基于ZigBee技术的智能家居系统内部网络设计

作者：天博克罗地亚  时间:2024-10-17 18:43:33

  组网模块。总系统由传感器组网部分、协调器控制、LCD显示部分构成，系统能对多个传感器进行实时监控，当任一传感器在LCD上显示的数值超过预先设定的阈值时，系统将自动控制继电器、步进电机及蜂鸣器的开启，进而起到控制电器的开启和安全警报的作用。

  在这个信息的时代，随着科学技术的快速的提升，家居智能化慢慢的变成了人们的迫切需求。因此，为了使人们的生活更绿色环保、更方便、更安全，温湿度及光照实现实时采集和家实现自动控制、室内火情和可燃性气体实现事实检测与监控慢慢的变重要。在智能家居系统中，担任重要成分的控制管理系统和组网技术，对其的选择是十分重要。其中，在智能家居的控制管理系统中，无线数据传输方式的灵活等特点战胜了传统的有线数据传输的局限性，从而得到了广泛应用;为了方便用户的安装和使用，避免繁琐的有线的布线，采用无线方式来进行组网。无线组网方式多种多样，其中ZigBee技术以其组网灵活性、功耗低等优异特性而得到普遍使用。

  智能家居系统采用ZigBee无线组网技术作为基层网络来实现家居系统内部网络。在多种网络拓扑结构中，星型结构的覆盖范围较小，但是结构相对比较简单、数据传输快，所以在家庭范围内，采用星型结构作为基础的网络结构。通过ZigBee无线通讯模块与传感器模块及家电构成终端设备，实现数据的采集，传输等;使用全功能设备作为家居内部ZigBee网络的中心协调器，负责建立和维护网络;通过RS232串口通信实现协调器与传感器模块之间的连接，系统结构图如图1所示。作为智能家居系统的底层基础网络，家居内部ZigBee无线网络能轻松实现的功能有：1)采集家庭环境的数据和信息。2)简易地处理设备终端上传来的数据。3)通过串口通信协议将数据上传到中心协调器。4)协调器根据采集上的实时数据作出判断，给出控制指令。5)通过串口通信协议将数据回传给设备终端。6)设备终端作出相应的响应。

  ZigBee技术一种短距离低速传输的无线网络协议，其功耗抵、快速、可靠、成本低、容量大、安全的特点，使其可大范围的应用于各种自动控制领域。

  ZigBee协议栈是在OSI七层模型的基础上依据市场和应用的实际要定义的简化协议栈，ZigBee协议栈由物理层、MAC层、网络层和应用层四层结构组成，其中网络层和应用层是ZigBee联盟在IEEE 802.15.4标准基础上重新定义的，而物理层和MAC层则是沿用了IEEE 802.15.4标准。ZigBee协议栈结构如图2所示。

  1)物理层(PHY)：本层规定了物理无线信道以及MAC子层之间的接口，提供了PHY层的数据服务和管理服务。基本功能是激活/休眠无线收发设备，对当前信道进行能量检测，链接质量指示，为载波检测多址与碰撞避免(CMSACA)进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等。

  2)媒体介质访问层(MAC层)：提供数据服务和管理服务两种服务，主要完成的功能有：网络协调者产生并发送信标帧，设备与信标同步，支持RAN网络的关联和取消关联操作，为设备的安全性提供支持，信道接入方式选用免冲突载波检测多路访问(CMSACA)机制，处理和维护保护时隙机制，在两个对等的 MAC实体之间提供一个可靠地通信连路。

  3)网络层(NWK)：负责拓扑结构的建立和维护网络连接，基本功能有设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。

  4)应用层(APL)：是用户根据需要自行来开发的，由应用支持子层、ZigBee设备配置层和应用架构层组成，其中，应用支持子层为网络层和应用层提供接口，把基于服务和需求相匹配的两个设备作为一个整体来来管理的绑定服务，并未绑定服务构建和保留绑定表，在绑定设备之间传输信息;ZigBee设备配置层提供标定服务、为远程设备提供请求的任何标准的描述符信息;应用架构层是应用支持子层的应用程序的无线数据接口，应用程序使用该层提供的功能来发送和接收无线 系统硬件设计

  ZigBee系统采用的传感器模块芯片为CC2530芯片，CC2530是TI公司推出的无线片上系统(SOC)芯片，其需要极少的外接元件，片上集成了不同的构造模块，大致可分为CPU和相关的存储器模块，外设、时钟和电源管理模块，无线类，并通过ZigBee协议栈实现了应用。

  本设计是在IAR7.51软件的开发环境下，通过C语言编写驱动程序来进行仿线 ZStack协议栈软件架构

  初始时，系统要对硬件平台和软件架构所需的要的各个模块进行初始化，为操作系统的运行做好准备工作，其具体流程图和对应的函数如图7所示。

  操作系统要处理MAC层，网络层，物理层，应用层，zigbee设备应用层，应用层，这6层的任务，优先级是从MAC层具有最高优先级，到用户层具有最低优先级。如果MAC层任务有事件处理不完，用户层任务就不会得到执行。

  数据采集节点首先会通过NLME_NETWORK_DISCOVERYrequest原语，启动加入网络流程。数据节点启动后，先扫描 DEFAULT_CHANLIST指定的频道。数据采集节点首先要通过信道扫描来发现2.4GHz频段的信道中存在的网络。当收到协调器发送的信标应道后，就按照信标内的协调器的网络地址和PAN_ID等信息加入网络。