基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居設(shè)計(jì)

摘要 根據(jù)智能家居的特點(diǎn)和需求，選用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以其低功耗，優(yōu)秀組網(wǎng)能力等特點(diǎn)，在家用系統(tǒng)控制、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用。介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景，描述了ZigBee協(xié)議，對(duì)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)做了分析，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)的加入等進(jìn)行了具體的分析和研究，說明了系統(tǒng)能夠?qū)揖迎h(huán)境進(jìn)行良好的監(jiān)控。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee協(xié)議；智能家居

現(xiàn)代家庭已經(jīng)從追求家居的豪華裝飾轉(zhuǎn)向家居智能化，享受智能化帶來的多元化信息，以及安全、舒適、便利的生活方式。網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)、電子和智能傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，為智能化家居的發(fā)展提供了機(jī)遇。現(xiàn)有傳統(tǒng)無線技術(shù)通常是耗電高，且占用過多的計(jì)算和通信資源，大大增加了成本。而ZigBee技術(shù)具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。

1 ZigBee技術(shù)
1．1 ZigBee協(xié)議
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE802．15．4的標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議堆棧分為兩部分，IEEE802．15．4處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議；應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟制定，ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee節(jié)省的大部分能量歸功于專為低功率設(shè)計(jì)的IEEE802．15．4協(xié)議。
1．2 各層協(xié)議的功能
ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示，各層之間通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)實(shí)現(xiàn)層與層之間的數(shù)據(jù)通信和協(xié)議棧管理。層與層之間有2個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)，一個(gè)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)管理。ZigBee設(shè)備在工作時(shí)，各種不同的任務(wù)在不同層次上執(zhí)行，通過層的服務(wù)完成所要執(zhí)行的任務(wù)，各項(xiàng)服務(wù)通過服務(wù)原語實(shí)現(xiàn)。物理層完成收發(fā)數(shù)據(jù)、激活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測(cè)、空閑信道評(píng)估、數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量指示的功能；物理層規(guī)范了ZigBee通信頻率的工作范圍，即2．4 GHz和868／915 MHz。MAC層主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步、支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)、支持無線信道通信安全、使用CSMA-CA機(jī)制訪問信道、支持時(shí)隙保障(GTs)機(jī)制、支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸；在MAC層上，主要沿用了WLAN中802．11系列標(biāo)準(zhǔn)的載波偵聽多址接入——沖突避免機(jī)制(CSMA-CA)，以提高系統(tǒng)的兼容性。網(wǎng)絡(luò)層職責(zé)為加入和離開網(wǎng)絡(luò)機(jī)制、應(yīng)用安全幀的機(jī)制及發(fā)現(xiàn)和保持設(shè)備之間的路徑；網(wǎng)絡(luò)層方面，ZigBee聯(lián)盟規(guī)定了基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)可以采用星狀和網(wǎng)狀拓?fù)?，也可以是兩者結(jié)合。應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層、應(yīng)用框架、ZigBee設(shè)備對(duì)象及用戶定義的應(yīng)用對(duì)象組成。應(yīng)用支持子層的作用是維護(hù)設(shè)備綁定表和設(shè)備發(fā)現(xiàn)。設(shè)備對(duì)象的職責(zé)是定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備的角色、發(fā)起或回應(yīng)綁定請(qǐng)求、在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全機(jī)制等。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)一般包含3種設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)有全功能設(shè)備FFD和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD兩類設(shè)備類型，F(xiàn)FD比RFD擁有更強(qiáng)大的計(jì)算能力和更豐富的系統(tǒng)資源，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立者、管理者或網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，RFD在網(wǎng)絡(luò)中通常只作為終端設(shè)備，從FFD接收信息或?qū)⑿畔魉徒oFFD。路由器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是FFD設(shè)備，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有功能，而終端設(shè)備一般是各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，為RFD設(shè)備。