(精品)基于ZIGBEE的無線網(wǎng)絡(luò)在智能家庭中的應(yīng)用(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計)

科技學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 I 頁科技學(xué)院2010屆本科畢業(yè)論文論文（設(shè)計）題目基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)在智能家庭中的應(yīng)用學(xué)科專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師： 學(xué)生學(xué)號： 學(xué)生姓名： 目錄目錄I摘要IVAbstractV第一章 緒論11.1研究背景11.2研究目的與意義11.3 國內(nèi)、外智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展21.4 智能家居系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)及設(shè)計中考慮的問題31.5 本課題的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排4第二章 智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計62.1 智能家庭系統(tǒng)方案框架62.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯?2.3 智能家居中家庭網(wǎng)關(guān)的各部分組成和功能82.3.1家庭網(wǎng)關(guān)的組成和功能92.3.2 ZigBee無線通訊子節(jié)點(diǎn)的功能10第三章 智能家居系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計113.1 家庭網(wǎng)關(guān)113.1.1 家庭外部網(wǎng)絡(luò)123.1.2 家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)123.2 無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)133.3智能家居的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇143.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計153.4.1 處理器及電源設(shè)計153.4.2 鐵電存儲器163.4.3磁保持繼電器183.4.4無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊193.4.5撥碼開關(guān)203.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計203.5.1 I2C總線仲裁的方式流程圖213.5.2 IP-Link1270的通信223.5.3串口中斷服務(wù)流程233.6 ZigBee控制器流程243.7數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程25第四章 總結(jié)與分析274.1 結(jié)論274.2 文章的改進(jìn)方向27參考文獻(xiàn)29附錄30附錄1：MSP430F1232的特性描述30附錄2：FM24CL16引腳定義31致謝32誠信承諾書33基于zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)在智能家庭中的應(yīng)用 摘要隨著智能建筑的迅速發(fā)展，家庭自動化系統(tǒng)在方便、高效、節(jié)能和安全等方面逐步完善，家庭網(wǎng)絡(luò)成為一種主流趨勢。在智能家居系統(tǒng)中，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費(fèi)用和精力，而且更因?yàn)樗霞彝ゾW(wǎng)絡(luò)的通訊特點(diǎn)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必將大大促進(jìn)家庭網(wǎng)絡(luò)智能化的進(jìn)程。一種基于ZigBee技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的組成、通訊協(xié)議以及無線節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的有線家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用ZigBee技術(shù)，使其具有成本低、功耗低、覆蓋范圍大的特點(diǎn)。特別是其符合IEEE802.15.4協(xié)議，利用系統(tǒng)與其它符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品的互聯(lián)，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。關(guān)鍵詞：ZigBee，智能家居，無線網(wǎng)絡(luò)，EM250，IEE802.15.4Zigbee wireless network in the application of intelligent family AbstractAbstract: With the rapid development of intelligent buildings, home automation systems convenient, efficient, energy saving and security progressively Wan Shan, home network becomes one kind of major trend. In the smart home system, wireless network technology used in home networking has become the irresistible trend. Not only because wireless networks can provide more flexibility, mobility, eliminating the cost spent on cabling and energy, but also because it is consistent with the communication features of the home network. With the further development of wireless network technology, intelligent home networks will greatly facilitate the process. Based on ZigBee technology, home networking wireless network. Focuses on the composition of the system, communication protocol and the wireless nodes hardware and software design. The system in the traditional wired home network system based on the use of ZigBee technology, it has a low cost, low power consumption, covering a large range of features. In particular its compliance IEEE802.15.4 protocol, using the system and other standard interconnect products, has good versatility and scalability.Keywords: ZigBee，Smart，Home，Wireless，Network，EM250，IEE802.15.4科技學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 36 頁第一章 緒論1.1研究背景近年來計算機(jī)、自動控制和通信技術(shù)的發(fā)展，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為社會創(chuàng)造了巨大的財富，相比之下帶給個人和家庭生活的好處卻十分有限，傳統(tǒng)的居家方式并沒有因信息時代的到來而產(chǎn)生多大變化。在這樣的背景下，智能家庭型的新型住宅從而引發(fā)了一個極具吸引力的研究熱點(diǎn)和未來市場。它起源于美國，我國于1998年提出了智能小區(qū)的這個概念，自此拉開了國內(nèi)小區(qū)智能化的序幕。在國外智能家居設(shè)備己經(jīng)獲得長足發(fā)展, 1984年自世界上第一幢智能建筑于年在美國康涅迪格州出現(xiàn)后，經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)先后提出了各種智能家居解決方案。目前，美國則有近萬戶家庭安裝了這類系統(tǒng)，在新加坡有近30社區(qū)的近5000戶家庭采用了這種家庭智能化系統(tǒng)。在國內(nèi)，智能家居盡管起步較晚，但大有風(fēng)行正健之勢。我國的智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展始于上個世紀(jì)九十年代末，隨著廣泛介紹和宣傳，智能家庭概念，居民已經(jīng)了解了智能家庭的概念，并感覺到我們在跨入新世紀(jì)的同時，自己的家居設(shè)備也將進(jìn)入智能化的新時代。我國將全面普及智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和產(chǎn)品，即開始走進(jìn)普通居民的家居設(shè)備中。在這個時期，整個市場將是以我國自行研究和開發(fā)的系統(tǒng)和產(chǎn)品為主。國外的產(chǎn)品將在高檔系統(tǒng)產(chǎn)品占有一席之地。其真正智能家庭網(wǎng)絡(luò)的大市場將在2010年以后逐步形成。1.2研究目的與意義智能家居系統(tǒng)是利用計算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各種家用設(shè)施如照明、安防等通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起，從而為人們提供更為便利舒適的生活。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)一般是通過有線線路進(jìn)行各種控制和通信，人們難以脫離各種線纜的羈絆，而且系統(tǒng)的可擴(kuò)展性也很差。現(xiàn)代近距離無線擴(kuò)展性通信技術(shù)的發(fā)展，使得人們能夠沖破這種束縛，營造更舒適的家居生活。智能家居控制系統(tǒng)可以歸納成是一個各種家庭設(shè)備互連和控制網(wǎng)絡(luò)，互連是滿足人們的數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)，控制是家居自動、智能化的根本。而傳統(tǒng)智能家居控制系統(tǒng)有許多不足，偏高的售價卻造成難以普及，至于目前Lonwbrks主要市場還是在工業(yè)和商業(yè)界，而且通常需要專業(yè)人員協(xié)助裝設(shè)。在家居設(shè)備智能化系統(tǒng)中需要考慮以下特點(diǎn):低成本，跨平臺，自組織，可擴(kuò)展性，嵌入式應(yīng)用。ZigBee技術(shù)是近年來提出的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。ZigBee是IEEE802.15.4技術(shù)的商業(yè)名稱，該技術(shù)的核心由2000年12月成立的IEEE802.巧.4工作組制定，高層應(yīng)用、互聯(lián)互通測試和市場推廣由2002年組建的ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。綜上所述，目前我國智能家居系統(tǒng)雖然有了一定的發(fā)展，但總體還處于市場發(fā)展初期，特別是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);家居設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)作為智能化家居的一個重要組成部分，也將起到更加重要的作用基于這些考慮，本文通過研究現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)成果，查閱大量的文獻(xiàn)資料并結(jié)合用戶的實(shí)際需求，給出了一個基于嵌入式Intemet和zigBee組網(wǎng)技術(shù)的家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案.1.3 國內(nèi)、外智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展智能家居系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代化家庭生活而形成的多樣化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。智能家居的概念首先是由美國、加拿大、歐洲、澳大利亞以及東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家提出的。1984年，世界上第一幢智能建筑于年在美國康涅迪格州出現(xiàn)，也因此揭開了智能家居發(fā)展的序幕。自從世界上第一座智能建筑出現(xiàn)之后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家先后提出了各種智能家居的方案。目前新加坡、美國等國家已有大量家庭安裝了“家庭智能化系統(tǒng)”。三星公司從2003年春節(jié)后，開始在中韓兩國同時推出智能家居系統(tǒng)，通過機(jī)頂盒和網(wǎng)絡(luò)，將家居自動控制、信息家電、安防設(shè)備以及娛樂和信息中心這四部分集成一個全面的、面向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)的家居控制網(wǎng)絡(luò)。2006年，日本NTT公司與上海交通大學(xué)合作進(jìn)行數(shù)字家庭中傳感器開關(guān)接入的研發(fā)，希望在智能家居領(lǐng)域有所突破，盡快在日本和中國打開市場。國內(nèi)提出智能家居概念的時間比較早，但是直到現(xiàn)在依然沒有開發(fā)出相對成熟的智能家居產(chǎn)品?，F(xiàn)階段，市場上見到較多的產(chǎn)品均是各種孤立的系統(tǒng)，像安防監(jiān)控，燈具控制，無線三表（水、電、氣）等，這些系統(tǒng)多是為解決某些方面的問題而設(shè)計，并沒有比較全面的利用家庭組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個家庭的智能化管理。在國內(nèi)開發(fā)智能家居的公司中，在家庭內(nèi)部組網(wǎng)中多是基于有線方式（如X-10），基于無線通信的也多是自己設(shè)計簡單的協(xié)議，并沒有采用比較成熟，適用于智能家居的協(xié)議。這些都為產(chǎn)品的相互兼容帶來問題。而且，到目前為止，還沒有那家公司的產(chǎn)品能夠占到市場份額的10%。在2005年6月，由聯(lián)想牽頭的“閃聯(lián)”和以海爾為首的“e家佳”同時被信息產(chǎn)業(yè)部確定為行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)，從而拉開了數(shù)字家庭競爭的序幕。目前國內(nèi)在智能家居行業(yè)里比較有影響力的公司主要有上海索博，深圳波創(chuàng)等。上海索博的產(chǎn)品就是通過X-10實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部組網(wǎng)的，而深圳波創(chuàng)的產(chǎn)品主要是利用無線通信實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的。1.4 智能家居系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)及設(shè)計中考慮的問題智能家居系統(tǒng)可以歸納成是一個各種家庭設(shè)備互連和控制網(wǎng)絡(luò)，互連是滿足人們的數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)，控制是家居自動化、智能化的根本。傳統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)一般是有線的方式來組建的,其中X-10是智能型家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最被廣泛采用之技術(shù)，主要是因?yàn)閮r格便宜及部分消費(fèi)者可自行裝設(shè)。而CEBus及LonWorks雖然品質(zhì)及性能都較X-10好，但偏高的售價卻造成難以普及，至于LonWorks目前主要市場還是在工、商業(yè)界，而且通常需要專業(yè)人員協(xié)助裝設(shè)。RS485，CANBus用于自動化工業(yè)控制場合，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟。Ethernet適合高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，用于家庭自動化控制也受到電纜布線的限制。一些技術(shù)發(fā)展己經(jīng)相對比較成熟，而且在行業(yè)已經(jīng)具有一定的標(biāo)準(zhǔn)性和通用性，但普遍還存在以下缺點(diǎn)：1.基于有線的方案的明顯缺點(diǎn)布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線，而且影響美觀；另一方面系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高，移動性能差。2.標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一智能家居內(nèi)部設(shè)備的通信和控制沒有一個國際上統(tǒng)一的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，家居設(shè)備在家庭內(nèi)部的編碼方式隨便混亂。3.對PC的依賴現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)中的家電需要依靠家庭內(nèi)部PC。PC必須一天24小時工作，否則家庭內(nèi)部的管理就無法進(jìn)行，無論是升級和維護(hù)都不方便。智能家居系統(tǒng)設(shè)計主要考慮的因素：針對以上提出的目前智能家居控制領(lǐng)域存在的不足，本文從技術(shù)發(fā)展的角度來考查設(shè)計中應(yīng)考慮的要素。根據(jù)成本、實(shí)用等方面，應(yīng)該要考慮以下特點(diǎn)：1.低成本家庭控制網(wǎng)絡(luò)中控制的對象主要是大量的家電和傳感器終端節(jié)點(diǎn)，這種較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)需要一個低成本的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)技術(shù)。2.標(biāo)準(zhǔn)化需要各個家居組成部件之間互相通信，標(biāo)準(zhǔn)化的工作非常重要。3.跨平臺使用環(huán)境是一個家居環(huán)境，整個系統(tǒng)中有著形形色色的平。4.自組織不能期望用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的配置和管理，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下各種資源的自組織和協(xié)同工作顯得十分重要。5.可擴(kuò)展性系統(tǒng)不做大的改動情況下，能夠自動地進(jìn)行軟件升級和功能擴(kuò)張。6.嵌入式應(yīng)用嵌入式技術(shù)是指設(shè)備通過嵌入式模塊，而非PC系統(tǒng)，直接接入Internet實(shí)現(xiàn)信息交互的過程，或者通過移動通信模塊直接接入移動網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互的過程。這樣避免了系統(tǒng)對傳統(tǒng)PC機(jī)的依賴問題。1.5 本課題的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文基于對當(dāng)前智能家居中控制和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的研究和分析，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展迅速的短程無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)，在充分研究ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計一個更為便利、互聯(lián)的無線智能家居控制網(wǎng)絡(luò)方案，然后結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)用戶能夠隨時隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控自己家居的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本課題的研究內(nèi)容本文首先對無線家居控制系統(tǒng)的構(gòu)架和特點(diǎn)進(jìn)行了研究和分析，在智能家居控制中，無線通信的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)必不可少的條件，而正在發(fā)展中的ZigBee技術(shù)正是應(yīng)這種需求而提出的一種低成本低速率無線互連標(biāo)準(zhǔn)，是一種適用于家居網(wǎng)絡(luò)控制的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。本文對正在迅速發(fā)展的zigBee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議體系和應(yīng)用作了具體的分析和研究。通過市場調(diào)研，選用JenniC的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和ARMg開發(fā)板設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個基于嵌入式技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中主要工作北京郵電大學(xué)碩士論文集中在嵌入式操作系統(tǒng)linuX和嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植、ZigBee協(xié)調(diào)器與ARMg串口通信程序的編寫、服務(wù)器CGI腳本程序以及MiniGUI界面程序的編寫。通過服務(wù)器Boa，用戶就能夠隨時隨地監(jiān)控自己家居的情況，并能控制家居設(shè)備。針對ZigBee協(xié)議的復(fù)雜性以及前沿性，本文采用了美國著名ZigBee網(wǎng)絡(luò)分析工具DaintreeNetworkS對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器與設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通信、設(shè)備節(jié)點(diǎn)離開ZigBee網(wǎng)絡(luò)等詳細(xì)流程都給與了分析。論文的結(jié)構(gòu)安排全文的結(jié)構(gòu)如下:第一章介紹了在智能家庭背景及意義下，根據(jù)國內(nèi)外智能家庭系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，介紹了智能家庭系統(tǒng)的一些相關(guān)技術(shù)和特點(diǎn)。第二章進(jìn)行智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方案設(shè)計。第三章設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了智能家居控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。第四章總結(jié)全文，對課題的研究情況做總結(jié)，分析文章有哪些不足，并指出課題還需要做出哪些計劃。第二章 智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 智能家庭系統(tǒng)方案框架一個智能家庭網(wǎng)關(guān)可以看成是一個信息處理系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各單元就是連接在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的設(shè)備?？刂破脚_一方面輔助不具備信息化條件的設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息化，即提供信息處理的能力;另一方面又提供統(tǒng)一的信息交換接口及控制規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)從內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)到Internet信息的互通。如圖2.1為智能家居系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。圖2.1智能家居系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)的小區(qū)寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)借用小區(qū)中已經(jīng)鋪設(shè)好的高速以太網(wǎng)，既大幅度節(jié)省系統(tǒng)成本，又同時保證了物業(yè)與住戶之間的大量信息傳遞。小區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)使用IEEE802.3以太網(wǎng)通訊協(xié)議；家庭無線網(wǎng)絡(luò)使用IEEE802.15.4短距離無線通訊協(xié)議；可以方便地與符合協(xié)議的其他網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接。系統(tǒng)以家庭為單位進(jìn)行設(shè)計安裝，每個家庭都安裝一個家庭網(wǎng)關(guān)、若干個無線通訊ZigBee子節(jié)點(diǎn)功能模塊。在家庭網(wǎng)關(guān)和每個子節(jié)點(diǎn)上都接有一個IP_Link1270無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊（符號ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品），通過這些無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)和子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送。2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯繄D2.2智能家居網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D從圖2.2我們可以看出這個智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以從兩個方面來考慮：從小區(qū)的管理中心來講：他們可以通過小區(qū)管理平臺實(shí)現(xiàn)對用戶管理和系統(tǒng)維護(hù)、安防信息管理等。還可以通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)對用戶信息配置、遠(yuǎn)程抄表和控制、信息服務(wù)等。 從用戶的角度來分析：用戶可以通過個人計算機(jī)上的瀏覽器實(shí)現(xiàn)對家庭各表數(shù)據(jù)查詢、家庭電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、家庭完全環(huán)境的監(jiān)測、家庭各節(jié)點(diǎn)電池電量的查詢等?？傮w來說本設(shè)計的智能家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1.故障自動檢測功能。 2. 子節(jié)點(diǎn)電池電量報警：當(dāng)家庭子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中電池出現(xiàn)電量不足時，向小區(qū)管理中心提交電量不足報警并在網(wǎng)頁中顯示。 3.控制功能：通過門鎖自動進(jìn)行報警系統(tǒng)的布防、撤防控制，無需密碼記憶；根據(jù)小區(qū)管理中心的控制信息管理煤氣、水、電的輸出通斷；用戶根據(jù)自己的需要對家用電器的遠(yuǎn)程控制。 4.信息服務(wù)功能：可以通過小區(qū)信息發(fā)布系統(tǒng)進(jìn)行小區(qū)廣播及發(fā)送天氣預(yù)報等；可針對具體用戶發(fā)布有針對性的信息。 5. 安防報警功能：火災(zāi)報警、防盜報警、煤氣泄漏報警、緊急呼救?；馂?zāi)報警、煤氣泄漏報警、緊急呼救報警不需要考慮設(shè)防狀態(tài)，而安防報警則在設(shè)防狀態(tài)下有作用.6.設(shè)備故障報警：當(dāng)家庭子節(jié)點(diǎn)因意外情況導(dǎo)致不工作或不在網(wǎng)絡(luò)中時，網(wǎng)絡(luò)會自動檢測，并發(fā)送報警通知至小區(qū)管理平臺網(wǎng)頁上顯示；反之，有新節(jié)點(diǎn)加入則網(wǎng)絡(luò)會自動檢測，并在小區(qū)管理平臺網(wǎng)頁中顯示。 7. 數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程抄表及網(wǎng)頁顯示：各種家庭計量表（電表、水表、燃?xì)獗淼龋?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及在網(wǎng)頁上的顯示；各種報警數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳及在網(wǎng)頁上的顯示；各子節(jié)點(diǎn)的電池電量在網(wǎng)頁上的顯示。2.3 智能家居中家庭網(wǎng)關(guān)的各部分組成和功能家庭網(wǎng)絡(luò)ZigBee實(shí)現(xiàn)方案可以簡單的概括為:在各種家庭電子設(shè)備中嵌入基于ZigBee芯片的無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊,通過這些無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊在各個網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送,從而實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)電子設(shè)備的無線互連和家庭自動化?；赯igBee技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)平臺主要由一個家庭網(wǎng)關(guān)和若干個無線通訊ZigBee功能模塊組成，構(gòu)建智能家居系統(tǒng)，每個家庭都安裝一個家庭網(wǎng)關(guān)、若干個無線通訊ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊。根據(jù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)將家庭網(wǎng)關(guān)抽象為站點(diǎn)。將家庭內(nèi)部的被控對象(三表，門磁等)抽象為節(jié)點(diǎn)。智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成如圖2.3所示 。圖2.3 智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成2.3.1家庭網(wǎng)關(guān)的組成和功能1.采用ARM構(gòu)架的32位嵌入式RISC處理器和.CLinux操作系統(tǒng)。家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)際上就是一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng)，硬件設(shè)計上采用功能強(qiáng)大ARM芯片加上其他功能模塊，而主要的工作是在軟件開發(fā)上選擇.Clinux操作系統(tǒng)，移植.Clinux操作系統(tǒng),并在其上開發(fā)驅(qū)動程序、應(yīng)用程序。2. 安裝門禁系統(tǒng)，一旦門鎖被壞人非法開啟可通過門鎖進(jìn)行自動設(shè)防/解防 ,還可以自動報警。門禁系統(tǒng)主要用于來訪者控制，而房屋周邊環(huán)境監(jiān)測則提供了整個房屋的安全控制功能。通過在房屋周圍布設(shè)的無線傳感器可以嚴(yán)密監(jiān)控房屋的各個方面。對不速之客可以采取語音示警等方式有效嚇阻。在需要的時候可以自動報警，提高了應(yīng)急時間處理能力。3. 陽臺采用幕簾式紅外微波雙鑒探測器，窗口采用玻璃破碎探測器，對企圖從陽臺及窗戶非法入侵住宅的事件發(fā)出報警。窗戶也可安裝磁控開關(guān)，一旦開窗可發(fā)出報警信號。磁控開關(guān)又稱磁控管或磁簧開關(guān)，由永久磁鐵及干簧管組成。它是一種有磁場時,開關(guān)閉合,無磁場時,開關(guān)斷開的一種開關(guān),可以檢測周圍是否有足夠大的磁場。磁控開關(guān)應(yīng)該避免直接安裝在金屬物體上。4. 臥室安裝緊急按鈕。遇搶劫或疾病等緊急事件時可按下求救信號緊急按鈕，自動向管理中心報警。5. 通過安裝燃?xì)馓綔y器對家中的異常氣味發(fā)出報警。發(fā)生泄漏時，提醒用戶迅速離開，自動通風(fēng)。6. 每家每戶配有自己的網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù)。在家內(nèi)安裝探測器及報警通信主機(jī)，對住宅進(jìn)行安全防范，當(dāng)警情發(fā)生時，探測器將探測到的報警號通過ZigBee模塊傳遞給報警通信主機(jī)，主機(jī)通過判斷并確認(rèn)后，通過總線傳輸?shù)叫^(qū)中心接警計算機(jī)，中心管理人員通過接警計算機(jī)對警情做出反應(yīng)，達(dá)到對住戶家中非法入侵行為等進(jìn)行防范的目的。 7. 水、電、氣各表數(shù)據(jù)發(fā)給物業(yè)管理中心。住宅小區(qū)三表遠(yuǎn)程計量系統(tǒng)的中心控制平臺就是通常所指的物業(yè)管理中心計算機(jī)。物業(yè)中心計算機(jī)接受各家庭智能終端采集的計量數(shù)據(jù)，由能耗管理軟件作處理，輸出計量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)讀表、計費(fèi)、指引交費(fèi)的一條龍服務(wù)。三表遠(yuǎn)程計量系統(tǒng)在住宅小區(qū)智能系統(tǒng)中是與住戶密切相關(guān)的一個智能化系統(tǒng)。三表遠(yuǎn)程計量系統(tǒng)一般可以分四個部分：前端數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)采集處理裝置、傳輸線路、中心控制平臺。前端數(shù)據(jù)采集裝置指的是具有脈沖或電信號輸出的水表、電表、氣表等計量裝置。我們設(shè)計的智能家居系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測電路、自來水管道煤氣管道。在電路異常時提供自動斷電，語音提示等功能。當(dāng)用戶離開后可以自動關(guān)閉自來水管。8.通過以太網(wǎng)與小區(qū)管理中心通訊?？梢酝ㄟ^向管理中心自動發(fā)出報警、求救信息以及收發(fā)物業(yè)管理信息；能切斷自動報警；能掛接各種功能模塊，實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。9.通過網(wǎng)關(guān)上的無線ZigBee（IEEE802.15.4）模塊與網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。2.3.2 ZigBee無線通訊子節(jié)點(diǎn)的功能1.兩路脈沖量數(shù)據(jù)采集，可采集水、電、氣三表數(shù)據(jù)；2.兩路安防傳感器開關(guān)量數(shù)據(jù)采集，可進(jìn)行設(shè)防/撤防報警、安防報警（紅外幕簾、門磁、窗磁、玻璃破碎、燃?xì)馓綔y器等）；3.一路模擬量數(shù)據(jù)采集；4.一路模擬量數(shù)據(jù)輸出；5.一路繼電器觸點(diǎn)輸出；6.通過無線通訊IEEE802.15.4協(xié)議及家庭網(wǎng)關(guān)通訊。第三章 智能家居系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計3.1 家庭網(wǎng)關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)是整個智能家居系統(tǒng)的核心，是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)交換信息的中樞和用戶的操作管理平臺.它主要負(fù)責(zé)建立并管理內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、交換處理內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)和信息，并根據(jù)情況進(jìn)行記錄或通過因特網(wǎng)、公共電話網(wǎng)報告給用戶。為了實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜功能，也為了簡化智能家居系統(tǒng)的設(shè)計，縮短開發(fā)周期，項(xiàng)目選擇了杭州立宇泰公司dARMSYS2410-B開發(fā)板來設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)，如圖3.1所示。圖3.1 家庭網(wǎng)關(guān)的開發(fā)平臺ARMSYS2410-B開發(fā)板采用了內(nèi)核為ARM920T的三星S3C2410A-20處理器，最高工作頻率可達(dá)203MHz。板上具有64MB的NAND Flash和64MB的SDRAM。該板具有兩個USB，一個IDE和一個以太網(wǎng)接口等，能支持屏幕分辨率高達(dá)8*600像素的各種TFT液晶，并帶有觸摸屏。在此基礎(chǔ)上，只需要設(shè)計ZigBee射頻部分和電話控制器硬件，并開發(fā)相關(guān)應(yīng)用軟件即可實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的功能。為了簡化，避免將ZigBee協(xié)議棧移植到ARM中，家庭網(wǎng)關(guān)采用單片機(jī)和ZigBee射頻部分組成通信模塊，由單片機(jī)完成ZigBee收發(fā)芯片的初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)工作，再由單片機(jī)提供已處理好的數(shù)據(jù)給ARM開發(fā)板。這部分內(nèi)容在和遙控器中的ZigBee電路設(shè)計一致，將在“遙控器的設(shè)計”中闡述。電話控制器是在原安防報警主機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計，主要包括振鈴檢測、電話摘掛機(jī)、雙音多頻（DTMF）信號收發(fā)、信號音檢測等功能。這部分電路設(shè)計和原安防報警主機(jī)基本一致，本文不作闡述。3.1.1 家庭外部網(wǎng)絡(luò)家庭外部網(wǎng)絡(luò)主要是為用戶提供遠(yuǎn)程控制管理家庭電器、監(jiān)控家庭各種信息的平臺，并為用戶提供安防的遠(yuǎn)程報警服務(wù)。本課題中的家庭外部網(wǎng)絡(luò)利用現(xiàn)成的比較成熟的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，主要有因特網(wǎng)和公用電話網(wǎng)兩部分。這部分內(nèi)容主要為應(yīng)用軟件的設(shè)計，由項(xiàng)目組其他人負(fù)責(zé)完成。3.1.2 家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中目前主要包括照明管理、安防系統(tǒng)、遙控器三部分，以后還將陸續(xù)加入溫濕度調(diào)節(jié)、家電管理、電動窗簾控制單元等部分。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用ZigBe無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)，終端節(jié)點(diǎn)和家庭網(wǎng)關(guān)（ZigBee協(xié)調(diào)器）構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)關(guān)雖然作為整個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的控制核心，但是并不方便用戶使用，為此專門設(shè)計了遙控器，用戶可以通過遙控器進(jìn)行相應(yīng)的管理或控制操作：遙控器發(fā)出的指令通過家庭網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)上，再由終端節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)操作。遙控器和燈具管理的相關(guān)部分將在下兩節(jié)中重點(diǎn)闡述。安防系統(tǒng)主要有主要有熱釋電紅外傳感器、煙霧傳感器、電化學(xué)一氧化碳傳感器、光強(qiáng)傳感器以及門磁等。這些傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通過家庭網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行管理，它們使用ZigBee無線方式和家庭網(wǎng)關(guān)通信，交換信息。各傳感器節(jié)點(diǎn)主要是由傳感器探頭和ZigBee收發(fā)電路、單片機(jī)等部分組成，這部分電路中的無線收發(fā)和單片機(jī)部分都和遙控器或燈具控制器中的相應(yīng)部分類似，其他傳感器的輸出信號調(diào)理電路由其他人負(fù)責(zé)設(shè)計，本文不作闡述。3.2 無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)是建立在ZigBee協(xié)議幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的，相當(dāng)于底層協(xié)議中的數(shù)據(jù)場部分。所以幀結(jié)構(gòu)由節(jié)點(diǎn)號、功能編碼、數(shù)據(jù)信息三部分組成，如圖3.2所示：圖3.2 幀結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)號字段數(shù)據(jù)長度為1字節(jié)，其中低四位為數(shù)據(jù)采集功能編號，高四位為子節(jié)點(diǎn)號，如圖3.3所示： 圖3.3 節(jié)點(diǎn)號字段數(shù)據(jù)功能編碼分為三個部分：方向位、數(shù)據(jù)類型和功能類型。其格式如圖3.4所示：圖3.4 功能編碼格式方向位：根據(jù)主節(jié)點(diǎn)作為通訊發(fā)送者還是接收者，本系統(tǒng)功能可分為兩大類：上行和下行。方向位即決定了這一點(diǎn)。 數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)信息與功能編碼關(guān)系十分密切，根據(jù)功能不同，數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的內(nèi)容含義不同；根據(jù)數(shù)據(jù)長度不同，數(shù)據(jù)類型也不同。 功能類型：每一個功能類型對應(yīng)一種系統(tǒng)功能。通過解析功能類型編碼可得到系統(tǒng)功能，對于下行幀，子節(jié)點(diǎn)得到主節(jié)點(diǎn)通知其執(zhí)行的命令和需要的數(shù)據(jù)；對于上行幀，主節(jié)點(diǎn)得到子節(jié)點(diǎn)返回的信息、數(shù)據(jù)和命令執(zhí)行的情況。 數(shù)據(jù)信息存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息長度可根據(jù)功能編碼中的數(shù)據(jù)類型而定。3.3智能家居的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇圖3.5 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⒁粋€無線網(wǎng)絡(luò)的前提和基礎(chǔ)是選擇一個合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)可以決定網(wǎng)絡(luò)的成本、速度、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的功能。像家庭這樣的小型局域網(wǎng)通常采用的是星型網(wǎng)絡(luò)14。如圖3.5就是一個星型網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，連接容易，具有可擴(kuò)展性。星型網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是對中心節(jié)點(diǎn)（無線數(shù)字家居服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)）的依賴性很大，中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題可能會造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)連接距離較短，網(wǎng)絡(luò)中的信息傳送只要在無線數(shù)字家居服務(wù)器和其它室內(nèi)終端之間。根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，本文以家庭網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點(diǎn)組建了一個星型家庭網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)最大傳輸距離150m，完全滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的需要。通過實(shí)用證明，星型家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡單，實(shí)用可靠。3.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計無線傳感器模塊一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊組成。其中傳感器模塊負(fù)責(zé)采集信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點(diǎn)電源采用微型紐扣電池，以減少節(jié)點(diǎn)的體積。3.4.1 處理器及電源設(shè)計MSP430F1232單片機(jī)是TI公司推出的功能強(qiáng)大的超低功耗16位混合信號處理器。為了最大限度地利用單片機(jī)端口和片內(nèi)外設(shè)并降低設(shè)計成本，本設(shè)計選用MSP430F1232，該單片機(jī)有3個并行端口，一個RS485串行通訊口，同時內(nèi)置10位AD采樣器，可完全滿足設(shè)計的各種要求。該單片機(jī)突出的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)極低的功耗，具有五種省電工作模式，而每種工作模式可以通過對時鐘的控制實(shí)現(xiàn)不同的功耗，其工作在LPM4模式下的功耗電流只有0.1A,非常適合采用電池供電的系統(tǒng)。其內(nèi)部組成和實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）片內(nèi)FLASH ROM用于存儲應(yīng)用程序、通訊協(xié)議；（2）UART（通用異步收發(fā)器）接口連接無線通信模塊。采用硬件UART進(jìn)行異步串行通信。這是一種占用口線少，有效、可靠的通信方式。這種方法一般用于單片機(jī)有應(yīng)件UART且不需與外界進(jìn)行串行通信或采用雙UART單片機(jī)的場合。（3）10位A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測、模擬量輸入；（4）內(nèi)部16位定時計數(shù)器實(shí)現(xiàn)PWM輸出，經(jīng)低通濾波后，再由放大器放大，實(shí)現(xiàn)模擬量輸出；（5）I2C接口連接鐵電存儲器FRAM。W78LE52與EMC78P458組成一個電池供電、可遠(yuǎn)程通信的工業(yè)流量計。2個單片機(jī)共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）組成二主一從的I2C總線控制方式。（6）其余的通用輸入輸出端口分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和脈沖量的輸入、輸出以及撥碼開關(guān)狀態(tài)的輸入。 在整個系統(tǒng)中，單片機(jī)MSP430F1232需要3.3V的直流穩(wěn)壓電源，電源的設(shè)計要求非常嚴(yán)格。如圖3.6所示，我們將紐扣電池的電壓通過一個電荷泵IPS60210將電壓穩(wěn)定至3.3V，提供給單片機(jī)MSP430F1232。電源模塊產(chǎn)生信號比較穩(wěn)定，能夠很好的滿足系統(tǒng)需要。圖3.6穩(wěn)壓電源3.4.2 鐵電存儲器利用鐵電存儲器作為數(shù)據(jù)緩沖器的通信方式。鐵電存儲器是美國Ramtran公司推出的一種新型非易失性存儲器件，簡稱FRAM。與普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需寫入時間、讀寫次數(shù)無限，沒有分布結(jié)構(gòu)可以連續(xù)寫放的優(yōu)點(diǎn)，因此具有RAM與EEPROM的雙得特性，而且價格相對較低?，F(xiàn)在大多數(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)配備串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用來存儲參數(shù)。如果用1片F(xiàn)RAM代替原有EEPROM，使它既能存儲參數(shù)，又能作串行數(shù)據(jù)通信的緩沖器。2個（或多個）單片機(jī)與1片F(xiàn)RAM接成多主-從的I2C總線方式，增加幾條握手線，即可得到簡單高效的通信硬件電路。在軟件方面，只要解決好I2C多主-從的控制沖突與通信協(xié)議問題，即可實(shí)現(xiàn)簡單、高效、可靠的通信了。在設(shè)計中存儲器采用RAMTRON公司的FM24CL16。FRAM可以以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時等待；FRAM有近乎無限次寫入壽命。鐵電存儲器已經(jīng)達(dá)到一億個億次的寫入壽命。正是因?yàn)樗且环N串行非易失性存儲器，可無限次地讀寫，掉電數(shù)據(jù)可保護(hù)10年；寫數(shù)據(jù)無延時；使用二線制串行總線及其傳輸規(guī)范進(jìn)行雙向傳輸，這種方式占用腳位少，占用線路板空間小，總線速度可以達(dá)到1MHz，靜態(tài)工作電流僅為1A。所以它十分適合本設(shè)計對功耗低、體積小、數(shù)據(jù)讀寫頻繁的要求。如圖3.7為FM24CL16的管腳圖。圖3.7 FM24CL16管腳圖它的工作原理是：當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體里移動。當(dāng)原子移動時，它通過一個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲器。移去電場后，中心原子保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲器不需要定時更新，掉電后數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)保存，速度快而且不容易寫壞。其實(shí)際的讀操作過程是：在存儲單元電容上施加一個已知電場（即對電容充電），如果原來晶體的中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達(dá)到的位置相同，則中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達(dá)另一位置，則在充電波形上就會出現(xiàn)一個尖峰，即產(chǎn)生原子移動的比沒有產(chǎn)生移動的多了一個尖峰，把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。FM24CL16與MSP430F1232單片機(jī)的I2C接口連接。如圖3.8所示：圖3.8 FM24CL16組成二主一從的I2C總線控制方式圖W78LE52與EMC78P458組成一個電池供電、可遠(yuǎn)程通信的工業(yè)流量計。78P458采用32.768kHz晶振，工作電流低，不間斷工作，實(shí)時采集傳感器的脈沖及溫度、壓力等一些模擬量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作電流較大，采用間斷工作，負(fù)責(zé)流量的非線性校正、參數(shù)輸入、液晶顯示、與上位機(jī)通信等功能，它的UART用于遠(yuǎn)程通信。通信接口部分線路如圖1所示，2個單片機(jī)共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）組成二主一從的I2C總線控制方式， W78LE52的P3.5、P3.2分別與78P458的P51、P50連接作握手信號線A與B。我們把握手線A（簡稱A線）定義為總線控制、指示線，主要用于獲取總線控制權(quán)與判別總線是否“忙”；握手線B（簡稱B線）定義為通知線，主要用于通知對方取走數(shù)據(jù)。其流程圖我們會在設(shè)計的后面介紹。數(shù)據(jù)采集與記錄，存儲器（FRAM）可以讓設(shè)計更快、更頻繁地將數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器。數(shù)據(jù)采集通常包括采集和存儲兩部分，系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)（(除臨時或中間結(jié)果數(shù)據(jù)外)需要在掉電后能夠保存，這些功能是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或子系統(tǒng)所具有的基本功能。在本設(shè)計中FM24CL16的應(yīng)用是：儀表 (電表、氣表、水表、流量表)的數(shù)據(jù)采集、家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)等。3.4.3磁保持繼電器 磁保持繼電器采用松下公司的TQ2-L23V。其工作原理是：磁保持繼電器其觸點(diǎn)開、合狀態(tài)平時是由永久磁鋼所產(chǎn)生的磁力所保持。當(dāng)繼電器的觸點(diǎn)需要開或合狀態(tài)時（即接通或切斷負(fù)載時），只需用正（反）直流脈沖電壓激勵線圈，繼電器在瞬間就完成了開與合的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。這時的功率損耗一般小于1W。通常觸點(diǎn)處于保持狀態(tài)時，線圈不需繼續(xù)通電，僅靠永久磁鋼的磁力就能維持繼電器的狀態(tài)不變。此設(shè)計通過MSP430F1232的輸出管腳DO_S、DO_R控制開關(guān)管Q1、Q2的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)繼電器線圈電流的通斷控制，從而控制繼電器觸點(diǎn)的動作。如果采用傳統(tǒng)繼電器，需要一直提供電流來維持繼電器狀態(tài)，這樣功耗很難降低。磁保持繼電器具有鎖存功能，觸點(diǎn)動作后無需繼續(xù)提供電流，從而降低了功耗。其開關(guān)兩端可耐壓直流220V，交流250V，滿足了通斷市電的要求。 磁保持繼電器具有省電、性能穩(wěn)定、體積小、承載能力大，比一般電磁繼電器性能優(yōu)越的特點(diǎn)。在此設(shè)計中可運(yùn)用于各種家電和自動控制裝置，抄表等。3.4.4無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊本設(shè)計所用的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用赫利訊的IP_Link1270模塊。它是ZigBee的開發(fā)工具和產(chǎn)品，包含符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件和全波長天線，每次接力通信都能在75 m范圍內(nèi)提供250kbps的速率。IP_Link1270無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊的特點(diǎn)是：模塊外形小巧，接口資源豐富，方便用戶集成到任何現(xiàn)有產(chǎn)品中。內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，符合ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)，為IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)射、高靈敏度接收，無線數(shù)據(jù)速率高達(dá)250kbit/s 。通過串口與MSP430F1232進(jìn)行通訊，將獲得的數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。IP_Link1270單片機(jī)對用戶開放，您可以選擇帶有赫利訊點(diǎn)對點(diǎn)通訊協(xié)議和API的模塊，也可以選擇空模塊并利用模塊自身的單片機(jī)開發(fā)所需要的應(yīng)用程序，這將大大降低外圍器件的成本。IP-Link1270模塊可以應(yīng)用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，比如在本設(shè)計中，它可以對家庭智能控制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線抄表系統(tǒng)等。在這個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，整個控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線通信功能是通過IP-LINK1270模塊和MSP430F1232之間的串口通信實(shí)現(xiàn)的。IP-LINK1270模塊是完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee規(guī)范的2.4GHz無線收發(fā)模塊。需要3.3V的工作電源和邏輯電平，剛好保證和MSP430F1232的順利通信，其復(fù)位端與單片機(jī)復(fù)位端相連，單片機(jī)上電的同時IP-LINK1270模塊也復(fù)位。該模塊在使用之前，需要配置其網(wǎng)絡(luò)號，節(jié)點(diǎn)號以及信道和頻率等，以便準(zhǔn)確的向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)或命令。3.4.5撥碼開關(guān) 八位撥碼開關(guān)的狀態(tài)決定該子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號和其實(shí)現(xiàn)的功能。無線子節(jié)點(diǎn)通過查詢八位撥碼開關(guān)確定其功能，可以實(shí)現(xiàn)兩路脈沖量的計數(shù)、兩路開關(guān)量的輸入、兩路開關(guān)量的輸出、一路模擬量的輸入、一路模擬量的輸出、電池電量采集無線通訊等功能。 3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計鑒于節(jié)點(diǎn)使用的通用性要求，需要上電后根據(jù)撥碼開關(guān)確定子節(jié)點(diǎn)號及其所要完成的功能。其主要功能包括水電氣三表的數(shù)據(jù)采集和存儲、報警信息的獲取、設(shè)防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)確定節(jié)點(diǎn)需要完成的其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)工作，并調(diào)用相應(yīng)的初始化程序。由于無線通訊模塊的功耗較大，CPU大部分時間都處于休眠狀態(tài)，通過各級中斷喚醒CPU和恢復(fù)無線通訊模塊的正常工作。數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議。3.10 系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)上電后，先關(guān)閉看門狗定時器，開關(guān)電源進(jìn)入SNOOZE節(jié)省功耗狀態(tài)，同時關(guān)閉無線通訊模塊電源，進(jìn)行I2C接口的初始化，讀取撥碼開關(guān)狀態(tài)，并根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行單片機(jī)通用I/O口的初始化，以確定其作為脈沖量輸入端口還是開關(guān)量輸入端口，或是撤防設(shè)防輸入端口。其中，若作為脈沖量輸入端口，則調(diào)用相應(yīng)脈沖量初始化程序，設(shè)置其端口為上升沿觸發(fā)；若作為開關(guān)量輸入端口，則調(diào)用相應(yīng)開關(guān)量初始化程序，設(shè)置其端口為下降觸發(fā)；若作為撤防設(shè)防輸入端口，則調(diào)用設(shè)防撤防初始化程序，當(dāng)前端口狀態(tài)為設(shè)防狀態(tài)時，進(jìn)行撤防初始化，設(shè)置其端口為上升沿觸發(fā)。當(dāng)前端口狀態(tài)為撤防狀態(tài)時，進(jìn)行設(shè)防初始化，設(shè)置其端口為下降沿觸發(fā)。端口初始化結(jié)束之后，進(jìn)行串行通訊UART接口初始化，打開UART接收中斷使能，使其能響應(yīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)的命令。定時器連續(xù)工作在計數(shù)模式，打開計數(shù)器溢出中斷使能。 單片機(jī)各部分初始化結(jié)束后，進(jìn)入LPM3休眠模式，只有ACLK始終保持工作，因此在串行通訊UART和定時器初始化中，將其工作時鐘定義為ACLK是十分重要的，否則進(jìn)入LPM3休眠模式后，串口和定時器將停止工作和相應(yīng)中斷。進(jìn)入LPM3休眠模式后，系統(tǒng)的功耗最低。 系統(tǒng)可響應(yīng)I/O中斷，當(dāng)其作為脈沖量輸入端口時，脈沖量上升沿觸發(fā)中斷，經(jīng)過去抖處理后，脈沖量計數(shù)增1，遇到進(jìn)位時，調(diào)用函數(shù)處理進(jìn)位，最后將計數(shù)值寫入FRAM，進(jìn)入LPM3休眠模式。當(dāng)其作為開關(guān)量輸入端口時，開關(guān)量下降沿觸發(fā)中斷，停止計數(shù)器計數(shù)，打開電源，打開串行通訊，重復(fù)發(fā)送報警信息，直到收到網(wǎng)關(guān)應(yīng)答信息時才停止報警，恢復(fù)定時器計數(shù)，進(jìn)入LPM3休眠模式。3.5.1 I2C總線仲裁的方式流程圖如圖3.11所示，當(dāng)A線高電平時，指示總線空閑；當(dāng)其中一個主機(jī)要獲取總線控制權(quán)時，先查詢總線是否空閑，“忙”則退出，空閑則向A線發(fā)送一個測試序列（如：1000101011001011），在每次發(fā)送位“1”后讀取的A線狀態(tài)。如果讀取狀態(tài)為“0”，馬上退出，說明有其它器件已經(jīng)搶先獲取總線；如果一個序列讀取的A線狀態(tài)都正確，則說明已成功獲得總線控制權(quán)，這時要拉低A線以指示總線“忙”，直到讀寫高A線，使總線回到“空閑”狀態(tài)。不同的主機(jī)采用不同的測試序列，或產(chǎn)生隨機(jī)測試序列，測試序列長度可以選得長一些，這樣可以增加仲裁的可靠性。圖3.11 I2C總線仲裁的方式3.5.2 IP-Link1270的通信UART主要負(fù)責(zé)對IP_Linkl270發(fā)過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，解碼后再對用戶所有的數(shù)據(jù)或要執(zhí)行的指令進(jìn)行處理;或者當(dāng)單片機(jī)產(chǎn)生中斷時，主動地向用戶發(fā)送信息。UART的主要功能是通過串口采用AT指令集對IP_Linkl270發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，并對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。IP_Linkl270處理數(shù)據(jù)流程如圖5.3所示。圖3.12 IP_Linkl270處理數(shù)據(jù)流程3.5.3串口中斷服務(wù)流程在整個通信過程中，家居設(shè)備始終處于被動地位，只需要不斷地檢測接收中斷，一旦中斷標(biāo)志置位，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，接收數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)，判斷屬于執(zhí)行命令還是查詢數(shù)據(jù)命令，如果為后者，需要設(shè)備立即反饋數(shù)據(jù)，并判斷是否發(fā)送成功。若沒有成功，連發(fā)第二次數(shù)據(jù)。流程圖如圖3.13所示。圖3.13 串口中斷流程圖3.6 ZigBee控制器流程ZigBee控制的基本流程圖如圖3.14所示。當(dāng)ZigBee模塊接受到數(shù)據(jù)（或反饋信息）時，在LCD界面顯示相應(yīng)標(biāo)志或數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備接收下次的新數(shù)據(jù)。圖3.14 ZigBee控制器流程圖3.7數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖3.15 數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖數(shù)據(jù)發(fā)送要遵循通訊協(xié)議，圖3.15所示為數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送開始時，發(fā)送數(shù)據(jù)的初始地址等于0X44發(fā)送結(jié)束進(jìn)入下一指令，如果不是則返回去重新尋址，直到尋址成功進(jìn)入下一指令。依次循環(huán)下去直至Flag=0,程序結(jié)束。第四章 總結(jié)與分析4.1 結(jié)論本文以智能家居設(shè)備系統(tǒng)為背景，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)，通過對ZigBee技術(shù)各個協(xié)議層以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆治?，結(jié)合智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計了智能家居的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對各系統(tǒng)組成的功能進(jìn)行介紹。本文提出了智能家居系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu).采用模塊化的思想，設(shè)計了主接點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件接口，并制定了網(wǎng)關(guān)和主節(jié)點(diǎn)間的通迅協(xié)議。對家庭智能化系統(tǒng)的無線網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的硬件進(jìn)行了設(shè)計實(shí)現(xiàn)。本文主要完成的工作有以下幾部分：（1）智能家庭網(wǎng)絡(luò)可