【正文】 外圍電路 如圖 44 所示 。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。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求 電壓的引腳和內(nèi)部電源供電， C23 和 C28 電容是去耦合電容，用來(lái)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。用 1 個(gè) 32 MHz的石英諧振器（ XTAL1）和 2 個(gè)電容構(gòu)成一個(gè) 32 MHz的晶振電路。內(nèi)部 T/R 交換電路完成 LNA 和PA 之間的交換。 電路使用一個(gè)非平衡天線連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路圖如圖 43 所示： C12 2 p FC22 2 p FY1X O S C _ Q 1 X O S C _ Q 2 圖 43 單片機(jī)晶振電路 Monolithic Integrated Circuits Crystals its Circuit ZigBee無(wú)線傳輸電路 此部分電路基于 CC2430 單芯片 ZigBeeSoC，集成 8051 內(nèi)核，是 CC2430 的模塊電路， 滿足不同應(yīng)用需求。 單片機(jī)晶振電路 作為單片機(jī)的時(shí)鐘基準(zhǔn)， XTAL1 與 XTAL2 分別用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，選用外部石英晶振，晶振頻率為 。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候 10K 電阻兩端的電壓為 ，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開(kāi)始釋放之前充的電量。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的演示才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防止電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 20 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 復(fù)位操作有手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位兩種。首先從整體系統(tǒng)處理信息的能力和成本考慮，選取低成本的單片機(jī)作為主處理器，同時(shí)將功能模塊化，構(gòu)建了硬件的實(shí)現(xiàn)方案。 本章小結(jié) 在這一章里，根據(jù)智能家居系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容，完成了智能家居系統(tǒng)的總體方案的設(shè) 計(jì)。 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。模塊的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 32 所示： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 G P R S 模 塊T C 3 5 i主 控 中 心A T 8 9 S 5 2Z b i g e e 模 塊C C 2 4 3 0Z i g B e e 模 塊C C 2 4 3 0分 控 中 心A T 8 9 S 5 2繼 電 器 控制 家 電R X DT X DR X DT X D圖 32 模塊結(jié)構(gòu)框架圖 Block Frame CC2430 使用 1 個(gè) 8 位 MCU(8051)，具有 128KB 可編程閃存和 SKB 的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、幾個(gè)定時(shí)器、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、 32kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。 ZigBee 模塊的型號(hào)是 CC2430，該芯片是 Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合 ZigBee 技術(shù)的 射頻系統(tǒng)單芯片。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上 ，它采用插槽代替排線，這樣就可以將其懸空放置，不占用 PCB 面積，它的下面可以放置 SIM 卡槽和其他芯片和電路。并且與主處理器相連的 ZigBee 芯片 CC2430 內(nèi)部也集成了 MCU，可以起到輔助處理的作用，而且每塊 ZigBee 節(jié)點(diǎn)都有一個(gè) MCU，所以主處理器只要起協(xié)調(diào)作用和處理簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)量信息功能，從而可以完全滿足我們的設(shè)計(jì)需要。 主處理 器的選取 智能家居的系統(tǒng)的主要目的是為實(shí)現(xiàn)對(duì)家中電器的開(kāi)關(guān)控制及家庭安防的報(bào)警功能。 本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)是基于 AT89S52 芯片作為總控制器開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)存被保存，振蕩器被凍結(jié)。另外， AT89S52 可降至 0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇。在單芯片上，擁有 8 位 CPU和在系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 是一種低功詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 18 耗、高性能 COMS8 位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器。 系統(tǒng)控制器技術(shù) 當(dāng)用戶發(fā)送短信息時(shí)，信號(hào)通過(guò) GPRS 模塊接收并解析，傳送到了家庭總控制器中進(jìn)行命令解析和響應(yīng)。 AT 命令包括一般命令，呼叫控制命令，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)命令，安全性命令，電話本命令，短消息 (SMS)命令，補(bǔ)充業(yè)務(wù)命令，數(shù)據(jù)命令，傳真命令和串口命令。 AT 命令即 Attention， AT 命令集是由諾基亞、愛(ài)立信、摩托羅拉和 HP 等廠家共同為 GSM 系統(tǒng)研制的 DTEDCE 接口標(biāo)準(zhǔn)，是從終端設(shè)備 TE(Terminal Equipment)或數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE(Data Terminal Equipment)向終端適配器TA(Terminal Adapter)或數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備 DCE(Data Circuit Terminating Equipment)發(fā)送的。它有固定的參數(shù)： 8 位數(shù)據(jù)位和 1 位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在 300bps~115kbps 之 間可選，硬件握手信號(hào)用 RTS0/CTS0，軟件流量控制用 XON/XOFF， CMOS 電平，支持標(biāo)遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 準(zhǔn)的 AT 命令集。 短消息收發(fā)規(guī)范 規(guī)定了短消息命令，表 31 中列出了與 SMS相關(guān)的主要命令。當(dāng)系統(tǒng)的監(jiān)控傳感器發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況，立即觸發(fā) MCU 的外部中斷，然后 MCU 將向 TC35i 發(fā)送 AT 指令，從而控制 TC35i 向指定的移動(dòng)用戶發(fā)送預(yù)先存儲(chǔ)在 SIM 卡中的報(bào)警短信。 系統(tǒng)的工作原理是：將系統(tǒng)分成監(jiān)測(cè)和控制兩大類。這 40 個(gè)引腳可以劃分為 5 類，即電源、數(shù)據(jù)輸入 /輸出、 SIM 卡、音頻接口和控制。它由供電模塊 (ASIC)、閃存、 ZIF(零插拔力 )連接器、天線接口等 6 部分組成。 TC35i 的數(shù)據(jù)接口通過(guò) AT 命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為 300b/s~115kb/s。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們選用了 TC35i 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 GPRS 技術(shù) 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 16 智能家居的控制系統(tǒng)與用戶手機(jī)的通信是通過(guò) GPRS 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 從這些特點(diǎn)我們看出，此 ZigBee 射頻模塊組網(wǎng)可以滿足我們對(duì)信號(hào)傳輸?shù)囊蟆? ? 集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC，集成 AES 安全協(xié)處理器。 ? 數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持和強(qiáng)大的 DMA 功能。 ? 硬件支持 CSMA/CA 功能。 ? 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。 CC2430 芯片的 特點(diǎn)如下： ? 高性能和低功耗的 8051 微控制器核。 (8)免執(zhí)照頻段。 (7)高安全。 (6)高容量。 ZigBee 的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需 30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 (4)近距離。 (3)低速率。 (2)低成本。此射頻收發(fā)模塊的特點(diǎn)如下： (1)低功耗。傳感信號(hào)采集發(fā)送模塊的作用是通過(guò)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不斷確認(rèn)是否達(dá)到預(yù)訂的警報(bào)值，如果達(dá)到了預(yù)定值，就將警報(bào)信號(hào)發(fā)送給主控制器，主控制器通過(guò)分析判斷出該警報(bào)信號(hào)是從哪個(gè)家電終端發(fā)送的，在經(jīng)過(guò) GPRS 模塊發(fā)送給用戶手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭各個(gè)方面的防護(hù)?；趩纹瑱C(jī)的主控制器的作用是將接收到的命令做出響應(yīng)。 系統(tǒng)工作過(guò)程 智能家居的系統(tǒng)主要有 GPRS 模塊、基于單片機(jī)的主控制模塊、 ZigBee 無(wú)線傳輸模塊、家電端的控制模塊、和傳感信號(hào)采集發(fā)送模塊幾部分組成。 (3)火災(zāi)監(jiān)控 安裝在室內(nèi)的感溫探測(cè)器及感煙探測(cè)器將實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)房間內(nèi)有 無(wú)火災(zāi)的發(fā)生。 傳 感器熱 水 器開(kāi) 關(guān)燈 光開(kāi) 關(guān)用戶手機(jī)G P R S模 塊主 控 制模 塊Z i g b e e模 塊Z i g b e e模 塊家 電 控制 模 塊 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 Overall System Chart 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能： (1)防盜警報(bào) 當(dāng)家庭遭到非法入侵的時(shí)候，例如玻璃被打破、門窗被撬等，相應(yīng)傳感器將檢測(cè)到情況，立刻通過(guò)室內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò) ，將采集到的信號(hào)發(fā)送到家庭控制器，再經(jīng)過(guò)家庭控制器處理，最后將警報(bào)信息通過(guò) GPRS 模塊以短消息的方式發(fā)送到主人的手機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)了家庭的安防功能。用 GPRS 接入的好處是可以滿足部分 Inter 普及率不是很高的現(xiàn)狀，同時(shí)用手機(jī)對(duì)家庭進(jìn)行監(jiān)控彌補(bǔ)了通常智能家居控制器的操作距離短、地域限制等問(wèn)題。 這個(gè)系統(tǒng)采用 GPRS 技術(shù)和短消息的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸短消息，并且控制器將把短消息分析翻譯成為可以識(shí)別的命令編碼。因此我們應(yīng)設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)接口。不管是系統(tǒng)中的設(shè)備、軟件還是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都應(yīng)具有良好的開(kāi)放性。因此智能家居系統(tǒng)的硬件和軟件都應(yīng)具有先進(jìn)性，避免短期內(nèi)因技術(shù)陳舊造 成整個(gè)系統(tǒng)性能不高和過(guò)早淘汰。協(xié)議棧，應(yīng)用領(lǐng)域以及選用星型網(wǎng)絡(luò)作為智能家居的組網(wǎng)方式等。 第三種情況是一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給一個(gè)正在漫游的 移動(dòng)用戶，其方式和第二種情況類似，但不同的是其數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)歸屬地的 GGSN，然后送到移動(dòng)用戶。數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)單元 (如 PSPDN 中的 PDU)，通過(guò)建立好的路由把數(shù)據(jù)單元 PDU 送給 GGSN。為了提高傳輸效率并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，可以?duì)空中接口上的數(shù)據(jù)壓縮和加密處理。然后經(jīng)過(guò) LLC 層處理為 LLC 幀，通過(guò)空中接口送到 GSM 網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)臺(tái)所處的 SGSN。 GPRS 的路由管理表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：移動(dòng)臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)的路由建立、移動(dòng)臺(tái)接收數(shù)據(jù)的路由建立、以及移動(dòng)臺(tái)處于漫游時(shí)數(shù)據(jù)路由的建立。網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議目前主要是 Phase 1 階段提供的 TCP/IP 和 協(xié)議，這些協(xié)議對(duì)于傳統(tǒng)的 GSM 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 (如 BSS 和 NSS 等設(shè)備 )是透明的。 SNDC被稱為子網(wǎng)依賴結(jié)合層。它是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程 HDLC 的無(wú)線鏈路協(xié)議。 MAC 質(zhì)接入控制層。 Um 接口上的通信協(xié)議有 5 層，自下而上依次為物理層、MAC(Medium Access Control)層、 LLC 以 Logical Link Control),層、 SNDC(Sub work Dependant Convergence)層和網(wǎng)絡(luò)層。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)是在原有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)上，增加 SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) )以及 GGSN(網(wǎng)關(guān) GPRS支持節(jié)點(diǎn) )兩種數(shù)據(jù)交換結(jié)點(diǎn)設(shè)備，使得用戶在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時(shí)兼容電路型數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)。 GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (1)GPRS 網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu) GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有 GSM網(wǎng)絡(luò)中增加 GGSN(OPRS網(wǎng)關(guān)支持 節(jié)點(diǎn) 1和 SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) )來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù) [8]?；?ZigBee 技術(shù)個(gè)人身份卡能夠代替家居和辦公室的門禁卡。利用 ZigBee 技術(shù)可較容易實(shí)現(xiàn)相機(jī)或者攝像機(jī)的自拍、窗戶遠(yuǎn)距離開(kāi)關(guān)、室內(nèi)照明系統(tǒng)的遙控以及窗簾的自動(dòng)調(diào)整等功能。 NLDESAP NLMESAP MCPSSAP MLMESAP NLDE NWK PIB 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 ? 頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無(wú)法做到或者很困難。 ? 設(shè)備體積較小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊。通常，符合如下條件之一的應(yīng)用 ]7[ 。應(yīng)用于小范圍的基于無(wú)線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中。在本系統(tǒng)中附加了一層應(yīng)用層協(xié)議完成數(shù)據(jù)的通訊和控制的業(yè)務(wù)。如 ZigBee 協(xié)調(diào)器或末端設(shè)備、發(fā)起或回應(yīng)綁定請(qǐng)求、在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全機(jī)制 (如選擇公共密鑰、對(duì)稱密鑰等 )等。應(yīng)用支持子層 (APS)的另一作用是設(shè)備發(fā)現(xiàn)，它能 發(fā)現(xiàn)在工作范圍內(nèi)操作的其它設(shè)備。應(yīng)用層有應(yīng)用支持子層 (APS)， ZigBee設(shè)備對(duì)象 (ZDO)及廠商定義的應(yīng)用對(duì)象。 NLDESAP 是 NWK 層提供給 APL層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口， MCPSSAP 是由 MAC 層提供給 NWK 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口， MLMESAP 是 MAC 層提供給 NWK 層的管理服務(wù)接口。也就是說(shuō) NLDESAP 實(shí)現(xiàn)兩個(gè) APL 層之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 (NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體 (NLME)。 NWK 層是位于 MAC 層之上與 APL 層交互的一個(gè)協(xié)議層。而 MAC 子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層實(shí)現(xiàn)而變化。這就是 MAC 子層可靠傳輸?shù)幕具^(guò)程。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，而數(shù)據(jù)幀和 MAC 命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過(guò)了 CRC 校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確