随着科学技术的飞速发展， 人们生活水平的不断提高， 一个高度安全， 舒适， 方便的生活环境越来越为人们所向往。而自动控制领域的快速发展， 使这些要求完全被满足。现有的家庭环境监测系统， 有很多是采用有线技术进行传感器网络的组建。这类方案扩展性能差， 布线烦琐， 影响美观， 线路容易老化， 或腐蚀。即使布线选择嵌入墙壁内， 更换起来也十分不方便。采用无线方式构建家庭环境监测系统， 则可以避免这些不必要的麻烦。而且， 无线方式相对灵活， 只要在有效范围内， 传感器终端可以依据要求随意安放。然而， 无线家庭环境监测一直未得到广泛应用， 一个很主要的原因就是目前的无线通讯产品造价很高， 使其广泛推广遇到很大阻力。
随着近年来人类在微电子机械系统， 无线通讯， 数字电子方面取得的巨大成就， 使得发展低成本， 低功耗， 小体积， 短距离通讯的传感器成为可能。ZigBee 的出现就解决了这些问题。由于ZigBee 技术具有功耗极低， 系统简单， 组网方式灵活， 成本低等性能， 相对于其他无线网络技术更适合与组建家庭环境监测系统。
1 ZigBee 简介
随着无线网络技术的快速发展， 许多本来存在的网络服务逐渐走向成熟。近几年来， IEEE ( InSTitute of Electrical and ElectroNIcs Engineer) 802. 11 无线局域网络的普遍以及IEEE 802. 16 无线宽带网络的商业标准化都使得无线网络技术越来越重要， 也有越来越多的相关应用和产品出现。但是大多无线网络技术成本较高， 像蓝牙。所以普及无线网络， 低成本就成了一个至关重要的问题。为了满足低功耗、低成本的无线网络要求， IEEE 标准委员会在2000 年12 月份正式批准并成立IEEE802. 15. 4 工作组， 任务就是开发一个低数据率的W PAN (LR2W PAN ) (无线个域网) 标准。它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点， 能在低成本设备(固定、便携或可移动的) 之间进行低数据率的传输。
因此， ZigBee 应运而生， ZigBee 是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率无线网络技术， 是一种介于无线标记技术和B lueToo th (蓝牙) 之间的技术提案。它专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。ZigBee 联盟成立于2001 年8 月， 到目前为止， ZigBee 联盟涵盖了IT 领域以及其他行业的150 多家企业。有了这么多公司的支持， 可以毫不夸张地说：“在未来的数年内， 从家用电器到玩具、从工厂控制到汽车控制， ZigBee 技术将走入我们生活的方方面面。”
2 ZigBee 技术优点
①数据传输速率低。只有10kb? s～ 250kb?s, 专注于低传输应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据， 仅仅传输一些采集到的温度，湿度之类的数据， 所以W SN (无线传感器网络) 对传输速率的需要不是那么高。
②功耗低。在休眠状态下耗电量仅仅只有1LW , 通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW , 在低耗电待机模式下， 两节普通5 号干电池可使用6 个月以上。这也是ZigBee 的支持者所一直引以为豪的独特优势。
③成本低。因为ZigBee 数据传输速率低， 协议简单， 所以大大降低了成本， 这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点， 如果不能严格地控制节点的成本， 那么网络的规模必将受到严重的制约， 从而将严重地制约W SN 的强大功能。
④网络容量大。每个ZigBee 网络最多可支持65 000个节点， 也就是说每个ZigBee 节点可以与数万节点相连接。由于W SN 的能力很大程度上取决于节点的多少， 也就是说可容纳的传感器节点越多，W SN的功能越强大。所以ZigBee 的网络容量大的特点非常符合W SN 的需要。
⑤有效范围小。有效覆盖范围在10m～ 75m 之间，但是可以扩展到数百米， 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定， 基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
⑥工作频段灵活。使用的频段分别为2. 4GHz、868MHz (欧洲) 及915MHz (美国) , 均为免执照频段，具有16 个扩频通信信道。
⑦安全。ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能， 硬件本身支持CRC 和A ES- 128。
⑧自动动态组网、自主路由。W SN 网络是动态变化的， 无论是节点的能量耗尽， 或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络， 而且， 可以向已有的网络加入新的传感器节点。这就希望W SN 能具有动态组网、自主路由的功能， 而ZigBee 技术就正好能解决了W SN 的这一需要。
3 系统方案设计
在基于ZigBee 技术的家庭环境监测系统中， 数据采集终端包括温度传感器， 湿度传感器和灯光调节器。
其中温度传感器可测量室内温度， 将测量的温度发送给MCU ,MCU 将数据通过SP I 总线传递给无线收发芯片， 无线收发芯片将数据以无线的方式发送给数据接收端。湿度传感器类似。数据接收端接到数据后由MCU 处理数据： 如果温度， 湿度正常， 液晶显示该温度和湿度; 如果温度值超过指定范围长达某个设定时间长度， 报警(蜂鸣器)。且液晶显示该温度， 湿度类似。
实时时钟显示数据采集的时间。
①硬件平台设计。系统主要由数据采集端和数据接收端构成。数据采集端由传感器。MCU 和无线收发芯片组成。MCU 与无线收发芯片通过SP I 总线连接，二者构成无线传输模块数据接收端采用相同的无线收发模块， 并利用RS232 与PC 机通讯。其功能相当于一个接入点， 一方面将主机向数据采集端发送的控制信号以无线的方式发射出去， 另一方面接受采集数据并上传给PC 机。
如图1 所示， 主控MCU 选择的是M SP430F449单片机， 选择该芯片的原因是该芯片是一种超低功耗的单片机， 具有SP I 通讯方式和6 个I/O 口。采用CC2420 的原因是CC2420 支持ZigBee, 是一款低成本，低功耗， 高性能的无线收发芯片。其工作频段为214GHz 的ISM 频段具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力， 正常工作时需要的外围功能电路少，与主控制器接口简洁， CC2420 的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802. 15. 4 标准的要求， 可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kb/s , 可以实现多点对多点的快速组网。对CC2420 的控制和操作十分方便。
②软件设计。系统的软件由C 语言编写， 主要包括数据采集端和数据接收端的程序。其包括初始化程序， 发射程序和接受程序。初始化程序主要是对单片机， 无线收发芯片， SP I 等进行处理; 发射程序将建立好的数据包通过单片机送至无线收发芯片输出; 接受程序完成数据的接受并进行处理。下面将给出数据采集端和数据发送端的软件流程图。如图3、图4 所示。
4 结 论
利用TI 公司的M SP430F449 和CC2420 设计的家庭环境监测系统不仅可以用在家庭中， 也可以用于医院环境监测、农业环境监测、工业环境监测等等。只需将传感器换成可以完成特殊要求的即可。相信通过ZigBee 的爱好者努力一定能将ZigBee 推向一个新的研发高峰。
