【正文】 作，同時(shí)定義了一些必須的函數(shù),并且為應(yīng)用層提供適合的服務(wù)接口。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP),網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)得以提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體則是利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作,并且網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)(NLB)的維護(hù)和管理是網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成的。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供的服務(wù)如下三項(xiàng)： ,網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個(gè)合適的接受設(shè)備,此設(shè)備可能是一個(gè)在通信鏈路中的中間通信設(shè)備,也可能是最終的目的通信設(shè)備。(2)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME) 絡(luò)層管理實(shí)體允許應(yīng)用與堆棧相互作用,并且提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。配置選項(xiàng)包括對(duì)連接一個(gè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器的初始化的操作； :使設(shè)備有能力建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)； 。(APP) 應(yīng)用層主要由用戶根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行自我開發(fā),用以維持節(jié)點(diǎn)的各種功能,發(fā)現(xiàn)此節(jié)點(diǎn)工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的工作,再根據(jù)服務(wù)的需求為各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)提供通信服務(wù)。(1)應(yīng)用支持子層 APS層提供了這樣的接口:在NWK層和APL層間,從設(shè)備對(duì)象到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。 (APSMESAP)； (APSDESAP)。APSDE則提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用實(shí)體間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的服務(wù)。其最多可以定義240個(gè)較為獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο?任意一個(gè)對(duì)象的端點(diǎn)編號(hào)都是從1到240。而另外一端的端點(diǎn)號(hào)255則專門應(yīng)用于所有應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口。(3)ZigBee設(shè)備對(duì)象 ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO),描述了一個(gè)基本的功能函數(shù),這個(gè)函數(shù)為在應(yīng)用對(duì)象、設(shè)備profile和APS之間提供了一個(gè)接口。ZDO還有以下作用：l 初始化安全服務(wù)規(guī)范(SSS),應(yīng)用支持子層(APS)和網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。 ZDO描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用對(duì)象的公用接口用以控制設(shè)備。ZDO公用接口則在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定、以及安全等各種功能的地址管理服務(wù)。本章小結(jié)本章對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了主要討論。特別對(duì)最后在程序設(shè)計(jì)時(shí)起很大的作用。 在基于ZigBee技術(shù)的家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集終端包括溫度傳感器,濕度傳感器和煙霧傳感器等。濕度傳感器類似。如果溫度值超過(guò)指定范圍長(zhǎng)達(dá)某個(gè)設(shè)定時(shí)間長(zhǎng)度,報(bào)警。實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端構(gòu)成。MCU和無(wú)線收發(fā)芯片組成。其功能相當(dāng)于一個(gè)接入點(diǎn),一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號(hào)以無(wú)線的方式發(fā)射出去,另一方面接受采集數(shù)據(jù)并上傳給PC 機(jī)。系統(tǒng)的軟件由C 語(yǔ)言編寫,主要包括數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端的程序。初始化程序主要是對(duì)單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)芯片、SPI等進(jìn)行處理。接受程序完成數(shù)據(jù)的接受并進(jìn)行處理。其中,傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線技術(shù)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的交換。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示圖31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由圖31可知,本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是環(huán)境信息的采集與發(fā)送,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)處理和對(duì)PC端的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí),可用增加傳感器節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，相反區(qū)域較小時(shí)可以根據(jù)情況減少路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置以節(jié)省系統(tǒng)資源,降低成本。該節(jié)點(diǎn)既可通過(guò)用戶對(duì)其設(shè)置的周期長(zhǎng)短自動(dòng)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集,也可以在用戶的指令下采集數(shù)據(jù)。下面對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行如下介紹如表332： （1）溫度 人體對(duì)溫度的變化甚為敏感,在環(huán)境溫度高于35攝氏度后,每增加一度對(duì)人體的負(fù)面影響都是幾何級(jí)的增加,故此系統(tǒng)中最重要亦是最基本的就是環(huán)境中溫度的采集。家庭中的每個(gè)房間可以多放幾個(gè)這樣的類似節(jié)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)房間進(jìn)行多點(diǎn)的溫度信息采集,以提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。 %RH互換性完全可互換非線性度原始數(shù)據(jù)177。 1%RH長(zhǎng)期穩(wěn)定性典型值%RH/yr溫度分辨率℃121414bit重復(fù)性177。 范圍40123℃40254響應(yīng)時(shí)間1/e（63%）530S （2）濕度 人類對(duì)濕度雖然不是特別敏感,但其時(shí)時(shí)刻刻亦影響著人們的健康,尤其是老年與兒童。而在本系統(tǒng)中,通過(guò)濕度傳感器對(duì)濕度信息的采集,再經(jīng)由PC的處理后,對(duì)加濕器進(jìn)行控制,即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。目前人們經(jīng)常是通過(guò)普通的加濕器來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度,此類加濕器一般只是手動(dòng)操作,這樣就存在著人為的主觀不確定性,最終也有可能不利于環(huán)境之改善。 （3）一氧化碳?xì)怏w 燃?xì)獾闹饕煞志褪且谎趸籍?dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時(shí),空氣中一氧化碳濃度達(dá)到一定時(shí),就會(huì)對(duì)家庭人員生命帶來(lái)威脅。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到一氧化碳?xì)怏w濃度大于用戶設(shè)定是初值時(shí),PC會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到報(bào)警裝置或者是家庭成員的手機(jī)或直接報(bào)警,PC在啟動(dòng)報(bào)警。 15nA/ppm分辨率1ppm溫度范圍：20℃50℃濕度范圍：1590%RH（非凝結(jié)）響應(yīng)時(shí)間(T90)25s壓力范圍大氣壓177。光敏傳感器可以將感知的光線強(qiáng)度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C,經(jīng)過(guò)處理和判斷光線強(qiáng)度,來(lái)控制窗簾的開關(guān)或燈的開關(guān)。 當(dāng)然,本系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的不同需求來(lái)增加不同的傳感器監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,均可以實(shí)現(xiàn)。分別從軟硬件兩個(gè)方面來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。如,未發(fā)生一氧化碳泄露即報(bào)警等。 軟件要求 軟件方面要求程序模塊化設(shè)計(jì),可以使系統(tǒng)升級(jí)方便以備增加節(jié)點(diǎn)時(shí)修改其中一個(gè)模塊而其他地方無(wú)需改動(dòng)。本章小結(jié)本章主要對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、各組成部分功能進(jìn)行了闡述。最后，本章對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)分別提出了設(shè)計(jì)原則,為下一步更好的實(shí)施各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。在ZigBee技術(shù)聯(lián)盟中,Ti, Chipcon, FreeScale, Philips 等公司都是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制訂的先驅(qū)。另外,還有Jennic[20]和Helim[21]等公司開發(fā)的符合ZigBee規(guī)范的芯片和模塊。同時(shí)Chipcon公司還推出了一款專門針對(duì)ZigBee技術(shù)的SoC芯片CC2430,它包含一個(gè)51內(nèi)核單片機(jī)與CC2420射頻芯片。另外,TI公司還提供免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧zstack以及配套的開發(fā)工具，方便用戶在短期內(nèi)開發(fā)適合于ZigBee的應(yīng)用方案。MCl3192只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定、功耗極低,MCl3192的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE ,可確保短距離通信的有效性和可靠性。 (3)美國(guó)赫立訊Helim公司的ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊IPLinkl270, IP1inkl270是集成了射頻收發(fā)器,微控制器,數(shù)字和模擬I/O,多點(diǎn)多拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)層功能于一體的半雙工無(wú)線通訊系列模塊。以上的硬件平臺(tái)都適用于ZigBee應(yīng)用的開發(fā)。CC2430芯片的性能如下：l 較寬的電壓范圍()；l 高性能和低功耗的51微控制器核；l ，；l 在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于27mA和25mA；l 集成符合IEEE ；l 優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；l 數(shù)字化的RSSFLQl支持和強(qiáng)大的DMA功能；l 外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；l 具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能：l 集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；l 集成AES安全協(xié)處理器；l 帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,以及1個(gè)符合IEEE ,1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器；l 強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。因此,本章將分別針對(duì)這三類節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。在本系統(tǒng)中,它還需要對(duì)接受的數(shù)據(jù)的進(jìn)行處理,以及通過(guò)RS232串口與PC機(jī)連接通信,射頻天線單元用來(lái)接收和發(fā)送電磁波信號(hào),LCD顯示模塊用來(lái)顯示網(wǎng)絡(luò)狀況、顯示接收到的數(shù)據(jù)與指令信息,同時(shí)可配合按鍵模塊,進(jìn)行菜單界面的顯示。,本設(shè)計(jì)采用MAX687電壓轉(zhuǎn)換芯片為核心,實(shí)現(xiàn)5V,。,MAX687能自動(dòng)切斷輸出電壓。～11V,采用PNP三極管FZT749進(jìn)行擴(kuò)流輸出,可使的輸出電流最高可達(dá)到1A,可以充分滿足控制中心節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊的供電需求。圖42電路原理圖圖43電壓轉(zhuǎn)換電路（2）時(shí)鐘部分設(shè)計(jì) CC2430芯片的時(shí)鐘部分則由兩個(gè)不同頻率部分組成，分別為：32MHz的頻率提供給系統(tǒng)進(jìn)行正常的工作的時(shí)鐘頻率，其分別連接到CC2430的P19和P21口。電路連接原理圖如圖44。天線的電路原理圖如圖45所示。L32L33L34C341共同應(yīng)用于阻抗的匹配,2/4傳輸線用于差分射頻信號(hào)相位同步。 一般來(lái)說(shuō),在這類頻段可選擇的天線有許多種,比如PCB天線、Chip天線和Whip天線。故本文對(duì)Whip天線[]做出如下圖46所示的設(shè)計(jì)。表41 天線參數(shù)表參數(shù)長(zhǎng)度參數(shù)長(zhǎng)度a18 milsi57 milsb11 milsj20 milsc22 milsk38 milsd31 milsl366 milse40 milsm47 milsf156 milsn247 milsg34 milso138 milsh50 milsw10 milsx80 mils（4）串口通信單元設(shè)計(jì)本文串口單元采用RS232的9針D型連接器,在最簡(jiǎn)單的串行通信中只需要三根通信線連接即可實(shí)現(xiàn)通信:TXD(Transmitted Data)串行數(shù)據(jù)發(fā)送、RXD (Received Data)串行數(shù)據(jù)接收以及GND(Ground)信號(hào)地線。本設(shè)計(jì)電路原理圖47所示,采用新型電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232。該模塊可用于顯示字母、數(shù)字、字符等。表42其引腳接口功能和接口電路引腳名稱說(shuō)明1VSS電源負(fù)端（0V）2VDD電源正端(+)3V0CD驅(qū)動(dòng)電壓(可調(diào)，一般為0V)4RSRS=0：當(dāng)MPU進(jìn)行讀模塊操作，指向地址計(jì)數(shù)器。5R/WR/W=0寫操作；R/WI讀操作6E讀操作時(shí)，信號(hào)下降沿有效；寫操作時(shí)，高電平有效714DB0DB7MPU與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道,4位總線模式下D0D3腳斷開15LEDA背光電源正端(+)16LEDK背光電源負(fù)端(0V) 本設(shè)計(jì)中,LCD的I/O口與CC2430芯片的連接如下圖49所示。由于CC2430的FO口已分配殆盡,本文的按鍵部分采用CC2430的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個(gè)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)按鍵的設(shè)計(jì)。CC2430共有8個(gè)ADC通道,分別復(fù)用到P0端口的8個(gè)引腳上。該部分的電路原理圖如圖410所示。由圖可知:輸出電壓可近似表示為（）； （） 其中,R,為按鍵支路電阻。從而使得輸出電壓不同。 路由器節(jié)點(diǎn)的功能從硬件的角度上看,主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理與數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)。該節(jié)點(diǎn)在使用時(shí),可以自由靈活放置,能量主要靠使用電池供電。時(shí)鐘LED顯示模塊CC2430射頻天線單元電源圖411 路由器節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖 ,直接為CC2430提供3V的工作電壓。LED顯示模塊由3個(gè)不同顏色的LED發(fā)光二極管組成,分別用來(lái)表示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。黃色表示該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),當(dāng)黃色燈閃爍時(shí),表示節(jié)點(diǎn)不在網(wǎng)絡(luò)中,黃燈熄滅時(shí),表示節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)。LED顯示模塊的電路原理圖如下圖412所示。因此傳感器節(jié)點(diǎn)硬件主要由電源模塊、時(shí)鐘模塊、電源管理模塊、CC24射頻天線單元、LED顯示模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、傳感器模塊組成。傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模塊、射頻天線單元、LED顯示模塊的硬件功能與路由器節(jié)點(diǎn)一致。電源管理單元為傳感器模塊和信號(hào)調(diào)理模塊提供工作電壓,同時(shí)為了降低節(jié)點(diǎn)的能耗,該單元還實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作電壓開關(guān)的控制,保證系統(tǒng)在不采集數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)采集部分的功耗為零。LED顯示模塊CC2430射頻天線單元電源管理模塊電源信號(hào)調(diào)理模塊傳感器模塊時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集部分圖413 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖（1）電源及電源管理單元設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)由多個(gè)功能模塊組成，這些模塊的工作電壓各不相同。為此,該部分的設(shè)計(jì)應(yīng)該提供多個(gè)不同級(jí)別的工作電壓。該部分的設(shè)計(jì)如下圖414所示：圖414 傳感器節(jié)點(diǎn)電源模塊 電源模塊l由兩個(gè)3V的紐扣電池串聯(lián)提供6V的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)過(guò)MAX687變換之后。電源模塊2由一節(jié)9V的電池提供基準(zhǔn)電壓,經(jīng)過(guò)MAX732完成電壓轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生12V的工作電壓。MAX732的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖415所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有采集數(shù)據(jù)時(shí),電源管理模塊在控制器的作用下,關(guān)斷數(shù)據(jù)采集部分的電源,從而降低系統(tǒng)的能量消耗,保障節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)期連續(xù)工作。（2）數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì) 物理信號(hào)的采集需要先經(jīng)過(guò)傳感器模塊信號(hào)轉(zhuǎn)換,將物理信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào),然后再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理部分的去噪、濾波、放大、量化后才能被微控制器精確處理。根據(jù)傳感器輸出的信號(hào)類型,傳感器可以分為:開關(guān)信號(hào)輸出型,模擬信號(hào)(電壓、電流)輸出型,數(shù)字輸出型。 模擬型輸出信號(hào)包括模擬電流和模擬電壓,模擬電流首先經(jīng)過(guò)電湔電壓變換到模擬電壓后,再將模擬電壓經(jīng)過(guò)A/D變換數(shù)字化后被微處理器進(jìn)行處理。本文主要實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)對(duì)象為:溫濕度,亮度,一氧化碳?xì)怏w,火災(zāi),非法入侵。根據(jù)傳感器的類型,本文針對(duì)以上三種類型的傳感器設(shè)計(jì)了應(yīng)用電路,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。其中, SCK(串行時(shí)鐘輸入)用于微控制器與SHTll之間的通信同步。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài),并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。為避免信號(hào)沖突,微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。微控制器通過(guò)對(duì)SHTll發(fā)送命令,實(shí)現(xiàn)對(duì)SHTll的操作。表43 SHTll命令集命令編碼說(shuō)明測(cè)