消费电子 ２０１２年６月下 Ｃｏｎｓｕｍｅｒ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉＣＳ Ｍａｇａｚｉｎｅ 计算机科学 ＺｉｇＢｅｅ技术在智能家居系统中应用研究 郑影’，崔连和 ，郑晓东 （１．齐齐哈尔大学应用技术学院 黑龙江 １６１００６；２．齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院 黑龙江 １６１００６） 摘要：ＺｉｇＢｅｅ技术具有低成本、低功耗、近距离的特点，完全符合智能家居系统内部网络设计需求。本文介绍 了一种采用簇树拓扑结构，应用ＣＣ２５３０片上系统进行ｚｉｇＢｅｅ无线通信各节点硬件设计和无线收发模块软件实现， 该研究完全满足智能家居内网设计需求，具有广阔的应用前景ｄ 关键字：ＺｉｇＢｅｅ技术；智能家居系统；内部网络 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－７７１２（２０１２）０６—００６２—０１ 一、引言 随着计算机、网络、通信和无线传感技术的不断发展和人 们生活水平的不断提高，人们希望对家进行智能化管理。智能 家居系统可以帮助人们实现这一愿望。智能家居系统一般由家 庭内部网络、网关、外部网络和终端应用程序几部分组成。其 中内部网络是智能家居系统中最重要的部分，主要负责家庭被 控硬件设备各种信息的采集、处理和控制川。无线网络是未来 的发展趋势，针对家庭内部距离短的特点选用短距离无线网 络。典型短距离无线网络技主要有红外、蓝牙、ｗｉ．Ｆｉ和ｚｉｇＢｃｅ 技术，红外光线只能沿直线传输、遮拦后无法通信且只支持点 对点通信；蓝牙需要专门的芯片，协议复杂，内存资源需求大； Ｗｉ．Ｆｉ射频和基带协议比较复杂，功耗高、成本高。通过比较 ｚｉｇＢｅｅ技术是目前最适合智能家居内部网络的技术。 二、ｚｉｇＢｅｅ技术介绍 （－－）ＺｉｇＢｅｅ技术简介 ＺｉｇＢｅｅ技术是一种符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准研制开发的短 距离、低成本、低功耗、低速率、低复杂度的双向无线通信网 络技术。广泛应用在消费电子、家庭楼宇自动化、工业控制、 Ｐｃ机外围设备、物流管理、环境监测等领域【２】。ＺｉｇＢｅｅ技术 特点是ｐ】：节点功耗低，两节五号电池可以使用半年到１年半； 开发成本低，网络协议简单，免除专利费，ＺｉｇＢｅｅ芯片，价格 便宜；网络容量大，最多可容纳６５，０００多个节点，每个节点 最多还可以容纳２５４个设备；时延短，设备搜索时延３０ｍｓ， 活动设备信道接入时延１５ｍｓ，休眠激活时延１５ｍｓ；网络自组 织能力强，节点工作无需人工干预，白组织感知其他节点，并 确定连接关系，组成结构化的网络。 （－－）ＺｉｇＢｅｅ网络结构 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４和ＺｉｇＢｅｅ联盟根据功能将网络设备分为全 功能设备（ＦＦＤ）和简化功能设备（ＲＦＤ），其中ＦＦＤ实现ＩＥＥＥ ８０２．１５．４协议的全集，而ＲＦＤ只实现了其中的一部分。ＦＦＤ可 以与ＲＦＤ或其它ＦＦＤ通信，而ＲＦＤ只能和ＦＦＤ通信。根据 节点在网络中承担的任务网络设备又可分为：个域网协调器、 协调器和一般设备。个域网协调器、协调器是全功能设备，一 般设备可以是全功能设备，也可以是简化功能设备。一个ＩＥＥＥ ８０２．１５．４网络只能有‘个个域网协调器。ＺｉｇＢｅｅ标准在此基础 上将这三种设备分别定义成：ＺｉｇＢｃｅ协调器，ＺｉｇＢｅｅ路由器， ＺｉｇＢｅｅ终端设备。在ｚｉｇＢｅｅ协议规范中，定义了星型、网状 和簇树型结构三种网络拓扑结构。 三、智能家居内网设计 （一）设计思想 根据智能家居系统内网和ＺｉｇＢｅｅ技术特点，本文设计的 智能家居系统内部网络主要由多种传感器节点，路由器节点， 协调器节点组成。其中传感器节点负责数据的采集与发送；路 由器节点负责网络的管理与数据的转发；协调器节点主要负责 网络的建立、节点的管理、数据的处理以及对外的接口。采用 簇树型网络拓扑结构，家庭内部网络空间较大时，增加路由节 点保证网络的连通性和扩展性。智能家居内网结构如图１。 图１智能家居内网的结构 （二）硬件设计 智能家居内部ＺｉｇＢｅｅ无线网络由各种传感器节点、路由 器节点和协调器节点构成，实现数据采集、处理和无线信号的 收发。传感器节点硬件设计如图２。路由器节点硬件设计如图 ３。协调器节点硬件设计如图４。 图３传感器节点硬件设计 图４路由器节点硬件设计 图５控制中心节点硬件设计 其中ＣＣ２５３０是美国ＴＩ公司推出的一款含有８０５１内核和 ２．４ＧＨｚ射频芯片【４】。电源采用ＭＡＸ６８７电压转换芯片，实现 ２Ｖ～３．６Ｖ的电压转换。时钟部分选用３２ＭＨｚ晶振提供系统正 常工作时的时钟频率，与ＣＣ２５３０的Ｐ１８和Ｐ１９引脚连接。 ３２．７６８ＫＨｚ晶振提供系统在低功耗模式下的工作频率，与 ＣＣ２５３０的Ｐ２２和Ｐ２３号引脚连接。射频天线模块由阻抗匹配 电路与天线馈线电路组成。选用ＲＳ一２３２的９针Ｄ型连接器与 ＣＣ２５３０芯片的ＵＡＲＴ０连接作为串口通信接口。ＬＥＤ显示模 块由红、黄、绿３种颜色的ＬＥＤ发光二极管组成，用来表示 节点的工作状态。温、湿度传感器节点采用瑞士Ｓｅｎｓｉｉｆｏｎ公司 一６２— 消费电子 ２０１２年６月下 Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ 计算机科学 生产的ＳＨＴＩＯ；一一氧化碳传感器节点选用ＣＯ／ＣＦ．１０００；烟雾 其中发送语句和接收语句分别为： 传感器节点采用豪恩公司的ＬＨ．９１Ｌ离子型烟雾传感器；入侵 ｒｅｓ＝ｒａｄｉｏＳｅｎｄ（ｓｅｎｄＢｕｆｆｅｒ，ｓｉｚｅｏｆ（ｓｅｎｄＢｕｆｆｅｒ），ｒｅｍｏｔｅＡｄｄｒ 监测传感器节点采用豪恩公司的双鉴探测器ＬＨ．９０２Ｃ。亮度传 ＤＯ＿ＡＣＫ１和ｒｅｓ＝ｒａｄｉｏＲｅｅｅｉｖｅ（＆ｒｅｅｅｉｖｅＢｕｆｆｅｒ，＆ｌｅｎｇｔｈ 感器节点采用安捷伦科技公司的模拟输出型环境亮度传感器 ＲＥＣＥＩＶＥＴＩＭＥＯＵＴ，＆ｓｅｌｌｄｅｒ）。 ＡＰＤＳ－９００２光传感器。 四、结束语 （三）软件设计 本文研究ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术在智能家居系统内部网络 ＣＣ２５３０实现无线通讯是通过ＴＸ ＦＩＦＯ和ＲＸ ＦＩＦＯ进行操 中的应用。采用簇树拓扑结构，应用ＣＣ２５３０片上系统设计各 作。当发送数据时，通过ＲＦＤ向ＴＸ ＦＩＦＯ中写入发送数据， 种传感器节点、路由节点和协调器节点，给出了无线收发通信 而接收数据通过ＲＦＤ读取ＲＸ ＦＩＦＯ来接收数据。具体流程图 程序流程图和实现关键语句。该研究符合智能家居内网近距 如图５。 离、低成本、低功耗要求，是智能家居系统的研制开发中又一 ＲＦ初始化 亮点，必将带来一场新的技术变革。 ◆ 清除ＳＰＰ状态位 【科研项目】嵌入式开发技术在３Ｇ开发应用中的研究， ◆ 项目编号：ＧＹＧＧ２０１０．０．１．１ ＩＩ清除ＲＦ中断标志位并使能ＲＦ中断 ． ● 设置频率和初始化无线模块 ◆ 使用ｔｉｍｅｒｌ控制器来产生中断 ◆ 初始化ＤＭＡ控钳 器Ｉ Ｉ中断使● 能 ｌ 发送或接收 图５ ＣＣ２５３０尢线通讯程序流程图 上接第７０页 用系统根据接口规范生成一个ＸＭＬ文件，然后通过Ｐｏｓｔ方式 的ＧＩＳ分析功能。 提交给基础ＧＩＳ平台的服务端，服务端收到该ＸＭＬ文件后解 然后，可以通过一个ＸＭＬ形式的配置文件来实现这些 析该文件，并根据其内容实现相关操作，最后将结果返回给应 ＤＬＬ文件的调用。基础ＧＩＳ平台在需要处理某功能时，通过此 用系统。 配置文件找到对应的ＤＬＬ，调用该ＤＬＬ中的功能，并将结果 （三）基础ＧＩＳ平台调用 它应用系统的接口 返回给主程序。 由于基础ＧＩＳ平台可以作为一‘个独立的系统来应用，因 最后，基础ＧＩＳ半台将处理结果展现在客户端。 此，在单独使用该系统时，可以通过一些接口来调用应用系统 通过这种方式，用户可以方便地在基础ＧＩＳ平台中增加专 中的部分功能，实现不Ｉ“Ｊ数据不同形式的查询和分析，使得该 门用于某业务系统的地图分析功能。 平台成为一个综合的查询分析系统。比如，当用户用鼠标点击 四、结束语 污染源图层上的某个点时，就可以调用污染源在线监测系统的 而向号业化应用的、可扩展的ＷＥＢＧＩＳ架构，可以使用 功能来实现实时监测数据的显示。 户在使用ＧＩＳ功能为专 Ｉ 的应用系统服务时，既能快速狭得 此接口可通过一一个ＸＭＬ配置文件来实现。下而以 段代 ＧＩＳ的功能，又能根据需求专门定制，同时还有利于不同应用 码来说明使用该接口的工作过程。 系统间数据 享。 比如，配置文件中可以有如下一段代码： 在这种架构中，基础ＧＩＳ平台中只实现的一些共性的内 ＜Ｌａｙｅｒ ｎａｍｅ＝”污染源分布”＞ 容，这就使基础ＧＩＳ平台的丌发人员不必要了解其实际应用领 ＜ｃｌｉｃｋ 域的专业知识；向应用系统的开发人员只需要针对本专业领域 叩ｅｎ＝Ｉ’ｈｔｔｐ：／／ｗｒｙｓｅｒｖｅｒ／ｄａｔａｄｉｓｐ．ａｓｐｘ？ｃｏｄｅ ｛ＣＯＤＥ｝’）；”／＞＜／Ｌａｙｅｒ＞ 进行开发，不需要学习复杂的地理信息系统知识。这种软件架 当用户在基础ＧＩＳ平台的客户端上用鼠标单击污染源分 构，使得小同应用层次的开发人员的分工更加细化，开发的产 布图层｝二的某个污染源点（假设该点的代码为１２３）时，客户 品ｌ史加专业ｋ化。该架构的应用，可以为ＷＥＢＧＩＳ的专业化应 端将相关信息上传到服务端，服务端通过与配置文件的匹配找 川提供一个新的途径。 到上述代码，并将代码中的”｛ＣＯＤＥ｝”用实际值”１２３”代替，然 参考文献： 后传递给客户端一个 ＵＲＬ 地址： 【１］郑伟伟，阎俊生，张游杰．基于ｕＩ调用的地理信息平台的 ｈｔｔｐ：／／ｗｒｙｓｅｒｖｅｒ／ｄａｔａｄｉｓｐ．ａｓｐｘ？ｃｏｄｅ＝ｌ２３，最后客户端在浏览器 技术研究…．电脑开发与应用，２０１１，２４（１） 中打开该ＵＲＬ，实现了代码为１２３的污染源的实时数据显示。 ｆ２］Ｒ１琦，潘瑜春，王雪峰，胡青泥．基于Ｂ／Ｓ模式的ＷｅｂＧＩＳ应 （四）ＧＩＳ分析扩展接口 用系统研究『Ｉ１ｌ计算机工程与应用，２００４，２０ 基础ＧＩＳ平台本身实现的功能重点是通用化的ＧＩＳ功能， 【３］丁黎．基于ＷｅｂＧＩＳ的网络电子地图系统研究『Ｄ１．陕西： 而对一些专业的应用系统（如环境监测等）所需的分析功能则 长安大学，２００８ 没有提供。为了更符合这些应用系统的需求，需要提供ＧＩＳ分 ｆ４］张胜茂．基于ＷｅｂＧＩＳ的一个地图服务系统的研究与开 析的扩展接口。该接口的使用流程是： 发『Ｄ１．上海：华东师范大学，２００６ 首先，基础ＧＩＳ平台定义了一一个ＤＬＬ（动态链接库）的接 ［５】梁晓松，游雄．面向服务的ＡｒｃＧＩＳ Ｓｅｒｖｅｒ架构研究ｌＩ１＿测绘 口规范，通过该规范，用户可以自定义一个ＤＬＬ来实现要求 科学，２００９．５，３４（３）