基於ZigBee技術智能家居系統組網

一、引言

隨著生活水平的提高和科技的發展，近幾年來，我們經常能聽到「信息家電」或「智能家居」的詞語。家用電器產品開始朝著家庭自動化（Home Automation）的方向發展，家庭自動化的目的是利用微電子處理技術，集成或控制家中的電子電器產品或系統，如咖啡爐、電腦、保安系統、暖氣及冷氣系統、照明系統、視頻及音響系統等。從控制層次來分，智能家居控制系統一般有信息終端節點、家庭控制子網、家庭網關和外部網路幾部分組成。

我們從目前家庭內部電器特徵分析可見，家用電器通信多數屬於信號量少的控制信號，少數(電腦、電話、電視、音響等)數據量大的電器一般都有專用線路。由以上分析可得，考慮到實用性和價格因素，ZigBee是智能家居系統的首選。

二、家庭組網新技術－ZigBee

ZigBee是一種新的無線連接技術，該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低複雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用。相對於現有的各種無線通信技術，Zigbee技術是功耗和成本最低的技術之一。Zigbee技術的低數據速率和通信範圍較小的特點，也決定了Zigbee技術適合於承載數據流量較小和QoS的要求不高的業務。

ZigBee的主要特性包括：工作頻段：2.4GHz、868MHz、915MHz；最高數據傳輸速率：250、20、40kbps；覆蓋範圍：10～100 m；協議棧容量：

28 KB；可連接的設備數量為254個，且功耗極低、響應速率極快，模塊成本在2美元左右。

三、基於ZigBee技術的家庭網路的組建

1、家庭網路拓撲結構的選擇

ZigBee標準有三種網路拓撲結構：星型、網狀、樹型。本文智能家居系統的實際情況如下：

（1）、感測器節點由電池供電，而家庭網關通過電源供電，所以應該盡量減少感測器節點的工作量，以節約感測器節點用電；

（2）、智能家居中接入的主要是感測器和開關，網路中數據量不大，沒有必要採用複雜的網路拓撲來保證數據通信；

（3）、智能家居控制網路的設計不需要很大的覆蓋範圍，根據ZigBee標準的說明，空曠環境最大傳輸距離100m，在室內環境一般也能達到30多米的覆蓋距離，這對於大多數的智能家居系統來說足夠了。星型拓撲結構完全能滿足要求，並且成本低廉、實現簡單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由定址等功能，因此本設計選擇星型拓撲結構。

基於ZigBee技術的智能家居系統的網路拓撲結構如圖2所示。其中，家庭網關是全功能設備，它充當網路協調器，由它主導網路的建立，監督網路的正常運行。它配置較多的存儲空間，完成網路初始化、數據採集、設備控制等功能。另外，它配置16bit本地地址給設備以節省帶寬。其他的無線通信ZigBee子節點模塊則是精簡功能設備，完成感測器狀態採集，查詢響應、控制設備等，它們只能與家庭網關之間進行通信，相互之間不能進行通信。

ZigBee網路具有自組織功能和自愈功能，這就保證了ZigBee網路的建立，增加和刪除一個節點以及節點位置發生變動，不需要人工干預ZigBee網路可以自動完成。

家庭網路的組建主要包括系統上電初始化，網路拓撲更新和節點與網關通信三方面。家庭網關是系統的主控設備，起著網路協調器的作用，主導網路建立和網路運行的整個過程。

(1)系統上電初始化

系統上電以後，家庭網關以廣播的方式向上電的終端節點發送數據幀，終端節點收到數據幀以後，會產生一個0～256之間的隨機數，這個隨機數乘以系統的時延基數得到該節點的時延。每個節點等到時延以後向家庭網關發送入網請求(此時用64位IEEE擴展地址作為節點號)，家庭網關收到請求以後給終端節點分配一個16bit的地址作為入網後的節點號，並在地址表中記錄該節點的信息。若終端節點發送請求一段時間後沒有得到網關的回應，則再產生一個隨機時延重新發送請求。家庭網關採集完所有上電終端節點信息後，則系統上電初始化完成。

(2)網路拓撲更新

ZigBee網路具有自組織功能，當網路拓撲發生變化後，家庭網關應該發現並記錄發生的變化，網路拓撲變化主要是終端節點的接入和拆除引起的。終端節點的接入：系統運行中，新上電的終端節點向家庭網關發送入網請求，家庭網關收到請求後首先檢查地址表中是否記錄了該節點，若沒有則給節點分配一個16bit的節點號，並在地址表中記錄該節點的信息。如果節點發送請求一段時間後沒有得到回應，則等待隨機時延後再次發送請求。這樣就完成了終端節點的接入。

終端節點的拆除：終端節點的拆除可能有兩種情況，一是終端節點請求拆除，網關節點收到請求後，收回節點號並對拆除請求進行確認；二是家庭網關三次與一個終端節點請求通信失敗後，則將該節點拆除，如果該終端節點三次向網關請求通信失敗，該終端節點重新發送入網請求，並被分配一個新的節點號。

(3)節點與網關通信

終端節點只能與家庭網關通信，節點之間不能通信。家庭網關對終端節點的操作包括信息採集、節點設置、節點操作和節點重啟。信息採集就是指採集感測器節點上傳的信息，如溫度、濕度等；節點設置就是指設置終端節點的某些參數，譬如煤氣感測器的門限值；節點操作主要指對終端節點的控制，例如對照明系統的亮度控制，電視及空調的開關等。節點重啟指當家庭網關發現終端節點上傳的數據明顯錯誤時，關閉該節點並重新啟動。

ZigBee網路應用層有四種類型幀格式：數據請求幀、數據確認幀、命令請求幀、命令確認幀。其中數據請求幀和命令請求幀統稱為請求幀，有相似的幀格式；數據確認幀和命令確認幀統稱為確認幀，幀格式相似。

在系統運行中還要注意終端節點電量的監測，終端節點電量過低可能會發出錯誤信息。因此，家庭網關必須對終端節點的電量進行監測，當發現節點電量較低時，拆除該節點。

此外，為了降低終端節點的功耗，當終端節點沒有數據通信時，節點處於等待或休眠低功耗模式，家庭網關記錄該節點的狀態，當該節點有數據通信時再將其喚醒。智能家居系統的ZigBee網路就是這樣組建起來的。

3、通信協議

ZigBee網路的物理層和MAC層的通信協議遵循IEEE802.15.4標準，由於本文中智能家居系統中ZigBee網路採用簡單的星型拓撲結構，網路層也不涉及路由定址等問題，因此，本文通信協議的設計主要考慮應用層。

4、ZigBee節點的實現

感測器的實現機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串列通信模塊，將採集的數據以無線方式發送出去。其主要包括ZigBee無線通信模塊、微控制器模塊、感測器模塊及介面、直流電源模塊以及外部存儲器等。ZigBee無線通信模塊負責數據的無線收發；微控制器負責鏈路管理與控制，執行通信協議和相關的處理過程，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。調理的感測器模擬信號經過A/D轉換後暫存於緩存中，由ZigBee無線通信模塊通過無線信道發送到主控節點，再進行特徵提取、信息融合等高層決策處理。

四、結束語

ZigBee技術彌補了低成本、低功耗、近距離和低速率無線通信市場的空白，隨著正式版本協議的公布，更多的注意力和研發力量將轉移到應用的設計和實現上。目前智能家居在國內外都有了很大的發展，並趨於完善。