一、引言

随着生活水平的提高和科技的发展，近几年来，我们经常能听到“信息家电”或“智能家居”的词语。家用电器产品开始朝着家庭自动化（Home Automation）的方向发展，家庭自动化的目的是利用微电子处理技术，集成或控制家中的电子电器产品或系统，如咖啡炉、电脑、保安系统、暖气及冷气系统、照明系统、视频及音响系统等。从控制层次来分，智能家居控制系统一般有信息终端节点、家庭控制子网、家庭网关和外部网络几部分组成，如图1所示。

我们从目前家庭内部电器特征分析可见，家用电器通信多数属于信号量少的控制信号，少数(电脑、电话、电视、音响等)数据量大的电器一般都有专用线路。由以上分析可得，考虑到实用性和价格因素，ZigBee是智能家居系统的首选。

二、家庭组网新技术－ZigBee

ZigBee是一种新的无线连接技术，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。相对于现有的各种无线通信技术，Zigbee技术是功耗和成本最低的技术之一。Zigbee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了Zigbee技术适合于承载数据流量较小和QoS的要求不高的业务。

ZigBee的主要特性包括：工作频段：2.4GHz、868MHz、915MHz；最高数据传输速率：250、20、40kbps；覆盖范围：10～100 m；协议栈容量：

28 KB；可连接的设备数量为254个，且功耗极低、响应速率极快，模块成本在2美元左右。

三、基于ZigBee技术的家庭网络的组建

1、家庭网络拓扑结构的选择

ZigBee标准有三种网络拓扑结构：星型、网状、树型。本文智能家居系统的实际情况如下：

（1）、传感器节点由电池供电，而家庭网关通过电源供电，所以应该尽量减少传感器节点的工作量，以节约传感器节点用电；

（2）、智能家居中接入的主要是传感器和开关，网络中数据量不大，没有必要采用复杂的网络拓扑来保证数据通信；

（3）、智能家居控制网络的设计不需要很大的覆盖范围，根据ZigBee标准的说明，空旷环境最大传输距离100m，在室内环境一般也能达到30多米的覆盖距离，这对于大多数的智能家居系统来说足够了。星型拓扑结构完全能满足要求，并且成本低廉、实现简单、连接容易、容易扩充和管理、不涉及路由寻址等功能，因此本设计选择星型拓扑结构。

基于ZigBee技术的智能家居系统的网络拓扑结构如图2所示。其中，家庭网关是全功能设备，它充当网络协调器，由它主导网络的建立，监督网络的正常运行。它配置较多的存储空间，完成网络初始化、数据采集、设备控制等功能。另外，它配置16bit本地地址给设备以节省带宽。其他的无线通信ZigBee子节点模块则是精简功能设备，完成传感器状态采集，查询响应、控制设备等，它们只能与家庭网关之间进行通信，相互之间不能进行通信。

2、家庭网络的组建

ZigBee网络具有自组织功能和自愈功能，这就保证了ZigBee网络的建立，增加和删除一个节点以及节点位置发生变动，不需要人工干预ZigBee网络可以自动完成。

家庭网络的组建主要包括系统上电初始化，网络拓扑更新和节点与网关通信三方面。家庭网关是系统的主控设备，起着网络协调器的作用，主导网络建立和网络运行的整个过程。

(1)系统上电初始化

系统上电以后，家庭网关以广播的方式向上电的终端节点发送数据帧，终端节点收到数据帧以后，会产生一个0～256之间的随机数，这个随机数乘以系统的时延基数得到该节点的时延。每个节点等到时延以后向家庭网关发送入网请求(此时用64位IEEE扩展地址作为节点号)，家庭网关收到请求以后给终端节点分配一个16bit的地址作为入网后的节点号，并在地址表中记录该节点的信息。若终端节点发送请求一段时间后没有得到网关的回应，则再产生一个随机时延重新发送请求。家庭网关采集完所有上电终端节点信息后，则系统上电初始化完成。

(2)网络拓扑更新

ZigBee网络具有自组织功能，当网络拓扑发生变化后，家庭网关应该发现并记录发生的变化，网络拓扑变化主要是终端节点的接入和拆除引起的。终端节点的接入：系统运行中，新上电的终端节点向家庭网关发送入网请求，家庭网关收到请求后首先检查地址表中是否记录了该节点，若没有则给节点分配一个16bit的节点号，并在地址表中记录该节点的信息。如果节点发送请求一段时间后没有得到回应，则等待随机时延后再次发送请求。这样就完成了终端节点的接入。

终端节点的拆除：终端节点的拆除可能有两种情况，一是终端节点请求拆除，网关节点收到请求后，收回节点号并对拆除请求进行确认；二是家庭网关三次与一个终端节点请求通信失败后，则将该节点拆除，如果该终端节点三次向网关请求通信失败，该终端节点重新发送入网请求，并被分配一个新的节点号。

(3)节点与网关通信

终端节点只能与家庭网关通信，节点之间不能通信。家庭网关对终端节点的操作包括信息采集、节点设置、节点操作和节点重启。信息采集就是指采集传感器节点上传的信息，如温度、湿度等；节点设置就是指设置终端节点的某些参数，譬如煤气传感器的门限值；节点操作主要指对终端节点的控制，例如对照明系统的亮度控制，电视及空调的开关等。节点重启指当家庭网关发现终端节点上传的数据明显错误时，关闭该节点并重新启动。图2基于ZigBee技术的智能家居系统星型拓扑结构

控制头二进制字节定义：

Bit5、6、7：001-数据请求，110-数据确认，100-命令请求，011-命令确认。

Bit 4：无定义，默认为0。

Bit3、2、1、0：信息包顺序号。

目的地址用一个字节表示，所以每个网络理论上可以连接28＝256个设备，0号节点表示网关节点，其它节点都有唯一的一个节点号。

负载长度字节用来描述通信信息中有效信息的长度。

最后一个字节是异或校验和，发送前把控制头、目的地址、负载长度和负载字节按二进制位异或，把结果放在最后发送；接收节点收到信息后再把各字节按同样的方法异或，比较发送前后的校验和，如果相同表示接收信息正确，若不同接收信息错误，请求重新发送。

ZigBee网络应用层有四种类型帧格式：数据请求帧、数据确认帧、命令请求帧、命令确认帧。其中数据请求帧和命令请求帧统称为请求帧，有相似的帧格式；数据确认帧和命令确认帧统称为确认帧，帧格式相似。

在系统运行中还要注意终端节点电量的监测，终端节点电量过低可能会发出错误信息。因此，家庭网关必须对终端节点的电量进行监测，当发现节点电量较低时，拆除该节点。

此外，为了降低终端节点的功耗，当终端节点没有数据通信时，节点处于等待或休眠低功耗模式，家庭网关记录该节点的状态，当该节点有数据通信时再将其唤醒。智能家居系统的ZigBee网络就是这样组建起来的，组建流程图如图3所示。

3、通信协议

ZigBee网络的物理层和MAC层的通信协议遵循IEEE802.15.4标准，由于本文中智能家居系统中ZigBee网络采用简单的星型拓扑结构，网络层也不涉及路由寻址等问题，因此，本文通信协议的设计主要考虑应用层。

所有ZigBee网络的二进制帧都有如下的帧结构：

在请求帧中，应用程序可以把数据或命令代码放到负载中传输到目标节点，目标节点在收到后应该返回一个确认帧。请求帧格式如上，各字节含义同上。

接收节点在接收请求帧后都会向信息发起节点发回一个确认帧，如果正确接收错误代码字节为0x00；如果接收现错误，错误代码字节表示为0xFF，错误类型字节表示具体的错误信息。

4、ZigBee节点的实现

传感器的实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集的数据以无线方式发送出去。其主要包括ZigBee无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等。ZigBee无线通信模块负责数据的无线收发；微控制器负责链路管理与控制，执行通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制和功率模式等。调理的传感器模拟信号经过A/D转换后暂存于缓存中，由ZigBee无线通信模块通过无线信道发送到主控节点，再进行特征提取、信息融合等高层决策处理。如图4所示。

ZigBee通信模块采用Chipcon公司的CC2420。CC2420是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4的无线收发芯片，体积小功耗低，非常适合于家庭及楼宇自动化等应用系统。微处理器选用ATmega128L，这是一款8位低功耗微处理器，具有体积小、集成度高、功耗低、速度快、成本低且支持睡眠模式等优点。CC2420与处理器的连接比较简单，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态；而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据，发送命令等。节点的软件流程图如图5所示。

四、结束语

ZigBee技术弥补了低成本、低功耗、近距离和低速率无线通信市场的空白，随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转移到应用的设计和实现上。目前智能家居虽然在国内外都有了一定的发展，但尚未形成统一的标准，严重制约了智能家居的发展进程，导致市场的开拓和技术的进步极为缓慢，遵循统一标准已成为业内的共识。ZigBee技术在家庭组网中有着不可替代的优势，很有可能成为家庭网络的标准协议，我们期待着那一天的到来，那时基于ZigBee技术的家庭网络将真正走入我们的生活。