基于Zigbee無線網絡智能家居系統的設計與實現

馬靜

摘 要：文章首先介紹了智能家居系統開發中所使用的關鍵技術，Zigbee技術和CC2530芯片，然后以感知層、網絡層和應用層的角度分析了Zigbee無線網絡智能家居系統的設計，對于系統的物理實現主要通過傳感器、Zigbee節點、Zigbee協調器和家庭網關組成，軟件實現主要通過Z-Stack協議棧軟件和IAR開發環境完成。

關鍵詞：Zigbee；智能家居；CC2530

引言

隨著無線傳感網絡和電子信息技術的發展，智能家居已悄然進入人們的生活。早晨智能家居系統為您準時自動開啟窗簾，使您在溫馨的陽光中蘇醒，當您上班或外出時，智能家居系統可實時監測家中的一切狀況。家中若有小偷光顧或可燃氣體泄漏，您可通過手機及時獲得警報信息，當您走在回家的路上，可通過手機打開家中的制冷或采暖設備。智能家居的出現正在改變我們的生活，而且一個出色的智能家居系統的設計能夠使我們的生活更加安全、環保、舒適和便利。

1 關鍵技術分析

智能家居是通過無線網絡技術、傳感器技術、計算機技術、智能控制技術和綜合布線技術，將家居中所要使用的硬件設施實現智能化控制和管理，從而達到合理安排時間、優化人類生活等目的。智能家居的關鍵技術包含以下幾個方面。

1.1 Zigbee技術

Zigbee這一名稱來源于蜜蜂與同伴傳遞方位信息的方式，它實際上是一種能量消耗低、通信距離短、組網復雜度低、低成本，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備的無線網絡技術。Zigbee協議的介質訪問層（MAC）和物理層（PHY）由IEEE 802.15.4標準定義，應用層（APL）、應用匯聚層（APS）、網絡層（NWK）協議由Zigbee聯盟負責制定。

Zigbee設備類型主要包括協調器、路由器和設備終端，協調器（Coordinator）是Zigbee無線網絡的第一設備，負責啟動和配置網絡，在啟動網絡時協調器需要選擇信道和PAN ID（個域網標志符），然而只要任務完成協調器的作用就僅相當于一個路由器；路由器（Router）負責將節點設備添加到Zigbee網絡之中，并協助其下一級終端設備通訊；終端設備（End-Device）不需要對網絡結構負責，通常處于休眠狀態，需要工作時才會被喚醒。

1.2 CC2530芯片

CC2530芯片是ZigBee新一代SOC芯片的片上系統解決方案，是理想ZigBee專業應用，支持IEEE 802.15.4標準，CC2530具有業界領先的高性能RF收發器和8051微處理器，8 kBRAM，256 kB系統可編程閃存，以及強大的支持功能和外設。CC2530具有很多特性：（1）出色的接收靈敏度和抗干擾能力（2）低功耗長時間運行的系統，即睡眠模式下最低功耗1微安（3）強大的短距離組網功能（4）強大的外設，擁有5通道DMA、MAC 定時器，通用定時器、還具有IR發生電路，32kHz睡眠定時器等。（5）應用范圍廣，可應用于2.4-GHz IEEE 802.15.4 系統、RF4CE 遠程控制系統、ZigBee系統、智能樓宇等。由于CC2530所具有的諸多特性，因此本系統選用CC2530 作為核心硬件組成部分。

2 系統結構設計

智能家居系統的結構如圖1所示，該系統的設計可分為三個層次，分別為感知層、網絡層和應用層。（1）感知層的主要組成部分包括由Zigbee協調器組成的無線網絡、Zigbee節點、傳感器。感知層的主要工作原理為，通過Zigbee節點將各個傳感器或家用設備所采集的數據信息上傳至網絡層，到達應用層之后進行處理，下達的處理信息再由網絡層傳輸至物理層的Zigbee節點，Zigbee節點將處理信息發送給家用設備，從而完成相應的用戶操作；Zigbee協調器負責組建Zigbee無線網絡，并與家庭網關相連。（2）網絡層的主要組成部分包括Zigbee無線家庭內網、Internet和移動網絡，這三部分通過家庭網關相連，家庭網關可將無線家庭內網中所采集的信息進行匯集和處理，再向Internet和移動網絡進行傳送。（3）應用層的主要實現包括智能門禁、家庭安防、家用電器控制、照明系統控制、火災及有害氣體警報、智能電表水表等。

3 系統的實現

本系統的物理實現是在各個家居設備上部署各種類型的傳感器節點，使用無線傳感網絡對傳感器節點進行信息采集，把收集到的數據發送給家庭網關，并進行集中式控制處理；系統服務器使用Zigbee無線網關，其中采用以太網接口的Zigbee協調器是整個網絡的主控節點。本系統的家居內部網絡軟件實現主要通過Z-Stack協議棧軟件和IAR開發環境完成，Z-Stack協議棧軟件是由美國德州公司（TI）推出的基于CC2530開發平臺的Zigbee協議棧軟件，使用Z-Stack有助于開發者實現具體的實際應用，IAR是帶有C/C++編譯器和調試器的集成開發環境，是全球領先的嵌入式開發工具軟件。Z-Stack協議棧具體實現是通過其內部的main函數的系統初始化和輪轉查詢式操作完成，從而完成所有網絡層的事件功能。

本系統的實際應用可實現以下功能，（1）智能門禁，智能門禁系統由IC卡閱讀器、加密IC卡、門禁機等組成，可實現IC卡識別功能。門禁機通過IC卡來識別身份。來人先在IC卡閱讀機上刷卡，刷卡時IC卡閱讀器采集IC卡內部信息。然后將采集的IC卡信息與信息庫中的信息對比，如果對比成功門禁機自動開門，反之拒絕開門。（2）家庭安防，此系統是指在房屋室內外布有攝像頭監測節點，一旦有人靠近或進入室內，節點會發出警報信息上傳至Internet，用戶可通過智能手機及時獲得。（3）家用電器控制，此系統是指用戶無論身處何地均可通過智能手機開啟或關閉家中的所有電器。（4）火災及有害氣體警報，此系統是指家中的有害氣體傳感器和溫濕度傳感器可實時進行監測，一旦出現異常立即將警報上傳至網絡。

4 結束語

本文提供了一種基于Zigbee無線網絡智能家居系統的有效解決方案，使用戶能夠感受到智能家居所帶來的舒適和便利，實踐表明該系統的設計可有效解決智能家居中存在的諸多問題，能對智能家居的開發者和學習者提供依據。

參考文獻

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