【正文】 復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。 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)，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)點間的距離可以從標(biāo) 準(zhǔn)的 75m 無限擴(kuò)展。 AMC 層 對從即 DU 中提取的淤 DU 進(jìn)行進(jìn)一步的處理，同時，還提供 AMC 層數(shù)據(jù)傳輸機制， ED、 ACTIVE 和 ORPN 三種掃描機制，和關(guān)聯(lián) /退出關(guān)聯(lián)功能。 成本低： ZigBee 模塊的初始成本在 6 美元左右，估計很快就能降到 — 美元 , 并且 ZigBee 協(xié)議是免專利費的。 安全： ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗 (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 AES128 的加密算法 ,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 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。 課題研究的目的和意義 課題目的 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，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。 （ 3）智能溫控空調(diào)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。 13 圖 21 智能家居系統(tǒng)的組成 方案實現(xiàn)的過程 本文任務(wù)提出的功能控制驅(qū)動模塊實現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個顯著優(yōu)點就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時延也會增大。 圖 22 CC2430 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。當(dāng)有物體入侵時，檢測電路送出高電平，給 ZigBee 模塊送出信號。microm CMOS 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 CC2430 也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。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)對定時要求嚴(yán)格的一系列 MAC 協(xié)議，以減輕微控制器的負(fù)擔(dān)。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)計的水平。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)、幾個定時器（ Timer）、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（ Watchdog timer）、 32kHz晶振的休眠模式定時器、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。 ◆ 硬件支持 CSMA/CA 功能。 CC2430 的引腳與 I/O 端口 CC2430 芯片采用 7 mm 7mm QLP 封裝 ,共有 48 個引腳。 1～ 6（ P1_2～ P1_7）： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動能力。 25 腳 (AVDD_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 V 電壓。 36 腳（ AVDD_RF2） : 為接收和發(fā)射混頻器提供 V 電壓。 控制線引腳功能 ： 10 腳（ RESET_N） :復(fù)位引腳，低電平有效。 43 腳 (P2_4/XOSC_Q2): kHz XOSC 的 端口。 多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。 圖 23 DS18B20 溫度傳感器封裝圖 DS18B20 工作原理： DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由 2s 減為 750ms。如表 21 所示。 真差動輸入級。 至于使用地方，那就是你需要比較器和運算放大器的所有地方你都可以用，我們提到的設(shè)計就是把它當(dāng)做簡單的比較器來使用。當(dāng)有物體阻隔紅外線的時候，紅外對管的接收管阻隔斷開，比較器＋ 26 端接入 VCC，即５ V 電壓，故比較器 OUT 端輸出高電平，產(chǎn)生檢測信號。實物圖如圖 34 所示。 圖 3８ 5V電源實物圖 電器控制 模塊 31 原理圖如圖 39 所示。 硬件獨立測試 電源模塊的測試 經(jīng)過萬用表的測試，輸出的直流電壓穩(wěn)定在 5V 左右，達(dá)到預(yù)期要求，檢測合格。同上安裝了檢測使用的發(fā)光管，當(dāng)有持續(xù)的高電平的輸入時，發(fā)光管發(fā)亮，同時繼電器發(fā)出“吧嗒”的聲音，表示線圈吸合斷開。由于一開始我們就有很好的溝通，所以聯(lián)合調(diào)試還算 38 比較順利。 未來展望 基于 ZigBee 無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)是一個功能強大，性能優(yōu)越的系統(tǒng)。 在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教 等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。 本章小結(jié) 本段總結(jié)了本次任務(wù)設(shè)計，達(dá)到了什么要求，有哪些方面的不足，哪些模塊沒有調(diào)試出來，最后給出了對未來的展望。在紅外報警模塊輸出高電平到 ZigBee 模塊時，能從 口輸出低電平，使 LED 燈 發(fā)亮。 36 圖 44 檢測 模塊實物連接圖 通上電，依次按下協(xié)調(diào)器和兩個終端節(jié)點的電源按鈕，分別按下三個模塊的中間鍵，然后按下 SW2 鍵，三個模塊之間開始通信，如圖 45 所示。同上也采用了一個發(fā)光管方便檢測。滿足條件以后，輸出端口產(chǎn)生持續(xù)的低電平，控制電路即產(chǎn)生 壓降，形成回路，啟動繼電器以及警報燈工作。 圖 36 溫度檢測模塊實物圖 電源管理模塊 原理圖如圖 37 所示。 27 圖 33 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(xiàn)極小的的電阻，可以看做沒有電阻。最后給出了硬件部分的設(shè)計思路，并且分析了所用到的主要芯片。 具有內(nèi)部補償?shù)墓δ?。共模輸入范圍包括?fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在－ 55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。 不銹鋼保護(hù)管直徑Φ 6。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。 26 腳（ RBIAS2） :提供精確電阻， 3 kΩ，177。 40 腳（ AVDD_DGUARD） :為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。 30 腳（ AVDD_PRE） :為預(yù)定標(biāo)器、 Div 2 和 LO 緩沖器提供 的電壓。 電源線引腳功能： 20 7 腳（ DVDD）： 為 I/O 提供 ～ 工作電壓。 I/O 口有下面的關(guān)鍵特性： ◆ 可設(shè)置為通常的 I/O 口，也可設(shè)置為外圍 I/O 口使用。 ◆ 集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC。 ◆ 集成符合 標(biāo)準(zhǔn)的 GHz 的 RF 無線電收發(fā)機?？商娲?，一個平衡 式天線，如對折式偶極天線也是可以實現(xiàn)上述功能的。集成的模擬通道濾波器可以使工作在 ISM 波段的不同系統(tǒng)良好的共存。 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。 CC2430包含一個 DMA控制器。為了方便，本文設(shè)計了一塊給檢測模塊和控制模塊供電的電源管理模塊。 16 信號檢測模塊 信號檢測模塊，按照需求，我們設(shè)計了三個子模塊，即紅外報警模塊 ，光照監(jiān)測模塊以及溫度檢測模塊。 該拓?fù)涞膬?yōu)點是減少了消息延 15 時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷 [12]。ZigBee 協(xié)調(diào)器必須是 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 (終端節(jié)點 )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。 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）建立 ZigBee 智能網(wǎng)絡(luò)，各個網(wǎng)絡(luò)控制器（分節(jié)點）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)。 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(shè)計，缺點就是布線多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計選擇的問題。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)展的必然趨勢。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)點的 4K 字節(jié)或者作為 Hub 或路由器的協(xié)調(diào)器的 32K 字節(jié)。 ZigBee 技術(shù)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。 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)可以同時存在最多 100 個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) , 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。信息路由則包括路徑發(fā)現(xiàn)、路徑維護(hù)、信息 9 單播及信息廣播 [9]。除此之外，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 (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 (RFD)無線連接。在此之前 ZigBee 也被稱為“ HomeRF Lite”、“ RF EasyLink”或“ fireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為 ZigBee[8]。 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。 IEEE ：使用 頻段，傳輸速度主要有 54Mbps、 108Mbps，可向下兼容 。 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、手機、 PDA 等。具有多種主流的 控制接口，如 RS48 RS23 TCP、 IP 等，同時可以擴(kuò)充添加國內(nèi)外流行的控制接口，如 EIB、 lonwork、 CEbus、 Canbus，以及無線網(wǎng)絡(luò)如：WiFi、 GPRS、藍(lán)牙等。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。在其制定的設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)中，智能住宅的電氣設(shè)計要求必須滿足以下三個條件，即： 具有家庭總線系 統(tǒng)； 通過家庭總線系統(tǒng)提供各種服務(wù)功能； 能和住宅以外的外部世界相連接。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]。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)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。智能家居系統(tǒng)能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代化生活方式，是未來居住模式的必然發(fā)展趨勢。 以及設(shè)計微處理器控制模塊，通信模塊、檢測模塊等硬件。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)互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。80 年代末，由于通信與信息