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文檔簡介
1、智能家居系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 摘要:本文主要介紹ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中。提出了一種以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體構(gòu)成,CC2430無線芯片為棱心,選取了合適的ZigBee模塊進(jìn)行了硬件電路設(shè)計。研究并分析了ZigBe技術(shù)。設(shè)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(luò),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(yùn)行穩(wěn)定,達(dá)到了設(shè)計目的,有著廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:智能家居;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);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(jìn)行行數(shù)字化控制制,利用計算算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)術(shù)將與家居生生活有關(guān)的各各種設(shè)備有機(jī)機(jī)地結(jié)合在一一起,進(jìn)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(shù)術(shù)對智能家居居內(nèi)部進(jìn)行無無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)網(wǎng),通過ZiigBee無無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)設(shè)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(shù)術(shù)ZigBeee技術(shù)是一一種強(qiáng)調(diào)極低低耗電、極低低成本的短距距離無線網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù),遵循循IEEE88
3、02.155.4標(biāo)準(zhǔn)。它它專注于低速速率傳輸控制制,網(wǎng)絡(luò)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(luò)擴(kuò)充性強(qiáng)強(qiáng),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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)研制開開發(fā)的,有關(guān)關(guān)組網(wǎng)、安全全和應(yīng)用軟件件方面的技術(shù)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(luò)層和和應(yīng)用層進(jìn)行行了標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備不會會意外泄漏其其標(biāo)識,而且且這種利用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)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(shè)計無線傳感器器網(wǎng)絡(luò)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(luò)采用樹樹狀結(jié)構(gòu),網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中有一個個協(xié)調(diào)器,負(fù)負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處處理、轉(zhuǎn)發(fā)以以及網(wǎng)絡(luò)的管管理。終端節(jié)節(jié)點(傳感器器節(jié)點)上電電復(fù)位后,會會搜索協(xié)調(diào)器器節(jié)點,當(dāng)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(luò)。當(dāng)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(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)后后保持待機(jī)狀狀態(tài),當(dāng)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(jī)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(shè)計本文設(shè)計的的無線傳感器器網(wǎng)絡(luò)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(jī)機(jī)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(qiáng)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(fù)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(shè)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(luò)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(luò)絡(luò)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(chǔ)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(fù)責(zé)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(luò)絡(luò)系統(tǒng)軟件設(shè)設(shè)計 在ZigBBee網(wǎng)絡(luò)中中,只有那些些可以成為ZZigBeee協(xié)調(diào)器的設(shè)設(shè)備才能建立立新網(wǎng)絡(luò)。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(luò)選擇擇一個PANN ID,然然后協(xié)調(diào)器進(jìn)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)態(tài),隨時響應(yīng)應(yīng)其他節(jié)點的的入網(wǎng)請求。ZigBeee網(wǎng)絡(luò)有兩兩種設(shè)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(shè)計計包括網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(jìn)進(jìn)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(yuǎn)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(luò)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(luò)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(luò),確確定網(wǎng)絡(luò)的IID號和頻道道號。之后程程序開始進(jìn)入入監(jiān)測狀態(tài)。如如果有新的設(shè)設(shè)備請求加入入網(wǎng)絡(luò),則為為其分配網(wǎng)絡(luò)絡(luò)地址,批準(zhǔn)準(zhǔn)其加入網(wǎng)絡(luò)絡(luò)。同樣,協(xié)協(xié)調(diào)器接收
10、終終端設(shè)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(jī),或或者從上位機(jī)機(jī)得到命令,發(fā)發(fā)送過終端設(shè)設(shè)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(luò),當(dāng)當(dāng)附近存在網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時,則申申請加入網(wǎng)絡(luò)絡(luò)。之后程序序進(jìn)入待機(jī)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(shè)備,進(jìn)進(jìn)行無線發(fā)送送或接受。當(dāng)當(dāng)事件處理完完時,重新進(jìn)進(jìn)入待機(jī)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu);查詢網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(guān)功
11、功能。本系統(tǒng)使用用了4個無線線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,這這樣能夠組成成一個基本的的無線網(wǎng)絡(luò)。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(dāng)當(dāng)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(luò)結(jié)構(gòu)。圖5所示為C551RF-WWSN網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(shè)計的的無線網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)中,實現(xiàn)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制制燈開關(guān)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(jī)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(shù)的智能能家居組網(wǎng)進(jìn)進(jìn)行了軟硬件件設(shè)計。ZiigBee無無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)絡(luò)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(shù)術(shù)將會有廣闊闊的應(yīng)用前景景。參考文獻(xiàn):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(yīng)用用. 包頭鋼鋼鐵學(xué)院學(xué)報報, 19997, 166(1): 7074.2 嚴(yán)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
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