ZigBee专业技术智能家居无线网络系统

1、基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统2006年6月5日15:28电子技术应用评论（囚0）阅读： 叵次国本文关键字：IEEE布线开关电源电池传感器以太网摘要：介绍了一种基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统。重点阐述了该系统的组成、通讯协议以及无线节点的软硬件设计。该系统在传统的有线家居网络系统的基础上使用ZigBee技术，使其具有成本低、功耗低、覆盖范围大的特点。特别是其符合IEEE802.15.4协议，利用系统与其它符合标准的产品的互联，具有良好的通用性和可扩展性。关键词：智能家居无线网络ZigBee低功耗在智能家居系统中，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅

2、是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。随着无线网络技术的进一步发展，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系统采用ZigBee技术，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术，符合IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。a I备ffv老科九堆拥貉找锐乖嚴1 ZigBee技术简介ZigBee技术的主要优点有：（1）省电：两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间；（2）可靠；采用了碰撞避免机制；（3）成本低；（4）时延短；（5）网

3、络容量 大；（6）安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128,各种应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能家居无线网络系统。2智能家居无线网络系统本系统以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、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技术标准的产品），通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。其系统组成如图1所示。F面介绍各部分的结构及功能。家庭网关的结构及功能为:（1）采用ARM勾

4、架的32位嵌入式RISC处理器和.uCIinux 操作系统;（2）通过门锁进行自动设防 / 解防；（ 3）遇抢劫或疾病，按紧急按钮，自动向管理中心报警;（4）每家每户配有自己的网页， 通过网页显示小区通知、 系统各部分工作状况及数 据;（ 5）水、电、气各表数据发给牧业管理中心;（ 6）通过以太网与小区管理中心通讯;（7）通过网关上的无线 ZigBee（ IEEE802 . 1 5.4 ）模块与网络中各子节点进行通讯。ZigBee 无线通讯子节点的功能为：（1）两路脉冲量数据采集，可采集水、电、气三表数据;（2） 两路安防传感器开关量数据采集，可进行设防/ 撤防报警、安防报警（红外幕 帘、门磁

5、、窗磁、玻璃破碎等）;（ 3）一路模拟量数据采集;（ 4）一路模拟量数据输出;（ 5）一路继电器触点输出;（6）通过无线通讯 IEEE802.15.4 协议及家庭网关通讯。3 通讯协议3.1ZigBee 协议的帧结勾采用符号 ZigBee 标准的 HeIiLink 模块的数据帧由数据模式、 目标地址、 数据长度、 数据信息与校验和五部分勾成，格式如下（数据帧结勾中的数据都是16 进制数） :字节（脛字节）数据模式目标地址i郎思长叭也型J数据川校峻和数据信息，共皿个字节“数据模式”占用一个字节。“目标地址”表示数据帧结构要发送的目标位置（网络中的节点号），它占用一个字节。“数据长度”表示数据帧结

6、构中从“数据1”到“数据n”所占据的字节数，它也占据了一个字节。“数据信息”表示用户要通过UART0专送的命令或者有效数据，占据的字节数由“数据长度”决定。 “校验和”是对帧结构中的全部数据（校验和字节除外） 进行的校验，采用字节逐位异或的方式实现。“校验和”也占据一个字节。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建立在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、功能编码、数据信息三部分组成，如下所示：1字节1字节节点号功能编码;& IlWaUXra1数据信息节点号字段数据长度为i字节，其中低四位为数据采集功能编号，高四位为子节点子节点号

7、丨数据采集功能编号号，如下所示:YfI亠八74位30位功能编码分为三个部分：方向位、数据类型和功能类型。其格式为:方向位数据类型功能类型7位 65位40位方向位：根据主节点作为通讯发送者还是接收者，本系统功能可分为两大类：上行和下行。方向位即决定了这一点。数据类型：数据信息与功能编码关系十分密切，根据功能不同，数据场中数据的内容含义不同；根据数据长度不同，数据类型也不同。功能类型：每一个功能类型对应一种系统功能。通过解读功能类型编码可得到系统功能，对于下行帧，子节点得到主节点通知其执行的命令和需要的数据；对于上行帧，主节点得到子节点返回的信息、数据和命令执行的情况。数据信息存放数据，数据信息长

8、度可根据功能编码中的数据类型而定。4 无线节点硬件设计由于无线节点使用电池供电，且需要安装在三表或电器内部，要求电池体积很小， 因此电池的容量不可能太大。 希望一颗钮扣电池可以有效工作一年以上。 无线通讯需要电池 提供足够大的电流，耗电量较大，所以低功耗设计成为子节点设计的重点和难点。无线网络节点硬件组成如图2所示，采用TI公司的16位单片机MSP430F1232乍为处理器，采用符合 ZigBee 标准的 Heililink 无线网络收发模块建立无线通讯， 采用 RAMTRON 公司的铁电存储器 FM24LC16存储数据，开关量输出使用松下公司的磁保持继电器TQ2L2-3V, PWM输出放大器

9、采用 MAXIM公司的MAX4464使用锂离子钮扣电池供电，通过采用TI公司的电荷泵IPS60210将电压稳定至3.3V。无线子节点通过查询八位拨码开关确定 其功能,可以实现两路脉冲量的计数、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、电池电量采集无线通讯等功能。图3系统主褂序流程圏处理器采用TI公司的16位单片机MSP430F1232该单片机突出的特点是可以实现 极低的功耗，具有五种省电工作模式， 而每种工作模式可以通过对时钟的控制实现不同的功 耗，其工作在LPM4模式下的功耗电流只有 0.1卩A,非常适合采用电池供电的系统。片内 FLASHRO用于存储应用程序

10、、通讯协议；UART接口连接无线通信模块；10位A/D转换器实现电池电压检测、模拟量输入；内部16位定时计数器实现 PWM输出，经低通滤波后，再由放大器放大，实现模拟量输出；I2C接口连接铁电存储器 FRAM其余的通用输入输出端口分 别实现数字量和脉冲量的输入、输出以及拨码开关状态的输入。42 铁电存储器存储器采用RAMTRO公司的FM24CL16它是一种串行非易失性存储器，其特点是可 无限次地读写，掉电数据可保护 10 年；写数据无延时；使用二线制串行总线及其传输规范 进行双向传输，这种方式占用脚位少，占用线路板空间小，总线速度可以达到1MHz静态工作电流仅为1卩A。这些特点使其十分适合本设

11、计对功耗低、体积小、数据读写频繁的要 求。4 3磁保持继电路磁保持继电器采用松下公司的 TQ2-L2 3V,通过MSP430F1232勺输出管脚DO_SDO_R 控制开关管Q1、Q2的开关状态，实现继电器线圈电流的通断控制，从而控制继电器触点的 动作。 如果采用传统继电器，需要一直提供电流来维持继电器状态，这样功耗很难降低。磁 保持继电器具有锁存功能， 触点动作后无需继续提供电流， 从而降低了功耗。 其开关两端可 耐压直流220V,交流250V,满足了通断市电的要求。4 4无线网络收发模块 该模块特点是体积小、内嵌网络通讯协议，符合 ZigBee 网络层的标准，为IEEE.802.15.4 标

12、准兼容产品，可实现高效率发射、高灵敏度接收，无线数据速率高达 76.8kbit/s 。通过串口与 MSP430F1232进行通讯，将获得的数据无线发送出去。45拨码开关八位拨码开关的状态决定该子节点的节点号和其实现的功能。5 无线节点软件设计鉴于节点使用的通用性要求，需要上电后根据拨码开关确定子节点号及其所要完成 的功能。 其主要功能包括水电气三表的数据采集和存储、 报警信息的获取、 设防撤防状态的 获取和以上信息数据的无线发送。 根据拨码开关的状态确定节点需要完成的其中一项或几项 工作，并调用相应的初始化程序。由于无线通讯模块的功耗较大，CPU大部分时间都处于休眠状态，通过各级中断唤醒 CP

13、U和恢复无线通讯模块的正常工作。数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通讯协议。系统主程序流程图如图 3 所示。系统上电后，先关闭看门狗定时器，开关电源进入SNOOZ节功状态，同时关闭无线通讯模块电源，进行I2C接口的初始化，读取拨码开关状态，并根据拨码开关的状态进行单片机通用 I/O 口的初始化， 以确定其作为脉冲量输入端口 还是开关量输入端口，或是撤防设防输入端口。其中，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，当前端口状态

14、为设防状态时，进行撤防初始化，设置其端口为上升沿触发。当前端口状 态为撤防状态时，进行设防初始化，设置其端口为下降沿触发。N发送结束发送结束YNN发送结束？发送结束TXBtro二数据长度TXBUFO=校验码NN发送结束发送结束YN结束发送结束Y1FTXBUF0=0x44TXBUFO-功能编号开始TXBUFO二主节点地址TXBUFO=数据TXBUFO =子节点地址Flag=O图4数撮发送桎序流程图端口初始化结束之后，进行串行通讯UART接口初始化，打开 UART接收中断使能，使其能响应网关发送给子节点的命令。定时器连续工作在计数模式，打开计数器溢出中断使单片机各部分初始化结束后，进入LPM3木眠模式，只有 ACLK始终保持工作，因此在串行通讯UART和定时器初始化中，将其工作时钟定义为ACLK是十分重要的，否则进入LPM3休眠模式后，串口和定时器将停止工作和相应中断。进入LPM3休眠模式后，系统的功耗最低。系统可响应 I/O 中断，当其作为脉冲量输入端口时，脉冲量上升沿触发中断，经过去抖处理后，脉冲量计数增 1，遇到进位时，调用函数处理进位，最后将计数值写入FRAM，进入LPM3木眠模式。当其作为开关量