基于Zigbee的智能家居无线家庭网络设计与实现

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【摘要】本文设计了一种基于zigbee无线通信技术的智能家居传感器网络系统。介绍了系统的总体设计方案、硬件组成及设计思路、软件设计思路等。该系统具备低组网成本、低功耗、覆盖范围大、组网方便可靠的特点，同时具备同符合标准的产品互联互通的优势，在智能家居本地组网技术中，具有良好的通用性和可扩展性。

【关键词】Zigbee；智能家居传感器网络

1.系统的总体结构设计

本智能家居系统主要由三部分构成：Zigbee无线家庭内网、嵌入式智能网关和外网。整个家庭无线网络就是一个由若干个Zigbee终端节点和协调节点组成的无线局域网。根据应用功能不同，Zigbee节点可分为三类：安防节点、控制节点、采集节点。家庭智能网关接收用户从远程通过GSM或Internet网络发来的查询或控制信息，经过处理将其转发给Zigbee协调器，协调器根据信息中地址信息把指令信息转发给Zigbee终端节点，实现对家庭内的电气设备或传感器信息的监测和控制。当然，智能家居控制器可根据传感器采集到的环境信息，对家中的电器和照明装置进行智能化的控制。通过智能网关的语音识别模块，用户也可在本地对电气设备进行语音开关控制。图1.1为智能家居系统的架构图。本文重点对基于Zigbee的无线家庭网络部分做出深入的研究及设计实现。

2.系统硬件设计

本无线家庭网络采用星型组网结构，由协调节点和终端节点组成。

2.1 终端节点硬件设计

根据应用和功能的不同，终端节点可分为采集节点、安防节点和控制节点[1]。采集节点主要用来检测家庭环境数据以及发送RF数据，它不接收协调节点发送的控制命令，但接收查询命令。例如温湿度检测、光照检测、烟雾检测等。安防节点主要对家庭中具有安全隐患的数据进行采集，例如红外线入侵检测等，该节点不接收协调节点发送的控制/查询指令，以门限触发的方式发送报警信息。控制节点主要通过Zigbee网络实现家电的控制，主要是接收协调节点的控制命令，返回查询命令的反馈值以及执行控制命令的状态值。主要包括：窗帘控制、照明灯控制以及万能遥控器控制等。

系统采用模块化的结构设计，每个Zigbee终端节点均包括Zigbee模块和控制接口部分。Zigbee模块主要负责Zigbee信号的无线收发，实现基于Zigbee网络与Zigbee协调器的数据通信。不同类型终端节点的Zigbee模块电路相同，而不同类型终端节点的接口电路却略有区别。模块通过引出通用接口，来支持智能终端功能的设计。通用接口主要包括JP1、JP2、JP3、JP4四个通用接口，其中的JP1、JP2口连接CC2430芯片，而JP3、JP4口连接传感器以及家电设备，因此需要设计JP3、JP4与家电设备之间的信息传输硬件电路。

（1）安防节点部分接口电路设计

当有人在防区内走动时，就会造成红外热辐射能量的变化。PIR传感器将感应活动人体与背景物体之间辐射能量变化并转换其为电信号。由外壳和菲涅耳透镜、PIR红外传感器、专用IC（WT8072）等电路组成热释电红外线感应器。原理图如下所示：当有人非法入侵时，WT8702的10脚（TRLAC）输出高电平，此电平信号接到JP3的P0.1脚。电路如图2.1所示。

（2）控制节点部分接口电路设计

为实现电动窗帘控制功能，系统选择L6203作为电机的功率驱动芯片，其中的IN1、IN2、ENABLE口与JP3的P0.0、P0.1、P0.4口连接，并选择B1电机作为控制节点的执行器，执行接收到的控制命令。电路图如图2.2所示。

（3）采集节点部分接口电路设计

与控制节点不同的是，传感器节点不需要添加中间电路，只需要将其I/O口与JP3连接即可，设计中采用SS-168型联网型烟雾报警器，烟雾传感器节点电路如图2.4所示。

2.2 协调节点设计

本设计针对智能家居系统硬件应该具有易开发、低功耗、低成本的特点，协调节点和终端节点均采用CC2430射频芯片作为Zigbee芯片，CC2430是无线SOC（System On Chip）设计，系统所需的一般电路都已集成在芯片内部，只需简单电路就能实现信号收发功能[2]。

协调节点是智能家居无线家庭网络的核心，负责建立和维护网络，并通过串口向智能网关发送终端节点上传来的数据信息，同时将控制中心传达的命令发送到相应的终端节点，具体结构如图2.5所示。与终端节点的不同之处在于协调节点不包含家电控制模块和信号采集模块。协调器节点在硬件平台上扩展了RS232串口，用于和家庭智能网关相连。

3.系统软件设计

3.1 Zigbee家庭网络配置

协调节点和终端节点通信的前提条件就是协调节点在空闲信道建立新的网络。因此在协调节点中需写入基于zigbee协议的无线网络配置程序。协调节点网络建立和配置过程如图3.1所示。节点上电后进行系统初始化，协调节点通过扫描空闲信道尝试建立一个新的网络。射频单元从当前频带的第一个信道开始检查该信道是否为空闲信道，若有另一个Zigbee网络处于该信道，协调节点将收到其反馈数据，并认为此信道已被占用，然后它会切换到下一个信道并重复该过程直到没有接收到任何反馈数据为止。一旦找到某个信道为空，它开始监听该信道并建立了网络。协调节点完成建网后，便开始监听网络请求并随时响应终端节点的入网请求[3]。

当收到终端节点的入网请求信号时，则发送信号来响应该节点的入网请求，同时更新地址邻接表。

3.2 终端节点入网设计

终端节点在程序下载时，就已经确定其网络组号以及节点序列号。因此，终端节点上电系统初始化之后，它会根据其网络组号需找该网络组所在的信道，一旦确定网络组所存在的信道后，发送入网请求并等待协调节点的入网响应信号，若在等待时间段内没有收到协调节点的入网响应信号，该节点将会重复上述入网过程，一直到接收到协调节点的入网响应信号为止。由于协调节点在接收终端节点入网时，会更新地址邻接表，因此，终端节点发送的入网请求的数据帧应该包含其网络组号以及序列号[4]。终端节点入网流程如图3.2所示。

3.3 终端节点软件流程设计

可以把家庭网络中的所有终端节点功能分为网络通信功能和设备操作功能两部分。协调节点的主要功能是网络通信和路由，相对于协调节点，终端节点的网络通信功能更简单。本系统中，采集节点需定时采集家庭环境数据并发送到协调节点，且同时它要监测网络中有没有发给它的查询信息，并接收处理。采集节点工作流程图如图3.3所示。

控制节点需接收控制命令来控制家电设备的工作状态，它的主要通信功能是RF消息接收功能。要使终端节点能够完成其功能，就必须在网络通信功能与设备操作功能之间建立连接，即需要在应用程序和网络通信功能之间建立接口。在程序中，通过定义相关的应用协议来实现。而安防节点，其设备操作相对简单，只需定时采集家庭环境中的安防数据即可。控制节点接收到不同的代码代表对该电气设备的不同操作，并将这些操作转换成电气设备能识别的命令，通过中间电路发送到家电设备。安防节点和控制节点工作流程图如图3.4所示。

4.结语

针对当前智能家居系统建设对于用户侧通信的需求，本文提出了基于ZigBee技术的家庭无线内网组网方案，该方案可使智能家居系统获得可靠的本地通信，对于智能家居系统的建设与发展具有重要意义。

参考文献

[1]吴却，廖力清.一种基于Zigbee的智能家居无线传感器网络的设计[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2010，15 （4）：439-441.

[2]钟雄林.基于ARM9的无线智能家居控制系统[J].信息科技，2010（9）：231-232.

[3]杨浩杰，韩秀玲.一种智能家居监控系统的设计[J].微型电脑应用，2011，27（2）：49-51.

[4]万磊，章勇，李剑.基于ZigBee无线传感器网络的智能家居设计[J].电子科技，2012，25（2）：116-119.

作者简介：王丽侠（1982—），河北唐山人，硕士研究生，唐山学院讲师，主要从事信息与通信系统研究及教学工作。