基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计

姚国风+庄斌++赵大明++霍晓蕊

摘 要： 通过比较各种短距离无线通信技术，选取ZigBee无线传输技术作为智能家居系统无线传输设计。介绍了ZigBee的网络结构和ZigBee芯片选型，并分析基于CC2530的组网流程。结合系统设计，给出了终端节点RF无线收发核心模块、模拟开关量多路复用及串口转USB通信模块、温度传感器采集模块的硬件电路设计，并简述了节点传输及数据采集、网络协调器与节点协同工作的流程设计。最终，在不加PA（功放）增益的情况下，测得ZigBee无线传输模块有效传输距离为90 m，能满足组建智能家居个人无线网的需求。

关键词： 智能家居系统； ZigBee无线传输技术； 组网流程； 流程设计

中图分类号： TN915?34； TN98 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0081?04

0 引 言

如今，各种短距离无线通信技术应用广泛。由各种短距离无线通信技术的数据[1]对比可知，ZigBee在自动组网（Mesh多跳网络）、功耗以及成本等方面均比其他的无线通信技术在智能家居中更有优势，惟一能竞争的是Bluetooth，但智能家居设备工作模式大多处于睡眠模式，无需实时传输或连续更新。ZigBee通信技术具有低功耗、低成本、组网简单等特点，且作为惟一的无线传感器网络技术的国际标准，是最适合大规模传感器组网的短距离无线通信技术，适合组建家庭个人无线区域网。

1 基于ZigBee网络的智能家居系统结构

智能家居系统以家庭为单位进行设计，每个单位均拥有一个独立的协调器、多个ZigBee节点模块。在协调器和每个子节点上均接有一个ZigBee无线通信接收模块，数据通过这些模块在协调器和子节点之间进行传送，网络拓扑如图1所示。

图1中，协调器是建立并维护无线网络，识别网络中的设备；路由器完成数据包的转发；终端设备负责数据的采集与传输。

2 系统设计方案及ZigBee芯片选型

本系统选用星型网络，由协调器和若干个终端组成。网络组成如图2所示。协调器是网络的核心，由其建立和监督网络的正常运行。

2.1 ZigBee芯片选型

本设计采用TI公司的MCU+射频芯片CC2530为核心设计传感器节点，之所以选用该芯片的原因如下[2?4]：

（1） 集成单片机C8051、模数转换器ADC、无线通信模块ZigBee于一体，提高了单片机与无线通信模块通信时的可靠性，同时也减小了体积。

（2） 支持最新的ZigBee 2007/PRO协议，通信距离更远，组网性能更可靠。

（3） 具有CC2530开发套件、CC2530ZigBee开发套件、用于RF4CE的CC2530RemoTI?开发套件、SmartRF?软件、数据包嗅探器、可用的IAR嵌入式工作台。

2.2 基于CC2530 的ZigBee芯片组网流程

一个具有网络协调器功能的设备开始组网，网络层将会请求MAC层对规定的CH信道或PHY物理层进行检测，确定了通信的信道后便开始确定PANID（Personal Area Network ID，个人网络标示符）。一个网络只有一个PANID，由相同PANID的设备组成一个网络。16位的PAN短地址（ZigBee芯片的IEEE地址）是设备加入网络中分配的，网络中不同设备的通信一般是由16位短地址来区分的，当然不同网络的16位短地址是可以相同的。如图3所示为ZigBee组网流程图[5?7]。

3 系统软硬件设计

3.1 终端节点无线传输及数据采集电路

硬件部分主要包含RF无线收发模块、串口扩展及串口转USB通信模块、温度传感器数据采集模块等。除了温度传感器电路外，其实还可以在ADC接口允许或串口扩展的情况下，按实际的需求添加其他传感器功能模块。

3.1.1 RF无线收发模块设计

在节点硬件设计中，主要有3个部分：通过模数转换器ADC采集传感器模块的数据；完成ZigBee无线模块的数据收发；通过串口进行相应的主机控制。ZigBee无线模块CC2530的硬件电路原理图，如图4所示。

CC2530其典型的外围电路简洁，时钟采用32 MHz以及32.768 kHz无源晶振。电路的阻抗匹配网络较为简单，天线端接50 Ω鞭状负极性天线。电路中可加入LED状态指示灯，用于指示设备入网、退网等状态。

3.1.2 模拟开关量多路复用及串口转USB通信硬件设计

根据控制脚A，B的逻辑电平，从输入信号IN1～IN4中选择。运算放大器U1构成的电压跟随器的输入阻抗较高，有效地降低了模拟开关通态电阻的影响。确定控制逻辑电平AB情况下，输入输出信号关系如表1所示。

表1 控制逻辑电平AB选定时，输入输出信号关系表

串口转USB通信模块为系统测试提供了便利。模拟开关量多路复用电路为用户提供了丰富的模拟量接口扩展，可简便地增加各种模拟量检测，例如温度检测、红外检测以及湿度检测等。串口转USB通信电路如图5所示。模拟开关量多路复用电路如图6所示。

3.1.3 温度传感器数据采集硬件设计

温度传感器选择TI数字温度传感器TMP75芯片，TMP75两线串行接口引脚SCL，SDA与I2C总线接口兼容，降低了设计难度。当温度的检测值超过设定的极限时，引脚ALERT输出告警电平，上述3个引脚在实际连接中需要连接上拉电阻10 kΩ。A0，A1，A2全部接低电平，这样TMP75器件的写地址为0x90，读地址为0x91，TMP75的设计原理图如图7所示。

3.2 终端节点无线传输及数据采集的软件流程设计

终端节点无线传输及数据采集的软件流程图，如图8所示。

设备初始化后，传感器会依据协议搜寻并请求加入 网络。得到确定后，传感器会将本节点地址发送给协调器并自动建立绑定。在接收到数据传送指令后，传感器将采集值按时传给协调器。

3.3 ZigBee网络协调器与节点协调工作流程设计

在智能家居控制系统中，家居内网采用的是星状网络。当通过串口与PC机相连的网络协调器开始组网，随着终端设备的加入，开始进行数据的采集与传输。协调器和节点协调工作流程，如图9和图10所示[8?10]。

协调器和节点协同工作：

（1） 首先协调器开始组网，按照指定的信道和PAN_ID建立网络；然后各个终端设备加入这一网络，由此一个星状网络便可建立完成；

（2） 终端节点每隔一个周期向协调器发送地址信息和网络信息，协调器接收到终端节点的信息后，将这些信息解析传送给PC软件，根据这些信息显示当前网络的拓扑结构图。

4 系统硬件测试

系统使用IAR 8051 7.50版本应用程序的开发工具，ZigBee协议栈版本为TI_ZStack?1.4.3?1.2.1，对应标准的支持ZigBee 2006 pro及ZigBee 2007。在该测试试验中，根据RF芯片CC2530外围硬件的特点会有一些配置上的调整。主要关注的寄存器包括如下：

通过可编程寄存器FREQCTRL[6：0]的低7位来设置载波频率，载波频率fC表达式为（单位为MHz）：

fC=2 394+FREQCTRL[6：0]

IEEE 802.15.4?2006 指定2.4 GHz 频段划分为16个信道，步长值为5 MHz ，编号11～26，fC=（2 405+5（k-11）） MHz，k范围为11～26，利用两者相等可得出寄存器FREQCTRL.FREQ的值与信道之间的关系为：

FREQCTRL.FREQ = 11+5（k-11）

无线信号传输范围（距离）的大小与发射功率、信道环境有关，适当增大发射功率可增大传送范围，但也是有限制的。另外增大发射功率也增大了电流，同时也会增加电路功耗。CC2530用TXPOWER寄存器控制输出功率，通过改变TXPOWER寄存器的值，便可改变CC2530的发射功率。

5 结 语

因为智能家居系统是一种低数据率网络，所以应用ZigBee网络有较大优势。其优势主要体现在低功耗、低成本、高可靠性、网络容量大。从本系统设计中可看到，基于CC2530芯片的ZigBee系统软、硬件设计，可以根据其他控制的需求，简便地加入其他无线传感器模块，具有较强的延伸性和可移植性。

参考文献

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