智能家居系统中Zigbee技术的研究

摘 要 近年来，随着物联网技术的不断发展，Zigbee技术受到了越来越多的关注。对智能家居中的Zigbee技术进行了研究，分析了Zigbee协议栈五层协议结构，针对智能家居特点，提出了基于PIC18LF4620和Zigbee模块CC2420的智能家居系统，在对系统中Zigbee模块的硬件接口电路进行分析的基础上，对模块中两类节点的数据传送过程进行了研究。该系统的功耗低，可升级，扩展性强，可克服因意外导致网络瘫痪的弊端；用户可以通过手机的GPRS进行网络远程监控。

关键词 Zigbee；无线传感网；智能家居；物联网

中图分类号TP39 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）133-0134-02

近年来，国内嵌入式技术以及互联网技术快速发展，物联网的概念也随之进入人们的视线。目前我国城市化进程不断发展，人们的居住条件也不断提升，很多房型房间又大又多，需要各种各样的照明设备、电动窗帘、热水循环、安防系统等。按照传统的控制方式使用这些设备已经不符合现代科技生活的理念，需要对设备进行集中控制，让这些设备能够自动的协同工作，提高人们生活品质[1]。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线网络协议。它可以嵌入到各种设备，是一种适用于自动控制和远程控制短距离、低功耗的无线通信技术。

本文设计了一个智能家居系统，包括主控模块、传感模块、Zigbee模块、GPRS模块，并对模块中的Zigbee部分进行了研究，阐述了Zigbee的实现过程。

1 系统的整体方案设计

本系统具有安全、高效、操作方便，主要由以下几个模块组成：主控模块、传感模块、Zigbee模块、GPRS模块等。传感模块主要用于“感知”外界的环境信息，然后通过Zigbee模块将信息传递到主控模块。主控模块，用户可以通过它们远程监控调度这些信息。

传感模块集成多种传感器，包括温湿度传感器、烟雾传感器等，利用多个传感器与Zigbee的交互将数据信息传送到上层模块。

2 系统中Zigbee技术的研究与设计

2.1 Zigbee协议栈

物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。IEEE仅处理MAC层和物理层协议，为了开发方便，由半导体生产商、技术集成商等组织Zigbee联盟在物理层、MAC层基础上对其网络层协议和API进行了标准化扩展，另外，还提供了安全服务。

和计算机网络一样，在Zigbee协议栈中，包含一系列的层，每一层一方面为上层提供服务，另一方面通过下层的服务完成自己功能。层与层之间通过服务访问点SAP连接。这些服务是设备中的实体通过发送服务原语来实现，实体包括数据实体和管理实体。数据实体向上层提供常规的数据服务，而管理实体向上层提供访问数据内部层的参数、配置和管理数据[2]。

2.2 Zigbee模块的硬件接口

Zigbee模块的收发芯片采用的是PIC18LF4620。Zigbee芯片为CC2420，该芯片48引脚，PIC18LF4620拥有3986B的RAM以及64KB的FLASH。这个模块除了可以用于Zigbee无线通信以外，还可以有足够的资源用于信息采集和设备控制，该模块的整体原理图如下所示。

图1 Zigbee模块整体电路设计原理图

Zigbee技术可以实现传感器之间的相互协调，从而实现网络通信。由于传感器只需要很低的功耗，通信效率高。

ZigBee无线传感网络在智能家居里是由 ZigBee 模块和传感器组成。传感器负责采集家居里的各种实时信息，常见的有温湿度传感器、烟雾传感器、红外传感器等。一般的，Zigbee网络模块采用星型结构，有一个网络节点和若干个终端节点组成，在Zigbee协议栈被下载到各节点去后，传感器上采集到的数据通过终端节点向网络节点汇聚，然后通过串口传输到主控机上；另一方面，Zigbee网络也接受来自主控机的控制消息[3]。

2.3 Zigbee模块的软件设计

由于Zigbee模块主要是网络节点和终端节点的实现，Zigbee模块主要就是协调网关和各节点的软件设计。

2.3.1 网络节点程序设计

网络节点程序流程图如下图所示，节点通过一系列初始化工作（CC2420、输入输出的初始化、协议栈等）后，它会建立网络并进入查询状态，监听是否有无线信号。当有终端节点“申请”加入网络时，将分配网络地址。

图2 网络节点模块程序流程图

2.3.2 终端节点程序设计

终端节点通过传感器采集到各信息，并汇总给网络节点然后向主控机提交数据，具体步骤如下。

1）系统、硬件等各初始化工作；2）发送网络申请信号；3）得到由网络节点分配的网络地址；4）A/D信号采集、状态设定；5）环境信息采集；6）传送数据。

3 结论

以Zigbee技术为基础的传感网在物联网的领域中使用十分重要，在智能家居中的使用具有很广泛的应用前景。论文对智能家居里的Zigbee技术进行了深入的研究，并提出了一个低功耗、低成本、扩展性强，可升级的传感网解决方案。利用Zigbee技术将各传感器连接到传感网内，通过传感网采集到各类居室信息并传递到中控机，由中控机对信息进行处理并通过wifi等技术传送到服务器中，方便了用户的生活，使其生活更方便，更舒适，符合了现代都市人对居家生活的需求。

图3 终端节点模块程序流程图

参考文献

[1]王云华.智能家庭网络系统研究[D].南京：南京信息工程大学，2011.

[2]黄磊.基于IEEE 802.15.4/ZigBee技术的智能家居方案研究[D].武汉：武汉科技大学，2009.

[3]杨晶晶.基于ZigBee的医院室内定位系统组网技术研究与实现[D].上海：上海交通大学，2011.