专题综述 2012 年第 25 卷第 2 期 Electronic Sci. ＆ Tech. / Feb. 15，2012 基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居设计 万 磊1，章 勇1，李 剑2 ( 1. 南京航空航天大学 信息科学与技术学院，江苏 南京 210016 2. 南昌陆军学院 作战指挥部，江西 南昌 330103 ) 摘 要 根据智能家居的特点和需求，选用基于 ZigBee 无线传感器网络技术，实现以其低功耗，优秀组网能力等 特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域的应用。介绍了 ZigBee 网络的特点和应用前景，描述了 ZigBee 协 议，对 ZigBee 无线传感器网络体系结构做了分析，对于网络的设计和节点的加入等进行了具体的分析和研究，说明了 系统能够对家居环境进行良好的监控。 ; 关键词 无线传感器网络; ZigBee 协议; 智能家居 中图分类号 tP212. 9 文献标识码 A 文章编号 1007 － 7820(2012)02 － 116 － 04 Research on and Implementation of Intelligent Home Based on ZigBee Wireless Sensor Network ( ， WAN Lei1， ZHANG Yong1， LI Jian2 1. School of Information Science and Technology ， ， ; China 2. Operations Command Nanjing 210016 ， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanchang Institute of Army Nanchang 330103 China ， ) ， ， ， Abstract According to the characteristics and needs of intelligent home we adopt the wireless sensor network based on ZigBee which has the advantages of low power consumption and outstanding characteristics of network ca- pacity in system control building automation and industrial monitoring． This paper introduces the characteristics and application of ZigBee network describes ZigBee protocol analyzes the wireless sensor network system structure based on ZigBee studies the implementation of the wireless network formation and network joining． It is shown that ， ， ， ， ， the system can well monitor the home environment． Keywords wireless sensor network ZigBee protocol ; 现代家庭已经从追求家居的豪华装饰转向家居智 能化，享受智能化带来的多元化信息，以及安全、舒适、 便利的生活方式。网络通信、计算机、电子和智能传感 器技术的快速发展，为智能化家居的发展提供了机遇。 现有传统无线技术通常是耗电高，且占用过多的计算 和通信资源，大大增加了成本。而 ZigBee 技术具有低 复杂度、低成本、低功耗、高安全性等优点，能够满足智 能家居无线传感器网络的要求。 1 ZigBee 技术 1. 1 ZigBee 协议 ［ 1 ZigBee 标 准 是 基 于 IEEE802. 15. 4 ］ 的 标 准， ZigBee协议堆栈分为两部分， IEEE802. 15. 4 处理低级 MAC 层和物理层协议; 应用层的标准规范由 ZigBee 联 盟制定， ZigBee 联盟对其网络层和 API 进行了标准化。 ZigBee 节省的大部分能量归功于专为低功率设计的 收稿日期: 2011-09-21 作者简介: 万磊 ( 1986—) ，男，硕士研究生。研究方向: 计 算机网络。章勇 ( 1966—) ，男，硕士生导师。研究方向: 计 算机网络，嵌入式系统。李剑 ( 1980—) ，男，讲师。研究方 向: 计算机网络。 611 ; intelligent home IEEE802. 15. 4 协议。 1. 2 各层协议的功能 ］ 2 SAP ZigBee 协议栈架构如图 1 所示，各层之间通过服 务接入点( ) 实现层与层之间的数据通信和协议栈 。层与层之间有 2 个服务接入点，一个提供数 管理［ 据传输服务，另一个实现管理。ZigBee 设备在工作时， 各种不同的任务在不同层次上执行，通过层的服务完 成所要执行的任务，各项服务通过服务原语实现。物 理层完成收发数据、激活和休眠射频收发器、信道能量 检测、空闲信道评估、数据链路质量指示的功能; 物理 层规范了 ZigBee 通信频率的工作范围，即 2. 4 GHz 和 868 /915 MHz。MAC 层主要负责协调器产生并发送信 标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步、支 持 PAN 网络的关联和取消关联、支持无线信道通信安 全、使用 CSMA － CA 机 制 访 问 信 道、支 持 时 隙 保 障 ( ) 机制、支持不同设备的 MAC 层间可靠传输; 在 GTs MAC 层上，主要沿用了 WLAN 中 802. 11 系列标准的 载波侦听多址接入———冲突避免机制( ) ， 以提高系统的兼容性。网络层职责为加入和离开网络 机制、应用安全帧的机制及发现和保持设备之间的路 径; 网络层方面， ZigBee 联盟规定了基于 ZigBee 技术 CSMA － CA www. dianzikeji. org 

万磊，等: 基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居设计 专题综述 的网络可以采用星状和网状拓扑，也可以是两者结合。 应用层由应用支持子层、应用框架、ZigBee 设备对象及 用户定义的应用对象组成。应用支持子层的作用是维 护设备绑定表和设备发现。设备对象的职责是定义网 络内其它设备的角色、发起或回应绑定请求、在网络设 备间建立安全机制等。 图 1 ZigBee 协议栈架构 ZigBee 标准中规定在一个 ZigBee 无线网络一般 包含 3 种设备: 协调器、路由器、终端节点，对应有全功 能设备 FFD 和精简功能设备 RFD 两类设备类型， FFD 比 RFD 拥有更强大的计算能力和更丰富的系统资源， 可以充当网络建立者、管理者或网络终端节点设备， RFD 在网络中通常只作为终端设备，从 FFD 接收信息 或将信息传送给 FFD。路由器和网络协调器是 FFD 设备，实现标准中规定的所有功能，而终端设备一般是 各个传感器节点，为 RFD 设备。 1. 3 网络节点的设计 ( 1 如图 2 所示，传感器网络节点的基本组成和功能 包括如下几个单元: ( ) 传感单元，将节点与物理世界 联系起来，由一组传感器、激励装置和数模转换功能模 ) 处 理 单 元，由 嵌 入 式 系 统 构 成，包 括 块构 成。 ) 通信单元，由无 CPU、存储器、嵌入式操作系统等。 ) 供电装置，此外可以选择的其 线通信模块组成。 他功能单元包括: 定位系统、移动系统以及电源自供电 系统等。 2 3 ( 4 ( 在传感器网络中大量的节点部署在感知对象内部 或者附近。这些节点通过自组织的方式构成无线网 络，并以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中 特定的信息，从而实现对任意地点信息在任意时间的 采集、处理和分析。 监控节点主要完成两方面工作［ 3 ］: 将传感器放大 www. dianzikeji. org 电路输出的模拟电压转换成数字信号，再将这个数字 信号通过 ZigBee 网络发送给网络协调器。监控节点 加入网络后，一直处于睡眠状态，当收到来自外部的唤 醒信号后，开始进行数据的采集或发送报警信号，完成 任务后再次回到睡眠状态，直到下一次唤醒。 图 2 传感器网络节点 2 系统方案设计 2. 1 网络的建立 4 ZigBee 协议规定［ ］: 只有当前还没有加入网络且 具有 ZigBee 协调器能力的设备，可以尝试建立一个新 网络。当建网过程开始后，协调器首先对协议所规定 的信道或由物理层所默认的有效信道进行能量检测扫 描。如果某个信道的能量低于预定值，则表示该信道 是可用信道，并进行标记。然后，在可用信道中进行主 动扫描，寻找信道中存在的 ZigBee 设备，找到一个最 711 

专题综述 万磊，等: 基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居设计 ( 1 佳信道，即存在 ZigBee 设备相对较少的信道，由该信 道所组建的网络即为佳 ZigBee 网络。这时，协调器通 过一个 PAN 标识符来标注该信道，以识别该新建的网 络。一旦选择一个 PAN 标识符后，协调器将会为自己 分配一个 0x0000 的 16 位逻辑地址，这样就成功地启 动了一个新网络，如图 3 所示。 ) 在网络开始建立前，首先要确定这个设备为 ZigBee 协调器。我们通过协议栈配置文件 ZigBee. def 中的#define I_AM_COORDINATOR 来定义这个设备为 ZigBee 协 调 器。 协 调 器 的 应 用 层 调 用 NLME _ NETWORK_FORMATION. request 原语，发出建立网络 请求，网络层收到这个原语后，要求 MAC 层执行信道 能量扫描。 MAC 层调用 MLME_SCAN. request ，主要找到信 道能量低于设定能量值的信道，标注这些信道是可用信 ( ) ，对扫描的起始信道 道。通过函数 NWKStartDiscovery ( ) 对 进行设置假定起始值为 N。然后执行 MACStartED 信道进行能量检测扫描，得到信道能量值。 2 ( ) ( ( ( ( 3 0x00 TRUE ) 通过 MACStartScan ) 和 MACSetShortAddrMSB ) 调用函数 APLNetworkForm ) 对信道 N 进行主 动扫描，判断是否发现网络。通过记录每次接收到的 信标帧信息扫描可用信道中网络活动情况，并将扫描 结果记录在个域网描述符列表中，最后找到一个最优 信道。 4 ( ) 在最优信道上建 立网络，给网络随机分配一个 PAN ID ，通过 MACSet- ) ShortAddrLSB 0x00 给协调器分配一个 0x0000 的网络地址，并把协调器的 MAC 地 址 存 入 邻 居 表 中。 网 络 层 向 MAC 层 发 送 MLME_START. request 原语请求开始发送信标帧运行 新 的 个 域 网， MAC 层 将 运 行 结 果 通 过 MLME _ START. confirm 原语返回网络层。网络层收到个域网 启 动 状 态 后，通 过 NLME _ NETWORK _ FORMA- TION. confirm 原语将告知应用层建立要求的网络 状 态。最后 协 调 器 应 用 层 通 过 发 送 NLME _ PERMIT _ JOIN. request原语允许设备与网络连接。 ( 图 3 建立新网络流程 2. 2 设备入网 在一个 ZigBee 协调器设备建立网络后，路由器设 备或者终端设备，可以加入协调器建立的网络，具体加 入网络有两种方式，一种是通过关联( ) 方 式，就是待加入的设备发起加入网络［ ］，另一种是直接 ) 方式。下面重点讨论第一种方式，也是实际 ( Association 5 Direct 中用的最多的方式。 首先对于一个 ZigBee 终端设备，只能加入一个网 络。对于新设备来说，它首先会扫描周围它可找到的 网络，寻找有能力批准自己加入网络的网络协调器，并 把可以找到的所有网络协调器的资料存入自己的相邻 表。存入相邻表的网络协调器的资料包括 ZigBee 协 议版本、协议栈配置文件、PAN ID、逻辑信道以及是否 允许加入网络等。在相邻表中选择一个深度最小的网 络协调器，并对其发出请求信息，如果出现相同最小深 度的两个以上网络协调器信息，那么随机选取一个发 送请求。如果相邻表中没有合适的网络协调器信息， 那么表示入网失败，终止过程。如果发出的请求被批 准，那么网络协调器同时会分配给它一个 16 位的网络 地址，此时入网成功，终端设备可以开始通信。如果请 求失败，那么重新查找相邻表，继续发送请求信息，直 到加入网络或者相邻表中没有合适的网络器。 1 设备关联加入网络的具体实现如下: ( ) 在加入网络前，首先要确定这个设备是ZigBee 终端 设 备。 通 过 协 议 栈 配 置 文 件 ZigBee. def 中 的 #define I_AM_END_DEVICE 来定义这个设备为 ZigBee 终端设备。 ( ( 2 ) 确定为终端设备后，应用层首先设定待扫描 的信 道 以 及 每 个 信 道 扫 描 的 时 间，调 用 NLME _ NElWORK_ DISCOVERY. request 原 语 寻 找 合 适 网 络， 网络层收到该原语后，通过 MLME_SCAN. request 原语 要求 MAC 层执行主动扫描获得目前网络描述参数。 ( ) ，对扫描的起始信道进 通过函数 NWKStartDiscovery 行设 置，假 定 起 始 值 为 N。然 后 执 行 MACStartScan ( TRUE ) 对信道 N 进行主动扫描。 ) 完成扫描后，网络层将发送 NLMF_NETWORK _DISCOVERY. confirm 原语告知应用层。通过调用回 ( ) 来判断是否要加入这个 调函数 AppOkayToAssociate 网络，判断的标准是网络协调器的 MAC 地址是否符合 终端设备的要求，这样可以使终端设备加入到指定的 网络中，应用层根据情况调用 NLME _JOIN. request 原 语从邻居表中选择所发现的网络加入。网络确定后， 网络层将请求 MAC 层管理实体对逻辑信道， PAN 标 识符等有关属性进行配置，发送 MLME_SYNC. request 原语获取它所要连接协调器的信标，实现与协调器的 3 811 www. dianzikeji. org 

万磊，等: 基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居设计 专题综述 ( 4 同步。然 后 调 用 MLME _ ASSOCIATE. request 原 语 到 MAC 层。 ) 执 行 函 数 PHYPutTxData MAC _ CMD _ AS _ ) 向协调器发送加入请求，并等待发送加 SOCIATE_REQ 入请求的确认。协调器接收到连接请求后首先调用 ( ) 来判断网络是否允许任何设备关 MACIsJoinPermitted 联，允许则返回给终端设备确认帧。协调器的网络层将 ( 分配惟一的 16 位网络地址给该设备，并根据设备提供的 信息在它的邻居表中为终端设备创建新的入口，随后向 MAC 发送表明连接成功的 MLM_ASSOCIATE. response 原语表明设备已经成功同网络连接。设备的 MAC 层收 到来 自 协 调 器 的 连 接 响 应 命 令 帧 后，通 过 MLME _ ASSOCIATE. confirm 原语发送给设备应用层表明加入 成功，设备的网络层将在邻居表中设置逻辑地址信息。 3 结束语 图 4 智能家居的实现 参考文献 介绍了基于 ZigBee 无线传感器网络技术组建信 息家居网络，如图 4 所示，能够对家居环境进行较好的 监控，根据现在家居存在的问题，拟采取现有通信网络 与短距离无线网络相结合的方法提高家居数据的准确 性、实时性和可靠性。相对于常见的 Bluetooth、Wi － Fi 等具有低复杂度、低成本、低功耗、高安全性等优点，随 着无线网络技术的进一步发展，它将成为智能家居发 展的趋势。 ［ ］ 1 ［ ］ 2 ［ ］ 4 Bee Alliance ， 2005． 出版社， 2007． : USA Tab Books ， 2005． ZigBee Alliance． IEEE 802． 15． 4 ［ ］ S : ． USA ZigBee Alliance ZigBee Alliance． ZigBee specification v1． 0 ． USA Zig- ， 2006． : ［ ］ S ［ ］ 宋文． 无线传感器网络技术与应用［ M 3 ］ ． 北京: 电子工业 SMITH R J． WIFI Home Networking with CDROM ［ M ］ ． ］ ［ ］ 纪晴． 基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居系统［ J 5 ． 计算机工程与设计， ( ， 29 2008 ) : 12 3064 － 3067． 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 欢 迎 订 阅 2012 年《电子科技》杂 志 邮 发 代 号 52 － 246 www. dianzikeji. org 911