ZigBee智能家居系統自動組網技術淺析

黃福浩

【摘 要】ZigBee是基于IEEE802.15.4通信協議的低速率、短距離無線通信技術，是一種針對用戶終端的區域無線通信應用。本文就針對ZigBee智能家居系統自動組網技術進行簡單分析，以供參考。

【關鍵詞】ZigBee技術；智能家居系統；自動組網技術；無線通訊技術；傳感網

智能家居網絡按網絡介質的不同可分為有線網絡與無線網絡兩類。有線網絡主要是利用家中的電話線或電力線進行組網， 而無線網絡主要利用 2. 4GHz 頻段的免費無線資源進行組網。顯而易見， 同有線網絡技術相比， 無線網絡安裝方便、組網靈活、即插即用、可移動性強， 因而更適合于智能家居網絡的發展，這也為自組網技術的發展奠定了良好的基調。

一、ZigBee智能家居系統自動組網技術

（一）數據通信技術

在對本智能家居系統的通信模塊進行設計的時候，采用了與ZigBee協議結構相似的分層結構。整個通信模塊的結構由上到下分為：應用層、射頻層和硬件抽象層。

1、應用層：位于整個通信模塊結構的最上層，在整個家居系統中設計的應用都定義在該層。當啟動系統軟件的時候，啟動的就是應用層。當用戶需要實現某個功能時，用戶通過操作應用層，利用應用層給下層的射頻層和硬件抽象層下達相關的命令，來實現相關的功能。

2、射頻層：主要通過調用硬件抽象層的相關函數來間接調用整個家居系統設備中的硬件資源，從而為數據收發提供接口用于相關數據的收發，并通過調用相關的安全機制來保證數據收發的安全性和可靠性。硬件抽象層利用相關的接口函數來直接驅動硬件設備，而射頻層和應用層只需要調用硬件抽象層就能對相關的硬件進行控制，簡單、方便。

3、硬件抽象層：在對硬件抽象層進行具體設計時，讓其由：常用、接口、射頻、外射驅動等四個文件夾組成。常用文件夾中主要對該層的數據類型、8051微控制器的特殊功能寄存器以及全局中斷函數進行相關的定義。接口文件夾中主要包含該層需要用到的所有的頭文件。GC2430的頭文件和相關的驅動文件存儲在射頻文件夾中，而除了CC2430射頻模塊以外，其它外部設備的驅動文件則存儲在外射驅動文件夾中。通過對硬件資源的寄存器進行相關的映射，射頻層和應用層直接利用驅動文件夾來對硬件抽象層進行相關的操作而不需要考慮硬件的細節。

（二）ZigBee節點功能

對于通信網絡中的應用層的設計，主要是對ZigBee節點的相關功能進行設計。應用層的設計主要包括：ZigBee網絡中心協調器節點的程序設計、路由器程序設計以及ZigBee終端功能節點的程序設計。

1、協調器節點程序：智能家居系統的ZigBee中心協調器在整個網絡中主要承擔著建立通信網絡、收發相關的數據以及進行串口通信。

2、路由器程序：在對路由器進行設計的時候，由于它在啟動以后，會自動的選擇加入ZigBee無線網絡，而它承擔的工作只是對相關數據進行轉發，所以設計的程序非常的簡單。

3、終端節點程序：根據每一個ZigBee終端功能節點的任務，將所有的終端功能節點分為三類：第一類是室內安全防護類，這些終端節點的監控任務主要和室內安全有關，當它們監測到室內出現安全隱患的時候，就會立即向監控中心發送報警信息；第二類主要是控制類節點，它們主要連接著控制設備，然后接收中心協調器的控制命令并執行該命令；第三類主要是普通環境參數監測類，它和監測環境參數的傳感器直接連接，實時的對室內外的環境參數進行采集，并定時的將這些采集到的參數發給中心協調器。

二、智能家居系統自動無線組網的實現

（一）CC2430芯片

作為一個應用己經趨于成熟的無線通訊技術，市面上的ZigBee無線通訊芯片已經有很多種了：比如jennic的JN5148芯片、TI公司的CC2430模塊、Frescal的MC13192芯片、EMBER的ME260芯片、ATMEL的LINK-23X芯片和ATMEL的Link-212芯片等。在綜合考慮系統穩定性、功耗、傳輸效率等問題后，本系統最后決定采用TI公司設計的 CC2430射頻芯片。

CC2430的尺寸為7X7mm 48-pin的封裝，采用具有內嵌閃存的CMOS標準技術。這樣的設計可在一個硅晶片上實現數字基帶處理器，RF、模擬電路及系統存儲器的整合。CC2430是一顆標準的SOC（System On Chip）系統芯片CMOS解決方案。這種解決方案能滿足以ZigBee 2.4GHz ISM波段的應用的同時，還可以有效降低成本、減小功耗、提高性能。芯片內部集成了一個射頻收發器核心頻段2.4GHz，使芯片具備了射頻無線收發的能力。

（二）節點設備介紹

1.輸入/輸出端口

CC2430的3個8位的I， O端口，既可以用作通用的輸入/輸出端口，通過編程還可以作為特殊功能的輸入/輸出端口，在智能家居系統中P0， Pl， P2的輸入/輸出狀態和功能被做出了一定的修改。

2. DMA（直接存取控制器）

CC2430在內存與外設之間擁有一條特殊的數據通道。通過DMA控制器的控制直接進行數據交換，這一機制保證了不需要CPU極的太多干預，DMA控制器就實現將數據從ADC或射頻收發器到存儲器的傳輸；極大的提高了數據存取效率并有效減輕8051 CPU核的負擔，保證了CC2430芯片在高性能條件下也具備很好的功耗性能。DMA控制器有0-4共5個信道。在DMA方式發送時，8051內核只需要回應DMA的數據傳輸請求，DMA控制器就可以獨立完成數據的輸入/輸出。具體過程如下：首先完成DMA信道配置，當DMA信道工作狀態寄存器中DMAARM被置1以后，DMA信道進入工作狀態，在工作狀態下一旦觸發事件發生，隨即傳送自動開始。

3.MAC定時器

CC2430包括4個定時器，其中3個為普通定時器，分別為1個16位定時器和2個8位定時器，支持普通的定時/計數功能。CC2430還包含1個16位MAC定時器，并由CSMA-CA算法和IEEE 802.15.4的MAC層來提供定時。

4. 14位模/數轉換器（ADC）

CC2430擁有一個14位的模/數轉換ADC，數模轉換器內部包括參考電壓發生器、獨立可配置通道、電壓發生器和通過DMA模式把轉換結果寫入內存控制器。

通過這些軟硬件及ZigBee通訊協議的支持，就能夠實現自動組網，舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯絡還會發生變化。因而，模塊還可以通過動態路由機制重新尋找通信對象，確定彼此間的聯絡，對原有網絡進行刷新，這就實現了智能家居應用層面的互聯感知網絡。

三、結語

總而言之，利用Zigbee技術將各傳感器連接到傳感網內，通過傳感網采集到各類居室信息并傳遞到中控機中，由中控機對信息進行處理并通過無線網絡技術傳送到服務器中，通過分析用戶需求，作出調整以滿足其需求，使用戶體驗生活更方便，更舒適，滿足了現代都市人對居家生活的高品質追求。

【參考文獻】

[1]姜浩. 基于ZigBee無線網狀網絡在智能家居領域的實現[D].大連理工大學，2010.

[2]趙奎兵. ZigBee與語音識別在智能家居系統中的應用研究[D].大連理工大學，2013.