我們從目前家庭內(nèi)部電器特征分析可見，家用電器通信多數(shù)屬于信號量少的控制信號，少數(shù)(電腦、電話、電視、音響等)數(shù)據(jù)量大的電器一般都有專用線路。由以上分析可得，考慮到實用性和價格因素，ZigBee是智能家居系統(tǒng)的首選。

家庭組網(wǎng)新技術(shù)-ZigBee

ZigBee是一種新的無線連接技術(shù)，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯(lián)網(wǎng)應用。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，Zigbee技術(shù)是功耗和成本最低的技術(shù)之一。Zigbee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，也決定了Zigbee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小和QoS的要求不高的業(yè)務。

ZigBee的主要特性包括：工作頻段：2.4GHz、868MHz、915MHz;最高數(shù)據(jù)傳輸速率：250、20、40kbps;覆蓋范圍：10～100 m;協(xié)議棧容量：

28 KB;可連接的設備數(shù)量為254個，且功耗極低、響應速率極快，模塊成本在2美元左右。

基于ZigBee技術(shù)的家庭網(wǎng)絡的組建

1、家庭網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的選擇

ZigBee標準有三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀、樹型。本文智能家居系統(tǒng)的實際情況如下：

(1)、傳感器節(jié)點由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過電源供電，所以應該盡量減少傳感器節(jié)點的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點用電;

(2)、智能家居中接入的主要是傳感器和開關(guān)，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復雜的網(wǎng)絡拓撲來保證數(shù)據(jù)通信;

(3)、智能家居控制網(wǎng)絡的設計不需要很大的覆蓋范圍，根據(jù)ZigBee標準的說明，空曠環(huán)境最大傳輸距離100m，在室內(nèi)環(huán)境一般也能達到30多米的覆蓋距離，這對于大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)來說足夠了。星型拓撲結(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且成本低廉、實現(xiàn)簡單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由尋址等功能，因此本設計選擇星型拓撲結(jié)構(gòu)。

基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是全功能設備，它充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，由它主導網(wǎng)絡的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡的正常運行。它配置較多的存儲空間，完成網(wǎng)絡初始化、數(shù)據(jù)采集、設備控制等功能。另外，它配置16bit本地地址給設備以節(jié)省帶寬。其他的無線通信ZigBee子節(jié)點模塊則是精簡功能設備，完成傳感器狀態(tài)采集，查詢響應、控制設備等，它們只能與家庭網(wǎng)關(guān)之間進行通信，相互之間不能進行通信。

2、家庭網(wǎng)絡的組建

ZigBee網(wǎng)絡具有自組織功能和自愈功能，這就保證了ZigBee網(wǎng)絡的建立，增加和刪除一個節(jié)點以及節(jié)點位置發(fā)生變動，不需要人工干預ZigBee網(wǎng)絡可以自動完成。

家庭網(wǎng)絡的組建主要包括系統(tǒng)上電初始化，網(wǎng)絡拓撲更新和節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信三方面。家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的主控設備，起著網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的作用，主導網(wǎng)絡建立和網(wǎng)絡運行的整個過程。

(1)系統(tǒng)上電初始化

系統(tǒng)上電以后，家庭網(wǎng)關(guān)以廣播的方式向上電的終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，終端節(jié)點收到數(shù)據(jù)幀以后，會產(chǎn)生一個0～256之間的隨機數(shù)，這個隨機數(shù)乘以系統(tǒng)的時延基數(shù)得到該節(jié)點的時延。每個節(jié)點等到時延以后向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請求(此時用64位IEEE擴展地址作為節(jié)點號)，家庭網(wǎng)關(guān)收到請求以后給終端節(jié)點分配一個16bit的地址作為入網(wǎng)后的節(jié)點號，并在地址表中記錄該節(jié)點的信息。若終端節(jié)點發(fā)送請求一段時間后沒有得到網(wǎng)關(guān)的回應，則再產(chǎn)生一個隨機時延重新發(fā)送請求。家庭網(wǎng)關(guān)采集完所有上電終端節(jié)點信息后，則系統(tǒng)上電初始化完成。

(2)網(wǎng)絡拓撲更新

ZigBee網(wǎng)絡具有自組織功能，當網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化后，家庭網(wǎng)關(guān)應該發(fā)現(xiàn)并記錄發(fā)生的變化，網(wǎng)絡拓撲變化主要是終端節(jié)點的接入和拆除引起的。終端節(jié)點的接入：系統(tǒng)運行中，新上電的終端節(jié)點向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請求，家庭網(wǎng)關(guān)收到請求后首先檢查地址表中是否記錄了該節(jié)點，若沒有則給節(jié)點分配一個16bit的節(jié)點號，并在地址表中記錄該節(jié)點的信息。如果節(jié)點發(fā)送請求一段時間后沒有得到回應，則等待隨機時延后再次發(fā)送請求。這樣就完成了終端節(jié)點的接入。

終端節(jié)點的拆除：終端節(jié)點的拆除可能有兩種情況，一是終端節(jié)點請求拆除，網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到請求后，收回節(jié)點號并對拆除請求進行確認;二是家庭網(wǎng)關(guān)三次與一個終端節(jié)點請求通信失敗后，則將該節(jié)點拆除，如果該終端節(jié)點三次向網(wǎng)關(guān)請求通信失敗，該終端節(jié)點重新發(fā)送入網(wǎng)請求，并被分配一個新的節(jié)點號。

(3)節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信

終端節(jié)點只能與家庭網(wǎng)關(guān)通信，節(jié)點之間不能通信。家庭網(wǎng)關(guān)對終端節(jié)點的操作包括信息采集、節(jié)點設置、節(jié)點操作和節(jié)點重啟。信息采集就是指采集傳感器節(jié)點上傳的信息，如溫度、濕度等;節(jié)點設置就是指設置終端節(jié)點的某些參數(shù)，譬如煤氣傳感器的門限值;節(jié)點操作主要指對終端節(jié)點的控制，例如對照明系統(tǒng)的亮度控制，電視及空調(diào)的開關(guān)等。節(jié)點重啟指當家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)明顯錯誤時，關(guān)閉該節(jié)點并重新啟動。

ZigBee網(wǎng)絡應用層有四種類型幀格式：數(shù)據(jù)請求幀、數(shù)據(jù)確認幀、命令請求幀、命令確認幀。其中數(shù)據(jù)請求幀和命令請求幀統(tǒng)稱為請求幀，有相似的幀格式;數(shù)據(jù)確認幀和命令確認幀統(tǒng)稱為確認幀，幀格式相似。

在系統(tǒng)運行中還要注意終端節(jié)點電量的監(jiān)測，終端節(jié)點電量過低可能會發(fā)出錯誤信息。因此，家庭網(wǎng)關(guān)必須對終端節(jié)點的電量進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)節(jié)點電量較低時，拆除該節(jié)點。

此外，為了降低終端節(jié)點的功耗，當終端節(jié)點沒有數(shù)據(jù)通信時，節(jié)點處于等待或休眠低功耗模式，家庭網(wǎng)關(guān)記錄該節(jié)點的狀態(tài)，當該節(jié)點有數(shù)據(jù)通信時再將其喚醒。智能家居系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡就是這樣組建起來的。

3、通信協(xié)議

ZigBee網(wǎng)絡的物理層和MAC層的通信協(xié)議遵循IEEE802.15.4標準，由于本文中智能家居系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡采用簡單的星型拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡層也不涉及路由尋址等問題，因此，本文通信協(xié)議的設計主要考慮應用層。

4、ZigBee節(jié)點的實現(xiàn)

傳感器的實現(xiàn)機理是以ZigBee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。其主要包括ZigBee無線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。ZigBee無線通信模塊負責數(shù)據(jù)的無線收發(fā);微控制器負責鏈路管理與控制，執(zhí)行通信協(xié)議和相關(guān)的處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制和功率模式等。調(diào)理的傳感器模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后暫存于緩存中，由ZigBee無線通信模塊通過無線信道發(fā)送到主控節(jié)點，再進行特征提取、信息融合等高層決策處理。

總結(jié)

ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗、近距離和低速率無線通信市場的空白，隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)移到應用的設計和實現(xiàn)上。目前智能家居在國內(nèi)外都有了很大的發(fā)展，并趨于完善。