【文章內容簡介】 0 年的研究歷史，而國內在這方面的研究相對較晚，從 2020 年才逐步應用于高端市場，而且標準不統(tǒng)一。由于智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能 化和個性化的獨特魅力，使得智能家居的開發(fā)與建設成為 21 世紀科技發(fā)展的必然趨勢。隨著全 11 球對能源和環(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。 研究主要內容 基本問題： （ 1）報警模塊的設計與實現(xiàn)。 （ 2）智能光控燈具模塊的設計與實現(xiàn)。 （ 3）智能溫控空調模塊的設計與實現(xiàn)。 重點注意： 軟件與硬件的聯(lián)合調試。 本章小結 首先對智能家居系統(tǒng)進行了簡要概述，包括智能家居的定義和國內外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，接著對智能家居網(wǎng)絡技術進行了介紹，對于智能家居 系統(tǒng)來說，采用無線網(wǎng)絡不僅為家居智能化提供靈活簡便的網(wǎng)絡結構，省去了浪費在布線上的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡通訊的特點。 12 第二章 智能家居系統(tǒng)的任務設計（硬件部分） 系統(tǒng)設計總體方案 在智能家居系統(tǒng)設計中，在盡可能保持統(tǒng)一標準的前提下，針對各種信號類型選擇合適的總線或者無線技術并設計主控器已成為智能家居建設的首要問題。 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計，缺點就是布線多，結構復雜，也存在總線協(xié)議設計選擇的問題。 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 無線通信技術的新型智能家居系統(tǒng)設計方案，設計并實現(xiàn)了該系統(tǒng)中的檢測、中央處理、控制等各個模塊。 智能家居系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡控制器，即主節(jié)點，與智能家居設備相連的智能家居網(wǎng)絡控制器，即分節(jié)點，每個房間放置的充當路由器的智能家居網(wǎng)絡控制器，功能控制驅動模塊和相應的家具設備構成。組成框圖如圖 21 所示。 13 圖 21 智能家居系統(tǒng)的組成 方案實現(xiàn)的過程 本文任務提出的功能控制驅動模塊實現(xiàn)與各種家居設備的接口。并為家居設備的 功能執(zhí)行機構，其與相應的智能家居網(wǎng)絡控制器分節(jié)點進行通信，智能家居網(wǎng)絡控制器分節(jié)點，每個房間放置的充當路由器功能的分節(jié)點和智能家居網(wǎng)絡控制器主節(jié)點組成 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡，是整個智能家居系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡。每個智能家居網(wǎng)絡控制器包括一個 ZigBee 無線收發(fā)模塊，與各個設備、節(jié)點之間進行通信。此方案的設計靈活性好，擴展性好。 系統(tǒng)的工作流程是：首先智能家居網(wǎng)絡控制器（主節(jié)點）建立 ZigBee 智能網(wǎng)絡，各個網(wǎng)絡控制器（分節(jié)點）隨后加入該網(wǎng)絡，他們共同組成一個星狀的 ZigBee無限家居網(wǎng)絡。當需要對某一個家具設備 進行控制或者檢測時，主節(jié)點找到與該家具設備相連的分節(jié)點的 ID 信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點所在房間的路由器，路由器再將信息轉發(fā)給對應的分節(jié)點，分節(jié)點收到信息后，切入功能驅動模塊，功能驅動模塊對該家居設備進行相應的操作，從而完成智能家居的控制。 ZigBee 節(jié)點類型 14 ZigBee 網(wǎng)絡包含三種類型的節(jié)點，即協(xié)調器 ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和終端設備 ZE(ZigBee End Deviee)，其中協(xié)調器和路由器均為全功能設備 (FFD)，而終端設 備選用精簡功能設備 (RFD)。 協(xié)調器：一個 ZigBee網(wǎng)絡 PAN(Personal Area Network)有且僅有一個協(xié)調器，該設備負責啟動網(wǎng)絡，配置網(wǎng)絡成員地址，維護網(wǎng)絡，維護節(jié)點的綁定關系表等，需要最多的存儲空間和計算能力； 路由器：主要實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡及路由消息的功能。擴展網(wǎng)絡，即作為網(wǎng)絡中的潛在父節(jié)點，允許更多的設備接入網(wǎng)絡。路由節(jié)點只有在樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡中存在； 終端設備：不具備成為父節(jié)點或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡的邊緣設備，負責與實際的監(jiān)控對象相連，這種設備只與自己的父節(jié)點主動通訊，具體的 信息路由則全部交由其父節(jié)點及網(wǎng)絡中具有路由功能的協(xié)調器和路由器完成 [11]。 ZigBee 的 拓撲結構 ZigBee 的網(wǎng)絡支持星狀網(wǎng) (Star Network)，樹狀網(wǎng) (Cluster tree Network)和網(wǎng)狀網(wǎng) (Mesh Network)三種網(wǎng)絡拓撲結構。 星形網(wǎng) (Star)是由一個 ZigBee 協(xié)調器和一個或多個 ZigBee 終端節(jié)點組成的。ZigBee 協(xié)調器必須是 FFD，它位于網(wǎng)絡的中心，負責發(fā)起建立和維護整個網(wǎng)絡，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)調器的覆蓋范圍內，直接與 ZigBee 協(xié)調器進行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡單，通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。 樹狀網(wǎng)絡 (Clustertree)由一個協(xié)調器和一個或多個星狀結構連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點一般為 RFD，設備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通訊外，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)調器比網(wǎng)絡中的其它路由器具有更強人的處理能力和存儲空間。樹狀網(wǎng)絡的一個顯著優(yōu)點就是它的網(wǎng)絡覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時延也會增大。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡 (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)點都可以與它的無線通信范圍內的其它節(jié)點通信，即允許網(wǎng)絡中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，但它們中也有一個會被推薦為 ZigBee 協(xié)調器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡是樹狀網(wǎng)絡基礎上實現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實現(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，具有 “ 自恢復 ” 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)點之間存在多條路徑，它也是一種 “ 高冗余 ” 的網(wǎng)絡。 該拓撲的優(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]。 設計方案的總體分析 本著模塊化的設計思想，本文提到的設計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。 中央控制器 CC2430 基于無線網(wǎng)絡的智能家居的設計，我們選擇了技術成熟、低耗高能的 ZigBee技術組建無線網(wǎng)絡，硬件上面，我們選擇了被廣泛應用于 ZigBee 模塊的控制芯片CC2430。圖 22 為 CC2430 的最小系統(tǒng)原理圖。 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。這種解決方案能夠提高性能并滿足以 ZigBee 為基礎的 ISM 波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能 DSSS(直接序列擴頻 )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 的設計結合了 8Kbyte 的 RAM 及強大的外圍模塊，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)化復雜度與成本的組合。 16 信號檢測模塊 信號檢測模塊，按照需求，我們設計了三個子模塊，即紅外報警模塊 ，光照監(jiān)測模塊以及溫度檢測模塊。 紅外報警模塊： 一開始的設計思路是圍繞著激光技術來做，鑒于價格過高，且實用性不好，放棄了使用激光技術的想法。后來發(fā)現(xiàn)使用廉價的紅外線對管也可以做到，便著手設計紅外對管相關的紅外檢測電路。 設計的電路原理是沒有物體入侵時，使用一個比較器，檢測電路送出低電平，輸出端沒有反應。當有物體入侵時，檢測電路送出高電平，給 ZigBee 模塊送出信號。 光照檢測模塊： 與紅外報警模塊類似，使用一個比較器，當光線充足的時候，光敏電阻阻值很小，輸出端送出低電平，當光線變暗的時候，光敏電阻 阻值很大，輸出端送出高電平，給 ZigBee 模塊送出信號。 溫度檢測模塊： 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成即可，監(jiān)測到的溫度會時事發(fā)送數(shù)據(jù)到主控中心。 電源管理模塊 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，本文設計了一塊給檢測模塊和控制模塊供電的電源管理模塊。 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，從而實現(xiàn)從交流220V 到直流 5V，為模塊穩(wěn)壓供電。 控制電路模塊 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到弱電控制強電的目的，實現(xiàn)對警報、燈具、空調的控制。 涉及到的主要芯片的介紹 控制芯片 CC2430 （ 1） CC2430 的尺寸與組成 17 CC2430 的尺寸只有 7 7mm 48pin 的封裝，采用具有內嵌閃存的 amp。microm CMOS 標準技術。這可實現(xiàn)數(shù)字基帶處理器， RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲器 整合在同一個硅晶片上。 針對協(xié)議棧，網(wǎng)絡和應用軟件的執(zhí)行對 MCU 處理能力的要求， CC2430 包含一個增強型工業(yè)標準的 8 位 8051 微控制器內核，運行時鐘 32MHz。由于更快的執(zhí)行時間和通過除去被浪費掉的總線狀態(tài)的方式，使得使用標準 8051 指令集的 CC2430 增強型 8051 內核，具有 8 倍的標準 8051 內核的性能。 CC2430包含一個 DMA控制器。 8k字節(jié)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 Flash 塊提供在電路可編程非易失性存儲器。 CC2430 集成了 4 個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作：一個 32MHz 晶體振蕩器，一個 16MHz RC振蕩器，一個可選的 晶體振蕩器和一個可選的 RC 振蕩器。 CC2430 也集成了用于用戶自定義應用的外設。一個 AES 協(xié)處理器被集成在CC2430，以支持 MAC 安全所需的（ 128位關鍵字） AES 的運行，以實現(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，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。調試接口采用兩線串行接口，該接口被用于在電路調試和外部 Flash 編程。 I/O 控制器的職責是 21 個一般 I/O 口的靈活分配和可靠控制。 CC2430 包括四個定時器：一個 16 位 MAC 定時器，用以為 的CSMACA 算法提供定時以及為 的 MAC 層提供定時。一個一般的 16 位和兩個 8 位定時器，支持典型的定時 /計數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和 PWM功能。 CC2430 內集成的其他外設有 :實時時鐘；上電復位； 8 通道， 8－ 14 位 ADC；可編程看門狗；兩個可編程 USART，用于主 /從 SPI 或 UART 操作。為了更好的處理網(wǎng)絡和應用操作的帶寬， CC2430 集成了大多數(shù)對定時要求嚴格的一系列 MAC 協(xié)議，以減輕微控制器的負擔。這包括： * 自動前導幀發(fā)生器 * 同步字插入 /檢測 * CRC16 校驗 * CCA * 信號強度檢測 /數(shù)字 RSSI 18 * 連接品質指示 (LQI) * CSMA/CA 協(xié)處理器 CC2430 的 射頻及模擬收發(fā)器 CC2430 的接收器是基于低 中頻結構之上的，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)?2MHz 的中頻信號。中頻信號經(jīng)濾波、放大，在通過 A/D轉換器變?yōu)閿?shù)字信號。自動增益控制，信道過濾，解調在數(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