ZigBee智能家居系统自动组网技术浅析

黄福浩

【摘 要】ZigBee是基于IEEE802.15.4通信协议的低速率、短距离无线通信技术，是一种针对用户终端的区域无线通信应用。本文就针对ZigBee智能家居系统自动组网技术进行简单分析，以供参考。

【关键词】ZigBee技术；智能家居系统；自动组网技术；无线通讯技术；传感网

智能家居网络按网络介质的不同可分为有线网络与无线网络两类。有线网络主要是利用家中的电话线或电力线进行组网， 而无线网络主要利用 2. 4GHz 频段的免费无线资源进行组网。显而易见， 同有线网络技术相比， 无线网络安装方便、组网灵活、即插即用、可移动性强， 因而更适合于智能家居网络的发展，这也为自组网技术的发展奠定了良好的基调。

一、ZigBee智能家居系统自动组网技术

（一）数据通信技术

在对本智能家居系统的通信模块进行设计的时候，采用了与ZigBee协议结构相似的分层结构。整个通信模块的结构由上到下分为：应用层、射频层和硬件抽象层。

1、应用层：位于整个通信模块结构的最上层，在整个家居系统中设计的应用都定义在该层。当启动系统软件的时候，启动的就是应用层。当用户需要实现某个功能时，用户通过操作应用层，利用应用层给下层的射频层和硬件抽象层下达相关的命令，来实现相关的功能。

2、射频层：主要通过调用硬件抽象层的相关函数来间接调用整个家居系统设备中的硬件资源，从而为数据收发提供接口用于相关数据的收发，并通过调用相关的安全机制来保证数据收发的安全性和可靠性。硬件抽象层利用相关的接口函数来直接驱动硬件设备，而射频层和应用层只需要调用硬件抽象层就能对相关的硬件进行控制，简单、方便。

3、硬件抽象层：在对硬件抽象层进行具体设计时，让其由：常用、接口、射频、外射驱动等四个文件夹组成。常用文件夹中主要对该层的数据类型、8051微控制器的特殊功能寄存器以及全局中断函数进行相关的定义。接口文件夹中主要包含该层需要用到的所有的头文件。GC2430的头文件和相关的驱动文件存儲在射频文件夹中，而除了CC2430射频模块以外，其它外部设备的驱动文件则存储在外射驱动文件夹中。通过对硬件资源的寄存器进行相关的映射，射频层和应用层直接利用驱动文件夹来对硬件抽象层进行相关的操作而不需要考虑硬件的细节。

（二）ZigBee节点功能

对于通信网络中的应用层的设计，主要是对ZigBee节点的相关功能进行设计。应用层的设计主要包括：ZigBee网络中心协调器节点的程序设计、路由器程序设计以及ZigBee终端功能节点的程序设计。

1、协调器节点程序：智能家居系统的ZigBee中心协调器在整个网络中主要承担着建立通信网络、收发相关的数据以及进行串口通信。

2、路由器程序：在对路由器进行设计的时候，由于它在启动以后，会自动的选择加入ZigBee无线网络，而它承担的工作只是对相关数据进行转发，所以设计的程序非常的简单。

3、终端节点程序：根据每一个ZigBee终端功能节点的任务，将所有的终端功能节点分为三类：第一类是室内安全防护类，这些终端节点的监控任务主要和室内安全有关，当它们监测到室内出现安全隐患的时候，就会立即向监控中心发送报警信息；第二类主要是控制类节点，它们主要连接着控制设备，然后接收中心协调器的控制命令并执行该命令；第三类主要是普通环境参数监测类，它和监测环境参数的传感器直接连接，实时的对室内外的环境参数进行采集，并定时的将这些采集到的参数发给中心协调器。

二、智能家居系统自动无线组网的实现

（一）CC2430芯片

作为一个应用己经趋于成熟的无线通讯技术，市面上的ZigBee无线通讯芯片已经有很多种了：比如jennic的JN5148芯片、TI公司的CC2430模块、Frescal的MC13192芯片、EMBER的ME260芯片、ATMEL的LINK-23X芯片和ATMEL的Link-212芯片等。在综合考虑系统稳定性、功耗、传输效率等问题后，本系统最后决定采用TI公司设计的 CC2430射频芯片。

CC2430的尺寸为7X7mm 48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的CMOS标准技术。这样的设计可在一个硅晶片上实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器的整合。CC2430是一颗标准的SOC（System On Chip）系统芯片CMOS解决方案。这种解决方案能满足以ZigBee 2.4GHz ISM波段的应用的同时，还可以有效降低成本、减小功耗、提高性能。芯片内部集成了一个射频收发器核心频段2.4GHz，使芯片具备了射频无线收发的能力。

（二）节点设备介绍

1.输入/输出端口

CC2430的3个8位的I， O端口，既可以用作通用的输入/输出端口，通过编程还可以作为特殊功能的输入/输出端口，在智能家居系统中P0， Pl， P2的输入/输出状态和功能被做出了一定的修改。

2. DMA（直接存取控制器）

CC2430在内存与外设之间拥有一条特殊的数据通道。通过DMA控制器的控制直接进行数据交换，这一机制保证了不需要CPU极的太多干预，DMA控制器就实现将数据从ADC或射频收发器到存储器的传输；极大的提高了数据存取效率并有效减轻8051 CPU核的负担，保证了CC2430芯片在高性能条件下也具备很好的功耗性能。DMA控制器有0-4共5个信道。在DMA方式发送时，8051内核只需要回应DMA的数据传输请求，DMA控制器就可以独立完成数据的输入/输出。具体过程如下：首先完成DMA信道配置，当DMA信道工作状态寄存器中DMAARM被置1以后，DMA信道进入工作状态，在工作状态下一旦触发事件发生，随即传送自动开始。

3.MAC定时器

CC2430包括4个定时器，其中3个为普通定时器，分别为1个16位定时器和2个8位定时器，支持普通的定时/计数功能。CC2430还包含1个16位MAC定时器，并由CSMA-CA算法和IEEE 802.15.4的MAC层来提供定时。

4. 14位模/数转换器（ADC）

CC2430拥有一个14位的模/数转换ADC，数模转换器内部包括参考电压发生器、独立可配置通道、电压发生器和通过DMA模式把转换结果写入内存控制器。

通过这些软硬件及ZigBee通讯协议的支持，就能够实现自动组网，举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过动态路由机制重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这就实现了智能家居应用层面的互联感知网络。

三、结语

总而言之，利用Zigbee技术将各传感器连接到传感网内，通过传感网采集到各类居室信息并传递到中控机中，由中控机对信息进行处理并通过无线网络技术传送到服务器中，通过分析用户需求，作出调整以满足其需求，使用户体验生活更方便，更舒适，满足了现代都市人对居家生活的高品质追求。

【参考文献】

[1]姜浩. 基于ZigBee无线网状网络在智能家居领域的实现[D].大连理工大学，2010.

[2]赵奎兵. ZigBee与语音识别在智能家居系统中的应用研究[D].大连理工大学，2013.