基于ZigBee技术的家居智能无线网络系统

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。