基于ZigBee技术的手机智能家居系统设计

罗鹏

【摘要】提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统，给出系统的软件设计。所设计的网关节点具备网关的基本功能，并结合了Bluetooth和GPRS通信功能，可以支持近远程的综合接入。用户可以采用Android终端设备实现实时数据的采集或者控制指令的执行，也可以通过移动通信公网实行远距离的控制操作。Android终端软件开发平台采用的是安装了SDK开发包的Eclipse开发软件。除了网关以外的其他节点都采用了休眠管理来降低能耗。

【关键词】智能家居ZigBee无线传感器网络Android

中图分类号：TN92文献标志码：A

本文结合ZigBee无线传感网络与Android智能手机系统，设计了新型的智能家居系统。硬件方面使用TI公司的CC2530 ZigBee无线传感模块和支持RS-232的Android智能手机开发平台，完成了比较完善的通信网关功能，使用户可以通过Android手机端的应用程序控制ZigBee智能家居系统。

一、ZigBee规范分析

在ZigBee规范中，节点按功能分为3种类型[3]：①协调器（ZC），负责创建并维护一个PAN；②路由器（ZR），负责把感知数据路由到ZR，并帮助ZC进行PAN的创建和维护工作；③端设备（ZED），负责感知物理世界环境变化，然后在ZR的帮助下将感知数据传送到ZC[4]。

二、系统设计

2.1建立ZigBee智能家居网络

整个系统由ZigBee无线传感器网络、无线通信公网和Android智能终端组成。组建一个完整的ZigBee网状网络包括两个步骤：网络初始化、ZED加入网络。其中ZED加入网络又包括两种方式：通过与ZC连接入网和通过已有父节点入网。

为了建立连接，ZED需要向ZC提出请求，ZC接收到ZED的连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的ZED做出响应，ZED与ZC建立连接后，才能实现数据的收发[6]。具体的流程如图1所示：

（1）查找网络ZC。首先ZED点会主动扫描查找周围网络的ZC，如果在扫描期限内检测到信标，那么将获得了ZC的有关信息，这时就向ZC发出连接请求。如果没有检测到，间隔一段时间后，ZED重新发起扫描。（2）发送关联请求命令。ZED将关联请求命令发送给ZC，ZC收到后立即回复一个确认帧（ACK），同时向它的上层发送连接指示原语，表示已经收到ZED的连接请求。协调器接收到连接指示原语后，根据自己的资源情况（存储空间和能量）决定是否同意此ZED的加入请求，然后给ZED的MAC层发送响应。（3）等待ZC处理。ZC给ZED的MAC层发送响应时，ZED会设置一个等待响应时间来等待ZC对其加入请求命令的处理，若ZC的资源足够，ZC会给ZED分配一个16位的短地址，并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令。若ZC资源不够，等待加入的ZED将重新发送请求信息。（4）发送数据请求命令。如果ZC在响应时间内同意ZED加入，那么将产生关联响应命令并存储这个命令。当响应时间过后，ZED发送数据请求命令给ZC，ZC收到后立即回复ACK，然后将存储的关联响应命令发给ZED。（5）ZED收到关联响应命令后，立即向ZC回复一个确认帧（ACK），以确认接收到连接响应命令，此时ZED将保存ZC的短地址和扩展地址，并且ZED的MLME向上层发送连接确认原语，通告关联加入成功的信息。自此，ZigBee网络组网成功。

当组网成功后，ZED将在指定的报告周期时间内，通过zb_SendDataRequest原语向ZC发送状态数据包。ZC通过RS-232接口将数据包转发到Android模块，然后通过Socket或者蓝牙将数据包传递到用户终端。

2.2串口通信

Android模块串口通信主要由下面几步组成，JNI通过init、upload、download三个HAL层函数接口对串口进行初始化、写数据和读数据。写数据时，通过upload在 HAL层中加上包头及CRC位，然后在写线程中写入串口设备节点。读数据时，在HAL层中通过读数据线程从串口设备节点中将数据读出后进行解析和CRC校验，如果CRC校验正常则把解析之后的数据通过JNI层传给java中进行使用。接收数据和解析数据的时候采用buffer控制，在接收数据时采用的环形buffer，容量为1Kbyte，这样做的目的是防止接收数据丢失。

2.3用户与Android模块通信

2.3.1Socket通信

Android平台Socket通信由客户端和服务器两部分组成，当客户端启动时，会向指定IP地址和端口号的服务器发送一个短数据包，服务器接受到数据包后建立起与相应客户端的Socket连接。当ZigBee协调器通过RS-232将数据包传输到客户端，客户端会将接收到的数据进行拆包、解析，然后将比特流（二进制）转换为ASCⅡ码，重新打包，通过Socket服务器转发到终端设备中。同理，终端设备也可以通过Socket服务器将数据发送到客户端，从而将控制信息传送至ZigBee协调器端。

2.3.2蓝牙通信

在Android平台上，蓝牙组网需要设备两端进行LMP配对。Android平台提供的蓝牙API实现蓝牙设备之间的通信，蓝牙设备之间的通信主要包括了四个步骤：设置蓝牙设备、寻找局域网内可能或者匹配的设备、连接设备和设备之间的数据传输。

三、干扰分析

因为基于ZigBee技术的手机智能家居系统需要ZigBee、Wi-Fi网络或ZigBee、蓝牙网络共存，而他们都工作在2.4GHz频段之下。所以，必须对不同网络之间的干扰进行分析，避免它们之间的干扰。蓝牙网络采用了自适应调频干扰避免策略，当出现干扰时，蓝牙设备会自动跳转到一个非重叠的信道，从而避免干扰发生。而ZigBee和Wi-Fi都采用了固定信道碰撞避免策略，所以，为了避免碰撞发生，选取ZigBee网络中的第15、20、25、26信道，则可以有效的避免他们之间的干扰发生。

四、实验过程与实验结果

本实验涉及到2种不同的网络：ZigBee无线传感网和移动通信网，其中ZigBee网络中又分为2种不同的设备：协调器和终端。移动通信网主要是通过Android模块实现。采用Z-Stack协议栈，在实验室环境下开发了温度检测传感器、适度检测传感器与光照检测传感器，终端备通过CC2530芯片对应的I/O口获取相应的数值信息，将数值的每一位转换为ASCⅡ码，并通过RS-232接口将数据传送到Android模块。

五、结束语

进过测试与实际应用表明基于ZigBee技术的手机智能家居系统能够实时完成对家庭环境信息的采集任务，并可以通过继电器对家用电器进行控制，通过红外传感器与嗡鸣器形成家庭安防系统，提高生活的舒适度、和安全感，具有一定的实用性。

参考文献

[1]丁龙刚，基于RFID、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee的物联网电磁兼容和干扰协调研究.物联网技术，2011年6月