智能家居环境中无线通信技术的研究

智能家居环境中无线通信技术的研究

毛奕桦

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摘要

近些年来科技飞速的进步，生活质量这个词汇在人们的生活中变得越来越重要，而设备智能化这一现象也变得越来越常见，对的生活产生了重大的影响，这些智能设备使的生活环境、生活方式、生活品质等方面都有了重大的提高。而在大部分智能家居系统中，对于无线通信技术的应用提出了更高的要求，这也成为了很多学者的研究重点。在对市场中现有的一系列通信技术以及方式进行研究之后，本文将研究重点集中在了ZigBee技术上，重点分析该技术在智能家居方面的应用。研究时发现，该技术最大的优势就是性价比较高，且功耗较低，不会产生过大的能量消耗。

关键词：设备智能化；无线通信；ZigBee

1 ZigBee中的设备类型

从上图可以看出，在 ZigBee的网络中，有三种不同的逻辑装置： Router (Router),

终端机（终端装置）和协调者（协调者）。ZigBee的组网，除了一个联络点之外，还包括了大量的路由器和终端。

在整个网络中，协调器是必不可少的设备，也是首要设备。在整个ZigBee网络中，它主要承担着启动工作。当启动工作完成后，它不但会选择一个信道，还会选择一个网络ID，接着还会对以下几个方面完成启动工作：下级节点，同时还完成网络地址的分配工作。协调器在整个网络当中属于一个比较特殊的器件，它负责启动网络，还有给其他路由设备配置网络，做完了这些任务，它在网络中就好像一个路由器一样工作，接下来整个网络的工作就并不需要协调器了。

2 ZigBee网络拓扑结构

2.1 树状拓扑网络结构

当协调器设备启动时，第一个步骤就是对网路进行组态，将网路位址0X0000设定成本身的网路深度。假设存在一个希望在这个网络中已经存在的一个结点 a希望访问 ZigBee的一个新结点 a，则将结点 b称为结点 a的父亲结点。ZigBee网络将根据节点 b的网路位址和网路的深度，将新网路位址与网路深度设定成新网路位址与网路深度 a。在树型拓扑中，最少传送的是将一组资料传送至 ZigBee Controller。

下面是 ZigBee的树型拓扑。CM是指一个树型网路中的最大数目的子结点。RM可以表示，在一个路由器的所有的子结点中，不是终端设备的节点的个数的最大值，除去这些数值，剩下节点数便是终端节点数值。

在树式拓扑中，当为一个单一的深度级指派结点时，会按照不同的结点，例如：终端结点、路由器结点等，采用相应的位址指派方式。

在该结构的拓扑结构中添加了一个端点 a。可以按照它的父亲 b （协调者）的网络深度 d来对它进行配置：

Address（a）=Address（b）+Cskip（d）﹡RM+n式（3.1）

倘若在树状网络中，有路由器的参与，此时，其父节点可以为它设定一个网络地址：

Address（a）=Address（b）+1+CskIp（d）﹡（n-1）式（3.2）

Cskip是其配置参数

式（3.3）

nwkMaxDepth （LM）是一个树状网络所能容许的最大值。

按照树状拓扑结构对网络地址进行设置，从而实现树状路由机制。

树状路由机制可以简单理解为在网络地址和网络深度分别是A和d的情况下，路由器节点向网络地址D传递数据帧时，这个时候判断式（3.4）便会发生它的作用，使用它来对目标地址进行判断：

A式（3.4）

只需借助上述判断公式便可确定目标地址属不属于自身的网络子节点。唐日抛判断结果为是，则数据帧便会直接发送至它的子节点，下一跳的网络地址为：

式（3.5）

但是如果上一逻辑判断式不成立，说明其目标地址与路由器子节点并非同一个地址，这样路由器就会向其父节点传输数据帧，由父节点作出相同判断。下面显示的是算法流程。

2.2 网状网络算法分析

网状网络拓扑结构是将Z-AODV路由技术融入树状网络拓扑结构之中，在两者基础上产生的全新混合路由结构。

任何网络节点只要捕捉到信息，就会对数据帧进行解析，确定该数据帧的目标地址属不属于广播地址，倘若属于广播地址，便广播该数据帧；不是的话，便判断这一帧的目的地址是不是这个设备地址及其子节点地址，若是则直接发送至其子地址，若不是，则将在路由表记录当中查询是否存在该数据帧目标地址的路由设备，并且它的状态是否显示为可用，是的话便可以直接给路由表中下一跳地址节点发送数据帧。否则，该路由节点便会打开其特殊功能—路由发现功能，以这一功能来寻找路由成本最低的线路，同时更新路由表，接着把数据帧按照路由发现出来的线路传送.路由发现不成功则将该数据帧丢弃。

3 ZigBee组网设计

3.1 ZigBee技术中网络结构的选择

在三个网络当中结构最简单的网络是星状网络，这种网络是协调器与其他所有设备直接通信的结构，中心节点的通信压力较大。但是星状节点只适合小面积的简单的情况，而在的智能家居系统当中，有着复杂的环境，一些家居设备也可能会成为通信的障碍物，所以在无线网络结构的选择这方面不会考虑星状结构，

这样可供选择的网络结构就只剩网状网络拓扑结构与树状网络拓扑结构了。

上文对这两种网络结构进行了具体分析，显而易见网状网络拓扑结构的优势更为显著，与树状网络拓扑结构相比，它可以智能的选择最优路由线路，并且避免了树状网络结构的网络稳定性不好的问题。

3.2 家居无线网络设计的结构

按照下述方式便可建立预期的网络结构，然后选择家中合适位置安放经过设置的ZigBee设备。首先对ZigBee设备进行设置，传感器负责收集并向CC2430控制中心传递信息，将数据帧控制域的发现路由子域的值设置成0x01，借助路由表将路由设置成可以发现，明确最合理的路由链路从而经此传递信息。CC2430控制中心一旦捕捉到用户发送的命令，就会将数据帧控制域的发现路由子域值设置成0x00，然后不允许发现路由，同时完成数据帧传输。下图显示的是本次设计建立的家居网络结构，2级跳的通信距离大概有60米为半径的一个圆形区域，通信时间也仅需20多毫秒。完全可以满足智能家居的要求。

参考文献

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