基于ZigBee的智能家居室内通信系统

刘 萍，胡 杰

（长江大学，湖北 荆州 434023）

随着物质的丰富和生活水平的提高，居家环境的智能监控已逐渐成为人们追逐的目标。ZigBee作为近几年发展起来的一种短距离无线通信技术，具有低复杂度、低功耗、低成本及可自组网等特点，克服了传统有线通信方式接入过程繁琐、建设和维护成本高、系统可扩展性差等缺点，对智能家居的普及和推广提出了一种新的解决方案。本文基于ZigBee无线传感器网络设计了一个智能家居的室内通信系统，通过S3C6410微处理器为核心的嵌入式平台接入Internet网，可实现用户对家庭智能设备的远程监控。

图1 智能家居室内通信系统

1 系统硬件设计

（1）系统总体结构。本系统由两部分组成：网络中心和终端节点，采用星形拓扑结构。其中，网络中心包括ZigBee协调器和ARM嵌入式平台，控制整个家庭无线网络的通信，并将终端节点的数据打包发送到互联网服务器。服务器监听端口数据，并向网站发布终端节点的信息，以实现通过网页进行智能照明、安防报警、门窗和家电的控制等功能。

终端节点由ZigBee无线收发模块和传感器或控制模块等终端设备组成。传感器有4类：温湿度传感器、光敏传感器、热释红外传感器、广谱气体传感器等。控制模块有3种：步进电机、继电器和红外控制模块等。系统总体结构如图1所示。

（2）通信节点硬件设计。系统无线通信模块采用TI公司的CC2430F128芯片。该芯片以强大的集成开发环境为支持，内部线路的交互式调试遵从IDE的IAR环境，支持2.4GHz的IEEE802.15.4协议，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。片上集成高性能8051内核、128 KB可编程闪存和8KB的RAM、ADC、USART等，支持ZigBee协议栈。图2是温湿度采集节点的硬件连接图。其中，CC2430F128的P0_0脚作为温湿度传感器DHT11的数据输入脚。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感器技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

协调器除了与终端节点通信外，还通过串口与S3C6410进行通信。在串口收发时设置为位置1，即P0_2为RXD，P0_3为TXD。S3C6410使用串口2。

2 终端节点软件设计

图2 温湿度采集节点

本系统的终端监控节点不多，为简化软件设计，采用预先分配ID号、以应答的方式进行工作：监控节点先处于接收信号状态，主节点（ZigBee协调器）以广播的形式发送请求信号。当监控节点收到主节点发出的信号后，先判断是否为前导码（0xAA），若不是则重新接收。若是则进入解码状态，并将解码的ID号与自己的ID号进行匹配。若不匹配则停止解码并重新配置相关寄存器进行初始化，重新接收。若匹配，则继续解析，遇到结束符后进行相应处理。如果是控制节点，则根据接收到的信息执行相关控制操作。若是监测节点，则按照传感器的相关协议进行数据采集、处理及封装，避开争议区后开始应答，将传感器检测到的数据发送给主节点。终端节点的收发程序如图4、图5所示。

5 监控节点信号发送流程

图4 监控节点信号接收流程图

3 系统的通信协议及通信原则

（1）通讯协议设计。本系统采用星形网络结构、一对多的通信方式。系统为协调器和各同类终端节点分别分配一个唯一的ID，协调器在可靠的通信范围内以轮询的方式与终端节点通信，通信协议的格式定义如下：

协调器通信协议终端节点返回数据格式

前导码：0xAA，占1个字节。测试表明，外界噪声不易产生这种有规律的信号。

ID号：占1个字节，系统设计的终端监控节点数总共为50个。

控制信息：协调器发出，占1字节。请求传感器节点返回测试数据或控制节点动作。

返回数据信息：传感器节点返回数据，占8个字节。本系统规定监测节点返回信息的最大长度为8字节，若监测节点返回数据少于8个字节，则不足字节用0x6E填充。

结束符：协调器发出，占1个字节，本系统规定结束符为0xBB。

校验码：传感器节点返回数据，校验码=ID号^返回数据信息。

（2）超时退出机制和延时退避的通信策略。系统采用顺序轮询的同步机制实现协调器与各终端节点的通信，为了避免因某节点的损坏（或移走）而导致协调器的长时间等待，本系统采用了超时退出机制：若节点不存在或损坏不能反馈信息时，协调器并不长时间等待应答，而是超过一定时间后继续访问下个节点。

上述同步机制可以保证同步，但避免不了相同功能节点（如厨房多个广谱气体传感器，系统为其分配相同ID号）的通信碰撞。针对这种情况，本系统采用时延退避的通信策略：同功能节点按物理位置分配一个备用序号。当主节点扫描询问到监测节点时，该节点并不立即应答。而是按照节点备用序号n延时nΔt时刻后再进行应答，如果有同功能节点应答后，在该序号之后的备用节点m测得当前节点通信结束后，延时(m-n）Δt再进行应答。

4 结语

基于CC2430无线收发模块设计了一个智能家居室内通信系统，配合S3C6410嵌入式处理平台构成的无线网关，可实现用户通过Internet网或GPRS对家庭智能设备的远程监控。经测试，整个系统运行稳定，无线收发模块在室内隔墙的通信距离可达15m左右，误码率小于2%，完全满足一般家庭智能家居的组网要求。基于本系统的模型，在第七届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛中实现了Internet网和GPRS网的远程控制，获得三等奖。本系统通用性、扩展性强，适合各种短距离、低速率、低迟延场合无线自组通信，对于传输距离较远的场合，可通过多跳路由、采用树形网络或网状网络的方式实现。

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[2]陈和平，陈志杰，钱岑，李勐.基于ZigBee的机房监控系统[J].电子设计工程,2010.

[3]朱琨，焦毅，余强，吴白锋.无线传感器网络时钟同步技术研究[J].2006，35，（2）.