【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 感控制應(yīng)用。 Zigbee 是基于 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。 Zigbee 這個(gè)字，從英語(yǔ)的角度來(lái)分析，它是由“ Zig”和“ bee”兩個(gè)字組成。前者“ Zig”中文的意思是“之“字形的路徑，后面一個(gè)英文單詞“ bee”就是蜜蜂的意思 .Zigbee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就是模仿蜜蜂通過(guò)跳舞來(lái)傳遞信息的方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間信息的相互互傳，來(lái)將一個(gè)信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的另 外一個(gè)節(jié)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)， ZigBee 是一種基于 的低功耗、低傳輸速率、架構(gòu)簡(jiǎn)單的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用正越來(lái)越引起業(yè)界的矚目。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 而 中所支持的對(duì)等結(jié)構(gòu)就是樹狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)如圖 22所示： 星狀網(wǎng)絡(luò) （ Star） 樹狀網(wǎng)絡(luò) （ cluster tree） 銅陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 協(xié)調(diào)器 、 路由器 終端節(jié)點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀 （ mesh） 圖 22 Zigbee三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Zigbee 技術(shù)的特點(diǎn) ZigBee 是近年來(lái)興起的一種短距離，低功耗，低成本，靈活的組網(wǎng)，無(wú)線通信技術(shù)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量小，功率有更高的要求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要更多的場(chǎng)合。具有以下特點(diǎn)： （ 1）低功耗：由于工作時(shí)間比較短、接受和發(fā)送信息功能消耗比較低并且多數(shù)情況下采用了休眠模式，使得 ZigBee 節(jié)點(diǎn)很省電。 （ 2）低成本：目前低速率低功率的 UWB 芯片組的價(jià)格不低于 20 美元，而 ZigBee 的價(jià)格 目前只有幾美分，并且 ZigBee 協(xié)議是不收專利費(fèi)的。 （ 3）數(shù)據(jù)傳輸速率低： ZigBee 工作在 20～ 250kbps 的較低速率，分別提供250kbps()、 40kbps(915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 （ 4）時(shí)延短： ZigBee 針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了改進(jìn)，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都很的短。 （ 5）網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持 255 個(gè)設(shè)備，也就是說(shuō)，每個(gè) Zigbee設(shè)備可以與另外 254 臺(tái)設(shè)備相連接 。 （ 6）優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?:ZigBee 具有星、樹和叢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。 ZigBee 設(shè)備實(shí)際上具有 無(wú)線網(wǎng)路自愈能力 ,能簡(jiǎn)單地覆蓋廣闊圍 。 （ 7）安全性： Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，同時(shí)可以靈活確定其安全屬性 。 8 第 三 章 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 智能家居系統(tǒng)需求分析 智能家居系統(tǒng)采用 ZigBee 技術(shù)以及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，智能家居系統(tǒng)對(duì)于廣大消費(fèi)者而言必須實(shí)用、簡(jiǎn)單，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)個(gè)人愛(ài)好進(jìn)行多樣化和個(gè)性化，智能家居系統(tǒng)可細(xì)分為如下幾個(gè)分系統(tǒng)：燈光照明系統(tǒng)、門窗控制系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。智能家居可以簡(jiǎn)單概括出以下一些特點(diǎn)： (1) 使用方便： 智能化系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程控制接口，當(dāng)您外出時(shí)，您可以通過(guò)電話或互聯(lián)網(wǎng)查看和控制家里的設(shè)備。 (2) 信息服務(wù)：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)獲得和交換消息的通信網(wǎng)絡(luò)，它們通過(guò)多種形式，從靜態(tài)文本，圖形，到動(dòng)態(tài)的音頻和視頻信息。 (3) 安全性能高：家庭智能家居系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)，預(yù)防火災(zāi)，煤氣中毒， 防御入侵者并及時(shí)報(bào)警，有效地保證您的居家安全。 (4) 節(jié)約成本：智能系統(tǒng)可以幫你自動(dòng)關(guān)閉家中的臨時(shí)需要的耗能設(shè)備，降低您的生活成本。 當(dāng)某些設(shè)備因?yàn)橛脩舻男枰l(fā)生位置改變時(shí)，那么等同于網(wǎng)絡(luò) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也要進(jìn)行一定的改善。在最開始的智能家居網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期規(guī)劃時(shí)就得先考慮到系統(tǒng)的自適應(yīng)性和兼容性，滿足家庭網(wǎng)絡(luò)智能化、自動(dòng)化的要求。如果說(shuō)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不得不進(jìn)行調(diào)整時(shí)，我們可以采取自適應(yīng)調(diào)整措施，保證家庭網(wǎng)絡(luò)正常使用。另外還有一種情況就是由于業(yè)務(wù)的需要可能要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造，之所以要升級(jí)也無(wú)非是為了改善原本的某一些缺陷，提供出更適合的網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足客戶的需求。 智能家居系統(tǒng)功能描述 智能家居系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)的以下主要功能： (1)可以控制和相應(yīng)的狀態(tài)查詢，如查詢室內(nèi)和室外的溫度，可用于家用電器，如燈一鍵 全開，一鍵全關(guān)，更方便。 (2)在光線方面我們可以依照家庭裝修環(huán)境背景或者用戶的其他層次的需要，對(duì)光線先進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，指在給用戶帶來(lái)良好的感知度和舒適程度。 (3)制定人機(jī)交互界面，這樣用戶就可以根據(jù)自己的需要自行調(diào)節(jié)各個(gè)用電器之間的參數(shù)，使操作簡(jiǎn)單化； (4)在智能家庭網(wǎng)關(guān)的 Web 服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的框架，可以通過(guò) PC 客戶端 Web進(jìn)行查看實(shí)時(shí)狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制家用設(shè)備的家庭。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器端的 Web 框架，在智能家居網(wǎng)關(guān)的 Web 服務(wù)器，您可以查看 PC 和家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程控制家庭的實(shí)時(shí)狀態(tài)。 (5)在家庭網(wǎng)關(guān)集 成 3G 模塊，通過(guò) WCDMA 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn) 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 將基于 ZigBee 芯片的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊嵌入到各種家居設(shè)備中去，組成基于?；阢~陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 ZigBee的無(wú)線家庭控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。根據(jù)自己的需要用戶可以接入或者移除不同的設(shè)備。 通過(guò)這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器模塊在各子網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，使在家庭內(nèi)的無(wú)線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連，使他們能夠協(xié)作，自動(dòng)運(yùn)行 。 在設(shè)計(jì)中既能利用現(xiàn)有的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)也可以通過(guò) Inter 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如 3G 網(wǎng)絡(luò)，以便用戶可以隨時(shí)隨地接入家庭網(wǎng)絡(luò)。在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)中，只需與一個(gè)具有無(wú) 線接口管理功能的 ZigBee模塊相連，通過(guò)開發(fā)的人機(jī)交互界面，便可通過(guò) PC或手持終端進(jìn) 行設(shè)備控制與狀態(tài)查詢，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖 31所示 ： 家居網(wǎng)關(guān) 手機(jī) 圖 31智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)主要由三大模塊組成： ZigBee技術(shù)在家庭內(nèi)部通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個(gè)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。 家庭網(wǎng)關(guān)在家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) ，使用戶能夠遠(yuǎn)程控制家庭內(nèi)的家用設(shè)備或?qū)崟r(shí)監(jiān)控的情況； 用戶可以通過(guò)一臺(tái)家用電腦，對(duì)智能家居進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制也可以登錄智能家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的 進(jìn)行遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)。 溫度監(jiān)測(cè) 煤氣、煙霧探測(cè) 開關(guān)控制 光線調(diào)節(jié) 無(wú)線接口管理模塊 視頻監(jiān)控 其他zigbee 終端節(jié)點(diǎn) PC 機(jī) PC 機(jī) 10 第 四 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ZigBee 通信模塊硬件設(shè)計(jì) . CC2430 芯片 簡(jiǎn)介 CC2430 是芯片巨人 TI 公司收購(gòu)無(wú)線單片機(jī)公司 CHIPCON 后推出的全新概念新一代ZigBee 無(wú)線單片機(jī)系列芯片。 CC2430 是一款真正符合 標(biāo)準(zhǔn)的片上SOC ZigBee 產(chǎn)品。 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(chǔ)的 ISM 波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能 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(lái)優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。CC2430 和 CC2420 射頻參數(shù)相同， CC2430 具有 51 單片機(jī)核；發(fā)射功率 0dbm；接收靈敏度小于 110dbm 左右；工作 頻點(diǎn)： ；支持 zigbee2020， ,2020 協(xié)議。 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了 ZigBee 射頻 (RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用 1 個(gè) 8 位 MCU（ 8051），具有 128 KB 可編程閃存和 8 KB的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（ Timer）、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（ Watchdog timer）、 32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路 (Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路 (Brown out detection)，以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。 CC2430 芯片采用 μ m CMOS 工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于 27 mA 或 25 mA。CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。 CC2430 就是相當(dāng)于一個(gè)增強(qiáng)型 8051+zigbee 射頻模塊。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件 結(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理．網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與 PC 機(jī)相連，將采集到的脈搏信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，以便對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行 實(shí)時(shí)分析；其他無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以連接家用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制；將監(jiān)護(hù)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)服務(wù)器。可實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)信息的共享，具體結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的一個(gè)明顯差別在于后者缺少智能家電和信號(hào)調(diào)制模塊，為偵聽串口接收中斷，在中心協(xié)調(diào)器硬件平臺(tái)上擴(kuò)展了 RS232 串口。 圖 41網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖 PC機(jī) 時(shí)鐘 模塊 LCD模塊 天線模塊 RS23 串口模塊 DMA單元 8051微控制器 ZigBe 數(shù)據(jù)傳輸模塊 調(diào)試單元 電源模塊 銅陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 ZigBee 終端設(shè)備 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 智能居家最后一個(gè)設(shè)備也就是終端設(shè)備，它可以直接獲取家庭環(huán)境第一手?jǐn)?shù)據(jù)，并且它是命令執(zhí)行單元的關(guān)鍵。終端設(shè)備結(jié)構(gòu)包括電源模塊、 8051 微控制器、 ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸模塊、調(diào)試模塊、調(diào)制模塊、時(shí)鐘模塊、 LCD 模塊、天線模塊等，構(gòu)造如圖 42 所示。一方面，通過(guò)的智能傳感器單元設(shè)備模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)收集家里的環(huán)境信息的終端裝置獲得通過(guò)的信號(hào)調(diào)制模塊有用信號(hào)，然后與無(wú)線模塊將信息上傳；另一方面，終端可以被連接通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收控制命令，并傳達(dá)到智能家電模塊命令執(zhí)行單元，執(zhí)行命令。 圖 42終端設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 智能家電 傳感器單元 命令執(zhí)行單元 信號(hào)調(diào)制 ADC 模塊 DMA模塊 8051 微控制器 ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸模塊 調(diào)試模塊 電源模塊 時(shí)鐘模塊 LCD 模塊 天線模塊 12 第 五 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟件 ZStack 簡(jiǎn)介 ZStack 是 TI 公司開發(fā)的符合 ZigBee2020 規(guī)范的 ZigBee 協(xié)議棧， ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，是建立在 ZigBee 協(xié)議棧的基礎(chǔ)上的，協(xié)議棧采用分層的結(jié)構(gòu)協(xié)議分層的目的是為了使各層相對(duì)獨(dú)立，每一層都提供一些服務(wù)，服務(wù)由協(xié)議定義，程序員只需關(guān)心與他的工作直接相關(guān)的那些 層的協(xié)議，它們向高層提供服務(wù)，并由低層提供服務(wù)。 TI 公司的ZStack 協(xié)議棧，其主要特點(diǎn)就是其兼容性，完全支持 IEEE 802. 15. 4/ZigBee 的 CC2430片上系統(tǒng)解決方案。 ZStack 還支持豐富的新特性，如無(wú)線下載，可通過(guò) ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（ Mesh Network）下載節(jié)點(diǎn)更新。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立 組建一個(gè)完整的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)分為兩步：第一步是協(xié)調(diào)器初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；第二步是路由器或終端加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)又有兩種方法，一種是子設(shè)備通過(guò)使用 MAC 層的連接進(jìn)程加入網(wǎng)絡(luò)，另一種是子設(shè)備通過(guò)與一個(gè)先前指定的父設(shè)備直接加入網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 中，只有 PAN 協(xié)調(diào)點(diǎn)可以建立一個(gè)新的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng) ZigBeePAN 協(xié)調(diào)點(diǎn)希望建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)空閑信道來(lái)建立新的網(wǎng)絡(luò)。如果找到了合適的信道， ZigBee 協(xié)調(diào)點(diǎn)會(huì)為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè) PAN 標(biāo)識(shí)符（ PAN 標(biāo)識(shí)符是用來(lái)標(biāo)識(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的，因此所選的 PAN 標(biāo)識(shí)符必須在信道中是唯一的）。一旦選定了 PAN 標(biāo)識(shí)符，就說(shuō)明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò)，此后，如果另一個(gè) ZigBee 協(xié)調(diào)點(diǎn)掃描該信道，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點(diǎn) 就會(huì)響應(yīng)并聲明它的存在。 ZigBee 協(xié)調(diào)點(diǎn)選定了網(wǎng)絡(luò)地址后，就開始接受新的節(jié)點(diǎn)加入其網(wǎng)絡(luò)。