【正文】 圖 410 液晶顯示接線圖 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 Zigbee 無線通訊協(xié)議 終端節(jié)點的軟件主要實現(xiàn)以下功能： (1)數(shù)據(jù)采集功能：采集各個傳感器的輸出信號并進行數(shù)據(jù)分析存儲。無線設(shè)備還包括一個 數(shù)據(jù)包過濾 和地址識別模塊 。這種傳感器具有輕微的極性， VC 需用直流電源。連接方便，數(shù)字溫濕度傳感器電路圖 44 如下所示 。 CC2530最小系統(tǒng)的設(shè)計包括的外 圍模塊有：復(fù)位電路，振蕩電路 [10]。在設(shè)計過程中，不僅要考慮電壓和電流大小等基本參數(shù)而且要考慮電源使用效率、降低噪聲、復(fù)雜程度和干擾等方面優(yōu)化 [6]。 (1)傳感器信號的采集和處理； (2)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)； (3)液晶顯示和鍵盤輸入； (4)通訊功能。 (1)低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點很多，故只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數(shù)。 (2)濕度 人類對濕度雖然不是特別敏感，但其時時刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。當然在實踐過程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點，而只需做小許改動即可 [4]。在終端節(jié)點 0 處 ， ZDO 則提供了與協(xié)議棧中低一層進行連接的接口，若接受的是數(shù)據(jù)，則通過 APSMESAP 接入點，而若是控制信息則通過 APSMESAP 的接入點。 應(yīng)用層框架 為存在 Zigbee 設(shè)備中的應(yīng)用對象提供活動的環(huán)境的是 Zigbee 中的應(yīng)用框架。 (7)接收控制：具有控制設(shè)備是否處于接收狀態(tài)的能力，即控制接收機接收信息時間的長短和什么時候來接收信息，以此來保證 MAC 層的正常接收和同步等。網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供了以下的幾種服務(wù)： (1)配置一個新的設(shè)備：設(shè)備應(yīng)具有足夠的堆棧來保證其正常工作的需要，并且滿足配置的需要。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實體來向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，它們分別是管理服務(wù)實體和數(shù)據(jù)服務(wù)星狀 簇狀 路由器 協(xié)調(diào)器 終端設(shè)備 網(wǎng)狀 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 實體。 (1)Zigbee 協(xié)調(diào)器：它是個全功能的設(shè)備，包含所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是 3 種設(shè)備中功能最全面亦最復(fù)雜的一種，特點是計算能力強、存儲量大。由于 Zigbee 聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強，好多公司均已在 2021 年正式推出自己的 Zigbee 芯片，競爭較大，近年來應(yīng)用于主機端的芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢。但相比之下， Zigbee 協(xié)議比藍牙更簡單、速 率更慢、功率及費用也更低?？偠灾?Zigbee 技術(shù)就是一種低功耗，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點中，本文實現(xiàn)了電源、串口通信、 PCB 天線等主要電路的設(shè)計；而在傳感器節(jié)點中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對不同的環(huán)境信息，設(shè)計出了不同的傳感模塊； (3)本論文還設(shè)計了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試 和使用，由此用戶就可以實時的了解到家庭中個中環(huán)境信息的參數(shù)。雖然 WiFi 有覆蓋范圍較廣等特點，但是其的基帶協(xié)議和射頻協(xié)議比較復(fù)雜，實現(xiàn)成本較高，而且其功耗比較大，根本上滿足不了電池供電的要求。 Zigbee 的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag 形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似。采用有線技術(shù)時，對各個監(jiān)測點分別進行布線將是一份復(fù)雜龐大的工作，特別是當系統(tǒng)監(jiān)測對象的數(shù)量較多時更是如此，又容易破壞家庭之前裝修的完整性； (2)安裝與維護成本高?，F(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品大部分是以有線網(wǎng)絡(luò)作為家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩，終端節(jié)點數(shù)量多 而需要數(shù)量龐大的電纜，而無線通訊技術(shù)能很好的解決以上問題。同時，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其它家居設(shè)備做決策參考，最終由智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)對家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，比如，當測量到的光照強度高于用戶設(shè)定的一定值的時候，系統(tǒng)就將啟動自動窗簾系統(tǒng)的馬達，自動將窗簾關(guān)到一定程度，以降低室內(nèi)的光強度，適合居?。挥秩?，當溫度值偏低時，系統(tǒng)就將啟動空調(diào)設(shè)備進行工作，來增高室內(nèi)溫度。 關(guān)鍵詞： CC2530 傳感器 Zigbee 環(huán)境監(jiān)測 ABSTRACT With the rapid development of embedded puting, sensor, wireless munication technology, wireless sensor work is widely used in environmental monitoring, military defense, industrial and agricultural control fields, has bee a hotspot in the development of electronic information technology. CC2530 is a wireless sensor work chip for Zigbee TI solution, with low power consumption, high reliability, simple working advantages. CC2530 and based on Zigbee protocol, design the temperature and humidity data acquisition system, the software algorithm coordinator and ordinary nodes are given respectively, tested in interference environment, the work has strong robustness and selfanizing ability. This paper mainly introduces the design of hardware circuit and software flow design of family environment monitoring system based on CC2530 as the core, realizes in the home environment of temperature, humidity. Among them, the analog temperature, humidity, light sensor through the SCM processing output control action corresponding adjusting the corresponding parameters。 四、預(yù)期達到的結(jié)果 掌握 Zigbee 模塊的參數(shù)功能與 ZStack協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與芯片的數(shù)據(jù) 傳輸并向上位機發(fā)送無線數(shù)據(jù)。此外，日韓新等國的龍頭企業(yè)紛紛致力于家居智能化的開發(fā)，對家居市場更是躍躍欲試。 教研室主任簽字 時間 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計開題報告 題目 智能家居監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué)號 班級 電 10022 專業(yè) 工業(yè) 自動化 一、 研究背景 現(xiàn)代社會，人們越來 越忙碌，生活節(jié)奏越來越快，人們對于舒適生活的要求也變得越來越強烈。 四、進度計劃 1 周至第 4 周 收集資料，熟悉設(shè)計環(huán)境，比較系統(tǒng)設(shè)計方案； 5 周至第 8 周 確定系統(tǒng)總體設(shè)計方案； 9 周至第 12 周 設(shè)計，優(yōu)化，仿真，調(diào)試，完成設(shè)計； 12 周至第 16 周 整理論文，準備答辯。 近年 來，以美國微軟公司以及摩托羅拉俄日收的一批國際知名企業(yè)，先后躋身于智能家居的研究與開發(fā)中，例如：微軟的 “夢之家 ”、 IBM 的 “家庭主任 ”、摩托羅拉的 “居所之門 ”等。 三、主要工作及采用的方法 1 采用實驗方法進行方案論證，模擬 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)； Zigbee 無線技術(shù)進行深入的研究，并通過分析 Zigbee 技術(shù)及智能家居的特點，去定了智能家居內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)拓撲，尋址方式，消息類型等特征； 51 單片機射頻收發(fā)芯片 CC5230 為核心搭建了一套 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，并通過與Zigbee 協(xié)議棧的接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并對 Zigbee 的主要功能進行了測試； ，進行改進。本設(shè)計使用 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將系統(tǒng)參數(shù)傳輸及控制，可與上位機實時通訊和監(jiān)控。在這個系統(tǒng)中，人們可以獲得實時的居住環(huán)境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強度、火災(zāi)信息等。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及分析 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和我們生活質(zhì)量的提高，智能家居的智能化要求也是愈來愈高，智能家居亦成了近幾年來學(xué)者們的一個研究熱點。 (1)系統(tǒng)布線麻煩。 典型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹 Zigbee 技術(shù) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 Zigbee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠的各種通信設(shè)備之間 [3]。這個訪問節(jié)點通過無線信號將信息傳到互聯(lián)網(wǎng)上，一般覆蓋到 200 米以內(nèi)。主要介紹了 Zigbee 協(xié)議中各個部分的組成和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 并對各層中的重點內(nèi)容進行了詳細的分析； (2)本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以 Zigbee 技術(shù)紐帶，詳細設(shè)計出的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的兩種節(jié)點 協(xié)調(diào)器節(jié)點 (控制中心 )和傳感器節(jié)點。受蜜蜂的這種特殊的通信方式的啟發(fā)， Zigbee 技術(shù)的研究也主要 是在低速率、低功耗通信領(lǐng)域進行應(yīng)用，亦可以低成本地嵌入各種設(shè)備中組成龐大的網(wǎng)絡(luò)。 Zigbee使用的是波段，采用了跳頻技術(shù)，這和藍牙技術(shù)相似，可以說是同族兄弟了。其設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)自己組織性能使網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點在無需人工干預(yù)的情況下自己組網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，當添加或去除網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點時，其余節(jié)點可以自行尋找其他節(jié)點替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強網(wǎng)絡(luò)自愈能力； (2)成本低。他們的功能分別如下。 Zigbee 協(xié)議分析 網(wǎng)絡(luò)層 (NWK) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是確保 Zigbee 的 MAC 層 (IEEE )正常工作，同時定義了一些必須的函數(shù)，并且為應(yīng)用層提供適合的服務(wù)接口。 網(wǎng)絡(luò)層管理實體 (NLME) 絡(luò)層管理實體允許應(yīng)用與堆棧相互作用，并且提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。 (6)路由發(fā)現(xiàn)：具有發(fā)現(xiàn)并且記錄傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。 APSDE 則提供在同一個網(wǎng)絡(luò)中的兩個或多個應(yīng)用實體間進行數(shù)據(jù)通信的服務(wù)。 ZDO 描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對象的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用對象的公用接口用以控制設(shè)備。 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點主要負責(zé)的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié) 點主要負責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和對 PC 端的數(shù)據(jù)通信。家庭中的每個房間可以多放幾個這樣的類似節(jié)點，可實現(xiàn)在 同一個房間進行多點的溫度信息采集，以提高溫度測量的準確度。分別從軟硬件兩個方面來得以實現(xiàn)。 根據(jù)系統(tǒng)的需要，傳感器節(jié)點應(yīng)具備以下功能。電源模塊為控制單元、傳感器、控制輸出 (電機、繼電器 )等模塊提供可靠且不同的工作壓。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。超小的 體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達 20 米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。 VC 則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻 (RL)上的電壓 (VRL)。另外，它提供了 MCU和無線設(shè)備之間的一個接口，這使得可以發(fā)出命令，讀取狀 態(tài)，自動操作和確定無線設(shè)備事件的順序。液晶顯示接線如下圖 410所示。 煙霧傳感器程序 本論文中，對于煙霧傳感器主要解決 的問題是檢測煙霧傳感器的煙霧濃度信號，然后對信號進行 AD 轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理，濃度強弱顯示。長時間運行程序并檢查芯片工作情況與工作狀態(tài) (溫度、電壓等 )。 (4)上位機通訊程序測試：以 1s 間隔頻率發(fā)送命令 (24 小時以上 )，查看系統(tǒng)是否能及時返回數(shù)據(jù)，返回數(shù)據(jù)是否正確。 展望 在本次設(shè)計中，盡管達到了設(shè)計的要求，但系統(tǒng)比較簡單，可移植性差，在外部環(huán)境復(fù)雜的實際生活中實用性不大。 本次設(shè)計主要涉及到硬件設(shè)計和 Zigbee 協(xié)議編程兩方面的內(nèi)