【導讀】成為當今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。智能家居系統(tǒng)能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式，是未來居住模式的必然發(fā)展趨勢。是目前最適合智能家居系統(tǒng)的無線標準，并對該標準進行了研究。居系統(tǒng)相比，Zigbee技術具有免布線，維護方便，運行費用低，實時在線監(jiān)控，隨后探討了一種采用Zigbee無。線通信技術的智能家居系統(tǒng)設計方案。簇狀網(wǎng)絡組建智能家居內(nèi)部網(wǎng)，并對智能家居網(wǎng)絡進行了設計。該控制器同時具有GPRS遠程訪問接口，用戶可以通過GPRS. 最后從理論上闡述了智能家居系統(tǒng)的整體設計方案以。及各模塊的軟硬件實現(xiàn)方法。

　　

【正文】 生 信道沖突，會增加消息傳遞的延遲和通信開銷。因此，本系統(tǒng)結合智能家居的實際情況采用了 Zigbee簇狀結構組建無線智能家居網(wǎng)絡。 19 網(wǎng)絡結構的設計考慮到智能家居系統(tǒng)具有復用性，安裝容易，調(diào)試簡單，通用性好等特點，采用了模塊化設計原則，即家居系統(tǒng)的通信部分和功能驅(qū)動模塊分開實現(xiàn)，通信部分由網(wǎng)絡控制器來充當。智能家居網(wǎng)絡控制器主節(jié)點作為家庭網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器即智能家居設備的主控制器，同時在每一個房間安裝一個智能家居網(wǎng)絡控制器分節(jié)點實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡的路由器功能，每個家居設備也連接一個智能家居網(wǎng)絡控制器分節(jié)點。這樣組成一個小型 家庭簇狀網(wǎng)絡，如圖 。 G P R S 網(wǎng) 絡Z i g b e e 網(wǎng) 絡終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D路 由 器 1（ F F D ）路 由 器 2（ F F D ）路 由 器 3（ F F D ）無 線 遙 控 器（ F F D ）手 機 圖 Zigbee 網(wǎng)絡智能家居系統(tǒng)結構 基于這種家居網(wǎng)絡結構，在系統(tǒng)中設計網(wǎng)絡組網(wǎng)流程如下：首先由充當協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡控制器主節(jié)點發(fā)起請求并建立網(wǎng)絡，同時創(chuàng)建一個網(wǎng)絡鄰接表，隨后為每個路由器分配一個 16位 PAN ID（ 此地址僅在該網(wǎng)絡中有效 ） ，并將信息添加到該網(wǎng)絡鄰接表中，網(wǎng)絡節(jié)點的添加就完成了。當路由器下層的家居設備想加入該網(wǎng)絡時，將自身信息 （如 由 IEEE分配的 64位全球唯一標識符等 ） 發(fā)送給路由器，再由路由器將此 信息轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器根據(jù)不同路由器轉(zhuǎn)發(fā)來的信息進行分組，20 然后為每個家電分配一個 16位的 PAN ID，再將此家電設備添加到網(wǎng)絡鄰接表中，標志終端設備 （ 家電 ） 被添加到此網(wǎng)絡中。 本章小結 針對智能家居系統(tǒng)的特點和發(fā)展趨勢，本章首先介紹了系統(tǒng)組成 ， 并對系統(tǒng)各個部分進行了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設計原則。接著主要對基于 Zigbee的智能家居網(wǎng)絡進行了研究，介紹了 Zigbee網(wǎng)絡設備類型以及目前三種網(wǎng)絡拓撲結構。針對智能家居的實際情況，采用了 Zigbee簇狀結構組建無線智能家居網(wǎng)絡，并給出了相 應的家居網(wǎng)絡結構圖。采用該網(wǎng)絡設計方案，實現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)具有復用性，安裝容易，調(diào)試簡單，通用性好等特點。 21 5 基于 Zigbee 智能家居網(wǎng)絡的硬件設計 硬件總體設計 智能家居網(wǎng)絡控制器硬件主要由單片機， Zigbee無線收發(fā)模塊， GPRS模塊，人機交互等組成， 本論文中 的單片機采用 美國微芯公司的 PICl8F4620， Zigbee無線收發(fā)模塊采用 TI公司的 CC2480， GPRS模塊采用 德國西門子公司的 MC55， 其硬件框圖如圖 。 P I C 1 8 F 4 6 2 0C C 2 4 8 0晶 振電 源人 機 交 互G P R S通 信 接 口 圖 硬件系統(tǒng)框圖 處理器 硬件處理器采用 Microchip Technology的 PICl8F4620單片機， PICl8系列是高性能、 CMOS、集成了模數(shù) （ A/D） 轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài) MCU（ Micro Control Unit） 系列。PICl8 MCU采用先進的 RISC架構，支持 FLASH和 OTP器件。指令和數(shù)據(jù)總線相互分離的哈佛結構允許 16位指令和 8位數(shù)據(jù)同時在分離的總線上傳輸。兩級指令流水線使得除了程序跳轉(zhuǎn)指令需要兩個周期外，其余所有指令在一個周期內(nèi)執(zhí)行。指令 共有77條 （ 精簡指令集 ） 。此外，實現(xiàn)了革新架構的大寄存器集，使 MCU具有 10MIPS的高性能。 PICl8器件具備特殊功能模塊，減少了外部元件的使用，因此最大限度地降低了成本、提高了系統(tǒng)可靠 性并降低了功耗。 考慮到單片機與高頻芯片的通信，以及以后系統(tǒng)的性能擴展和程序存儲等的要22 求，在設計的時候選擇了 40管腳 PDIP封裝的 PICl8F4620微控制器，它是一款專為低功耗需求設計的。它的工作電壓只有 ，可直接與高頻芯片通信。同時具有 3986B的 RAM， 64KB的 FALSH。其管腳圖如圖 。 圖 PICl8LF4620 管腳圖 Zigbee 無線收發(fā)模塊 TI公司的 CC2480，是一款符合 、低功耗的ZAccel Zigbee處理器，經(jīng)過最小的開發(fā)努力就能實現(xiàn)完全的 Zigbee功能。 CC2480通過一個 SPI或 UART接口能和任何微處理器通信，不需要學習一個新的微處理器或新工具。 CC2480的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 ，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps可以實現(xiàn)多點 對多點的快速組網(wǎng)。 CC2480芯片主要性能特點 ： Zigbee2020協(xié)議棧 ； SPI（ Serial Peripheral interface， 串行外圍設備接口 ） 或UART（ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter， 通用異步 收 /發(fā) 裝置 ） 接口 ； 任何類型的 Ziggbee設備：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備 ； 23 ，在閑置期間自動進入低功耗模式 ； 、 高接收靈敏度 、強抗干擾能力 ； DSSS RF收發(fā)器 ； VCO、 LNA、 PA以及電源整流器，采用低電壓供電 （ ～ ） ； 本系統(tǒng)的 CC2480外圍電路圖如 圖 。 圖 CC2480外圍電路圖 GPRS 電路實現(xiàn) GPRS 介紹 通用分組無線業(yè)務 （ General Packet Radio Service， GPRS） 是在現(xiàn)有 GSM技術基24 礎上發(fā)展而來的一種新的承載業(yè)務， GPRS在移動終端與計算機通信網(wǎng)絡的路由器之間提供 了分組傳遞業(yè)務，這也是 GPRS網(wǎng)絡與 GSM網(wǎng)絡的最大區(qū)別。與 GSM網(wǎng)絡相比， GPRS網(wǎng)絡能更有效的利用無線資源，特別適用于長時間、小流量的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。借助于多時隙綁定和高速編碼方案， GPRS速率理論上最高可達 。從 2002年 5月起，中國移動的 GPRS網(wǎng)絡正式開始商用，其網(wǎng)絡覆蓋范圍包括了全國所有省會城市和大部分大中城市。作為移動數(shù)據(jù)業(yè)務最主要的承載方式，與其他無線通訊方式相比， GPRS業(yè)務具有實時傳輸、運營費用 低 網(wǎng)絡覆蓋范圍廣等優(yōu)點。因此，基于 GPRS的 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務在多種行業(yè)中得了廣泛 應用，如用于監(jiān)控、金融、車載定位等。 作為 ， GPRS技術是 GSM網(wǎng)絡由 2G向 3G平滑過渡的必由路。與 2G（ GSM） 相比較，其具有以下技術優(yōu)勢： ，最大達到 。而 GSM僅為 ； ：分組交換接入時間縮短為少于 1s，一旦手機注冊上 GPRS網(wǎng)絡，手機就一直連接在網(wǎng)絡上； ，可以按流量計費 或 包月制等多種方式計費； WAP業(yè)務； GSM網(wǎng)絡覆蓋面廣，使得 GPRS能提供 Inter和其它分組網(wǎng)絡的全 球性無線接入。 GPRS在一個發(fā)送實體和另一個或多個發(fā)送實體之間提供數(shù)據(jù)傳輸，這些實體可以是連接到一個 GPRS網(wǎng)絡或一個外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的終端設備。尤其適用于間歇性、非周期性數(shù)據(jù)傳輸 （ 相鄰兩次傳輸?shù)臅r間間隔遠遠大于平均傳輸延遲 ） ；少量數(shù)據(jù)的頻繁傳輸 ； 較大容量數(shù)據(jù)的不頻繁傳輸。 GPRS 電路設計 本設計采用西門子公司的 MC55模塊，該模塊具有以下特點： ，僅 ； ： 900， 1800和 1900MHz； ； Microsoft Windows Mobile TM平臺的設備 (smart phones and Pocket PCs)； TCP/IP協(xié)議棧。 25 MC55采用 ～ ，必須具有 2A的電流峰峰值，它具有兩個符合 ASC 0和 ASC 1，它們都是站在 DCE（ 數(shù)據(jù)通信設備 ） 立場上來定義的， 所以與 FPGA的 UART接口不必跳線，本系統(tǒng)中的接口電路如圖 示。 M C 5 5P I C 1 8 F 4 6 2 0T X D 0R X D 0ASCOR C 6R C 7 圖 GPRS 模塊與單片機接口電路 本章小結 本章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡控制器的硬件設計。首先給出了硬件總體設計，再分別具體介紹了硬件處理器部分、 Zigbee無線收發(fā)模塊部分和 GPRS模塊電路實現(xiàn)。 26 6 智能家居網(wǎng)絡 控制器 的軟件設計 系統(tǒng)軟件分為 3層 ： 系統(tǒng)平臺層、協(xié)議層和應用層。系統(tǒng)平臺層通過應用程序 編程 接口 （ Application Programming Interface, API） 來給協(xié)議層提供服務。協(xié)議層實現(xiàn)物理層、鏈路層以及基于 Zigbee的網(wǎng)絡層協(xié)議。應用層通過 API來調(diào)用協(xié)議層提供的服務 ,實現(xiàn)網(wǎng)絡的 管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?。軟件所要實現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)初始化 、 通信協(xié)議棧、系統(tǒng)應用程序等。 系統(tǒng)主程序設計 智能家居設計中主控制器，采用源代碼開放 、 可移植性強的 Linux操 作系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多種網(wǎng)絡協(xié)議，可以為 Zigbee模 塊提供完整的協(xié)議支持 。 而且該操作系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實時性，可以滿足智能家居控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性 、 可靠性的要求 。 控制器軟件設計，主要包括系統(tǒng)初始化 、 對家居中報警信號的監(jiān)控 、 對遠程控制指令的處理和執(zhí)行等 。 圖 。 是 否 是報 警 信 號 ？開 機監(jiān) 聽 來 自 Z i g b e e 主控 制 器 的 信 號系 統(tǒng) 初 始 化監(jiān) 聽 G S M 模 塊短 消 息 是否 合 法 ？發(fā) 送 報 警 信 息 至 用 戶提 取 短 消 息 和 來 電 號 碼相 應 處 理 程 序分 析 控 制 指 令向 相 應 節(jié) 點 發(fā) 送 指 令發(fā) 送 信 息 至 來 電 用 戶NYYN 圖 智能家居主機系統(tǒng)軟件流程圖 27 中斷和初始化程序設計 圖 所示為 MCU 中斷處理過程與初始化過程的流程圖 。 進 入 中 斷 處 理 上 電軟 件 去 毛 刺進 入 復 位 矢 量是 否 為真 中 斷 ？讀 取 4 6 2 0 中 斷 狀 態(tài) 字分 析 中 斷 狀 態(tài) 字執(zhí) 行 相 應 的中 斷 處 理 程 序中 斷 處 理 結 束M C U 初 始 化 結 束堆 棧 初 始 化拷 貝 F l a s h 數(shù) 據(jù)清 除 B S S 數(shù) 據(jù) 段看 門 狗 初 始 化P L L 初 始 化系 統(tǒng) 寄 存 器 設 置NY4 6 2 0 中 斷 處 理 過 程 M C U 初 始 化 過 程 圖 中斷和初始化程序流程 信息處理程序設計 信息處理過程是在傳感器節(jié)點的硬件檢測電路檢測到其所在環(huán)境發(fā)生變化時 ,由傳感器節(jié)點中 Zigbee模塊對信息簡單處理后 ,主動發(fā)起連接將處理后的信息傳 給 主控制器。 程序流程如圖 。 28 結 束開 始傳 感 器 節(jié) 點 Z i g b e e模 塊 發(fā) 起 連 接 請 求連 接 成 功 ？向 家 庭 網(wǎng) 關 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)傳 感 器 節(jié) 點 Z i g b e e模 塊 發(fā) 起 斷 開 連 接 請 求發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 完 畢 ？斷 開 連 接 成 功 ？YNYNYN 圖 系統(tǒng)通信程序流程圖 為了方便系統(tǒng)的調(diào)試， 還應該 設計 一個 上位機監(jiān)控軟件，用于對智能家居網(wǎng)絡 控制的主節(jié)點和分節(jié)點進行調(diào)試和監(jiān)控， 限于本論文的研究范圍，這部分予以省略。 本章小結 本章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡控制器的軟件設計思想，首先總述系統(tǒng)軟件的結構層次，然后分塊列出各功能部分的程序設計思想，并一一用流程圖示出。 29 結 論 現(xiàn)代無線通信技術、計算機技術和自動控制技術的發(fā)展，使得我們可以通過空中無線接口來實現(xiàn)系統(tǒng)與傳感器節(jié)點的交互，這極大地方便了人們的各種活動，改善了人們的生活方式。無線 傳感器技術被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，這一新興技術結合了現(xiàn)有的多種先進技術，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。家居智能化也正是在這種形勢下應運而生，因此，基于 Zigbee技術的無線智能家居系統(tǒng)的研究具有重大的現(xiàn)實意義。 本文以家庭智能化為應用背景，主要研究智能家居 Zigbee 無線通信網(wǎng)絡，歸納起來，主要有以下幾項工作： 1．首先對智能家居領域進行充分了解和研究，并對目前國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及現(xiàn)有的幾種技術進行分析，針對智能家居中主要存在的布線難，費用高等問題，選擇 Zigbee 技術作為 智能家居系統(tǒng)中的通信技術，實現(xiàn)智能家居的數(shù)據(jù)傳輸； 2．研究 Zigbee 技術網(wǎng)絡協(xié)議棧。 對 Zigbee 網(wǎng)絡 通信協(xié)議有了一定的了解。 3．分析研究 Zigbee 網(wǎng)絡結構，針對家居分布構造等特點，采用簇狀網(wǎng)絡實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡的