隨著Internet的普及與發(fā)展，家庭網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為家庭現(xiàn)代化的潮流,。家庭網(wǎng)絡(luò),，主要包括有線和無(wú)線兩種實(shí)現(xiàn)方式。由于有線網(wǎng)絡(luò)固有的缺點(diǎn),，布線麻煩,，可擴(kuò)展性差等，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì),。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)發(fā)展在邏輯上可分為面向語(yǔ)音的市場(chǎng)和面向數(shù)據(jù)的市場(chǎng)兩類,。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，小型,、低成本,、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無(wú)線通信技術(shù),，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802．15．4規(guī)定,。ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、高速率PAN(個(gè)人局域網(wǎng))或者IEEE 802．11x無(wú)線局域網(wǎng)更加簡(jiǎn)單實(shí)用,。

1 ZigBee簡(jiǎn)介

2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立,，由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司,、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成,；IEEE802．1 5．4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)于2003年5月獲得批準(zhǔn)；2006年,，推出ZigBee 2006,，比較完善；2007年底,，ZigBee PRO推出,。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802．15．4。物理層和MAC層直接引用了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn),。而ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā),，以及制定其安全協(xié)議和市場(chǎng)推廣等。IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),，分別是2．4 GHz物理層和868／915 MHz物理層,。這兩個(gè)物理層都基于DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，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(gè)信道,，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，采用0-QPSK調(diào)制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國(guó)的ISM頻段,，這兩個(gè)頻段的引入避免了2．4 GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾,。

2 家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀型,、樹型,。本文智能家居系統(tǒng)的實(shí)際情況如下：1)傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過(guò)電源供電,，所以應(yīng)該盡量減少傳感器節(jié)點(diǎn)的工作量,，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)用電；2)智能家居中接入的主要是傳感器和開關(guān),，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量不大,，沒(méi)有必要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)保證數(shù)據(jù)通信；3)智能家居控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)不需要很大的覆蓋范圍,，根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的說(shuō)明,，空曠環(huán)境最大傳輸距離100 m，在室內(nèi)環(huán)境一般也能達(dá)到30多米的覆蓋距離,，這對(duì)大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)來(lái)說(shuō)足夠,。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且成本低廉,、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,、連接容易、容易擴(kuò)充和管理,、不涉及路由尋址等功能,，因此本設(shè)計(jì)選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī),、無(wú)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(jī)選用低功耗的ATMEGA128L，無(wú)線模塊選用CC2-420型射頻收發(fā)器,，兩者通過(guò)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(diǎn),，可提供128 K字節(jié)的可編程FLASH，4 K字節(jié)的SRAM,，具有簡(jiǎn)化高效的RISC指令體系,。

 CC2420是符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器,。該器件是適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipeon公司的Smalt RF 03技術(shù),，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(shù)超過(guò)了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(guò)4線SPI總線(SI,、S0、SCLK,、CSn)設(shè)置芯片的工作模式,，并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)，讀／寫狀態(tài)寄存器等功能,。通過(guò)控制FIF0和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器,。注意：在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內(nèi)有33個(gè)16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器,，在每個(gè)寄存器的讀／寫周期中,，SI總線上共有24比特?cái)?shù)據(jù)，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?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)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(guò)CCA引腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì),，通過(guò)SFD引腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入,。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)引腳相連來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

CC2420與單片機(jī)的連接如圖3所示,，數(shù)字為ATMEGAl28對(duì)應(yīng)引腳,。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CC2420無(wú)線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過(guò)繼電器控制電氣設(shè)備的開關(guān)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)如圖4所示,。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CC2420無(wú)線模塊傳輸指令和狀態(tài)并接通過(guò)繼電器控制電氣設(shè)備的開關(guān),。系統(tǒng)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)為星型網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)連接短信模塊，直接與用戶通信,，向其他節(jié)點(diǎn)傳遞用戶命令同時(shí)向用戶發(fā)送節(jié)點(diǎn)狀態(tài),、報(bào)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(gè)支持中英文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊,。
 

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息技術(shù)與處理器之間的接口實(shí)際上是通過(guò)一系列AT命令實(shí)現(xiàn)的。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的短消息時(shí),，能夠通過(guò)串口發(fā)送指示信息到單片機(jī)進(jìn)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(jiǎn)單,，容易實(shí)現(xiàn)，但最大缺點(diǎn)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(shù)據(jù)消息,，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符,。一般的PDU編碼由十三項(xiàng)組成，它包括：短信息中心地址長(zhǎng)度,；短信息中心號(hào)碼類型,；短信息中心號(hào)碼；文件頭字節(jié),；信息類型,；被叫號(hào)碼長(zhǎng)度；被叫號(hào)碼類型,；被叫號(hào)碼,；協(xié)議標(biāo)識(shí)；數(shù)據(jù)編碼方案,；有效期,；用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；用戶數(shù)據(jù),。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)為星型網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn),，該節(jié)點(diǎn)連接短信模塊，直接與用戶通信,，向其他節(jié)點(diǎn)傳遞用戶命令同時(shí)向用戶發(fā)送節(jié)點(diǎn)狀態(tài),、報(bào)警等信息,。其他節(jié)點(diǎn)除了短信模塊和任務(wù)，與主節(jié)點(diǎn)流程基本相同,。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的固定地址,，相互之間不會(huì)形成干擾。圖5為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序流程,。

用VB設(shè)計(jì)上位機(jī)界面,，用戶可通過(guò)PC進(jìn)入控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電器的控制并能直接觀察需要的環(huán)境參數(shù),。圖6為上位機(jī)界面,。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試，節(jié)點(diǎn)室外空曠地通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)200 m,，室內(nèi)40 m，節(jié)點(diǎn)功耗低,，由兩節(jié)干電池供電,，可使用3～6個(gè)月。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本,、低功耗,、近距離和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空白，該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線家庭控制網(wǎng)絡(luò),，無(wú)需對(duì)室內(nèi)電線作任何改動(dòng),，也無(wú)需另外布線，僅通過(guò)增加分機(jī)就可增加控制的容量,，擴(kuò)展方便,、易行。