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威士丹利基于ZigBee智能家居的系统设计

发布于2022.08.05 人已读

威士丹利智能家居通过ZigBee技术实现内部组网,具有远程控制方便,添加新设备灵活和控制性能可靠等优点。通过RFTD技术实现用户身份识别,提高系统的安全性。通过无线模块的接入,实现了远程控制和报警功能。

对于ZigBee技术在智能家居领域的应用情况,据ZigBee联盟理事单位及中国智能家居产业联盟理事单位公司表示:在智能家居实际应用场景中,采用基于ZigBee标准的ZHA、ZLL和透传标准协议,可实现不同设备间的互联互通,超高效率地扩大了产品的兼容性。


在智能家居无线通信网络中,任何无线设备节点都可以作为中继路由的节点,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于,即使中间有任意节点出现故障,但数据也都可以自动选择另一条路由链路来进行通信传输,极大地保证了数据安全有效地传输。


ZigBee是一种新的无线连接技术,该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。


相对于现有的各种无线通信技术,Zigbee技术是功耗和成本最低的技术之一。Zigbee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了Zigbee技术适合于承载数据流量较小和QoS的要求不高的业务。


ZigBee的主要特性


工作频段:2.4GHz、868MHz、915MHz;

最高数据传输速率:250、20、40kbps;

覆盖范围:10~100 m;

协议栈容量:28 KB;

可连接的设备数量:254个,且功耗极低、响应速率极快,模块成本在2美元左右。



基于ZigBee技术的家庭网络的组建

一、家庭网络拓扑结构的选择

ZigBee标准有三种网络拓扑结构:星型、网状、树型。

Vensi智能家居系统的实际情况如下:

①传感器节点由电池供电,而家庭网关通过电源供电,所以应该尽量减少传感器节点的工作量,以节约传感器节点用电;


②智能家居中接入的主要是传感器和开关,网络中数据量不大,没有必要采用复杂的网络拓扑来保证数据通信;


③智能家居控制网络的设计不需要很大的覆盖范围,根据ZigBee标准的说明,空旷环境最大传输距离200m,在室内环境一般也能达到30多米的覆盖距离,这对于大多数的智能家居系统来说足够了。星型拓扑结构完全能满足要求,并且成本低廉、实现简单、连接容易、容易扩充和管理、不涉及路由寻址等功能,因此本设计选择星型拓扑结构。


基于ZigBee技术的智能家居系统的网络拓扑结构如图2所示。其中,家庭网关是全功能设备,它充当网络协调器,由它主导网络的建立,监督网络的正常运行。它配置较多的存储空间,完成网络初始化、数据采集、设备控制等功能。


另外,它配置16bit本地地址给设备以节省带宽。其他的无线通信ZigBee子节点模块则是精简功能设备,完成传感器状态采集,查询响应、控制设备等,它们只能与家庭网关之间进行通信,相互之间不能进行通信。

威士丹利基于ZigBee智能家居的系统设计(图1)

(图片来源于:网络


二、家庭网络的组建

ZigBee网络具有自组织功能和自愈功能,这就保证了ZigBee网络的建立,增加和删除一个节点以及节点位置发生变动,不需要人工干预ZigBee网络可以自动完成。


家庭网络的组建主要包括系统上电初始化,网络拓扑更新和节点与网关通信三方面。家庭网关是系统的主控设备,起着网络协调器的作用,主导网络建立和网络运行的整个过程。


①系统上电初始化

系统上电以后,家庭网关以广播的方式向上电的终端节点发送数据帧,终端节点收到数据帧以后,会产生一个0~256之间的随机数,这个随机数乘以系统的时延基数得到该节点的时延。


每个节点等到时延以后向家庭网关发送入网请求(此时用64位IEEE扩展地址作为节点号),家庭网关收到请求以后给终端节点分配一个16bit的地址作为入网后的节点号,并在地址表中记录该节点的信息。


若终端节点发送请求一段时间后没有得到网关的回应,则再产生一个随机时延重新发送请求。家庭网关采集完所有上电终端节点信息后,则系统上电初始化完成。


②网络拓扑更新

ZigBee网络具有自组织功能,当网络拓扑发生变化后,家庭网关应该发现并记录发生的变化,网络拓扑变化主要是终端节点的接入和拆除引起的。


终端节点的接入:系统运行中,新上电的终端节点向家庭网关发送入网请求,家庭网关收到请求后首先检查地址表中是否记录了该节点,若没有则给节点分配一个16bit的节点号,并在地址表中记录该节点的信息。


如果节点发送请求一段时间后没有得到回应,则等待随机时延后再次发送请求。这样就完成了终端节点的接入。


终端节点的拆除:终端节点的拆除可能有两种情况,一是终端节点请求拆除,网关节点收到请求后,收回节点号并对拆除请求进行确认;二是家庭网关三次与一个终端节点请求通信失败后,则将该节点拆除,如果该终端节点三次向网关请求通信失败,该终端节点重新发送入网请求,并被分配一个新的节点号。


③节点与网关通信

终端节点只能与家庭网关通信,节点之间不能通信。家庭网关对终端节点的操作包括信息采集、节点设置、节点操作和节点重启。

信息采集就是指采集传感器节点上传的信息,如温度、湿度等;节点设置就是指设置终端节点的某些参数,譬如煤气传感器的门限值;节点操作主要指对终端节点的控制,例如对照明系统的亮度控制,电视及空调的开关等。

节点重启指当家庭网关发现终端节点上传的数据明显错误时,关闭该节点并重新启动。


ZigBee网络应用层有四种类型帧格式:数据请求帧、数据确认帧、命令请求帧、命令确认帧。其中数据请求帧和命令请求帧统称为请求帧,有相似的帧格式;数据确认帧和命令确认帧统称为确认帧,帧格式相似。


在系统运行中还要注意终端节点电量的监测,终端节点电量过低可能会发出错误信息。因此,家庭网关必须对终端节点的电量进行监测,当发现节点电量较低时,拆除该节点。


此外,为了降低终端节点的功耗,当终端节点没有数据通信时,节点处于等待或休眠低功耗模式,家庭网关记录该节点的状态,当该节点有数据通信时再将其唤醒。智能家居系统的ZigBee网络就是这样组建起来的。


三、通信协议

ZigBee网络的物理层和MAC层的通信协议遵循IEEE802.15.4标准,由于本文中智能家居系统中ZigBee网络采用简单的星型拓扑结构,网络层也不涉及路由寻址等问题,因此,本文通信协议的设计主要考虑应用层。


四、ZigBee节点的实现

传感器的实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块,将采集的数据以无线方式发送出去。其主要包括ZigBee无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等。


ZigBee无线通信模块负责数据的无线收发;微控制器负责链路管理与控制,执行通信协议和相关的处理过程,包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制和功率模式等。


调理的传感器模拟信号经过A/D转换后暂存于缓存中,由ZigBee无线通信模块通过无线信道发送到主控节点,再进行特征提取、信息融合等高层决策处理。


威士丹利基于ZigBee智能家居的系统设计(图2)

(图片来源于:网络)






威士丹利基于ZigBee智能家居的系统设计(图3)


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