，將ZigBee技術(shù)應用到智能家居系統(tǒng)中。提出了一種以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。闡述了無線傳感器網(wǎng)絡的總體構(gòu)成，以CC2430無線芯片為棱心，選取了合適的ZigBee模塊進行了硬件電路設(shè)計。研究并分析了ZigBee技術(shù)。設(shè)計并實現(xiàn)了串口收發(fā)程序，傳感器程序，以及節(jié)點間的無線通信程序，并根據(jù)ZigBee協(xié)議，使節(jié)點組成樹狀網(wǎng)絡，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了設(shè)計目的，有著廣泛的應用前景。
關(guān)鍵詞：智能家居；無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；CC2430

    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(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)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(shù)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(shè)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(shù)
    ZigBee技術(shù)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(shù)，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(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)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(shè)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(shè)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。

    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(shè)計
    本文設(shè)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。

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(shè)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。

    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(chǔ)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(shè)計
    在ZigBee網(wǎng)絡中，只有那些可以成為ZigBee協(xié)調(diào)器的設(shè)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)器進入監(jiān)聽狀態(tài)，隨時響應其他節(jié)點的入網(wǎng)請求。
    ZigBee網(wǎng)絡有兩種設(shè)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(shè)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(shè)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。

    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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)計的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中，實現(xiàn)了遠程控制燈開關(guān)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。

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(shù)的智能家居組網(wǎng)進行了軟硬件設(shè)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(shù)將會有廣闊的應用前景。