【導(dǎo)讀】成為當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，并對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。居系統(tǒng)相比，Zigbee技術(shù)具有免布線，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)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(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。簇狀網(wǎng)絡(luò)組建智能家居內(nèi)部網(wǎng)，并對智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計。該控制器同時具有GPRS遠(yuǎn)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(shè)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(jié)合智能家居的實際情況采用了 Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無線智能家居網(wǎng)絡(luò)。 19 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮到智能家居系統(tǒng)具有復(fù)用性，安裝容易，調(diào)試簡單，通用性好等特點(diǎn)，采用了模塊化設(shè)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(luò)控制器來充當(dāng)。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)作為家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即智能家居設(shè)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(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，每個家居設(shè)備也連接一個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)。這樣組成一個小型 家庭簇狀網(wǎng)絡(luò)，如圖 。 G P R S 網(wǎng) 絡(luò)Z i g b e e 網(wǎng) 絡(luò)終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 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(jī) 圖 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于這種家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)計網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程如下：首先由充當(dāng)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)發(fā)起請求并建立網(wǎng)絡(luò)，同時創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)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(luò)中有效 ） ，并將信息添加到該網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的添加就完成了。當(dāng)路由器下層的家居設(shè)備想加入該網(wǎng)絡(luò)時，將自身信息 （如 由 IEEE分配的 64位全球唯一標(biāo)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(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)不同路由器轉(zhuǎn)發(fā)來的信息進(jìn)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(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，標(biāo)志終端設(shè)備 （ 家電 ） 被添加到此網(wǎng)絡(luò)中。 本章小結(jié) 針對智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn)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(jìn)行了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設(shè)計原則。接著主要對基于 Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，介紹了 Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對智能家居的實際情況，采用了 Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無線智能家居網(wǎng)絡(luò)，并給出了相 應(yīng)的家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。采用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，實現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)具有復(fù)用性，安裝容易，調(diào)試簡單，通用性好等特點(diǎn)。 21 5 基于 Zigbee 智能家居網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計 硬件總體設(shè)計 智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器硬件主要由單片機(jī)， Zigbee無線收發(fā)模塊， GPRS模塊，人機(jī)交互等組成， 本論文中 的單片機(jī)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(jī) 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(jī)， 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(jìn)的 RISC架構(gòu)，支持 FLASH和 OTP器件。指令和數(shù)據(jù)總線相互分離的哈佛結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jī)與高頻芯片的通信，以及以后系統(tǒng)的性能擴(kuò)展和程序存儲等的要22 求，在設(shè)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(shè)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(xué)習(xí)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(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實現(xiàn)多點(diǎn) 對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 CC2480芯片主要性能特點(diǎn) ： Zigbee2020協(xié)議棧 ； SPI（ Serial Peripheral interface， 串行外圍設(shè)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(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備 ； 23 ，在閑置期間自動進(jìn)入低功耗模式 ； 、 高接收靈敏度 、強(qiáng)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(wù) （ General Packet Radio Service， GPRS） 是在現(xiàn)有 GSM技術(shù)基24 礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的承載業(yè)務(wù)， GPRS在移動終端與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間提供 了分組傳遞業(yè)務(wù)，這也是 GPRS網(wǎng)絡(luò)與 GSM網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別。與 GSM網(wǎng)絡(luò)相比， GPRS網(wǎng)絡(luò)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(wù)。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(dá) 。從 2002年 5月起，中國移動的 GPRS網(wǎng)絡(luò)正式開始商用，其網(wǎng)絡(luò)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(wù)最主要的承載方式，與其他無線通訊方式相比， GPRS業(yè)務(wù)具有實時傳輸、運(yùn)營費(fèi)用 低 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于 GPRS的 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在多種行業(yè)中得了廣泛 應(yīng)用，如用于監(jiān)控、金融、車載定位等。 作為 ， GPRS技術(shù)是 GSM網(wǎng)絡(luò)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(shù)優(yōu)勢： ，最大達(dá)到 。而 GSM僅為 ； ：分組交換接入時間縮短為少于 1s，一旦手機(jī)注冊上 GPRS網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)就一直連接在網(wǎng)絡(luò)上； ，可以按流量計費(fèi) 或 包月制等多種方式計費(fèi)； WAP業(yè)務(wù)； GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得 GPRS能提供 Inter和其它分組網(wǎng)絡(luò)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(luò)或一個外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的終端設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)計 本設(shè)計采用西門子公司的 MC55模塊，該模塊具有以下特點(diǎn)： ，僅 ； ： 900， 1800和 1900MHz； ； Microsoft Windows Mobile TM平臺的設(shè)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(shè)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(jī)接口電路 本章小結(jié) 本章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件設(shè)計。首先給出了硬件總體設(shè)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(luò) 控制器 的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件分為 3層 ： 系統(tǒng)平臺層、協(xié)議層和應(yīng)用層。系統(tǒng)平臺層通過應(yīng)用程序 編程 接口 （ Application Programming Interface, API） 來給協(xié)議層提供服務(wù)。協(xié)議層實現(xiàn)物理層、鏈路層以及基于 Zigbee的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。應(yīng)用層通過 API來調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù) ,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的 管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。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(yīng)用程序等。 系統(tǒng)主程序設(shè)計 智能家居設(shè)計中主控制器，采用源代碼開放 、 可移植性強(qiáng)的 Linux操 作系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多種網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(yuǎn)程控制指令的處理和執(zhí)行等 。 圖 。 是 否 是報 警 信 號 ？開 機(jī)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(yīng) 處 理 程 序分 析 控 制 指 令向 相 應(yīng) 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 送 指 令發(fā) 送 信 息 至 來 電 用 戶NYYN 圖 智能家居主機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖 27 中斷和初始化程序設(shè)計 圖 所示為 MCU 中斷處理過程與初始化過程的流程圖 。 進(jìn) 入 中 斷 處 理 上 電軟 件 去 毛 刺進(jìn) 入 復(fù) 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(yīng) 的中 斷 處 理 程 序中 斷 處 理 結(jié) 束M C U 初 始 化 結(jié) 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(shè) 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(shè)計 信息處理過程是在傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jié) 束開 始傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 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(guān) 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) 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(yīng)該 設(shè)計 一個 上位機(jī)監(jiān)控軟件，用于對智能家居網(wǎng)絡(luò) 控制的主節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jié) 本章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計思想，首先總述系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)層次，然后分塊列出各功能部分的程序設(shè)計思想，并一一用流程圖示出。 29 結(jié) 論 現(xiàn)代無線通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)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(diǎn)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(shù)被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù)，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(yīng)運(yùn)而生，因此，基于 Zigbee技術(shù)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(yīng)用背景，主要研究智能家居 Zigbee 無線通信網(wǎng)絡(luò)，歸納起來，主要有以下幾項工作： 1．首先對智能家居領(lǐng)域進(jìn)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(shù)進(jìn)行分析，針對智能家居中主要存在的布線難，費(fèi)用高等問題，選擇 Zigbee 技術(shù)作為 智能家居系統(tǒng)中的通信技術(shù)，實現(xiàn)智能家居的數(shù)據(jù)傳輸； 2．研究 Zigbee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。 對 Zigbee 網(wǎng)絡(luò) 通信協(xié)議有了一定的了解。 3．分析研究 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，針對家居分布構(gòu)造等特點(diǎn)，采用簇狀網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的