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(多图) 基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统

北京工业大学 周游 方滨 王普?? 2009年11月25日 ?? 收藏0

  在智能家居系统中,将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性,省去花在综合布线上的费用和精力,而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。随着无线网络技术的进一步发展,必将大大促进家庭网络智能化的进程。

  本文介绍的智能家居无线网络系统采用ZigBee技术,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,符合IEEE802.15.4协议,是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。

  1ZigBee技术简介

  ZigBee技术的主要优点有:(1)省电:两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间;(2)可靠;采用了碰撞避免机制;(3)成本低;(4)时延短;(5)网络容量大;(6)安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,各种应用可以灵活确定其安全属性。

  ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要,因此选择ZigBee技术构建智能家居无线网络系统。

  2智能家居无线网络系统

  本系统以家庭为单位进行设计安装,每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节能模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个HeliLink无线网络收发模块(符号ZigBee技术标准的产品),通过这些无线网络收发模块,数据在网关和子节点之间进行传送。下面介绍各部分的结构及功能。

系统组成

  家庭网关的结构及功能为:

(1)采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和.uClinux操作系统;
(2)通过门锁进行自动设防/解防;
(3)遇抢劫或疾病,按紧急按钮,自动向管理中心报警;
(4)每家每户配有自己的网页,通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据;
(5)水、电、气各表数据发给牧业管理中心;
(6)通过以太网与小区管理中心通讯;
(7)通过网关上的无线ZigBee(IEEE802.15.4)模块与网络中各子节点进行通讯。

  ZigBee无线通讯子节点的功能为:

(1)两路脉冲量数据采集,可采集水、电、气三表数据;
(2)两路安防传感器开关量数据采集,可进行设防/撤防报警、安防报警(红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等);
(3)一路模拟量数据采集;
(4)一路模拟量数据输出;
(5)一路继电器触点输出;
(6)通过无线通讯IEEE802.15.4协议及家庭网关通讯。

  3通讯协议

  3.1ZigBee协议的帧结构

  采用符号ZigBee标准的HeliLink模块的数据帧由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和五部分构成,格式如下(数据帧结构中的数据都是16进制数):

HeliLink 模块的数据帧

  “数据模式”占用一个字节。“目标地址”表示数据帧结构要发送的目标位置(网络中的节点号),它占用一个字节。“数据长度”表示数据帧结构中从“数据1”到“数据n”所占据的字节数,它也占据了一个字节。“数据信息”表示用户要通过UART0传送的命令或者有效数据,占据的字节数由“数据长度”决定。“校验和”是对帧结构中的全部数据(校验和字节除外)进行的校验,采用字节逐位异或的方式实现。“校验和”也占据一个字节。

  3.2无线网络通讯协议帧结构

  家庭网关通讯协议帧结构是建立在ZigBee协议帧结构的基础上的,相当于底层协议中的数据场部分。所以帧结构由节点号、功能编码、数据信息三部分组成,如下所示:

以帧结构

  节点号字段数据长度为1字节,其中低四位为数据采集功能编号,高四位为子节点号,如下所示:

节点号字段数据

  方向位:

  根据主节点作为通讯发送者还是接收者,本系统功能可分为两大类:上行和下行。方向位即决定了这一点。

  数据类型:

  数据信息与功能编码关系十分密切,根据功能不同,数据场中数据的内容含义不同;根据数据长度不同,数据类型也不同。

  功能类型:

  每一个功能类型对应一种系统功能。通过解析功能类型编码可得到系统功能,对于下行帧,子节点得到主节点通知其执行的命令和需要的数据;对于上行帧,主节点得到子节点返回的信息、数据和命令执行的情况。
数据信息存放数据,数据信息长度可根据功能编码中的数据类型而定。


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ZigBee? 智能家居? 无线网络? MSP430?

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