基于ZigBee无线传感器网络的智能家居设计

摘要 根据智能家居的特点和需求，选用基于ZigBee无线传感器网络技术，实现以其低功耗，优秀组网能力等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域的应用。介绍了ZigBee网络的特点和应用前景，描述了ZigBee协议，对ZigBee无线传感器网络体系结构做了分析，对于网络的设计和节点的加入等进行了具体的分析和研究，说明了系统能够对家居环境进行良好的监控。
关键词 无线传感器网络；ZigBee协议；智能家居

现代家庭已经从追求家居的豪华装饰转向家居智能化，享受智能化带来的多元化信息，以及安全、舒适、便利的生活方式。网络通信、计算机、电子和智能传感器技术的快速发展，为智能化家居的发展提供了机遇。现有传统无线技术通常是耗电高，且占用过多的计算和通信资源，大大增加了成本。而ZigBee技术具有低复杂度、低成本、低功耗、高安全性等优点，能够满足智能家居无线传感器网络的要求。

1 ZigBee技术
1．1 ZigBee协议
ZigBee标准是基于IEEE802．15．4的标准，ZigBee协议堆栈分为两部分，IEEE802．15．4处理低级MAC层和物理层协议；应用层的标准规范由ZigBee联盟制定，ZigBee联盟对其网络层和API进行了标准化。ZigBee节省的大部分能量归功于专为低功率设计的IEEE802．15．4协议。
1．2 各层协议的功能
ZigBee协议栈架构如图1所示，各层之间通过服务接入点(SAP)实现层与层之间的数据通信和协议栈管理。层与层之间有2个服务接入点，一个提供数据传输服务，另一个实现管理。ZigBee设备在工作时，各种不同的任务在不同层次上执行，通过层的服务完成所要执行的任务，各项服务通过服务原语实现。物理层完成收发数据、激活和休眠射频收发器、信道能量检测、空闲信道评估、数据链路质量指示的功能；物理层规范了ZigBee通信频率的工作范围，即2．4 GHz和868／915 MHz。MAC层主要负责协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步、支持PAN网络的关联和取消关联、支持无线信道通信安全、使用CSMA-CA机制访问信道、支持时隙保障(GTs)机制、支持不同设备的MAC层间可靠传输；在MAC层上，主要沿用了WLAN中802．11系列标准的载波侦听多址接入——冲突避免机制(CSMA-CA)，以提高系统的兼容性。网络层职责为加入和离开网络机制、应用安全帧的机制及发现和保持设备之间的路径；网络层方面，ZigBee联盟规定了基于ZigBee技术的网络可以采用星状和网状拓扑，也可以是两者结合。应用层由应用支持子层、应用框架、ZigBee设备对象及用户定义的应用对象组成。应用支持子层的作用是维护设备绑定表和设备发现。设备对象的职责是定义网络内其它设备的角色、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制等。

ZigBee标准中规定在一个ZigBee无线网络一般包含3种设备：协调器、路由器、终端节点，对应有全功能设备FFD和精简功能设备RFD两类设备类型，FFD比RFD拥有更强大的计算能力和更丰富的系统资源，可以充当网络建立者、管理者或网络终端节点设备，RFD在网络中通常只作为终端设备，从FFD接收信息或将信息传送给FFD。路由器和网络协调器是FFD设备，实现标准中规定的所有功能，而终端设备一般是各个传感器节点，为RFD设备。
1．3 网络节点的设计
如图2所示，传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：(1)传感单元，将节点与物理世界联系起来，由一组传感器、激励装置和数模转换功能模块构成。(2)处理单元，由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等。(3)通信单元，由无线通信模块组成。(4)供电装置，此外可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

在传感器网络中大量的节点部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织的方式构成无线网络，并以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，从而实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。
监控节点主要完成两方面工作：将传感器放大电路输出的模拟电压转换成数字信号，再将这个数字信号通过ZigBee网络发送给网络协调器。监控节点加入网络后，一直处于睡眠状态，当收到来自外部的唤醒信号后，开始进行数据的采集或发送报警信号，完成任务后再次回到睡眠状态，直到下一次唤醒。

2 系统方案设计
2．1 网络的建立
ZigBee协议规定：只有当前还没有加入网络且具有ZigBee协调器能力的设备，可以尝试建立一个新网络。当建网过程开始后，协调器首先对协议所规定的信道或由物理层所默认的有效信道进行能量检测扫描。如果某个信道的能量低于预定值，则表示该信道是可用信道，并进行标记。然后，在可用信道中进行主动扫描，寻找信道中存在的ZigBee设备，找到一个最佳信道，即存在ZigBee设备相对较少的信道，由该信道所组建的网络即为佳ZigBee网络。这时，协调器通过一个PAN标识符来标注该信道，以识别该新建的网络。一旦选择一个PAN标识符后，协调器将会为自己分配一个0x0000的16位逻辑地址，这样就成功地启动了一个新网络，如图3所示。