基于Zigbee技術(shù)的智能家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Zigbee技術(shù)的智能家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文采用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行組建室內(nèi)家電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使各種家用設(shè)施(如照明、家電和室內(nèi)環(huán)境等)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，體現(xiàn)無(wú)線技術(shù)的方便和安全。首先，本文在分析了國(guó)內(nèi)外智能家電系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，針對(duì)智能家電系統(tǒng)存在的布線難、造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，提出采用基于Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的智能家電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的采集和傳輸。通過(guò)對(duì)智能家電網(wǎng)絡(luò)的分析、對(duì)比和研究，采用星型網(wǎng)絡(luò)組建智能家電系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；利用TI的射頻芯片CC2420Zigbee模塊和Microchip的微控制器PIC18LF4620設(shè)計(jì)并構(gòu)架成一種低成本，高靈活性、通用的Zigbee無(wú)線智能家電網(wǎng)絡(luò)。然后，介紹智能家電控制系統(tǒng)的軟件部分實(shí)現(xiàn)。利用Microchip提供的Zigbee協(xié)議，結(jié)合具體要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行編程。關(guān)鍵詞：智能家電；Zigbee；PIC18LF2420；CC2420；

TheDesignofSmartHomeElectricalAppliancesBasedonZigbeeTechnologyAbstractThisarticleusesthewirelesscommunicationtechnologytocarrythroughtheHomeelectricalappliancesnetwork,whichmakesallkindsofhomefacility(suchasillumination,homeelectricalandhomeenvironmentetc.)interconnect,toreflecttheconvenienceandsecurityofthewirelesscommunicationtechnology.First,throughtheanalyzethepresentstatusfromdomestictooverseascontraposedtheproblemofhard-routing,high-cost,complex-structureexistingintheSmartHomeelectricalappliances,andproposedadesignoptionsbyadoptingZigbeewirelesscommunicationtechnology,forthewirelessdataofgatherandtransmission.Thisarticleonthesmartappliancenetworkanalysis,comparisonandresearch,theuseofstarstoformsmartnetworkappliancesystem'sinternalnetwork;theuseofTI'sradiofrequencychipCC2420ZigbeemodulesandPIC18LF4620microcontrollerMicrochipdesignandarchitectureintoalow-cost,highlyflexible,general-purposenetworkZigbeewirelessintelligenthomeappliances.Andthen,thisarticleintroducethesmarthomeappliancescontrolsystemwhosesoftwaretoachieve,MicrochipprovidestheuseoftheZigbeeprotocol,combinedwiththefunctionalitytoachievespecificprogram.Keywords:SmartHomeelectricalappliances；Zigbee；PIC18LF2420；CC2420；內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）目錄摘要 I第一章引言 11.1研究背景 11.1.1智能家電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 21.1.2智能家電控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特點(diǎn) 21.1.3智能家電的發(fā)展方向 31.2智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 31.2.1有線技術(shù) 41.2.2家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 41.3本章小結(jié) 7第二章Zigbee組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 82.1IEEE802.15.4 82.1.1IEEE802.15.4 82.2Zigbee體系結(jié)構(gòu) 92.2.1Zigbee簡(jiǎn)介 92.2.2Zigbee體系結(jié)構(gòu) 92.3控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇 162.3.1設(shè)計(jì)原則 162.3.2星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 17第三章網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件設(shè)計(jì) 193.1硬件總體設(shè)計(jì) 193.2主控制器（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器） 203.2.1晶振電路 213.2.2電源電路 213.3Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊電路 223.3.1無(wú)線芯片介紹 233.3.2射頻電路 253.3.3與單片機(jī)的接口 26第四章網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試分析 314.1協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì) 314.2網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和入網(wǎng) 324.3發(fā)送消息 334.4接收消息 344.5數(shù)據(jù)的傳輸 354.6數(shù)據(jù)的接收 364.7系統(tǒng)的調(diào)試 37第五章總結(jié)與展望 405.1本文總結(jié) 405.2經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 405.3設(shè)計(jì)展望 41參考文獻(xiàn) 42內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）引言近年來(lái)計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和通信技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)深刻地改變了人們的工作方式，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為社會(huì)創(chuàng)造了巨大的財(cái)富，相比之下帶給個(gè)人和家庭生活的好處卻十分有限，傳統(tǒng)的家居方式并沒(méi)有因信息時(shí)代的到來(lái)而產(chǎn)生多大變化.家電產(chǎn)品種類日益增多，分散控制給人們帶來(lái)了極大的不便。在這樣的背景下，人們開(kāi)始關(guān)注居住環(huán)境，注重家居環(huán)境的安全、健康、便捷和舒適，如何有效地在家居環(huán)境內(nèi)組建家庭信息網(wǎng)絡(luò)，將各種家電產(chǎn)品結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行集中或異地的智能化控制與管理，并且能夠與外界進(jìn)行信息交流，更好地為人們提供家居環(huán)境的各類信息。研究背景隨著人們的生活水平大幅度提高，對(duì)生活環(huán)境的要求也越來(lái)越高，“智能家居”這一概念逐漸進(jìn)入普通居民的視野，而智能家電作為“智能家居”一個(gè)重要組成部分，更是普通居民所普遍關(guān)注的問(wèn)題。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是信息時(shí)代的重要特征，自從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，信息化己經(jīng)開(kāi)始向社會(huì)各領(lǐng)域滲透、發(fā)展。從科研、國(guó)防到金融、商務(wù)直至辦公、企業(yè)管理。今后幾年，社會(huì)信息化必然引起家庭信息化，因此，家庭網(wǎng)絡(luò)化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。智能家電控制系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種家電，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效[2]。與普通家電相比，智能家電系統(tǒng)不僅具有家電的傳統(tǒng)功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間，還由原來(lái)的靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間。智能家電控制系統(tǒng)只是智能家居系統(tǒng)的一個(gè)部分，它利用智能家居系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作。它是將普通家電利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的新型家電產(chǎn)品。該系統(tǒng)將家電組成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)有能與外部互聯(lián)網(wǎng)相連接。因此，智能家電控制系統(tǒng)包括兩個(gè)方面：一是家電之間的互聯(lián)問(wèn)題，也就是使不同家電之間能夠互相識(shí)別，協(xié)同工作；二是解決家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，使家庭中的家電設(shè)備進(jìn)行信息的交換。智能家電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前，智能家電在發(fā)展中遇到了一些問(wèn)題：系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、普及率低等，據(jù)資料顯示，我國(guó)的智能家居產(chǎn)業(yè)存在沒(méi)有相關(guān)的統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)企業(yè)各自為準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品不能相互的兼容；產(chǎn)品的實(shí)用性差，操作復(fù)雜，供需脫節(jié)；價(jià)格居高不下。早在70年代，國(guó)外便開(kāi)始研究相關(guān)的技術(shù)，發(fā)展至今有X-10、CEBus、LonWorks、ApBus等。其中發(fā)展最成熟的技術(shù)、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是X-10，其產(chǎn)品以超過(guò)5000多種，比如燈光控制、家庭影院等。其在美國(guó)的市場(chǎng)占有率是最高的，特點(diǎn)是不需要重新布線、裝置成本低、可DIY且技術(shù)支持豐富。但其反應(yīng)速度慢，抗干擾能力差。其工作電壓是110伏（美國(guó)電壓是110伏，中國(guó)電壓是220伏）。因此，目前我國(guó)還處于初級(jí)的發(fā)展階段，個(gè)大廠家推出了各自的智能家居控制系統(tǒng)，如科龍集團(tuán)研制的“智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng)”，海信的“智能家居控制系統(tǒng)”，清華同方的“e-Home數(shù)字家園”等。智能家電控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特點(diǎn)本控制系統(tǒng)需要的是低速率、低成本的控制技術(shù)。音視頻等大數(shù)據(jù)傳輸可能需要高速的通信接口來(lái)維持，而本網(wǎng)絡(luò)在于設(shè)備的互連和控制功能，不需要高速率的通信技術(shù)來(lái)支撐。從實(shí)用的角度來(lái)看，控制系統(tǒng)需要的是能提供更為便利的低成本組網(wǎng)。因此，我們要重點(diǎn)考慮以下特點(diǎn)：低成本：網(wǎng)絡(luò)中控制的對(duì)象主要是大量的家電和傳感器終端節(jié)點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)化：要求各個(gè)家電之間互相通信，標(biāo)準(zhǔn)化十分重要。自組織：由于用戶不能親身進(jìn)行系統(tǒng)的配置和管理。因此，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的電器具備自組織和協(xié)同工作是十分必要的?？勺詳U(kuò)展性：系統(tǒng)在不改動(dòng)的情況下，能夠自動(dòng)進(jìn)行軟件升級(jí)和功能擴(kuò)展。嵌入式應(yīng)用：指設(shè)備通過(guò)嵌入式模塊可以直接接入Internet實(shí)現(xiàn)信息交換或通過(guò)移動(dòng)通信模塊(GSM、GPRS等)直接接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互。智能家電的發(fā)展方向網(wǎng)絡(luò)化是未來(lái)無(wú)線智能家電控制系統(tǒng)的發(fā)展方向[6]，它能提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，而且可以通過(guò)不同的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。各種家庭互連的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的提出推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，無(wú)線互聯(lián)為人們提供更好的移動(dòng)便利，而接口的標(biāo)準(zhǔn)化可以使不同廠家產(chǎn)品互相兼容。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展十分迅速，從廣域網(wǎng)(Internet、GSM\GPRS)到基于IEEE802.11系列的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、基于藍(lán)牙的無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)基于Zigbee的低速無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(LR-WPAN)[3]，再加上嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，人們可以實(shí)現(xiàn)家具設(shè)備和微控制器的互連。本文是基于智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，提出了一種基于Zigbee技術(shù)的智能家電解決方案的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通過(guò)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)對(duì)家庭電器進(jìn)行控制和監(jiān)控。智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)室內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要解決家庭內(nèi)部各種家電之間的信息傳輸，因此，合理選擇聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就顯得非常關(guān)鍵。目前關(guān)于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)有許多種解決方案，主要是有線和無(wú)線方式。有線方式包括電力線載波的X-10和CEBus、以太網(wǎng)的以及專用總線LonWorks等。無(wú)線方式包括紅外的IrDA、無(wú)線局域網(wǎng)的IEEE802.11系列、家庭射頻技術(shù)HomeRF、藍(lán)牙的IEEE802.15.1和ZigBee的IEEE802.15.4等。有線技術(shù)目前，絕大多數(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)中，仍采用有線技術(shù)進(jìn)行家庭控制網(wǎng)絡(luò)的組建，大至可以分為以下幾種：電力線交流電力線可以連接整個(gè)房屋的每個(gè)角落，由于很早就作為家庭網(wǎng)絡(luò)的連接媒介，因此，X-10技術(shù)已發(fā)展的十分成熟。這種技術(shù)在美國(guó)占據(jù)著主流的市場(chǎng)，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)傳輸有很高的可靠性，但是，由于電力線自身的噪聲和信號(hào)的傳輸效率等原因，這種技術(shù)不適合數(shù)據(jù)的高速傳輸，而且也沒(méi)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展性較差。以太網(wǎng)(Ethernet)以太網(wǎng)是需要重新布線的組網(wǎng)技術(shù)。它必須采用專門鋪設(shè)的線纜布網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸率相當(dāng)高，可達(dá)到10Mbps或100Mbps，能夠傳輸電話、數(shù)據(jù)、視頻和家電控制信息，主要用于個(gè)人電腦的有線局域網(wǎng)和高速因特網(wǎng)。它的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)己經(jīng)十分成熟，以太網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)備在市場(chǎng)上可以很容易買到。以太網(wǎng)本身的實(shí)現(xiàn)成本并不高，但專門布線需要花大量的費(fèi)用。電話線組網(wǎng)電話線組網(wǎng)類似以太網(wǎng)，有可以共享的介質(zhì)，無(wú)需交換機(jī)或集線器。同時(shí)用戶不必在線路上改變，其與以太網(wǎng)設(shè)備基本類似但其沒(méi)有提供足夠份額RJ-11接口，這便給設(shè)備的擴(kuò)展帶來(lái)諸多的不變。家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)家居生活的要求不斷的提高，一些著名的IT企業(yè)共同合作，推出名為“無(wú)線家居”的新理念?！盁o(wú)線家居”是未來(lái)的發(fā)展方向，在有線方式中，各傳感器和控制器的連接都通過(guò)總線，其優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化功能單元的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是布線復(fù)雜，結(jié)構(gòu)繁復(fù)等，而無(wú)線技術(shù)不僅不存在布線的問(wèn)題，而且擴(kuò)展容易，維護(hù)以及使用都比較簡(jiǎn)單。微電子技術(shù)的發(fā)展促使各種SOC的實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都可以通過(guò)IC來(lái)完成，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)和實(shí)施的難度[2]?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上無(wú)線技術(shù)種類較多，應(yīng)用范圍不同，其中，應(yīng)用最為廣泛的有如下幾種無(wú)線技術(shù)：家庭無(wú)線電射頻技術(shù)(HomeRF)家庭無(wú)線電射頻技術(shù)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是由Proxio、西門子、摩托羅拉、康柏電腦等發(fā)起組建的工作組負(fù)責(zé)研發(fā)的，其研發(fā)初衷旨在為家庭無(wú)線聯(lián)網(wǎng)提供一種組網(wǎng)方便、易用、成本低廉的通用性標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF標(biāo)準(zhǔn)集成了語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，工作頻段為2.4GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1~2Mbps，HomeRF是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的綜合和改進(jìn)。但是，由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有公開(kāi)，僅獲得了數(shù)十家公司的支持，在抗干擾能力等方面與其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比還存在著不少缺陷，并且后續(xù)研發(fā)技術(shù)升級(jí)進(jìn)展遲緩，在同其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的競(jìng)爭(zhēng)中漸漸失利，喪失了其技術(shù)的優(yōu)勢(shì)地位，有被擠出無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)的可能。藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)藍(lán)牙技術(shù)最初由愛(ài)立信創(chuàng)制。1999年5月20日，索尼愛(ài)立信、英特爾、諾基亞及東芝等創(chuàng)立藍(lán)牙特別興趣組，制訂藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙用于在不同的設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線連接。藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.1，RFIDRFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫(xiě)，即射頻標(biāo)記。RFID是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)頻技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RF專指具有一定波長(zhǎng)，可用于無(wú)線電通訊的電磁波[4]，成本過(guò)于昂貴。ZigbeeZigbee是一種新的無(wú)線連接技術(shù)，該無(wú)線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。其名字來(lái)源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，即蜜蜂通過(guò)跳Zag形狀的舞蹈來(lái)分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。Zigbee技術(shù)特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)部分1、數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低數(shù)據(jù)傳輸速率有20kbps、40kbps、250kbps三種。2、功耗低，設(shè)備省電Zigbee技術(shù)采用多種節(jié)電的工作模式。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通號(hào)干電池可支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。3、成本低因?yàn)閆igbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，并且在的頻段是免費(fèi)的。所以大大降低了成本。4、網(wǎng)絡(luò)容量大每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)理論上可容納65536個(gè)設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)容量相當(dāng)可觀。5、有效范圍小單個(gè)設(shè)備的有效覆蓋范圍在10m~75m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。6、工作頻段靈活該技術(shù)可使用的頻段分別有2.4GHz（ISM）、868MHz（歐洲）和915MHz（美國(guó)）其中2.4GHz在工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療方面為全球公用的免費(fèi)頻段。表1.1給出了幾種無(wú)線技術(shù)之間的比較。表1.1幾種無(wú)線技術(shù)的比較種類Zigbee藍(lán)牙RFIDHomeRF單點(diǎn)覆蓋距離50m~300m10m1m~10m50m網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性自動(dòng)擴(kuò)展無(wú)無(wú)有最大功耗1mW~3mW1mW~100mW050mW復(fù)雜性簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜傳輸速率250Kb/s1Mb/s0.212Mb/s1.2Mb/s工作頻段868/915MHz、2.4GHz2.4GHz5.8GHz2.4GHz網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)650008無(wú)127終端設(shè)備費(fèi)用低低低一般安全性128bitAES64bit,128bit密鑰50s/次集成度和安全性高高一般一般使用成本低低低一般安裝使用難用非常簡(jiǎn)單一般簡(jiǎn)單一般本章小結(jié)本章首先對(duì)智能家電系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要概述，介紹了國(guó)內(nèi)外就發(fā)展?fàn)顩r，接著對(duì)智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行介紹，最后得出結(jié)論，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅充分利用了它本身的靈活簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了人力和物力成本，并且更符合網(wǎng)絡(luò)通訊的特點(diǎn)。Zigbee組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議Zigbee是近幾年提出的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。IEEE802.15.42000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組。這個(gè)工作組將致力于定義一種廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、低成本、低功耗、地速率的無(wú)線連接技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層及以上層協(xié)議。IEEE802.15.4IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)于低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Low-rateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN)，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。[6]IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)[4]：傳輸速率有20kb/s，40kb/s和250kb/s三種；星型對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；設(shè)備有16bit短地址和64bit的擴(kuò)展地址；保證時(shí)障(GTS)的分配；CSMA-C的信道接入；保證可靠性傳輸?shù)耐耆珣?yīng)答機(jī)制；低功率；能量檢測(cè)；鏈路質(zhì)量標(biāo)識(shí)；LR-WPAN中含有兩種不同類型的設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和簡(jiǎn)單功能設(shè)備(RFD)FFD在三種網(wǎng)絡(luò)頻段中可作為整個(gè)PAN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器或網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用設(shè)備。FFD可以和RFD或者FFD通信，而簡(jiǎn)單功能設(shè)備(RFD)只能和FFD通信。RFD設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中主要是一個(gè)應(yīng)用設(shè)備，它們相當(dāng)簡(jiǎn)單，比如它們可以作為燈的開(kāi)關(guān)或者紅外傳感器，但不能傳輸大規(guī)模的數(shù)據(jù)，而且在某一時(shí)刻只能和一個(gè)FFD相聯(lián)系。Zigbee體系結(jié)構(gòu)Zigbee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)和物理層(PHY)。IEEE802.15.4總共定義了3個(gè)工作頻段：2.4GHz、915MHz、868MHz。每個(gè)頻段都提供固定數(shù)量的信道。例如，2.4GHz頻段總共提供16個(gè)信道(信道11~26)、915MHz頻段提供10個(gè)信道(信道1~10)而868MHz頻帶提供1個(gè)信道(信道0)。符合該標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可以嵌入到家庭和樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、PC外圍、醫(yī)療傳感器應(yīng)用以及玩具和游戲當(dāng)中。Zigbee簡(jiǎn)介Zigbee技術(shù)的命名主要來(lái)自于人們對(duì)蜜蜂采蜜過(guò)程的觀察，蜜蜂在采蜜的過(guò)程中，跳著優(yōu)美的舞蹈，形成Zigzag的形狀，以此來(lái)相互交流信息，以便獲取共享食物源的方向、距離和位置等信息。又因蜜蜂自身體積小，所需的能量少，又能傳送所采集的花粉，因此，人們用Zigbee技術(shù)來(lái)代表具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無(wú)線通信技術(shù)，中文譯名通常為“智蜂”技術(shù)。Zigbee體系結(jié)構(gòu)ZigBee體系結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，以開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)7層模型為基礎(chǔ)，但它只定義了和實(shí)際應(yīng)用功能相關(guān)的層。它采用了IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)制定的物理層((PHY)和介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)作為ZigBee技術(shù)底層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)之上建立它的網(wǎng)絡(luò)層((NWK)和應(yīng)用層框架，這個(gè)應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。[4]圖2.1Zigbee體系結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，Zigbee技術(shù)的協(xié)議層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不同于藍(lán)牙和其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常為7層，而Zigbee技術(shù)僅為3層。在Zigbee技術(shù)中，PHY層和MAC層采用lEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中，PHY提供了兩種類型的服務(wù)——通過(guò)物理層管理實(shí)體接口(PLME)對(duì)PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)[5]。Zigbee物理層協(xié)議規(guī)范PHY層主要負(fù)責(zé)處理以下任務(wù)[4]：無(wú)線發(fā)射機(jī)的激活和關(guān)閉；已有信道的能量檢測(cè)；接收分組的鏈路質(zhì)量指示；基于CSMA-CA的空閑信道評(píng)估；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)傳輸和接收。3個(gè)頻段共有27個(gè)信道，編號(hào)從0~26。其中，2.4GHz頻段有16個(gè)信道。915MHz頻段有10個(gè)信道，868MHz頻段有1個(gè)信道。這些信道的中心頻率定義如下：Fc=868.8MHz，k=0；(2-1)Fc=906+2(k-1)MHz，k=1，2，…，10；(2-2)Fc=24.5+5(k-11)MHz，k=11，12，…，26。[4](2-3)IEEE802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。圖2.2是各物理層各功能實(shí)體和服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)的模型描述：PLME：PHY層管理實(shí)體，處理與物理層管理相關(guān)的原語(yǔ)。PHYPIB：PHY層PAN信息數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)物理層PAN相關(guān)屬性。PD-SAP：PHY數(shù)據(jù)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)，物理層與MAC層的數(shù)據(jù)接口。接收將要發(fā)送的MAC幀、向MAC層報(bào)告收到的MAC幀，為MAC層提供PHY數(shù)據(jù)服務(wù)。PLME-SAP：PLME服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)，物理層與MAC層的管理接口。接收MAC的管理請(qǐng)求原語(yǔ)，向MAC層報(bào)告管理指示原語(yǔ)和確認(rèn)原語(yǔ)，為上層MAC層提供PHY管理服務(wù)。RF-SAP：射頻服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)，為PHY層提供射頻收發(fā)服務(wù)。圖2.2物理層參考模型物理層提供兩種服務(wù)，通過(guò)這兩種服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)接入：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)(其接入通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PD-SAP))、物理層管理服務(wù)（其接入通過(guò)PLME服務(wù)接入點(diǎn)（PLME-SAP））。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDU在Zigbee物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDU(PHYProtocolDataUnit)數(shù)據(jù)包格式中，最左邊的字段優(yōu)先發(fā)送和接收。在多個(gè)字節(jié)的字段中，優(yōu)先發(fā)送或接收最低有效字節(jié)，而在每一個(gè)字節(jié)中優(yōu)先發(fā)送最低有效位。同樣，在物理層與MAC層之間數(shù)據(jù)字段的傳送也遵循這一規(guī)則。物理層的載波調(diào)制Zigbee技術(shù)不同于其他無(wú)線技術(shù)，對(duì)于不同的國(guó)家和地區(qū)，為其提供的工作頻率范圍不同，Zigbee所使用的頻率范圍主要分為868/915MHz和2.4GHz頻段。Zigbee設(shè)備在三個(gè)免許可證的頻段分別采取不同的調(diào)制和擴(kuò)頻方式。2.4GHz頻段物理層采用了16位準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)，數(shù)據(jù)的處理過(guò)程如圖2.3首先將物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中每4位轉(zhuǎn)換為一個(gè)符號(hào)(symbol)，然后將每個(gè)符號(hào)轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為32的片序列。在把符號(hào)轉(zhuǎn)換為片序列時(shí)，用符號(hào)在16個(gè)準(zhǔn)正交的偽隨機(jī)噪聲(PIE序列中選擇一個(gè)作為該符號(hào)的片序列。擴(kuò)頻后，信號(hào)通過(guò)O-QPSK調(diào)制方式調(diào)制到載波上。圖2.3頻率調(diào)制ZigbeeMAC層協(xié)議規(guī)范IEEE802.15.4-2003MAC子層控制使用CSMA-CA機(jī)制接入到無(wú)線信道。它的職責(zé)包括傳輸信標(biāo)幀、保持同步提供可靠的傳輸機(jī)制。[4]MAC層使用PHY層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)幀傳輸，同時(shí)MAC層處理高層對(duì)物理層PHY層射頻信道的所有訪問(wèn)，其主要任務(wù)如下：能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器)；同信標(biāo)保持同步；支持設(shè)備的安全性；信道接入采用CSMA-CA接入機(jī)制；處理和維護(hù)GTU機(jī)制；在對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供可靠傳輸。MAC層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個(gè)接口。從概念上說(shuō)，MAC層包括一個(gè)管理實(shí)體：通常稱為MAC層管理實(shí)體(MLME)。該實(shí)體提供一個(gè)服務(wù)接口，通過(guò)此接口可調(diào)入MAC層管理功能。同時(shí)，該管理實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù)MAC層固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含了MAC層的個(gè)域網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)(PIB)信息。圖2.4是MAC層的服務(wù)實(shí)體和接口。圖2.4MAC子層模型MAC子層提供兩種服務(wù)，通過(guò)兩種服務(wù)接入點(diǎn)接入。MAC數(shù)據(jù)服務(wù)，通過(guò)公共部分子層數(shù)據(jù)接入點(diǎn)MCPS-SAP接入；MAC管理服務(wù)，通過(guò)MLME-SAP接入。其中數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)。MAC層的幀格式和幀類型一個(gè)MAC幀通常由MAC層幀頭，MAC負(fù)載、MAC層幀尾構(gòu)成。MAC層幀頭包含幀控制、幀序列號(hào)以及地址域，MAC層幀頭中的順序是一定的；MAC負(fù)荷中包含了一些特定幀的信息，它的長(zhǎng)度是可變的；MAC層幀尾中包含幀校驗(yàn)序列域(FCS)。一個(gè)數(shù)據(jù)幀使用哪種地址類型由幀控制字段的內(nèi)容決定。由于在物理層數(shù)據(jù)幀中包括了表示MAC幀長(zhǎng)度的字段，所以在MAC幀結(jié)構(gòu)中沒(méi)有表示幀長(zhǎng)度的字段。MAC負(fù)載長(zhǎng)度可以通過(guò)物理層幀長(zhǎng)和MAC幀頭的長(zhǎng)度表示出來(lái)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中共定義了四種類型的幀：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。具體幀結(jié)構(gòu)請(qǐng)參考文獻(xiàn)[4]說(shuō)明。Zigbee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議規(guī)范Zigbee網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括設(shè)備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDE-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLME-SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)(NIB)的維護(hù)和管理。如圖2.5所示圖2.5網(wǎng)絡(luò)層模型網(wǎng)絡(luò)層幀的格式，即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)的格式。網(wǎng)絡(luò)層幀由下列基本部分組成：①網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭。包含幀控制、地址和序列信息。②網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長(zhǎng)有效載荷。包含幀類型所指定的信息。網(wǎng)絡(luò)層幀格式通常由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層報(bào)頭和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層有效載荷組成。盡管不是所有的幀都包含地址和序列域，但網(wǎng)絡(luò)層幀的報(bào)頭域，還是按照固定的順序出現(xiàn)。Zigbee應(yīng)用層應(yīng)用層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層(APS)，Zigbee設(shè)備對(duì)象(ZDO)及廠商定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層(APS)的作用是維護(hù)設(shè)備綁定表，它具有根據(jù)服務(wù)及需求匹配兩設(shè)備的能力，且通過(guò)邊界的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。[4]應(yīng)用支持子層(APS)的另一作用是設(shè)備發(fā)現(xiàn)，它能發(fā)現(xiàn)在工作范圍內(nèi)操作的其它設(shè)備。ZDO的職責(zé)是定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備的角色(如Zigbee協(xié)調(diào)器或末端設(shè)備)、發(fā)起或回應(yīng)綁定請(qǐng)求、在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全機(jī)制(如選擇公共密鑰、對(duì)稱密鑰等)等。廠商定義的應(yīng)用對(duì)象根據(jù)Zigbee定義的應(yīng)用描述執(zhí)行具體的應(yīng)用。APS(Applicationsupportsub-layer)層主要提供Zigbee端點(diǎn)接口。應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_(kāi)或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。它還為鍵值對(duì)(KeyValuePairKVP)和報(bào)文(MSG)數(shù)據(jù)傳輸提供了原語(yǔ)。APS層同樣也有綁定表。綁定表提供了端點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的群集ID對(duì)之間的邏輯鏈路。當(dāng)首次對(duì)協(xié)調(diào)器編程時(shí)綁定表為空。主應(yīng)用程序必須調(diào)用正確的綁定API來(lái)創(chuàng)建新的綁定項(xiàng)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇在整個(gè)系統(tǒng)中，總線或網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是系統(tǒng)的核心部分，其不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的成本，還與系統(tǒng)的安全性、可用性、可靠性、擴(kuò)展性有直接的關(guān)聯(lián)。因此本文以下是對(duì)系統(tǒng)中的Zigbee無(wú)線通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)原則本文利用家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種家電進(jìn)行互連，因此可以利用共享網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)大幅度降低成本。采用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循以下設(shè)計(jì)原則：提高家庭網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽摼W(wǎng)絡(luò)是將各個(gè)家電設(shè)備組建成網(wǎng)絡(luò)，使之成為一個(gè)有機(jī)協(xié)調(diào)互動(dòng)的整體，據(jù)查閱資料，信號(hào)的傳輸速率可以比較低，一般在數(shù)l0Kbps就可滿足要求，但是信息傳輸?shù)目煽啃砸蟊容^高。這是因?yàn)樗鼈鬏數(shù)男畔⑹歉鞣N設(shè)備的狀態(tài)和控制信息，它的錯(cuò)誤不僅可能導(dǎo)致設(shè)備的非正常工作，而且可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。因此網(wǎng)絡(luò)部分在技術(shù)上主要解決的問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇方案和傳輸?shù)目煽啃?。網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，自適用性電器設(shè)備位置的頻繁更換和網(wǎng)絡(luò)控制器的癱瘓等，都可能引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和網(wǎng)絡(luò)通信不暢，從而使智能家電系統(tǒng)停止工作等。因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有自組織性和自適用性，以適應(yīng)各種復(fù)雜的場(chǎng)合。系統(tǒng)具備可擴(kuò)展性隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，人們開(kāi)始不太滿足短距離控制家居設(shè)備，希望能從互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)等遠(yuǎn)程遙控家居設(shè)備，因此系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性，滿足人們功能擴(kuò)展的需要。由以上的分析可知，一方面系統(tǒng)只要采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼纯蓾M足控制要求；另一面由于本系統(tǒng)屬于智能家居網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)絡(luò)，方便加入整個(gè)家居網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由PAN主協(xié)調(diào)器和多個(gè)從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須是一個(gè)具有完整功能的設(shè)備(FFD)，從設(shè)備既可以是完整功能設(shè)備(FFD)也可以是簡(jiǎn)化功能設(shè)備(RFD)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況，采用不同功能的設(shè)備，合理地構(gòu)造通信網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)通信中，通常把這些設(shè)備分為起始設(shè)備或者終端設(shè)備。在Zigbee應(yīng)用中，PAN主協(xié)調(diào)器是主要的耗能設(shè)備，而其他從設(shè)備均采用電池供電，Zigbee技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常在PC外圍設(shè)備、玩具、游戲以及個(gè)人健康檢查等方面得到應(yīng)用。星型網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，當(dāng)一個(gè)具有完整功能的設(shè)備(FFD)第一次被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)，將自身成為一個(gè)PAN主協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，這就說(shuō)明了在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)唯一的PAN主協(xié)調(diào)器，通過(guò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，目前，其他無(wú)線通信設(shè)備的星型網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有采用這種方式。因此，一旦選定了一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，PAN主協(xié)調(diào)器就會(huì)允許其他從設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)論是具有完整功能的設(shè)備，還是簡(jiǎn)化功能的設(shè)備都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。圖2.6星型網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)本章小結(jié)本章主要介紹Zigbee的組網(wǎng)技術(shù)，說(shuō)明Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，并按各個(gè)層進(jìn)行介紹器具體的協(xié)議規(guī)范和模型，著重介紹Zigbee所提供的服務(wù)及設(shè)計(jì)所用的幀結(jié)構(gòu)等。接著按照設(shè)計(jì)遵循的原則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定，以此來(lái)組建家電控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件設(shè)計(jì)硬件總體設(shè)計(jì)建立室內(nèi)的控制網(wǎng)絡(luò)，硬件平臺(tái)是關(guān)鍵基礎(chǔ)。它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、低功耗性及可擴(kuò)展性都有直接的影響。沒(méi)有硬件平臺(tái)，應(yīng)用軟件不能在線調(diào)試，控制網(wǎng)絡(luò)的形成更是無(wú)從談起。經(jīng)過(guò)多方面的參閱，決定采用Chipcon的CC2420無(wú)線射頻模塊。無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)中，采用MicrochipTechnology推出的PIC18系列單片機(jī)作為核心微控制器。微控制器和射頻芯片之間使用四線制的SPI方式相互通訊，其中微控制器采用主模式，射頻收發(fā)器采用從模式。室內(nèi)家電控制系統(tǒng)的主控制器，也稱網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。室內(nèi)以后需要入網(wǎng)的家電可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展。室內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示，這些模塊作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制等通信。圖3.1硬件系統(tǒng)框圖PIC18LF4620是整個(gè)系統(tǒng)的控制部分，CC2420是符合IEEE802.15.4的無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送和接收，通信接口包括常用的RS232和串行總線接口，主要用于與家居設(shè)備的接口，完成數(shù)據(jù)采集，同時(shí)還可以與PC機(jī)相連，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)測(cè)，電源提供系統(tǒng)電能，晶振提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘信號(hào)。主控制器(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)硬件處理器采用MicrochipTechnology的PIC18LF4620單片機(jī)，PIC18系列是高性能、CMOS、集成了模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU系列。PIC18MCU采用先進(jìn)的RISC架構(gòu)，支持FLASH和OTP器件。PIC18具有增強(qiáng)型內(nèi)核，32級(jí)堆棧和多種內(nèi)部和外部中斷源[20]。它是一款專為低功耗需求設(shè)計(jì)的微控制器。它的工作電壓只有3.3V，可直接與高頻芯片通信。同時(shí)具有3986B的RAM，64KB的FALSH。其引腳圖如圖3.2所示[23]，主要由以下部分組成：圖3.2PIC18LF4620引腳圖20個(gè)中斷源，1個(gè)中斷優(yōu)先使能，可以為中斷源分配高或低優(yōu)先級(jí)。36個(gè)端口(端口A、B、C、D、E)。4個(gè)定時(shí)器(定時(shí)器0可選擇為8位或16位，定時(shí)器1、3為16位，定時(shí)器2為8位)。1個(gè)CCP(Capture/Compare/PWM)模塊和1個(gè)ECCP(EnhancedCapture/Compare/PWM)模塊。MSSP(MasterSynchronousSerialPort)模式的串行口通信以及EUSART(EnhancedUniversalSynchronousReceiverTransmitter)串行口通信模式。并行口通信接口。10位A/D(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)。晶振電路PIC18LF4620有10種不同的晶振工作模式，通過(guò)對(duì)寄存器FOSC3:FOSCO的配置[9]，可以選擇其中的一種，本系統(tǒng)采用外部晶振振蕩模式，其連接圖如下：圖3.3晶振電路圖電源電路由于本設(shè)計(jì)采用3.3V供電，所以使用三端穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換。電源電壓轉(zhuǎn)換電路需采用兩個(gè)穩(wěn)壓器，如LM78××系列，其成本較低而且性能穩(wěn)定，因此采用NI的LM7805進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到5V電壓，接著采用LM3940繼續(xù)將5V的電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)工作所需的電壓3.3V。圖3.4電源供電電路圖單片機(jī)與PC的接口在實(shí)際的應(yīng)用中，單片機(jī)與PC之間需要經(jīng)常進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平接口，是單片機(jī)和PC之間能很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。圖3.5與PC的數(shù)據(jù)接口Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊電路挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2420射頻芯片，是一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz射頻芯片，已經(jīng)被用來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)無(wú)線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的Zigbee設(shè)備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于Zigbee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以0.18umCMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低[23]。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。無(wú)線芯片介紹CC2420的主要性能參數(shù)如下[10]：1)工作頻帶范圍：2.400~2.4835GHz；2)采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式；3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碼片速率達(dá)2Mchip/s；4)采用O-QPSK調(diào)制方式；5)超低電流消耗(RX：19.7mA、TX：17.4mA)6)高接收靈敏度(99dBm)；7)抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB)；8)內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2.1~3.6V)；9)輸出功率編程可控；10)IEEE802.15.4MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bitCRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)；11)與控制微處理器的接口配置容易；12)采用QLP-48封裝，外形尺寸只有7×7mm。CC2420從天線接收到射頻信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(lownoiseamplifier，LNA)，然后在正交下變頻到2MHz的中頻上形成中頻信號(hào)的同向分量和正交分量。兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大后，直接通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter，ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。后繼的處理，如自動(dòng)增益控制、最終信道選擇、解擴(kuò)以及字節(jié)同步等，都是以數(shù)字信號(hào)的形式處理[10]。圖3.5CC2420內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)CC2420的SFD引腳為低電平時(shí)，表示接收到了物理幀的SFD字節(jié)。接收到的數(shù)據(jù)存放在128字節(jié)的接收FIFO緩存區(qū)中，幀的CRC校驗(yàn)由硬件完成。CC2420的FIFO緩存區(qū)保存MAC幀的長(zhǎng)度、MAC幀頭和MAC幀負(fù)載數(shù)據(jù)三個(gè)部分，而不保存幀校驗(yàn)碼[10]。CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)序列、幀開(kāi)始分隔符以及幀檢驗(yàn)序列由硬件產(chǎn)生；接收數(shù)據(jù)時(shí)，這些部分只用于幀同步和CRC校驗(yàn)，而不會(huì)保存到接收FIFO緩存區(qū)。CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用直接正交上變頻。基帶信號(hào)的同相分量和正交分量直接被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)低通濾波器后，直接變頻到設(shè)定的信道上。其調(diào)制與擴(kuò)頻功能圖見(jiàn)圖2.3。射頻電路CC2420內(nèi)部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備。外部數(shù)字I/O接口使用3.3V電壓，這樣可以保持和3.3V邏輯器件的兼容性。它在片上集成了一個(gè)直流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V電壓轉(zhuǎn)換成1.8V電壓。這樣對(duì)于只有3.3V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作[10]。CC2420射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+j180歐姆，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到最佳收發(fā)效果[11]。CC2420需要由16MHz的參考時(shí)鐘用于250kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)。這個(gè)參考時(shí)鐘可以來(lái)自外部時(shí)鐘源，也可以使用內(nèi)部晶振產(chǎn)生。如果使用外部時(shí)鐘，直接從XOSC16Q1引腳引入，XOSC16Q2引腳保持懸空：如果使用內(nèi)部晶振，可以接在XOSC16Ql和XOSC16Q2引腳之間。CC2420要求時(shí)鐘源的精確度應(yīng)該在士40×10以內(nèi)。圖3.6給出了本系統(tǒng)的CC2420外圍電路圖[23]。圖3.6CC2420外圍電路與單片機(jī)的接口CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，而處理器通過(guò)SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令等。CC2420收到物理幀的SFD字段后，會(huì)在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動(dòng)了地址辨識(shí)，在地址辯識(shí)失敗后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳標(biāo)示接收FIFO的緩存區(qū)的狀態(tài)[10]。如果RXFIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩存區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。FIFOP引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)或者在CC2420接收到一個(gè)完整的幀以后輸出高電平。臨界值可以通過(guò)CC2420的寄存器進(jìn)行設(shè)置。CCA引腳在信道有信號(hào)時(shí)輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進(jìn)入接受狀態(tài)至少8個(gè)符號(hào)((symbol)周期后，才一會(huì)在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK四個(gè)引腳組成。處理器通過(guò)SPI接口訪問(wèn)CC2420內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器。在訪問(wèn)過(guò)程中，CC2420是SPI接口的從設(shè)備，接收來(lái)自處理器的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都與時(shí)鐘下降沿對(duì)齊。PCB板布線PCB（PrintedCircuitBoard）印刷電路板的制作直接影響著硬件設(shè)計(jì)的成敗，設(shè)計(jì)良好的PCB板能較好的防止器件之間的干擾并且較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，首先要確定原理圖必須設(shè)計(jì)正確，然后PCB印刷電路板圖一定要合理布線，盡量使系統(tǒng)中各元器件之間，電路之間可能產(chǎn)生的不利影響限制在最低程度。當(dāng)原理圖被正確繪制之后，應(yīng)當(dāng)首先檢查每個(gè)器件的封裝，在ProtelDXP2004[27]中采用了元器件和PCB封裝集成在一個(gè)集成庫(kù)，可以在原理圖中方便地修改每個(gè)器件的封裝使得用戶不必手動(dòng)生成網(wǎng)絡(luò)表來(lái)將原理圖載入PCB圖，只要使用設(shè)計(jì)選項(xiàng)中的Update命令就可以將封裝和連接直接傳遞到同一個(gè)項(xiàng)目中的PCB中，如圖3.7所示。圖3.7原理圖生成PCB的示意圖選擇“使變化生效”再選擇“執(zhí)行變化”按鈕，檢查每個(gè)器件狀態(tài)后面都有紅色的對(duì)勾，直到所用的元器件都正確的傳遞進(jìn)PCB編輯器中。然后切換進(jìn)入PCB編輯器里面，這時(shí)候PCB中器件之間的連線都使用飛線連接，必須先把元器件按設(shè)計(jì)的要求布局，再通過(guò)布線將其逐一連接起來(lái)。在所有器件和連線網(wǎng)絡(luò)都傳遞到PCB圖之后，要仔細(xì)檢查PCB圖上的封裝和飛線連接，確定正確以后根據(jù)PCB板的實(shí)際應(yīng)用情況確定板的大小和元器件擺放位置。元件的布局和布線直接影響著電路板的性能。由于影響布線的因素很多，不同的電路又有其自身的特殊性，每個(gè)人所布的線是不同的，一般情況下按設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和理解進(jìn)行設(shè)計(jì)。但從抗干擾角度考慮，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：PCB的布局方面首先，正確合理地選擇PCB的尺寸大小，尺寸太大布線較長(zhǎng)增加阻抗且成本增加，尺寸太小影響散熱而且鄰近線容易發(fā)生干擾。對(duì)于可調(diào)元器件和插針等元件應(yīng)放在PCB靠近邊緣的部分。應(yīng)當(dāng)在PCB上留出定位孔以及支架等所占的位置，孔的位置與板緣應(yīng)有一定的距離以保證電路板的機(jī)械強(qiáng)度。以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局，元件排列應(yīng)當(dāng)均勻、整齊、緊湊。位于電路板邊緣的元器件離電路板邊緣要大于2mm。PCB的布線方面印制的導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線和絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過(guò)的電流值決定。導(dǎo)線寬度一般遵循：信號(hào)線＜電源線＜地線的原則。必須根據(jù)實(shí)際布線的限制，在各線寬的允許范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)寬度。接地線應(yīng)盡量加寬，同時(shí)應(yīng)當(dāng)在ProtelDXP2004的設(shè)計(jì)選項(xiàng)中的規(guī)則選項(xiàng)中對(duì)寬度、間距等進(jìn)行設(shè)定以便直觀的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。印制導(dǎo)線拐彎處一般采用45度轉(zhuǎn)角或者圓弧形以減少高頻信號(hào)的對(duì)外發(fā)射。布線應(yīng)當(dāng)盡量有序、簡(jiǎn)短、避免過(guò)長(zhǎng)的平行走線以減少布線的分布電容；避免印制電路走線形成環(huán)路接收噪聲形成干擾。在需要增加過(guò)孔來(lái)連接層間走線時(shí)，考慮過(guò)孔帶來(lái)的分布電容，同時(shí)要符合工藝要求并防止增加成本。再上下兩層間注意防止導(dǎo)線相互平行，布線完成后要使用大面積覆銅接地。電源線的走向應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，保證電源線合適的寬度。每片集成電路的電源引腳上應(yīng)配置去耦合電容。對(duì)于CC2420組成的無(wú)線收發(fā)模塊中的高頻電路來(lái)說(shuō)，器件布局和布線對(duì)性能的影響更加明顯和敏感，在本設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：以CC2420為中心，各元器件緊靠其周圍，均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，以減少分布參數(shù)的影響。最好是參照TI提供的開(kāi)發(fā)板電路布局布線。去耦電容應(yīng)當(dāng)盡量靠近相應(yīng)的引腳。直接連接兩個(gè)相鄰的電源腳會(huì)增加噪聲的耦合，應(yīng)當(dāng)盡量避免。每個(gè)去耦電容的接地端應(yīng)當(dāng)通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的過(guò)孔連接到地層。本設(shè)計(jì)由于用的是兩層板，沒(méi)有專門的接地層和電源層，所以只能通過(guò)覆銅時(shí)連接到 AGND網(wǎng)絡(luò)來(lái)使各引腳的去耦電容盡量互不干擾。過(guò)孔一般分為：盲孔（BlindVia）、埋孔（BuriedVia）和通孔（ThroughVia）。在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)者希望過(guò)孔越小越好，這樣板上可以留有更多的布線空間，此外過(guò)孔越小其自身的寄生電容也越小，更適用于高頻電路，但過(guò)孔尺寸的減小受到成本和加工工藝的限制，不可能無(wú)限制的減小，一般PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8mil。CC2420將所有的PLL和VCO都集成到芯片內(nèi)部，其中PLL利用數(shù)字電荷泵輸出通過(guò)一個(gè)環(huán)路濾波器來(lái)控制VCO。通常，需要二階或三階RC環(huán)路濾波器來(lái)濾除電荷泵的數(shù)字脈沖電流，得到模擬控制電壓?？拷姾杀幂敵龅膬蓚€(gè)電容必須直接與電荷泵電路的地連接，這樣可以隔離地回路的脈沖電流通路，盡量減小雜散頻率的影響。并且注意所有開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)都盡量不要經(jīng)過(guò)PLL環(huán)路濾波器元件和VCO附近。本章小結(jié)本章主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件設(shè)計(jì)，采用MicrochipTechnology推出的PIC18系列單片機(jī)作為核心微控制器，無(wú)線芯片使用TI的CC2420無(wú)線射頻模塊。PIC18LF4620是整個(gè)系統(tǒng)的控制部分，CC2420實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送和接收，配合外部電路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。接著介紹PCB的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用ProtelDXP2004進(jìn)行繪制原理圖和PCB圖，完成硬件的設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試分析智能家電網(wǎng)絡(luò)控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：Zigbee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)和其他應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)Zigbee協(xié)議棧設(shè)計(jì)基于MicrochipZigbee協(xié)議棧，Microchip協(xié)議棧是采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，可用MPLABCI8和Hi-TechPICC-18編譯器進(jìn)行編譯。源文件會(huì)自動(dòng)根據(jù)所使用的編譯器進(jìn)行必要的更改。Microchip協(xié)議棧的設(shè)計(jì)僅在MicrochipPIC18系列單片機(jī)上運(yùn)行。Microchip協(xié)議棧使用內(nèi)部閃存程序存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)可配置的MAC地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表。協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器初始化成功和建立網(wǎng)絡(luò)成功后，等待終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。在終端設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)之后，設(shè)備開(kāi)始檢測(cè)空中的無(wú)線信號(hào)，信號(hào)接收完畢后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)送動(dòng)作消息送往子節(jié)點(diǎn)設(shè)備，隨后家電設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，如燈光變暗，電視機(jī)聲音降低等。圖4.1協(xié)調(diào)器主流程圖網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的通信采用簡(jiǎn)單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間通信機(jī)制的設(shè)計(jì)?；舅枷胧蔷W(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，必須向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出請(qǐng)求，得到允許后，方可進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)組建過(guò)程主要有節(jié)點(diǎn)初始化，F(xiàn)FD設(shè)備可以配置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，RFD或FFD設(shè)備作為從節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)[24]。上電初始化時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要首先偵聽(tīng)信道，在信道空閑時(shí)，F(xiàn)FD設(shè)備誰(shuí)最先入網(wǎng)，就將其配置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，否則配置為終端節(jié)點(diǎn)。創(chuàng)建和加入網(wǎng)絡(luò)的操作在NOPRIMIZTVE原語(yǔ)中完成，如果該器件是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并且還沒(méi)有創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，它將通過(guò)調(diào)用NLME_NETWORK_FORMATION_request原語(yǔ)創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)[23]；如果該器件不是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并且沒(méi)有安全要求，其會(huì)加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；如果該器件要加入以前的網(wǎng)絡(luò)，可以調(diào)用NLME_JOIN_request原語(yǔ)重新加入該網(wǎng)絡(luò)。如果加入失敗或者以前沒(méi)有加入過(guò)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用NLME_NETWORK_DISCOVERY_request原語(yǔ)去發(fā)現(xiàn)可用的網(wǎng)絡(luò)，并調(diào)用NLME_JOIN_request原語(yǔ)嘗試加入該網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送消息在應(yīng)用程序中，通常在兩種情況下進(jìn)行消息的發(fā)送：一種是在APSDE_DATA_indication原語(yǔ)中，用于對(duì)接收到信息后的應(yīng)答或反饋；另外一種情況是NO_PRIMITIVE原語(yǔ)中用于對(duì)應(yīng)用程序事件的回應(yīng)。圖4.1消息流程每個(gè)時(shí)刻僅有一個(gè)消息發(fā)送，發(fā)送一個(gè)消息有一下幾個(gè)步驟：通過(guò)調(diào)用ZigBeeReady()得到其返回值，如果是TRUE確定應(yīng)用層的確有一個(gè)新消息需要發(fā)送[23]。調(diào)用ZigBeeBlockTx()對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行鎖定，這樣其他應(yīng)用在調(diào)用ZigBeeReady()時(shí)會(huì)返回FALSE，從而保證每個(gè)時(shí)刻僅一個(gè)消息發(fā)送。將消息賦值給發(fā)送緩沖TxBuffer，并將TxData指向消息在緩沖區(qū)的末地址的第一個(gè)位置。裝載APSDE_DATA_request原語(yǔ)參數(shù)。將當(dāng)前原語(yǔ)設(shè)置為APSDE_DATA_request，并調(diào)用ZigBeeTasks()。接收消息應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用APSDE_DATA_indication原語(yǔ)來(lái)接收消息，該原語(yǔ)返回時(shí)，從該原語(yǔ)的參數(shù)中可以得到消息和在緩沖中消息的信息，其中DstEndpoint參數(shù)表示消息的目的節(jié)點(diǎn)，如果該目的節(jié)點(diǎn)有效，消息將被轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)可以使用APLGet()函數(shù)對(duì)消息的各個(gè)位進(jìn)行提取得到需要的信息。圖4.2接收消息流程圖數(shù)據(jù)的傳輸在發(fā)送模式過(guò)程中，F(xiàn)IFO和FIFOP與接收模式的RXFIFO相關(guān)，通過(guò)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SSPBUF和SSPSR中，調(diào)用CC2420_Command()讀出SSPBUF中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，接著，調(diào)用CC2420_WriteReg()在SSPBUF寫(xiě)入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后，在重新調(diào)用CC2420_Command()為下次數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備，其中緩沖器滿位BF(SSPSTAT(0))表示何時(shí)SSPBUF載入了接收到的數(shù)據(jù)(發(fā)送完成)。圖4.3傳輸數(shù)據(jù)流程數(shù)據(jù)的接收在接收模式下，首先檢測(cè)是否溢出,若溢出，則調(diào)用函數(shù)CC2420_Command()；否則檢測(cè)PORTBbits.RB3是否有數(shù)據(jù)存在緩沖寄存器中，有則調(diào)用函數(shù)CC2420_ReadReg()將數(shù)據(jù)從寄存器中讀出，最后返回?cái)?shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息。圖4.4接收數(shù)據(jù)流程系統(tǒng)的調(diào)試關(guān)于硬件設(shè)計(jì)，問(wèn)題主要是關(guān)于無(wú)線芯片CC2420的電路設(shè)計(jì)。由于在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用了Microchip公司設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板電路，在布線過(guò)程中無(wú)法確定導(dǎo)線的寬度和元件的放置等問(wèn)題，參考Microchip提出的射頻電路，開(kāi)始時(shí)總是無(wú)法進(jìn)行導(dǎo)線的連接，經(jīng)過(guò)核對(duì)開(kāi)發(fā)板，發(fā)現(xiàn)時(shí)所采用的電阻封裝不一致，經(jīng)過(guò)修改導(dǎo)線就順利布通了。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮到Zigbee協(xié)議棧與無(wú)線單片機(jī)芯片的配合，來(lái)完成數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)、發(fā)送等功能的設(shè)計(jì)。因?yàn)閰f(xié)議棧是設(shè)計(jì)的核心，所以Microchip公司的協(xié)議棧，且該公司是目前世界上唯一提供源代碼開(kāi)放協(xié)議棧的廠家。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)參考了MicrochipZigbee協(xié)議棧的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(Coordinator)的DEMO設(shè)計(jì)，進(jìn)行相應(yīng)引腳的配置，但卻無(wú)法確定數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，最后經(jīng)過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上查找資料，得到的答案是在結(jié)束后，需要檢測(cè)緩沖器滿位BF(SSPSTAT(0))狀態(tài)，因?yàn)锽F表示緩沖器滿狀態(tài)位，1表示接收完成，SSPBUF滿；0表示接收未完成，SSPBUF空。當(dāng)SSPBUF中的數(shù)據(jù)被讀取后，BF位即被清零。由于時(shí)間關(guān)系，沒(méi)有做出實(shí)物的硬件電路板，所以下面的調(diào)試生成和下載程序也沒(méi)做，只是用IDE將整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序進(jìn)行了匯編、編譯，以此來(lái)檢查程序中的一些錯(cuò)誤，認(rèn)真修改，直到匯編、編譯無(wú)錯(cuò)誤地通過(guò)。如圖4.7所示為程序編譯通過(guò)的窗口界面。圖4.5MPLABIDE編譯程序上位機(jī)軟件介紹為了方便系統(tǒng)的調(diào)試，本系統(tǒng)采用Microchip的ZENA[14]無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分析軟件，對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制的主節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)控，其主界面如圖4.6所示。圖4.6ZENA配置單片機(jī)設(shè)置位首先需要對(duì)進(jìn)行設(shè)置器件，成功后，PC機(jī)就可以采用該軟件對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)測(cè)。網(wǎng)絡(luò)組建主要用于組建Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)；由于本設(shè)計(jì)沒(méi)有做出實(shí)物進(jìn)行調(diào)試，主要參考Microchip公司網(wǎng)站提供的應(yīng)用筆記和資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)查閱資料大多數(shù)Microchip公司的基于Zigbee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均需ZENA進(jìn)行控制網(wǎng)絡(luò)。本章小結(jié)本章主要進(jìn)行控制器的軟件設(shè)計(jì)。分了幾個(gè)部分介紹軟件的設(shè)計(jì)，由于本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些程序可以作為子節(jié)點(diǎn)的程序直接使用，因此對(duì)于子節(jié)點(diǎn)就沒(méi)有必要作過(guò)多的說(shuō)明。最后進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試，軟件的設(shè)計(jì)主要是關(guān)于Zigbee的協(xié)議棧的配置，因此程序的調(diào)試主要是正確利用MPLABIDE的編譯來(lái)檢驗(yàn)的?？偨Y(jié)與展望本文總結(jié)ZigBee技術(shù)以其特有的低成本、低功耗和高安全性特點(diǎn)，在家庭遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化方面獲得廣泛應(yīng)用。本論文的主要工作是基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)家用電器的控制。主要工作體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:以Microchip公司的PIC單片機(jī)和TI公司的CC2420無(wú)線收發(fā)芯片為硬件，以Microchip公司提供的開(kāi)源ZigBee協(xié)議棧為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以PIC18LF4620為控制器，以CC2420為無(wú)線收發(fā)器，設(shè)計(jì)ZigBee節(jié)點(diǎn)，按照功能可以劃分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(Coordinator)和終端節(jié)點(diǎn)(RFD)。在此節(jié)點(diǎn)的硬件基礎(chǔ)上，使用MpZBee協(xié)議包，構(gòu)建了以Coordinator為核心的星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)由于首次接觸無(wú)線芯片進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到不少問(wèn)題，走了很多彎路，也積累了如下一些經(jīng)驗(yàn)。芯片的選取由于是進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，必須選取與無(wú)線芯片相匹配的單片機(jī)，起初本選取的是TI的MSP430，但由于其功耗及相關(guān)設(shè)計(jì)較為繁瑣，就采用了Microchip公司的PIC，接著進(jìn)行具體型號(hào)的確定，根據(jù)無(wú)線芯片的工作要求：需在電壓為3.3V，因此采用了PIC18LF4620為主控制器。因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)針對(duì)無(wú)線通信不僅功耗低而且該公司還提供與之相應(yīng)的ZigBee協(xié)議及應(yīng)用筆記等許多相關(guān)資料，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。硬件電路的設(shè)計(jì)由于是進(jìn)行高頻電路設(shè)計(jì)，需要注意例如去耦、濾波等，在射頻部分須仔細(xì)進(jìn)行安置電容、電感。設(shè)計(jì)采用ProtelDXP進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。繪制原理圖和PCB圖時(shí)遇到封裝和放置導(dǎo)線和導(dǎo)線的形狀均會(huì)影響整體布線。經(jīng)過(guò)不斷的修改和請(qǐng)教老師才知道時(shí)電容、電阻的封裝也會(huì)導(dǎo)致了布線的無(wú)法連接。設(shè)計(jì)展望網(wǎng)絡(luò)化是未來(lái)無(wú)線智能家電的發(fā)展方向[6]，它能提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，而且可以通過(guò)不同的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。各種家庭互連的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的提出推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，無(wú)線互聯(lián)為人們提供更好的移動(dòng)便利，而接口的標(biāo)準(zhǔn)化可以使不同廠家產(chǎn)品互相兼容。更為重要的是，需要加快各公司的通信協(xié)議棧的兼容，設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)存在至少有5中不同的Zigbee協(xié)議棧，導(dǎo)致不同廠家產(chǎn)品不兼容。關(guān)于智能家電其本早已在國(guó)外發(fā)展近40年，而我國(guó)的只是剛剛起步。因此，這方面存在著巨大的發(fā)展空間，人們的生活也必將進(jìn)入更加舒適、安逸的時(shí)代。

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附錄A程序#include<p18f4620.h>#include<stdlib.h>#include<spi.h> #include<delays.h> #include<usart.h> #include<string.h> #include"cc2420.h" #include"zAPL.h"#include"console.h"#pragmaconfigOSC=HS #pragmaconfigWDT=OFF #pragmaconfigLVP=OFF #ifdefined(MCHP_C18)&&defined(_18F4620)#pragmaromdataCONFIG1H=0x300001constromunsignedcharconfig1H=0b00000110;#pragmaromdataCONFIG2L=0x300002constromunsignedcharconfig2L=0b00011111;#pragmaromdataCONFIG2H=0x300003constromunsignedcharconfig2H=0b00010010;#pragmaromdataCONFIG3H=0x300005constromunsignedcharconfig3H=0b10000000;#pragmaromdataCONFIG4L=0x300006constromunsignedcharconfig4L=0b10000001;#pragmaromdata#defineUSE_BINDINGS#defineEP_TEMPERATURE_RFD3#defineBIND_SWITCHRB5#defineTEMPERATURE_SWITCHRB4#defineBIND_INDICATIONLATA0//#defineMESSAGE_INDICATIONLATA1#defineBIND_STATE_BOUND0#defineBIND_STATE_TOGGLE1#defineBIND_STATE_UNBOUND1#defineBIND_WAIT_DURATION(5*ONE_SECOND)ZIGBEE_PRIMITIVEcurrentPrimitive;SHORT_ADDRdestinationAddress;staticunion{struct{BYTEbBroadcastSwitchToggled:1;BYTEbTemperatureSwitchToggled:1;BYTEbTryingToBind:1;BYTEbIsBound:1;BYTEbDestinationAddressKnown:1;}bits;BYTEVal;}myStatusFlags;#defineSTATUS_FLAGS_INIT0x00#defineTOGGLE_BOUND_FLAG0x08#definebBindSwitchToggledbBroadcastSwitchToggledvoidmain(void){CLRWDT();ENABLE_WDT();currentPrimitive=NO_PRIMITIVE;ConsoleInit();ConsolePutROMString((ROMchar*)"\r\n\r\n\r\n******\r\n");ConsolePutROMString((ROMchar)"MicrochipZigBee(TM)Stack-1.0-3.5\r\n\r\n");ConsolePutROMString((ROMchar*)"ZigBeeCoordinator\r\n\r\n");HardwareInit();ZigBeeInit();myStatusFlags.Val=STATUS_FLAGS_INIT;destinationAddress.Val=0x796F;BIND_INDICATION=!myStatusFlags.bits.bIsBound;LATA1=0;RBIE=1;IPEN=1;GIEH=1;//中斷使能while(1){CLRWDT();ZigBeeTasks(¤tPrimitive);switch(currentPrimitive){caseNLME_NETWORK_FORMATION_confirm:if(!params.NLME_NETWORK_FORMATION_confirm.Status){ConsolePutROMString((ROMchar*)"PAN");PrintChar(macPIB.macPANId.byte.MSB);PrintChar(macPIB.macPANId.byte.LSB);ConsolePutROMString((ROMchar*)"startedsuccessfully.\r\n");params.NLME_PERMIT_JOINING_request.PermitDuration=0xFF;currentPrimitive=NLME_PERMIT_JOINING_request;}else{PrintChar(params.NLME_NETWORK_FORMATION_confirm.Status);ConsolePutROMString((ROMchar*)"Errorformingnetwork.Tryingagain...\r\n");currentPrimitive=NO_PRIMITIVE;}break;caseNLME_PERMIT_JOINING_confirm:if(!params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status){ConsolePutROMString((ROMchar*)"Joiningpermitted.\r\n");currentPrimitive=NO_PRIMITIVE;}else{PrintChar(params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status);ConsolePutROMString((ROMchar*)"Joinpermissionunsuccessful.Wecannotallowjoins.\r\n");currentPrimiti