電氣自動化畢業(yè)論文---基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</b></p><p>　　論文題目： 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p><b>　?。ㄓ布糠郑?</b></p><p>　　學(xué)位類別： 工 學(xué) 學(xué) 士 </p><

2、;p>　　學(xué)科專業(yè)： 電 氣 自 動 化 </p><p>　　作者姓名： XXX 　 </p><p>　　導(dǎo)師姓名： XX </p><p>　　完成時(shí)間： 2012-

3、5-27 </p><p>　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（硬件部分）</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。智能家居系統(tǒng)能夠?yàn)槿祟愄峁└虞p松、有序、高效的現(xiàn)代化生活方式，是未來

4、居住模式的必然發(fā)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。</p><p>　　本文在分析了國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對智能家居系統(tǒng)在布線、難、造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，將ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用于智能家居中，并提出一種采用ZigBee無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比，具有免布線，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，對家居內(nèi)部各種數(shù)據(jù)進(jìn)行無線采集和傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。&

5、lt;/p><p>　　本文針對智能家居網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)通過對智能家居網(wǎng)絡(luò)分析、對比和研究，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(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用CC2430的ZigBee模塊與各種傳感器設(shè)計(jì)了一種低成本、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(shí)現(xiàn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ZigBee；智能家居；無線網(wǎng)絡(luò)；CC2430</p><p>

6、　　Designing of smart home system based on wireless sensor network(hardware)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of electronic information technology and computer n

7、etwork technology，there is the new trend of the development of smart home system to realize the home informatization，and networking．Smart home system can provide more relaxed，orderly，efficient modern way of life，is the i

8、nevitable trend of the development of future residential pattern．Therefore，smart home system has gradually become a new research field．</p><p>　　In this paper，contraposed the problem of hard-touting，high-cos

9、t，complex-structure existing in the smart home，a new method of applying ZigBee　wireless communication technology to smart home by analyzing the　present status technology of smart home system from domestic to overseas is

10、given and proposed a design options by adopting ZigBee wireless communication technology．Compared to the traditional smart home system，there are lots of characteristics like no routing，convenient maintenance，low operat&l

11、t;/p><p>　　Pointing to these features of smart home system，in these paper，a method of adopting star network to establish smart home intranet by analyzing，comparing,researching the smart home network is given．Th

12、e smart home networt is designed and realized，and a kind of low-cost，high-flexibility，conventional wireless intelligent networt controller is accomplished by using CC2430 ZigBee module and other sensors．</p><p

13、>　　Keywords：ZigBee；smart home；wireless network；CC2430</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章　前言1</b></p><p>　　1.1智能家居簡介1</p><p>　　1.2智能家居系統(tǒng)組成

14、1</p><p>　　1.3智能家居系統(tǒng)的起源和發(fā)展2</p><p>　　1.4智能家居系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展新趨勢3</p><p>　　1.5無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)4</p><p>　　1.5.1無線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)5</p><p>　　1.6 ZigBee技術(shù)5</p><p>　　1.6.

15、1 ZigBee技術(shù)簡介5</p><p>　　1.6.2 ZigBee協(xié)議棧各層結(jié)構(gòu)6</p><p>　　1.6.3 ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)7</p><p>　　1.6.4 ZigBee聯(lián)盟及標(biāo)準(zhǔn)制定7</p><p>　　1.7 課題研究內(nèi)容8</p><p>　　1.7.1課題目的8</p&

16、gt;<p>　　1.7.2課題意義8</p><p>　　1.7.3研究主要內(nèi)容9</p><p>　　第二章　智能家居系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計(jì)（硬件部分）10</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案10</p><p>　　2.1.1 智能家居系統(tǒng)的組成10</p><p>　　2.1.2 方案

17、實(shí)現(xiàn)的過程11</p><p>　　2.1.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)類型11</p><p>　　2.1.4 ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)12</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)方案的總體分析13</p><p>　　2.2.1中央控制器CC243013</p><p>　　2.2.2信號檢測模塊14</p>

18、;<p>　　2.2.3電源管理模塊14</p><p>　　2.2.4控制電路模塊14</p><p>　　2.2.5涉及到的主要芯片的介紹14</p><p>　　第三章　硬件設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.1 硬件原理圖23</p><p>　　3.1.1紅外檢測模塊23</p&

19、gt;<p>　　3.1.2光照檢測模塊24</p><p>　　3.1.3溫度檢測模塊26</p><p>　　3.1.4電源管理模塊26</p><p>　　3.1.5電器控制模塊27</p><p>　　第四章軟件設(shè)計(jì)29</p><p>　　第五章 聯(lián)調(diào)測試30</p>

20、<p>　　5.1 硬件獨(dú)立測試30</p><p>　　5.1.1 電源模塊的測試30</p><p>　　5.1.2 紅外檢測電路的測試30</p><p>　　5.1.2 光照檢測電路的測試30</p><p>　　5.1.2 溫度檢測電路的測試30</p><p>　　5.1.3 電器控

21、制電路的測試31</p><p>　　5.1.4 智能家居系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合測試31</p><p>　　第六章 總結(jié)34</p><p>　　6.1 已實(shí)現(xiàn)的功能34</p><p>　　6.2 存在的不足34</p><p>　　6.3 未來展望34</p><p><b&

22、gt;　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　第一章　前言</b></p><p><b>　　1.1智能家居簡介</b></p><p>　　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

23、能家居-系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全防范技術(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)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。[1]</p><p>　　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(shí)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)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)

24、系統(tǒng)可能并不采用綜合布線技術(shù)，不論哪一種情況，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。安全防范技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，在小區(qū)及戶內(nèi)可視對講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報(bào)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

25、頻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境舒適性、藝術(shù)性的重要技術(shù)，體現(xiàn)在音視頻集中分配、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(rèn)為是對21世界產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。[2]</p><p>　　通俗地說，它是融合了自動化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)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，比如，通過家觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制

26、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，智能家居內(nèi)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(yùn)行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。</p><p>　　1.2智能家居系統(tǒng)組成</p><p>　　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(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T

27、VC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(rèn)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]</p><p><b>　　1、家居布線系

28、統(tǒng)</b></p><p>　　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)。</p><p><b>　　2、家庭安防系統(tǒng)</b></p><p>　　家庭安防系統(tǒng)包括如下幾個方面的內(nèi)容：門磁開關(guān)、緊急求助、煙霧檢測報(bào)警、燃?xì)庑孤秷?bào)警、碎玻探測報(bào)警、紅外

29、微波探測報(bào)警等。</p><p>　　1.3智能家居系統(tǒng)的起源和發(fā)展</p><p>　　20 世紀(jì) 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(dú)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)的發(fā)展，出

30、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(jìn)行監(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(shí)，

31、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。</p><p>　　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(jìn)行研究，1983年美國電子工業(yè)協(xié)會組織專門機(jī)構(gòu)開始制定家庭電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并于1988年編制了第一個適用于家庭住宅的電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即：《家庭自動化系統(tǒng)與通訊標(biāo)準(zhǔn)》，也有稱之為家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(HBS，H

32、ome Bus System)。在其制定的設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中，智能住宅的電氣設(shè)計(jì)要求必須滿足以下三個條件，即： 　　</p><p>　　1、具有家庭總線系統(tǒng)； 　　</p><p>　　2、通過家庭總線系統(tǒng)提供各種服務(wù)功能； 　</p><p>　　3、能和住宅以外的外部世界相連接。</p><p>　　物聯(lián)傳感技術(shù)是全球第一個利用物聯(lián)網(wǎng)來控

33、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(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)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)的興起，ZigBee又獲得了新的應(yīng)用機(jī)會。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)的最基礎(chǔ)最核心最廣泛的單元細(xì)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(shí)現(xiàn)通信，并且這些單元只需要很少的能

34、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(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)，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(kuò)容，易使用，易維護(hù)、便于快速大規(guī)模部署等特點(diǎn)順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)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)測和健康保健等方面的應(yīng)用有很大的融合性。</p><p>　　1.4智能家居系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展新趨勢</p><p>　　隨著智能家居的

35、迅猛發(fā)展，越來越多的家居開始引進(jìn)智能化系統(tǒng)和設(shè)備。智能化系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容也從單純的方式向多種方式相結(jié)合的方向發(fā)展。但較之于歐美發(fā)達(dá)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)的發(fā)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

36、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、內(nèi)容、控制在不同的子系統(tǒng)中進(jìn)行交互、交換。[4]它具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　1、每個子系統(tǒng)都可以脫離交互平臺獨(dú)立運(yùn)行</p><p>　　智能家居交互平臺中，各個子系統(tǒng)在脫離交互平臺時(shí)能夠獨(dú)立運(yùn)行，如果樓寓對講、家庭報(bào)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(yùn)行，平臺能

37、采集各子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的聯(lián)動。</p><p>　　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(jìn)行交互</p><p>　　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(yùn)行數(shù)據(jù)額交換、共享，給用戶最大限度的選擇權(quán)，充分體現(xiàn)智能家居的個性化。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程管理。具有多種主流的控制接口，如RS48

38、5、RS232、TCP、IP等，同時(shí)可以擴(kuò)充添加國內(nèi)外流行的控制接口，如EIB、lonwork、CE-bus、Canbus，以及無線網(wǎng)絡(luò)如：WiFi、GPRS、藍(lán)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)的多樣選擇提供的基礎(chǔ)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。</p><p>　　3、智能終端（觸摸屏）僅做為各子系統(tǒng)的顯示、操作界

39、面</p><p>　　整個系統(tǒng)在平臺的控制、管理下運(yùn)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(shí)，可以記錄各子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、為系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的運(yùn)行可以提供有效的歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)可以根據(jù)歷史的運(yùn)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)。</p><p>　　4、控制軟件可

40、編程（DIY），提供信息服務(wù)</p><p>　　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，信息服務(wù)是非常重要的不可或缺的部分，有了信息服務(wù)，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。信息服務(wù)內(nèi)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、

41、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)而是信息服務(wù)與控制有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)。</p><p><b>　　5、多種控制手段</b></p><p>　　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(shí)掌控、需要的信息隨時(shí)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(jī)、PDA等。</p>

42、;<p>　　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，更能為家庭的日常活動節(jié)約不必要的能耗。隨著科技的提高，經(jīng)濟(jì)的發(fā)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部分——智能家居控制系統(tǒng)也越發(fā)顯得重要。[5]</p><p><b>　　1.5無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)</b></p><p>　　所謂無線

43、網(wǎng)絡(luò)，既包括允許用戶建立遠(yuǎn)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(jìn)行優(yōu)化的紅外線技術(shù)及射頻技術(shù)，與有線網(wǎng)絡(luò)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(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(lán)牙無線技術(shù)三種，其成本和特點(diǎn)也不盡相同。廣泛應(yīng)用于音響 鍵鼠等各項(xiàng)內(nèi)容，有很好的發(fā)展前景。</p>&

44、lt;p>　　1.5.1無線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　常見標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種： </p><p>　　IEEE 802.11a ：使用5GHz頻段，傳輸速度54Mbps，與802.11b不兼容。</p><p>　　IEEE 802.11b ：使用2.4GHz頻段，傳輸速度11Mbps ?！　?lt;/p><p>　　IEEE 802

45、.11g ：使用2.4GHz頻段，傳輸速度主要有54Mbps、108Mbps，可向下兼容802.11b ?！　?lt;/p><p>　　IEEE 802.11n草案：使用2.4GHz頻段，傳輸速度可達(dá)300Mbps，目前標(biāo)準(zhǔn)尚為草案，但產(chǎn)品已層出不窮。</p><p>　　目前IEEE 802.11b最常用，但I(xiàn)EEE 802.11g更具下一代標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)力，802.11n也在快速發(fā)展中。<

46、/p><p>　　IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)含有確保訪問控制和加密的兩個部分，這兩個部分必須在無線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安全解決方案，可以從一個控制中心進(jìn)行有效的管理。缺乏集中的安全控制是無線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。</p><p>　　IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種機(jī)理來提供無線LAN的訪問控制和保

47、密：服務(wù)配置標(biāo)識符（SSID）和有線等效保密（WEP）。還有一種加密的機(jī)制是通過透明運(yùn)行在無線LAN上的虛擬專網(wǎng)（VPN）來進(jìn)行的。</p><p>　　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)。 　　</p><p>　　WEP ，IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一

48、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(shù)據(jù)流的機(jī)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相同的密鑰和算法。[7] </p><p>　　1.6 ZigBee技術(shù)</p><p>　　ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有

49、周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。</p><p>　　1.6.1 ZigBee技術(shù)簡介</p><p>　　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(dá)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- Ea

50、syLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee。[9]</p><p>　　簡單的說，ZigBee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(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。</p><p>　　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)范圍內(nèi)，

51、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(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)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(jià)格低的特點(diǎn)。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的

52、傳感器直接進(jìn)行數(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(diǎn)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(diǎn)(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。</p><p>　　1.6.2 ZigBee協(xié)議棧各層結(jié)構(gòu)</p><p>　　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

53、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。</p><p><b>　　PHY 層 </b></p><p>　　主要通過無線信道進(jìn)行收發(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，

54、信道選擇，信道能量檢測ED(Energy　Detect)和空閑信道評估CCA (Clear　ChannelAssessment)。</p><p><b>　　AMC 層 　</b></p><p>　　對從即DU中提取的淤DU進(jìn)行進(jìn)一步的處理，同時(shí)，還提供AMC層數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，ED、ACTIVE和ORPN三種掃描機(jī)制，和關(guān)聯(lián)/退出關(guān)聯(lián)功能。AMC層的ED掃描調(diào)用PH

55、Y層的ED檢測實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　NwK層　</b></p><p>　　負(fù)責(zé)NPDU收發(fā)，組網(wǎng)管理及信息路由的實(shí)現(xiàn)。其中組網(wǎng)管理主要包括網(wǎng)絡(luò)建立、地址分配、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)及節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)。信息路由則包括路徑發(fā)現(xiàn)、路徑維護(hù)、信息單播及信息廣播。[10]</p><p>　　1.6.3 ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)</p><p

56、>　　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的范圍內(nèi),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(diǎn)：</p><p>　　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

57、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達(dá)6個月到2年左右的使用時(shí)間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。</p><p>　　2、成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。</p><p>　　3、時(shí)延短: 通信時(shí)延和從

58、休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。 </p><p>　　4、網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個星型結(jié)構(gòu)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)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。</p><p&

59、gt;　　5、可靠: 采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)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(rèn)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的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。</p><p>　　6、安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。&l

60、t;/p><p>　　1.6.4 ZigBee聯(lián)盟及標(biāo)準(zhǔn)制定</p><p>　　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，具有高可靠、高性價(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格。ZigBee聯(lián)盟的主要目標(biāo)是以通過加入無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費(fèi)者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)

61、能融入各類電子產(chǎn)品，應(yīng)用范圍橫跨全球的民用、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(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)平臺，設(shè)計(jì)出簡單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來。ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點(diǎn)為制定網(wǎng)絡(luò)、安全和應(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)的發(fā)展。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟對ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的制定：IEEE802.

62、15.4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，標(biāo)準(zhǔn)已在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(jìn)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(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32

63、K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個節(jié)點(diǎn)，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其它節(jié)點(diǎn)獲得。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點(diǎn)為制定網(wǎng)絡(luò)、安全和應(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)的發(fā)展。[9] <

64、/p><p>　　1.7 課題研究內(nèi)容</p><p>　　1.7.1課題目的</p><p>　　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)、安全防范技術(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)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)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

65、技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，加入了家居布線系統(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(rèn)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。</p><p><b>　　1.7.2課題意義</b></p><

66、p>　　智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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，而國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。由于智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化和個性化的獨(dú)特魅力，使得智能家居的開發(fā)與建設(shè)成為21 世紀(jì)科技發(fā)展的

67、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。 </p><p>　　1.7.3研究主要內(nèi)容</p><p><b>　　1、要求</b></p><p><b>　　基本問題：</b></p><p>　?。?）報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)

68、現(xiàn)。</p><p>　?。?）智能光控?zé)艟吣K的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?。?）智能溫控空調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　重點(diǎn)注意：</b></p><p>　　軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。</p><p>　　第二章　智能家居系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計(jì)（硬件部分）</p>

69、<p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案</p><p>　　在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在盡可能保持統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的前提下，針對各種信號類型選擇合適的總線或者無線技術(shù)并設(shè)計(jì)主控器已成為智能家居建設(shè)的首要問題。</p><p>　　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(diǎn)是可以簡化各功能單元的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)就是布線多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計(jì)選擇的問題。</p>

70、<p>　　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(jì)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)中的檢測、中央處理、控制等各個模塊。</p><p>　　2.1.1 智能家居系統(tǒng)的組成</p><p>　　系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，即主節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)，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

71、，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。</p><p>　　圖2-1智能家居系統(tǒng)的組成</p><p>　　2.1.2 方案實(shí)現(xiàn)的過程</p><p>　　本文任務(wù)提出的功能控制驅(qū)動模塊實(shí)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(jī)構(gòu)，其與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，每個房間放置的充當(dāng)路由器功能的分

72、節(jié)點(diǎn)和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)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無線收發(fā)模塊，與各個設(shè)備、節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信。此方案的設(shè)計(jì)靈活性好，擴(kuò)展性好。</p><p>　　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(diǎn)）建立ZigBee智能網(wǎng)絡(luò)，各個網(wǎng)絡(luò)控制器（分節(jié)點(diǎn)）隨后加入該網(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

73、進(jìn)行控制或者檢測時(shí)，主節(jié)點(diǎn)找到與該家具設(shè)備相連的分節(jié)點(diǎn)的ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)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(jìn)行相應(yīng)的操作，從而完成智能家居的控制。</p><p>　　2.1.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)類型</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器ZC(ZigBee Coord

74、inator)、路由器ZR(ZigBee Route)和終端設(shè)備ZE(ZigBee End 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)。</p><p>　　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(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲空間和計(jì)算能力；&

75、lt;/p><p>　　路由器：主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點(diǎn)，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在；</p><p>　　終端設(shè)備：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點(diǎn)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]

76、</p><p>　　2.1.4 ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　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(diǎn)組成的。ZigBee協(xié)調(diào)器必須

77、是FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在ZigBee協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場合。</p><p>　　樹狀網(wǎng)絡(luò)(Cluster-tree)由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)

78、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(qiáng)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(diǎn)就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時(shí)延也會增大。</p><p>　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng))一般是由若干個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(diǎn)都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連，

79、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)基礎(chǔ)上實(shí)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(shí)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，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余"的網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲空間開銷

80、。[12]</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)方案的總體分析</p><p>　　本著模塊化的設(shè)計(jì)思想，本文提到的設(shè)計(jì)方案被分為三個模塊，即中央控制模塊、信息檢測模塊，以及家電控制模塊。</p><p>　　2.2.1中央控制器CC2430</p><p>　　基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居的設(shè)計(jì)，我們選擇了技術(shù)成熟、低耗高能的ZigBee技術(shù)組建無線

81、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。</p><p>　　圖2-2 CC2430最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　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為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4GH

82、z DSSS(直接序列擴(kuò)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(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)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)雜度與成本的組合。</p><p>　　2.2.2信號檢測模塊</p><p>　　信號檢測模塊，按照需求，我們設(shè)計(jì)了三個子模塊，即紅外報(bào)警模塊，光照監(jiān)測模塊以及溫度檢

83、測模塊。</p><p><b>　　1、紅外報(bào)警模塊：</b></p><p>　　一開始的設(shè)計(jì)思路是圍繞著激光技術(shù)來做，鑒于價(jià)格過高，且實(shí)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(jià)的紅外線對管也可以做到，便著手設(shè)計(jì)紅外對管相關(guān)的紅外檢測電路。</p><p>　　設(shè)計(jì)的電路原理是沒有物體入侵時(shí)，使用一個比較器，檢測電路送出低電平，

84、輸出端沒有反應(yīng)。當(dāng)有物體入侵時(shí)，檢測電路送出高電平，給ZigBee模塊送出信號。</p><p><b>　　2、光照檢測模塊：</b></p><p>　　與紅外報(bào)警模塊類似，使用一個比較器，當(dāng)光線充足的時(shí)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(shí)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。</p><p>

85、;<b>　　3、溫度檢測模塊：</b></p><p>　　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(shí)事發(fā)送數(shù)據(jù)到主控中心。</p><p>　　2.2.3電源管理模塊</p><p>　　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(jì)了一塊給檢測模塊

86、和控制模塊供電的電源管理模塊。</p><p>　　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(shí)現(xiàn)從交流220V到直流5V，為模塊穩(wěn)壓供電。</p><p>　　2.2.4控制電路模塊</p><p>　　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達(dá)到弱電控制強(qiáng)電的目的，實(shí)現(xiàn)對警報(bào)、燈具、空調(diào)的控制。</p>

87、<p>　　2.2.5涉及到的主要芯片的介紹</p><p>　　1、控制芯片CC2430</p><p>　?。?）CC2430的尺寸與組成</p><p>　　CC2430的尺寸只有7×7mm 48-pin的封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18&micro;m CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。這可實(shí)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

88、一個硅晶片上。</p><p>　　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(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)鐘32MHz。由于更快的執(zhí)行時(shí)間和通過除去被浪費(fèi)掉的總線狀態(tài)的方式，使得使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集的CC2430增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。 　　</p><p>　　CC2430包含一個DMA控制器。8k字節(jié)

89、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(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲器。 　　</p><p>　　CC2430集成了4個振蕩器用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)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。 　　</p><p>　　CC2430也集成了

90、用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。一個AES協(xié)處理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128位關(guān)鍵字）AES的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)盡可能少的占用微控制器。中斷控制器為總共18個中斷源提供服務(wù)，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。 　　</p><p&g

91、t;　　CC2430包括四個定時(shí)器：一個16位MAC定時(shí)器，用以為IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定時(shí)以及為IEEE802.15.4的MAC層提供定時(shí)。一個一般的16位和兩個8位定時(shí)器，支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和PWM功能。 　　</p><p>　　CC2430內(nèi)集成的其他外設(shè)有:實(shí)時(shí)時(shí)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/

92、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(shí)要求嚴(yán)格的一系列IEEE802.15.4 MAC協(xié)議，以減輕微控制器的負(fù)擔(dān)。這包括： 　　</p><p>　　* 自動前導(dǎo)幀發(fā)生器 　　</p><p>　　* 同步字插入/檢測 　　</p><p>　　* CRC-16校驗(yàn) 　　</p><p>&

93、lt;b>　　* CCA 　　</b></p><p>　　* 信號強(qiáng)度檢測/數(shù)字RSSI 　</p><p>　　* 連接品質(zhì)指示(LQI) 　</p><p>　　* CSMA/CA 協(xié)處理器</p><p>　　2、CC2430的射頻及模擬收發(fā)器</p><p>　　CC2430的接收器是基于低

94、-中頻結(jié)構(gòu)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2.4GHz ISM波段的不同系統(tǒng)良好的共存。 　　</p><p>　　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)范來完成的。調(diào)制(和擴(kuò)頻)通過數(shù)字方

95、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(jìn)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(jīng)過片內(nèi)功率放大器放大以達(dá)到可設(shè)計(jì)的水平。 　　</p><p>　　射頻的輸入輸出端口是獨(dú)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)已集成在芯片內(nèi)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(jià)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

96、以實(shí)現(xiàn)上述功能的。集成在內(nèi)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(nèi)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。</p><p><b>　　3、芯片主要特點(diǎn)：</b></p><p>　　CC2430 芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了Zi

97、gBee 射頻(RF)前端、內(nèi)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(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時(shí)器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)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。 　　</p>

98、<p>　　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(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。 　　</p><p>　　◆ 高性能和低功耗的8051微控制器核。 　　</p><p>　　◆ 集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的 R

99、F無線電收發(fā)機(jī)。 　　</p><p>　　◆ 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。 　　</p><p>　　◆ 在休眠模式時(shí)僅0.9μA 的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng);在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。 　　</p><p>　　◆ 硬件支持CSMA/CA功能。 　　</p><p>　　◆ 較寬的電壓范圍

100、（2.0～3.6V）。 　　</p><p>　　◆ 數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能。 　　</p><p>　　◆ 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。 　　</p><p>　　◆ 集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。 　　</p><p>　　◆ 集成 AES 安全協(xié)處理器。 　　</p><p>　　◆ 帶有

101、 2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個8位計(jì)時(shí)器。 　　</p><p>　　◆ 強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。</p><p>　　4、CC2430的引腳與I/O端口</p><p>　　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

102、 端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。</p><p>　　I/O 端口線引腳功能：</p><p>　　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寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART 部件的外圍設(shè)備I/O 口使用。I/O 口有下面的關(guān)鍵特性： </p

103、><p>　　◆ 可設(shè)置為通常的I/O口，也可設(shè)置為外圍I/O 口使用。 　　</p><p>　　◆ 在輸入時(shí)有上拉和下拉能力。 　</p><p>　　◆ 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(shí)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（

104、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。</p><p><b>　　電源線引腳功能：</b></p><p>　　7腳（DVDD）：為 I/O提供2.0～3.6V工作電壓。

105、</p><p>　　20腳（AVDD_SOC）：為模擬電路連接2.0～3.6V的電壓。 </p><p>　　23腳（AVDD_RREG）：為模擬電路連接2.0～3.6V的電壓。 　　</p><p>　　24腳（RREG_OUT）：為 25，27～31，35～40引腳端口提供1.8V的穩(wěn)定電壓。 　　</p><p>　　25腳 (AVD

106、D_IF1 )：為接收器波段濾波器、模擬測試模塊和VGA的第一部分電路提供1.8 V 電壓。 　　</p><p>　　27腳（AVDD_CHP）：為環(huán)狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供1.8V電壓。 　　</p><p>　　28腳（VCO_GUARD）：VCO 屏蔽電路的報(bào)警連接端口。</p><p>　　29腳（AVDD_VCO）:為VCO 和PLL環(huán)濾波器最

107、后部分電路提供1.8V電壓。 　</p><p>　　30腳（AVDD_PRE）:為預(yù)定標(biāo)器、Div 2和LO緩沖器提供1.8V的電壓。 　　</p><p>　　31腳（AVDD_RF1）：LNA、前置偏置電路和PA 提供1.8 V 的電壓。 　　</p><p>　　33腳（TXRX_SWITCH）:為PA提供調(diào)整電壓。 　　</p><p&

108、gt;　　35腳（AVDD_SW）:為LNA/PA 交換電路提供1.8 V 電壓。 　　</p><p>　　36腳（AVDD_RF2）: 為接收和發(fā)射混頻器提供1.8 V 電壓。</p><p>　　37腳（AVDD_IF2）:為低通濾波器和VGA 的最后部分電路提供1.8 V 電壓。 　　</p><p>　　38腳（AVDD_ADC）:為ADC 和DAC 的模