【文章內(nèi)容簡介】 感控制應用。 Zigbee 是基于 標準的低功耗個人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。 Zigbee 這個字，從英語的角度來分析，它是由“ Zig”和“ bee”兩個字組成。前者“ Zig”中文的意思是“之“字形的路徑，后面一個英文單詞“ bee”就是蜜蜂的意思 .Zigbee 網(wǎng)絡技術，就是模仿蜜蜂通過跳舞來傳遞信息的方式，通過網(wǎng)絡節(jié)點之間信息的相互互傳，來將一個信息從一個節(jié)點傳輸?shù)竭h處的另 外一個節(jié)點?？偟膩碚f， ZigBee 是一種基于 的低功耗、低傳輸速率、架構簡單的短距離無線通信技術，它在自動控制領域的應用正越來越引起業(yè)界的矚目。 ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構 Zigbee 網(wǎng)絡有三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構：星型拓撲結(jié)構，樹狀拓撲結(jié)構和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構， 而 中所支持的對等結(jié)構就是樹狀結(jié)構和網(wǎng)狀結(jié)構。 三種網(wǎng)絡拓撲 結(jié)構如圖 22所示： 星狀網(wǎng)絡 （ Star） 樹狀網(wǎng)絡 （ cluster tree） 銅陵學院畢業(yè)設計 7 協(xié)調(diào)器 、 路由器 終端節(jié)點 網(wǎng)絡網(wǎng)狀 （ mesh） 圖 22 Zigbee三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構 Zigbee 技術的特點 ZigBee 是近年來興起的一種短距離，低功耗，低成本，靈活的組網(wǎng)，無線通信技術，適用于數(shù)據(jù)傳輸量小，功率有更高的要求，網(wǎng)絡節(jié)點需要更多的場合。具有以下特點： （ 1）低功耗：由于工作時間比較短、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)點很省電。 （ 2）低成本：目前低速率低功率的 UWB 芯片組的價格不低于 20 美元，而 ZigBee 的價格 目前只有幾美分，并且 ZigBee 協(xié)議是不收專利費的。 （ 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)的應用需求。 （ 4）時延短： ZigBee 針對時延敏感的應用做了改進，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都很的短。 （ 5）網(wǎng)絡容量大：每個 Zigbee 網(wǎng)絡最多可支持 255 個設備，也就是說，每個 Zigbee設備可以與另外 254 臺設備相連接 。 （ 6）優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲能力 :ZigBee 具有星、樹和叢網(wǎng)絡結(jié)構的能力。 ZigBee 設備實際上具有 無線網(wǎng)路自愈能力 ,能簡單地覆蓋廣闊圍 。 （ 7）安全性： Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用 AES128，同時可以靈活確定其安全屬性 。 8 第 三 章 智能家居系統(tǒng)總體設計方案 智能家居系統(tǒng)需求分析 智能家居系統(tǒng)采用 ZigBee 技術以及無線傳感網(wǎng)絡相結(jié)合，智能家居系統(tǒng)對于廣大消費者而言必須實用、簡單，在此基礎上可以根據(jù)個人愛好進行多樣化和個性化，智能家居系統(tǒng)可細分為如下幾個分系統(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)、遠程控制系統(tǒng)。智能家居可以簡單概括出以下一些特點： (1) 使用方便： 智能化系統(tǒng)提供遠程控制接口，當您外出時，您可以通過電話或互聯(lián)網(wǎng)查看和控制家里的設備。 (2) 信息服務：通過互聯(lián)網(wǎng)或在任何時間，任何地點獲得和交換消息的通信網(wǎng)絡，它們通過多種形式，從靜態(tài)文本，圖形，到動態(tài)的音頻和視頻信息。 (3) 安全性能高：家庭智能家居系統(tǒng)可以實時監(jiān)控狀態(tài)，預防火災，煤氣中毒， 防御入侵者并及時報警，有效地保證您的居家安全。 (4) 節(jié)約成本：智能系統(tǒng)可以幫你自動關閉家中的臨時需要的耗能設備，降低您的生活成本。 當某些設備因為用戶的需要而發(fā)生位置改變時，那么等同于網(wǎng)絡 的拓撲結(jié)構也要進行一定的改善。在最開始的智能家居網(wǎng)絡建設初期規(guī)劃時就得先考慮到系統(tǒng)的自適應性和兼容性，滿足家庭網(wǎng)絡智能化、自動化的要求。如果說網(wǎng)絡拓撲結(jié)構不得不進行調(diào)整時，我們可以采取自適應調(diào)整措施，保證家庭網(wǎng)絡正常使用。另外還有一種情況就是由于業(yè)務的需要可能要對網(wǎng)絡進行升級改造，之所以要升級也無非是為了改善原本的某一些缺陷，提供出更適合的網(wǎng)絡來滿足客戶的需求。 智能家居系統(tǒng)功能描述 智能家居系統(tǒng)旨在實現(xiàn)的以下主要功能： (1)可以控制和相應的狀態(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，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，對光線先進行自動調(diào)節(jié)，指在給用戶帶來良好的感知度和舒適程度。 (3)制定人機交互界面，這樣用戶就可以根據(jù)自己的需要自行調(diào)節(jié)各個用電器之間的參數(shù)，使操作簡單化； (4)在智能家庭網(wǎng)關的 Web 服務器，網(wǎng)絡視頻服務器的框架，可以通過 PC 客戶端 Web進行查看實時狀態(tài)和遠程控制家用設備的家庭。網(wǎng)絡視頻服務器端的 Web 框架，在智能家居網(wǎng)關的 Web 服務器，您可以查看 PC 和家庭設備的遠程控制家庭的實時狀態(tài)。 (5)在家庭網(wǎng)關集 成 3G 模塊，通過 WCDMA 網(wǎng)絡遠程訪問 智能家居系統(tǒng)結(jié)構 將基于 ZigBee 芯片的無線網(wǎng)絡收發(fā)模塊嵌入到各種家居設備中去，組成基于。基于銅陵學院畢業(yè)設計 9 ZigBee的無線家庭控制網(wǎng)絡技術。根據(jù)自己的需要用戶可以接入或者移除不同的設備。 通過這些無線網(wǎng)絡收發(fā)器模塊在各子網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，使在家庭內(nèi)的無線設備的網(wǎng)絡互連，使他們能夠協(xié)作，自動運行 。 在設計中既能利用現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡也可以通過 Inter 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，如 3G 網(wǎng)絡，以便用戶可以隨時隨地接入家庭網(wǎng)絡。在家庭網(wǎng)絡內(nèi)網(wǎng)中，只需與一個具有無 線接口管理功能的 ZigBee模塊相連，通過開發(fā)的人機交互界面，便可通過 PC或手持終端進 行設備控制與狀態(tài)查詢，系統(tǒng)總體架構圖如圖 31所示 ： 家居網(wǎng)關 手機 圖 31智能家居系統(tǒng)結(jié)構圖 本系統(tǒng)主要由三大模塊組成： ZigBee技術在家庭內(nèi)部通過網(wǎng)絡構成了一個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的設備實現(xiàn)互聯(lián)互通。 家庭網(wǎng)關在家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)絡 ，使用戶能夠遠程控制家庭內(nèi)的家用設備或?qū)崟r監(jiān)控的情況； 用戶可以通過一臺家用電腦，對智能家居進行現(xiàn)場控制也可以登錄智能家居設備網(wǎng)絡的 進行遠程遠程控制和監(jiān)測。 溫度監(jiān)測 煤氣、煙霧探測 開關控制 光線調(diào)節(jié) 無線接口管理模塊 視頻監(jiān)控 其他zigbee 終端節(jié)點 PC 機 PC 機 10 第 四 章 系統(tǒng)硬件設計 ZigBee 通信模塊硬件設計 . CC2430 芯片 簡介 CC2430 是芯片巨人 TI 公司收購無線單片機公司 CHIPCON 后推出的全新概念新一代ZigBee 無線單片機系列芯片。 CC2430 是一款真正符合 標準的片上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 為基礎的 ISM 波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)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(jié)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。CC2430 和 CC2420 射頻參數(shù)相同， CC2430 具有 51 單片機核；發(fā)射功率 0dbm；接收靈敏度小于 110dbm 左右；工作 頻點： ；支持 zigbee2020， ,2020 協(xié)議。 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架構，在單個芯片上整合了 ZigBee 射頻 (RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用 1 個 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)、幾個定時器（ Timer）、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（ Watchdog timer）、 32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路 (Power On Reset)、掉電檢測電路 (Brown out detection)，以及 21 個可編程 I/O 引腳。 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)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。 CC2430 就是相當于一個增強型 8051+zigbee 射頻模塊。 ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器硬件 結(jié)構圖 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責無線網(wǎng)絡的建立和網(wǎng)絡狀態(tài)管理．網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通過串口與 PC 機相連，將采集到的脈搏信號傳輸?shù)接嬎銠C，以便對脈搏信號進行 實時分析；其他無線節(jié)點可以連接家用設備，實現(xiàn)對它們的控制；將監(jiān)護信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡監(jiān)護服務器?？蓪崿F(xiàn)監(jiān)護信息的共享，具體結(jié)構如圖 41 所示。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和終端設備的一個明顯差別在于后者缺少智能家電和信號調(diào)制模塊，為偵聽串口接收中斷，在中心協(xié)調(diào)器硬件平臺上擴展了 RS232 串口。 圖 41網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構圖 PC機 時鐘 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 銅陵學院畢業(yè)設計 11 ZigBee 終端設備 結(jié)構設計 智能居家最后一個設備也就是終端設備，它可以直接獲取家庭環(huán)境第一手數(shù)據(jù)，并且它是命令執(zhí)行單元的關鍵。終端設備結(jié)構包括電源模塊、 8051 微控制器、 ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸模塊、調(diào)試模塊、調(diào)制模塊、時鐘模塊、 LCD 模塊、天線模塊等，構造如圖 42 所示。一方面，通過的智能傳感器單元設備模塊的內(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的信號調(diào)制模塊有用信號，然后與無線模塊將信息上傳；另一方面，終端可以被連接通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收控制命令，并傳達到智能家電模塊命令執(zhí)行單元，執(zhí)行命令。 圖 42終端設備結(jié)構圖 智能家電 傳感器單元 命令執(zhí)行單元 信號調(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 時鐘模塊 LCD 模塊 天線模塊 12 第 五 章 系統(tǒng)軟件設計 ZigBee 網(wǎng)絡設備軟件 ZStack 簡介 ZStack 是 TI 公司開發(fā)的符合 ZigBee2020 規(guī)范的 ZigBee 協(xié)議棧， ZigBee 無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)，是建立在 ZigBee 協(xié)議棧的基礎上的，協(xié)議棧采用分層的結(jié)構協(xié)議分層的目的是為了使各層相對獨立，每一層都提供一些服務，服務由協(xié)議定義，程序員只需關心與他的工作直接相關的那些 層的協(xié)議，它們向高層提供服務，并由低層提供服務。 TI 公司的ZStack 協(xié)議棧，其主要特點就是其兼容性，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，如無線下載，可通過 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡（ Mesh Network）下載節(jié)點更新。 ZigBee 網(wǎng)絡的建立 組建一個完整的 Zigbee 網(wǎng)絡分為兩步：第一步是協(xié)調(diào)器初始化一個網(wǎng)絡；第二步是路由器或終端加入網(wǎng)絡。加入網(wǎng)絡又有兩種方法，一種是子設備通過使用 MAC 層的連接進程加入網(wǎng)絡，另一種是子設備通過與一個先前指定的父設備直接加入網(wǎng)絡。 ZigBee 中，只有 PAN 協(xié)調(diào)點可以建立一個新的 ZigBee 網(wǎng)絡。當 ZigBeePAN 協(xié)調(diào)點希望建立一個新網(wǎng)絡時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡。如果找到了合適的信道， ZigBee 協(xié)調(diào)點會為新網(wǎng)絡選擇一個 PAN 標識符（ PAN 標識符是用來標識整個網(wǎng)絡的，因此所選的 PAN 標識符必須在信道中是唯一的）。一旦選定了 PAN 標識符，就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡，此后，如果另一個 ZigBee 協(xié)調(diào)點掃描該信道，這個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)點 就會響應并聲明它的存在。 ZigBee 協(xié)調(diào)點選定了網(wǎng)絡地址后，就開始接受新的節(jié)點加入其網(wǎng)絡。