基于ZigBee的智能家居通用節點設計

董 哲，邵曉琳

（北方工業大學 電氣與控制工程學院，北京 100144）

0 引 言

ZigBee技術，在消費性電子設備、工業控制、汽車及智能交通、農業自動化、醫療輔助控制等方面具有廣闊的應用前景。TI的CC2530芯片具備了實現Zig－Bee技術的各種底層硬件需求，是真正的一體化解決方案，完全符合ZigBee技術對節點“體積小”的要求。TI提供的ZStack協議棧，使ZigBee節點的軟件開發轉為應用程序的開發，盡可能地減輕了軟件開發的工作量。

從系統的角度來看，智能化的家居體驗必然要求節點之間的互通互聯，一個典型的ZigBee智能家居系統中節點繁多，功能各異，如果每個節點單獨開發，則對系統的開發維護帶來諸多不便，對此本文創新性地給出了智能家居系統中通用節點的軟硬件設計方案，該方案降低了系統的開發和維護難度，并具有一定的通用性和可擴展性。

智能家居設備可分為三類，一類是傳感器節點，通過不同功能的傳感器檢測家居中的各種狀態，如溫濕度、光照度等，該類節點由傳感變送單元、主控單元、通信單元組成。第二類是執行器節點，通過繼電器、紅外遙控等方式實現對家電的控制，該類節點由執行單元、主控單元、通信單元組成。第三類是網關控制器，實現網絡的建立與維護、數據轉發、節點控制等功能，該類節點由主控單元、通信單元組成。本文設計的通用型節點實現了主控單元、通信單元的基本功能，在通用單元的基礎上只需擴展傳感器、執行器等即可實現智能家居中各專用設備硬件。同時本文開發了基于Z－stack的智能家居通用軟件，分為協調器和終端兩個版本，前者適用于網關控制器類設備，后者適用于傳感器、執行器類設備，智能家居中所需的各種專用設備無需進行單獨的軟件開發，只需定義設備類型即可實現。

1 總體設計方案

1.1 ZigBee智能家居系統方案

如圖1所示，智能家居系統中的ZigBee網絡主要由ZigBee協調器和ZigBee終端設備組成。ZigBee協調器負責建立和維護ZigBee網絡，可通過串口連接上位機或家庭網關來實現對家居系統的監測和控制；相同的ZigBee終端設備通過連接不同的傳感器和家居設備而構成不同的應用節點。

圖1 基于ZigBee的智能家居系統

1.2 系統功能描述

如圖2所示，深色陰影部分為系統輸入，淺色陰影部分為系統輸出，ZigBee協調器為系統的控制中心，將綜合傳感器采集的環境信息以及串口接收的控制信息用來控制每個家居設備的運行，同時將環境信息，以及家居設備運行狀態發送到串口以供控制終端顯示。本系統具有自動控制、直接控制、連鎖控制、場景控制四種相互耦合的控制功能，此外系統還具有動作反饋的功能，不論設備以何種方式被控制，其動作變化都會在控制終端得到體現。

圖2 系統功能模型

（1）自動控制

協調器根據傳感設備采集的數據自動對某些家居設備進行控制，如當室外光照度較低時關閉窗簾。

（2）直接控制

用戶可根據自己的需要，直接在控制終端操作某一設備，如打開客廳的電視。

（3）連鎖控制

當用戶的某一項活動需要控制多個設備時，可實現只控制一個設備來實現連鎖控制，如當用戶打開燃氣開關后油煙機自動打開。

（4）模式控制

用戶可以在控制終端選擇不同的模式，家居設備的不同子集會在特定的模式中有不同的響應方式。如當設置睡眠模式時，一些安防功能會自動啟用，照明系統會自動切換至弱光檔以減少對眼睛的刺激。

2 通用節點應用層軟件設計

2.1 無線數據收發與應用層網絡建立

每個ZigBee設備有一個全球唯一的64位IEEE長地址，但在ZigBee網絡中通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，也稱作網絡地址。對于協調器來說，短地址為0000H，對于路由節點和終端節點來說，短地址是它們在加入到網絡中時由協調器動態分配的，與網絡深度、最大路由數、最大節點數等參數的設置有關，還與節點入網順序有關，直接通信關鍵點在于目標節點網絡短地址的獲得。

ZStack協議棧中定義的應用層無線數據發送函數為AF＿DataRequest，函數原型如下：

其中dstAddr為地址類型結構體變量，包含目標節點地址類型和網絡地址等參數；cID為命令號，在ZStack協議棧里主要用來區別不同命令以控制不同的操作；len為發送數據的長度；＊buf為指向發送數據緩沖區的指針。

ZigBee設備收到無線數據后，會在應用層觸發AF＿INCOMING＿MSG＿CMD事件，可在結構體afIncomingMSGPacket＿t中解析出所接收的數據及其源地址、命令號等相關的參數。

智能家居系統中的ZigBee網絡是以應用為中心的網絡，用戶只關注各個ZigBee終端的應用功能，而不關心每個節點的網絡地址，因此需要在終端的功能和它的網絡地址之間建立映射關系，系統才能正確地通信。

用撥碼開關為每個終端分配一個唯一的ID以區分其功能，以8位撥碼開關為例，如表1所示，4位區分區域，4位區分應用，這樣每個無線應用都有一個區域號和應用號組成的1個字節的ID號，系統最多可容納256個獨立的應用，足夠覆蓋家居生活的方方面面。

表1 終端應用ID

協調器建立網絡成功后，終端節點會自動加入網絡，終端入網成功后會在應用層觸發ZDO＿STATE＿CHANGE事件，因此可以利用此事件來實現應用層網絡的建立。首先終端在應用層任務初始化時讀取撥碼開關狀態，得到其ID號fID，當終端的ZDO＿STATE＿CHANGE事件被觸發，即終端成功加入網絡時，將自己的ID號fID發送給協調器作為應用層入網請求。協調器端定義一個記錄終端節點網絡地址的數組uint16 Saddr［256］，當協調器收到終端應用層入網請求后將無線數據的源地址賦給數組Saddr以fID為下標的元素：

這樣就在協調器端建立了與節點應用功能對應的網絡地址映射表，當需要控制某個設備時將Saddr中以被控設備為ID號fID為下標的元素賦值給協調器的目標地址：

就可以將數據或命令發送到對應的設備。

2.2 網絡通信與系統控制

（1）網絡通信

如圖3所示，系統的網絡通信主要由灰色矩形框內的7種情況發起，下面將分類對各種數據幀進行定義和解釋。

圖3 系統網絡通信示意圖

a.串口通信幀結構

協調器串口通信幀由起始碼、功能碼、數據碼三部分構成，其中起始碼1字節，值為0xFF，表示幀頭；功能碼1字節，由0x00遞增，表示此幀的功能，數據碼長度和內容由功能碼決定。

如表2，協調器的串口接收3種類型的幀，開機請求幀用于上位機程序打開時獲取當前系統的信息；場景設置幀用于設置模式，如進入睡眠模式，退出睡眠模式；節點控制幀用于直接控制，如用戶打開客廳的電視機。

表2 協調器串口接收數據幀

如表3，協調器的串口發送3種類型的幀，數據回復幀用于回復上位機的開機請求幀；設備入網幀用于告知上位機新加入ZigBee網絡的家居設備；設備數據幀用于向上位機反饋每個設備的參數和狀態信息，如溫度傳感器采集的溫度值，電視機的開關狀態。

表3 協調器串口發送數據幀

b.無線通信幀結構

無線通信幀是指協調器和終端節點通信的無線數據幀，在此用協議棧中無線數據收發的一個參數cID（命令號）來區分幀的功能和類型，用無線收發的數據緩沖區buf來存放數據，數據長度及內容由命令號cID決定。

如表4，以cID的高字節作為功能碼來區分無線數據幀的類型，低字節存放節點fID來識別應用。協調器接收2種類型的幀，入網幀為終端節點的應用層入網請求；參數幀為終端節點的參數和狀態信息。

表4 協調器無線接收數據幀

如表5，協調器發送5種類型的幀，以cID高字節的高4位表示幀類型，入網回復幀用來回復新入網的節點系統當前的模式；節點控制幀用于控制節點的行為動作；模式設置幀和連鎖控制幀用來進行模式設置和連鎖控制，并對cID的低12位進行如下的定義，高字節的低4位為控制方向（1為進入，0為退出），低字節為控制號，表示當前控制類型下的控制號。如0x0105為進入第5種模式，0x0005為退出第5種模式；0x1103為進入第一種連鎖，0x1003為退出第3種連鎖。

表5 協調器無線發送數據幀

（2）系統控制

在協調器和終端都定義一個函數指針數組

task00至taskFF為表1中每個對應設備的應用處理函數，在協調器端表現為接收到對應設備數據后的相關處理。

將終端設備分為控制型設備和輸入型設備，對于控制型終端設備M，其功能執行函數taskM為收到協調器的控制信息后的操作。以16種模式為例，在終端節點程序中定義uint16的全局變量fmode（每一位表示一種模式，1表示模式被設置，0表示模式被清除），當終端節點收到協調器發來的無線數據時，如果是模式設置幀則按照控制方向和控制號更新fmode中相應的模式位，然后調用process＿task［fID］（（pkt－＞clustered）＞＞12，（pkt－＞clustered）＆0x00FF）來進行相應的操作。

在taskM中定義一個uint16的常量modeM，每一位表示一種模式，modeM含義為當此變量中為1的位所對應的模式至少有一種被設置時此設備打開，否則此設備關閉。當收到模式設置幀時，進行判斷if（modeM＆fmode），成立時打開設備，否則關閉設備，連鎖控制用相同的方法實現；如果是入網回復幀，則記錄下系統當前的模式值fmode；如果是節點控制幀則直接調用process＿task［fID］（（pkt－＞clustered）＞＞12，（pkt－＞clustered）＆0x0FFF）進行相應的控制。

輸入型設備N又可分為開關量輸入和數據輸入。以煙霧傳感器為例，其輸入到終端的信號為高或低電平表示是否有火警信號，此類輸入為開關量輸入，用外部中斷來讀取，在協議棧的中斷處理函數HAL＿ISR＿FUNCTION中利用osal＿set＿event（）函數來觸發應用層的事件。以溫濕度傳感器為例，其輸入到終端的信號為溫濕度數據，需要控制器定期讀取傳感參數，此類輸入為數據輸入，用定時器中斷來讀取，在協議棧中利用osal＿start＿timerEx（）；當外部中斷產生或定時時間到都會在應用層觸發相應的自定義事件。所以在應用層的任務處理函數中去查詢事件進行響應：

為避免和控制型設備M的控制類型（0～3）重合而導致的程序混亂，輸入型設備N的功能執行函數taskN中的控制類型由4開始遞增。

3 實驗結果

用通用節點連接不同的傳感器和控制設備搭建的智能家居演示系統如圖4所示，系統配套的Android APP通過連接網關可實現監控ZigBee智能家居網絡的功能，Android APP界面如圖5所示。

圖4 智能家居演示系統實物圖

圖5 智能家居系統Android APP監控界面

4 結束語

本文介紹的基于ZigBee的智能家居通用節點的設計方案降低了智能家居系統開發和維護成本，滿足了智能化的家居系統控制要求，可以快速地實現設計方案到可執行代碼的轉化。同時該方法具有一定的通用性，也適用于基于ZigBee的智能大棚監管系統等類似系統的開發。

［1］ 高守緯，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程：基于CC2430／31的無線傳感器網絡解決方案［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［2］ 王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現［M］.北京：化學工業出版社，2012.

［3］ 周 游，方 濱，王 普.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統［J］.電子技術應用，2005，31（9）：37－40.