智能家居是利用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的各個子系統(tǒng)如家庭安防、環(huán)境監(jiān)測、家電控制、場景聯(lián)動和遠程抄表等有機地結(jié)合在一起，通過集中控制和管理，實現(xiàn)個性化的家居生活體驗[1]。智能家居系統(tǒng)主要包含的子系統(tǒng)有：家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等八大系統(tǒng)[2]。
本文使用的ZigBee技術(shù)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(shù)，其可以實現(xiàn)無線連接智能家居各個子系統(tǒng)功能，且實現(xiàn)成本低廉[3]。
1 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計
本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示：
終端節(jié)點：這里指所有通過接入家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，他們是系統(tǒng)控制與采集數(shù)據(jù)的對象。
路由器：路由器主要用于擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實現(xiàn)路由協(xié)議，并承擔一定的控制功能。
協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器負責組建網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器除以上功能外還要負責網(wǎng)關(guān)的通信。
以上各節(jié)點中，路由器和協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備（RFD），終端節(jié)點是精簡功能設(shè)備（FFD）。FFD功能全面，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為發(fā)起網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和路由器。FFD功能簡單，只可以作為終端節(jié)點存在 [4]。
ZigBee提供了三種組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)：星型、樹型和網(wǎng)狀。本網(wǎng)絡(luò)采用的是樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，相比星型結(jié)構(gòu)，其覆蓋范圍較大，而比較網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度與能耗都低。
2 各節(jié)點程序設(shè)計
（1）協(xié)調(diào)器程序設(shè)計
本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器需要完成如下任務(wù)：與路由和終端節(jié)點通信、與網(wǎng)關(guān)交互信息。其工作流程為：
協(xié)調(diào)器完成初始化后，開始根據(jù)要求的參數(shù)建網(wǎng)，并可確定信道、網(wǎng)絡(luò)地址、PAN ID等信息。
組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器進入等待狀態(tài)，當有路由器或終端節(jié)點請求加入時，對其請求進行響應(yīng)。同時協(xié)調(diào)器還需實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)傳遞的控制命令，并回傳處理結(jié)果至網(wǎng)關(guān)，過程如圖2所示。
（2）路由器程序設(shè)計
路由器的任務(wù)是：轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點數(shù)據(jù)和處理本節(jié)點的任務(wù)。路由器初始化完成后，選擇要加入的網(wǎng)絡(luò)。加入后，父節(jié)點將為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，并回復路由器入網(wǎng)成功信息。其工作過程如圖3所示。 南康家具網(wǎng) 順德家具網(wǎng) 南康家具網(wǎng)
（3）終端節(jié)點程序設(shè)計
終端節(jié)點任務(wù)包括：加入網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)路由器或協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令對設(shè)備進行操作；還可以設(shè)置定時器，定期采集室內(nèi)溫度，并將結(jié)果反饋到家庭網(wǎng)關(guān)。其工作流程如圖4：
3 系統(tǒng)特點
本系統(tǒng)除具有市場上常見的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各項功能外，還具有以下特點：
（1）低功耗：由于Zigbee最小發(fā)射功率僅0.5mW，其待機模式下耗能極少。Zigbee的待機時間可以達到0.5～2年。
（2）低成本：CC2430控制方便，自身攜帶的8051即可進行完全控制，成本降低很多。
（3）低速率：由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于智能家居系統(tǒng)中控制網(wǎng)絡(luò)部分，其對于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求并不高，而Zigbee主要針對的就是低傳輸率的對象，其250K/40K/20Kbps的數(shù)據(jù)吞吐量也能夠滿足低傳輸率對象的要求。
（4）大容量：Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多樣，且每個設(shè)備的標識符由一個16位的地址提供，故一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中可容納的設(shè)備數(shù)高達65535個，這足以滿足當今大部分情況的需要。
（5）高安全可靠：Zigbee使用的抗干擾措施是直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)，物理層則使用CSMA/CA算法，可以靈活確定安全方面相關(guān)屬性。
4 結(jié)語
使用ZigBee技術(shù)組建智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)，克服了當前無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)價格貴、穩(wěn)定性差、待機時間短等缺點，為家庭用戶提供了一個隨時接入、隨地接入、自動接入的無線環(huán)境。這對推動智能家居產(chǎn)業(yè)化將起到積極作用。
本文使用的ZigBee技術(shù)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(shù)，其可以實現(xiàn)無線連接智能家居各個子系統(tǒng)功能，且實現(xiàn)成本低廉[3]。
1 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計
本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示：
終端節(jié)點：這里指所有通過接入家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，他們是系統(tǒng)控制與采集數(shù)據(jù)的對象。
路由器：路由器主要用于擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實現(xiàn)路由協(xié)議，并承擔一定的控制功能。
協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器負責組建網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器除以上功能外還要負責網(wǎng)關(guān)的通信。
以上各節(jié)點中，路由器和協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備（RFD），終端節(jié)點是精簡功能設(shè)備（FFD）。FFD功能全面，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為發(fā)起網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和路由器。FFD功能簡單，只可以作為終端節(jié)點存在 [4]。
ZigBee提供了三種組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)：星型、樹型和網(wǎng)狀。本網(wǎng)絡(luò)采用的是樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，相比星型結(jié)構(gòu)，其覆蓋范圍較大，而比較網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度與能耗都低。
2 各節(jié)點程序設(shè)計
（1）協(xié)調(diào)器程序設(shè)計
本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器需要完成如下任務(wù)：與路由和終端節(jié)點通信、與網(wǎng)關(guān)交互信息。其工作流程為：
協(xié)調(diào)器完成初始化后，開始根據(jù)要求的參數(shù)建網(wǎng)，并可確定信道、網(wǎng)絡(luò)地址、PAN ID等信息。
組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器進入等待狀態(tài)，當有路由器或終端節(jié)點請求加入時，對其請求進行響應(yīng)。同時協(xié)調(diào)器還需實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)傳遞的控制命令，并回傳處理結(jié)果至網(wǎng)關(guān)，過程如圖2所示。
（2）路由器程序設(shè)計
路由器的任務(wù)是：轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點數(shù)據(jù)和處理本節(jié)點的任務(wù)。路由器初始化完成后，選擇要加入的網(wǎng)絡(luò)。加入后，父節(jié)點將為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，并回復路由器入網(wǎng)成功信息。其工作過程如圖3所示。 南康家具網(wǎng) 順德家具網(wǎng) 南康家具網(wǎng)
（3）終端節(jié)點程序設(shè)計
終端節(jié)點任務(wù)包括：加入網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)路由器或協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令對設(shè)備進行操作；還可以設(shè)置定時器，定期采集室內(nèi)溫度，并將結(jié)果反饋到家庭網(wǎng)關(guān)。其工作流程如圖4：
3 系統(tǒng)特點
本系統(tǒng)除具有市場上常見的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各項功能外，還具有以下特點：
（1）低功耗：由于Zigbee最小發(fā)射功率僅0.5mW，其待機模式下耗能極少。Zigbee的待機時間可以達到0.5～2年。
（2）低成本：CC2430控制方便，自身攜帶的8051即可進行完全控制，成本降低很多。
（3）低速率：由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于智能家居系統(tǒng)中控制網(wǎng)絡(luò)部分，其對于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求并不高，而Zigbee主要針對的就是低傳輸率的對象，其250K/40K/20Kbps的數(shù)據(jù)吞吐量也能夠滿足低傳輸率對象的要求。
（4）大容量：Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多樣，且每個設(shè)備的標識符由一個16位的地址提供，故一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中可容納的設(shè)備數(shù)高達65535個，這足以滿足當今大部分情況的需要。
（5）高安全可靠：Zigbee使用的抗干擾措施是直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)，物理層則使用CSMA/CA算法，可以靈活確定安全方面相關(guān)屬性。
4 結(jié)語
使用ZigBee技術(shù)組建智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)，克服了當前無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)價格貴、穩(wěn)定性差、待機時間短等缺點，為家庭用戶提供了一個隨時接入、隨地接入、自動接入的無線環(huán)境。這對推動智能家居產(chǎn)業(yè)化將起到積極作用。
