基于ZigBee技术的家居智能无线网络系统

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摘要：介绍了一种基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统。重点阐述了该系统的组成、通讯协议以及无线节点的软硬件设计。该系统在传统的有线家居网络系统的基础上使用ZigBee技术，使其具有成本低、功耗低、覆盖范围大的特点。特别是其符合IEEE802.15.4协议，利用系统与其它符合标准的产品的互联，具有良好的通用性和可扩展性。

         关键词：智能家居 无线网络 ZigBee 低功耗

        在智能家居系统中，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。随着无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家庭网络智能化的进程。

        本文介绍的智能家居无线网络系统采用ZigBee技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，符合IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。
                     
1 ZigBee技术简介

        ZigBee技术的主要优点有：（1）省电：两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间；（2）可靠；采用了碰撞避免机制；（3）成本低；（4）时延短；（5）网络容量大；（6）安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。

        ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能家居无线网络系统。

2 智能家居无线网络系统

        本系统以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节能模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个HeliLink无线网络收发模块（符号ZigBee技术标准的产品），通过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。其系统组成如图1所示。

        下面介绍各部分的结构及功能。

家庭网关的结构及功能为：

（1）采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和.uClinux操作系统；

（2）通过门锁进行自动设防/解防；

（3）遇抢劫或疾病，按紧急按钮，自动向管理中心报警；

（4）每家每户配有自己的网页，通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据；

（5）水、电、气各表数据发给牧业管理中心；

（6）通过以太网与小区管理中心通讯；

（7）通过网关上的无线ZigBee（IEEE802.15.4）模块与网络中各子节点进行通讯。

ZigBee无线通讯子节点的功能为：

（1）两路脉冲量数据采集，可采集水、电、气三表数据；

（2）两路安防传感器开关量数据采集，可进行设防/撤防报警、安防报警（红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等）；

（3）一路模拟量数据采集；

（4）一路模拟量数据输出；

（5）一路继电器触点输出；

（6）通过无线通讯IEEE802.15.4协议及家庭网关通讯。

3 通讯协议

3.1 ZigBee协议的帧结构

        采用符号ZigBee标准的HeliLink模块的数据帧由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和五部分构成，格式如下（数据帧结构中的数据都是16进制数）:



        “数据模式”占用一个字节。“目标地址”表示数据帧结构要发送的目标位置（网络中的节点号），它占用一个字节。“数据长度”表示数据帧结构中从“数据1”到“数据n”所占据的字节数，它也占据了一个字节。“数据信息”表示用户要通过UART0传送的命令或者有效数据，占据的字节数由“数据长度”决定。“校验和”是对帧结构中的全部数据（校验和字节除外）进行的校验，采用字节逐位异或的方式实现。“校验和”也占据一个字节。

3．2 无线网络通讯协议帧结构

        家庭网关通讯协议帧结构是建立在ZigBee协议帧结构的基础上的，相当于底层协议中的数据场部分。所以帧结构由节点号、功能编码、数据信息三部分组成，如下所示：



        节点号字段数据长度为1字节，其中低四位为数据采集功能编号，高四位为子节点号，如下所示：



        功能编码分为三个部分：方向位、数据类型和功能类型。其格式为：



方向位：

        根据主节点作为通讯发送者还是接收者，本系统功能可分为两大类：上行和下行。方向位即决定了这一点。

数据类型：

         数据信息与功能编码关系十分密切，根据功能不同，数据场中数据的内容含义不同；根据数据长度不同，数据类型也不同。

功能类型：

        每一个功能类型对应一种系统功能。通过解析功能类型编码可得到系统功能，对于下行帧，子节点得到主节点通知其执行的命令和需要的数据；对于上行帧，主节点得到子节点返回的信息、数据和命令执行的情况。

        数据信息存放数据，数据信息长度可根据功能编码中的数据类型而定。

4 无线节点硬件设计

        由于无线节点使用电池供电，且需要安装在三表或电器内部，要求电池体积很小，因此电池的容量不可能太大。希望一颗钮扣电池可以有效工作一年以上。无线通讯需要电池提供足够大的电流，耗电量较大，所以低功耗设计成为子节点设计的重点和难点。

        无线网络节点硬件组成如图2所示，采用TI公司的16位单片机MSP430F1232作为处理器，采用符合ZigBee标准的Heililink无线网络收发模块建立无线通讯，采用RAMTRON公司的铁电存储器FM24LC16存储数据，开关量输出使用松下公司的磁保持继电器TQ2L2—3V，PWM输出放大器采用MAXIM公司的MAX4464。使用锂离子钮扣电池供电，通过采用TI公司的电荷泵IPS60210将电压稳定至3.3V。无线子节点通过查询八位拨码开关确定其功能，可以实现两路脉冲量的计数、两路开关量的输入、两路开关量的输出、一路模拟量的输入、一路模拟量的输出、电池电量采集无线通讯等功能。

4．1 处理器

        处理器采用TI公司的16位单片机MSP430F1232。该单片机突出的特点是可以实现极低的功耗，具有五种省电工作模式，而每种工作模式可以通过对时钟的控制实现不同的功耗，其工作在LPM4模式下的功耗电流只有0.1μA,非常适合采用电池供电的系统。片内FLASH ROM用于存储应用程序、通讯协议；UART接口连接无线通信模块；10位A/D转换器实现电池电压检测、模拟量输入；内部16位定时计数器实现PWM输出，经低通滤波后，再由放大器放大，实现模拟量输出；I2C接口连接铁电存储器FRAM。其余的通用输入输出端口分别实现数字量和脉冲量的输入、输出以及拨码开关状态的输入。

4．2 铁电存储器

        存储器采用RAMTRON公司的FM24CL16，它是一种串行非易失性存储器，其特点是可无限次地读写，掉电数据可保护10年；写数据无延时；使用二线制串行总线及其传输规范进行双向传输，这种方式占用脚位少，占用线路板空间小，总线速度可以达到1MHz，静态工作电流仅为1μA。这些特点使其十分适合本设计对功耗低、体积小、数据读写频繁的要求。

4．3 磁保持继电路

        磁保持继电器采用松下公司的TQ2-L2—3V，通过MSP430F1232的输出管脚DO_S、DO_R控制开关管Q1、Q2的开关状态，实现继电器线圈电流的通断控制，从而控制继电器触点的动作。如果采用传统继电器，需要一直提供电流来维持继电器状态，这样功耗很难降低。磁保持继电器具有锁存功能，触点动作后无需继续提供电流，从而降低了功耗。其开关两端可耐压直流220V，交流250V，满足了通断市电的要求。

4．4 无线网络收发模块

         该模块特点是体积小、内嵌网络通讯协议，符合ZigBee网络层的标准，为IEEE.802.15.4标准兼容产品，可实现高效率发射、高灵敏度接收，无线数据速率高达76.8kbit/s。通过串口与MSP430F1232进行通讯，将获得的数据无线发送出去。

4．5 拨码开关

        八位拨码开关的状态决定该子节点的节点号和其实现的功能。

5 无线节点软件设计

        鉴于节点使用的通用性要求，需要上电后根据拨码开关确定子节点号及其所要完成的功能。其主要功能包括水电气三表的数据采集和存储、报警信息的获取、设防撤防状态的获取和以上信息数据的无线发送。根据拨码开关的状态确定节点需要完成的其中一项或几项工作，并调用相应的初始化程序。由于无线通讯模块的功耗较大，CPU大部分时间都处于休眠状态，通过各级中断唤醒CPU和恢复无线通讯模块的正常工作。数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通讯协议。

        系统主程序流程图如图3所示。系统上电后，先关闭看门狗定时器，开关电源进入SNOOZE节功状态，同时关闭无线通讯模块电源，进行I2C接口的初始化，读取拨码开关状态，并根据拨码开关的状态进行单片机通用I/O口的初始化，以确定其作为脉冲量输入端口还是开关量输入端口，或是撤防设防输入端口。其中，若作为脉冲量输入端口，则调用相应脉冲量初始化程序，设置其端口为上升沿触发；若作为开关量输入端口，则调用相应开关量初始化程序，设置其端口为下降触发；若作为撤防设防输入端口，则调用设防撤防初始化程序，当前端口状态为设防状态时，进行撤防初始化，设置其端口为上升沿触发。当前端口状态为撤防状态时，进行设防初始化，设置其端口为下降沿触发。

        端口初始化结束之后，进行串行通讯UART接口初始化，打开UART接收中断使能，使其能响应网关发送给子节点的命令。定时器连续工作在计数模式，打开计数器溢出中断使能。

        单片机各部分初始化结束后，进入LPM3休眠模式，只有ACLK始终保持工作，因此在串行通讯UART和定时器初始化中，将其工作时钟定义为ACLK是十分重要的，否则进入LPM3休眠模式后，串口和定时器将停止工作和相应中断。进入LPM3休眠模式后，系统的功耗最低。

        系统可响应I/O中断，当其作为脉冲量输入端口时，脉冲量上升沿触发中断，经过去抖处理后，脉冲量计数增1，遇到进位时，调用函数处理进位，最后将计数值写入FRAM，进入LPM3休眠模式。当其作为开关量输入端口时，开关量下降沿触发中断，停止计数器计数，打开电源，打开串行通讯，重复发送报警信息，直到收到网关应答信息时才停止报警，恢复定时器计数，进入LPM3休眠模式。

        数据发送要遵循通讯协议，图4所示为数据发送程序流程图。由于文章篇幅所限，这里就不多述了。

        本文介绍的基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统，由于其具有低成本、低功耗、较远的覆盖范围及通用性的特点，将成为智能家居系统中的又一亮点，必将给现代智能家居系统带来一场新的变革。