陳暉

摘要：現(xiàn)代智能家居體現(xiàn)了對住宅的新要求，其研究得到了廣泛關(guān)注。本文從智能家居安防系統(tǒng)具有所需通信距離短、節(jié)點連接簡單和傳輸數(shù)據(jù)量少的特點，分析了ZigBee協(xié)議的擴展特性和拓撲結(jié)構(gòu)，并依據(jù)星型拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，最后設(shè)計了基于星型的雙向網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計選用CC2530芯片系統(tǒng)設(shè)計，詳細的分析了外圍電路的工作原理，并對CC2530與PC機的連接做了詳細的描述。

Abstract： The modern smart home reflects the new requirements of the housing， and its research has been widely concerned. This paper from its characteristics of short communication distance， simple connections between joints and less data transmission， analyzes the extended characteristics and topological structure of ZigBee protocol， and based on the star topology structure and network topology， designs two-way network topology based on the star. Smart home security system design uses CC2530 chip system design. This paper analyzes the working principle of the peripheral circuit in some detail， and describes the connection of CC2530 and PC in detail.

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；安防系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)

Key words： smart home；ZigBee；security system；network

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0067-03

0 引言

當前智能家居安防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式以無線網(wǎng)絡(luò)傳輸為主，其傳輸模式存在功耗大、設(shè)備使用壽命低、電磁輻射、同頻率干擾等問題。為了提高安防產(chǎn)品的安全性和可靠性，達到系統(tǒng)集成化和網(wǎng)絡(luò)化的要求，本文選擇ZigBee技術(shù)為支撐，對智能家居安防系統(tǒng)的總體架構(gòu)進行了設(shè)計。結(jié)合智能家居安防需求，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)特征，建立了基于星形網(wǎng)絡(luò)拓撲特點的智能家居新型拓撲安全網(wǎng)絡(luò)。

1 基于ZigBee無線通信技術(shù)智能家居安防系統(tǒng)的組網(wǎng)方法

1.1 無線通信方式的選擇

ZigBee無線通信技術(shù)采用的是類似于無線基站的通信模塊設(shè)置，所以任何兩個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)平臺中都可以相互之間進行通信。所以通信距離不受限制，可無限擴展節(jié)點。每個節(jié)點不僅能傳輸數(shù)據(jù)，還可以采集數(shù)據(jù)。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)與選擇應(yīng)用

1.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，一般分為三種

①星型拓撲結(jié)構(gòu)。

星型拓撲結(jié)構(gòu)包括：一個ZigBee協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備。

星型拓撲結(jié)構(gòu)由于所有設(shè)備傳輸信息都需要由協(xié)調(diào)器來完成，所以拓撲結(jié)構(gòu)很容易建立。同時，缺點也很明顯，由于所有節(jié)點都需要通過協(xié)調(diào)器與其他節(jié)點進行通信，導(dǎo)致協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)包過長，容易形成信息擁塞，造成網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。一個ZigBee協(xié)調(diào)器在使用時，所有節(jié)點都要與它保持相同的距離，這就限制了在網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)量。

②樹型拓撲結(jié)構(gòu)。

樹型拓撲結(jié)構(gòu)包括：一個ZigBee協(xié)調(diào)器、幾個ZigBee路由器和許多終端節(jié)點。該網(wǎng)絡(luò)的主要特點是與星型拓撲結(jié)構(gòu)相比，有多個ZigBee路由器同時擔當數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送功能。樹型拓撲結(jié)構(gòu)由于加入ZigBee路由器，使得網(wǎng)絡(luò)通信范圍可以擴大，最終信息數(shù)據(jù)由ZigBee路由器傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器。

③網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)包括：一個ZigBee協(xié)調(diào)器、幾個ZigBee路由器和許多終端節(jié)點。雖然其拓撲結(jié)構(gòu)和樹形拓撲結(jié)構(gòu)相似，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的路徑上與樹形拓撲結(jié)構(gòu)信息的傳輸有所不同，其除協(xié)調(diào)器節(jié)點以外任意兩節(jié)點之間都可以進行信息傳輸，信息傳輸過程是不固定的路徑，比其他拓撲結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，這使得其通信規(guī)則更加靈活，通信效率也更高。但是，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也是極高的。

1.2.2 拓撲結(jié)構(gòu)選擇

綜合以上分析，結(jié)合三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，構(gòu)建一種新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，它是基于星形結(jié)構(gòu)的主體，把原有終端節(jié)點替換成路由器節(jié)點，組成一個接收發(fā)射組的裝置，其特點是內(nèi)部的路由器節(jié)點之間可以進行信息通信，從而防止協(xié)調(diào)器的信息擁塞。而對于分布在家庭各個角落的終端節(jié)點來說，其終端節(jié)點之間雖不能相互通信，但可以通過接收發(fā)射組來傳遞之間的信息，避免了因單一路由節(jié)點的故障，所造成的區(qū)域內(nèi)的終端節(jié)點不能使用的問題。最后因其構(gòu)建過程對于普通家庭來說比較簡單，容易操作，故選用這種新型的拓撲結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

1.3 ZigBee協(xié)議的配置

1.3.1 ZigBee配置文件

ZigBee配置文件用于協(xié)調(diào)路由器和終端節(jié)點之間協(xié)議信息的處理。讓應(yīng)用程序通過命令創(chuàng)建可交互操作的分布式應(yīng)用程序。所有的節(jié)點如果使用相同的標準配置文件，則它們都可以進行交互性操作。配置文件是由ZigBee聯(lián)盟批準通過并提供標識符給用戶的，之后，用戶可以自行定義內(nèi)容：

①類別ID標識。

每一個可以直接通信狀態(tài)的值或?qū)傩缘奈锢砹?，都對?yīng)唯一的一個ID值，而多個設(shè)備的ID值可以組成一個組標識，例如，上述所說的接收發(fā)射裝置組。組標識用來記錄輸出與輸入設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，每個組都有自己獨特的組標識用以區(qū)分其他組別，在配置文件中，輸出組與輸入組標識應(yīng)相互匹配，實現(xiàn)綁定功能。

②設(shè)備描述與服務(wù)類型。

設(shè)備描述用來說明是輸出或輸入組的功能。服務(wù)類型一般可分為MSG服務(wù)和KVP服務(wù)。MSG服務(wù)主要適用于傳輸數(shù)據(jù)流或大數(shù)據(jù)量文件，KVP服務(wù)一般用于小型變量值的傳輸。

1.3.2 ZigBee協(xié)議綁定

ZigBee綁定是一個非常重要的概念，兩個節(jié)點之間采用無線通信，那么就需要創(chuàng)建一個由綁定所建立的邏輯鏈接。因為節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包可以包括多種類型，那么就必須將多種服務(wù)類型綁定在這個節(jié)點上，從而根據(jù)選擇不同的服務(wù)類型，對不同的數(shù)據(jù)包進行有針對的發(fā)送。

在創(chuàng)建綁定服務(wù)過程中，目標設(shè)備應(yīng)首先進入一個固定的允許綁定的狀態(tài)，然后通過d_AllowBindResponse（）函數(shù)響應(yīng)綁定請求，之后再通過d_BindDeviceRequest（）函數(shù)來指定綁定地址，完成與目標節(jié)點的綁定。通常綁定表的格式為：

（as，es，cs）={（ad1|，ed1|），（ad2|，ed2|），（and|，endn|）}

as——源設(shè)備地址；

es——源設(shè)備標識符；

cs——連接的串標識符；

ad——目的設(shè)備地址；

ed——目的設(shè)備標識符。

1.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

1.4.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的構(gòu)建

在智能家居安防系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)調(diào)器的功能是比較復(fù)雜的，首先，它負責創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)平臺中心；同時，新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也需要ZigBee協(xié)調(diào)器的允許才能加入；最后，ZigBee協(xié)調(diào)器還要負責網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的更新。其創(chuàng)建方法如下：

第一步，ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個初始化網(wǎng)絡(luò)后， ZigBee協(xié)調(diào)器應(yīng)用層通過發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION. Request來觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層進行網(wǎng)絡(luò)建立。

第二步，網(wǎng)絡(luò)層通過發(fā)送MLME-SCAN. Request給MAC層使其進行能量掃描和主動掃描，確認找到一個能滿足要求的信道時，MAC層會發(fā)送MLME-SCAN. confirm返回網(wǎng)絡(luò)層使其創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡(luò)標識。如果該標識與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)標識相同，則會重新發(fā)送MLME-SET. request到MAC層修改網(wǎng)絡(luò)標識，再通過MLME-SET. confirm返回網(wǎng)絡(luò)層確認實現(xiàn)。

第三步，在確認網(wǎng)絡(luò)標識后，網(wǎng)絡(luò)層通過發(fā)送NLME-START. request 給MAC層確認是否啟動協(xié)調(diào)器，經(jīng)MAC層回復(fù)NLME-START. confirm到網(wǎng)絡(luò)層后，網(wǎng)絡(luò)層最終發(fā)送NLME-METWORK-FORMATION. confirm回應(yīng)用層，應(yīng)用層確認網(wǎng)絡(luò)建立完成。見圖2。

1.4.2 終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在ZigBee協(xié)調(diào)器成功地創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)之后，其終端設(shè)備需要連接到網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，一般經(jīng)過兩個步驟：第一步是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備向ZigBee協(xié)調(diào)器請求加入網(wǎng)絡(luò)或ZigBee協(xié)調(diào)器主動掃描添加到網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備的要求。第二步，ZigBee協(xié)調(diào)器來決定是否允許一個終端設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)，如果允許入網(wǎng)，發(fā)送答應(yīng)請求信號，如果不允許入網(wǎng)，發(fā)送拒絕請求信號。

1.4.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址的分配

ZigBee使用的地址分為兩種，一是MAC地址，一個是網(wǎng)絡(luò)地址。前者為64位，為生產(chǎn)設(shè)備固定地址，后者為16位，地址是由網(wǎng)絡(luò)分布的唯一入網(wǎng)地址。ZigBee協(xié)調(diào)器在進行地址分配時，其配置工作需要一些重要的公式。例如，用下列公式計算地址的次數(shù)。

Cskip（d）=1+Cm（Lm-d-1） Rm=1■ 其他

Cskip（d）用于表示該節(jié)點深度為d時的地址數(shù)目

Cm用于表示最大深度網(wǎng)絡(luò)；

Lm用于表示最大節(jié)點訪問數(shù)量；

Rm用于表示最大路由節(jié)點訪問數(shù)量。

2 基于CC2530芯片的智能家居安防系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件設(shè)計是搭建智能家居安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要目的是構(gòu)建一個可行的、高效的無線互聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括協(xié)調(diào)器設(shè)計和終端傳感器節(jié)點設(shè)計。PC機作為上位機起著家居網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)的作用，通過RS-232串口與單片機之間進行通信。

2.1 基于CC2530芯片的節(jié)點設(shè)計

CC2530芯片是標準8051CPU芯片，有著低成本和優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)性能，其射頻收發(fā)信號性能優(yōu)良，與ZigBee進行組網(wǎng)是理想的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

2.2 ZigBee節(jié)點的硬件設(shè)計

在房間里ZigBee節(jié)點的分布起著監(jiān)測現(xiàn)場，負責數(shù)據(jù)的采集和處理等功能，處理器負責協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和數(shù)據(jù)處理，每個傳感器將負責數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，ZigBee射頻模塊負責的無線通信，RS-232接口負責與PC機通信。

2.3 協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計

CC2530和PC機連接：ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口與PC機相連，負責傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建、網(wǎng)絡(luò)融合的建立，管理每個節(jié)點的數(shù)據(jù)。ZigBee協(xié)調(diào)器當使用串口進行數(shù)據(jù)交換時，需要和PC機進行電平轉(zhuǎn)換，使用的是RS232收發(fā)器芯片，當發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過RS232收發(fā)器芯片把PC串口電平轉(zhuǎn)換為標準的TTL電平，然后通過CC2530進行發(fā)送，在接收數(shù)據(jù)時，CC2530在接收到數(shù)據(jù)信號之后，將TTL電平通過RS232轉(zhuǎn)換為串口電平，然后發(fā)送給PC機。

總之，隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，小型化和智能化的家居網(wǎng)關(guān)是一種趨勢，未來的系統(tǒng)功能將會更加完善。

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