基于ZigBee無線傳感器網絡的智能家居設計

摘要 根據智能家居的特點和需求，選用基于ZigBee無線傳感器網絡技術，實現以其低功耗，優秀組網能力等特點，在家用系統控制、樓宇自動化、工業監控領域的應用。介紹了ZigBee網絡的特點和應用前景，描述了ZigBee協議，對ZigBee無線傳感器網絡體系結構做了分析，對于網絡的設計和節點的加入等進行了具體的分析和研究，說明了系統能夠對家居環境進行良好的監控。
關鍵詞 無線傳感器網絡；ZigBee協議；智能家居

現代家庭已經從追求家居的豪華裝飾轉向家居智能化，享受智能化帶來的多元化信息，以及安全、舒適、便利的生活方式。網絡通信、計算機、電子和智能傳感器技術的快速發展，為智能化家居的發展提供了機遇。現有傳統無線技術通常是耗電高，且占用過多的計算和通信資源，大大增加了成本。而ZigBee技術具有低復雜度、低成本、低功耗、高安全性等優點，能夠滿足智能家居無線傳感器網絡的要求。

1 ZigBee技術
1．1 ZigBee協議
ZigBee標準是基于IEEE802．15．4的標準，ZigBee協議堆棧分為兩部分，IEEE802．15．4處理低級MAC層和物理層協議；應用層的標準規范由ZigBee聯盟制定，ZigBee聯盟對其網絡層和API進行了標準化。ZigBee節省的大部分能量歸功于專為低功率設計的IEEE802．15．4協議。
1．2 各層協議的功能
ZigBee協議棧架構如圖1所示，各層之間通過服務接入點(SAP)實現層與層之間的數據通信和協議棧管理。層與層之間有2個服務接入點，一個提供數據傳輸服務，另一個實現管理。ZigBee設備在工作時，各種不同的任務在不同層次上執行，通過層的服務完成所要執行的任務，各項服務通過服務原語實現。物理層完成收發數據、激活和休眠射頻收發器、信道能量檢測、空閑信道評估、數據鏈路質量指示的功能；物理層規范了ZigBee通信頻率的工作范圍，即2．4 GHz和868／915 MHz。MAC層主要負責協調器產生并發送信標幀，普通設備根據協調器的信標幀與協調器同步、支持PAN網絡的關聯和取消關聯、支持無線信道通信安全、使用CSMA-CA機制訪問信道、支持時隙保障(GTs)機制、支持不同設備的MAC層間可靠傳輸；在MAC層上，主要沿用了WLAN中802．11系列標準的載波偵聽多址接入——沖突避免機制(CSMA-CA)，以提高系統的兼容性。網絡層職責為加入和離開網絡機制、應用安全幀的機制及發現和保持設備之間的路徑；網絡層方面，ZigBee聯盟規定了基于ZigBee技術的網絡可以采用星狀和網狀拓撲，也可以是兩者結合。應用層由應用支持子層、應用框架、ZigBee設備對象及用戶定義的應用對象組成。應用支持子層的作用是維護設備綁定表和設備發現。設備對象的職責是定義網絡內其它設備的角色、發起或回應綁定請求、在網絡設備間建立安全機制等。

ZigBee標準中規定在一個ZigBee無線網絡一般包含3種設備：協調器、路由器、終端節點，對應有全功能設備FFD和精簡功能設備RFD兩類設備類型，FFD比RFD擁有更強大的計算能力和更豐富的系統資源，可以充當網絡建立者、管理者或網絡終端節點設備，RFD在網絡中通常只作為終端設備，從FFD接收信息或將信息傳送給FFD。路由器和網絡協調器是FFD設備，實現標準中規定的所有功能，而終端設備一般是各個傳感器節點，為RFD設備。