ZigBee家庭内部网设计 - 基于嵌入式和ZigBee技术的智能家居系统设计

　　3 ZigBee家庭内部网设计

　　从发展趋势来看，无线自组网是智能家居网络未来的发展方向。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。其是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee将是最低功耗和成本的技术之一。介于智能家居的规模，即网络中传输的数据量不大、节点较多等考量，实现家庭内部网络拓扑选择星形结构。

　　ZigBee节点的硬件设计较为简单，本节点采用TI公司的CC2430芯片，在单个芯片上整合ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用一个MCU（加强型8051），具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含ADC、定时器、AES128协同处理器。数据采集单元选用一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11.

　　家庭内部网络系统的软件系统是以IAR System公司的IAR Embedded Work bench为开发环境、以TI公司的ZStack协议栈为开发基础设计的。ZigBee协议栈2006基于IEEE 802.15.4标准制定，该协议的突出优点是：组网能力强、适应面广、可靠性高、节能性好。ZStack协议栈由实现ZigBee协议不同功能的程序文件和库函数组成。

　　4 ZigBee协议

　　ZigBee协议是家庭内部网的基础也可以说是核心，它的底层是IEEE 802.15.4，包括物理层和MAC层。ZigBee工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3个频段，而真正需要关心是网络层和应用层。网络层的主要功能就是路由，路由算法是它的核心，优秀的算法能节省ZigBee的能源消耗，缩短延迟。网络层上面是应用层，它主要规定了一些与应用相关的功能，也就是开发人员直接打交道的对象。

　　本系统采用的协议栈工作流程如图3所示。

　　图3 ZigBee家庭内部网结构图

　　在智能家居ZigBee内部自组网络中，协调器作用最为关键，它上接智能家居系统“大脑”也就是家庭网关，下接ZigBee自组网其他路由和终端设备，同时起到一个无线接口的功能。如图3所示，协调器接收应用程序从串口发来的命令并对其解析，解析命令获取要控制的终端地址和控制命令，然后向指定的终端节点发送解析后的新的控制命令，寻址方式是点对点方式，通过协调器分配的网络地址来发送，ZigBee自组网中的命令结构如图4所示。终端收到命令后作出相应动作并反馈自己的状态给协调器，协调器收到反馈数据后会自动通过串口发回给家庭网关，也就是嵌入式服务器，并由应用程序来读取。以上就是ZigBee家庭内部网工作流程。

　　本文实现了智能家居监控系统的远程控制功能，整个系统架构简单，即建立嵌入式家庭网关和ZigBee家庭内部网络，其功能齐全，并且可根据实际情况和个人需求增减传感器以节约成本，可为任何家庭提供量身订制的智能家居监控服务。本系统可以根据家庭环境的改变随时添加设备节点，安装方便，实现了智能家居的人性化控制。此项技术将Web技术与嵌入式技术结合并扩展，在此项目设计上稍加改动即可添加更多功能的传感器，此项技术也可以广泛地运用在工业、农业和商业各个领域。