基于ZigBee的家庭智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著Internet的普及與發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為家庭現(xiàn)代化的潮流。家庭網(wǎng)絡(luò)，主要包括有線和無線兩種實(shí)現(xiàn)方式。由于有線網(wǎng)絡(luò)固有的缺點(diǎn)，布線麻煩，可擴(kuò)展性差等，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。無線網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)發(fā)展在邏輯上可分為面向語音的市場(chǎng)和面向數(shù)據(jù)的市場(chǎng)兩類。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無線網(wǎng)絡(luò)中，小型、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802．15．4規(guī)定。ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、高速率PAN(個(gè)人局域網(wǎng))或者IEEE 802．11x無線局域網(wǎng)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

1 ZigBee簡(jiǎn)介
2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成；IEEE802．1 5．4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)于2003年5月獲得批準(zhǔn)；2006年，推出ZigBee 2006，比較完善；2007年底，ZigBee PRO推出。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802．15．4。物理層和MAC層直接引用了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。而ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場(chǎng)推廣等。IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2．4 GHz物理層和868／915 MHz物理層。這兩個(gè)物理層都基于DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。ZigBee在2．4 GHz頻段有16個(gè)信道，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，采用0-QPSK調(diào)制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2．4 GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。

2 家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀型、樹型。本文智能家居系統(tǒng)的實(shí)際情況如下：1)傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過電源供電，所以應(yīng)該盡量減少傳感器節(jié)點(diǎn)的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)用電；2)智能家居中接入的主要是傳感器和開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪肀ＷC數(shù)據(jù)通信；3)智能家居控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)不需要很大的覆蓋范圍，根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的說明，空曠環(huán)境
最大傳輸距離100 m，在室內(nèi)環(huán)境一般也能達(dá)到30多米的覆蓋距離，這對(duì)大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)來說足夠。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且成本低廉、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、連接容易、容易擴(kuò)充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設(shè)計(jì)選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集和控制電路組成，如圖1所示。其中，單片機(jī)選用低功耗的ATMEGA128L，無線模塊選用CC2-420型射頻收發(fā)器，兩者通過SPI接口連接。ATMEGAl28L是高端8位微處理器，具有高性能，低功耗等特點(diǎn)，可提供128 K字節(jié)的可編程FLASH，4 K字節(jié)的SRAM，具有簡(jiǎn)化高效的RISC指令體系。