智能家居系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡的設計

1、智能家居系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡的設計 摘要：本文主要介紹ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，將ZigBee技術應用到智能家居系統(tǒng)中。提出了一種以ZigBee技術為基礎的智能家居系統(tǒng)設計方案。闡述了無線傳感器網(wǎng)絡的總體構(gòu)成，CC2430無線芯片為棱心，選取了合適的ZigBee模塊進行了硬件電路設計。研究并分析了ZigBe技術。設計并實現(xiàn)了串口收發(fā)程序，傳感器程序，以及節(jié)點間的無線通信程序，并根據(jù)ZigBee協(xié)議，使節(jié)點組成樹狀網(wǎng)絡，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了設計目的，有著廣泛的應用前景。關鍵詞：智能家居;無線傳感器網(wǎng)絡;ZigBee;CC2430隨著時代的的發(fā)展，人們們將更

2、多的注注意力放在了了生活環(huán)境的的安全性、舒舒適性和便利利性上，從而而出現(xiàn)了智能能家居的概念念。智能家居居控制系統(tǒng)使使人們可以對對家居內(nèi)的任任意電器進行行數(shù)字化控制制，利用計算算機技術、網(wǎng)網(wǎng)絡通訊技術術將與家居生生活有關的各各種設備有機機地結(jié)合在一一起，進行集集中管理，讓讓家居生活更更加舒適、安安全、有效。本本文以ZiggBee技術術對智能家居居內(nèi)部進行無無線網(wǎng)絡組網(wǎng)網(wǎng)，通過ZiigBee無無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點的設設計，實現(xiàn)節(jié)節(jié)點對各種傳傳感器信息的的采集、傳輸輸和控制功能能。1 Ziggbee技術術ZigBeee技術是一一種強調(diào)極低低耗電、極低低成本的短距距離無線網(wǎng)絡絡技術，遵循循IEEE88

3、02.155.4標準。它它專注于低速速率傳輸控制制，網(wǎng)絡容量量大，時延短短，提供數(shù)據(jù)據(jù)完整性檢查查，加密算法法采用AESS-128，網(wǎng)網(wǎng)絡擴充性強強，有效覆蓋蓋范圍為10075 mm，具體依據(jù)據(jù)實際發(fā)射功功率的大小和和各種不同的的應用模式而而定，基本上上能夠覆蓋普普通的家庭環(huán)環(huán)境，通信頻頻率采用2.4 GHzz免執(zhí)照頻段段。ZigBeee是一組基基于IEEEE802.115.4無線線標準研制開開發(fā)的，有關關組網(wǎng)、安全全和應用軟件件方面的技術術標準。IEEEE8022.15.44僅定義了MMAC層和物物理層協(xié)議，而而ZigBeee聯(lián)盟則對對其網(wǎng)絡層和和應用層進行行了標準化。ZZigBeee聯(lián)盟還

4、開發(fā)發(fā)了安全層，以以保證這種便便攜設備不會會意外泄漏其其標識，而且且這種利用網(wǎng)網(wǎng)絡的遠距離離傳輸不會被被其他節(jié)點獲獲得。2 系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)設計無線傳感器器網(wǎng)絡系統(tǒng)主主要由傳感器器、CC24430無線模模塊構(gòu)成，結(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。無線傳感器器網(wǎng)絡采用樹樹狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)網(wǎng)絡中有一個個協(xié)調(diào)器，負負責整個網(wǎng)絡絡中數(shù)據(jù)的處處理、轉(zhuǎn)發(fā)以以及網(wǎng)絡的管管理。終端節(jié)節(jié)點(傳感器器節(jié)點)上電電復位后，會會搜索協(xié)調(diào)器器節(jié)點，當能能夠搜索到協(xié)協(xié)調(diào)器時，直直接申請加入入網(wǎng)絡。當終終端節(jié)點搜索索不到協(xié)調(diào)器器時，這時就就會通過路由由器節(jié)點找到到協(xié)調(diào)器來加加入網(wǎng)絡。加入網(wǎng)絡后后保持待機狀狀態(tài)，當有數(shù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送送時，按照組組網(wǎng)時

5、的路徑徑來收發(fā)數(shù)據(jù)據(jù)信息。協(xié)調(diào)調(diào)器通過串口口與PC機相相連，利用超超級終端實現(xiàn)現(xiàn)發(fā)送命令或或者顯示數(shù)據(jù)據(jù)。3 硬件電電路設計本文設計的的無線傳感器器網(wǎng)絡系統(tǒng)的的硬件結(jié)構(gòu)主主要由協(xié)調(diào)器器模塊，路由由器模塊，傳傳感器模塊，串串口轉(zhuǎn)換模塊塊，供電模塊塊以及PC機機等組成。其其中協(xié)調(diào)器、路路由器、傳感感器3個模塊塊作為主要的的無線通信模模塊，由主控控芯片CC22430作為為數(shù)據(jù)處理以以及無線收發(fā)發(fā)器。其系統(tǒng)統(tǒng)硬件電路結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如如圖2所示。3.1 主主控芯片選用CC22430芯片片作為無線收收發(fā)器和數(shù)據(jù)據(jù)處理及控制制器。CC22430在單單個芯片上整整合了ZiggBee射頻頻前端、內(nèi)存存和微控制器器

6、。它采用增增強型80551MCU、332/64/128 kkB閃存、88 kBSRRAM等高性性能模塊，還還包含模擬數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾幾個定時器、AAES-1228協(xié)同處理理器、看門狗狗定時器。332 kHzz晶振的休眠眠模式定時器器、上電復位位電路、掉電電檢測電路以以及21個可可編程I/OO引腳。3.2 無無線模塊設計計1)協(xié)調(diào)器器模塊協(xié)調(diào)器節(jié)點點由電壓轉(zhuǎn)換換模塊、按鍵鍵模塊、LCCD模塊、LLED指示燈燈、時鐘、處處理器CC22430、天天線等部分組組成。CC22430的工工作電壓為333.3 V，所以要要用電壓轉(zhuǎn)換換模塊把電壓壓從5 V降降低到3.33 V左右;LED指示示燈用來顯示示協(xié)調(diào)

7、器節(jié)點點網(wǎng)絡狀態(tài)信信息(如是否否組網(wǎng)成功);LCD模模塊是用戶和和傳感器網(wǎng)絡絡的交互界面面，用來顯示示功最長能菜菜單，用戶通通過按鍵來選選擇功能菜單單。其電路圖圖如圖3所示示。2)傳感器器模塊與路由由器模塊傳感器模塊塊亦即是終端端節(jié)點模塊，由由傳感器、處處理器CC22430、天天線、LEDD指示燈、時時鐘等部分組組成。LEDD指示燈由PP1.0、PP1.1口控控制。傳感器器模塊就是在在協(xié)調(diào)器模塊塊的基礎上去去掉了LCDD，而加入了了傳感器。傳傳感器選用了了DHT111溫濕度傳感感器，與P00.0口相連連，來負責數(shù)數(shù)據(jù)采集。路路由器模塊與與傳感器模塊塊的硬件電路路相同，只是是在編程實現(xiàn)現(xiàn)功能上有

8、所所不同。4 無線網(wǎng)絡絡系統(tǒng)軟件設設計 在ZigBBee網(wǎng)絡中中，只有那些些可以成為ZZigBeee協(xié)調(diào)器的設設備才能建立立新網(wǎng)絡。協(xié)協(xié)調(diào)器首先執(zhí)執(zhí)行信道掃描描，如果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)了一個合適適的信道，協(xié)協(xié)調(diào)器就要為為新網(wǎng)絡選擇擇一個PANN ID，然然后協(xié)調(diào)器進進入監(jiān)聽狀態(tài)態(tài)，隨時響應應其他節(jié)點的的入網(wǎng)請求。ZigBeee網(wǎng)絡有兩兩種設備類型型：全功能節(jié)節(jié)點(FFDD)和半功能能節(jié)點(RFFD)。RFFD為終端節(jié)節(jié)點，F(xiàn)FDD可以作為協(xié)協(xié)調(diào)器或路由由。軟件設計計包括網(wǎng)絡協(xié)協(xié)調(diào)器程序以以及路由器、終終端節(jié)點程序序。它們均包包括初始化程程序、協(xié)議棧棧配置、組網(wǎng)網(wǎng)方式配置程程序、各處理理層設置程序序以及發(fā)射

9、程程序和接收程程序。初始化化程序主要是是對CC24430、協(xié)議議棧、UARRT串口等進進行初始化;發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)數(shù)據(jù)通過CCC2430調(diào)調(diào)制并通過DDMA直接送送至射頻輸出出;接收程序序完成數(shù)據(jù)的的接收、遠傳傳及返回信息息處理。主程程序流程如圖圖4所示。主程序主要要分為2部分分，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)調(diào)器程序以及及路由器、終終端節(jié)點程序序。對于網(wǎng)絡協(xié)協(xié)調(diào)器主程序序，首先初始始化CC24430，然后后初始化協(xié)議議棧。之后程程序建立一個個新的網(wǎng)絡，確確定網(wǎng)絡的IID號和頻道道號。之后程程序開始進入入監(jiān)測狀態(tài)。如如果有新的設設備請求加入入網(wǎng)絡，則為為其分配網(wǎng)絡絡地址，批準準其加入網(wǎng)絡絡。同樣，協(xié)協(xié)調(diào)器接收

10、終終端設備無線線發(fā)送來的信信息，并通過過串口發(fā)送給給上位機，或或者從上位機機得到命令，發(fā)發(fā)送過終端設設備。對于路由器器、終端節(jié)點點程序，首先先初始化CCC2430，然然后初始化協(xié)協(xié)議棧。之后后程序開始搜搜索網(wǎng)絡，當當附近存在網(wǎng)網(wǎng)絡時，則申申請加入網(wǎng)絡絡。之后程序序進入待機休休眠狀態(tài)。如如果終端傳感感器有信息要要發(fā)送，或者者接收到協(xié)調(diào)調(diào)器的命令，則則喚醒設備，進進行無線發(fā)送送或接受。當當事件處理完完時，重新進進入待機休眠眠狀態(tài)。5 系統(tǒng)實實現(xiàn)系統(tǒng)的功能能主要包括以以下幾個方面面：建立樹狀狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)結(jié)構(gòu);查詢網(wǎng)網(wǎng)絡中各節(jié)點點信息和傳感感器數(shù)據(jù)，如如電池電量、節(jié)節(jié)點溫度信息息等;控制節(jié)節(jié)點的開關功

11、功能。本系統(tǒng)使用用了4個無線線網(wǎng)絡節(jié)點，這這樣能夠組成成一個基本的的無線網(wǎng)絡。并并且根據(jù)情況況做了多種組組網(wǎng)測試：1)1個協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點，33個終端節(jié)點點;2)1個協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點，11個路由器節(jié)節(jié)點，2個終終端節(jié)點;3)1個協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點，22個路由器節(jié)節(jié)點，1個終終端節(jié)點。在2)和33)情況下，根根據(jù)節(jié)點與協(xié)協(xié)調(diào)器節(jié)點之之間距離、各各節(jié)點彼此之之間距離的不不同，又會產(chǎn)產(chǎn)生多種組網(wǎng)網(wǎng)方式。例如如2)情況下下，終端節(jié)點點離協(xié)調(diào)器近近的話，會直直接與協(xié)調(diào)器器連接;而當當搜索不到協(xié)協(xié)調(diào)器時，就就會通過路由由器來連接。圖圖5為3)情情況下的一種種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。圖5所示為C551RF-WWSN網(wǎng)絡監(jiān)監(jiān)控軟件所截截

12、圖，通過此此軟件，可以以實時查看網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)，并并能向各個節(jié)節(jié)點發(fā)送命令令信息，例如如查看網(wǎng)絡狀狀態(tài)，查看信信號質(zhì)量，電電池電量，采采集數(shù)據(jù)信息息等。智能家居系統(tǒng)的的終端節(jié)點可可以包括許多多內(nèi)容，從而而實現(xiàn)一些子子系統(tǒng)。例如如：照明系統(tǒng)統(tǒng)，調(diào)溫系統(tǒng)統(tǒng)，報警系統(tǒng)統(tǒng)，家電控制制系統(tǒng)等。在在我們設計的的無線網(wǎng)絡系系統(tǒng)中，實現(xiàn)現(xiàn)了遠程控制制燈開關照明明;利用DHHT11溫濕濕度傳感器實實現(xiàn)終端節(jié)點點的溫濕度監(jiān)監(jiān)測，其信息息能夠在PCC機上很好的的顯示出來。圖6所示為為傳感器所測測2個路由器器節(jié)點與1個個終端節(jié)點的的溫濕度信息息。6 結(jié)束語語針對我國智能家家居快速發(fā)展展的背景，本本文對基于ZZigBeee

13、技術的智能能家居組網(wǎng)進進行了軟硬件件設計。ZiigBee無無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)以CCC24300無線射頻芯芯片為核心，節(jié)節(jié)省了成本，并并且終端節(jié)點點小巧，放置置靈活，功耗耗極低，提高高了監(jiān)控能力力，再加上采采用樹狀網(wǎng)絡絡結(jié)構(gòu)使得通通信更加可靠靠，易于控制制，非常方便便實用，并且且成 本低廉。因因此，ZiggBee技術術將會有廣闊闊的應用前景景。參考文獻：1 方治華華. 振動系系統(tǒng)特征值靈靈敏度分析的的研究及應用用. 包頭鋼鋼鐵學院學報報, 19997, 166(1): 7074.2 嚴天宏等等. 振動主主動控制中傳傳感器/作動動器最優(yōu)配置置問題的模擬擬退火方法研研究. 振動動與沖擊, 2000, 19(22): 14.3 張