智能家居系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1、智能家居系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 摘要：本文主要介紹ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中。提出了一種以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體構(gòu)成，CC2430無(wú)線芯片為棱心，選取了合適的ZigBee模塊進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)。研究并分析了ZigBe技術(shù)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了串口收發(fā)程序，傳感器程序，以及節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信程序，并根據(jù)ZigBee協(xié)議，使節(jié)點(diǎn)組成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，有著廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：智能家居;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);ZigBee;CC2430隨著時(shí)代的的發(fā)展，人們們將更

2、多的注注意力放在了了生活環(huán)境的的安全性、舒舒適性和便利利性上，從而而出現(xiàn)了智能能家居的概念念。智能家居居控制系統(tǒng)使使人們可以對(duì)對(duì)家居內(nèi)的任任意電器進(jìn)行行數(shù)字化控制制，利用計(jì)算算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)術(shù)將與家居生生活有關(guān)的各各種設(shè)備有機(jī)機(jī)地結(jié)合在一一起，進(jìn)行集集中管理，讓讓家居生活更更加舒適、安安全、有效。本本文以ZiggBee技術(shù)術(shù)對(duì)智能家居居內(nèi)部進(jìn)行無(wú)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)網(wǎng)，通過(guò)ZiigBee無(wú)無(wú)線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)節(jié)點(diǎn)對(duì)各種傳傳感器信息的的采集、傳輸輸和控制功能能。1 Ziggbee技術(shù)術(shù)ZigBeee技術(shù)是一一種強(qiáng)調(diào)極低低耗電、極低低成本的短距距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)，遵循循IEEE88

3、02.155.4標(biāo)準(zhǔn)。它它專注于低速速率傳輸控制制，網(wǎng)絡(luò)容量量大，時(shí)延短短，提供數(shù)據(jù)據(jù)完整性檢查查，加密算法法采用AESS-128，網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充性強(qiáng)強(qiáng)，有效覆蓋蓋范圍為10075 mm，具體依據(jù)據(jù)實(shí)際發(fā)射功功率的大小和和各種不同的的應(yīng)用模式而而定，基本上上能夠覆蓋普普通的家庭環(huán)環(huán)境，通信頻頻率采用2.4 GHzz免執(zhí)照頻段段。ZigBeee是一組基基于IEEEE802.115.4無(wú)線線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)開(kāi)發(fā)的，有關(guān)關(guān)組網(wǎng)、安全全和應(yīng)用軟件件方面的技術(shù)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEEE8022.15.44僅定義了MMAC層和物物理層協(xié)議，而而ZigBeee聯(lián)盟則對(duì)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層和和應(yīng)用層進(jìn)行行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZZigBeee聯(lián)盟還

4、開(kāi)發(fā)發(fā)了安全層，以以保證這種便便攜設(shè)備不會(huì)會(huì)意外泄漏其其標(biāo)識(shí)，而且且這種利用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離離傳輸不會(huì)被被其他節(jié)點(diǎn)獲獲得。2 系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主主要由傳感器器、CC24430無(wú)線模模塊構(gòu)成，結(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。無(wú)線傳感器器網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)個(gè)協(xié)調(diào)器，負(fù)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處處理、轉(zhuǎn)發(fā)以以及網(wǎng)絡(luò)的管管理。終端節(jié)節(jié)點(diǎn)(傳感器器節(jié)點(diǎn))上電電復(fù)位后，會(huì)會(huì)搜索協(xié)調(diào)器器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)能能夠搜索到協(xié)協(xié)調(diào)器時(shí)，直直接申請(qǐng)加入入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終終端節(jié)點(diǎn)搜索索不到協(xié)調(diào)器器時(shí)，這時(shí)就就會(huì)通過(guò)路由由器節(jié)點(diǎn)找到到協(xié)調(diào)器來(lái)加加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)后后保持待機(jī)狀狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送送時(shí)，按照組組網(wǎng)時(shí)

5、的路徑徑來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)調(diào)器通過(guò)串口口與PC機(jī)相相連，利用超超級(jí)終端實(shí)現(xiàn)現(xiàn)發(fā)送命令或或者顯示數(shù)據(jù)據(jù)。3 硬件電電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的的無(wú)線傳感器器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的的硬件結(jié)構(gòu)主主要由協(xié)調(diào)器器模塊，路由由器模塊，傳傳感器模塊，串串口轉(zhuǎn)換模塊塊，供電模塊塊以及PC機(jī)機(jī)等組成。其其中協(xié)調(diào)器、路路由器、傳感感器3個(gè)模塊塊作為主要的的無(wú)線通信模模塊，由主控控芯片CC22430作為為數(shù)據(jù)處理以以及無(wú)線收發(fā)發(fā)器。其系統(tǒng)統(tǒng)硬件電路結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如如圖2所示。3.1 主主控芯片選用CC22430芯片片作為無(wú)線收收發(fā)器和數(shù)據(jù)據(jù)處理及控制制器。CC22430在單單個(gè)芯片上整整合了ZiggBee射頻頻前端、內(nèi)存存和微控制器器

6、。它采用增增強(qiáng)型80551MCU、332/64/128 kkB閃存、88 kBSRRAM等高性性能模塊，還還包含模擬數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾幾個(gè)定時(shí)器、AAES-1228協(xié)同處理理器、看門(mén)狗狗定時(shí)器。332 kHzz晶振的休眠眠模式定時(shí)器器、上電復(fù)位位電路、掉電電檢測(cè)電路以以及21個(gè)可可編程I/OO引腳。3.2 無(wú)無(wú)線模塊設(shè)計(jì)計(jì)1)協(xié)調(diào)器器模塊協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)點(diǎn)由電壓轉(zhuǎn)換換模塊、按鍵鍵模塊、LCCD模塊、LLED指示燈燈、時(shí)鐘、處處理器CC22430、天天線等部分組組成。CC22430的工工作電壓為333.3 V，所以要要用電壓轉(zhuǎn)換換模塊把電壓壓從5 V降降低到3.33 V左右;LED指示示燈用來(lái)顯示示協(xié)調(diào)

7、器節(jié)點(diǎn)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信信息(如是否否組網(wǎng)成功);LCD模模塊是用戶和和傳感器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的交互界面面，用來(lái)顯示示功最長(zhǎng)能菜菜單，用戶通通過(guò)按鍵來(lái)選選擇功能菜單單。其電路圖圖如圖3所示示。2)傳感器器模塊與路由由器模塊傳感器模塊塊亦即是終端端節(jié)點(diǎn)模塊，由由傳感器、處處理器CC22430、天天線、LEDD指示燈、時(shí)時(shí)鐘等部分組組成。LEDD指示燈由PP1.0、PP1.1口控控制。傳感器器模塊就是在在協(xié)調(diào)器模塊塊的基礎(chǔ)上去去掉了LCDD，而加入了了傳感器。傳傳感器選用了了DHT111溫濕度傳感感器，與P00.0口相連連，來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)數(shù)據(jù)采集。路路由器模塊與與傳感器模塊塊的硬件電路路相同，只是是在編程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)功能上有

8、所所不同。4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)絡(luò)系統(tǒng)軟件設(shè)設(shè)計(jì) 在ZigBBee網(wǎng)絡(luò)中中，只有那些些可以成為ZZigBeee協(xié)調(diào)器的設(shè)設(shè)備才能建立立新網(wǎng)絡(luò)。協(xié)協(xié)調(diào)器首先執(zhí)執(zhí)行信道掃描描，如果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了一個(gè)合適適的信道，協(xié)協(xié)調(diào)器就要為為新網(wǎng)絡(luò)選擇擇一個(gè)PANN ID，然然后協(xié)調(diào)器進(jìn)進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)態(tài)，隨時(shí)響應(yīng)應(yīng)其他節(jié)點(diǎn)的的入網(wǎng)請(qǐng)求。ZigBeee網(wǎng)絡(luò)有兩兩種設(shè)備類型型：全功能節(jié)節(jié)點(diǎn)(FFDD)和半功能能節(jié)點(diǎn)(RFFD)。RFFD為終端節(jié)節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)FDD可以作為協(xié)協(xié)調(diào)器或路由由。軟件設(shè)計(jì)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)協(xié)調(diào)器程序以以及路由器、終終端節(jié)點(diǎn)程序序。它們均包包括初始化程程序、協(xié)議棧棧配置、組網(wǎng)網(wǎng)方式配置程程序、各處理理層設(shè)置程序序以及發(fā)射

9、程程序和接收程程序。初始化化程序主要是是對(duì)CC24430、協(xié)議議棧、UARRT串口等進(jìn)進(jìn)行初始化;發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)數(shù)據(jù)通過(guò)CCC2430調(diào)調(diào)制并通過(guò)DDMA直接送送至射頻輸出出;接收程序序完成數(shù)據(jù)的的接收、遠(yuǎn)傳傳及返回信息息處理。主程程序流程如圖圖4所示。主程序主要要分為2部分分，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)調(diào)器程序以及及路由器、終終端節(jié)點(diǎn)程序序。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)協(xié)調(diào)器主程序序，首先初始始化CC24430，然后后初始化協(xié)議議棧。之后程程序建立一個(gè)個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，確確定網(wǎng)絡(luò)的IID號(hào)和頻道道號(hào)。之后程程序開(kāi)始進(jìn)入入監(jiān)測(cè)狀態(tài)。如如果有新的設(shè)設(shè)備請(qǐng)求加入入網(wǎng)絡(luò)，則為為其分配網(wǎng)絡(luò)絡(luò)地址，批準(zhǔn)準(zhǔn)其加入網(wǎng)絡(luò)絡(luò)。同樣，協(xié)協(xié)調(diào)器接收

10、終終端設(shè)備無(wú)線線發(fā)送來(lái)的信信息，并通過(guò)過(guò)串口發(fā)送給給上位機(jī)，或或者從上位機(jī)機(jī)得到命令，發(fā)發(fā)送過(guò)終端設(shè)設(shè)備。對(duì)于路由器器、終端節(jié)點(diǎn)點(diǎn)程序，首先先初始化CCC2430，然然后初始化協(xié)協(xié)議棧。之后后程序開(kāi)始搜搜索網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)當(dāng)附近存在網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則申申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)絡(luò)。之后程序序進(jìn)入待機(jī)休休眠狀態(tài)。如如果終端傳感感器有信息要要發(fā)送，或者者接收到協(xié)調(diào)調(diào)器的命令，則則喚醒設(shè)備，進(jìn)進(jìn)行無(wú)線發(fā)送送或接受。當(dāng)當(dāng)事件處理完完時(shí)，重新進(jìn)進(jìn)入待機(jī)休眠眠狀態(tài)。5 系統(tǒng)實(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能能主要包括以以下幾個(gè)方面面：建立樹(shù)狀狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu);查詢網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)點(diǎn)信息和傳感感器數(shù)據(jù)，如如電池電量、節(jié)節(jié)點(diǎn)溫度信息息等;控制節(jié)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)功

11、功能。本系統(tǒng)使用用了4個(gè)無(wú)線線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這這樣能夠組成成一個(gè)基本的的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。并并且根據(jù)情況況做了多種組組網(wǎng)測(cè)試：1)1個(gè)協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，33個(gè)終端節(jié)點(diǎn)點(diǎn);2)1個(gè)協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，11個(gè)路由器節(jié)節(jié)點(diǎn)，2個(gè)終終端節(jié)點(diǎn);3)1個(gè)協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，22個(gè)路由器節(jié)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)終終端節(jié)點(diǎn)。在2)和33)情況下，根根據(jù)節(jié)點(diǎn)與協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之之間距離、各各節(jié)點(diǎn)彼此之之間距離的不不同，又會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生多種組網(wǎng)網(wǎng)方式。例如如2)情況下下，終端節(jié)點(diǎn)點(diǎn)離協(xié)調(diào)器近近的話，會(huì)直直接與協(xié)調(diào)器器連接;而當(dāng)當(dāng)搜索不到協(xié)協(xié)調(diào)器時(shí)，就就會(huì)通過(guò)路由由器來(lái)連接。圖圖5為3)情情況下的一種種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖5所示為C551RF-WWSN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)監(jiān)控軟件所截截

12、圖，通過(guò)此此軟件，可以以實(shí)時(shí)查看網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并并能向各個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令令信息，例如如查看網(wǎng)絡(luò)狀狀態(tài)，查看信信號(hào)質(zhì)量，電電池電量，采采集數(shù)據(jù)信息息等。智能家居系統(tǒng)的的終端節(jié)點(diǎn)可可以包括許多多內(nèi)容，從而而實(shí)現(xiàn)一些子子系統(tǒng)。例如如：照明系統(tǒng)統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)統(tǒng)，家電控制制系統(tǒng)等。在在我們?cè)O(shè)計(jì)的的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制制燈開(kāi)關(guān)照明明;利用DHHT11溫濕濕度傳感器實(shí)實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的溫濕度監(jiān)監(jiān)測(cè)，其信息息能夠在PCC機(jī)上很好的的顯示出來(lái)。圖6所示為為傳感器所測(cè)測(cè)2個(gè)路由器器節(jié)點(diǎn)與1個(gè)個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的的溫濕度信息息。6 結(jié)束語(yǔ)語(yǔ)針對(duì)我國(guó)智能家家居快速發(fā)展展的背景，本本文對(duì)基于ZZigBeee

13、技術(shù)的智能能家居組網(wǎng)進(jìn)進(jìn)行了軟硬件件設(shè)計(jì)。ZiigBee無(wú)無(wú)線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以CCC24300無(wú)線射頻芯芯片為核心，節(jié)節(jié)省了成本，并并且終端節(jié)點(diǎn)點(diǎn)小巧，放置置靈活，功耗耗極低，提高高了監(jiān)控能力力，再加上采采用樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得通通信更加可靠靠，易于控制制，非常方便便實(shí)用，并且且成 本低廉。因因此，ZiggBee技術(shù)術(shù)將會(huì)有廣闊闊的應(yīng)用前景景。參考文獻(xiàn)：1 方治華華. 振動(dòng)系系統(tǒng)特征值靈靈敏度分析的的研究及應(yīng)用用. 包頭鋼鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)報(bào), 19997, 166(1): 7074.2 嚴(yán)天宏等等. 振動(dòng)主主動(dòng)控制中傳傳感器/作動(dòng)動(dòng)器最優(yōu)配置置問(wèn)題的模擬擬退火方法研研究. 振動(dòng)動(dòng)與沖擊, 2000, 19(22): 14.3 張