ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究

顾理军

（常州机电职业技术学院信息工程系，江苏 常州 213164）

ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究

顾理军

（常州机电职业技术学院信息工程系，江苏 常州 213164）

随着传感器数量的增加，传统的有线组网在智能家居中的弊端逐步显现。基于ZigBee技术的智能家居组网方案，以C8051F120高性能微处理器为核心，采用ZigBee通信芯片CC2430组网，体现了智能家居网络低功耗、低成本、易扩展的特点。

智能家居；ZigBee；C8051F120；CC2430

1 引言

随着网络技术的飞速发展及人们生活水平的提高，人们对于家庭居住环境提出了更高的要求，智能家居应运而生。智能家居是一个多功能的综合技术系统，它以家庭住宅为平台，利用计算机、网络、通信、传感、自动控制与嵌入式技术，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。

智能家居的关键技术主要有智能控制及内部网络的组建两部分。智能控制可以是本地控制或者远程控制，本地控制是指可直接通过网络开关实现对灯或其他电器的各种智能控制；远程控制是指通过遥控器、定时控制器、集中控制器或电话、手机、电脑等来实现各种远距离控制。智能家居内部网络的组建可以用有线网络或者是无线网络，本文介绍了一种基于ZigBee技术的无线组网技术，用来实现智能家居内部网络的构建。

2 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee协议是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准[1]。

完整的ZigBee协议栈由应用层（APL）、应用支持子层（APS）、网络层（NWK）、媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）组成，如图1所示。

IEEE 802.15.4标准定义的PHY层规定了ZigBee使用的通信频率范围868/915MHz和2.4GHz，MAC层使用CSMA-CA机制来控制无线电信道的访问。NWK层为ZigBee协议栈的核心部分，实现节点接入或离开网络、路由查找及传送数据等功能。APL层包括了APS、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商制订的应用对象。APS层负责维护绑定表，根据服务和需求在两个绑定实体间传递信息。ZDO负责定义设备节点在网络中的角色，并负责网络设备的发现，决定提供何种应用服务，还负责初始化或响应绑定请求及建立网络设备间安全关系[2]。

图1 ZigBee协议栈结构

3 智能家居网络设计

智能家居系统可以实现手机网络、互联网以及小区信息网互联互通，用户在外也能通过手机控制家里的电器，及时收到家里的报警信息，必要时可向社区保安发送报警求救信号[3]。系统模型如图2所示，其中空间利用ZigBee技术进行组网。

图2 智能家居系统模型

ZigBee采用自组织方式组网，支持星形、树形、网状三种拓扑结构。网络中的节点按功能分为全功能设备FFD（Full Function Device）、简化功能设备 RFD（Reduced Function Device）。FFD节点具备控制器的功能，提供数据交换，能够作为网络协调器、路由节点和终端节点来使用，可与网络中任何设备进行通信；RFD节点只能作为终端节点来使用，而且只能与FFD节点通信，两个RFD节点之间不能通信。

ZigBee网络中节点由于功能的不同，其组成也各不相同，一般由传感器、处理器、无线传输及电源组成：

（1）传感器：主要用于数据采集，不同的节点有不同的数字传感器，温度、湿度、亮度等传感器。如果网络节点用在被控端或协调器中时，则不需要数据采集模块。

（2）处理器：由C8051单片机系统完成。

（3）无线传输：由CC2430无线射频模块构成，在协调器节点还需要串口或者USB接口与智能家居控制器进行数据交换。

（4）电源：负责单片机、无线射频模块及各种传感器的供电。

4 ZigBee组网的设计与实现

4.1 CC2430简介

CC2430芯片是chipcon公司生产的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一块工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，有3种不同的版本，分别对应32/64/128KB的闪存。

CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU （8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器 （Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式及快速切换主动模式的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

4.2 网络节点的设计与实现

ZigBee网络中的节点有协调器、路由器和终端设备三种类型。协调器负责整个网络的启动与配置。一旦网络启动完成后，协调器就完成路由器的功能。路由器的主要功能是允许其他设备加入网络，多跳路由并协助终端设备在网络中通信。终端设备多是简化功能设备（RFD）。

本文选择一通用节点模块加以说明，模块设计如图3所示。

图3 节点模块设计

该节点以C8051F120为核心，在单片机调试器与PC机软件的配合下，支持对于无线传感器节点CC2430的调试。本地提供LED，按键和继电器的控制，扩展无线传感器网络的功能。模块中设计了转接电路，将CC2430串口通过不同形式引出，方便连接不同的外部设备，同样C8051F120也可以对外串行通讯。

MCU C8051F120是该模块的核心处理器，主频最高可以到达100MHz,它可以通过串行通讯接口UART0与CC2430进行通讯，通过AD对外接传感器的数据进行采集[4]。C8051F120外围电路如图4所示。

图4 C8051F120外围电路图

在PC机安装USB转串口的驱动程序，将该模块的USB接口连接到PC机，PC机将识别到该模块。当用跳线连接为TXD连接 TXD-USB，RXD连接 RXD-USB时，CC2430可以与PC机进行串行通讯。在此工作模式下，CC2430作为无线传感网的协调器，监控整个无线网的工作状态，并将网络状态传送给PC机，构建好ZigBee家庭网络。

5结论

ZigBee组网技术由于其自身的特点，在实现智能家居中具有得天独厚的优势，今后将在智能家居中有广泛的应用前景。

本文作者创新点：以C8051F120微处理器和CC2430无线射频通信模块为基础构建的智能家居网络节点模块，能很好的完成数据采集、设备控制等功能，具有低功耗、低成本、易扩展的特点，能够适应今后智能家居的发展需要。

[1]江虹，刘骊.ZigBee技术在智能家居控制器中的应用研究[J].云南大学学报：自然科学版，2009，31（S1）：109-113.

[2]翟雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]杨祥，赵荣阳，张远翼.基于ZigBee的智能家庭系统控制终端设计[J].微计算机信息，2009，25（1-3）：126-128.

[4]赖于树，梁丁等.ARM微处理器与应用开发[M].北京：电子工业出版社，2007.

[5]明光照，李鸥，张延军.基于无线传感器网络的智能家居系统设计[J].通信技术,2009,42(2):233-238.

Research on Application of ZigBee in a Smart Home Network

GU Lijun
（Information Engineering,Changzhou Institute of Mechatronic Technology,Changzhou Jiangsu 213164,China）

With the increasing number of sensors,the traditional network in the smart home become more and more difficult to expand.This paper presented and designed a program of smart home network based on ZigBee technology,it is constructed by C8051F120 microcontroller and ZigBee communication Chip CC2430，the smart home network is low-power,low cost,and easy to expand.

Smart home；ZigBee；C8051F120；CC2430

TP39

A

1674－5787（2011）03－0160－02

2011-03-28

顾理军（1981—），男，江苏南通人，工程硕士，常州机电职业技术学院信息工程系，讲师，主要研究方向为计算机网络安全。

责任编辑 王荣辉