基于無線傳感器網絡的智能家居報警系統(tǒng)

昆明學院2023屆畢業(yè)論文〔設計〕論文〔設計〕題目智能大廈控制系統(tǒng)設計子課題題目傳感器網絡的智能家居報警系統(tǒng)設計姓名毛興普學號20230417215所屬院系自機學院專業(yè)年級電氣工程及其自動化1班指導教師李云娟老師2023年5月傳感器網絡的智能家居報警系統(tǒng)設計摘要〔中文〕：摘要隨著電子信息技術和計算機網絡技術的開展，實現家庭信息化、網絡化是當今智能家居系統(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域。智能家居報警系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，承載著智能家居所面臨的機遇和挑戰(zhàn)。本文針對智能家居網絡特點,通過對智能家居網絡分析、比照和研究，采用星狀網絡組建智能家居網絡，對智能家居網絡進行了設計與實現。將ZigBee無線通信技術應用于智能家居中，并提出一種采用ZigBee無線通信技術的智能家居系統(tǒng)設計方案，具有免布線，維護方便，運行費用低，實時在線監(jiān)控，對家居內部各種數據進行無線采集和傳輸等特點。利用CC2430的ZigBee模塊與各種傳感器設計了以IARZmbeddedWorkbench為平臺，運用C語言進行系統(tǒng)的軟件編程，實現了ZigBee模塊間的無線通信及智能家居的紅外報警模塊，到達低本錢、高靈活性、通用的ZigBee無線智能家居報警控制，并最后完成了實現。關鍵詞：ZigBee；智能家居；無線傳感器網絡；CC2430傳感器網絡的智能家居報警系統(tǒng)設計摘要〔英文〕：AbstractWiththedevelopmentofelectronicinformationtechnologyandcomputernetworktechnology,familyinformation,networkingisthenewtrendofdevelopmentoftoday'ssmarthomesystem.Smarthomesystemcanprovidemankindwithamorerelaxed,orderlyandefficientmodernwayoflife,istheinevitabletrendoffuturesettlementpatterns.Therefore,thesmarthomesystemisbecominganemergingareaof??research.

Inthispaper,thecharacteristicsofintelligenthomenetworkthroughtheintelligenthomenetworkanalysis,comparisonandresearch,theformationofintelligenthomenetworkusingastarnetwork,thedesignandimplementationofintelligenthomenetwork.ZigBeewirelesscommunicationtechnologyusedinsmarthome,andputforwardaZigBeewirelesscommunicationtechnologysmarthomesystemdesign,withtheaFreewiring,maintenance,lowoperationcost,real-timeonlinemonitoring,thevariousdatawirelesslywithinhomeacquisitionandtransmissioncharacteristics.CC2430ZigBeemodulewithavarietyofsensorsdesignedtoIARZmbeddedWorkbenchplatform,usingClanguagesystemsoftwareprogramming,infraredwirelesscommunicationbetweenZigBeemoduleandsmarthomealarmmodule,toachievealowcost,highflexibilityGeneralZigBeewirelesssmarthomealarmcontrolandfinalizationoftheimplementation.Keywords:ZigBee;smarthome;wirelesssensornetworks;CC2430目錄第一章前言61.1智能家居簡介61.2智能家居系統(tǒng)組成71.3智能家居系統(tǒng)的起源和開展71.4智能家居報警系統(tǒng)的國內外開展新趨勢81.5課題研究的目的和意義101.6本章小結11第二章智能家居報警系統(tǒng)122.1概述122.2智能家居報警系統(tǒng)的分類122.3智能家居報警系統(tǒng)總體設計132.4智能家居報警系統(tǒng)的組成142.5方案實現的過程15第三章智能家居報警系統(tǒng)硬件局部的設計163.1方案的總體分析16中央控制器163.1.2.1紅外報警模塊：173.1.2.2光照檢測模塊：173.1.2.3溫度檢測模塊：173.2電源管理模塊183.3控制電路模塊183.4涉及到的主要芯片的介紹183.4.1.1控制芯片CC2430183.4.1.2集成放大器LM324233.5硬件原理圖243.6本章小結28第四章智能家居報警系統(tǒng)軟件局部的設計294.1智能家居相關技術294.2無線網絡技術29常見標準有30協議304.2.3.1MAC層324.3軟件設計344.4ZigBee智能家居系統(tǒng)354.5ZigBee開發(fā)軟件介紹374.6創(chuàng)立工程404.7任務與事件434.8設備信息配置464.9建網與入網504.10數據通信524.12本章小結56第五章總結565.1已實現的功能575.2存在的缺乏575.3本章小結57參考文獻57致謝60附錄61附錄1：DS18B20.c代碼61附錄2：DS18B20.h代碼66附錄3：Temp.c代碼67附錄4：Temp.h代碼81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、網絡通信技術、智能家居-系統(tǒng)設計方案平安防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居平安性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環(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)的過程就稱為智能家居集成。由于智能家居采用的技術標準與協議的不同，大多數智能家居系統(tǒng)都采用綜合布線方式，但少數系統(tǒng)可能并不采用綜合布線技術，不管哪一種情況，都一定有對應的網絡通信技術來完成所需的信號傳輸任務，因此網絡通信技術是智能家居集成中關鍵的技術之一。平安防范技術是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術，在小區(qū)及戶內可視對講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報警、與家庭有關的小區(qū)一卡通等領域都有廣泛應用。自動控制技術是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術，廣泛應用在智能家居控制中心、家居設備自動控制模塊中，對于家庭能源的科學管理、家庭設備的日程管理都有十分重要的作用。音視頻技術是實現家庭環(huán)境舒適性、藝術性的重要技術，表達在音視頻集中分配、背景音樂、家庭影院等方面，已經引起了許多國家學術界和工業(yè)界的高度重視，被認為是對21世界產生巨大影響力的技術之一[2]。通俗地說，它是融合了自動化控制系統(tǒng)、計算機網絡系統(tǒng)和網絡通訊技術于一體的網絡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備，比方，通過家觸摸屏、無線遙控器、、互聯網或者語音識別控制家用設備，更可以執(zhí)行場景操作，使多個設備形成聯動；另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態(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)、家庭網絡系統(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)、家庭網絡系統(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]。1.2.1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、數據、多媒體、家庭自動化、保安等多種應用的布線系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也就是智能化住宅布線系統(tǒng)。1.2.2家庭安防系統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)包括如下幾個方面的內容：門磁開關、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、窗簾探測報警等。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的家用電器面市，住宅電子化〔HE，HomeElectronics〕出現。80年代中期，將家用電器、通信設備與安保防災設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，HomeAutomation〕。80年代末，由于通信與信息技術的開展，出現了對住宅中各種通信、家電、安保設備通過總線技術進行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為SmartHome，也就是現在智能家居的原型。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，直到1984年美國聯合科技公司〔UnitedTechno1ogiesBuildingSystem〕將建筑設備信息化、整合化概念應用于美國康乃迪克州〔Conneticut)哈特佛市〔Hartford〕的CityPlaceBuilding時，才出現了首棟的“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備的控制線集成在一起的家庭總線〔HOMEBUS〕，并成立了相應的研究會進行研究，1983年美國電子工業(yè)協會組織專門機構開始制定家庭電氣設計標準，并于1988年編制了第一個適用于家庭住宅的電氣設計標準，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，HomeBusSystem)。在其制定的設計標準與標準中，智能住宅的電氣設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。物聯傳感技術是全球第一個利用物聯網來控制燈飾及電子電器產品〔我們現在通稱為ZigBee產品〕，并將其作為智能家居主流產品走向了商業(yè)化。ZigBee最初預計的應用領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。隨著物聯網的興起，ZigBee又獲得了新的應用時機。物聯網的網絡邊緣應用最多的就是傳感器或控制單元，這些是構成物聯網的最根底最核心最廣泛的單元細胞，而ZigBee能夠在數千個微小的傳感傳動單元之間相互協調實現通信，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據從一個網絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它的通信效率非常高。這種技術低功耗、抗干擾、高可靠、易組網、易擴容，易使用，易維護、便于快速大規(guī)模部署等特點順應了物聯網開展的要求和趨勢。目前來看，物聯網和ZigBee技術在智能家居、工業(yè)監(jiān)測和健康保健等方面的應用有很大的融合性。1.4智能家居報警系統(tǒng)的國內外開展新趨勢隨著智能家居的迅猛開展，越來越多的家居開始引進智能化系統(tǒng)和設備。智能化系統(tǒng)涵蓋的內容也從單純的方式向多種方式相結合的方向開展。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品〔系統(tǒng)〕還無法很好地解決產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業(yè)的開展。在此情形之下，從產品〔系統(tǒng)〕的技術角度上看什么才是解決這個難題的方法？據市場調研顯示，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)、協議、信息、內容、控制在不同的子系統(tǒng)中進行交互、交換[4]。它具有如下特點：1、每個子系統(tǒng)都可以脫離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)的運行數據，系統(tǒng)的聯動。2、不同品牌的產品、不同的控制傳輸協議能通過這個平臺進行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，可以協同工作和運行數據額交換、共享，給用戶最大限度的選擇權，充分表達智能家居的個性化。同時，它還具有網關的功能，通過交互平臺，能與廣域網連接，實現遠程控制、遠程管理。具有多種主流的控制接口，如RS485、RS232、TCP、IP等，同時可以擴充添加國內外流行的控制接口，如EIB、lonwork、CE-bus、Canbus，以及無線網絡如：WiFi、GPRS、藍牙等。根據客戶及市場的變化不斷增加各種總線、系統(tǒng)的驅動軟件和硬件接口，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)的運行數據、為系統(tǒng)運行優(yōu)化、自學習提供依據。交互平臺，平臺可以記錄存儲各系統(tǒng)的運行數據，對系統(tǒng)的運行可以提供有效的歷史數據，同時可以根據歷史的運行數據，總結出主人的使用習慣和某種規(guī)律，讓系統(tǒng)能夠自學習。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。信息效勞內容包括：健康、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合的系統(tǒng)。5、多種控制手段在日常家居生活中，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、、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，經濟的開展，人們的物質生活水平的提高，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課題研究的目的和意義1.5.1課題目的智能家居報警系統(tǒng)是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、平安防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居平安性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥淖钚露x，參考ZigBee技術的特點，設計出報警系統(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)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、家庭管道控制系統(tǒng)、家庭窗簾控制系統(tǒng)等.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。1.5.2課題意義智能家居報警系統(tǒng)是利用先進的計算機技術、嵌入式系統(tǒng)和網絡通訊技術，將家庭中的各種設備〔如照明系統(tǒng)、管道控制、安防系統(tǒng)、窗簾控制、網絡家電〕通過家庭網絡連接到一起的，自從美國在1984真正的智能建筑出現以來，國外已經有將近30年的研究歷史，而國內在這方面的研究相對較晚，從2003年才逐步應用于高端市場，而且標準不統(tǒng)一。由于智能家居報警系統(tǒng)系統(tǒng)具有平安、方便、高效、快捷、智能化和個性化的獨特魅力，使得智能家居報警系統(tǒng)的開發(fā)與建設成為21世紀科技開展的必然趨勢。隨著全球對平安和環(huán)境及智能化的要求越來越高，基于無線傳感器網絡的智能家居報警系統(tǒng)具有非常廣闊的市場前景和開展空間。1.5.3設計要求智能家居報警系統(tǒng)主要以ZigBee技術為核心；設計圍繞網絡協調器的網狀拓撲線路，例如照明傳感器模塊、煤氣傳感器模塊、人體紅外感應器等模塊，最后在上位機上建立家庭信息管理平臺。通過監(jiān)測子網監(jiān)測照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可以直接聯動控制相關受控設備或將信息發(fā)送至管理平臺，由信息管理平臺決策如何處理這些信息。整個系統(tǒng)的設計包括硬件和軟件兩個局部。1.5.4研究主要內容本次設計主要內容：1、采用ZigBee技術，構建無線傳感器網絡，研究無線傳感器網絡的通信機理；2、設計基于單片機控制的節(jié)點單元控制軟件；3、重要報警模塊的設計與實現重點注意：軟件與硬件的聯合調試。1.6本章小結首先對智能家居報警系統(tǒng)系統(tǒng)進行了簡要概述，包括智能家居的定義和國內外智能家居系統(tǒng)的開展，接著對智能家居網絡技術進行了介紹，對于智能家居報警系統(tǒng)來說，采用無線網絡不僅為家居智能化提供靈活簡便的網絡結構，省去了浪費在布線上的人力和物力，并且更符合家庭網絡通訊的特點。第二章智能家居報警系統(tǒng)2.1概述智能家居報警系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中重要的一環(huán)，它為人們舒適的生活提供了保障，在智能家居系統(tǒng)設計中，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并設計主控器已成為智能家居建設的首要問題。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計，缺點就是布線多，結構復雜，也存在總線協議設計選擇的問題。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無線通信技術的新型智能家居報警系統(tǒng)設計方案，設計并實現了該系統(tǒng)中的檢測、中央處理、控制等各個模塊。智能家居報警系統(tǒng)主要以ZigBee技術為核心；設計圍繞網絡協調器的網狀拓撲線路通過監(jiān)測子網監(jiān)測環(huán)境溫度、照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可以直接聯動控制相關受控設備或將信息發(fā)送至管理平臺，由信息管理平臺決策如何處理這些信息。2.2智能家居報警系統(tǒng)的分類家庭報警系統(tǒng)主要包括防盜報警，火災報警，燃氣泄漏報警，緊急求救報警四大類。在我們平時居家生活中，家庭平安主要包括兩種不同的平安對象，首先是人身和家庭財產的平安，其次是家庭設備的平安。家居報警實際上是將家庭控制設備連接到報警設施上，實現對非法闖入的盜竊、搶劫行為和突發(fā)事件進行及時報警，搶救和保護的功能。從功能上細分，還可分為可視對講、周界防范、家居平安、緊急求助、無線報警、聲光報警、防挾持報警等。而家居安防報警又包括了防盜報警、火災報警和煤氣泄露報警等等。家庭中所有的平安探測裝置，如消防類(煙感、煤氣泄漏報警器等)、防盜類(門磁、窗磁、各種監(jiān)測器、防盜幕簾、緊急求救按鈕等)，都連接到家庭智能終端，對其狀態(tài)進行監(jiān)測。當發(fā)生警報時，家庭智能終端將警情根據設置進行各種操作，包括：啟動警鈴和聯動設備、撥打設定的報警。如與社區(qū)系統(tǒng)相連，還可同時把警情送往小區(qū)監(jiān)控效勞器。隨著科學技術的不斷更新，現在的家庭安防概念已由原來的單純性個體防護逐漸轉向多媒體，互聯網式防護，不管在哪種情況下發(fā)生危險，系統(tǒng)都可自動發(fā)出警報。大大提高了家居的平安系數2.3智能家居報警系統(tǒng)總體設計智能家居報警系統(tǒng)的關鍵是家庭智能化技術的應用，如無線傳感器網絡技術、自動化控制技術、互聯網絡科技等的綜合運用，由于它的綜合性和復雜性，使得其軟硬件設計都必須本著一定的設計原那么，下面進行詳細說明.2.3.1硬件選取原那么1〕先進性：系統(tǒng)硬件應具有先進性，防止短期內因技術陳舊而造成整個系統(tǒng)性能不高或過早淘汰.2〕成熟性：在充分考慮先進性的同時，系統(tǒng)硬件應立足于用戶對整個系統(tǒng)的具體需求，應選擇先進、適用、成熟技術的產品，最大限度的發(fā)揮投資效益.3〕可靠性：系統(tǒng)無論在硬件上還是在軟件上都應采取多種保護措施，保證系統(tǒng)24小時不間斷正常運行，同時還應充分考慮系統(tǒng)權限平安措施，進一步保證系統(tǒng)的可靠性。4〕開放性：無論是系統(tǒng)設備還是網絡拓撲結構，都應具有良好的開放性.網絡化的目的是實現設備和信息的共享。因此網絡要具有開放性并應提供標準接口，用戶可根據要求，對系統(tǒng)進行擴展或升級.5〕兼容性:計算機網絡的選擇和相關產品的選擇要以先進性和適用性為根底，同時考慮兼容性.系統(tǒng)設備應優(yōu)先選擇根據國際標準設計、生產的標準化設備，防止因兼容性差而造成的系統(tǒng)難以升級或擴展.6〕實時性：系統(tǒng)硬件應具有實時處理和快速響應的能力.2.3.2軟件設計原那么1〕可靠性和平安性：系統(tǒng)軟件應24小時可靠運行，并充分考慮系統(tǒng)權限設置等多種保護措施，保證數據的平安性.2〕界面友好：系統(tǒng)軟件應操作方便，采用中文圖形界面，運用多媒體技術，使系統(tǒng)具有處理聲音及圖像的能力，更能適應不同層次，不同年齡用戶的使用要求。3〕可擴沖性：系統(tǒng)軟件應提供二次開發(fā)的功能，便于屢次升級和支持硬件產品的更新.4〕模塊化：根據家庭的實際需要選擇安裝不同的功能組件，以適應不同用戶的需要2.4智能家居報警系統(tǒng)的組成系統(tǒng)主要由智能家居網絡控制器，即主節(jié)點，與智能家居設備相連的智能家居網絡控制器，即分節(jié)點，每個房間放置的充當路由器的智能家居網絡控制器，功能控制驅動模塊和相應的家具設備構成。本系統(tǒng)采用華凡公司的HFZ—SmartRF04EB+CC2430EM模塊作為協調器。為了簡化系統(tǒng)，突出ZigBee的框架性，節(jié)點硬件采取了簡化措施，具體如下。無線燈控、電動窗簾、空調開關、管道開關都由單一IO口P1.4控制，模擬開關動作。防盜報警和門迎都采用熱釋紅外傳感技術，電路結構相同。煤氣報警采用催化燃燒式可燃氣體傳感器。照度監(jiān)測使用電池做傳感器。組成框圖如圖2-1所示。圖2-1智能家居系統(tǒng)的組成2.5方案實現的過程本文任務提出的功能控制驅動模塊實現與各種家居設備的接口，并作為家居設備的功能執(zhí)行機構，其與相對應的智能家居網絡控制器分節(jié)點進行通信；智能家居網絡控制器分節(jié)點，每個房間放置的充當路由器功能的分節(jié)點和智能家居網絡控制器主節(jié)點組成ZigBee無線通信網絡，是整個智能家居系統(tǒng)的通信網絡。每個智能家居網絡控制器包括一個ZigBee無線收發(fā)模塊，與各個設備、節(jié)點之間進行通信。此方案的設計靈活性好，擴展性好。系統(tǒng)的工作流程是：首先智能家居網絡控制器〔主節(jié)點〕建立ZigBee智能網絡，各個網絡控制器〔分節(jié)點〕隨后參加該網絡，他們共同組成一個星狀的ZigBee無限家居網絡。當檢測或接收傳感器的報警信號后，主節(jié)點找到與該家具設備相連的分節(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，路由器再將信息轉發(fā)給對應的分節(jié)點，分節(jié)點收到信息后，切入功能驅動模塊，功能驅動模塊對該家居設備進行相應的操作，從而完成智能家居的報警操作和處理.第三章智能家居報警系統(tǒng)硬件局部的設計3.1方案的總體分析本著模塊化的設計思想，本文提到的設計方案被分為三個模塊，即中央控制模塊、信息檢測模塊，以及家居報警控制模塊。3.1.1中央控制模塊監(jiān)測子網監(jiān)測環(huán)境溫度、照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可以直接聯動控制相關受控設備或將信息發(fā)送至中央控制模塊，由管理平臺處理這些信息。.1中央控制器CC2430基于無線網絡的智能家居的設計，我們選擇了技術成熟、低耗高能的ZigBee技術組建無線網絡，硬件上面，我們選擇了被廣泛應用于ZigBee模塊的控制芯片CC2430。圖2-2為CC2430的最小系統(tǒng)原理圖。圖2-2CC2430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2.4GHzISM波段應用，及對低本錢，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHzDSSS(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。CC2430的設計結合了8Kbyte的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據不同的閃存空間32，64和128kByte來優(yōu)化復雜度與本錢的組合。3.1.2信號檢測模塊信號檢測模塊，由于檢測模塊很多，用戶可根據自己需要自己添加，在本文我們主要設計了兩個子模塊，即紅外報警模塊，光照監(jiān)測模塊、溫度檢測模塊。.1紅外報警模塊：一開始的設計思路是圍繞著激光技術來做，鑒于價格過高，且實用性不好，放棄了使用激光技術的想法。后來發(fā)現使用廉價的紅外線對管也可以做到，便著手設計紅外對管相關的紅外檢測電路。設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。當有物體入侵時，檢測電路送出高電平，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，當光線充足的時候，光敏電阻阻值很小，輸出端送出低電平，當光線變暗的時候，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成即可，監(jiān)測到的溫度會時事發(fā)送數據到主控中心。3.2電源管理模塊兩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，從而實現從交流220V到直流5V，為模塊穩(wěn)壓供電。3.3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，實現對警報、燈具的控制。3.4涉及到的主要芯片的介紹3.4.1.1控制芯片CC2430〔1〕CC2430的尺寸與組成CC2430的尺寸只有7×7mm48-pin的封裝，采用具有內嵌閃存的0.18µmCMOS標準技術。這可實現數字基帶處理器，RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲器整合在同一個硅晶片上。針對協議棧，網絡和應用軟件的執(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微控制器內核，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內核，具有8倍的標準8051內核的性能。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)的片內Flash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16MHzRC-振蕩器，一個可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個可選的32.768kHzRC振蕩器。CC2430也集成了用于用戶自定義應用的外設。一個AES協處理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4MAC平安所需的〔128位關鍵字〕AES的運行，以實現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。調試接口采用兩線串行接口，該接口被用于在電路調試和外部Flash編程。I/O控制器的職責是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/計數功能，例如，輸入捕捉、比擬輸出和PWM功能。CC2430內集成的其他外設有:實時時鐘；上電復位；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。為了更好的處理網絡和應用操作的帶寬，CC2430集成了大多數對定時要求嚴格的一系列IEEE802.15.4MAC協議，以減輕微控制器的負擔。這包括：*自動前導幀發(fā)生器*同步字插入/檢測*CRC-16校驗*CCA*信號強度檢測/數字RSSI*連接品質指示(LQI)*CSMA/CA協處理器〔2〕、CC2430的射頻及模擬收發(fā)器CC2430的接收器是基于低-中頻結構之上的，從天線接收的RF信號經低噪聲放大器放大并經下變頻變?yōu)?MHz的中頻信號。中頻信號經濾波、放大，在通過A/D轉換器變?yōu)閿底中盘?。自動增益控制，信道過濾，解調在數字域完成以獲得高精確度及空間利用率。集成的模擬通道濾波器可以使工作在2.4GHzISM波段的不同系統(tǒng)良好的共存。在發(fā)射模式下，位映射和調制是根據IEEE802.15.4的標準來完成的。調制(和擴頻)通過數字方式完成。被調制的基帶信號經過D/A轉換器再由單邊帶調制器進行低通濾波和直接上變頻變?yōu)樯漕l信號。最終，高頻信號經過片內功率放大器放大以到達可設計的水平。射頻的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，其開關已集成在芯片內部。芯片至天線之間電路的構架是由平衡/非平衡器與少量低價電容與電感所組成?？商娲?，一個平衡式天線，如對折式偶極天線也是可以實現上述功能的。集成在內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。晶片內置的偏壓可變電容壓控振蕩器工作在一倍本地振蕩頻率范圍，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?！?〕、芯片主要特點：CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU〔8051〕，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器〔Timer〕、AES128協同處理器、看門狗定時器〔Watchdogtimer〕、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(PowerOnReset)、掉電檢測電路(Brownoutdetection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝生產；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉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用。◆高性能和低功耗的8051微控制器核?！艏煞螴EEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機?！魞?yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性?！粼谛菝吣Ｊ綍r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)?！粲布С諧SMA/CA功能?！糨^寬的電壓范圍〔2.0～3.6V〕?！魯底只腞SSI/LQI支持和強大的DMA功能。◆具有電池監(jiān)測和溫度感測功能?！艏闪?4位模數轉換的ADC。◆集成AES平安協處理器?！魩в?個強大的支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE802.15.4標準的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7mm×7mmQLP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。1〕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部件的外圍設備I/O口使用。I/O口有下面的關鍵特性：◆可設置為通常的I/O口，也可設置為外圍I/O口使用?！粼谳斎霑r有上拉和下拉能力?！羧?1個數字I/O口引腳都具有響應外部的中斷能力。如果需要外部設備，可對I/O口引腳產生中斷，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4mA輸出驅動能力。8，9〔P1_0，P1_1〕：有20mA的驅動能力。11～18腳〔P0_0～P0_7〕：具有4mA輸出驅動能力。43，44，45，46，48腳〔P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0〕：具有4mA輸出驅動能力。2〕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1.8V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〕:為預定標器、Div2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1.8V的電壓。33腳〔TXRX_SWITCH〕:為PA提供調整電壓。35腳〔AVDD_SW〕:為LNA/PA交換電路提供1.8V電壓。36腳〔AVDD_RF2〕:為接收和發(fā)射混頻器提供1.8V電壓。37腳〔AVDD_IF2〕:為低通濾波器和VGA的最后局部電路提供1.8V電壓。38腳〔AVDD_ADC〕:為ADC和DAC的模擬電路局部提供1.8V電壓。39腳〔DVDD_ADC〕:為ADC的數字電路局部提供1.8V電壓。40腳〔AVDD_DGUARD〕:為隔離數字噪聲電路連接電壓。41腳〔AVDD_DREG〕:向電壓調節(jié)器核心提供2.0～3.6V電壓。42腳〔DCOUPL〕：提供1.8V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2.0～3.6V的電壓?？刂凭€引腳功能：10腳〔RESET_N〕:復位引腳，低電平有效。19腳〔XOSC_Q2〕:32MHz的晶振引腳2。21腳〔XOSC_Q1〕:32MHz的晶振引腳1，或外部時鐘輸入引腳。22腳〔RBIAS1〕:為參考電流提供精確的偏置電阻。26腳〔RBIAS2〕:提供精確電阻，3kΩ，±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):32.768kHzXOSC的2.3端口。44腳(P2_4/XOSC_Q1):32.768kHzXOSC的2.4端口[13]。.2集成放大器LM324LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應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。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應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的信號與該輸入端的相位相同[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、具有內部補償的功能。7、共模范圍擴展到負電源。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，我們提到的設計就是把它當做簡單的比擬器來使用。結構引腳如圖2-4所示。圖2-4LM324結構引腳圖3.5硬件原理圖3.5.1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＋端相當于直接接地，即0V電壓，－端輸出為調整好的２.５V電壓，故比擬器OUT端輸出低電平。當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3.5.2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工作原理：光敏電阻在有光照的情況下，呈現極小的的電阻，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，產生檢測信號。正常工作的時候是在無光照的情況下產生并發(fā)送一個高電平。3.5.3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作為應用很廣的溫度傳感器，設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。3.5.4電源管理模塊原理圖如圖3-7所示。圖3-75V電源原理圖工作原理：220V的交流電先經過線圈的變壓作用，把其轉變?yōu)?V左右的交流電，在經過橋式整流電路，使其轉變?yōu)?V的直流電。后續(xù)電路經過濾波，穩(wěn)壓，最后在輸出端輸出穩(wěn)定的5V電壓，可作為設計需求的電源使用。3.5.5電器控制模塊原理圖如圖3-9所示。圖3-9電器控制電路原理圖工作原理：利用簡單的繼電器來控制居家電器。兩個繼電器的直流端，一端接入固定的3.3V電壓，另一端接在輸出端口上。電路正常工作的時候，兩個輸出端口都是3.3V，故不會產生電壓差，沒有信號輸出。滿足條件以后，輸出端口產生持續(xù)的低電平，控制電路即產生壓降，形成回路，啟動繼電器以及警報燈工作。實物圖如圖3-10所示。3.6本章小結針對智能家居報警的特點和開展趨勢，本章首先介紹了系統(tǒng)組成，并對系統(tǒng)各個局部進行了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設計原那么。最后給出了硬件局部的設計思路，并且分析了所用到的主要芯片.對給出的硬件的幾個模塊的設計及電路原理圖，仿真電路還有其工作原理.第四章智能家居報警系統(tǒng)軟件局部的設計4.1智能家居相關技術智能家居系統(tǒng)中的關鍵技術是信息傳輸與智能控制。電力載波技術、綜合布線技術、無線網絡技術，是當前智能家居系統(tǒng)中信息傳輸和智能控制的三大主要技術。電力線載波技術可通過電線互相“說話〞，無需重新布線，但存在噪聲干擾強、信號會在傳輸過程中衰減等缺點。綜合布線技術需要重新額外布設弱電控制線，信號比擬穩(wěn)定，比擬適合于樓宇和小區(qū)智能化等大區(qū)域范圍的控制。但安裝比擬復雜，造價較高，工期較長。無線網絡技術通過紅外線、藍牙、ZigBee等技術實現各類電子設備的互聯互通與智能控制。無線網絡可提供更大的靈活性、流動性，省去了花在綜合布線上的費用和精力，無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢。紅外IrDA技術比擬成熟，但必須直線視距連接；藍牙適合于語音業(yè)務及需要更高數據量的業(yè)務，如移動、耳機等；ZigBee作為一種低功耗、低數據速率、低本錢的技術，更適合于家庭自動化、平安保障系統(tǒng)及進行低數據率傳輸的低本錢設備，ZigBee是智能家居的最理想選擇[9]。4.2無線網絡技術所謂無線網絡，既包括允許用戶建立遠距離無線連接的全球語音和數據網絡，也包括為近距離無線連接進行優(yōu)化的紅外線技術及射頻技術，與有線網絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術取代網線，可以和有線網絡互為備份[6]。無線技術也分不同種類，通常以產生無線信號的方式來區(qū)分，目前主要的方式有調頻無線技術、紅外無線技術和藍牙無線技術三種，其本錢和特點也不盡相同。廣泛應用于音響鍵鼠等各項內容，有很好的開展前景。4.2.1無線網絡的標準4.2.1.1常見標準有IEEE802.11a：使用5GHz頻段，傳輸速度54Mbps，與802.11b不兼容。IEEE802.11b：使用2.4GHz頻段，傳輸速度11Mbps。IEEE802.11g：使用2.4GHz頻段，傳輸速度主要有54Mbps、108Mbps，可向下兼容802.11b。IEEE802.11n草案：使用2.4GHz頻段，傳輸速度可達300Mbps，目前標準尚為草案，但產品已層出不窮。目前IEEE802.11b最常用，但IEEE802.11g更具下一代標準的實力，802.11n也在快速開展中。IEEE802.11b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行有效的管理。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用中得到使用的根本原因。IEEE802.11b標準定義了兩種機理來提供無線LAN的訪問控制和保密：效勞配置標識符〔SSID〕和有線等效保密〔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〔VPN〕來進行的。SSID，無線LAN中經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)中設備的網絡名稱；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保密〔或稱為WEP〕的可選加密方案，提供了確保無線LAN數據流的機制。WEP利用一個對稱的方案，在數據的加密和解密過程中使用相同的密鑰和算法[7]。4.2.1.2協議ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低本錢的雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網、平安和應用軟件方面的通信技術。ZigBee協議棧的物理層、MAC即是IEEE802.15.4協議。IEEE802.15.4能支持消耗功率最少，一般在個人活動空間〔10m直徑或更小〕工作的簡單器件。IEEE802.15.4支持兩種網絡拓撲，即單跳星形或當通信線路超過10m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結構由網絡層定義[11]。.1物理層IEEE802．15．4．2003有兩個物理層，分別操作于868／915MHz和2．4GHz頻率范圍。低頻率物理層包括868MHz歐洲頻段和在美國和澳大利亞等國家使用的915MHz頻段，高頻率物理層是供全世界使用的。ZigBee物理層主要負責處理以下一些任務：1、無線發(fā)射機的激活和關閉；2、信道能量檢測：3、接收分組的鏈路質量指示(LQI)；4、基于CSMA—CA的空閑信道評估(CCA)；5、信道頻率選擇；6、數據傳輸和接收。ZigBee設備在不同頻段的比特率、碼片率以及調制方式如表1所示：表1頻段和數據率物理層/MHz頻段/MHz擴頻參數數據參數碼片率/(kcpips/s)調制比特率/(kb/s)符號率/(ksymbol/s)符號868、915868~868.6300BPSK2020二進制902~928600BPSK4040二進制24502400~2483.520000—QPSK25062.516位正交ZigBee三個頻段共有27個信道，編號從0—26。其中2．4GHz頻段有16個信道，915Etz頻段有10個信道，868MHz頻段有1個信道。這些信道的中心頻率定義如下：Fc=868．3MHz，k=0Fc=906+2(k一1)MHz，k=1，2，…，10Fc=2405+5(k一11)MHz，k=1l，12，…，26其中k表示信道號碼。圖4PHY模型示意圖MAC層IEEE802．15．4-20031dAC子層控制使用CSMA—CA機制接入到無線信道[12]。它的職責包括傳輸信標幀、保持同步和提供可靠的傳輸機制。ZigBeeMAC子層主要負責處理以下一些任務：1、產生網絡信標(如果設備是協調器)；2、同信標保持同步；3、支持PAN的連接和斷開連接；4、支持設備的平安性；5、信道接入采用CSMA—CA接入機制；6、處理和維護GTS機制；7、在對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。圖5MAC層參考模型示意圖ZigBee節(jié)點類型ZigBee網絡包含三種類型的節(jié)點，即協調器ZC(ZigBeeCoordinator)、路由器ZR(ZigBeeRoute)和終端設備ZE(ZigBeeEndDeviee)，其中協調器和路由器均為全功能設備(FFD)，而終端設備選用精簡功能設備(RFD)。協調器：一個ZigBee網絡PAN(PersonalAreaNetwork)有且僅有一個協調器，該設備負責啟動網絡，配置網絡成員地址，維護網絡，維護節(jié)點的綁定關系表等，需要最多的存儲空間和計算能力；路由器：主要實現擴展網絡及路由消息的功能。擴展網絡，即作為網絡中的潛在父節(jié)點，允許更多的設備接入網絡。路由節(jié)點只有在樹狀網絡和網狀網絡中存在；終端設備：不具備成為父節(jié)點或路由器的能力，一般作為網絡的邊緣設備，負責與實際的監(jiān)控對象相連，這種設備只與自己的父節(jié)點主動通訊，具體的信息路由那么全部交由其父節(jié)點及網絡中具有路由功能的協調器和路由器完成[11]。ZigBee的拓撲結構ZigBee的網絡支持星狀網(StarNetwork)，樹狀網(ClustertreeNetwork)和網狀網(MeshNetwork)三種網絡拓撲結構。星形網(Star)是由一個ZigBee協調器和一個或多個ZigBee終端節(jié)點組成的。ZigBee協調器必須是FFD，它位于網絡的中心，負責發(fā)起建立和維護整個網絡，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ZigBee協調器的覆蓋范圍內，直接與ZigBee協調器進行通信。星形網的控制和同步都比擬簡單，通常用于節(jié)點數量較少的場合。樹狀網絡(Cluster-tree)由一個協調器和一個或多個星狀結構連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點一般為RFD，設備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成數據和控制信息的傳輸。協調器比網絡中的其它路由器具有更強人的處理能力和存儲空間。樹狀網絡的一個顯著優(yōu)點就是它的網絡覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時延也會增大。網狀網絡(Mesh網)一般是由假設干個FFD連接在一起組成骨干網，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通信范圍內的其它節(jié)點通信，即允許網絡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協調器。網狀網絡是樹狀網絡根底上實現的，與樹狀網絡不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實現數據的網狀路由的。Mesh網是一種高可靠性網絡，具有“自恢復〞能力，它可為傳輸的數據包提供多條路徑，一旦一條路徑出現故障，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〞的網絡。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]圖6星形網絡拓撲圖圖7網狀網絡拓撲圖圖8樹狀網絡拓撲圖拓撲圖4.3軟件設計網絡協調器負責建立無線網絡，接收終端節(jié)點的狀態(tài)信息并報警或顯示，發(fā)送命令控制節(jié)點的狀態(tài)。系統(tǒng)應用層的程序主要包括安防、家電控制、傳感、無線數據傳輸好人機交互模塊等模塊。終端節(jié)點負責數據采集，報警或顯示，發(fā)送狀態(tài)信息給協調器。系統(tǒng)應用層的程序主要包括傳感、報警、無線數據傳輸和人機交互模塊。系統(tǒng)應用層功能框圖如圖3所示。報警模塊報警模塊入網模塊無線數據傳輸模塊數據發(fā)送數據格式定義數據接收平安傳感模塊家電控制模塊煤氣LED狀態(tài)顯示終端節(jié)點系統(tǒng)應用層程序功能框圖防盜門迎求救器燈光窗簾風扇空調建網模塊安防模塊LCD顯示模塊無線數據傳送模塊網絡狀態(tài)報警信息節(jié)點信息傳感信息LED報警顯示按鍵模塊家電控制模塊傳感模塊數據格式定義數據接收數據發(fā)送照度協調器系統(tǒng)應用層程序功能框圖溫度圖3系統(tǒng)應用層功能框圖4.4ZigBee智能家居系統(tǒng)本智能家居系統(tǒng)旨在運用ZigBee技術構建一個模擬的家居監(jiān)測控制系統(tǒng)。系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。從圖中可以看出，本系統(tǒng)大致由安防傳感子網、家電控制子網、信息管理平臺及遠程終端等局部組成。圖1智能家居系統(tǒng)拓撲結構圖其中，安防子網由溫度傳感器、煤氣傳感器、人體紅外感應傳感器等各種傳感器模塊組成。家電控制子網內的設備根本為受控設備。通過監(jiān)測環(huán)境溫度、照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可直接聯動控制相關受控設備或將信息發(fā)送至管理平臺，由信息管理平臺決策如何處理這些4.5ZigBee開發(fā)軟件介紹主要軟件編程在ZigBee開發(fā)軟件上編譯和調試，即IAREW8051開發(fā)軟件，IAREmbeddedWorkbench是一套卡發(fā)工具，用于對匯編、C或C++編寫的嵌入式應用程序進行編譯和調試。IAREmbeddedWorkbench是一套高度精密且使用方便的嵌入式應用編程開發(fā)工具。該集成環(huán)境包含了IAR的C/C++編譯器，匯編器，鏈接器，文件管理器，文本編輯器，工程管理器和C—SPY調試器。通過其內置的針對不同芯片的代碼優(yōu)化器IAREmbeddedWorkbench可以為ARM芯片生成非常高效可靠的FLASH/PROMable代碼[10]。4.5.1IAR軟件完成安裝軟件后，在開始菜單里找到安裝好的IAR軟件，以下為其主要組成局部：集成工程管理器和編輯器的IDE；高度優(yōu)化的C/C++編譯器；芯片的胚子文件；高性能的C—SPY調試器和硬件調試工具；支持RTOS內核識別調試；匯編器；Run—time庫；鏈接器和庫管理工具；現成的代碼例程；印刷電路板以及電子版的用戶手冊；網上幫助文檔。4.5.2IAR集成開發(fā)軟件各組成部件的特點〔1〕集成開發(fā)環(huán)境〔IDE〕層次化的工程表示方法；強大的工程管理允許在同一工作區(qū)管理多個工程；自適應窗口的浮動床擴管理；智能的源文件瀏覽器；包括生成、維護庫的庫工具；集成源代碼控制系統(tǒng)；文本編輯器；常用代碼構件的代碼模板；命令行建立功能?！?〕IARC/C++編譯器對代碼的大小和執(zhí)行速度多級優(yōu)化，允許不同的轉換形式；用于數據/函數定義和存儲器及類型屬性聲明的擴展關鍵字；用于控制編譯器行為〔如內存分配〕的Pragma指令；在C源碼中可直接訪問的內在函數，從而執(zhí)行低級處理器操作；支持C、嵌入式C++和擴展的嵌入式C++，并且包含有模板、名稱和標準模板庫〔STL〕?！?〕IAR匯編器強大的可重定位宏匯編器，并帶有豐富的標示符合操作符，內置C語言預處理器，支持所有C宏定義?！?〕芯片支持IAREmbeddedWorkbench集成開發(fā)環(huán)境支持絕大多數8位、16位、32位微處理器；現成的C/C++匯編外設存放器定義文件；多種代碼、數據模式；〔5〕鏈接器靈活的段命令，允許對代碼和數據放置進行細節(jié)化的控制；優(yōu)化鏈接過程中檢查C/C++變量和函數；在非連續(xù)的存儲空間自動放置代碼和數據?！?〕C-SPY調試器完全集成的源代碼和反匯編調試器；非常精細的運行控制尺度；復雜的代碼和數據斷點；多種數據監(jiān)測；支持STL容器；C/C++調用棧窗口，也會顯示即將進入的函數；雙擊調用鏈上的任一函數，將自動更新編輯器、Locals、存放器、Watch被反匯編窗口以顯示該函數被調用時的狀態(tài)；Trace功能，允許查看代碼運行的歷史；在Trace窗口中移動時，將自動更新編輯器和反匯編窗口，以顯示正確的位置；TerminalI/O仿真；終端和I/O的模擬；類C的宏語言系統(tǒng)，用于擴展調試器的功能；由主機對應用程序的系統(tǒng)調用進行仿真；代碼覆蓋率和Profiling性能分析工具；通用的FlashLoader，帶有API手冊?！?〕RTSD支持支持OSEKRunTimeUnterface〔ORTI〕。〔8〕IAR庫和庫工具包含所有必需的ISO/ANSIC/C++庫和源代碼；為所有的低級程序，如writechar和readchar，提供完整的源代碼；輕量級Runtime庫?？捎捎脩舾鶕玫男枰孕信渲?；用于創(chuàng)立和維護庫工程、庫和庫模塊的庫工具；入口點和符號信息清單。4.6創(chuàng)立工程4.6.1建立工程安裝完協議棧Zstack-.1.2.1后，找到C:\TexasInstruments\ZStack-1.4.3-1.2.1\Projects\zstack\Samples下的SimpleApp工程，雙擊SimpleApp.eww翻開工程，在Workspace下拉框中選擇SimpleCollectorEB。保存后將文件夾名“SimpleApp〞改為“Coordinator〞，作為智能家居的協調器工程。[16]圖9智能家居系統(tǒng)協調器工程示意圖在C:\TexasInstruments\ZStack--1.2.1\Projects\zstack\Samples目錄下重新復制一個SimpleApp工程，翻開工程，在Workspace下拉框中選擇SimpleSensorED，如圖10所示，保存后將文件夾名改成“EndDevice〞，作為智能家居的終端節(jié)點工程。圖10智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點工程示意圖4.6.2工程選項設置協調器工程SimpleCollectorEB修改后的預編譯選項[17]為：CC2430EBHOLD_AUTO_STARTREFLECTORNV_INITxNV_RESTORExMT_TASKLCD_SUPPORTED終端節(jié)點工程SimpleSensorEB修改后的預編譯選項為：CC2430EBHOLD_AUTO_STARTREFLECTORNV_INITNV_RESTORExMT_TASKxLCD_SUPPORTED4.6.3添加文件編寫溫度控制開關程序：新建文件“Untitled1〞，編寫程序，將文件另存為“DS18B20.h〞放到C:\TexasInstruments\ZStack--1.2.1\Projects\zstack\Samples\Coordinator\Source目下，如圖11所示。圖11保存溫度控制程序示意圖為Coordinator工程的應用程序組〔APP〕添加“DS18B20.h〞：翻開協調器工程Coordinator，在應用程序組〔APP〕出單擊右鍵，再點擊“AddFiles〞，如圖12所示，找到“DS18B20.h〞后添加。添加后的結果如圖13所示。由于“DS18B20.h〞文件中的函數被SimpleCpllector.c調用，因此，在SimpleCollector.c中添加“#include“DS18B20.h〞〞。圖12添加文件示意圖圖13添加文件后的結果示意圖4.7任務與事件4.7.1自定義事件程序在SimpleCollector.c中定義了時間MY_START_EVT，用于啟動設備的協議棧，使設備建立我網絡或者參加網絡。#defineMY_START_EVT0x0001智能家居系統(tǒng)的協調器需要增加新的事件，用于觸發(fā)網絡狀態(tài)更新和液晶顯示。新增事件的定義如下：#defineMY_UPDATE_NET_EVT0x0002//更新網絡狀態(tài)#defineMY_SHOW_MAIN_MENU_EVT0x0003//顯示主菜單#defineMY_SHOW_VICE_MENU_EVT0x0004//顯示二級菜單4.7.2事件觸發(fā)以MY_UPDATE_NET_EVT為例，當網絡建立成功后腰觸發(fā)該事件來更新網絡狀態(tài)，因此，在建網回調函數zb_StartConfirm〔SimpleCollector.c〕中觸發(fā)該事件。if(status==ZB_SUCCESS){myAppState=APP_START；//觸發(fā)網絡狀態(tài)更新事件osal_set_event(sapi_TaskID，MY_UPDATE_NET_EVT)；}osal_set_event函數中，sapi_TaskID表示觸發(fā)事件MY_UPDATE_NET_EVT所在的任務ID。Sapi_TaskID在sapi.c中定義。4.7.3事件觸發(fā)在SimpleCollector.c中定義對應于新增事件的事件處理函數。staticvoidzb_UpdateNet(void)；//更新網絡狀態(tài)voidShow_MainMenu(void)；//LCD顯示主菜單staticvoidShow_ViceMenu_2(uint8show_type)；//LCD顯示二級菜單4.7.4添加事件處理函數SimpleCollector.c中的zb_HandleOsalEvent函數用于處理在用戶應用程序中自定義的事件，在zb_HandleOsalEvent中增加對應于新增事件的事件處理函數的代碼如下：voidzb_HandleOsalEvent(unit16event){If(event&MY_START_EVT){zb_BuildNet()；//建立網絡}If(event&MY_UPDATE_NET_EVT){zb_UpdateNet()；//更新網絡狀態(tài)}If(event&MY_SHOW_MAIN_MENU_EVT){Show_MainMenu()；//LCD顯示主菜單}If(event&MY_SHOW_VICE_MENU_EVT){Show_ViceMenu_2(show_type)；//LCD顯示二級菜單}}在終端節(jié)點中添加的事件有：#defineMY_UPDATE_NET_EVT0x0002//更新網絡狀態(tài)#defineMY_MEASURE_EVT0x0004//節(jié)點狀態(tài)檢測對應的事件處理函數分別為：zb_UpdateNet()；//更新網絡狀態(tài)myApp_Measure()；//節(jié)點狀態(tài)檢測對于自定義事件，從事件觸發(fā)到事件處理的流程如圖14所示。圖14事件處理流程圖4.8設備信息配置4.8.1ProfileIDCoordinator工程中ProfileID的定義在SimpleApp.h中。模塊程序的定義為：#defineMY_PROFILE_ID0x0F10MY_PROFILE_ID可以設定為任意的16位值，但是必須保證同一網絡中協調器和各個節(jié)點的MY_PROFILE_ID值一致。4.8.2設備設備ID和設備版本的定義在SimpleApp.h中。模塊的協調器設備定義如下：#defineDVE_ID_COLLECTOR0x00#defineDEVICE_VERSION_COLLECTOR0x01終端節(jié)點設備定義如下：#defineDEV_ID_SENSOR0x02#defineDEVICE_VERSION_SENSOR0x014.8.3端口在SimpleApp.h中定義端口號#defineMY_ENDPOINT_ID0x024.8.4命令智能家居系統(tǒng)中，協調器不僅能夠主動請求所有節(jié)點信息，而且需要控制每個節(jié)點的狀態(tài)，各個節(jié)點必須能夠及時的將自己的狀態(tài)信息返回給協調器。其中，協調器與每一個設備的操作可以對應一個命令。因此在SimpleApp.h中定義的命令如下：#defineALLINFO0x00//請求所有節(jié)點想念西#defineCOOR0x00//顯示為協調器信息#defineTEMP0x01//溫度#defineILLUMINANCE0x02//照度計#defineLIGHT0x03//燈#defineCURTAIN0x04//窗簾#defineFAN0x05//風扇#defineCONDITION0x06//空調#defineGAS0x07//煤氣檢測#defineINBREAK0x08//防盜報警器#defineWELCOME0x09//門迎將命令添加到命令列表：對于協調器設備，ALLINFO為輸出命令，ILLUMINANCE為輸入命令；對于終端節(jié)點設備來說，ALLINFO為輸出命令，ILLUMINANCE為輸入命令。因此，協調器輸入命令表如下：constcId_tzb_InCmdList[NUM_IN_CMD_COOD]={ILLUMINANCE，LIGHT，CURTAIN，FAN，CONDITION，WELCOME，INBREAK，GAS，}；協調器的輸出命令列表如下：constcId_tzb_OutCmdList[NUM_IN_CMD_COOD]={ALLINFO，LIGHT，CURTAIN，FAN，CONDITION，WELCOME，INBREAK，GAS，}；終端節(jié)點的輸入命令列表應與協調器輸出命令列表相同，輸出命令列表與協調器輸入命令列表相同。修改輸入輸出命令個數如下：#defineNUM_OUT_CMD_COOR10#defineNUM_IN_CMD_COOR104.8.5端口描述符在SimpleCollector.c中修改協調器設備的簡單描述符定義，如下：constSimpleDescriptionFormat_tzb_SimpleDesc={MY_ENDPOINT_ID，//端口號MY_PROFILE_ID，//ProfileIDDEV_ID_COLLECTOR，//設備IDDEVICE_VERSION_COLLECTOR，//設備版本0，//保存NUM_IN_CMD_COOR，//輸入命令數(cId_t*)zb_InCmdList，//輸入命令列表地址NUM_OUT_CMD_COOR，//輸出命令數(cId_t*)zb_OUTC