【正文】 家系統(tǒng)，下一節(jié)中將要詳細(xì)討論其系統(tǒng)的構(gòu)成和協(xié)議的選擇。 1． 3 本文 設(shè)計(jì) 的主要內(nèi)容 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案。以嵌入式系統(tǒng)主板為核心，通過(guò) CMOS 攝像頭對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，通過(guò)手機(jī)傳遞安全信息和圖像彩信，并對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，利用 ZigBee 模塊實(shí)現(xiàn)家用電器、系統(tǒng)主板和煙霧、溫度、煤氣等傳感器的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主板的核心控制器為 S3C44B0X 型 32位微控制器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判別，并通過(guò)彩信模塊和 Zig2Bee 模塊發(fā)出信息和指令；擴(kuò)展板用以接入煙霧、紅外、煤氣等家庭安防狀態(tài)傳感器；彩信模塊將系統(tǒng)控制器所發(fā)出的家庭安防狀態(tài)信息發(fā)送至用戶手機(jī)，并接收用戶發(fā)送的短信指令； ZigBee 模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)主板、擴(kuò)展板和家用電器之間的數(shù)據(jù)交聯(lián)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 基于以上要求，本設(shè)計(jì)主要分為以下部分： (1)無(wú)線傳輸模塊：基于 CC2430 芯片 (包括無(wú)線收發(fā)及傳感器 )設(shè)計(jì)無(wú)線 傳感網(wǎng)絡(luò)模塊，并完成各節(jié)點(diǎn)模塊的軟件編寫和 節(jié)點(diǎn)間通信調(diào)試。 ‘ (2)數(shù)據(jù)處理模塊：基于 DSPTMS320F2812 芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊，并完成 程序編寫，同時(shí)在 TMS320F2812 上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) rtc／ os． II。 (3)以太網(wǎng)傳輸模塊：利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片 RTL8019AS 設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信模塊， 并完成通信測(cè)試程序編寫。 (4)上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)：利用 VC++6． 0 基于 WindowsSockets 編寫上位機(jī) 界面程序，使經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到上位機(jī) (PC 監(jiān)控機(jī) )界面上，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2. 短距離無(wú)線通信技術(shù) ZigBee 2． 1 ZigBee 技術(shù)概述 ZigBee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳 ZigZag 型舞蹈來(lái)告知同 伴，達(dá)到交換信息的目的，是一種通過(guò)簡(jiǎn)捷方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”溝通的方式。人 們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)，也包含了這種寓意。 ZigBee 聯(lián)盟成立于 2020 年 8 月，由英國(guó) Ivemys 公司、日本三菱電氣公司、 美國(guó)摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導(dǎo)體等公司組成，迄今已吸引了上百家芯片 公司、無(wú)線設(shè)備公司及產(chǎn)品開發(fā)商。 ZigBee 聯(lián)盟的主要工作 在：①定義網(wǎng)絡(luò)、 安全以及應(yīng)用軟件層的協(xié)議；②提供不同的協(xié)調(diào)性及互通性測(cè)試規(guī)格；③促進(jìn) ZigBee 技術(shù)在全球的推廣；④有效管理該技術(shù)的發(fā)展。 ZigBee 技術(shù)主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)以及數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè) 備之間，所以非常適用于家電和小型電子設(shè)備的無(wú)線控制指令傳輸。其典型的 傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù) (如傳感器 )、間歇性數(shù)據(jù) (如照明控制 )和重復(fù)低 反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù) (鼠標(biāo) )。其目標(biāo)功能是自動(dòng)化控制。其主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方 面： (1)省電。兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá) 6個(gè)月到 2年左右的使用時(shí)間。 (2)可靠。采用了碰撞避免機(jī)制，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，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功 能，信息在整個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息 傳輸?shù)目煽啃浴? (3)時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí) 延都非常短。 (4)網(wǎng)絡(luò)容量大?？芍С诌_(dá) 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) (5)安全。 ZigB∞提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的 AES． 128。 (6)高保密性。采用 64位出廠編號(hào)并支持 AES． 128 加密。 2． 2 ZigBee 協(xié)議 2． 2． 1 ZigBee 協(xié)議概述 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)就是 IEEE802． 15． 4 標(biāo)準(zhǔn)。 1998 年 3 月， IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)正式批準(zhǔn)成立了 IEEE802． 15 工作組，致力于 WPAN 網(wǎng)絡(luò)的 PHY 層和 MAC 層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是為在個(gè)人操作空間 (Personaloperating． space， POS) 內(nèi)相互通信的無(wú)線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。 POS一般是指用戶附近 10 米左右的 空間范圍，這個(gè)范圍內(nèi)用戶可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。 2020 年 12 月 IEEE 成立了 802． 15． 4 小 組，負(fù)責(zé)制定物理層 (PHY)與介質(zhì)接入控制層 (MAC)。但僅僅定義了物理層 (PHⅥ與介質(zhì)接入控制層 (MAC)并不足以保證不同設(shè)備之間可以 對(duì)話，于是便有了 ZigBee 聯(lián)盟， ZigBee 聯(lián)盟從 IEEE802． i5． 4標(biāo)準(zhǔn)開始著手， 目前正在定義允許不同廠商制造設(shè)備相互對(duì)話的應(yīng)用綱要。例如， ZigBee 聯(lián)盟 “燈綱要 會(huì)確定相關(guān)的所有協(xié)議，從而能夠使 A 公司買的 ZigBee 燈開關(guān)與 B 公司的正常工作。同時(shí)， ZigBee 聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，還 開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄露其標(biāo)識(shí)， 而且這種利用網(wǎng)絡(luò) 的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。 IEEE802． 15． 4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)于低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) (10wratewireless personalareawork， LRWPAN)，把低能量消耗、低傳輸速率、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互聯(lián)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE802． 15． 4標(biāo)準(zhǔn)定義的 LRWPAN 網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)： (1)在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn) 20kbps、 40 kbps 和 250kbps 三種不同的傳 輸速率。具體來(lái)說(shuō)就是： 2． 4GHz 上的傳輸速 率為 250kb／ s； 915MHz 上的傳輸速 率為 40kb／ s； 868MHz 上的傳輸速率為 20kb／ s。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) (2)支持星型 (Star)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 (3)有 16 位和 64位兩種地址格式。 64 位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址，而 16位地址是網(wǎng)內(nèi)通信短地址。 (4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù) (carrier sense multiple access with collision avoidanee， CSMA． CA)。即當(dāng)其中一個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送信息時(shí)，首先偵聽 系統(tǒng)信道空閑期間是否長(zhǎng)于某一幀的間隔：若是，立 即發(fā)送；否則暫不發(fā)送， 繼續(xù)偵聽。 CSMA． CA 通信方式將時(shí)間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來(lái)，保證 某一時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制 (5)支持確認(rèn) (ACK)機(jī)制，使用這種機(jī)制，所有特殊 ACK 標(biāo)志位置 1 的幀均會(huì)被它們的接收器應(yīng)答。這就可以確定幀是否已經(jīng)被傳遞。如果發(fā)送幀 的時(shí)候置位了 ACK標(biāo)志位，但在一定的超時(shí)期限內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重 復(fù)進(jìn)行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無(wú)應(yīng)答就宣布發(fā)生錯(cuò)誤。 ACK 機(jī)制保證了傳輸?shù)? 可靠性。 2． 2． 2 ZigBee 協(xié)議的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域 ZigBee 通 信協(xié)議雖然是是面向低功耗和低成本的通信技術(shù)的，但 ZigBee 協(xié)議是能夠保證通信的可靠性的，而且 ZigBee 協(xié)議的另一大優(yōu)勢(shì)就是使網(wǎng)絡(luò)的 自組織、自愈能力也很強(qiáng)。 1)ZigBee 的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在， 并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。 2)ZigBee 的自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā) 生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú) 需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。 ZigBee 產(chǎn)品在發(fā)展初期是以工業(yè)或企業(yè) 市場(chǎng)的感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)為主，’提供感應(yīng) 辨識(shí)、燈光與安全控制等功能，最后才慢慢家庭應(yīng)用中拓展的。目前只要符合 以下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用 ZigBee 技術(shù)： 需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多； 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而且要求設(shè)備成本低； 要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高； 設(shè)備體積很小，不方便放置較大的充電電池或者電源模塊； 地形復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；． 現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)； 使用 GPS 效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用。 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用前景非常被看好， 未來(lái)它主要將被應(yīng)用在： 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò) (如：無(wú)線倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng) ) 汽車自動(dòng)化 (如輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ) 建筑智能化 (如燈光控制、氣體的感應(yīng)和監(jiān)測(cè) ) 智能家居 (三表數(shù)據(jù)采集，窗簾、空調(diào)和其它家用電器控制 ) 醫(yī)療監(jiān)護(hù) (對(duì)血液、體溫和心跳速度等信息的監(jiān)測(cè) ) 無(wú)線收發(fā)模塊的硬件設(shè)計(jì) 3． 1 芯片的選擇 本系統(tǒng)采用 CC2430 芯片作為 ZigBee 無(wú)線通信模塊。它使用一個(gè) 8位MCU(8051)，具有 3 6 128KB 可編程閃存和 8KB 的 RAM，還包含了模／數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、 4 個(gè)定時(shí)器 (Timer)、 AES． 128 安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器(WatchdogTimer)、 32KHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電 (Poweronreset)、掉電檢測(cè)電路 (Brownout detection)以及 21 個(gè)可編程 I／ O引腳， CC2430 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 CC2430 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 CC2430 整合了 ZigBee 射頻（ RF）前端、內(nèi)存和微控制器，集成了符合 IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的 2. 4GHz 的 RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)，支持?jǐn)?shù)字化的 RSSI/LQ I，具有 CSMA /CA功能和 強(qiáng)大的 DMA 功能、電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能，同時(shí)具有強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。 3． 2 ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊的電路設(shè)計(jì) CC2430 的外圍電路如圖 。 CC2430 采用兩種工作電壓，外部數(shù)字 I／ O 接口使用 +3． 3V 電壓，內(nèi)部使用 +1． 8V 工作電壓，這樣的電壓轉(zhuǎn)化主要是因?yàn)?CC2430 在片上集成了一個(gè)直流穩(wěn)壓器，能夠把 +3． 3V 電壓轉(zhuǎn)化為 +1． 8V。 這種供電方式對(duì)與智能家居系統(tǒng)來(lái)說(shuō)很合適，只要采用 +3． 3V 的紐扣電池就可 以給 ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊供基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 CC2430 無(wú)線模塊電路圖 3． 3 天線阻抗匹配電路設(shè)計(jì) 天線是任何一個(gè)無(wú)線電通信系統(tǒng)都不可缺少的重要組成部分，合理慎重地 選用天線，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的通訊距離和良好的通訊效果。 CC2430 的天線可以采用兩種設(shè)計(jì)方案：金屬倒 F型 PCB 引線天線和單極天線。 PCB 引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過(guò)它來(lái)感應(yīng)空氣中的電波，接收信號(hào)。 單極天線是一種由直接垂直安裝在反射平面 (底板 )上的直導(dǎo)體 (通常其長(zhǎng)度不大于波長(zhǎng)的 1／ 4)組成的天線，其根部接饋線。 本設(shè)計(jì)采用的是 50Q 的單極天線，且該天線的長(zhǎng)度是電磁波波長(zhǎng)的 1／ 4。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3． 4 電源 電路設(shè)計(jì) 給無(wú)線收發(fā)模塊供電電路如圖 3． 7所示， J4 為外置 +5V 直流電源插座 (方 便模塊調(diào)試 )， J5為電池供電接口 (通常為 2 節(jié) AA 電池供電 )，適用于家用時(shí) 可移動(dòng)更換。當(dāng)本無(wú)線收發(fā)模塊用于智能家居時(shí)，可以使用電池供電，這時(shí)只 需要將 SW2 置于關(guān)閉端即可。 TPS79533 是一種超低噪聲、高電源抑制比的線性穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)器，它特別 適用于藍(lán)牙、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、膝上型／掌上型電腦、 PDA、手機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域。一 般 EN 腳 (1 腳 )為高電平時(shí)，將啟動(dòng)整個(gè)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器。而 PASS 腳 (5腳 )將 接一外部電容避免內(nèi) 部帶隙產(chǎn)生的噪聲，這樣可以加強(qiáng)電源抑制和減小外部噪 聲。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 3． 4 電源電路原理圖 3． 5 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)闡述了 ZigBee 模塊的設(shè)計(jì)原理和方案，并結(jié)合所選用的芯片 CC2430 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)，分析了該收發(fā)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。同時(shí)給出了天線匹 配電路和電源供電的具體設(shè)計(jì)方案。 4 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計(jì) 4． 1 數(shù)據(jù)處理模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本數(shù)據(jù)處理模塊采用 TMS320F2812 作為主處理器，這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功 能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高速數(shù)據(jù)處理芯片，它具有數(shù)據(jù)采集和處理功能。數(shù)據(jù)處 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 理模塊的結(jié) 構(gòu)如圖 4． 1 所示。 硬件設(shè)計(jì)主要包括： 中央處理器 DSP 部分： TMS320F2812 通過(guò) SPI 接收來(lái)自 ZigBee 主無(wú) 線模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分類處理后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)?PC 機(jī)上。