Zigbee技术应用于物联网智能家居

　　“你看，zigbee无线技术就是好，只要拿着一部手机，就搞定了一天的吃喝拉撒睡，智能家居给我带来了很多便利和快捷，真是想不到啊”。随着时代的发展，人们将更多的注意力放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，从而出现了智能家居的概念。智能家居控制系统使人们可以对家居内的任意电器进行数字化控制，利用计算机技术、网络通讯技术将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起，进行集中管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。本文以ZigBee技术对智能家居内部进行无线网络组网，通过ZigBee无线传感器网络节点的设计，实现节点对各种传感器信息的采集、传输和控制功能。

　一、Zigbee无线技术
　　
ZigBee无线技术是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术，遵循IEEE802.15.4标准。它专注于低速率传输控制，网络容量大，时延短，提供数据完整性检查，加密算法采用AES-128，网络扩充性强，有效覆盖范围为10～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭环境，通信频率采用2.4GHz免执照频段。

ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅定义了MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟则对其网络层和应用层进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。

　二、zigbee无线传感器网络系统结构设计
　　
无线传感器网络系统主要由传感器、无线网关构成。

无线传感器网络采用树状结构，网络中有一个网关，负责整个网络中数据的处理、转发以及网络的管理。终端节点（传感器节点）上电复位后，会搜索协调器节点，当能够搜索到协调器时，直接申请加入网络。当终端节点搜索不到协调器时，这时就会通过路由器节点找到协调器来加入网络。

加入网络后保持待机状态，当有数据需要发送时，按照组网时的路径来收发数据信息。无线网关通过串口与PC机相连，利用超级终端实现发送命令或者显示数据。

　三、传感器模块与无线网关模块
　　
传感器模块亦即是终端节点模块，由传感器、处理器CC2430、天线、LED指示灯、时钟等部分组成。LED指示灯由P1.0、P1.1口控制。传感器模块就是在协调器模块的基础上去掉了LCD，而加入了传感器。传感器选用了DHT11温湿度传感器，与P0.0口相连，来负责数据采集。无线网关模块与传感器模块的硬件电路相同，只是在编程实现功能上有所不同。

四、无线网络系统软件设计
　　
在ZigBee网络中，只有那些可以成为ZigBee协调器的设备才能建立新网络。协调器首先执行信道扫描，如果发现了一个合适的信道，协调器就要为新网络选择一个PANID，然后协调器进入*状态，随时响应其他节点的入网请求。

ZigBee网络有两种设备类型：全功能节点（FFD）和半功能节点（RFD）。RFD为终端节点，FFD可以作为协调器或路由。软件设计包括网络协调器程序以及路由器、终端节点程序。它们均包括初始化程序、协议栈配置、组网方式配置程序、各处理层设置程序以及发射程序和接收程序。初始化程序主要是对CC2430、协议栈、UART串口等进行初始化；发射程序将所采集的数据通过CC2430调制并通过DMA直接送至射频输出；接收程序完成数据的接收、远传及返回信息处理。

程序主要分为2部分，网络协调器程序以及路由器、终端节点程序。

对于网络协调器主程序，首先初始化CC2430，然后初始化协议栈。之后程序建立一个新的网络，确定网络的ID号和频道号。之后程序开始进入监测状态。如果有新的设备请求加入网络，则为其分配网络地址，批准其加入网络。同样，协调器接收终端设备无线发送来的信息，并通过串口发送给上位机，或者从上位机得到命令，发送过终端设备。

对于路由器、终端节点程序，首先初始化CC2430，然后初始化协议栈。之后程序开始搜索网络，当附近存在网络时，则申请加入网络。之后程序进入待机休眠状态。如果终端传感器有信息要发送，或者接收到协调器的命令，则唤醒设备，进行无线发送或接受。当事件处理完时，重新进入待机休眠状态。

五、系统实现
　　
系统的功能主要包括以下几个方面：建立树状网络拓扑结构；查询网络中各节点信息和传感器数据，如电池电量、节点温度信息等；控制节点的开关功能。本系统使用了4个无线网络节点，这样能够组成一个基本的无线网络。并且根据情况做了多种组网测试：

1）1个协调器节点，3个终端节点；

2）1个协调器节点，1个路由器节点，2个终端节点；

3）1个协调器节点，2个路由器节点，1个终端节点。

在2）和3）情况下，根据节点与协调器节点之间距离、各节点彼此之间距离的不同，又会产生多种组网方式。例如2）情况下，终端节点离协调器近的话，会直接与协调器连接；而当搜索不到协调器时，就会通过路由器来连接。

智能家居系统的终端节点可以包括许多内容，从而实现一些子系统。例如：照明系统，调温系统，报警系统，家电控制系统等。在我们设计的无线网络系统中，实现了远程控制灯开关照明；利用DHT11温湿度传感器实现终端节点的温湿度监测，其信息能够在PC机上很好的显示出来。

　六、结束语
　　
针对我国智能家居快速发展的背景，南京物联传感对基于ZigBee技术的智能家居组网进行了软硬件设计。ZigBee无线传感器网络系统以CC2430无线射频芯片为核心，节省了成本，并且终端节点小巧，放置灵活，功耗极低，提高了监控能力，再加上采用树状网络结构使得通信更加可靠，易于控制，非常方便实用，并且成本低廉。因此，ZigBee无线技术在智能家居方面将会有广阔的应用前景。