【正文】 何將各種家電產(chǎn)品結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體， 并通過 相關(guān)設(shè)備對家中的電器或者其他設(shè)備進(jìn)行異地操控 與管理，并且 還要 能夠與外界進(jìn)行信息交流，更好地為人們提供 我們居住 環(huán)境 內(nèi)的各類信息 ]7[ 。 從而引發(fā)了一個(gè)極具 有 吸引力的市場：智能家居系統(tǒng) 。如今 ，美國有近 4萬戶家庭安裝了這類系統(tǒng)，在新加坡有近50個(gè)社區(qū)的近 8000 戶家庭采用了這種 智能化家居系統(tǒng)。 預(yù)計(jì)在今后的 幾 年內(nèi)，家庭自動化市場 的年平均增長率為 8%]9[ 。 目前．建設(shè)部已經(jīng) 批準(zhǔn) 9 個(gè)普及型網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，而北京市已經(jīng)計(jì)劃建設(shè) 30 個(gè)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)．總戶數(shù)將達(dá) 3 萬戶，按第一章 緒論 4 照建設(shè)部的 初步計(jì)劃 ，到 2021年，大中城市中 60％的住宅要實(shí)現(xiàn) 家居 智能化 。 就像 以往類似的產(chǎn)品 (如 彩電、 VCD 及 DVD)在我國的發(fā)展過程一樣 ]10[ 。 直 到20212021 年有相當(dāng)一部分 中高檔 的住宅小區(qū)和私人住宅，在控制和管理上實(shí)現(xiàn)一般意義上的智能化，寬帶網(wǎng)將進(jìn)入一般居民的住宅和小區(qū)，為智能家庭網(wǎng)絡(luò)功能的完善 提供 一定的條件 ]11[ 。我國關(guān)于智能家庭 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各種標(biāo)準(zhǔn) 也 將陸續(xù)出臺，各種具有一定智能的終端產(chǎn)品 ，例如 智能家電 或者其他 設(shè)備 ，也 將根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)研發(fā)出來，并逐步進(jìn)入市場。 到 20212021 年，是智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在中國予以推廣應(yīng)用的兩年，我國自行研制的系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，并有能力與國外的系統(tǒng)和產(chǎn)品相抗衡 。 國內(nèi)對于 ZigBee 技術(shù) 和智能家居系統(tǒng) 的研究主要集中在高校和研究院所，如中科院計(jì)算所的寧波分所就在專門從事 這方面 技術(shù)的研究。隨著我國對無線技術(shù)研究的深入， 我相信 將會有更多的國產(chǎn) ZigBee產(chǎn)品投入市場 ]12[ 。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 幾種常用的短距離無線通信技術(shù) 幾 種常見的短距離無線通信技術(shù) ]14[ ： 藍(lán)牙技術(shù) 、 超寬帶（ UWB： UltraWide Band）無線技術(shù) 、 WiFi(IEEE Wireless Fidelity) 、 IrDA（ Infrared）紅外技術(shù)、 ZigBee（ IEEE ） 等技術(shù)。 它 是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)。 利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化與因特網(wǎng)之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效 。該技術(shù)覆蓋的頻譜范圍為 ～ ，頻譜范圍很寬，但是發(fā)射功率非常低，低于－ 41dbm。而傳統(tǒng)的窄帶技術(shù)在長距離、低速傳輸具有優(yōu)勢。 WiFi： 使用 IEEE 或 無線電技術(shù)提供安全、可靠、快速的無線連通的技術(shù)。 WiFi 網(wǎng)絡(luò)在無執(zhí)照的 和 5千兆 Hz的無線電頻帶經(jīng)營，數(shù)據(jù)速率可達(dá) 11Mbps()～ 54Mbps（ ），或包含以上兩條頻帶的產(chǎn)品（雙重頻帶）。提供個(gè)人及公司內(nèi)部人員使用局域網(wǎng)，用戶不再使用 Cable 上網(wǎng)?，F(xiàn)在 WiFi 產(chǎn)品利用WED（ Wired Equivalent Privacy）技術(shù)對資料進(jìn)行加密，以防止被竊取或者篡改。紅外通訊一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線、波長 m 和 25μ m 之間。所以更適合應(yīng)用在需要短距離無線點(diǎn)對點(diǎn)場合。 ZigBee 技術(shù)： ZigBee 技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)， ZigBee 技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、 MAC 層和鏈路層采用了 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展，其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會聚層和高層應(yīng)用規(guī)范（ API）由 ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行了制定， ZigBee 無線技術(shù)在應(yīng)用時(shí)使用底層的 IEEE 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，上層網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和高層應(yīng)用層使用的是 ZigBee 協(xié)議。 ZigBee 協(xié)議依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)， 在數(shù)千個(gè)微小的 ZigBee 設(shè)備間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。 IEEE 規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、數(shù)據(jù)低速率（ 250kbps）、工作在 （全球，中國只能用這個(gè)）、 868 MHz（歐洲）和 915MHz（北美）的無線技術(shù)，它是 ZigBee 應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。 表 11從系統(tǒng)開銷、電池壽命、網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和物理范圍等幾個(gè)方面對上述幾種短距離的無線通信方式進(jìn)行了綜合性的比較 ]15[ 。 Zigbee 主要優(yōu)點(diǎn)如下 ]16[ ： 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （ 1）可靠：采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的沖突和競爭。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為 30ms，休眠時(shí)延典型值為 15ms，活動設(shè)備信道接入時(shí)延值為 15ms； （ 6）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè) zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以最多容納 254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)最多存在 100 個(gè) zigbee 網(wǎng)絡(luò)。 本文工作 本文從分析 和 ZigBee 協(xié)議入手，了解通信系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的一般開發(fā)原則，選擇合適的軟硬件平臺。 第二章 總體設(shè)計(jì) 8 第二章 總體設(shè)計(jì) 在對 幾種短距離無線技術(shù)介紹后 以后， 我們選擇了適當(dāng)?shù)男酒?，接下來將要具體設(shè)計(jì)其硬件連接電路 。 嵌入式系統(tǒng)的概念 一般認(rèn)為， 嵌入式系統(tǒng)是相對于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的， IEEE 對嵌入式系統(tǒng) 也有了相應(yīng)的 定義 ： “用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備 的裝置”（ Devices used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plants）。 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程 由于嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行 在 特定的目標(biāo)環(huán)境 中 ， 而且 該目標(biāo)環(huán)境又面向特定的應(yīng)用領(lǐng)域，功能 也 比較專一， 所以就 需要軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) 。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)一個(gè) 基于 zigbee 的智能家居網(wǎng)絡(luò) （ 一個(gè) 星型網(wǎng)絡(luò) ） ，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端 節(jié)點(diǎn) 設(shè)備構(gòu)成。由于本方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)，因此并沒有著重考慮設(shè)備的功耗和成本，因此在硬件平臺選型時(shí)，可能并非是成本最低的方案， 而是為了軟件調(diào)試的方便，選擇了功能相對較強(qiáng)的處理器。由于本設(shè)計(jì)需要，只設(shè)計(jì)一個(gè)終端模塊。選擇一個(gè)功能和成本都比較合適的硬件，是進(jìn)行具體開發(fā)的第一步。 Freescale 公司是 Zigbee 聯(lián)盟的重要成員和 Zigbee 技術(shù)的市場推廣者，為 Zigbee 提供“一站式 ” 的解決方案，包括完全符合 規(guī)范的射頻芯片MC13192/3，以及針對該市場推出的超低功耗控制器系列，包括 8 位的 MC9S08GX 系列。 由于 zigbee 具有廣闊的應(yīng)用前景，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商紛紛推出了支持 標(biāo) 準(zhǔn) 的 無 線 收 發(fā) 芯 片 ]18[ ， 比 較 典 型 的 有 飛 思 卡 爾 公 司 的MC13191/13192/13211/13222/13223/13224， ChipCon公司的 CC2420,CC2430， Atmel 公司的 AT86RF210/230 等，這些芯片集成了 zigbee 物理層的功能，并且所需外圍元件少，所以使用起來比較方便。下面介紹 MCU 和射頻模塊。其主要特性如下： （ 1） CPU： HCS08 核，最高總線頻率可達(dá) 40MHz；增加了 16位指令，能靈活方便地訪問 16 位 HX寄存器。 （ 2）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊： 8/10 位的采樣精度； 2MHz 的采樣頻率，可滿足一般傳感器輸入輸出 要求。 （ 4）背景調(diào)試模塊：能利用單線對 HCS08 核的系列 MCU 進(jìn)行方便地寫入和調(diào)試，加快開發(fā)的速度并大大降低了調(diào)試的難度。 MC13192 簡介 ]20[ MC13192 是飛思卡爾公司推出的一種短距離、低功耗，工作 于 頻段的無線 射頻調(diào)制解調(diào)器 。 配上一款合適的 MCU 可提一種性價(jià)比極高的短距離數(shù)據(jù)傳輸解決方案。 SPI 用于MC13192 和 MCU 進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)通信， MCU 對 MC13192 的配置和控制命令也通過 SPI進(jìn)行。 MC13192 的基本性能如下： （ 1） 16 個(gè)通信信道 （ 2）輸出功率：額定輸出為 0dB，也可以通過編程提高到最大輸出 4 dB。 節(jié)點(diǎn)具體設(shè)計(jì) Zigbee 平臺的控制電路硬件設(shè)計(jì)邏輯比較簡單，但是 射頻電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，尤其是想達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)的性能時(shí)，需要豐富的射頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 本設(shè)計(jì) 采用的 MCU 是 MC9S08GT60，射頻芯片是 MC13192，外圍設(shè)備是 2個(gè)串口。 M C 1 3 1 9 2 天 線 控 制 S P I T 6 0 圖 21 硬件示意圖 CPU支撐電路 MC9S08GT60 的支撐電路包括晶振和復(fù)位電路。復(fù)位電路比較簡單， 只 需 要 把 RESET 管腳用一個(gè) 10KΩ 的電阻上拉到 Vcc 就可以了。電路比較簡單，輸入電源的電壓寬度為 4～ 6V，通過一個(gè) 的直流線性穩(wěn)壓器 ，然后輔助 1個(gè) 10uF 電解電容和 1 個(gè) 的磁片電容濾去雜波就可以 。 串口通信電路 因?yàn)?MC9SO8GT60 支持 了 2個(gè)串口，每個(gè)串口需要 2 根線： TX 和 RX，分別進(jìn)行 發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 。 M A X 3 2 3 2G T 6 0T X D 1R X D 1T X D 2R X D 2T 1 I NR 1 O U TT 2 I NR 2 O U TU A R T 1U A R T 2 圖 23 串口電路連接圖 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 GT60 與 MC13192 接口電路 MC9S08GT6O 通過 4 線 SPI 接口對 MC13192 的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成 MC13192 的控制和數(shù)據(jù)通信 ]22[ 。 SPI 通信時(shí)， MC13192 只能作為從機(jī)，因此對于 MCU 而言， MOSI 線是發(fā)送數(shù)據(jù)線而 MISO 線是接收數(shù)據(jù)線， SPI 的同步時(shí)鐘由 GT60 在SPSCK管腳上給出，連接到 MC13192 的 SPICLK 上。 MC13192上產(chǎn)生的所有中斷事件， 都 通過芯片上的 IRQ 管腳連接到 GT60 的 IRQ 管腳上，當(dāng) GT60接收到來自 MC13192 的外部中斷時(shí)，此時(shí)需 要查詢其中斷標(biāo)志寄 存器，來判斷產(chǎn)生中斷事件，并做出相應(yīng)的處理。 當(dāng)射頻芯片工作異常的時(shí)候， MCU 也可以通過 RST管腳來 使 復(fù)位射頻芯片。圖 24 為線路連接的邏輯示意圖。在 SPI 發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)期間，該引腳保持高電平，傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束，將該引腳切換為低電平。每次數(shù)據(jù)傳輸最少使用三次 SPICLK 的脈沖組，或者更多。在 SPICLK 信號的上升沿，數(shù)據(jù)輸入主機(jī)或者輸入從機(jī)，在 SPICLK 信號的下降沿，改變數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。 射頻電路 射頻電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)最復(fù)雜、最耗時(shí)的部分。 在此電路中，射頻芯片 MC13192 上有兩組引腳，分別是接收引腳 1（ RFIN）和引腳2（ RFIN+） 。 VBATT和 VDDINT 是電源輸入引腳， MC13192 的正常工作電壓為 ， 若 在 在 PCB 上 則 必須接一個(gè) 的 電容，起穩(wěn)壓作用 。 VDD 為經(jīng)過內(nèi)部整流的數(shù)字電壓，旁接一個(gè) 200pF 的濾波電容。 XTAL1 和 XTAL2 外接 16MHz的專用于 射頻電路的晶振，其旁路電容為 10pF。在這三個(gè)里面， 外接直立天線的性能 說 最好 的 ，但 是 體積過大，只能用于對體積無要求的場合；片式天線采用集成電路來實(shí)現(xiàn)， 其 性能一般，而且很難根據(jù)實(shí)際 來調(diào)整本身的 性能；相比較而言， PCB 天線具有體積優(yōu)勢，有利就有弊，一般而言，它 對設(shè)計(jì)和 PCB 布線要求說比較 高 的 ，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺上應(yīng)用 尤為較多 。 RFIN和 RFIN+為接收通道， 2個(gè) 18pF 的電容 的作用是為了 過濾掉高頻干擾信號，而 的電容 則 是為了 防止共扼干擾。 第二章 總體設(shè)計(jì) 16 R F I N R F I N +P A O P A O +1 8 p F1 8 p F0 . 5 p F2 2 0 p FV D D A2 2 0 p F 圖 26 天線邏輯電路 本章小結(jié) 本章在系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，主要討論智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分。具體介紹了他們的硬件連接電路 以及 MC13192 射頻模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。為了節(jié)能，節(jié)點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有中斷請求的時(shí)候，才被激活。兩個(gè)著重要考慮的因素一個(gè)是效率，另一個(gè)是設(shè)計(jì)的清晰性。 開發(fā)環(huán)境 開發(fā)平臺提供給用戶的開發(fā)環(huán)境是一套 CodeWarrior 軟件 ]25[ ，它可以為飛思卡爾HCS08 系列單片機(jī)提供高效率、更便捷的開發(fā)環(huán)境。 圖 31是 codewarrior 的工作界面，由于 codewarrior 只是作為軟件開發(fā)工具使用，因 此 本文 不 對其 具體 的 應(yīng)用 描 述。第三章 軟件的設(shè)計(jì) 18 圖 31 Codewarrior工作界面 硬件驅(qū)動程序設(shè)計(jì) 硬件驅(qū)動程序位于系統(tǒng)層， 其他程序?qū)τ布氖褂枚际峭ㄟ^對硬件驅(qū)動程序的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 表 31 硬件驅(qū)動 文件名 描述