基于ZigBee的家庭智能系统设计

随着Internet的普及与发展，家庭网络化已经成为家庭现代化的潮流。家庭网络，主要包括有线和无线两种实现方式。由于有线网络固有的缺点，布线麻烦，可扩展性差等，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。无线网络的市场发展在逻辑上可分为面向语音的市场和面向数据的市场两类。在许多以数据传输为主的无线网络中，小型、低成本、低复杂度的无线网络的应用场合十分广泛。ZigBee是其中一种具有代表性的短距离无线通信技术，其网络标准由IEEE 802．15．4规定。ZigBee协议比蓝牙、高速率PAN(个人局域网)或者IEEE 802．11x无线局域网更加简单实用。

1 ZigBee简介
2002年8月ZigBee联盟成立，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成；IEEE802．1 5．4的ZigBee标准于2003年5月获得批准；2006年，推出ZigBee 2006，比较完善；2007年底，ZigBee PRO推出。ZigBee的底层技术基于IEEE 802．15．4。物理层和MAC层直接引用了IEEE 802．15．4标准。而ZigBee联盟负责网络层和应用层的开发，以及制定其安全协议和市场推广等。IEEE802．15．4定义了两个物理层标准，分别是2．4 GHz物理层和868／915 MHz物理层。这两个物理层都基于DSSS直接序列扩频技术，使用相同的物理层数据包格式。ZigBee在2．4 GHz频段有16个信道，能够提供250 Kb／s的传输速率，采用0-QPSK调制；915 MHz和868 MHz分别是欧洲和美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2．4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。

2 家庭网络拓扑结构选择
ZigBee标准有3种网络拓扑结构：星型、网状型、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100 m，在室内环境一般也能达到30多米的覆盖距离，这对大多数的智能家居系统来说足够。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。

3 网络节点设计
网络节点由单片机、无线传输模块、数据采集和控制电路组成，如图1所示。其中，单片机选用低功耗的ATMEGA128L，无线模块选用CC2-420型射频收发器，两者通过SPI接口连接。ATMEGAl28L是高端8位微处理器，具有高性能，低功耗等特点，可提供128 K字节的可编程FLASH，4 K字节的SRAM，具有简化高效的RISC指令体系。