基于ZigBee的家庭智能系統(tǒng)設計

　　隨著Internet的普及與發(fā)展，家庭網絡化已經成為家庭現代化的潮流。家庭網絡，主要包括有線和無線兩種實現方式。由于有線網絡固有的缺點，布線麻煩，可擴展性差等，將無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢。無線網絡的市場發(fā)展在邏輯上可分為面向語音的市場和面向數據的市場兩類。在許多以數據傳輸為主的無線網絡中，小型、低成本、低復雜度的無線網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）或者IEEE 802．11x無線局域網更加簡單實用。

　　1 ZigBee簡介

　　2002年8月ZigBee聯盟成立，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聯盟負責網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據包格式。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 家庭網絡拓撲結構選擇

　　ZigBee標準有3種網絡拓撲結構：星型、網狀型、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，網絡中數據量不大，沒有必要采用復雜的網絡拓撲來保證數據通信；3）智能家居控制網絡的設計不需要很大的覆蓋范圍，根據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 網絡節(jié)點設計

　　網絡節(jié)點由單片機、無線傳輸模塊、數據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。

　　CC2420是符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標準的射頻收發(fā)器。該器件是適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipeon公司的Smalt RF 03技術，以0．18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE 802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

　　CC2420只需要極少的外圍元件，外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420通過4線SPI總線（SI、S0、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式，并實現讀／寫緩存數據，讀／寫狀態(tài)寄存器等功能。通過控制FIF0和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進行的地址和數據傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內有33個16比特狀態(tài)設置寄存器，在每個寄存器的讀／寫周期中，SI總線上共有24比特數據，分別為：1比特 RAM／寄存器選擇位（0：寄存器，1：RAM），1比特讀／寫控制位（0：寫，1：讀），6比特地址選擇位、16比特數據位。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。圖2為RF狀態(tài)控制圖。另外，通過CCA引腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計，通過SFD引腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘／定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應引腳相連來實現系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

　　CC2420與單片機的連接如圖3所示，數字為ATMEGAl28對應引腳。網絡節(jié)點通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過繼電器控制電氣設備的開關。系統(tǒng)節(jié)點如圖4所示。

　　網絡節(jié)點通過CC2420無線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過繼電器控制電氣設備的開關。系統(tǒng)選擇一個節(jié)點為星型網絡的主控節(jié)點，該節(jié)點連接短信模塊，直接與用戶通信，向其他節(jié)點傳遞用戶命令同時向用戶發(fā)送節(jié)點狀態(tài)、報警等信息。短信模塊選用西門子的TC35i，西門子公司的TC35i模塊是一個支持中英文短信息的工業(yè)級GSM模塊。

　　基于GSM網絡的短消息技術與處理器之間的接口實際上是通過一系列AT命令實現的。在短消息模塊收到網絡發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示信息到單片機進而用戶可以查詢控制電器狀態(tài)。短消息的文本模式與PDU模式目前，發(fā)送短消息常用的為text模式和PDU模式。使用text模式收發(fā)短信代碼簡單，容易實現，但最大缺點是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。

　　PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7 bit、8 bit和UCS2編碼。7 bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8 bit編碼通常用于發(fā)送數據消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。一般的PDU編碼由十三項組成，它包括：短信息中心地址長度；短信息中心號碼類型；短信息中心號碼；文件頭字節(jié)；信息類型；被叫號碼長度；被叫號碼類型；被叫號碼；協(xié)議標識；數據編碼方案；有效期；用戶數據長度；用戶數據。