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基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統(tǒng)(1)

　　在智能家居系統(tǒng)中，將無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因為無線網絡可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網絡的通訊特點。隨著無線網絡技術的進一步發(fā)展，必將大大促進家庭網絡智能化的進程。

　　本文介紹的智能家居無線網絡系統(tǒng)采用ZigBee技術，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，符合IEEE802.15.4協(xié)議，是IEEE工作組專門為家庭短距離通訊制定的新標準。

　　1 ZigBee技術簡介

　　ZigBee技術的主要優(yōu)點有：(1)省電：兩節(jié)五號電池可使用長達六個月到兩年左右的時間;(2)可靠;采用了碰撞避免機制;(3)成本低;(4)時延短;(5)網絡容量大;(6)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，各種應用可以靈活確定其安全屬性。

　　ZigBee技術的特點完全符合家庭網絡通訊的需要，因此選擇ZigBee技術構建智能家居無線網絡系統(tǒng)。

　　2 智能家居無線網絡系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)以家庭為單位進行設計安裝，每個家庭都安裝一個家庭網關、若干個無線通訊ZigBee子節(jié)能模塊。在家庭網關和每個子節(jié)點上都接有一個HeliLink無線網絡收發(fā)模塊(符號ZigBee技術標準的產品)，通過這些無線網絡收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)在網關和子節(jié)點之間進行傳送。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　下面介紹各部分的結構及功能。

　　家庭網關的結構及功能為：

　　(1)采用ARM構架的32位嵌入式RISC處理器和.uClinux操作系統(tǒng);

　　(2)通過門鎖進行自動設防/解防;

　　(3)遇搶劫或疾病，按緊急按鈕，自動向管理中心報警;

　　(4)每家每戶配有自己的網頁，通過網頁顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù);

　　(5)水、電、氣各表數(shù)據(jù)發(fā)給牧業(yè)管理中心;

　　(6)通過以太網與小區(qū)管理中心通訊;

　　(7)通過網關上的無線ZigBee(IEEE802.15.4)模塊與網絡中各子節(jié)點進行通訊。

　　ZigBee無線通訊子節(jié)點的功能為：

　　(1)兩路脈沖量數(shù)據(jù)采集，可采集水、電、氣三表數(shù)據(jù);

　　(2)兩路安防傳感器開關量數(shù)據(jù)采集，可進行設防/撤防報警、安防報警(紅外幕簾、門磁、窗磁、玻璃破碎等);

　　(3)一路模擬量數(shù)據(jù)采集;

　　(4)一路模擬量數(shù)據(jù)輸出;

　　(5)一路繼電器觸點輸出;

　　(6)通過無線通訊IEEE802.15.4協(xié)議及家庭網關通訊。

　　3 通訊協(xié)議

　　3.1 ZigBee協(xié)議的幀結構

　　采用符號ZigBee標準的HeliLink模塊的數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)模式、目標地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和五部分構成，格式如下(數(shù)據(jù)幀結構中的數(shù)據(jù)都是16進制數(shù)):

　　“數(shù)據(jù)模式”占用一個字節(jié)。“目標地址”表示數(shù)據(jù)幀結構要發(fā)送的目標位置(網絡中的節(jié)點號)，它占用一個字節(jié)�！皵�(shù)據(jù)長度”表示數(shù)據(jù)幀結構中從“數(shù)據(jù)1”到“數(shù)據(jù)n”所占據(jù)的字節(jié)數(shù)，它也占據(jù)了一個字節(jié)。“數(shù)據(jù)信息”表示用戶要通過UART0傳送的命令或者有效數(shù)據(jù)，占據(jù)的字節(jié)數(shù)由“數(shù)據(jù)長度”決定�！靶ｒ灪汀笔菍�幀結構中的全部數(shù)據(jù)(校驗和字節(jié)除外)進行的校驗，采用字節(jié)逐位異或的方式實現(xiàn)。“校驗和”也占據(jù)一個字節(jié)。

　　3.2 無線網絡通訊協(xié)議幀結構

　　家庭網關通訊協(xié)議幀結構是建立在ZigBee協(xié)議幀結構的基礎上的，相當于底層協(xié)議中的數(shù)據(jù)場部分。所以幀結構由節(jié)點號、功能編碼、數(shù)據(jù)信息三部分組成，如下所示：

　　節(jié)點號字段數(shù)據(jù)長度為1字節(jié)，其中低四位為數(shù)據(jù)采集功能編號，高四位為子節(jié)點號，如下所示：

　　功能編碼分為三個部分：方向位、數(shù)據(jù)類型和功能類型。其格式為：

　　方向位：

　　根據(jù)主節(jié)點作為通訊發(fā)送者還是接收者，本系統(tǒng)功能可分為兩大類：上行和下行。方向位即決定了這一點。

　　數(shù)據(jù)類型：

　　數(shù)據(jù)信息與功能編碼關系十分密切，根據(jù)功能不同，數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的內容含義不同;根據(jù)數(shù)據(jù)長度不同，數(shù)據(jù)類型也不同。

　　功能類型：

　　每一個功能類型對應一種系統(tǒng)功能。通過解析功能類型編碼可得到系統(tǒng)功能，對于下行幀，子節(jié)點得到主節(jié)點通知其執(zhí)行的命令和需要的數(shù)據(jù);對于上行幀，主節(jié)點得到子節(jié)點返回的信息、數(shù)據(jù)和命令執(zhí)行的情況。

　　數(shù)據(jù)信息存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息長度可根據(jù)功能編碼中的數(shù)據(jù)類型而定。

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