基于ZigBee的家庭智能系統設計

佟 強，高振斌，王文杰，王國君

（河北工業大學 天津 300401）

隨著Internet的普及與發展，家庭網絡化已經成為家庭現代化的潮流。家庭網絡，主要包括有線和無線兩種實現方式。由于有線網絡固有的缺點，布線麻煩，可擴展性差等，將無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢[1]。無線網絡的市場發展在邏輯上可分為面向語音的市場和面向數據的市場兩類。在許多以數據傳輸為主的無線網絡中，小型、低成本、低復雜度的無線網絡的應用場合十分廣泛[2]。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術，其網絡標準由IEEE 802.15.4規定。ZigBee協議比藍牙、高速率PAN（個人局域網）或者IEEE 802.11x無線局域網更加簡單實用[3]。

1 ZigBee簡介

2002年8月ZigBee聯盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成[4]；IEEE802.15.4的ZigBee標準于2003年5月獲得批準；2006 年，推出 ZigBee 2006，比較完善；2007 年底，Zig-Bee PRO推出。ZigBee的底層技術基于IEEE 802.15.4。物理層和MAC層直接引用了IEEE 802.15.4標準。而ZigBee聯盟負責網絡層和應用層的開發，以及制定其安全協議和市場推廣等。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4 GHz物理層和868/915 MHz物理層。這兩個物理層都基于DSSS直接序列擴頻技術，使用相同的物理層數據包格式。ZigBee在2.4 GHz頻段有16個信道，能夠提供250 Kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4 GHz附近各種無線通信設備的相互干擾[5]。

2 家庭網絡拓撲結構選擇

ZigBee標準有3種網絡拓撲結構：星型、網狀型、樹型。本文智能家居系統的實際情況如下：1）傳感器節點由電池供電，而家庭網關通過電源供電，所以應該盡量減少傳感器節點的工作量，以節約傳感器節點用電；2）智能家居中接入的主要是傳感器和開關，網絡中數據量不大，沒有必要采用復雜的網絡拓撲來保證數據通信；3）智能家居控制網絡的設計不需要很大的覆蓋范圍，根據ZigBee標準的說明，空曠環境最大傳輸距離100 m，在室內環境一般也能達到30多米的覆蓋距離，這對大多數的智能家居系統來說足夠。星型拓撲結構完全能滿足要求，并且成本低廉、實現簡單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設計選擇星型拓撲結構[6]。

3 網絡節點設計

網絡節點由單片機、無線傳輸模塊、數據采集和控制電路組成[7]，如圖1所示。其中，單片機選用低功耗的ATMEGA 128L，無線模塊選用CC2420型射頻收發器，兩者通過SPI接口連接。ATMEGA128L是高端8位微處理器，具有高性能，低功耗等特點，可提供128 K字節的可編程FLASH，4 K字節的SRAM，具有簡化高效的RISC指令體系。

圖1 網絡節點框圖

CC2420是符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發器。該器件是適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的Smart RF 03技術，以 0.18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE 802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

CC2420只需要極少的外圍元件，外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分[8]。CC2420 通過 4 線 SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式，并實現讀/寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等功能。通過控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進行的地址和數據傳輸大多是MSB優先的。CC2420片內有33個16比特狀態設置寄存器，在每個寄存器的讀/寫周期中，SI總線上共有24比特數據，分別為：1 比特 RAM/寄存器選擇位（0 ：寄存器，1：RAM），1 比特讀/寫控制位（0：寫，1：讀），6 比特地址選擇位、16 比特數據位。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。圖2為RF狀態控制圖。另外，通過CCA引腳狀態的設置可以控制清除通道估計，通過SFD引腳狀態的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應引腳相連來實現系統射頻功能的控制與管理。

圖2 RF狀態控制圖

CC2420與單片機的連接如圖3所示，數字為ATMEGA128對應引腳。網絡節點通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態并接通過繼電器控制電氣設備的開關。系統節點如圖4所示。

圖3 CC2420與單片機的連接

圖4 網絡節點實物圖

網絡節點通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態并接通過繼電器控制電氣設備的開關。系統選擇一個節點為星型網絡的主控節點，該節點連接短信模塊，直接與用戶通信，向其他節點傳遞用戶命令同時向用戶發送節點狀態、報警等信息。短信模塊選用西門子的TC35i，西門子公司的TC35i模塊是一個支持中英文短信息的工業級GSM模塊。

基于GSM網絡的短消息技術與處理器之間的接口實際上是通過一系列AT命令實現的。在短消息模塊收到網絡發來的短消息時，能夠通過串口發送指示信息到單片機進而用戶可以查詢控制電器狀態。短消息的文本模式與PDU模式目前，發送短消息常用的為text模式和PDU模式。使用text模式收發短信代碼簡單，容易實現，但最大缺點是不能收發中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發送英文短信。

PDU模式收發短信可以使用 3種編碼：7 bit、8 bit和UCS2編碼。7 bit編碼用于發送普通的ASCII字符，8 bit編碼通常用于發送數據消息，UCS2編碼用于發送Unicode字符。一般的PDU編碼由十三項組成，它包括：短信息中心地址長度；短信息中心號碼類型；短信息中心號碼；文件頭字節；信息類型；被叫號碼長度；被叫號碼類型；被叫號碼；協議標識；數據編碼方案；有效期；用戶數據長度；用戶數據。

4 系統軟件設計

系統選擇一個節點為星型網絡的主控節點，該節點連接短信模塊，直接與用戶通信，向其他節點傳遞用戶命令同時向用戶發送節點狀態、報警等信息。其他節點除了短信模塊和任務，與主節點流程基本相同。每個節點都有自己的固定地址，相互之間不會形成干擾。圖5為該系統設計的程序流程。

圖5 系統程序設計流程

用VB設計上位機界面，用戶可通過PC進入控制系統，可實現電器的控制并能直接觀察需要的環境參數。圖6為上位機界面。

圖6 上位機界面

5 結束語

通過測試，節點室外空曠地通信距離最遠可達200 m，室內40 m，節點功耗低，由兩節干電池供電，可使用3～6個月。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，該系統采用ZigBee技術構建的無線家庭控制網絡，無需對室內電線作任何改動，也無需另外布線，僅通過增加分機就可增加控制的容量，擴展方便、易行。

[1]林政廷.智能家電家庭控制網絡發展現況介紹[J].電子與電腦，2004（11）：23－26.

[2]蔡型，張思全.短距離無線通信技術綜述[J].現代電子技術，2004（3）：35－37.

[3]蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006：102－105.

[4]趙景宏，李英凡，許純信.ZigBee技術簡介[J].電力系通通信，2006（7）：54－56.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6]翟雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[7]楊祥，趙榮陽，張遠翼.基于ZigBee的智能家庭系統控制終端設計[J].微計算機信息，2009，25（1－3）：126－128.

[8]王秀梅，劉乃安.利用 2.4GHz射頻芯片CC2420實現Zig-Bee 無線通信設計[J].電子設計工程，2005（3）：59－62.