基于ZigBee的家庭智能系统设计

随着Internet的普及与发展，家庭网络化已经成为家庭现代化的潮流。家庭网络，主要包括有线和无线两种实现方式。由于有线网络固有的缺点，布线麻烦，可扩展性差等，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。无线网络的市场发展在逻辑上可分为面向语音的市场和面向数据的市场两类。在许多以数据传输为主的无线网络中，小型、低成本、低复杂度的无线网络的应用场合十分广泛。ZigBee是其中一种具有代表性的短距离无线通信技术，其网络标准由IEEE 802．15．4规定。ZigBee协议比蓝牙、高速率PAN(个人局域网)或者IEEE 802．11x无线局域网更加简单实用。

1 ZigBee简介
    2002年8月ZigBee联盟成立，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成；IEEE802．1 5．4的ZigBee标准于2003年5月获得批准；2006年，推出ZigBee 2006，比较完善；2007年底，ZigBee PRO推出。ZigBee的底层技术基于IEEE 802．15．4。物理层和MAC层直接引用了IEEE 802．15．4标准。而ZigBee联盟负责网络层和应用层的开发，以及制定其安全协议和市场推广等。IEEE802．15．4定义了两个物理层标准，分别是2．4 GHz物理层和868／915 MHz物理层。这两个物理层都基于DSSS直接序列扩频技术，使用相同的物理层数据包格式。ZigBee在2．4 GHz频段有16个信道，能够提供250 Kb／s的传输速率，采用0-QPSK调制；915 MHz和868 MHz分别是欧洲和美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2．4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。

2 家庭网络拓扑结构选择
    ZigBee标准有3种网络拓扑结构：星型、网状型、树型。本文智能家居系统的实际情况如下：1)传感器节点由电池供电，而家庭网关通过电源供电，所以应该尽量减少传感器节点的工作量，以节约传感器节点用电；2)智能家居中接入的主要是传感器和开关，网络中数据量不大，没有必要采用复杂的网络拓扑来保证数据通信；3)智能家居控制网络的设计不需要很大的覆盖范围，根据ZigBee标准的说明，空旷环境
最大传输距离100 m，在室内环境一般也能达到30多米的覆盖距离，这对大多数的智能家居系统来说足够。星型拓扑结构完全能满足要求，并且成本低廉、实现简单、连接容易、容易扩充和管理、不涉及路由寻址等功能，因此本设计选择星型拓扑结构。

3 网络节点设计
    网络节点由单片机、无线传输模块、数据采集和控制电路组成，如图1所示。其中，单片机选用低功耗的ATMEGA128L，无线模块选用CC2-420型射频收发器，两者通过SPI接口连接。ATMEGAl28L是高端8位微处理器，具有高性能，低功耗等特点，可提供128 K字节的可编程FLASH，4 K字节的SRAM，具有简化高效的RISC指令体系。

    CC2420是符合2．4 GHz IEEE 802．15．4标准的射频收发器。该器件是适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipeon公司的Smalt RF 03技术，以0．18μm CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802．15．4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。
    CC2420只需要极少的外围元件，外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。CC2420通过4线SPI总线(SI、S0、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式，并实现读／写缓存数据，读／写状态寄存器等功能。通过控制FIF0和FIFOP引脚接口的状态可设置发射／接收缓存器。注意：在SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先的。CC2420片内有33个16比特状态设置寄存器，在每个寄存器的读／写周期中，SI总线上共有24比特数据，分别为：1比特RAM／寄存器选择位(0：寄存器，1：RAM)，1比特读／写控制位(0：写，1：读)，6比特地址选择位、16比特数据位。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。图2为RF状态控制图。另外，通过CCA引脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD引脚状态的设置可以控制时钟／定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应引脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。

    CC2420与单片机的连接如图3所示，数字为ATMEGAl28对应引脚。网络节点通过CC2420无线模块传输指令和状态并接通过继电器控制电气设备的开关。系统节点如图4所示。

    网络节点通过CC2420无线模块传输指令和状态并接通过继电器控制电气设备的开关。系统选择一个节点为星型网络的主控节点，该节点连接短信模块，直接与用户通信，向其他节点传递用户命令同时向用户发送节点状态、报警等信息。短信模块选用西门子的TC35i，西门子公司的TC35i模块是一个支持中英文短信息的工业级GSM模块。
    基于GSM网络的短消息技术与处理器之间的接口实际上是通过一系列AT命令实现的。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示信息到单片机进而用户可以查询控制电器状态。短消息的文本模式与PDU模式目前，发送短消息常用的为text模式和PDU模式。使用text模式收发短信代码简单，容易实现，但最大缺点是不能收发中文短信；而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。
    PDU模式收发短信可以使用3种编码：7 bit、8 bit和UCS2编码。7 bit编码用于发送普通的ASCII字符，8 bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。一般的PDU编码由十三项组成，它包括：短信息中心地址长度；短信息中心号码类型；短信息中心号码；文件头字节；信息类型；被叫号码长度；被叫号码类型；被叫号码；协议标识；数据编码方案；有效期；用户数据长度；用户数据。

4 系统软件设计
    系统选择一个节点为星型网络的主控节点，该节点连接短信模块，直接与用户通信，向其他节点传递用户命令同时向用户发送节点状态、报警等信息。其他节点除了短信模块和任务，与主节点流程基本相同。每个节点都有自己的固定地址，相互之间不会形成干扰。图5为该系统设计的程序流程。

    用VB设计上位机界面，用户可通过PC进入控制系统，可实现电器的控制并能直接观察需要的环境参数。图6为上位机界面。

5 结束语
    通过测试，节点室外空旷地通信距离最远可达200 m，室内40 m，节点功耗低，由两节干电池供电，可使用3～6个月。ZigBee技术弥补了低成本、低功耗、近距离和低速率无线通信市场的空白，该系统采用ZigBee技术构建的无线家庭控制网络，无需对室内电线作任何改动，也无需另外布线，仅通过增加分机就可增加控制的容量，扩展方便、易行。