【文章內(nèi)容簡介】 器 Zigbee 無線 網(wǎng)關(guān) 控制器 是整個無線家庭網(wǎng)絡平臺的 中心 ， 它具有 信息處理和 各種 網(wǎng)絡連接的重要作用。 一方面它 接收各種家電、燈具、安防監(jiān)控設(shè)備、居室環(huán)境監(jiān)控單元以及通用遙控器等無線 設(shè)備 發(fā)送上來的信息 ， 對這些信息進行智能處理后 ，將監(jiān)控信息再 反饋給相應的設(shè)備；另一方面，無線網(wǎng)關(guān) 控制器 還可以同局域網(wǎng) /互聯(lián)網(wǎng)、公用電話網(wǎng)、短信系統(tǒng)等連 接，在非現(xiàn)場區(qū)域?qū)彝ゾW(wǎng)絡進行遙控和監(jiān)測。無線網(wǎng)關(guān)由高檔 32 位 ARM Zigbee無線網(wǎng)絡接口、 網(wǎng)卡控制芯片、 GSM 網(wǎng)絡接口、 電話接口、語音處理電路 、彩色液晶顯示屏 /觸摸屏、 、 SD 卡 以及 48 CAN總線擴展接口等 組成 。 無線網(wǎng)關(guān) 在管理本地 ZIgbee無線網(wǎng)絡的同時， 通過 Ether、互聯(lián)網(wǎng) 連接組成一個更廣泛的 TCP/IP 網(wǎng)絡 ，又可以同公用電話網(wǎng)和 手機網(wǎng)絡 系統(tǒng)信息 交互 。 圖 4 Zigbee 無線 家庭網(wǎng)絡中無線網(wǎng)關(guān) 控制器原型 圖 4 是 我們已經(jīng)完成的 Zigbee 無線 家庭網(wǎng)絡中無線網(wǎng) 關(guān) 控制器 的 原型設(shè)計 ，該 網(wǎng)關(guān)控制器 在板上一體化地集成了 Zigbee 或其他協(xié)議的無線網(wǎng)絡、 GSM 網(wǎng)、以太網(wǎng)以及 CAN 總線等接口，從而可以將無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡、 CAN 總線網(wǎng)絡和 GSM 網(wǎng)絡、本地以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)連成一體，實現(xiàn)各種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的交換和傳輸。 Zigbee 無線通訊模塊和其他 433M、 無線通訊模塊可以直接內(nèi)置在無線智能網(wǎng)關(guān)上，構(gòu)成一個完整的無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。無線智能網(wǎng)關(guān)同樣可以通過內(nèi)置的 GSM 模塊或者以太網(wǎng)接口和遠程的相關(guān)系統(tǒng)進行通訊，用戶可以 第 頁 11 用手機短信或通過互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控無線網(wǎng)關(guān)的運作。無線智能網(wǎng)關(guān)自帶 ” 全彩色液晶屏或 ” 全彩色觸摸屏，人機界面清晰美觀。 、 SD 卡也可以作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆奖氵x擇途徑。 無線智能網(wǎng)關(guān)還帶有 3 維加速度傳感器，可以檢測出無線智能網(wǎng)關(guān)被異常移動的情況，保護無線智能網(wǎng)關(guān)的安全。 2222 無線網(wǎng)關(guān)上的網(wǎng)絡層用來管理 無線 家庭網(wǎng)絡 ， 包括設(shè)備的管理 、 網(wǎng)絡的建立和在不同的設(shè)備之間構(gòu)造一個穩(wěn)定的連接。網(wǎng)絡層在保證它下面的 MAC 層穩(wěn)定的操作的同時也給應用層提供了完備的服務界面。 （ 4）無線終端模塊 在 Zigbee 無線 家庭 智能化網(wǎng)絡中， 無線通訊模塊 和 各種家電、燈具、安防監(jiān)控單元、居室環(huán)境監(jiān)控單元以及通用遙控器 等結(jié)合在一起構(gòu)成無線終端模塊，它們是 Zigbee 家庭無線網(wǎng)絡 系統(tǒng)中 的 基本 節(jié)點。 它們和 無線網(wǎng)關(guān) 一起可以形成星型、樹型和網(wǎng)格狀的無線局域網(wǎng)絡。 無線終端模塊 節(jié)點有 簡單終 端節(jié)點和 帶 路由功能 的全功能節(jié)點兩種，簡單終端節(jié)點只能進行的數(shù)據(jù)的收發(fā)和對家庭設(shè)備的監(jiān)控，帶 路由功能 的全功能節(jié)點 一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由， 這兩種模塊的 基本結(jié)構(gòu)是一樣的 ，只是運行的軟件不同而已 。 無線終端模塊 節(jié)點一般由處理器單元、 射頻通訊 單元、傳感器 /設(shè)備接口 單元和電源模塊單元 4 部分組成，如 圖 5 所示。 圖 5 無線 終端 網(wǎng)絡節(jié)點典型組成 電 源 傳感器 射頻通訊 處理器 第 頁 12 圖 6 是 我們已經(jīng)完成的 Zigbee無線 家庭網(wǎng)絡中 Zigbee無線 通訊模塊 的 原型設(shè)計，其主要特點是： ◆高性能和低功耗的 8051 微控制器核； ◆集成符合 標準的 GHz 的 RF 無線電收發(fā)機； ◆優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性； ◆在休眠模式時僅 10 μ A 的流耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng)； ◆硬件支持 CSMA/CA 功能； ◆較寬的電壓范圍（ ～ V）； ◆數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持和強大的 DMA 功能； ◆具有電池監(jiān)測和溫度感測功能； ◆集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC； ◆集成 AES 安全協(xié)處理器； ◆帶有 2 個強大的支持幾組協(xié)議的 UART，以及 1 個符合 IEEE 規(guī)范的 MAC1 個規(guī)的 16 位計時器和 2 個 8 位計時器。 ◆強大和靈活的開發(fā)工具。 （ 5）無線網(wǎng)絡軟件體系 第 頁 13 無線智能家庭軟件系統(tǒng)較為復雜，包括底層協(xié)議軟件、嵌入式系統(tǒng)軟件、協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、上層管理軟件等等，涉及到 8 位、 32 位單片機和 PC 機多種應用平臺，另外無線 家庭 網(wǎng)絡系統(tǒng) 還 是一個實時系統(tǒng)， 必須 對各種傳感器或命令做出及時的反應，能夠長期穩(wěn)定的工作。 因此軟件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)建對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和升級維護都至關(guān)重要。 分層的軟件開發(fā)架構(gòu)使復雜的系統(tǒng)開發(fā)變得清晰、可靠，并提高了系統(tǒng)的可移植性。根據(jù) ZigBee 標準規(guī)范 無線智能 家庭網(wǎng)絡 的應用特征， Zigbee 無線 家庭 智能化 網(wǎng)絡的軟件系統(tǒng)包括物理層、 MAC 層、網(wǎng)絡層和應用層軟件系統(tǒng) ， 如圖 7 所示 。 Zigbee 無線 家庭 智能化還對系統(tǒng) 擴展性 提出較高要求。 標準化的無線網(wǎng)絡協(xié)議、用戶接口及設(shè)備通訊協(xié)議給家庭網(wǎng)絡提供了極強的系統(tǒng)擴展 性。通過標準的設(shè)備通訊協(xié)議，不同類型、不同廠家的設(shè)備可以互通信息，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)控制及統(tǒng)一管理?？梢酝瑫r接收不同控制終端的各種信息，包括 Web，語言控制， PDA 控制等，還可擴展開發(fā)其他種類的控制程序。 按照軟件實現(xiàn)的功能， Zigbee 家庭智能化平臺的軟件包括： Zigbee 無線網(wǎng)絡接口協(xié)議軟件 、 Zigbee 無線網(wǎng)絡監(jiān)控軟件 、 無線網(wǎng)絡節(jié)點采集監(jiān)控軟件 、 無線網(wǎng)關(guān)控制軟件 、 以太網(wǎng)、GSM、 PSTN、藍牙協(xié)議接口軟件 、 家居智能化無線網(wǎng)絡配置管理軟件等 圖 7 Zigbee 無線 家庭 智能化 網(wǎng)絡的軟件 體 系 用戶接口 通訊應用協(xié)議 用戶接口管理 網(wǎng)絡層 MAC層 物理層 網(wǎng)絡層 MAC層 物理層 設(shè)備應用程序 通訊協(xié)議接口 網(wǎng)網(wǎng) 關(guān)關(guān) 節(jié)節(jié) 點點 終終 端端 設(shè)設(shè) 備備 通通 訊訊 模模 塊塊 第 頁 14 重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 （ 1）協(xié)議?？蚣茉O(shè)計 通過對龐大的 Zigbee 協(xié)議棧進行應用化的裁減、整理、再開發(fā)等工作，形成一個精簡高效的、專門針對家庭智能化的 Zigbee 應用協(xié)議棧版本本身就不是一件輕而易舉的事情。因為， Zigbee 協(xié)議棧非常龐大，包括從硬件底層到網(wǎng)絡層、應用層等多種標準定義和工作規(guī)范，開發(fā)工作量巨大。而且無線網(wǎng)絡通訊技術(shù)比較新、更新快， Zigbee 聯(lián)盟對 Zigbee 標準完善工作也在持續(xù)的進行中，這樣開發(fā)難度也大。同時，家庭智能化的 Zigbee 應用協(xié)議棧必須 在考慮高效率的針對性應用同時，還要滿足設(shè)計的 協(xié)議棧參數(shù)匹配 Zigbee 公共框架所規(guī)定的參數(shù)值，從而確保與采用同一框架的其它解決方案 或產(chǎn)品之間 的互操作性 ，因而整個應用協(xié)議棧架構(gòu)設(shè)計更加具有挑戰(zhàn)性 。 （ 2） 確定路由策略 在 Zigbee 家庭智能化協(xié)議棧開發(fā)過程中， 應該 根據(jù)系統(tǒng)的不同應用場合，比如普通家庭和整個住宅小區(qū)的 Zigbee 網(wǎng)絡布局采用的路由策略會不同。 對于簡單的靜態(tài)網(wǎng)絡，樹狀路由將足夠。 對于大的網(wǎng)絡， 如果某些節(jié)點有可能去掉，或者需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸，樹狀路由就顯得不足了。此時，就需要花些時 間對協(xié)議棧何時調(diào)用路由發(fā)現(xiàn)進行評估。 （ 3）功耗設(shè)計 功耗設(shè)計是無線網(wǎng)絡的重點，通過軟硬件的設(shè)計和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)置，取得終端應用產(chǎn)品的最佳運行功耗，保證電池供電節(jié)點 1 年以上的使用周期。 （ 4）無線網(wǎng)關(guān)控制器設(shè)計 如何將 Zigbee 無線網(wǎng)絡和有線以太網(wǎng)、 GSM 手機網(wǎng)、電話網(wǎng)（ PSTN）、藍牙以及人機交互界面融合在一個產(chǎn)品中，監(jiān)控整個無線網(wǎng)絡的運行，并在協(xié)議層、應用層實現(xiàn)各種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)之間的交換和功能融合，實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)、手機、電話可以監(jiān)控家庭設(shè)備和環(huán)境情況。 （ 5）多種技術(shù)集成 Zigbee 無線 家庭 智 能化集合了 傳感器技術(shù)、嵌入式 系統(tǒng) 技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù) 、 微電子技術(shù) 、軟件開發(fā)等多門學科，整個系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)涉及軟硬件設(shè)計、 實時 操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡路由技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、覆蓋控制技術(shù) 、工藝設(shè)計 等 多方面工作 。 對項目設(shè)計和開發(fā)人員的技能、人員配置、項目組織和管理都提出了較高的要求。 第 頁 15 項目的目標及取得的成果 在基礎(chǔ)協(xié)議棧方面 開發(fā)一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于最新版 Zigbee 2021 規(guī)范并向后兼容的、針對家庭自動化（ Home Automation）應用框架的 Zigbee 應用模式協(xié)議 棧（ Zigbee Stack Profile— HA Stack）。 (1) 由源程序和 Zigbee 標準庫函數(shù)構(gòu)成的 Zigbee 應用模式協(xié)議棧 SZ_HA_STACK (2) 協(xié)議棧設(shè)計說明、使用說明等文檔 在通用化產(chǎn)品開發(fā)平臺方面 在自主協(xié)議棧的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個通用的無線 Zigbee 家居智能化開發(fā)平臺系統(tǒng)。這個平臺系統(tǒng)不僅可以滿足家庭和智能小區(qū)無線網(wǎng)絡監(jiān)控的需要，而且在將來可以根據(jù)市場的需求很方便地進行改造升級，使適用于酒店無線管理監(jiān)控、樓宇無線自動化等其他應用場合。 軟件部分： （ 1） Zigbee 無線 網(wǎng)絡 API 接口協(xié)議及軟件； （ 2） Zigbee 無線網(wǎng)絡監(jiān)控軟件； （ 3）無線網(wǎng)絡終端節(jié)點采集監(jiān)控軟件； （ 4）家居智能化無線控制網(wǎng)關(guān)軟件； （ 5）以太網(wǎng)、 GSM、 PSTN、藍牙、 Zigbee 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件 ； （ 6）家居智能化無線網(wǎng)絡配置管理軟件 硬件部分： （ 1） Zigbee 高頻通訊模塊 （ 2）無線網(wǎng)絡終端節(jié)點模塊 （ 3）無線智能網(wǎng)關(guān)模塊 （ 4）無線遙控器模塊 在實用化產(chǎn)品方面 最終開發(fā)出一套完整的、高性價比的、實用化的無線家庭智能化應用