基于ZigBee的家庭智能系統(tǒng)設計

隨著Internet的普及與發(fā)展，家庭網(wǎng)絡化已經(jīng)成為家庭現(xiàn)代化的潮流。家庭網(wǎng)絡，主要包括有線和無線兩種實現(xiàn)方式。由于有線網(wǎng)絡固有的缺點，布線麻煩，可擴展性差等，將無線網(wǎng)絡技術應用于家庭網(wǎng)絡已成為勢不可擋的趨勢。無線網(wǎng)絡的市場發(fā)展在邏輯上可分為面向語音的市場和面向數(shù)據(jù)的市場兩類。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無線網(wǎng)絡中，小型、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡的應用場合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術，其網(wǎng)絡標準由IEEE 802．15．4規(guī)定。ZigBee協(xié)議比藍牙、高速率PAN(個人局域網(wǎng))或者IEEE 802．11x無線局域網(wǎng)更加簡單實用。

1 ZigBee簡介
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體公司組成；IEEE802．1 5．4的ZigBee標準于2003年5月獲得批準；2006年，推出ZigBee 2006，比較完善；2007年底，ZigBee PRO推出。ZigBee的底層技術基于IEEE 802．15．4。物理層和MAC層直接引用了IEEE 802．15．4標準。而ZigBee聯(lián)盟負責網(wǎng)絡層和應用層的開發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場推廣等。IEEE802．15．4定義了兩個物理層標準，分別是2．4 GHz物理層和868／915 MHz物理層。這兩個物理層都基于DSSS直接序列擴頻技術，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。ZigBee在2．4 GHz頻段有16個信道，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，采用0-QPSK調制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2．4 GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。

2 家庭網(wǎng)絡拓撲結構選擇
ZigBee標準有3種網(wǎng)絡拓撲結構：星型、網(wǎng)狀型、樹型。本文智能家居系統(tǒng)的實際情況如下：1)傳感器節(jié)點由電池供電，而家庭網(wǎng)關通過電源供電，所以應該盡量減少傳感器節(jié)點的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點用電；2)智能家居中接入的主要是傳感器和開關，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復雜的網(wǎng)絡拓撲來保證數(shù)據(jù)通信；3)智能家居控制網(wǎng)絡的設計不需要很大的覆蓋范圍，根據(jù)ZigBee標準的說明，空曠環(huán)境
最大傳輸距離100 m，在室內環(huán)境一般也能達到30多米的覆蓋距離，這對大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)來說足夠。星型拓撲結構完全能滿足要求，并且成本低廉、實現(xiàn)簡單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設計選擇星型拓撲結構。

3 網(wǎng)絡節(jié)點設計
網(wǎng)絡節(jié)點由單片機、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，可提供128 K字節(jié)的可編程FLASH，4 K字節(jié)的SRAM，具有簡化高效的RISC指令體系。