基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計-課程設(shè)計論文

上海第二工業(yè)大學(xué)本科課程機器人3（論文）題目：基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計基于Zigbee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著生活質(zhì)量的日益改善和生活節(jié)奏的不斷加快，人們的工作、生活日益信息化。信息化社會改變了人們的生活方式與工作習(xí)慣，使得家居系統(tǒng)的智能化成為一種消費需求，智能家居系統(tǒng)越來越被重視。因此，將家庭中各種通信設(shè)備、家用電器和家庭安保裝置通過家居控制系統(tǒng)進行整合，并進行遠(yuǎn)程控制和管理，已經(jīng)成為近年來一個熱門研究課題。關(guān)鍵詞:Zigbee；Z-Stack；CC2530芯片；智能家居The

Design

of

Smart

Home

Control

System

Based

on

ZigBee

TechnologyTechnologyABSTRACTWith

the

development

of

the

science

and

economy，people’slivingstandardimprovesenormously.Peoplemaypaymoreandmoreattentiontotheirlivingenvironment.Information

society

has

changed

people’S

lifestyle

and

work

habits

to

make

intelligent

home

system

a

consumer

demand．Intelligent

home

system

catches

more

and

more

people’S

attention.Thereforethe

topic

about

the

integration

and

management

of

various

communication

equipments

in

home，household

appliances

and

home

security

devices

combined

by

the

intelligent

home

control

system

remotel，has

become

a

hot

research

point

in

recent

years．Keywords:Zigbee;Z-stack;CC2530;SmartHome目錄1緒論11.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)11.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概況11.1.2無線傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀11.1.3無線傳感器的未來前景21.2基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)21.3論文結(jié)構(gòu)32Z-Stack協(xié)議棧42.1Zigbee協(xié)議介紹42.1.1Zigbee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)42.2Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)52.3Z-Stack協(xié)議棧介紹62.3.1尋址62.3.2綁定92.3.3路由協(xié)議92.3.4數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)102.3.5網(wǎng)絡(luò)組建過程102.3.6數(shù)據(jù)接收函數(shù)103智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)133.1系統(tǒng)的整體介紹133.2系統(tǒng)硬件介紹133.2.1各類傳感器模塊133.2.2終端節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚模塊153.3系統(tǒng)軟件介紹163.3.1終端節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚模塊軟件設(shè)計163.3.2上位機（PC機）的監(jiān)控界面184結(jié)論21參考文獻22附錄23緒論1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概況無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指大量的移動的或靜止的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)起源于20世紀(jì)70年代，是一種特殊的無線網(wǎng)絡(luò)，最早應(yīng)用于美國軍方，例如空中預(yù)警控制系統(tǒng)。這種原始的傳感器網(wǎng)絡(luò)只能捕獲單一信號，傳感器節(jié)點只能進行淡淡的點對點通信。1980年美國國防部高級研究計劃局提出了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項目，開啟了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的先例。此項目旨在建立一個由空間分布的低功耗傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點之間相互協(xié)作并自主運行，將信息送達處理的節(jié)點。2003年8月，美國《商業(yè)周刊》將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位成21世紀(jì)高技術(shù)領(lǐng)域的四大支柱型產(chǎn)業(yè)之一，其潛在市場需求十分巨大，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已引起世界各國學(xué)術(shù)界、軍事部門和工業(yè)界的極大關(guān)注。1.1.2無線傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀近幾年來，由于成本的降低，技術(shù)的愈發(fā)成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用在如下幾個領(lǐng)域中：（1）環(huán)境監(jiān)測由于環(huán)境污染問題日益突出，人們對與環(huán)境的保護越來越關(guān)注，對于環(huán)境的監(jiān)測需求相應(yīng)增加。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境監(jiān)測時采集數(shù)據(jù)提供了便利，并且還可以減少對環(huán)境的破壞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。（2）醫(yī)療護理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在醫(yī)療研究和護理領(lǐng)域。英特爾公司推出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護理技術(shù)。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家用設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。（3）軍事領(lǐng)域由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點造價低廉，可以密集隨機的分布在各種惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還存在著如下問題：（1）

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題。

（2）

成本問題。在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展。

（3）系統(tǒng)能量供應(yīng)問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池?zé)o線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。1.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來前景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如智能家居、智能小區(qū)、汽車管理控制等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。1.2基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Zigbee可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）三個頻段上，分別具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10~75m的范圍內(nèi)。根據(jù)Zigbee的技術(shù)本質(zhì)，Zigbee具有下列的幾個特性。（1）低功耗。低功耗是Zigbee重要的特點之一。一般的Zigbee芯片有多種電源管理模式，這些管理模式可以有效的對節(jié)點的工作和休眠進行配置，從而使得系統(tǒng)在不工作時可以關(guān)閉射頻部分，極大地降低了功耗，節(jié)約了電池的能量。（2）低成本。Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單，可以在計算能力和存儲能力都有限的MCU上運行，非常適合于對成本要求苛刻的場合。而且Zigbee芯片的體積較小，隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)發(fā)展，Zigbee芯片的體積將會變得更小，成本也會降得更低。（3）高度擴充性。Zigbee設(shè)備既可以使用64位IEEE網(wǎng)絡(luò)地址，又可以使用支配的16位網(wǎng)絡(luò)地址。在一個單獨的Zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，理論上可以容納最多65536個設(shè)備。（4）安全性高。Zigbee加密算法采用了AES-128，同時各個應(yīng)用程序可以靈活確定其安全屬性。Zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種設(shè)備不會意外泄露其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。（5）時延短。針對時延敏感做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。(6)靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Zigbee支持星型、樹型和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可以單跳，又可以通過路由實現(xiàn)多條的數(shù)據(jù)傳輸。1.3論文結(jié)構(gòu)：緒論。該章介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概況、應(yīng)用現(xiàn)狀和未來前景，然后對Zigbee技術(shù)做了簡短的介紹，講述了Zigbee技術(shù)的相關(guān)特性。：Z-Stack協(xié)議棧。該章從Zigbee協(xié)議介紹到Z-Stack協(xié)議棧的構(gòu)架，并對Zigbee技術(shù)的應(yīng)用范圍作了具體的分析。主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)尋址、綁定、路由協(xié)議、數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)組建過程和數(shù)據(jù)接收函數(shù)。：智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)。該章分別從系統(tǒng)硬件和軟件兩個方面作了具體的闡述。主要包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)匯聚模塊以及上位機監(jiān)控界面等內(nèi)容。并對各個模塊進行了功能測試，包括組網(wǎng)測試、點對點通信測試和網(wǎng)絡(luò)整體測試。：結(jié)論。該章對本文所完成的任務(wù)做了總結(jié)，指出本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)的創(chuàng)新點，并對下一步工作做出明確的方向。2Z-Stack協(xié)議棧2.1Zigbee協(xié)議介紹2.1.1Zigbee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)Zigbee協(xié)議棧定義了四層。物理層和媒體訪問控制層由IEEE802.15.4-2003定義，上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由Zigbee聯(lián)盟定義。應(yīng)用層分別包括ZDO（Zigbee設(shè)備對象），APS（應(yīng)用支持子層）和AF（應(yīng)用框架）組成。Zigbee協(xié)議棧每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)[3]。圖2.1Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖（1）物理層：物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理數(shù)據(jù)服務(wù)單元（PD-SAP）和物理層管理服務(wù)（MLME-SAP)。（2）MAC（介質(zhì)接入控制子層）：MAC層負(fù)責(zé)處理所有物理無線信道的訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供兩個對等的MAC實體之間的可靠鏈路。（3）NWK(網(wǎng)絡(luò)層)：網(wǎng)絡(luò)層是Zigbee協(xié)議棧的核心部分，網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或者離開網(wǎng)絡(luò)、接受或者拋棄節(jié)點、路由查找及維護等功能。（4）APL（應(yīng)用層）：應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（APS）、Zigbee設(shè)備對象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。APS應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運行在節(jié)點上的不同應(yīng)用端點。Zigbee設(shè)備對象負(fù)責(zé)設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請求，完成設(shè)備之間建立安全的關(guān)聯(lián)等。ZDO是一個特殊的應(yīng)用對象，它駐留在每一個Zigbee節(jié)點上，其端點編號固定為0。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點。2.2Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：Coordinator(協(xié)調(diào)器)，Router(路由器)和End-Device(終端設(shè)備)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個Coordinator以及多個Router和多個End_Device組成。圖2.2Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖上圖是一個簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖。其中黑色節(jié)點為Coordinator，紅色節(jié)點為Router，白色節(jié)點為End-Device。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)ID(也稱之為PANID，即PersonalAreaNetworkID)，隨后啟動整個網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定(bindings)。注意，協(xié)調(diào)器的角色主要涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置。一旦這些都完成后，協(xié)調(diào)器的工作就像一個路由器(或者消失goaway)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)本身的分布特性，因此接下來整個網(wǎng)絡(luò)的操作就不在依賴協(xié)調(diào)器是否存在。路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的兒子終端設(shè)備的通訊。通常，路由器希望是一直處于活動狀態(tài)，因此它必須使用主電源供電。但是當(dāng)使用樹群這種網(wǎng)絡(luò)模式時，允許路由間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電。終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以可以是一個電池供電設(shè)備。通常，終端設(shè)備對存儲空間(特別是RAM的需要)比較小。Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有的終端設(shè)備只和協(xié)調(diào)器之間進行通信。樹型網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和多個星型結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點相互通信外，其他只能通過網(wǎng)絡(luò)中的樹型路由完成通信。網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)是在樹型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。與樹型網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點相互通信，由路由器中的路由表完成路由查詢過程。2.3Z-Stack協(xié)議棧介紹TI公司的協(xié)議棧Z-Stack符合ZigBee2006規(guī)范，功能強大，協(xié)議棧底層已實現(xiàn)，對于簡單的應(yīng)用，開發(fā)者只需要在應(yīng)用層開發(fā)即可。Z-Stack還可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線下載節(jié)點更新程序，具備定位感知功能等等。下面對Z-Stack的功能進行介紹。2.3.1尋址地址類型ZigBee設(shè)備有兩種類型的地址。一種是64位IEEE地址，即MAC地址，另一種是16位網(wǎng)絡(luò)地址。64位IEEE地址是一個全球唯一的地址，并且一經(jīng)分配就將跟隨設(shè)備一生。它通常由制造商或者被安裝時設(shè)置。這些地址由IEEE組織來維護和分配。16位網(wǎng)絡(luò)地址是當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配的。它在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，用來在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)地址分配ZigBee使用分布式尋址方案來分配網(wǎng)絡(luò)地址。這個方案保證在整個網(wǎng)絡(luò)中所有分配出去的網(wǎng)絡(luò)地址是唯一的。這一點是必須的，因為這樣才能保證一個具體的數(shù)據(jù)包能夠發(fā)送到它指定的設(shè)備，而不出現(xiàn)混亂。同時，這個尋址算法本身的分布特性保證設(shè)備只能與他的父輩設(shè)備通訊來接收一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。不需要整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)通訊的地址分配，這有助于網(wǎng)絡(luò)的可測量性。 在每個路由加入網(wǎng)絡(luò)之前，尋址方案需要知道和配置一些參數(shù)。這些參數(shù)是MAX_DEPTH，MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN。這些參數(shù)是棧配置的一部分，ZigBee2007協(xié)議棧已經(jīng)規(guī)定了這些參數(shù)的值：MAX_DEPTH=5，MAX_ROUTERS=6和MAX_CHILDREN=20。 MAX_DEPTH決定了網(wǎng)絡(luò)的最大深度。協(xié)調(diào)器(Coordinator)位于深度0，它的兒子位于深度1，他的兒子的的兒子位于深度2，以此類推。MAX_DEPTH參數(shù)限制了網(wǎng)絡(luò)在物理上的長度。 MAX_CHILDREN決定了一個路由(Router)或者一個協(xié)調(diào)器節(jié)點可以處理的兒子節(jié)點的最大個數(shù)。MAX_ROUTER決定了一個路由(Router)或者一個協(xié)調(diào)器(Coordinator)節(jié)點可以處理的具有路由功能的兒子節(jié)點的最大個數(shù)。這個參數(shù)是MAX_CHILDREN的一個子集，終端節(jié)點使用(MAX_CHILDREN–MAX_ROUTER)剩下的地址空間。在Z-Stack中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)深度可在nwk_globals.c文件中設(shè)置，默認(rèn)設(shè)置為HOME_CONTROLS。圖2.3網(wǎng)絡(luò)深度設(shè)置程序圖Z-Stack尋址應(yīng)用程序通常使用AF_DataRequest()函數(shù)向一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包要發(fā)送給一個zAddrType_t(在ZComDef.h中定義)類型的目標(biāo)設(shè)備。圖2.4zAddrType_t結(jié)構(gòu)圖注意，除了網(wǎng)路地址之外，還要指定地址模式參數(shù)。目的地址模式可以設(shè)置為以下幾個值：圖2.5afAddrMode_t結(jié)構(gòu)圖因為在Zigbee中，數(shù)據(jù)包可以點對點傳送(PointToPoint)，組播傳送(Flash)或者廣播傳送，所以必須有地址模式參數(shù)。PointToPoint傳送數(shù)據(jù)包只發(fā)送給一個設(shè)備，圖2.6點播程序圖Flash傳送數(shù)據(jù)包則要傳送給一組設(shè)備，圖2.7組播程序圖Periodic廣播數(shù)據(jù)包則要發(fā)送給整個網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點，圖2.8廣播程序圖2.3.2綁定綁定是指一個節(jié)點與另外一個或幾個節(jié)點間建立地址映射的一種尋址方式。在節(jié)點建立綁定之后，發(fā)送數(shù)據(jù)的時候并不需要知道目的地址是什么，應(yīng)用支持子層會根據(jù)綁定ID查詢它的綁定表來決定目的地址，然后把信息發(fā)送給目的節(jié)點。在Z-Stack中，綁定是通過如下函數(shù)實現(xiàn)的：dstAddr.addrMode=Addr16Bit;//首先設(shè)置尋址模式為網(wǎng)絡(luò)地址尋址dstAddr.addr.shortAddr=0x0000;//目的地址為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址ZDP_EndDeviceBindReq();//發(fā)起綁定請求2.3.3路由協(xié)議ZigBee執(zhí)行基于用于AODV專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。簡化后用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee路由協(xié)議有助于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有能力支持移動節(jié)點，連接失敗和數(shù)據(jù)包丟失。當(dāng)路由器從他自身的應(yīng)用程序或者別的設(shè)備那里收到一個單點發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則網(wǎng)絡(luò)層(NWKLayer)根據(jù)一下程序?qū)⑺^續(xù)傳遞下去。如果目標(biāo)節(jié)點是它相鄰路由器中的一個，則數(shù)據(jù)包直接被傳送給目標(biāo)設(shè)備。否則，路由器將要檢索它的路由表中與所要傳送的數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址相符合的記錄。如果存在與目標(biāo)地址相符合的活動路由記錄，則數(shù)據(jù)包將被發(fā)送到存儲在記錄中的下一級地址中去。如果沒有發(fā)現(xiàn)任何相關(guān)的路由記錄，則路由器發(fā)起路徑尋找，數(shù)據(jù)包存儲在緩沖區(qū)中知道路徑尋找結(jié)束。ZigBee終端節(jié)點不執(zhí)行任何路由功能。終端節(jié)點要向任何一個設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包，它只需簡單的將數(shù)據(jù)向上發(fā)送給它的父親設(shè)備，由它的父親設(shè)備以它自己的名義執(zhí)行路由。同樣的，任何一個設(shè)備要給終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)起路由尋找，終端節(jié)的的父親節(jié)點都已它的名義來回應(yīng)。注意ZigBee地址分配方案使得對于任何一個目標(biāo)設(shè)備，根據(jù)它的地址都可以得到一條路徑。在Z-Stack中，如果萬一正常的路徑尋找過程不能啟動的話(通常由于缺少路由表空間)，那么Z-Stack擁有自動回退機制。此外，在Z-Stack中，執(zhí)行的路由已經(jīng)優(yōu)化了路由表記錄。通常，每一個目標(biāo)設(shè)備都需要一條路由表記錄。但是，通過把一定父親節(jié)點記錄與其子所有子結(jié)點的記錄合并，這樣既可以優(yōu)化路徑也可以不喪失任何功能。2.3.4數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)在Z-Stack中，如果給一個節(jié)點發(fā)送消息，可以用AF_DataRequest()函數(shù)：圖2.9AF_DataRequest()函數(shù)2.3.5網(wǎng)絡(luò)組建過程協(xié)調(diào)器首先從DEFAULT_CHANLIST列表中選擇使用的信道，如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID的值不等于0xFFFF則選取ZDAPP_CONFIG_PAN_ID為PANID，否則選取IEEE地址的最后兩個字節(jié)作為PANID。如果啟動模式是AutoStart，路由器或者終端設(shè)備上電之后就開始搜尋網(wǎng)絡(luò)，如果有合適的網(wǎng)絡(luò)并且該網(wǎng)絡(luò)允許加入，那么就會直接加入該網(wǎng)絡(luò)。如果啟動模式是HOLD_AUTO_START，路由器或者終端設(shè)備上電之后必須等待某一特定時間的發(fā)生來啟動加入網(wǎng)絡(luò)的過程，這時協(xié)議棧會調(diào)用ZDAPP_StartUpFromApp()這個函數(shù)。如果需要路由器或者終端設(shè)備在電池沒電或者重啟之后仍然記住以前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可以在預(yù)編譯選項添加編譯選項NV_RESTORE。2.3.6數(shù)據(jù)接收函數(shù)在Z-Stack中，如果一個節(jié)點接收消息，可以用SampleApp_ProcessEvent()函數(shù)：圖2.10數(shù)據(jù)處理函數(shù)當(dāng)采集節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，觸發(fā)SYS_EVENT_MSG事件，并對AF_INCOMING_MSG_CMD信息做處理：圖2.11數(shù)據(jù)消息接受函數(shù)節(jié)點接收到信息后會存儲在pkt指針指向的結(jié)構(gòu)體中，在應(yīng)用層的函數(shù)SampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)可以用pkt->cmd.Data取出接收到的數(shù)據(jù)，pkt->cmd.DataLength表示的就是該數(shù)據(jù)信息的長度，以下是收到消息的格式的結(jié)構(gòu)體定義：圖2.12afIncomingMSGPacket_t絡(luò)結(jié)構(gòu)圖圖2.13afMSGCommandFormat_t結(jié)構(gòu)圖3智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1系統(tǒng)的整體介紹本文設(shè)計旨在創(chuàng)建一個自主控制的智能家居數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。上位機上位機監(jiān)控RS232RS232數(shù)據(jù)匯聚點數(shù)據(jù)匯聚點Zigbee協(xié)調(diào)器ZigbeeRFZigbeeRFZigbee終端Zigbee終端排氣系統(tǒng)繼電器LEDMQ-2人體傳感器排氣系統(tǒng)繼電器LEDMQ-2人體傳感器DHT11圖3.1智能家居系統(tǒng)框圖3.2系統(tǒng)硬件介紹3.2.1各類傳感器模塊圖3.2DHT11溫濕度傳感器模塊圖3.3人體感應(yīng)傳感器模塊圖3.4繼電器和LED燈模塊圖3.5MQ-2氣體傳感器模塊圖3.6排氣系統(tǒng)模塊3.2.2終端節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚模塊圖3.7終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器圖3.8CC2530發(fā)送模塊原理圖本設(shè)計選擇TI公司的CC2530芯片，它集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機,是支持ZigBee協(xié)議的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530集微處理模塊和無線收發(fā)模塊于一體,集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU,具有優(yōu)良的性能和代碼預(yù)取功能。該芯片具有8KB的RAM,可選32/64/128/256KBflash閃存單元,8路輸入和可配置分辨率的12位A/D轉(zhuǎn)換器,AES安全協(xié)處理器,2個支持多種串行通信協(xié)議的強大USART,21個通用I/O引腳,看門狗定時器,可用的IAR嵌入式工作平臺。由于該芯片具有較高的集成度和豐富的硬件資源,從而簡化了外圍電路。數(shù)據(jù)匯聚模塊主要由CC2530和OLED顯示屏組成。CC2530協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)。對于上位機和傳感器模塊來說，數(shù)據(jù)匯聚模塊是透明的，它只負(fù)責(zé)將上位機發(fā)送的命令通過無線的方式轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器模塊；還有將傳感器模塊上傳的數(shù)據(jù)及時間信息按照一定的格式轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。3.3系統(tǒng)軟件介紹本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR8.1，采用的協(xié)議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0。系統(tǒng)將協(xié)調(diào)器通過串口RS232和上位機（PC）相連，傳感器模塊加入由數(shù)據(jù)匯聚模塊組成的網(wǎng)絡(luò)后，開始采集數(shù)據(jù)并傳給數(shù)據(jù)匯聚模塊，通過串口上傳到上位機。上位機監(jiān)控界面上可以監(jiān)控室內(nèi)的環(huán)境，并能無線控制臺燈的亮滅。3.3.1終端節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚模塊軟件設(shè)計傳感器I/O口的定義及初始化圖3.9傳感器I/O口定義程序圖圖3.10傳感器I/O口初始化任務(wù)功能碼定義及終端的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖3.11任務(wù)功能碼定義和終端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖關(guān)鍵函數(shù)圖3.12SerialApp_ProcessMSGCmd()函數(shù)3.3.2上位機（PC機）的監(jiān)控界面監(jiān)控界面如圖所示，用VC軟件制作，它接收串口傳來的數(shù)據(jù)，可以進行串口端口號和波特率的設(shè)置。串口的配置：波特率115200，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗，1位停止位。設(shè)置好波特率后，就能接收網(wǎng)絡(luò)中工作的傳感器模塊的數(shù)據(jù)和控制相應(yīng)的模塊。圖3.13PC上位機監(jiān)控界面4結(jié)論本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng),采用CC2530芯片設(shè)計主從節(jié)點,硬件結(jié)構(gòu)精簡、體積小、能耗低,所組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組織,自適應(yīng)的特點。通過實驗調(diào)試,該系統(tǒng)基本達到了設(shè)計要求,效果良好。鑒于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好、實現(xiàn)成本低等諸多優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域,尤其適用于數(shù)字家庭、智能大廈控制、小區(qū)安防監(jiān)測等,具有較好的通用性和應(yīng)用前景。參考文獻[1]青島東合信息技術(shù)有限公司.《Zigbee開發(fā)技術(shù)與實踐》.西安電子科技大學(xué)出版社[2]飛比論壇官網(wǎng).[3]孫利民.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》.清華大學(xué)出版社.2005.[4]《Zigbee協(xié)議棧中文說明》[5]《Zigbee技術(shù)實用手冊》.西安達泰電子[6]Z-StackApplicationsUser'sGuide_F8W-2007-0022_.附錄基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究