智能家居系統中無線傳感器網絡的設計

摘要：介紹了ZigBee無線傳感器網絡，將ZigBee技術應用到智能家居系統中。提出了一種以ZigBee技術為基礎的智能家居系統設計方案。闡述了無線傳感器網絡的總體構成，以CC2430無線芯片為棱心，選取了合適的ZigBee模塊進行了硬件電路設計。研究并分析了ZigBee技術。設計并實現了串口收發程序，傳感器程序，以及節點間的無線通信程序，并根據ZigBee協議，使節點組成樹狀網絡，最終實現系統的監測與控制。結果表明，本系統運行穩定，達到了設計目的，有著廣泛的應用前景。
關鍵詞：智能家居；無線傳感器網絡；ZigBee；CC2430

隨著時代的發展，人們將更多的注意力放在了生活環境的安全性、舒適性和便利性上，從而出現了智能家居的概念。智能家居控制系統使人們可以對家居內的任意電器進行數字化控制，利用計算機技術、網絡通訊技術將與家居生活有關的各種設備有機地結合在一起，進行集中管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。本文以ZigBee技術對智能家居內部進行無線網絡組網，通過ZigBee無線傳感器網絡節點的設計，實現節點對各種傳感器信息的采集、傳輸和控制功能。

1 Zigbee技術
ZigBee技術是一種強調極低耗電、極低成本的短距離無線網絡技術，遵循IEEE802．15.4標準。它專注于低速率傳輸控制，網絡容量大，時延短，提供數據完整性檢查，加密算法采用AES-128，網絡擴充性強，有效覆蓋范圍為10～75 m，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭環境，通信頻率采用2．4 GHz免執照頻段。
ZigBee是一組基于IEEE802．15．4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。IEEE802.15.4僅定義了MAC層和物理層協議，而ZigBee聯盟則對其網絡層和應用層進行了標準化。ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其他節點獲得。

2 系統結構設計
無線傳感器網絡系統主要由傳感器、CC2430無線模塊構成，結構圖如圖1所示。

無線傳感器網絡采用樹狀結構，網絡中有一個協調器，負責整個網絡中數據的處理、轉發以及網絡的管理。終端節點(傳感器節點)上電復位后，會搜索協調器節點，當能夠搜索到協調器時，直接申請加入網絡。當終端節點搜索不到協調器時，這時就會通過路由器節點找到協調器來加入網絡。
加入網絡后保持待機狀態，當有數據需要發送時，按照組網時的路徑來收發數據信息。協調器通過串口與PC機相連，利用超級終端實現發送命令或者顯示數據。

3 硬件電路設計
本文設計的無線傳感器網絡系統的硬件結構主要由協調器模塊，路由器模塊，傳感器模塊，串口轉換模塊，供電模塊以及PC機等組成。其中協調器、路由器、傳感器3個模塊作為主要的無線通信模塊，由主控芯片CC2430作為數據處理以及無線收發器。其系統硬件電路結構示意圖如圖2所示。