【正文】 年 3 月， IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會正式批準(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)是為在個人操作空間 (Personaloperating． space， POS) 內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。具體來說就是： 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。如果發(fā)送幀 的時候置位了 ACK標(biāo)志位，但在一定的超時期限內(nèi)沒有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重 復(fù)進(jìn)行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無應(yīng)答就宣布發(fā)生錯誤。它使用一個 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 個定時器 (Timer)、 AES． 128 安全協(xié)處理器、看門狗定時器(WatchdogTimer)、 32KHz 晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電 (Poweronreset)、掉電檢測電路 (Brownout detection)以及 21 個可編程 I／ O引腳， CC2430 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 本設(shè)計采用的是 50Q 的單極天線，且該天線的長度是電磁波波長的 1／ 4。 4 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計 4． 1 數(shù)據(jù)處理模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)簡單、功 能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)實用的高速數(shù)據(jù)處理芯片，它具有數(shù)據(jù)采集和處理功能。 此外， TMS320F2812 支持 JTAG 口下載仿真，需要設(shè)計 JTAG 接口；為了 方便將來對程序的調(diào)試，也需要設(shè)計串行通信接口。如圖 4． 4所示。這里選用臺灣 Realtek 公司生產(chǎn)的高性能工業(yè)以 太網(wǎng)控制器 RTL8019AS， RTL8019AS 的內(nèi)部包含一塊雙端口的 16K 字節(jié)的 RAM，基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 有兩套總線連接到該 RAM 上，一套是本地 DMA，另一套是遠(yuǎn)程 DMA。 圖 串行通信電路 4． 3 本章小結(jié) 本章概述了數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計目的和原理，并以 TMS320F2812 為核心， 詳細(xì)介紹了外圍電路設(shè)計和輔助通信電路設(shè)計方案。其中絕大部分代碼都是用 C語言編寫的，只有極少數(shù)部分與處理器密切相關(guān)的代碼是用匯編語言編寫的，所以用戶只要做很少的工作就可把它移植到各類 8位、 16 位和 32位嵌入式處理器上。 1號任務(wù)，用來監(jiān)測安防傳感器 (溫度 )。因為水表、電 表、燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)對實時性要求沒有那么高，可以分時采集，在執(zhí)行該任務(wù)時， 同 時通過 ZigBcc 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同時發(fā)送一個 16位地址符就可以選擇出所要執(zhí)行 數(shù)據(jù)采集任務(wù)的終端節(jié)點(diǎn)，另外，還要為該任務(wù)調(diào)用一個延時函數(shù)，并設(shè)置延 時時鐘周期數(shù)，從而最終實現(xiàn)在三表間輪流數(shù)據(jù)采集。 (2)就緒狀態(tài) (READY)：當(dāng)任務(wù)～旦建立，這個任務(wù)就處于就緒態(tài)準(zhǔn)備運(yùn)行。 行 I． μ C／ OS． II 移植，主要進(jìn)行以下部分的操作： (1)在 OSCPU． H文件中用 define 語句定義與處理器相關(guān)的常數(shù)、宏和 類型；根據(jù)處理器堆棧結(jié)構(gòu)在 OSCPU． H中定義堆棧增長方向。然后協(xié) 調(diào)器應(yīng)用層發(fā)出 NLMENETWORK． FORMATION． request 原語給協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層 來啟動新的網(wǎng)絡(luò)建立。為了選擇一個 PAN 標(biāo)識符，需要檢查 PANID 參數(shù)是否在 NLMENETWORK． FORMATION． request 原語中已指定。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé) zigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的建立、地址的分配和成員加入、節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù) 據(jù)的更新、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備關(guān)聯(lián)表的維護(hù)并根據(jù)網(wǎng)路的狀況自動更新。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，會從串 13 輸出信息“ Network formed, waiting for RX”信息 . 網(wǎng)絡(luò) 建立成功后，需要添加終端設(shè)備 (終端節(jié)點(diǎn) )進(jìn)入這個網(wǎng)絡(luò)。這時候再打開兩個或更多終 端節(jié)點(diǎn)，就能讓這些節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，從串口調(diào)試助手的窗口可以看到加入網(wǎng)絡(luò) 成功的提示信息“ Nodej6ined：”同時給出網(wǎng)絡(luò)分配給該節(jié)點(diǎn)的物理地址。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 這個內(nèi)存棧在不知道 對方網(wǎng)絡(luò)硬件地址時，一樣可以發(fā)一個 ARP 請求，并 且能對 ARP 響應(yīng)進(jìn)行解析，記錄下對方的 IP 地址和硬件地址。MylP,2)；／／把數(shù)據(jù) 處理模塊的 m地址給源口地址 memepy((TxEthFrameBuffer+IP_HEADEIUTART+8)， amp。 6． 2． 5 TCP 協(xié)議的實現(xiàn) TCP 是面向連接的，提供可 靠的字節(jié)流服務(wù)。 數(shù)據(jù)包接收后，數(shù)據(jù)處理模塊要對其進(jìn)行拆解．將解包得到的 IP地址與本 地 IP 地址相比較 ，同時進(jìn)行校驗和驗證。用戶可以通過手機(jī)或 PC機(jī)接收 MMS 信息，根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程手機(jī)設(shè)定，從而實現(xiàn)靈活、便捷的家庭安全監(jiān)控。將 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于智能家居中，實現(xiàn)了快速率、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通信。在數(shù)據(jù)發(fā)送前，就要對 待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封裝：首先對原始數(shù)據(jù)添加 TCP 頭，包括源端口、目的 端口、 TCP 數(shù)據(jù)長度和校驗和四個字段，然后再添加 IP頭 (包括源 IP 地址、 目的 IP 地址、 IP數(shù)據(jù)長度、校驗和等字段 )，最后封裝以太網(wǎng)幀 (包括目的 MAC 地址、源 MAC地址和幀總長度 )。 SIZE+ICMP— HEADER— SIZE+ICMPDataCount； ． 在 ICMP 測試中，將監(jiān)控機(jī)的 D地址設(shè)置為： 192． 168． 1． 40(掩碼地址默認(rèn) )，在運(yùn)行上述程序后，在 MS． DOS下查看數(shù)據(jù)處理模塊與監(jiān)控機(jī)連通情況，就可以得到如圖 6． 15所示的測試結(jié)果。 IP 協(xié)議實現(xiàn)的部分代碼如下： *(TxEthFrameBuffer+IP_HEADEIUTART+0)=SwapWord(Ip_Edition)；／／ I P版本， SwapWord0 交換高低字節(jié)，改為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序 *(TxEthFrameBuffer+IP_HEADER_START+1)=SwapWord(RecdlpFrameLe 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 nth*2)；／／收到的 IP 幀長度 *(TxEthFrameBuffer+IP_HEADER_jTART+2)=SwapWord(0)； 。 在 DSP 芯片中實現(xiàn) ARP協(xié)議，就是通過開一個固定大小的內(nèi)存棧作為 CACHE，這個內(nèi)存棧維護(hù)一個 P地址到物理地址的映射表，這個棧能響應(yīng)對 方 ARP 請求，即在遠(yuǎn)方主機(jī)探求自己的硬件地址時，能夠發(fā)送一個 ARP響應(yīng) 分組，告訴對方自己的硬件地址，同時在內(nèi)存棧中根據(jù)對方的 IP地址查詢物理 地址時，如果沒有相應(yīng)的映射，就記錄下對方的口地址和硬件地址，為以后發(fā) 送口分組做準(zhǔn)備。 整個星型網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)的軟件流程圖如圖 6． 6所示。在組網(wǎng)通信過程中， 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊的物理地址 (Address)為： 0xFFFFFFFFFFFFFFll，這是無法 改變的；該星型網(wǎng)絡(luò)的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)號 (DefaultPAN)為： 0x00001347；該網(wǎng)絡(luò)默 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 認(rèn)的頻道號 (DcfaultChannel)為： Oxl4。整個流程如圖 6． 1 所示。當(dāng)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層 管理實體查找不到與其它節(jié)點(diǎn)模塊通信 的合適信道，將終止建網(wǎng)過程，并且向 協(xié)調(diào)器應(yīng)用層發(fā)出建網(wǎng)失敗信息，即通過發(fā)送參數(shù)狀態(tài)為 STARTUPFAILURE 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 的原語 NLMENETWORKFORMATION． confirm 給應(yīng)用層知道。其中星型網(wǎng)絡(luò)是最省電的，且造價最低，結(jié)構(gòu)簡單， 適用于自動控制和遠(yuǎn)程控 制領(lǐng)域。 (5)中斷服務(wù)狀態(tài) (ISR)：一個正在運(yùn)行的任務(wù)一旦響應(yīng)中斷申請就會中止運(yùn) 行而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這時任務(wù)的狀態(tài)叫做中斷服務(wù)狀態(tài)。任務(wù)在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換即有 5 種狀態(tài)： 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 (1)睡眠狀態(tài) (DORMANT)：指任務(wù)駐留在程序空間中，還沒有交給操作系 統(tǒng)管理。因為窗簾的控制是一個閉環(huán)控制。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 圖 5． 1 μ C／ OS． II 的體系結(jié)構(gòu) 5． 2 μ C／ 0S— II 的移植 在本設(shè)計中，所移植的系統(tǒng)建立了 8個任務(wù) (參照見圖 1． 2)： O號任務(wù)，用來監(jiān)測安防傳感器 (煤氣泄露 )。最早這個系統(tǒng)叫做μ C／ OS，后來經(jīng)過近 10 年的應(yīng)用和修改，在1999 年 JeanJ． Labrosse 推出了μ C／ OS． II，并在 2020 年通過了美國聯(lián)邦航空管理局的 RTCADO： 178B 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，從而證明μ C／ OS． II具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。 圖 以太網(wǎng)通信接口電路 輔助串行通信電路 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 考慮到以后調(diào)試工作的需要，所以為數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計了串行接口。手動 復(fù)位的功能是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)程序跑飛或者需要系統(tǒng)重新初始化并運(yùn)行時，按下復(fù) 位鍵產(chǎn)生的復(fù)位信號，使 DSP 進(jìn)入正常的程序入口。供電電路如圖 4． 3所示。 西華大學(xué)碩士學(xué)位論文 以太網(wǎng)通信接口部分：數(shù)據(jù)處理后通過 RTL8019AS 網(wǎng)絡(luò)控制芯片與以 太網(wǎng)連接，且以太網(wǎng)與 RTL8019AS 之間要接隔離模塊后方可以連接。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 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。 PCB 引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過它來感應(yīng)空氣中的電波，接收信號。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 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)測點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；． 現(xiàn)有移動網(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)域移動目標(biāo)的定位應(yīng)用。 CSMA． CA 通信方式將時間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來，保證 某一時刻只有一個站點(diǎn)發(fā)送，實現(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 的幀均會被它們的接收器應(yīng)答。 IEEE802． 15． 4標(biāo)準(zhǔn)是針對于低速無線個人區(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)。采用 64位出廠編號并支持 AES． 128 加密。采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用 時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功 能，信息在整個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息 傳輸?shù)目煽啃浴? ZigBee 聯(lián)盟成立于 2020 年 8 月，由英國 Ivemys 公司、日本三菱電氣公司、 美國摩托羅拉公司、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、無線設(shè)備公司及產(chǎn)品開發(fā)商。 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)主板的核心控制器為 S3C44B0X 型 32位微控制器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判別，并通過彩信模塊和 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)。 總的來說， ApBus 是一種新型的智能控制總線，在歐洲標(biāo)準(zhǔn) EIB 總線及 LonWorks 總線技術(shù)上作了創(chuàng)造性的改進(jìn)，其防通信沖撞協(xié)議設(shè)計很好的解決 了總線上各節(jié)點(diǎn)收發(fā)指令的沖撞問題，大大提高了系統(tǒng)的通信效率與穩(wěn)定性。通訊速率為 9． 6KB／ S，總線電壓為 +12V，系統(tǒng)總線傳輸距離大于 1000m。 PLC． BUS技術(shù)是一種高穩(wěn)定性及較 高性價比的雙向電力線通信總線技術(shù)，它主要利用已有的電力線來實現(xiàn)對燈光、 家用電器及辦公設(shè)備的智能控制。 國外廠家大多數(shù)都是專業(yè)生產(chǎn)家庭智能化設(shè)備的， 歷史悠久，產(chǎn)品的可靠 性以及性能都經(jīng)歷了驗證。它在電力線載波模式工作時最具有優(yōu)勢。國外目前比較流行的智能家 居品牌有： AMX、 Crestron、 ELAN、 HAI(美國海益 )【 l】以及已經(jīng)打入中國市場的 Honeywell(霍尼韋爾 )、 LG。目前，傳輸網(wǎng)絡(luò)多采用綜合布線技術(shù)，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用場所，而且費(fèi)用較高。重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計以及系統(tǒng)的性能測試，