【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及互通性測(cè)試規(guī)格；在世界各地推廣ZigBee品牌并爭(zhēng)取市場(chǎng)的關(guān)注，管理技術(shù)的發(fā)展[10]。 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(tái)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥淖钚露x，參考ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的本系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)(智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，加入了家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)和家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。在智能家居的認(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)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。 課題意義智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將家庭中的各種設(shè)備（如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電）通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起的，自從美國(guó)在1984 真正的智能建筑出現(xiàn)以來，國(guó)外已經(jīng)有將近30 年的研究歷史，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)較晚，從2003年才逐步應(yīng)用于高端市場(chǎng)，而且標(biāo)準(zhǔn)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(gè)性化的獨(dú)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(shì)。隨著全球?qū)δ茉春铜h(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(shì)非常明顯，因此具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。 研究主要內(nèi)容基本問題：（1）報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（2）智能光控?zé)艟吣K的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（3）智能溫控空調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)注意：軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。 本章小結(jié)首先對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，包括智能家居的定義和國(guó)內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，接著對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)于智能家居系統(tǒng)來說，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅為家居智能化提供靈活簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省去了浪費(fèi)在布線上的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的特點(diǎn)。第二章 智能家居系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計(jì)（硬件部分） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在盡可能保持統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的前提下，針對(duì)各種信號(hào)類型選擇合適的總線或者無(wú)線技術(shù)并設(shè)計(jì)主控器已成為智能家居建設(shè)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(diǎn)是可以簡(jiǎn)化各功能單元的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)就是布線多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計(jì)選擇的問題。針對(duì)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(wú)線通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)中的檢測(cè)、中央處理、控制等各個(gè)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(luò)控制器，即主節(jié)點(diǎn)，與智能家居設(shè)備相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，即分節(jié)點(diǎn)，每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，功能控制驅(qū)動(dòng)模塊和相應(yīng)的家具設(shè)備構(gòu)成。組成框圖如圖21所示。圖21智能家居系統(tǒng)的組成 方案實(shí)現(xiàn)的過程本文任務(wù)提出的功能控制驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口。并為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器功能的分節(jié)點(diǎn)和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個(gè)ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊，與各個(gè)設(shè)備、節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信。此方案的設(shè)計(jì)靈活性好，擴(kuò)展性好。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(diǎn)）建立ZigBee智能網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器（分節(jié)點(diǎn)）隨后加入該網(wǎng)絡(luò)，他們共同組成一個(gè)星狀的ZigBee無(wú)限家居網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)需要對(duì)某一個(gè)家具設(shè)備進(jìn)行控制或者檢測(cè)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)找到與該家具設(shè)備相連的分節(jié)點(diǎn)的ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點(diǎn)所在房間的路由器，路由器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)收到信息后，切入功能驅(qū)動(dòng)模塊，功能驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)該家居設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而完成智能家居的控制。 ZigBee節(jié)點(diǎn)類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和終端設(shè)備ZE(ZigBee End Deviee)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD)，而終端設(shè)備選用精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。協(xié)調(diào)器：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(Personal Area Network)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力；路由器：主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點(diǎn)，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在；終端設(shè)備：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成[11]。 ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形網(wǎng)(Star)是由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成的。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(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))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。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。樹狀網(wǎng)絡(luò)(Clustertree)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(diào)器比網(wǎng)絡(luò)中的其它路由器具有更強(qiáng)人的處理能力和存儲(chǔ)空間。樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)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(shí)延也會(huì)增大。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng))一般是由若干個(gè)FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連，但它們中也有一個(gè)會(huì)被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實(shí)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(luò)，具有“自恢復(fù)”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(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲(chǔ)空間開銷[12]。 設(shè)計(jì)方案的總體分析本著模塊化的設(shè)計(jì)思想，本文提到的設(shè)計(jì)方案被分為三個(gè)模塊，即中央控制模塊、信息檢測(cè)模塊，以及家電控制模塊。 中央控制器CC2430基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家居的設(shè)計(jì)，我們選擇了技術(shù)成熟、低耗高能的ZigBee技術(shù)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，硬件上面，我們選擇了被廣泛應(yīng)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。 ISM波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。 DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)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(fù)雜度與成本的組合。 信號(hào)檢測(cè)模塊信號(hào)檢測(cè)模塊，按照需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)子模塊，即紅外報(bào)警模塊，光照監(jiān)測(cè)模塊以及溫度檢測(cè)模塊。紅外報(bào)警模塊：一開始的設(shè)計(jì)思路是圍繞著激光技術(shù)來做，鑒于價(jià)格過高，且實(shí)用性不好，放棄了使用激光技術(shù)的想法。后來發(fā)現(xiàn)使用廉價(jià)的紅外線對(duì)管也可以做到，便著手設(shè)計(jì)紅外對(duì)管相關(guān)的紅外檢測(cè)電路。設(shè)計(jì)的電路原理是沒有物體入侵時(shí)，使用一個(gè)比較器，檢測(cè)電路送出低電平，輸出端沒有反應(yīng)。當(dāng)有物體入侵時(shí)，檢測(cè)電路送出高電平，給ZigBee模塊送出信號(hào)。光照檢測(cè)模塊：與紅外報(bào)警模塊類似，使用一個(gè)比較器，當(dāng)光線充足的時(shí)候，光敏電阻阻值很小，輸出端送出低電平，當(dāng)光線變暗的時(shí)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(hào)。溫度檢測(cè)模塊：使用廣泛被采納的DS18B20，溫度傳感器，使得檢測(cè)電路十分簡(jiǎn)單，僅僅由這個(gè)傳感器構(gòu)成即可，監(jiān)測(cè)到的溫度會(huì)時(shí)事發(fā)送數(shù)據(jù)到主控中心。 電源管理模塊3個(gè)檢測(cè)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(shè)計(jì)了一塊給檢測(cè)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(shí)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(huì)送出持續(xù)的高電平，從而帶動(dòng)繼電器工作以達(dá)到弱電控制強(qiáng)電的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)警報(bào)、燈具、空調(diào)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CC2430的尺寸只有77mm 48pin的封裝，amp。microm CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。這可實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶處理器，RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲(chǔ)器 整合在同一個(gè)硅晶片上。針對(duì)協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件的執(zhí)行對(duì)MCU處理能力的要求，CC2430包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)鐘32MHz。由于更快的執(zhí)行時(shí)間和通過除去被浪費(fèi)掉的總線狀態(tài)的方式，使得使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集的CC2430增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。 　　CC2430包含一個(gè)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(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲(chǔ)器。 　　CC2430集成了4個(gè)振蕩器用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)操作：一個(gè)32MHz晶體振蕩器，一個(gè)16MHz RC振蕩器， RC 振蕩器。 　　CC2430也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。一個(gè)AES協(xié)處理器被集成在CC2430， MAC 安全所需的（128位關(guān)鍵字）AES的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)盡可能少的占用微控制器。中斷控制器為總共18個(gè)中斷源提供服務(wù)，他們中的每個(gè)中斷都被賦予4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)中的某一個(gè)。調(diào)試接口采用兩線串行接口