维普资讯 http://www.cqvip.com 科技信息 。本刊重稿ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２００８年第１６期 ＺｉｇＢｅｅ技术在智能家居中的成功应用 张利娜’洪显昌 （１．南阳理工学院电子系基础教研室 河南 南阳４７３００４；２．河南天策智能研发部 河南 南阳４７３００４） 【摘要】随着科技的发展，人类正在享受着科技带来的便捷与实惠。智能家居就是随着科技的进步，尤其是网络技术的发展而诞生的。设 计思想是希望家居控制系统摆脱有线的束缚，实现一次质的飞跃，即家居控制系统无线化。设计工作是围绕ｚｉｇＢｅｅ技术，以Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ的８位单 片机和其射频模块为核心展开的 完成了家居控制系统无线化的硬件设计和软件设计（含协议栈的设计）。 【关键词】智能家居；室内控制网络；ｚｉｇＢｅｅ技术；网络拓扑 Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ Ｚｈａｎｇ Ｌｉ ｎａ Ｈｏｎｇ Ｘｉａｎ ｃｈａｎｇ２ （１．Ｌｉｎａ Ｚｈａｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅ￣ｒｏｍｃ ｓｙ￣ｅｍ ｆｏｒ ｎａｎｙａｎｇ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；２．Ｘｉａｎｃｈａｎｇ Ｈｏｎｇ Ｈｅｎａｎ ｆｉａｎｃｅ ｓｍａｒｔ Ｒ＆Ｄ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ） 【Ａ￣ｔｒａｄ］Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｎｋｉｎｄ ｉｓ ｅｎｊｏｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｂｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｍａｒｔ Ｈｏｍｅ ｉｓ ｉｓ ｂｏｒｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ｉｓ ｔｈａｔ Ｈｏｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｈａｃｋｌｅｓ ｏｆ ｗｉｒｅｄ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ｌｅａｐ，ｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｈｏｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋ ｓｔａｒｔｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ Ｓ ８一ｂｉｔ ＭＣＵ ａｎｄ ｉｔｓ ＲＦ ｍｏｄｕｌｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｔｈｅ ｈｏｍｅ—ｂａｓｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｇｗａｒｅ ｄｅｓｉｎ（ｉｇｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ ｄｅｓｉｇｎ）． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ；ｒｏｏｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ；ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ；ＣＬＣ：ＴＮ９２９ 一、引言 星型网络（如下图１）、对等网络、簇树状网络。网络系统节点具有多跳 科学的发展已经影响到人们生活的方方面面．改变了人们生活习 路由功能，特别是能够组成蜂窝网状网络结构，因此，具有很强的网络 惯，提高了人们的生活质量，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒 健壮性和系统可靠性。 适化、安全化。同时传感器技术、微机电系统、无线通信技术、现代网络 技术和控制技术的飞速发展．推动了具有现代意义的智能家居的产生 和发展。家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。 ～ 二、ＺｉｇＢｅｅ技术原理 从技术上讲，智能家居所要实现的主要的功能有： １．对白色家电和其他设备的控制、调节和监测。比如微波炉、灯 光、电动窗帘、防盗报警器、烟雾探测器、温度和湿度控制器、各种手动 的开关和遥控器等。 ２．使黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间进行沟通。 图１ ＺｉｇＢｅｅ星状网络拓扑结构图 ９ 每：．固 在家居智能系统中采用星型拓扑结构．它只有一个网络协调器控 其中包括：计算机、摄像机、数码照相机等。同时还可以实现对它们的 控制和监测。 制整个网络的通信，主要完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在 ３．通过对外的接口，实现远程控制和信息交换。如：电话线、有线 网络中，终端设备之间不能直接通信，只能通过网络协调器配合完成 设备之间的通信。 ＺｉｇＢｅｅ节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能 智能家居中的控制网络主要是控制家庭中各种设备的运行状况． 在这个网络上传输控制信息以及一些物理量的参数。这些信息对传输 量供应模块四部分组成．如图２所示。传感器模块负责监测区域内信 的速率要求不高，但是要求传输的可靠性。另外成本和功耗是组建家 息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块 庭控制网络中较为突出的两个要素。所以家居无线控制网络需要的是 电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通讯方式等。 低功耗、低成本、低复杂度、长电池寿命的标准。ＺｉｇＢｅｅ无线通讯技术 负责与其他传感器节点进行无线通信．交换控制信息和收发采集数 据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型 正好满足了上述要求。 ＺｉｇＢｅｅ是一种新的无线连接技术．该无线连接技术主要包括以下 电池，而网络协调器可以采用市电。 几个部分： １．数据传输速率相对较低 数据传输速率有２０ｋｂｐｓ、４０ｋｂｐｓ、 ２５０ｋｂｐｓ三种。 ２．功耗低，设备省电ｚｉｇＢｅｅ技术采用了多种节电的工作模式， 在低耗电待机模式下，两节普通５号干电池可支持长达６个月到２年 左右的使用时间。这也是ＺｉｇＢｅｅ的支持者所一直引以为豪的独特优 势。 ３．成本低因为ＺｉｇＢｅｅ数据传输速率低．协议简单．并且在２．４ＧＨｚ 的频段是免费的。所以大大降低了成本。 ４．网络容量大每个ＺｉｇＢｅｅ网络理论上可容纳６５５３６多个设备， 因此其网络容量相当可观 ５．有效范围小单个设备的有效覆盖范围在１０～７５ｍ之间，具体 依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定．基本上能够覆 盖普通的家庭或办公室环境。 图２ ＺｉｇＢｅｅ节点体系结构 三、硬件平台 要建立室内控制网络．硬件平台是关键基础．它对整个系统的稳 ６．工作频段灵活 该技术可使用的频段分别有２．４ＧＨｚ（ＩＳＭ）、 定性、低功耗性及可扩展性都有直接的影响。经过多方面的参阅．决定 ８６８ＭＨｚ（欧洲）和９１５ＭＨｚ（美国）．其中２．４ＧＨｚ在工业、科学、医疗方 参考飞思卡尔提供的设计方案，设计自己的无线模块。无线模块的设 面为全球公用的免费频段 计中，采用飞思卡尔推出的增强型的Ｏ８系列单片机ＭＣ９ＳＯ８ＧＴ６Ｏ作 ＺｉｇＢｅｅ标准是建立在ＩＥＥＥ ８０２．１５．４协议的基础之上．具备了强 为核心微控制器，与此微控制器相兼容的符合ｚｉｇＢｅｅ标准的射频芯 大的设备联网功能。它主要支持三种自组织的无线网络类型。它们是 片ＭＣ１３１９２作为无线模块的核心。微控制器和射频芯片之间使用四 １９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 科技信息 ０本刊重稿０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２００８年第１６期 线制的ＳＰＩ方式相互通讯，其中微控制器采用主模式，射频收发器采 用从模式。 ＭＣ１３１９２有６４个内部寄存器。ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０通过ＳＰＩ来访问这 些寄存器，完成控制和数据传输操作。同时，为了提高数据的传输速 ＴＰＭ１ＳＣ＝０ｂ００００１０００； 定时器预置寄存器值 ／ ＴＰＭ１ＭＯＤ＝０ｘ０７ｆｆ； 不允许通道０产生中断，采用边缘脉宽输出方式，输出比较将 率。ＭＣ１３１９２内部带有３个大小为１２６Ｂ的缓冲ＲＡＭ。ＭＣ１３１９２工作 脉冲拉低 ／ 在２．４ ＧＨｚ的ＩＳＭ频段，每５ＭＨｚ分割为一个信道，可供使用的信道 达１６个，数据传输率达２５０ｋｂ／ｓ。 ＴＰＭ１ＣＯＳＣ＝０ｂ００１０１０００； ＴＰＭ１Ｃ１ＳＣ＝０ｂ００１０１０００； ’通道值寄存器初值＊／ＴＰＭ１Ｃ０Ｖ：０： 在编写具体应用程序时，改变通道寄存器的值，就可使灯炮上电 压在０—１００％之间变化。电压的变化引起电流的变化，使其产生不同的 灯光效果。笔者介绍的室内控制网络，有助于设计者举一反三，可以对 整个家庭网络的智能化无限扩展。 节点间的通信采用简单的星型拓扑结构进行网络中节点问通信 机制的设计。 从节点加入网络流程如图４所示 网络中的两个节点进行通信的基本思想是如果节点有通信要求 必须向网络协调器发出请求，得到允许后，方可进行通信。网络组建过 程主要有节点初始化，ＦＦＤ设备可以配置为网络协调器，ＲＦＤ或ＦＦＤ 设备作为从节点加入网络。上电初始化时，每个节点都要首先侦听信 Ｍｃ９ｓｏ８ＧＴ６０ ＭＣ１３１９２ 图３ ＧＴ６０和ＭＣ１３１９２硬件连 道，在信道空闲时，ＦＦＤ设备谁最先入网，就将其配置为网络协调器， 否则配置为终端节点。网络建立的逻辑图如图５所示。 ＭＣ１３１９２和ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０的硬件设计比较简洁．如图３所示。 ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０通过４线ＳＰＩ接口对ＭＣ１３１９２的内部寄存器进行读写 操作，从而完成对ＭＣ１３１９２的控制和数据通信。ＭＣ１３１９２上的中断通 过ＩＲＱ管脚与ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０的ＩＲＱ管脚相连．当ＭＣ１３１９２上发生中 断时，ＭＣ９ｓ０８ＧＴ６０将捕捉到该中断，并根据ＭＣ１３１９２的中断状态寄 存器来判断发生什么中断．而提供相应的中断服务。ＭＣ１３１９２能产生 可编程的时钟输出，而ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０被设计成使用外部时钟，通过 ＣＬＫＯ，ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０能使用ＭＣ１３１９２输出的参考时钟。ＲＸＴＸＥＮ， ＡｒＩＴＩ１Ｎ和ＲＳＴ是ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０对ＭＣ１３１９２的控制管脚，用来转换 ＭＣ１３１９２的工作模式。ＭＣ１３１９２有７个ＧＰＩＯ管脚，其中ＧＰＩＯＩ和 ＧＰＩＯ２能配置成ＭＣ１３１９２状态信息输出，ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０可以对这两 个管脚进行监测。 图５网络建立过程 五、结束语 本文实现了一个完整的家庭智能化网络过程．并结合飞思卡尔公 司推出的增强型的０８系列单片机ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０作为核心微控制器， ．使整个家庭智能化系统更加稳定可靠。 【参考文献】 『１１中国智能家居网，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍａｒｔｈｏｍｅｃｎ．ｃｏｒｎ／． ［２］孙利民、李建忠、陈渝、朱红松，无线传感器网络，北京：清华大学出版社， ２００５年３月．６０ ８７． 图４ ＲＦＤ入网过程 ［３］蒋挺、赵成林编，紫蜂技术及其应用ｆＩＥＥＥ ８０２．１５．４），北京：北京邮电大学出 版社，２００６年６月，１～４５． ※基金项目：本课题得到省级自然基金资助（基金项目：ＥＤＡ技 整。设计中使用了ＭＣＵ上的四路ＰＷＭ输出口，通过编程设定，微控 术在伺服控制系统中应用的研究（批准号：０６２４２６００４１））。 制器的寄存器。使其工作在脉宽输出模式。具体设定参考下面的参数， 想详细了解微控制器的内部物理结构，请参阅ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０的 ＤＡＴＡＳＨＥＥＴ。 、 四、软件设计（应用举例） 室内灯光的调节模块设计：该模块主要能完成不同灯光亮度的调 Ｉ责任编辑：翟成梁］ 不允许定时器溢出中断．采用总线时钟频率 ，