基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚國(guó)風(fēng)+莊斌++趙大明++霍曉蕊

摘 要： 通過(guò)比較各種短距離無(wú)線通信技術(shù)，選取ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)作為智能家居系統(tǒng)無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)。介紹了ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和ZigBee芯片選型，并分析基于CC2530的組網(wǎng)流程。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了終端節(jié)點(diǎn)RF無(wú)線收發(fā)核心模塊、模擬開(kāi)關(guān)量多路復(fù)用及串口轉(zhuǎn)USB通信模塊、溫度傳感器采集模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)述了節(jié)點(diǎn)傳輸及數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的流程設(shè)計(jì)。最終，在不加PA（功放）增益的情況下，測(cè)得ZigBee無(wú)線傳輸模塊有效傳輸距離為90 m，能滿足組建智能家居個(gè)人無(wú)線網(wǎng)的需求。

關(guān)鍵詞： 智能家居系統(tǒng)； ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)； 組網(wǎng)流程； 流程設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34； TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0081?04

0 引 言

如今，各種短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用廣泛。由各種短距離無(wú)線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)[1]對(duì)比可知，ZigBee在自動(dòng)組網(wǎng)（Mesh多跳網(wǎng)絡(luò)）、功耗以及成本等方面均比其他的無(wú)線通信技術(shù)在智能家居中更有優(yōu)勢(shì)，惟一能競(jìng)爭(zhēng)的是Bluetooth，但智能家居設(shè)備工作模式大多處于睡眠模式，無(wú)需實(shí)時(shí)傳輸或連續(xù)更新。ZigBee通信技術(shù)具有低功耗、低成本、組網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，且作為惟一的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是最適合大規(guī)模傳感器組網(wǎng)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，適合組建家庭個(gè)人無(wú)線區(qū)域網(wǎng)。

1 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)以家庭為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)單位均擁有一個(gè)獨(dú)立的協(xié)調(diào)器、多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊。在協(xié)調(diào)器和每個(gè)子節(jié)點(diǎn)上均接有一個(gè)ZigBee無(wú)線通信接收模塊，數(shù)據(jù)通過(guò)這些模塊在協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1中，協(xié)調(diào)器是建立并維護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備；路由器完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；終端設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及ZigBee芯片選型

本系統(tǒng)選用星型網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端組成。網(wǎng)絡(luò)組成如圖2所示。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，由其建立和監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

2.1 ZigBee芯片選型

本設(shè)計(jì)采用TI公司的MCU+射頻芯片CC2530為核心設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)，之所以選用該芯片的原因如下[2?4]：

（1） 集成單片機(jī)C8051、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、無(wú)線通信模塊ZigBee于一體，提高了單片機(jī)與無(wú)線通信模塊通信時(shí)的可靠性，同時(shí)也減小了體積。

（2） 支持最新的ZigBee 2007/PRO協(xié)議，通信距離更遠(yuǎn)，組網(wǎng)性能更可靠。

（3） 具有CC2530開(kāi)發(fā)套件、CC2530ZigBee開(kāi)發(fā)套件、用于RF4CE的CC2530RemoTI?開(kāi)發(fā)套件、SmartRF?軟件、數(shù)據(jù)包嗅探器、可用的IAR嵌入式工作臺(tái)。

2.2 基于CC2530 的ZigBee芯片組網(wǎng)流程

一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能的設(shè)備開(kāi)始組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層將會(huì)請(qǐng)求MAC層對(duì)規(guī)定的CH信道或PHY物理層進(jìn)行檢測(cè)，確定了通信的信道后便開(kāi)始確定PANID（Personal Area Network ID，個(gè)人網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符）。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)PANID，由相同PANID的設(shè)備組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。16位的PAN短地址（ZigBee芯片的IEEE地址）是設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)中分配的，網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備的通信一般是由16位短地址來(lái)區(qū)分的，當(dāng)然不同網(wǎng)絡(luò)的16位短地址是可以相同的。如圖3所示為ZigBee組網(wǎng)流程圖[5?7]。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸及數(shù)據(jù)采集電路

硬件部分主要包含RF無(wú)線收發(fā)模塊、串口擴(kuò)展及串口轉(zhuǎn)USB通信模塊、溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊等。除了溫度傳感器電路外，其實(shí)還可以在ADC接口允許或串口擴(kuò)展的情況下，按實(shí)際的需求添加其他傳感器功能模塊。

3.1.1 RF無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

在節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中，主要有3個(gè)部分：通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采集傳感器模塊的數(shù)據(jù)；完成ZigBee無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)；通過(guò)串口進(jìn)行相應(yīng)的主機(jī)控制。ZigBee無(wú)線模塊CC2530的硬件電路原理圖，如圖4所示。

CC2530其典型的外圍電路簡(jiǎn)潔，時(shí)鐘采用32 MHz以及32.768 kHz無(wú)源晶振。電路的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)較為簡(jiǎn)單，天線端接50 Ω鞭狀負(fù)極性天線。電路中可加入LED狀態(tài)指示燈，用于指示設(shè)備入網(wǎng)、退網(wǎng)等狀態(tài)。

3.1.2 模擬開(kāi)關(guān)量多路復(fù)用及串口轉(zhuǎn)USB通信硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制腳A，B的邏輯電平，從輸入信號(hào)IN1～I(xiàn)N4中選擇。運(yùn)算放大器U1構(gòu)成的電壓跟隨器的輸入阻抗較高，有效地降低了模擬開(kāi)關(guān)通態(tài)電阻的影響。確定控制邏輯電平AB情況下，輸入輸出信號(hào)關(guān)系如表1所示。

表1 控制邏輯電平AB選定時(shí)，輸入輸出信號(hào)關(guān)系表

串口轉(zhuǎn)USB通信模塊為系統(tǒng)測(cè)試提供了便利。模擬開(kāi)關(guān)量多路復(fù)用電路為用戶提供了豐富的模擬量接口擴(kuò)展，可簡(jiǎn)便地增加各種模擬量檢測(cè)，例如溫度檢測(cè)、紅外檢測(cè)以及濕度檢測(cè)等。串口轉(zhuǎn)USB通信電路如圖5所示。模擬開(kāi)關(guān)量多路復(fù)用電路如圖6所示。

3.1.3 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

溫度傳感器選擇TI數(shù)字溫度傳感器TMP75芯片，TMP75兩線串行接口引腳SCL，SDA與I2C總線接口兼容，降低了設(shè)計(jì)難度。當(dāng)溫度的檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定的極限時(shí)，引腳ALERT輸出告警電平，上述3個(gè)引腳在實(shí)際連接中需要連接上拉電阻10 kΩ。A0，A1，A2全部接低電平，這樣TMP75器件的寫(xiě)地址為0x90，讀地址為0x91，TMP75的設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸及數(shù)據(jù)采集的軟件流程設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸及數(shù)據(jù)采集的軟件流程圖，如圖8所示。

設(shè)備初始化后，傳感器會(huì)依據(jù)協(xié)議搜尋并請(qǐng)求加入 網(wǎng)絡(luò)。得到確定后，傳感器會(huì)將本節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器并自動(dòng)建立綁定。在接收到數(shù)據(jù)傳送指令后，傳感器將采集值按時(shí)傳給協(xié)調(diào)器。

3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)工作流程設(shè)計(jì)

在智能家居控制系統(tǒng)中，家居內(nèi)網(wǎng)采用的是星狀網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)通過(guò)串口與PC機(jī)相連的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開(kāi)始組網(wǎng)，隨著終端設(shè)備的加入，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)工作流程，如圖9和圖10所示[8?10]。

協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作：

（1） 首先協(xié)調(diào)器開(kāi)始組網(wǎng)，按照指定的信道和PAN_ID建立網(wǎng)絡(luò)；然后各個(gè)終端設(shè)備加入這一網(wǎng)絡(luò)，由此一個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)便可建立完成；

（2） 終端節(jié)點(diǎn)每隔一個(gè)周期向協(xié)調(diào)器發(fā)送地址信息和網(wǎng)絡(luò)信息，協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點(diǎn)的信息后，將這些信息解析傳送給PC軟件，根據(jù)這些信息顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

4 系統(tǒng)硬件測(cè)試

系統(tǒng)使用IAR 8051 7.50版本應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具，ZigBee協(xié)議棧版本為T(mén)I_ZStack?1.4.3?1.2.1，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的支持ZigBee 2006 pro及ZigBee 2007。在該測(cè)試試驗(yàn)中，根據(jù)RF芯片CC2530外圍硬件的特點(diǎn)會(huì)有一些配置上的調(diào)整。主要關(guān)注的寄存器包括如下：

通過(guò)可編程寄存器FREQCTRL[6：0]的低7位來(lái)設(shè)置載波頻率，載波頻率fC表達(dá)式為（單位為MHz）：

fC=2 394+FREQCTRL[6：0]

IEEE 802.15.4?2006 指定2.4 GHz 頻段劃分為16個(gè)信道，步長(zhǎng)值為5 MHz ，編號(hào)11～26，fC=（2 405+5（k-11）） MHz，k范圍為11～26，利用兩者相等可得出寄存器FREQCTRL.FREQ的值與信道之間的關(guān)系為：

FREQCTRL.FREQ = 11+5（k-11）

無(wú)線信號(hào)傳輸范圍（距離）的大小與發(fā)射功率、信道環(huán)境有關(guān)，適當(dāng)增大發(fā)射功率可增大傳送范圍，但也是有限制的。另外增大發(fā)射功率也增大了電流，同時(shí)也會(huì)增加電路功耗。CC2530用TXPOWER寄存器控制輸出功率，通過(guò)改變TXPOWER寄存器的值，便可改變CC2530的發(fā)射功率。

5 結(jié) 語(yǔ)

因?yàn)橹悄芗揖酉到y(tǒng)是一種低數(shù)據(jù)率網(wǎng)絡(luò)，所以應(yīng)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)有較大優(yōu)勢(shì)。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在低功耗、低成本、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量大。從本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可看到，基于CC2530芯片的ZigBee系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，可以根據(jù)其他控制的需求，簡(jiǎn)便地加入其他無(wú)線傳感器模塊，具有較強(qiáng)的延伸性和可移植性。

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