摘要：介绍了一种依据ZigBee技能的智能家居无线网络体系。要点论述了该体系的组成、通讯协议以及无线节点的软硬件规划。该体系在传统的有线家居网络体系的基础上运用ZigBee技能，使其具有成本低、功耗低、掩盖规模大的特色。特别是其契合IEEE802.15.4协议，运用体系与其它契合规范的产品的互联，具有杰出的通用性和可扩展性。
关键词：智能家居 无线网络 ZigBee 低功耗
在智能家居体系中，将无线网络技能运用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不只是是因为无线网络能够供给更大的灵敏性、流动性，省去花在归纳布线上的费用和精力，并且更因为它契合家庭网络的通讯特色。跟着无线网络技能的进一步开展，必将大大促进家庭网络智能化的进程。
本文介绍的智能家居无线网络体系选用ZigBee技能，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技能，契合IEEE802.15.4协议，是IEEE作业组专门为家庭短距离通讯拟定的新规范。
1 ZigBee技能简介
ZigBee技能的首要长处有：（1）省电：两节五号电池可运用长达六个月到两年左右的时刻；（2）牢靠；选用了磕碰防止机制；（3）成本低；（4）时延短；（5）网络容量大；（6）安全：ZigBee供给了数据完整性查看和鉴权功用，加密算法选用AES-128，各种运用能够灵敏确认其安全特色。
ZigBee技能的特色完全契合家庭网络通讯的需求，因而挑选ZigBee技能构建智能家居无线网络体系。
2 智能家居无线网络体系
本体系以家庭为单位进行规划装置，每个家庭都装置一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节能模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个HeliLink无线网络收发模块（符号ZigBee技能规范的产品），经过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。其体系组成如图1所示。
下面介绍各部分的结构及功用。
家庭网关的结构及功用为：
（1）选用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和.uClinux操作体系；
（2）经过门锁进行主动设防/解防；
（3）遇掠夺或疾病，按紧迫按钮，主意向管理中心报警；
（4）每家每户配有自己的网页，经过网页显现小区告诉、体系各部分作业状况及数据；
（5）水、电、气各表数据发给牧业管理中心；
（6）经过以太网与小区管理中心通讯；
（7）经过网关上的无线ZigBee（IEEE802.15.4）模块与网络中各子节点进行通讯。
ZigBee无线通讯子节点的功用为：
（1）两路脉冲量数据收集，可收集水、电、气三表数据；
（2）两路安防传感器开关量数据收集，可进行设防/撤防报警、安防报警（红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等）；
（3）一路模拟量数据收集；
（4）一路模拟量数据输出；
（5）一路继电器触点输出；
（6）经过无线通讯IEEE802.15.4协议及家庭网关通讯。
3 通讯协议
3.1 ZigBee协议的帧结构
选用符号ZigBee规范的HeliLink模块的数据帧由数据形式、方针地址、数据长度、数据信息与校验和五部分构成，格局如下（数据帧结构中的数据都是16进制数）:
“数据形式”占用一个字节。“方针地址”表明数据帧结构要发送的方针方位（网络中的节点号），它占用一个字节。“数据长度”表明数据帧结构中从“数据1”到“数据n”所占有的字节数，它也占有了一个字节。“数据信息”表明用户要经过UART0传送的指令或许有用数据，占有的字节数由“数据长度”决议。“校验和”是对帧结构中的悉数数据（校验和字节在外）进行的校验，选用字节逐位异或的方法完结。“校验和”也占有一个字节。
3．2 无线网络通讯协议帧结构
家庭网关通讯协议帧结构是树立在ZigBee协议帧结构的基础上的，相当于底层协议中的数据场部分。所以帧结构由节点号、功用编码、数据信息三部分组成，如下所示：
节点号字段数据长度为1字节，其间低四位为数据收集功用编号，高四位为子节点号，如下所示：
功用编码分为三个部分：方向位、数据类型和功用类型。其格局为：
方向位：
依据主节点作为通讯发送者仍是接纳者，本体系功用可分为两大类：上行和下行。方向位即决议了这一点。
数据类型：
数据信息与功用编码联系非常亲近，依据功用不同，数据场中数据的内容意义不同；依据数据长度不同，数据类型也不同。
功用类型：
每一个功用类型对应一种体系功用。经过解析功用类型编码可得到体系功用，关于下行帧，子节点得到主节点告诉其履行的指令和需求的数据；关于上行帧，主节点得到子节点回来的信息、数据和指令履行的状况。
数据信息寄存数据，数据信息长度可依据功用编码中的数据类型而定。
4 无线节点硬件规划
因为无线节点运用电池供电，且需求装置在三表或电器内部，要求电池体积很小，因而电池的容量不可能太大。期望一颗钮扣电池能够有用作业一年以上。无线通讯需求电池供给足够大的电流，耗电量较大，所以低功耗规划成为子节点规划的要点和难点。
无线网络节点硬件组成如图2所示，选用TI公司的16位单片机MSP430F1232作为处理器，选用契合ZigBee规范的Heililink无线网络收发模块树立无线通讯，选用RAMTRON公司的铁电存储器FM24LC16存储数据，开关量输出运用松下公司的磁坚持继电器TQ2L2—3V，PWM输出扩大器选用MAXIM公司的MAX4464。运用锂离子钮扣电池供电，经过选用TI公司的电荷泵IPS60210将电压安稳至3.3V。无线子节点经过查询八位拨码开关确认其功用，能够完结两路脉冲量的计数、两路开关量的输入、两路开关量的输出、一路模拟量的输入、一路模拟量的输出、电池电量收集无线通讯等功用。
4．1 处理器
处理器选用TI公司的16位单片机MSP430F1232。该单片机杰出的特色是能够完结极低的功耗，具有五种省电作业形式，而每种作业形式能够经过对时钟的操控完结不同的功耗，其作业在LPM4形式下的功耗电流只要0.1μA,非常合适选用电池供电的体系。片内FLASH ROM用于存储运用程序、通讯协议；UART接口衔接无线通信模块；10位A/D转换器完结电池电压检测、模拟量输入；内部16位守时计数器完结PWM输出，经低通滤波后，再由扩大器扩大，完结模拟量输出；I2C接口衔接铁电存储器FRAM。其他的通用输入输出端口别离完结数字量和脉冲量的输入、输出以及拨码开关状况的输入。
4．2 铁电存储器
存储器选用RAMTRON公司的FM24CL16，它是一种串行非易失性存储器，其特色是可无限次地读写，掉电数据可维护10年；写数据无延时；运用二线制串行总线及其传输规范进行双向传输，这种方法占用脚位少，占用线路板空间小，总线速度能够到达1MHz，静态作业电流仅为1μA。这些特色使其非常合适本规划对功耗低、体积小、数据读写频频的要求。
4．3 磁坚持继电路
磁坚持继电器选用松下公司的TQ2-L2—3V，经过MSP430F1232的输出管脚DO_S、DO_R操控开关管Q1、Q2的开关状况，完结继电器线圈电流的通断操控，然后操控继电器触点的动作。假如选用传统继电器，需求一向供给电流来坚持继电器状况，这样功耗很难下降。磁坚持继电器具有锁存功用，触点动作后无需持续供给电流，然后下降了功耗。其开关两头可耐压直流220V，沟通250V，满意了通断市电的要求。
4．4 无线网络收发模块
该模块特色是体积小、内嵌网络通讯协议，契合ZigBee网络层的规范，为IEEE.802.15.4规范兼容产品，可完结高效率发射、高灵敏度接纳，无线数据速率高达76.8kbit/s。经过串口与MSP430F1232进行通讯，将取得的数据无线发送出去。
4．5 拨码开关
八位拨码开关的状况决议该子节点的节点号和其完结的功用。
5 无线节点软件规划
鉴于节点运用的通用性要求，需求上电后依据拨码开关确认子节点号及其所要完结的功用。其首要功用包含水电气三表的数据收集和存储、报警信息的获取、设防撤防状况的获取和以上信息数据的无线发送。依据拨码开关的状况确认节点需求完结的其间一项或几项作业，并调用相应的初始化程序。因为无线通讯模块的功耗较大，CPU大部分时刻都处于休眠状况，经过各级中止唤醒CPU和康复无线通讯模块的正常作业。数据的无线发送和接纳要恪守家庭网关通讯协议。
体系主程序流程图如图3所示。体系上电后，先封闭看门狗守时器，开关电源进入SNOOZE节功状况，一起封闭无线通讯模块电源，进行I2C接口的初始化，读取拨码开关状况，并依据拨码开关的状况进行单片机通用I/O口的初始化，以确认其作为脉冲量输入端口仍是开关量输入端口，或是撤防设防输入端口。其间，若作为脉冲量输入端口，则调用相应脉冲量初始化程序，设置其端口为上升沿触发；若作为开关量输入端口，则调用相应开关量初始化程序，设置其端口为下降触发；若作为撤防设防输入端口，则调用设防撤防初始化程序，当时端口状况为设防状况时，进行撤防初始化，设置其端口为上升沿触发。当时端口状况为撤防状况时，进行设防初始化，设置其端口为下降沿触发。
端口初始化完毕之后，进行串行通讯UART接口初始化，翻开UART接纳中止使能，使其能呼应网关发送给子节点的指令。守时器接连作业在计数形式，翻开计数器溢出中止使能。
单片机各部分初始化完毕后，进入LPM3休眠形式，只要ACLK始终坚持作业，因而在串行通讯UART和守时器初始化中，将其作业时钟界说为ACLK是非常重要的，不然进入LPM3休眠形式后，串口和守时器将中止作业和相应中止。进入LPM3休眠形式后，体系的功耗最低。
体系可呼应I/O中止，当其作为脉冲量输入端口时，脉冲量上升沿触发中止，经曩昔抖处理后，脉冲量计数增1，遇到进位时，调用函数处理进位，最终将计数值写入FRAM，进入LPM3休眠形式。当其作为开关量输入端口时，开关量下降沿触发中止，中止计数器计数，翻开电源，翻开串行通讯，重复发送报警信息，直到收到网关应对信息时才中止报警，康复守时器计数，进入LPM3休眠形式。
数据发送要遵从通讯协议，图4所示为数据发送程序流程图。因为文章篇幅所限，这儿就不多述了。
本文介绍的依据ZigBee技能的智能家居无线网络体系，因为其具有低成本、低功耗、较远的掩盖规模及通用性的特色，将成为智能家居体系中的又一亮点，必将给现代智能家居体系带来一场新的革新。
