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1、 課程設(shè)計說明書 題目名稱 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 系 部： 計算機工程系 專業(yè)班級： 通信13-1班 學(xué)生： 鄺鑫鑫 學(xué) 號： 2013232020 指導(dǎo)教師： 德群 完成日期：2015年12月31日 某工程學(xué)院 課程設(shè)計評定意見 設(shè)計題目 基于ZigBe

2、e的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 系 部 計算機工程系 專業(yè)班級 通信13-1班 學(xué)生 鄺鑫鑫 學(xué)生學(xué)號 201323200 評定意見： 評定成績： 指導(dǎo)教師〔簽名〕： 年 月 日 〔此頁背書〕 評定意見參考提綱： 1、學(xué)生完成的工作量與容是否符合任務(wù)書的要求。 2、學(xué)生的勤勉態(tài)度。 3、設(shè)計或說明書的優(yōu)缺點，包括：學(xué)生對理論知識的掌握程度、實踐工作能力、表現(xiàn)出的創(chuàng)造性和綜合應(yīng)用能力等。

3、 某工程學(xué)院 計算機工程系課程設(shè)計任務(wù)書 2015-2016學(xué)年 1 學(xué)期 2015年12月7日 專業(yè) 通信技術(shù) 班級 13-1 課程名稱 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 設(shè)計題目 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 指導(dǎo)教師 德群 起止時間 2015.12.7- 2016.1.8 周數(shù) 5 設(shè)計地點 路校區(qū)2號機房 設(shè)計目的： 理解無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點； 學(xué)習(xí)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法。 設(shè)計任務(wù)或主要技術(shù)指標： 設(shè)計一個模擬智能家居

4、系統(tǒng)，將溫度、濕度、光敏、煤氣和火焰等5個傳感器分別與5個ZigBee模塊相連接，構(gòu)成一個自組織無線網(wǎng)絡(luò)，并將各傳感器數(shù)據(jù)會聚至協(xié)調(diào)器模塊，再通過無線網(wǎng)關(guān)平臺遠距離傳輸至互聯(lián)網(wǎng)。 設(shè)計進度與要求： 第一周：熟悉傳感器、個ZigBee模塊以及網(wǎng)關(guān)平臺的軟硬件組成體系，開發(fā)環(huán)境等； 第二周：了解傳感器、個ZigBee模塊以及網(wǎng)關(guān)平臺的配置方法，并組成WSN; 第三周：完善設(shè)計方案，并撰寫說明書； 第四周：修改說明書; 第五周：辯論 主要參考書及參考資料： [1]無線龍.ZiBee無線網(wǎng)絡(luò)原理.冶金工業(yè) [2]鐘永鋒、永俊.ZiBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò).郵電大學(xué) [3]遜學(xué)、湛、王

5、成.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域應(yīng)用與設(shè)計技術(shù).國防工業(yè) 教研室主任〔簽名〕系〔部〕主任〔簽名〕 目錄 摘要 隨著電子信息技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開展，實現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今智能家居系統(tǒng)開展的新趨勢。智能家居系統(tǒng)能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代化生活方式，是未來居住模式的必然開展趨勢。因此，智能家居系統(tǒng)逐漸成為一個新興的研究領(lǐng)域。 本文針對智能家居網(wǎng)絡(luò)特點通過對智能家居網(wǎng)絡(luò)分析、比照和研究，采用星狀網(wǎng)絡(luò)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，對智能家居網(wǎng)絡(luò)進展了設(shè)計與實現(xiàn)。利用CC2430的ZigBee模塊與各種傳感器設(shè)計了一種低本錢、高靈活性、通用的ZigBee無線智能家居網(wǎng)絡(luò)控制，并最后完成了實

6、現(xiàn)。 主要容如下：采用Zigbee技術(shù)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信機理。以及設(shè)計微處理器控制模塊，通信模塊、檢測模塊等硬件。 關(guān)鍵詞：ZigBee；智能家居；無線網(wǎng)絡(luò)；CC2430 第一章前言 1.1 智能家居簡介 智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能家居-系統(tǒng)設(shè)計方案平安防技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居平安性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。 智能家居是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實施智能家居系統(tǒng)的過

7、程就稱為智能家居集成。由于智能家居采用的技術(shù)標準與協(xié)議的不同，大多數(shù)智能家居系統(tǒng)都采用綜合布線方式，但少數(shù)系統(tǒng)可能并不采用綜合布線技術(shù)，不管哪一種情況，都一定有對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來完成所需的信號傳輸任務(wù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是智能家居集成中關(guān)鍵的技術(shù)之一。平安防技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，在小區(qū)及戶可視對講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報警、與家庭有關(guān)的小區(qū)一卡通等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。自動控制技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在智能家居控制中心、家居設(shè)備自動控制模塊中，對于家庭能源的科學(xué)管理、家庭設(shè)備的日程管理都有十分重要的作用。音視頻技術(shù)是實現(xiàn)家庭環(huán)境舒適性、藝術(shù)性的重要技術(shù)，表達在音視頻

8、集中分配、背景音樂、家庭影院等方面，已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認為是對21世界產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一[2]。 通俗地說，它是融合了自動化控制系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)。智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比方，通過家觸摸屏、無線遙控器、、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場景操作，使多個設(shè)備形成聯(lián)動；另一方面，智能家居的各種設(shè)備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與平安。 1.2 智能家居系統(tǒng)組成 智能家居系統(tǒng)包含的主要子系統(tǒng)有：家居布線系統(tǒng)、家

9、庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居〔中央〕控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)〔如TVC平板音響〕、家庭影院與、多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等八大系統(tǒng)。其中，智能家居〔中央〕控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)是必備系統(tǒng)，家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)為可選系統(tǒng)。在智能家居環(huán)境的認定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的智能家居才能稱為智能家居[3]。 1、家居布線系統(tǒng) 對于一個智能住宅需要有一個能支持語音、數(shù)據(jù)、多媒體、家庭自動化、保安等多種應(yīng)用的布線系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也就是智能化住宅布線系統(tǒng)

10、。 2、家庭安防系統(tǒng) 家庭安防系統(tǒng)包括如下幾個方面的容：門磁開關(guān)、緊急求助、煙霧檢測報警、燃氣泄露報警、碎玻探測報警、紅外微波探測報警等。 1.3 智能家居系統(tǒng)的起源和開展 20世紀80年代初，隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市，住宅電子化〔HE，Home Electronics〕出現(xiàn)。80年代中期，將家用電器、通信設(shè)備與安保防災(zāi)設(shè)備各自獨立的功能綜合為 一體后，形成了住宅自動化概念〔HA，Home Automation 〕。80年代末，由于通信與信息技術(shù)的開展，出現(xiàn)了對住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過總線技術(shù)進展監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為 Smart Home，也就是

11、現(xiàn)在智能家居的原型。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司〔United Techno1ogies Building System〕將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州〔Conneticut)哈特佛市〔Hartford〕的CityPlaceBuilding時，才出現(xiàn)了首棟的“智能型建筑〞,從此也揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕。 1979年，美國的斯坦福研究所提出了將家電及電氣設(shè)備的控制線集成在一起的家庭總線〔HOMEBUS〕，并成立了相應(yīng)的研究會進展研究，1983年美國電子工業(yè)協(xié)會組織專門機構(gòu)開場制定家庭電氣設(shè)計標準，并于1988

12、年編制了第一個適用于家庭住宅的電氣設(shè)計標準，即：?家庭自動化系統(tǒng)與通訊標準?，也有稱之為家庭總線系統(tǒng)標準(HBS，Home Bus System)。在其制定的設(shè)計規(guī)與標準中，智能住宅的電氣設(shè)計要求必須滿足以下三個條件，即： 　　 1、具有家庭總線系統(tǒng)； 　　 2、通過家庭總線系統(tǒng)提供各種效勞功能； 　 3、能和住宅以外的外部世界相連接。 物聯(lián)傳感技術(shù)是全球第一個利用物聯(lián)網(wǎng)來控制燈飾及電子電器產(chǎn)品〔我們現(xiàn)在通稱為ZigBee產(chǎn)品〕，并將其作為智能家居主流產(chǎn)品走向了商業(yè)化。ZigBee最初預(yù)計的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費電子、能源管理、衛(wèi)生保健、家庭自動化、建筑自動化和工業(yè)自動化。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興

13、起，ZigBee又獲得了新的應(yīng)用時機。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用最多的就是傳感器或控制單元，這些是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的最根底最核心最廣泛的單元細胞，而ZigBee能夠在數(shù)千個微小的傳感傳動單元之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它的通信效率非常高。這種技術(shù)低功耗、抗干擾、高可靠、易組網(wǎng)、易擴容，易使用，易維護、便于快速大規(guī)模部署等特點順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)開展的要求和趨勢。目前來看，物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)在智能家居、工業(yè)監(jiān)測和安康保健等方面的應(yīng)用有很大的融合性。 1.4 智能家居系統(tǒng)的國外開展新趨勢 隨著智能家居的迅猛開展，越來越多

14、的家居開場引進智能化系統(tǒng)和設(shè)備。智能化系統(tǒng)涵蓋的容也從單純的方式向多種方式相結(jié)合的方向開展。但較之于歐美興旺國家，我國的我國智能家居系統(tǒng)起步稍晚，所以目前市場主流的產(chǎn)品〔系統(tǒng)〕還無法很好地解決產(chǎn)品本身與市場需求的矛盾，使得智能家居市場的僵冰還沒有被完全打破，所以很大程度上阻礙了智能家居產(chǎn)業(yè)的開展。在此情形之下，從產(chǎn)品〔系統(tǒng)〕的技術(shù)角度上看什么才是解決這個難題的方法？據(jù)市場調(diào)研顯示，只有智能家居交互平臺才是最好的手段之一。智能家居交互平臺是一個具有交互能力平臺，并且通過平臺能夠把各種不同的系統(tǒng)、協(xié)議、信息、容、控制在不同的子系統(tǒng)中進展交互、交換[4]。它具有如下特點： 1、每個子系統(tǒng)都可以脫離

15、交互平臺獨立運行 智能家居交互平臺中，各個子系統(tǒng)在脫離交互平臺時能夠獨立運行，如果樓寓對講、家庭報警、各種電器控制、門禁、家庭娛樂等等。個子系統(tǒng)在交互平臺管理下運行，平臺能采集各子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的聯(lián)動。 2、不同品牌的產(chǎn)品、不同的控制傳輸協(xié)議能通過這個平臺進展交互 由于有了交互平臺，不同子系統(tǒng)在交戶平臺的統(tǒng)一管理下，可以協(xié)同工作和運行數(shù)據(jù)額交換、共享，給用戶最大限度的選擇權(quán)，充分表達智能家居的個性化。同時，它還具有網(wǎng)關(guān)的功能，通過交互平臺，能與廣域網(wǎng)連接，實現(xiàn)遠程控制、遠程管理。具有多種主流的控制接口，如RS485、RS232、TCP、IP等，同時可以擴大添加國外流行的控制接口，如

16、EIB、lonwork、CE-bus、Canbus，以及無線網(wǎng)絡(luò)如：WiFi、GPRS、藍牙等。根據(jù)客戶及市場的變化不斷增加各種總線、系統(tǒng)的驅(qū)動軟件和硬件接口，豐富多樣的通訊、控制接口，為子系統(tǒng)的多樣選擇提供的根底保障，智能家居有了最大限度包容性，用戶有了更大的選擇余地。 3、智能終端〔觸摸屏〕僅做為各子系統(tǒng)的顯示、操作界面 整個系統(tǒng)在平臺的控制、管理下運行，智能終端〔觸摸屏〕僅做為各子系統(tǒng)的顯示、操作界面，多智能終端配置容易可行。同時，可以記錄各子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)、為系統(tǒng)運行優(yōu)化、自學(xué)習(xí)提供依據(jù)。交互平臺，平臺可以記錄存儲各系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的運行可以提供有效的歷史數(shù)據(jù)，同時可以根據(jù)歷

17、史的運行數(shù)據(jù)，總結(jié)出主人的使用習(xí)慣和某種規(guī)律，讓系統(tǒng)能夠自學(xué)習(xí)。 4、控制軟件可編程〔DIY〕，提供信息效勞 此系統(tǒng)方便用戶改變控制邏輯、控制方式、操作界面，用戶的控制邏輯、操作界面可以自定義、可以DIY。在現(xiàn)代的智能家居系統(tǒng)中，信息效勞是非常重要的不可或缺的局部，有了信息效勞，它給智能家居更多的“智慧〞、給我們的生活提供更多的信息和資訊、給智能家居賦予更生動的生命，它是智能家居更高的境界。信息效勞容包括：安康、烹飪、交通信息、生活常識、嬰幼兒哺育、兒童教育、日常購物、社區(qū)信息、家居控制專家等等，智能家居已不僅僅是面向控制的系統(tǒng)而是信息效勞與控制有機結(jié)合的系統(tǒng)。 5、多種控制手段 在日

18、常家居生活中，為了使我們對家庭的控制系統(tǒng)能隨時掌控、需要的信息隨時獲取，操作終端的形式非常重要，多種形式的智能操作終端是必不可少如：智能遙控器、移動觸摸屏、電腦、手機、PDA等。 智能家居控制器可以為系統(tǒng)提供智能控制方案，使住戶的控制更便捷，更高效，更能為家庭的日?；顒庸?jié)約不必要的能耗。隨著科技的提高，經(jīng)濟的開展，人們的物質(zhì)生活水平的提高，對家居環(huán)境的要求也越來越高，作為家居智能化的核心局部——智能家居控制系統(tǒng)也越發(fā)顯得重要[5]。 1.5 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 所謂無線網(wǎng)絡(luò)，既包括允許用戶建立遠距離無線連接的全球語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，也包括為近距離無線連接進展優(yōu)化的紅外線技術(shù)及射頻技術(shù)，與有線網(wǎng)絡(luò)的

19、用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)互為備份[6]。無線技術(shù)也分不同種類，通常以產(chǎn)生無線信號的方式來區(qū)分，目前主要的方式有調(diào)頻無線技術(shù)、紅外無線技術(shù)和藍牙無線技術(shù)三種，其本錢和特點也不盡一樣。廣泛應(yīng)用于音響鍵鼠等各項容，有很好的開展前景。 1.5.1無線網(wǎng)絡(luò)的標準 常見標準有以下幾種： IEEE 802.11a ：使用5GHz頻段，傳輸速度54Mbps，與802.11b不兼容。 IEEE 802.11b ：使用2.4GHz頻段，傳輸速度11Mbps 。　　 IEEE 802.11g ：使用2.4GHz頻段，傳輸速度主要有54Mbps

20、、108Mbps，可向下兼容802.11b ?！　? IEEE 802.11n草案：使用2.4GHz頻段，傳輸速度可達300Mbps，目前標準尚為草案，但產(chǎn)品已層出不窮。 目前IEEE 802.11b最常用，但IEEE 802.11g更具下一代標準的實力，802.11n也在快速開展中。 IEEE 802.11b標準含有確保訪問控制和加密的兩個局部，這兩個局部必須在無線LAN中的每個設(shè)備上配置。擁有成百上千臺無線LAN用戶的公司需要可靠的平安解決方案，可以從一個控制中心進展有效的管理。缺乏集中的平安控制是無線LAN只在一些相對較的小公司和特定應(yīng)用中得到使用的根本原因。 IEEE 802.1

21、1b標準定義了兩種機理來提供無線LAN的訪問控制和：效勞配置標識符〔SSID〕和有線等效〔WEP〕。還有一種加密的機制是通過透明運行在無線LAN上的虛擬專網(wǎng)〔VPN〕來進展的。 SSID ，無線LAN中經(jīng)常用到的一個特性是稱為SSID的命名編號，它提供低級別上的訪問控制。SSID通常是無線LAN子系統(tǒng)中設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)名稱；它用于在本地分割子系統(tǒng)。 　　 WEP ，IEEE802.11b標準規(guī)定了一種稱為有線等效〔或稱為WEP〕的可選加密方案，提供了確保無線LAN數(shù)據(jù)流的機制。WEP利用一個對稱的方案，在數(shù)據(jù)的加密和解密過程中使用一樣的密鑰和算法[7]。 1.6ZigBee技術(shù) ZigBe

22、e技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低本錢的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進展數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反響時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。 1.6.1 ZigBee技術(shù)簡介 　蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。借此意義ZigBee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite〞、“RF- EasyLink〞或“fireFly〞無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee[8]。 簡單的說，Z

23、igBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。 ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)圍，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigB

24、ee“基站〞卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進展數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的圍，和多個不承當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。 1.6.2ZigBee協(xié)議棧各層構(gòu)造 Zig Bee協(xié)議棧各層的主要功能模塊主要包括PHY層功能、MAC層功能、NWK層功能、APS子層功能，應(yīng)用框架AF(APhcationFram，ork)功能及各類應(yīng)用對象。PDU (ProtocolDataUnit)表示協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 PHY 層

25、 主要通過無線信道進展收發(fā)數(shù)據(jù)包PPDU (PHYProtcoloDataUin)t，以及檢測接收包的鏈路質(zhì)量LQI(Link　alitylndication)值，信道選擇，信道能量檢測ED(Energy　Detect)和空閑信道評估CCA (Clear　ChannelAssessment)。 AMC 層 對從即DU中提取的淤DU進展進一步的處理，同時，還提供AMC層數(shù)據(jù)傳輸機制，ED、ACTIVE和ORPN三種掃描機制，和關(guān)聯(lián)/退出關(guān)聯(lián)功能。AMC層的ED掃描調(diào)用PHY層的ED檢測實現(xiàn)。 NwK層 負責(zé)NPDU收發(fā)，組網(wǎng)管理及信息路由的實現(xiàn)。其中組網(wǎng)管理主要包括網(wǎng)絡(luò)建立、地址分配、

26、節(jié)點入網(wǎng)及節(jié)點離網(wǎng)。信息路由那么包括路徑發(fā)現(xiàn)、路徑維護、信息單播及信息播送[9]。 1.6.3ZigBee的技術(shù)特點 ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的圍,但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點： 1、低功耗: 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長

27、達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。 2、本錢低：ZigBee模塊的初始本錢在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低本錢對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。 3、時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。 4、網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型構(gòu)造的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備， 一個區(qū)域可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且

28、網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 5、可靠：采取了碰撞防止策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方確實認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進展重發(fā)。 6、平安：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證，采用了AES-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其平安屬性。 1.6.4ZigBee聯(lián)盟及標準制定 ZigBee聯(lián)盟是一個高速成長的非盈利業(yè)界組織，成員包括國際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、技術(shù)集成商以及最終使用者。聯(lián)盟制定了基于IEEE802.15.4，

29、具有高可靠、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格。ZigBee聯(lián)盟的主要目標是以通過參加無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)能融入各類電子產(chǎn)品，應(yīng)用圍橫跨全球的民用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場。使得聯(lián)盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網(wǎng)絡(luò)平臺，設(shè)計出簡單、可靠、廉價又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來。ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點為制定網(wǎng)絡(luò)、平安和應(yīng)用軟件層；提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及互通性測試規(guī)格；在世界各地推廣ZigBee品牌并爭取市場的關(guān)注，管理技術(shù)的開展。 ZigBee聯(lián)盟對ZigBee標準的制定：IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，標準已

30、在2003年5月發(fā)布。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、加密層及應(yīng)用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經(jīng)發(fā)布。其他應(yīng)用領(lǐng)域及其相關(guān)的設(shè)備描述也會陸續(xù)發(fā)布。由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞，而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進展了標準化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的根本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器那么可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目那么沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了平安層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會

31、被其它節(jié)點獲得。 ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點為制定網(wǎng)絡(luò)、平安和應(yīng)用軟件層；提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及互通性測試規(guī)格；在世界各地推廣ZigBee品牌并爭取市場的關(guān)注，管理技術(shù)的開展[10]。 1.7 課題研究的目的和意義 1.7.1課題目的 智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、平安防技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居平安性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥淖钚露x，參考ZigBee技術(shù)的特點，設(shè)計出的本系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)(智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、家

32、居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng))的根底上，參加了家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)和家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。在智能家居的認定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。 1.7.2課題意義 智能家居是利用先進的計算機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將家庭中的各種設(shè)備〔如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電〕通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起的，自從美國在1984 真正的智能建筑出現(xiàn)以來，國外已經(jīng)有將近30 年的研究歷史，而國在這方面的研究相對較晚，從2003年才逐步應(yīng)用于高端市場，而且標準不統(tǒng)一。由于智能家居系統(tǒng)具有平安、方便、高效、快捷、智能化和

33、個性化的獨特魅力，使得智能家居的開發(fā)與建立成為21 世紀科技開展的必然趨勢。隨著全球?qū)δ茉春铜h(huán)境的要求越來越高，而智能家居在節(jié)能方面的效果優(yōu)勢非常明顯，因此具有非常廣闊的市場前景。 1.7.3研究主要容 根本問題： 〔1〕報警模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。 〔2〕智能光控?zé)艟吣K的設(shè)計與實現(xiàn)。 〔3〕智能溫控空調(diào)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。 重點注意： 軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。 1.8 本章小結(jié) 首先對智能家居系統(tǒng)進展了簡要概述，包括智能家居的定義和國外智能家居系統(tǒng)的開展，接著對智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進展了介紹，對于智能家居系統(tǒng)來說，采用無線網(wǎng)絡(luò)不僅為家居智能化提供靈活簡便的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，省去了浪費在布線上

34、的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的特點。 第二章智能家居系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計 2.1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案 在智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，在盡可能保持統(tǒng)一標準的前提下，針對各種信號類型選擇適宜的總線或者無線技術(shù)并設(shè)計主控器已成為智能家居建立的首要問題。 在有線方式中，各類傳感器和控制器的連接通過總線，它的優(yōu)點是可以簡化各功能單元的設(shè)計，缺點就是布線多，構(gòu)造復(fù)雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計選擇的問題。 針對智能家居中采用有線方式存在的問題，本文提出了一種采用ZigBee無線通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計并實現(xiàn)了該系統(tǒng)中的檢測、中央處理、控制等各個模塊。 2.1.1 智能家居系統(tǒng)的

35、組成 系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，即主節(jié)點，與智能家居設(shè)備相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，即分節(jié)點，每個房間放置的充當(dāng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，功能控制驅(qū)動模塊和相應(yīng)的家具設(shè)備構(gòu)成。組成框圖如圖2-1所示。 圖2-1智能家居系統(tǒng)的組成 2.1.2 方案實現(xiàn)的過程 本文任務(wù)提出的功能控制驅(qū)動模塊實現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口。并為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機構(gòu)，其與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點進展通信，智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點，每個房間放置的充當(dāng)路由器功能的分節(jié)點和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，是整個智能家居系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。每個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個ZigBee無線

36、收發(fā)模塊，與各個設(shè)備、節(jié)點之間進展通信。此方案的設(shè)計靈活性好，擴展性好。 系統(tǒng)的工作流程是：首先智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器〔主節(jié)點〕建立ZigBee智能網(wǎng)絡(luò)，各個網(wǎng)絡(luò)控制器〔分節(jié)點〕隨后參加該網(wǎng)絡(luò)，他們共同組成一個星狀的ZigBee無限家居網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)需要對某一個家具設(shè)備進展控制或者檢測時，主節(jié)點找到與該家具設(shè)備相連的分節(jié)點的ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點所在房間的路由器，路由器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的分節(jié)點，分節(jié)點收到信息后，切入功能驅(qū)動模塊，功能驅(qū)動模塊對該家居設(shè)備進展相應(yīng)的操作，從而完成智能家居的控制。 2.1.3ZigBee節(jié)點類型 ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點，即協(xié)調(diào)器ZC(ZigB

37、eeCoordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和終端設(shè)備ZE(ZigBeeEnd Deviee)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD)，而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備(RFD)。 協(xié)調(diào)器：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(Personal Area Network)有且僅有一個協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護網(wǎng)絡(luò)，維護節(jié)點的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲空間和計算能力； 路由器：主要實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能。擴展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在； 終端設(shè)備：不具備成為父節(jié)點或路由器的能力，

38、一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點主動通訊，具體的信息路由那么全部交由其父節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成[11]。 2.1.4ZigBee的拓撲構(gòu)造 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng)(Star Network)，樹狀網(wǎng)(Cluster tree Network)和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh Network)三種網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)造。 星形網(wǎng)(Star)是由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和一個或多個ZigBee終端節(jié)點組成的。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負責(zé)發(fā)起建立和維護整個網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(終端節(jié)點)一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在Z

39、igBee協(xié)調(diào)器的覆蓋圍，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器進展通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比擬簡單，通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。 樹狀網(wǎng)絡(luò)(Cluster-tree)由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星狀構(gòu)造連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點一般為RFD，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進展點對點直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。協(xié)調(diào)器比網(wǎng)絡(luò)中的其它路由器具有更強人的處理能力和存儲空間。樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個顯著優(yōu)點就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋圍較大，但隨著覆蓋圍的增加，信息的傳輸時延也會增大。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng))一般是由假設(shè)干個FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點都可以與它的無線

40、通信圍的其它節(jié)點通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，但它們中也有一個會被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹狀網(wǎng)絡(luò)根底上實現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)狀路由的。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)〞能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，那么存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個節(jié)點之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余〞的網(wǎng)絡(luò)。該拓撲的優(yōu)點是減少了消息延時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷[12]。 2.2 設(shè)計方案的總體分析 本著模塊化的設(shè)計思想，本文提到的設(shè)計方案被分為三個模塊，即中央控制模

41、塊、信息檢測模塊，以及家電控制模塊。 2.2.1 中央控制器CC2430 基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居的設(shè)計，我們選擇了技術(shù)成熟、低耗高能的ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)，硬件上面，我們選擇了被廣泛應(yīng)用于ZigBee模塊的控制芯片CC2430。圖2-2為CC2430的最小系統(tǒng)原理圖。 圖2-2 CC2430最小系統(tǒng)原理圖 CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為根底的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低本錢，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器

42、。CC2430的設(shè)計結(jié)合了8Kbyte的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kByte來優(yōu)化復(fù)雜度與本錢的組合。 2.2.2 信號檢測模塊 信號檢測模塊，按照需求，我們設(shè)計了三個子模塊，即紅外報警模塊，光照監(jiān)測模塊以及溫度檢測模塊。 1、紅外報警模塊： 一開場的設(shè)計思路是圍繞著激光技術(shù)來做，鑒于價格過高，且實用性不好，放棄了使用激光技術(shù)的想法。后來發(fā)現(xiàn)使用廉價的紅外線對管也可以做到，便著手設(shè)計紅外對管相關(guān)的紅外檢測電路。 設(shè)計的電路原理是沒有物體入侵時，使用一個比擬器，檢測電路送出低電平，輸出端沒有反響。當(dāng)有物體入侵時，檢測電路送出

43、高電平，給ZigBee模塊送出信號。 2、光照檢測模塊： 與紅外報警模塊類似，使用一個比擬器，當(dāng)光線充足的時候，光敏電阻阻值很小，輸出端送出低電平，當(dāng)光線變暗的時候，光敏電阻阻值很大，輸出端送出高電平，給ZigBee模塊送出信號。 3、溫度檢測模塊： 使用廣泛被采納的DS18B20，溫度傳感器，使得檢測電路十分簡單，僅僅由這個傳感器構(gòu)成即可，監(jiān)測到的溫度會時事發(fā)送數(shù)據(jù)到主控中心。 2.2.3 電源管理模塊 3個檢測模塊的供電是5V的直流電源，可以使用電池供電。為了方便，本文設(shè)計了一塊給檢測模塊和控制模塊供電的電源管理模塊。 原理主要就是利用變壓器線圈降壓后用橋式電路整流與濾波，從

44、而實現(xiàn)從交流220V到直流5V，為模塊穩(wěn)壓供電。 2.2.4 控制電路模塊 主控ZigBee模塊處理之后會送出持續(xù)的高電平，從而帶動繼電器工作以到達弱電控制強電的目的，實現(xiàn)對警報、燈具、空調(diào)的控制。 2.2.5 涉及到的主要芯片的介紹 1、控制芯片CC2430 〔1〕CC2430的尺寸與組成 CC2430的尺寸只有7×7mm 48-pin的封裝，采用具有嵌閃存的0.18µm CMOS標準技術(shù)。這可實現(xiàn)數(shù)字基帶處理器，RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲器 整合在同一個硅晶片上。 針對協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件的執(zhí)行對MCU處理能力的要求，CC2430包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051

45、微控制器核，運行時鐘32MHz。由于更快的執(zhí)行時間和通過除去被浪費掉的總線狀態(tài)的方式，使得使用標準8051指令集的CC2430增強型8051核，具有8倍的標準8051核的性能。 　　 CC2430包含一個DMA控制器。8k字節(jié)靜態(tài)RAM，其中的4k字節(jié)是超低功耗SRAM。32k，64k或128k字節(jié)的片F(xiàn)lash塊提供在電路可編程非易失性存儲器。 　　 CC2430集成了4個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作：一個32MHz晶體振蕩器，一個16MHz RC-振蕩器，一個可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個可選的32.768kHz RC 振蕩器。 　　 CC2430也集成了用于用戶自定義應(yīng)用

46、的外設(shè)。一個AES協(xié)處理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC 平安所需的〔128位關(guān)鍵字〕AES的運行，以實現(xiàn)盡可能少的占用微控制器。中斷控制器為總共18個中斷源提供效勞，他們中的每個中斷都被賦予4個中斷優(yōu)先級中的某一個。調(diào)試接口采用兩線串行接口，該接口被用于在電路調(diào)試和外部Flash編程。I/O控制器的職責(zé)是21個一般I/O口的靈活分配和可靠控制。 　　 CC2430包括四個定時器：一個16位MAC定時器，用以為IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定時以及為IEEE802.15.4的MAC層提供定時。一個一般的16位和兩個8位定時器，支持典型的定時/計

47、數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比擬輸出和PWM功能。 　　 CC2430集成的其他外設(shè)有:實時時鐘；上電復(fù)位；8通道，8－14位ADC；可編程看門狗；兩個可編程USART，用于主/從SPI或UART操作。為了更好的處理網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作的帶寬，CC2430集成了大多數(shù)對定時要求嚴格的一系列IEEE802.15.4 MAC協(xié)議，以減輕微控制器的負擔(dān)。這包括： 　　 * 自動前導(dǎo)幀發(fā)生器 　　 * 同步字插入/檢測 　　 * CRC-16校驗 　　 * CCA 　　 * 信號強度檢測/數(shù)字RSSI 　 * 連接品質(zhì)指示(LQI) 　 * CSMA/CA 協(xié)處理器 2、CC2430的射頻及模

48、擬收發(fā)器 CC2430的接收器是基于低-中頻構(gòu)造之上的，從天線接收的RF信號經(jīng)低噪聲放大器放大并經(jīng)下變頻變?yōu)?MHz的中頻信號。中頻信號經(jīng)濾波、放大，在通過A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號。自動增益控制，信道過濾，解調(diào)在數(shù)字域完成以獲得高準確度及空間利用率。集成的模擬通道濾波器可以使工作在2.4GHz ISM波段的不同系統(tǒng)良好的共存。 　　 在發(fā)射模式下，位映射和調(diào)制是根據(jù)IEEE 802.15.4的規(guī)來完成的。調(diào)制(和擴頻)通過數(shù)字方式完成。被調(diào)制的基帶信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器再由單邊帶調(diào)制器進展低通濾波和直接上變頻變?yōu)樯漕l信號。最終，高頻信號經(jīng)過片功率放大器放大以到達可設(shè)計的水平。 　　 射頻的

49、輸入輸出端口是獨立的，他們分享兩個普通的PIN引腳。CC2430不需要外部TX/RX開關(guān)，其開關(guān)已集成在芯片部。芯片至天線之間電路的構(gòu)架是由平衡/非平衡器與少量低價電容與電感所組成?？商娲模粋€平衡式天線，如對折式偶極天線也是可以實現(xiàn)上述功能的。集成在部的頻率合成器可去除對環(huán)路濾波器和外部被動式壓控振蕩器的需要。晶片置的偏壓可變電容壓控振蕩器工作在一倍本地振蕩頻率圍，另搭配了二分頻電路，以提供四相本地振蕩信號給上、下變頻綜合混頻器使用。 3、芯片主要特點： CC2430 芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、存和微控制器。它使用1個8位M

50、CU〔8051〕，具有128KB 可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器〔Timer〕、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器〔Watchdog timer〕、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。 　　 CC2430 芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。 　　 ◆ 高性能和低功耗

51、的8051微控制器核。 　　 ◆ 集成符合IEEE802.15.4標準的2.4 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0.9μA 的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng);在待機模式時少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。 　　 ◆ 硬件支持CSMA/CA功能。 　　 ◆ 較寬的電壓圍〔2.0～3.6V〕。 　　 ◆ 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14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。 　　 ◆ 集成 AES 平安協(xié)處理器。 　　 ◆ 帶有 2個

52、強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)的MAC計時器，1個常規(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。 4、CC2430的引腳與I/O端口 CC2430 芯片采用7 mm×7mm QLP 封裝,共有48 個引腳。全部引腳可分為I/O 端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。 I/O 端口線引腳功能： CC2430有21個可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8 位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設(shè)定一組SFR存放器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計時器或USART 部件的外圍設(shè)備I/O 口

53、使用。I/O 口有下面的關(guān)鍵特性： ◆ 可設(shè)置為通常的I/O口，也可設(shè)置為外圍I/O 口使用。 　　 ◆ 在輸入時有上拉和下拉能力。 　 ◆ 全部 21個數(shù)字I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。如果需要外部設(shè)備，可對I/O口引腳產(chǎn)生中斷，同時外部的中斷事件也能被用來喚醒休眠模式。1～6〔P1_2～ P1_7〕： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動能力。8，9〔P1_0，P1_1〕：有 20 mA 的驅(qū)動能力。11～18 腳〔P0_0 ～P0_7〕： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動能力。43，44，45，46，48 腳〔P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0〕：具有4 mA 輸出驅(qū)動能力

54、。 電源線引腳功能： 7腳〔DVDD〕：為 I/O提供2.0～3.6V工作電壓。 20腳〔AVDD_SOC〕：為模擬電路連接2.0～3.6V的電壓。 23腳〔AVDD_RREG〕：為模擬電路連接2.0～3.6V的電壓。 　　 24腳〔RREG_OUT〕：為 25，27～31，35～40引腳端口提供1.8V的穩(wěn)定電壓。 　　 25腳 (AVDD_IF1 )：為接收器波段濾波器、模擬測試模塊和VGA的第一局部電路提供1.8 V 電壓。 　　 27腳〔AVDD_CHP〕：為環(huán)狀濾波器的第一局部電路和充電泵提供1.8V電壓。 　　 28腳〔VCO_GUARD〕：VCO 屏蔽電路的報警

55、連接端口。 29腳〔AVDD_VCO〕:為VCO 和PLL環(huán)濾波器最后局部電路提供1.8V電壓。 　 30腳〔AVDD_PRE〕:為預(yù)定標器、Div 2和LO緩沖器提供1.8V的電壓。 　　 31腳〔AVDD_RF1〕：LNA、前置偏置電路和PA 提供1.8 V 的電壓。 　　 33腳〔TXRX_SWITCH〕:為PA提供調(diào)整電壓。 　　 35腳〔AVDD_SW〕:為LNA/PA 交換電路提供1.8 V 電壓。 　　 36腳〔AVDD_RF2〕: 為接收和發(fā)射混頻器提供1.8 V 電壓。 37腳〔AVDD_IF2〕:為低通濾波器和VGA 的最后局部電路提供1.8 V 電壓。 　　

56、 38腳〔AVDD_ADC〕:為ADC 和DAC 的模擬電路局部提供1.8 V 電壓。 　　 39腳〔DVDD_ADC〕:為ADC 的數(shù)字電路局部提供1.8 V 電壓。 　　 40腳〔AVDD_DGUARD〕:為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。 　　 41腳〔AVDD_DREG〕:向電壓調(diào)節(jié)器核心提供2.0～3.6 V 電壓。 　　 42腳〔DCOUPL〕：提供1.8 V 的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用。 　　 47腳〔DVDD〕：I/O 端口提供2.0～3.6 V 的電壓。 　　 控制線引腳功能 ：　 10腳〔RESET_N〕:復(fù)位引腳，低電平有效。 　　 19腳〔XOSC_

57、Q2〕: 32 MHz 的晶振引腳2。 　　 21腳〔XOSC_Q1〕:32 MHz 的晶振引腳1，或外部時鐘輸入引腳。 　　 22腳〔RBIAS1〕:為參考電流提供準確的偏置電阻。 　　 26腳〔RBIAS2〕:提供準確電阻，3 kΩ，±1%?！　? 32腳〔RF_P〕:在RX 期間向LNA輸入正向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入正向射頻信號。 　　 34腳〔RF_N〕:在RX 期間向LNA輸入負向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入負向射頻信號。 　　 43腳(P2_4/XOSC_Q2):32.768 kHz XOSC的2.3端口。 　　 44腳(P2_4/XOSC_Q

58、1):32.768 kHz XOSC的2.4端口[13]。 2、溫度傳感器DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，干凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域[14]。 特點： 1、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處

59、理器與DS18B20的雙向通訊。 　　 2、測溫圍 －55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。 　　 3、多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。 　　 4、作電源: 3~5V/DC。 5、在使用中不需要任何外圍元件。　　 6、測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送?！　? 7、不銹鋼保護管直徑Φ6?！　? 8、適用于DN15~25，DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫。　　 9、標準安裝螺紋 M10X1，M12X1.5，G1/2任選。　　 10、V

60、C電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。 圖2-3 DS18B20 溫度傳感器封裝圖 DS18B20工作原理： DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820一樣，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s 減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度存放器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進展減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器

61、1的預(yù)置值減到0時，溫度存放器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重 新開場對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進展計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停頓溫度存放器值的累加，此時溫度存放器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表： DS18B20溫度傳感器的存儲器 DS18B20溫度傳感器的部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、TL和構(gòu)造存放器。如表2-1所示。 表2-1DS18B20溫度傳感器數(shù)據(jù)表

62、 3、集成放大器LM324 LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用符號來表示，它有5個引出腳，其中“+〞、“-〞為兩個信號輸入端，“V+〞、“V-〞為正、負電源端，“Vo〞為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-〔-〕為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+〔+〕為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端

63、的相位一樣[15]。 LM324的特點 1、短路保護輸出。　　 2、真差動輸入級。　　 3、可單電源工作：3V-32V。　 4、低偏置電流：最大100nA?！? 5、每封裝含四個運算放大器。 　　 6、具有部補償?shù)墓δ堋?　　 7、共模圍擴展到負電源。　　 8、行業(yè)標準的引腳排列?！? 9、輸入端具有靜電保護功能這個是最常用的運算放大器1，2，3腳是一組5，6，7腳是一組，8，9，10腳是一組，12，13，14腳是一組，剩下的兩個腳是電源，1，7，8，14是各組放大器的輸出腳，其它的就是輸入腳。 至于使用地方，那就是你需要比擬器和運算放大器的所有地方你都可以用，我們提到的設(shè)計

64、就是把它當(dāng)做簡單的比擬器來使用。構(gòu)造引腳如圖2-4所示。 圖2-4LM324構(gòu)造引腳圖 2.3 本章小結(jié) 針對智能家居系統(tǒng)的特點和開展趨勢，本章首先介紹了系統(tǒng)組成，并對系統(tǒng)各個局部進展了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設(shè)計原那么。接著主要對基于Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)進展了研究，介紹了Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)造。最后給出了硬件局部的設(shè)計思路，并且分析了所用到的主要芯片。 第三章硬件設(shè)計 硬件設(shè)計包括了上文提到的信息檢測模塊、家居控制模塊和電源管理模塊，以搭配ZigBee模塊舉起智能家居的硬件網(wǎng)絡(luò)，并要有硬件方面單獨的檢測。 3.1 硬件

65、原理圖 3.1.1 紅外檢測模塊 原理圖如圖3-1所示。 圖3-1紅外檢測電路原理圖 工作原理： 　　如圖3-2所示，當(dāng)紅外對管發(fā)射并接收紅外線的時候，電路接通，比擬器＋端相當(dāng)于直接接地，即0V電壓，－端輸出為調(diào)整好的２.５V電壓，故比擬器OUT端輸出低電平。當(dāng)有物體阻隔紅外線的時候，紅外對管的接收管阻隔斷開，比擬器＋端接入VCC，即５V電壓，故比擬器OUT端輸出高電平，產(chǎn)生檢測信號。接入ZigBee紅外檢測模塊的P1.4口。 實物圖如圖3-2所示。 圖3-2紅外檢測模塊實物圖 3.1.2 光照檢測模塊 原理圖如圖3-3所示。 圖3-3光照檢測電路原理圖

66、工作原理： 　　光敏電阻在有光照的情況下，呈現(xiàn)極小的的電阻，可以看做沒有電阻。電路在白天工作的時候，光照在光敏電阻上，如下圖比擬器的－端的電壓會是５V，而＋端顯示固定的2.5V，故比擬器輸出低電平。當(dāng)電路在黑暗的情況下工作時，與上面相反，－端的電壓這個時候由于光敏電阻的阻值近似無限大，所以輸出近似0V的電壓，＋端依舊是2.5V，所以電路的OUT端輸出高電平，產(chǎn)生檢測信號。正常工作的時候是在無光照的情況下產(chǎn)生并發(fā)送一個高電平。實物圖如圖3-4所示。 圖3-4光照檢測模塊實物圖 3.1.3 溫度檢測模塊 原理圖如圖3-5所示。 圖3-5溫度檢測電路原理圖 工作原理： DS18B20作為應(yīng)用很廣的溫度傳感器，設(shè)計電路的時候不需要外加其他的元器件，以串行通信的方式將采集到的溫度信息傳送到ZigBee模塊上，接入模塊的P1.1口。實物圖如圖3-6所示。 圖3-6溫度檢測模塊實物圖 3.1.4 電源管理模塊 原理圖如圖3-7所示。 圖3-7 5V電源原理圖 工作原理： 220V的交流電先經(jīng)過線圈的變壓作用，把其轉(zhuǎn)變?yōu)?V左右的交流電，在經(jīng)過橋式整流