基于ZigBee无线传感器网络的智能家居设计

摘要 根据智能家居的特点和需求，选用基于ZigBee无线传感器网络技术，实现以其低功耗，优秀组网能力等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域的应用。介绍了ZigBee网络的特点和应用前景，描述了ZigBee协议，对ZigBee无线传感器网络体系结构做了分析，对于网络的设计和节点的加入等进行了具体的分析和研究，说明了系统能够对家居环境进行良好的监控。
关键词 无线传感器网络；ZigBee协议；智能家居

现代家庭已经从追求家居的豪华装饰转向家居智能化，享受智能化带来的多元化信息，以及安全、舒适、便利的生活方式。网络通信、计算机、电子和智能传感器技术的快速发展，为智能化家居的发展提供了机遇。现有传统无线技术通常是耗电高，且占用过多的计算和通信资源，大大增加了成本。而ZigBee技术具有低复杂度、低成本、低功耗、高安全性等优点，能够满足智能家居无线传感器网络的要求。

1 ZigBee技术
1．1 ZigBee协议
ZigBee标准是基于IEEE802．15．4的标准，ZigBee协议堆栈分为两部分，IEEE802．15．4处理低级MAC层和物理层协议；应用层的标准规范由ZigBee联盟制定，ZigBee联盟对其网络层和API进行了标准化。ZigBee节省的大部分能量归功于专为低功率设计的IEEE802．15．4协议。
1．2 各层协议的功能
ZigBee协议栈架构如图1所示，各层之间通过服务接入点(SAP)实现层与层之间的数据通信和协议栈管理。层与层之间有2个服务接入点，一个提供数据传输服务，另一个实现管理。ZigBee设备在工作时，各种不同的任务在不同层次上执行，通过层的服务完成所要执行的任务，各项服务通过服务原语实现。物理层完成收发数据、激活和休眠射频收发器、信道能量检测、空闲信道评估、数据链路质量指示的功能；物理层规范了ZigBee通信频率的工作范围，即2．4 GHz和868／915 MHz。MAC层主要负责协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步、支持PAN网络的关联和取消关联、支持无线信道通信安全、使用CSMA-CA机制访问信道、支持时隙保障(GTs)机制、支持不同设备的MAC层间可靠传输；在MAC层上，主要沿用了WLAN中802．11系列标准的载波侦听多址接入——冲突避免机制(CSMA-CA)，以提高系统的兼容性。网络层职责为加入和离开网络机制、应用安全帧的机制及发现和保持设备之间的路径；网络层方面，ZigBee联盟规定了基于ZigBee技术的网络可以采用星状和网状拓扑，也可以是两者结合。应用层由应用支持子层、应用框架、ZigBee设备对象及用户定义的应用对象组成。应用支持子层的作用是维护设备绑定表和设备发现。设备对象的职责是定义网络内其它设备的角色、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制等。

ZigBee标准中规定在一个ZigBee无线网络一般包含3种设备：协调器、路由器、终端节点，对应有全功能设备FFD和精简功能设备RFD两类设备类型，FFD比RFD拥有更强大的计算能力和更丰富的系统资源，可以充当网络建立者、管理者或网络终端节点设备，RFD在网络中通常只作为终端设备，从FFD接收信息或将信息传送给FFD。路由器和网络协调器是FFD设备，实现标准中规定的所有功能，而终端设备一般是各个传感器节点，为RFD设备。