智能家居系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中。提出了一種以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體構(gòu)成，以CC2430無線芯片為棱心，選取了合適的ZigBee模塊進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)。研究并分析了ZigBee技術(shù)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了串口收發(fā)程序，傳感器程序，以及節(jié)點(diǎn)間的無線通信程序，并根據(jù)ZigBee協(xié)議，使節(jié)點(diǎn)組成樹狀網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，有著廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：智能家居；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2430

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們將更多的注意力放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上，從而出現(xiàn)了智能家居的概念。智能家居控制系統(tǒng)使人們可以對家居內(nèi)的任意電器進(jìn)行數(shù)字化控制，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，進(jìn)行集中管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。本文以ZigBee技術(shù)對智能家居內(nèi)部進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對各種傳感器信息的采集、傳輸和控制功能。

1 Zigbee技術(shù)
ZigBee技術(shù)是一種強(qiáng)調(diào)極低耗電、極低成本的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遵循IEEE802．15.4標(biāo)準(zhǔn)。它專注于低速率傳輸控制，網(wǎng)絡(luò)容量大，時(shí)延短，提供數(shù)據(jù)完整性檢查，加密算法采用AES-128，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充性強(qiáng)，有效覆蓋范圍為10～75 m，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭環(huán)境，通信頻率采用2．4 GHz免執(zhí)照頻段。
ZigBee是一組基于IEEE802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4僅定義了MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟則對其網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由傳感器、CC2430無線模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)的管理。終端節(jié)點(diǎn)(傳感器節(jié)點(diǎn))上電復(fù)位后，會(huì)搜索協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)能夠搜索到協(xié)調(diào)器時(shí)，直接申請加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)搜索不到協(xié)調(diào)器時(shí)，這時(shí)就會(huì)通過路由器節(jié)點(diǎn)找到協(xié)調(diào)器來加入網(wǎng)絡(luò)。
加入網(wǎng)絡(luò)后保持待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，按照組網(wǎng)時(shí)的路徑來收發(fā)數(shù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)器通過串口與PC機(jī)相連，利用超級終端實(shí)現(xiàn)發(fā)送命令或者顯示數(shù)據(jù)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由協(xié)調(diào)器模塊，路由器模塊，傳感器模塊，串口轉(zhuǎn)換模塊，供電模塊以及PC機(jī)等組成。其中協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器3個(gè)模塊作為主要的無線通信模塊，由主控芯片CC2430作為數(shù)據(jù)處理以及無線收發(fā)器。其系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。