基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居報(bào)警系統(tǒng)

昆明學(xué)院2023屆畢業(yè)論文〔設(shè)計(jì)〕論文〔設(shè)計(jì)〕題目智能大廈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)子課題題目傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名毛興普學(xué)號(hào)20230417215所屬院系自機(jī)學(xué)院專業(yè)年級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化1班指導(dǎo)教師李云娟老師2023年5月傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要〔中文〕：摘要隨著電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今智能家居系統(tǒng)開(kāi)展的新趨勢(shì)。智能家居系統(tǒng)能夠?yàn)槿祟愄峁└虞p松、有序、高效的現(xiàn)代化生活方式，是未來(lái)居住模式的必然開(kāi)展趨勢(shì)。因此，智能家居系統(tǒng)逐漸成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。智能家居報(bào)警系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，承載著智能家居所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文針對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),通過(guò)對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)分析、比照和研究，采用星狀網(wǎng)絡(luò)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)，對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于智能家居中，并提出一種采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，具有免布線，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，對(duì)家居內(nèi)部各種數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線采集和傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。利用CC2430的ZigBee模塊與各種傳感器設(shè)計(jì)了以IARZmbeddedWorkbench為平臺(tái)，運(yùn)用C語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)的軟件編程，實(shí)現(xiàn)了ZigBee模塊間的無(wú)線通信及智能家居的紅外報(bào)警模塊，到達(dá)低本錢(qián)、高靈活性、通用的ZigBee無(wú)線智能家居報(bào)警控制，并最后完成了實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：ZigBee；智能家居；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；CC2430傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要〔英文〕：AbstractWiththedevelopmentofelectronicinformationtechnologyandcomputernetworktechnology,familyinformation,networkingisthenewtrendofdevelopmentoftoday'ssmarthomesystem.Smarthomesystemcanprovidemankindwithamorerelaxed,orderlyandefficientmodernwayoflife,istheinevitabletrendoffuturesettlementpatterns.Therefore,thesmarthomesystemisbecominganemergingareaof??research.

Inthispaper,thecharacteristicsofintelligenthomenetworkthroughtheintelligenthomenetworkanalysis,comparisonandresearch,theformationofintelligenthomenetworkusingastarnetwork,thedesignandimplementationofintelligenthomenetwork.ZigBeewirelesscommunicationtechnologyusedinsmarthome,andputforwardaZigBeewirelesscommunicationtechnologysmarthomesystemdesign,withtheaFreewiring,maintenance,lowoperationcost,real-timeonlinemonitoring,thevariousdatawirelesslywithinhomeacquisitionandtransmissioncharacteristics.CC2430ZigBeemodulewithavarietyofsensorsdesignedtoIARZmbeddedWorkbenchplatform,usingClanguagesystemsoftwareprogramming,infraredwirelesscommunicationbetweenZigBeemoduleandsmarthomealarmmodule,toachievealowcost,highflexibilityGeneralZigBeewirelesssmarthomealarmcontrolandfinalizationoftheimplementation.Keywords:ZigBee;smarthome;wirelesssensornetworks;CC2430目錄第一章前言61.1智能家居簡(jiǎn)介61.2智能家居系統(tǒng)組成71.3智能家居系統(tǒng)的起源和開(kāi)展71.4智能家居報(bào)警系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外開(kāi)展新趨勢(shì)81.5課題研究的目的和意義101.6本章小結(jié)11第二章智能家居報(bào)警系統(tǒng)122.1概述122.2智能家居報(bào)警系統(tǒng)的分類122.3智能家居報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)132.4智能家居報(bào)警系統(tǒng)的組成142.5方案實(shí)現(xiàn)的過(guò)程15第三章智能家居報(bào)警系統(tǒng)硬件局部的設(shè)計(jì)163.1方案的總體分析16中央控制器163.1.2.1紅外報(bào)警模塊：173.1.2.2光照檢測(cè)模塊：173.1.2.3溫度檢測(cè)模塊：173.2電源管理模塊183.3控制電路模塊183.4涉及到的主要芯片的介紹183.4.1.1控制芯片CC2430183.4.1.2集成放大器LM324233.5硬件原理圖243.6本章小結(jié)28第四章智能家居報(bào)警系統(tǒng)軟件局部的設(shè)計(jì)294.1智能家居相關(guān)技術(shù)294.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)29常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)有30協(xié)議304.2.3.1MAC層324.3軟件設(shè)計(jì)344.4ZigBee智能家居系統(tǒng)354.5ZigBee開(kāi)發(fā)軟件介紹374.6創(chuàng)立工程404.7任務(wù)與事件434.8設(shè)備信息配置464.9建網(wǎng)與入網(wǎng)504.10數(shù)據(jù)通信524.12本章小結(jié)56第五章總結(jié)565.1已實(shí)現(xiàn)的功能575.2存在的缺乏575.3本章小結(jié)57參考文獻(xiàn)57致謝60附錄61附錄1：DS18B20.c代碼61附錄2：DS18B20.h代碼66附錄3：Temp.c代碼67附錄4：Temp.h代碼81第一章前言1.1智能家居簡(jiǎn)介智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能家居-系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案平安防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居平安性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。智能家居是一個(gè)居住環(huán)境，是以住宅為平臺(tái)安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實(shí)施智能家居系統(tǒng)的過(guò)程就稱為智能家居集成。由于智能家居采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的不同，大多數(shù)智能家居系統(tǒng)都采用綜合布線方式，但少數(shù)系統(tǒng)可能并不采用綜合布線技術(shù)，不管哪一種情況，都一定有對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來(lái)完成所需的信號(hào)傳輸任務(wù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是智能家居集成中關(guān)鍵的技術(shù)之一。平安防范技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，在小區(qū)及戶內(nèi)可視對(duì)講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報(bào)警、與家庭有關(guān)的小區(qū)一卡通等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。自動(dòng)控制技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在智能家居控制中心、家居設(shè)備自動(dòng)控制模塊中，對(duì)于家庭能源的科學(xué)管理、家庭設(shè)備的日程管理都有十分重要的作用。音視頻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境舒適性、藝術(shù)性的重要技術(shù)，表達(dá)在音視頻集中分配、背景音樂(lè)、家庭影院等方面，已經(jīng)引起了許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對(duì)21世界產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一[2]。通俗地說(shuō)，它是融合了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)。智能家居將讓用戶有更方便的手段來(lái)管理家庭設(shè)備，比方，通過(guò)家觸摸屏、無(wú)線遙控器、、互聯(lián)網(wǎng)或者語(yǔ)音識(shí)別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場(chǎng)景操作，使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動(dòng)；另一方面，智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動(dòng)運(yùn)行，從而給用戶帶來(lái)最大程度的高效、便利、舒適與平安。1.2智能家居系統(tǒng)組成智能家居系統(tǒng)包含的主要子系統(tǒng)有：家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居〔中央〕控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)〔如TVC平板音響〕、家庭影院與、多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等八大系統(tǒng)。其中，智能家居〔中央〕控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)是必備系統(tǒng)，家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)為可選系統(tǒng)。在智能家居環(huán)境的認(rèn)定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的智能家居才能稱為智能家居[3]。1.2.1家居布線系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)智能住宅需要有一個(gè)能支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、多媒體、家庭自動(dòng)化、保安等多種應(yīng)用的布線系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)也就是智能化住宅布線系統(tǒng)。1.2.2家庭安防系統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)包括如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：門(mén)磁開(kāi)關(guān)、緊急求助、煙霧檢測(cè)報(bào)警、燃?xì)庑孤秷?bào)警、碎玻探測(cè)報(bào)警、紅外微波探測(cè)報(bào)、窗簾探測(cè)報(bào)警等。1.3智能家居系統(tǒng)的起源和開(kāi)展20世紀(jì)80年代初，隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市，住宅電子化〔HE，HomeElectronics〕出現(xiàn)。80年代中期，將家用電器、通信設(shè)備與安保防災(zāi)設(shè)備各自獨(dú)立的功能綜合為一體后，形成了住宅自動(dòng)化概念〔HA，HomeAutomation〕。80年代末，由于通信與信息技術(shù)的開(kāi)展，出現(xiàn)了對(duì)住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過(guò)總線技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國(guó)稱為SmartHome，也就是現(xiàn)在智能家居的原型。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國(guó)聯(lián)合科技公司〔UnitedTechno1ogiesBuildingSystem〕將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國(guó)康乃迪克州〔Conneticut)哈特佛市〔Hartford〕的CityPlaceBuilding時(shí)，才出現(xiàn)了首棟的“智能型建筑〞,從此也揭開(kāi)了全世界爭(zhēng)相建造智能家居的序幕。1979年，美國(guó)的斯坦福研究所提出了將家電及電氣設(shè)備的控制線集成在一起的家庭總線〔HOMEBUS〕，并成立了相應(yīng)的研究會(huì)進(jìn)行研究，1983年美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)組織專門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)始制定家庭電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并于1988年編制了第一個(gè)適用于家庭住宅的電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即：《家庭自動(dòng)化系統(tǒng)與通訊標(biāo)準(zhǔn)》，也有稱之為家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(HBS，HomeBusSystem)。在其制定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)中，智能住宅的電氣設(shè)計(jì)要求必須滿足以下三個(gè)條件，即：1、具有家庭總線系統(tǒng)；2、通過(guò)家庭總線系統(tǒng)提供各種效勞功能；3、能和住宅以外的外部世界相連接。物聯(lián)傳感技術(shù)是全球第一個(gè)利用物聯(lián)網(wǎng)來(lái)控制燈飾及電子電器產(chǎn)品〔我們現(xiàn)在通稱為ZigBee產(chǎn)品〕，并將其作為智能家居主流產(chǎn)品走向了商業(yè)化。ZigBee最初預(yù)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)電子、能源管理、衛(wèi)生保健、家庭自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，ZigBee又獲得了新的應(yīng)用時(shí)機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用最多的就是傳感器或控制單元，這些是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的最根底最核心最廣泛的單元細(xì)胞，而ZigBee能夠在數(shù)千個(gè)微小的傳感傳動(dòng)單元之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以它的通信效率非常高。這種技術(shù)低功耗、抗干擾、高可靠、易組網(wǎng)、易擴(kuò)容，易使用，易維護(hù)、便于快速大規(guī)模部署等特點(diǎn)順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展的要求和趨勢(shì)。目前來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)在智能家居、工業(yè)監(jiān)測(cè)和健康保健等方面的應(yīng)用有很大的融合性。1.4智能家居報(bào)警系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外開(kāi)展新趨勢(shì)隨著智能家居的迅猛開(kāi)展，越來(lái)越多的家居開(kāi)始引進(jìn)智能化系統(tǒng)和設(shè)備。智能化系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容也從單純的方式向多種方式相結(jié)合的方向開(kāi)展。但較之于歐美興旺國(guó)家，我國(guó)的我國(guó)智能家居系統(tǒng)起步稍晚，所以目前市場(chǎng)主流的產(chǎn)品〔系統(tǒng)〕還無(wú)法很好地解決產(chǎn)品本身與市場(chǎng)需求的矛盾，使得智能家居市場(chǎng)的僵冰還沒(méi)有被完全打破，所以很大程度上阻礙了智能家居產(chǎn)業(yè)的開(kāi)展。在此情形之下，從產(chǎn)品〔系統(tǒng)〕的技術(shù)角度上看什么才是解決這個(gè)難題的方法？據(jù)市場(chǎng)調(diào)研顯示，只有智能家居交互平臺(tái)才是最好的手段之一。智能家居交互平臺(tái)是一個(gè)具有交互能力平臺(tái)，并且通過(guò)平臺(tái)能夠把各種不同的系統(tǒng)、協(xié)議、信息、內(nèi)容、控制在不同的子系統(tǒng)中進(jìn)行交互、交換[4]。它具有如下特點(diǎn)：1、每個(gè)子系統(tǒng)都可以脫離交互平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行智能家居交互平臺(tái)中，各個(gè)子系統(tǒng)在脫離交互平臺(tái)時(shí)能夠獨(dú)立運(yùn)行，如果樓寓對(duì)講、家庭報(bào)警、各種電器控制、門(mén)禁、家庭娛樂(lè)等等。個(gè)子系統(tǒng)在交互平臺(tái)管理下運(yùn)行，平臺(tái)能采集各子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。2、不同品牌的產(chǎn)品、不同的控制傳輸協(xié)議能通過(guò)這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行交互由于有了交互平臺(tái)，不同子系統(tǒng)在交戶平臺(tái)的統(tǒng)一管理下，可以協(xié)同工作和運(yùn)行數(shù)據(jù)額交換、共享，給用戶最大限度的選擇權(quán)，充分表達(dá)智能家居的個(gè)性化。同時(shí)，它還具有網(wǎng)關(guān)的功能，通過(guò)交互平臺(tái)，能與廣域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程管理。具有多種主流的控制接口，如RS485、RS232、TCP、IP等，同時(shí)可以擴(kuò)充添加國(guó)內(nèi)外流行的控制接口，如EIB、lonwork、CE-bus、Canbus，以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)如：WiFi、GPRS、藍(lán)牙等。根據(jù)客戶及市場(chǎng)的變化不斷增加各種總線、系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)軟件和硬件接口，豐富多樣的通訊、控制接口，為子系統(tǒng)的多樣選擇提供的根底保障，智能家居有了最大限度包容性，用戶有了更大的選擇余地。3、智能終端〔觸摸屏〕僅做為各子系統(tǒng)的顯示、操作界面整個(gè)系統(tǒng)在平臺(tái)的控制、管理下運(yùn)行，智能終端〔觸摸屏〕僅做為各子系統(tǒng)的顯示、操作界面，多智能終端配置容易可行。同時(shí)，可以記錄各子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、為系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、自學(xué)習(xí)提供依據(jù)。交互平臺(tái)，平臺(tái)可以記錄存儲(chǔ)各系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行可以提供有效的歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)可以根據(jù)歷史的運(yùn)行數(shù)據(jù)，總結(jié)出主人的使用習(xí)慣和某種規(guī)律，讓系統(tǒng)能夠自學(xué)習(xí)。4、控制軟件可編程〔DIY〕，提供信息效勞此系統(tǒng)方便用戶改變控制邏輯、控制方式、操作界面，用戶的控制邏輯、操作界面可以自定義、可以DIY。在現(xiàn)代的智能家居系統(tǒng)中，信息效勞是非常重要的不可或缺的局部，有了信息效勞，它給智能家居更多的“智慧〞、給我們的生活提供更多的信息和資訊、給智能家居賦予更生動(dòng)的生命，它是智能家居更高的境界。信息效勞內(nèi)容包括：健康、烹飪、交通信息、生活常識(shí)、嬰幼兒哺育、兒童教育、日常購(gòu)物、社區(qū)信息、家居控制專家等等，智能家居已不僅僅是面向控制的系統(tǒng)而是信息效勞與控制有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)。5、多種控制手段在日常家居生活中，為了使我們對(duì)家庭的控制系統(tǒng)能隨時(shí)掌控、需要的信息隨時(shí)獲取，操作終端的形式非常重要，多種形式的智能操作終端是必不可少如：智能遙控器、移動(dòng)觸摸屏、電腦、、PDA等。智能家居控制器可以為系統(tǒng)提供智能控制方案，使住戶的控制更便捷，更高效，更能為家庭的日?；顒?dòng)節(jié)約不必要的能耗。隨著科技的提高，經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展，人們的物質(zhì)生活水平的提高，對(duì)家居環(huán)境的要求也越來(lái)越高，作為家居智能化的核心局部——智能家居控制系統(tǒng)也越發(fā)顯得重要[5]。1.5課題研究的目的和意義1.5.1課題目的智能家居報(bào)警系統(tǒng)是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、平安防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居平安性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥淖钚露x，參考ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出報(bào)警系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)：智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、家庭管道控制系統(tǒng)、家庭窗簾控制系統(tǒng)等.在智能家居的認(rèn)定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。1.5.2課題意義智能家居報(bào)警系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將家庭中的各種設(shè)備〔如照明系統(tǒng)、管道控制、安防系統(tǒng)、窗簾控制、網(wǎng)絡(luò)家電〕通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起的，自從美國(guó)在1984真正的智能建筑出現(xiàn)以來(lái)，國(guó)外已經(jīng)有將近30年的研究歷史，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)較晚，從2003年才逐步應(yīng)用于高端市場(chǎng)，而且標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。由于智能家居報(bào)警系統(tǒng)系統(tǒng)具有平安、方便、高效、快捷、智能化和個(gè)性化的獨(dú)特魅力，使得智能家居報(bào)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)成為21世紀(jì)科技開(kāi)展的必然趨勢(shì)。隨著全球?qū)ζ桨埠铜h(huán)境及智能化的要求越來(lái)越高，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居報(bào)警系統(tǒng)具有非常廣闊的市場(chǎng)前景和開(kāi)展空間。1.5.3設(shè)計(jì)要求智能家居報(bào)警系統(tǒng)主要以ZigBee技術(shù)為核心；設(shè)計(jì)圍繞網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)狀拓?fù)渚€路，例如照明傳感器模塊、煤氣傳感器模塊、人體紅外感應(yīng)器等模塊，最后在上位機(jī)上建立家庭信息管理平臺(tái)。通過(guò)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)監(jiān)測(cè)照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可以直接聯(lián)動(dòng)控制相關(guān)受控設(shè)備或?qū)⑿畔l(fā)送至管理平臺(tái)，由信息管理平臺(tái)決策如何處理這些信息。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個(gè)局部。1.5.4研究主要內(nèi)容本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：1、采用ZigBee技術(shù)，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)理；2、設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的節(jié)點(diǎn)單元控制軟件；3、重要報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)注意：軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。1.6本章小結(jié)首先對(duì)智能家居報(bào)警系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，包括智能家居的定義和國(guó)內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的開(kāi)展，接著對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)于智能家居報(bào)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅為家居智能化提供靈活簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省去了浪費(fèi)在布線上的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的特點(diǎn)。第二章智能家居報(bào)警系統(tǒng)2.1概述智能家居報(bào)警系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中重要的一環(huán)，它為人們舒適的生活提供了保障，在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在盡可能保持統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的前提下，針對(duì)各種信號(hào)類型選擇適宜的總線或者無(wú)線技術(shù)并設(shè)計(jì)主控器已成為智能家居建設(shè)的首要問(wèn)題。在有線方式中，各類傳感器和控制器的連接通過(guò)總線，它的優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化各功能單元的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)就是布線多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計(jì)選擇的問(wèn)題。針對(duì)智能家居中采用有線方式存在的問(wèn)題，本文提出了一種采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的新型智能家居報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)中的檢測(cè)、中央處理、控制等各個(gè)模塊。智能家居報(bào)警系統(tǒng)主要以ZigBee技術(shù)為核心；設(shè)計(jì)圍繞網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)狀拓?fù)渚€路通過(guò)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可以直接聯(lián)動(dòng)控制相關(guān)受控設(shè)備或?qū)⑿畔l(fā)送至管理平臺(tái)，由信息管理平臺(tái)決策如何處理這些信息。2.2智能家居報(bào)警系統(tǒng)的分類家庭報(bào)警系統(tǒng)主要包括防盜報(bào)警，火災(zāi)報(bào)警，燃?xì)庑孤﹫?bào)警，緊急求救報(bào)警四大類。在我們平時(shí)居家生活中，家庭平安主要包括兩種不同的平安對(duì)象，首先是人身和家庭財(cái)產(chǎn)的平安，其次是家庭設(shè)備的平安。家居報(bào)警實(shí)際上是將家庭控制設(shè)備連接到報(bào)警設(shè)施上，實(shí)現(xiàn)對(duì)非法闖入的盜竊、搶劫行為和突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，搶救和保護(hù)的功能。從功能上細(xì)分，還可分為可視對(duì)講、周界防范、家居平安、緊急求助、無(wú)線報(bào)警、聲光報(bào)警、防挾持報(bào)警等。而家居安防報(bào)警又包括了防盜報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警和煤氣泄露報(bào)警等等。家庭中所有的平安探測(cè)裝置，如消防類(煙感、煤氣泄漏報(bào)警器等)、防盜類(門(mén)磁、窗磁、各種監(jiān)測(cè)器、防盜幕簾、緊急求救按鈕等)，都連接到家庭智能終端，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生警報(bào)時(shí)，家庭智能終端將警情根據(jù)設(shè)置進(jìn)行各種操作，包括：?jiǎn)?dòng)警鈴和聯(lián)動(dòng)設(shè)備、撥打設(shè)定的報(bào)警。如與社區(qū)系統(tǒng)相連，還可同時(shí)把警情送往小區(qū)監(jiān)控效勞器。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)在的家庭安防概念已由原來(lái)的單純性個(gè)體防護(hù)逐漸轉(zhuǎn)向多媒體，互聯(lián)網(wǎng)式防護(hù)，不管在哪種情況下發(fā)生危險(xiǎn)，系統(tǒng)都可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。大大提高了家居的平安系數(shù)2.3智能家居報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)智能家居報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵是家庭智能化技術(shù)的應(yīng)用，如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)科技等的綜合運(yùn)用，由于它的綜合性和復(fù)雜性，使得其軟硬件設(shè)計(jì)都必須本著一定的設(shè)計(jì)原那么，下面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.2.3.1硬件選取原那么1〕先進(jìn)性：系統(tǒng)硬件應(yīng)具有先進(jìn)性，防止短期內(nèi)因技術(shù)陳舊而造成整個(gè)系統(tǒng)性能不高或過(guò)早淘汰.2〕成熟性：在充分考慮先進(jìn)性的同時(shí)，系統(tǒng)硬件應(yīng)立足于用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的具體需求，應(yīng)選擇先進(jìn)、適用、成熟技術(shù)的產(chǎn)品，最大限度的發(fā)揮投資效益.3〕可靠性：系統(tǒng)無(wú)論在硬件上還是在軟件上都應(yīng)采取多種保護(hù)措施，保證系統(tǒng)24小時(shí)不間斷正常運(yùn)行，同時(shí)還應(yīng)充分考慮系統(tǒng)權(quán)限平安措施，進(jìn)一步保證系統(tǒng)的可靠性。4〕開(kāi)放性：無(wú)論是系統(tǒng)設(shè)備還是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都應(yīng)具有良好的開(kāi)放性.網(wǎng)絡(luò)化的目的是實(shí)現(xiàn)設(shè)備和信息的共享。因此網(wǎng)絡(luò)要具有開(kāi)放性并應(yīng)提供標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶可根據(jù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展或升級(jí).5〕兼容性:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的選擇和相關(guān)產(chǎn)品的選擇要以先進(jìn)性和適用性為根底，同時(shí)考慮兼容性.系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選擇根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，防止因兼容性差而造成的系統(tǒng)難以升級(jí)或擴(kuò)展.6〕實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)硬件應(yīng)具有實(shí)時(shí)處理和快速響應(yīng)的能力.2.3.2軟件設(shè)計(jì)原那么1〕可靠性和平安性：系統(tǒng)軟件應(yīng)24小時(shí)可靠運(yùn)行，并充分考慮系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置等多種保護(hù)措施，保證數(shù)據(jù)的平安性.2〕界面友好：系統(tǒng)軟件應(yīng)操作方便，采用中文圖形界面，運(yùn)用多媒體技術(shù)，使系統(tǒng)具有處理聲音及圖像的能力，更能適應(yīng)不同層次，不同年齡用戶的使用要求。3〕可擴(kuò)沖性：系統(tǒng)軟件應(yīng)提供二次開(kāi)發(fā)的功能，便于屢次升級(jí)和支持硬件產(chǎn)品的更新.4〕模塊化：根據(jù)家庭的實(shí)際需要選擇安裝不同的功能組件，以適應(yīng)不同用戶的需要2.4智能家居報(bào)警系統(tǒng)的組成系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，即主節(jié)點(diǎn)，與智能家居設(shè)備相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，即分節(jié)點(diǎn)，每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器，功能控制驅(qū)動(dòng)模塊和相應(yīng)的家具設(shè)備構(gòu)成。本系統(tǒng)采用華凡公司的HFZ—SmartRF04EB+CC2430EM模塊作為協(xié)調(diào)器。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，突出ZigBee的框架性，節(jié)點(diǎn)硬件采取了簡(jiǎn)化措施，具體如下。無(wú)線燈控、電動(dòng)窗簾、空調(diào)開(kāi)關(guān)、管道開(kāi)關(guān)都由單一IO口P1.4控制，模擬開(kāi)關(guān)動(dòng)作。防盜報(bào)警和門(mén)迎都采用熱釋紅外傳感技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)相同。煤氣報(bào)警采用催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器。照度監(jiān)測(cè)使用電池做傳感器。組成框圖如圖2-1所示。圖2-1智能家居系統(tǒng)的組成2.5方案實(shí)現(xiàn)的過(guò)程本文任務(wù)提出的功能控制驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口，并作為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其與相對(duì)應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器功能的分節(jié)點(diǎn)和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個(gè)ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊，與各個(gè)設(shè)備、節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信。此方案的設(shè)計(jì)靈活性好，擴(kuò)展性好。系統(tǒng)的工作流程是：首先智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器〔主節(jié)點(diǎn)〕建立ZigBee智能網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器〔分節(jié)點(diǎn)〕隨后參加該網(wǎng)絡(luò)，他們共同組成一個(gè)星狀的ZigBee無(wú)限家居網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢測(cè)或接收傳感器的報(bào)警信號(hào)后，主節(jié)點(diǎn)找到與該家具設(shè)備相連的分節(jié)點(diǎn)的ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點(diǎn)所在房間的路由器，路由器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)收到信息后，切入功能驅(qū)動(dòng)模塊，功能驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)該家居設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而完成智能家居的報(bào)警操作和處理.第三章智能家居報(bào)警系統(tǒng)硬件局部的設(shè)計(jì)3.1方案的總體分析本著模塊化的設(shè)計(jì)思想，本文提到的設(shè)計(jì)方案被分為三個(gè)模塊，即中央控制模塊、信息檢測(cè)模塊，以及家居報(bào)警控制模塊。3.1.1中央控制模塊監(jiān)測(cè)子網(wǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可以直接聯(lián)動(dòng)控制相關(guān)受控設(shè)備或?qū)⑿畔l(fā)送至中央控制模塊，由管理平臺(tái)處理這些信息。.1中央控制器CC2430基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家居的設(shè)計(jì)，我們選擇了技術(shù)成熟、低耗高能的ZigBee技術(shù)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，硬件上面，我們選擇了被廣泛應(yīng)用于ZigBee模塊的控制芯片CC2430。圖2-2為CC2430的最小系統(tǒng)原理圖。圖2-2CC2430最小系統(tǒng)原理圖CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為根底的2.4GHzISM波段應(yīng)用，及對(duì)低本錢(qián)，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kByte來(lái)優(yōu)化復(fù)雜度與本錢(qián)的組合。3.1.2信號(hào)檢測(cè)模塊信號(hào)檢測(cè)模塊，由于檢測(cè)模塊很多，用戶可根據(jù)自己需要自己添加，在本文我們主要設(shè)計(jì)了兩個(gè)子模塊，即紅外報(bào)警模塊，光照監(jiān)測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊。.1紅外報(bào)警模塊：一開(kāi)始的設(shè)計(jì)思路是圍繞著激光技術(shù)來(lái)做，鑒于價(jià)格過(guò)高，且實(shí)用性不好，放棄了使用激光技術(shù)的想法。后來(lái)發(fā)現(xiàn)使用廉價(jià)的紅外線對(duì)管也可以做到，便著手設(shè)計(jì)紅外對(duì)管相關(guān)的紅外檢測(cè)電路。設(shè)計(jì)的電路原理是沒(méi)有物體入侵時(shí)，使用一個(gè)比擬器，檢測(cè)電路送出低電平，輸出端沒(méi)有反響。當(dāng)有物體入侵時(shí)，檢測(cè)電路送出高電平，給ZigBee模塊送出信號(hào)。.2光照檢測(cè)模塊：與紅外報(bào)警模塊類似，使用一個(gè)比擬器，當(dāng)光線充足的時(shí)候，光敏電阻阻值很小，輸出端送出低電平，當(dāng)光線變暗的時(shí)候，光敏電阻阻值很大，輸出端送出高電平，給ZigBee模塊送出信號(hào)。.3溫度檢測(cè)模塊：使用廣泛被采納的DS18B20，溫度傳感器，使得檢測(cè)電路十分簡(jiǎn)單，僅僅由這個(gè)傳感器構(gòu)成即可，監(jiān)測(cè)到的溫度會(huì)時(shí)事發(fā)送數(shù)據(jù)到主控中心。3.2電源管理模塊兩個(gè)檢測(cè)模塊的供電是5V的直流電源，可以使用電池供電。為了方便，本文設(shè)計(jì)了一塊給檢測(cè)模塊和控制模塊供電的電源管理模塊。原理主要就是利用變壓器線圈降壓后用橋式電路整流與濾波，從而實(shí)現(xiàn)從交流220V到直流5V，為模塊穩(wěn)壓供電。3.3控制電路模塊主控ZigBee模塊處理之后會(huì)送出持續(xù)的高電平，從而帶動(dòng)繼電器工作以到達(dá)弱電控制強(qiáng)電的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)警報(bào)、燈具的控制。3.4涉及到的主要芯片的介紹3.4.1.1控制芯片CC2430〔1〕CC2430的尺寸與組成CC2430的尺寸只有7×7mm48-pin的封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18µmCMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。這可實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶處理器，RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲(chǔ)器整合在同一個(gè)硅晶片上。針對(duì)協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件的執(zhí)行對(duì)MCU處理能力的要求，CC2430包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)鐘32MHz。由于更快的執(zhí)行時(shí)間和通過(guò)除去被浪費(fèi)掉的總線狀態(tài)的方式，使得使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集的CC2430增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。CC2430包含一個(gè)DMA控制器。8k字節(jié)靜態(tài)RAM，其中的4k字節(jié)是超低功耗SRAM。32k，64k或128k字節(jié)的片內(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲(chǔ)器。CC2430集成了4個(gè)振蕩器用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)操作：一個(gè)32MHz晶體振蕩器，一個(gè)16MHzRC-振蕩器，一個(gè)可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個(gè)可選的32.768kHzRC振蕩器。CC2430也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。一個(gè)AES協(xié)處理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4MAC平安所需的〔128位關(guān)鍵字〕AES的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)盡可能少的占用微控制器。中斷控制器為總共18個(gè)中斷源提供效勞，他們中的每個(gè)中斷都被賦予4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)中的某一個(gè)。調(diào)試接口采用兩線串行接口，該接口被用于在電路調(diào)試和外部Flash編程。I/O控制器的職責(zé)是21個(gè)一般I/O口的靈活分配和可靠控制。CC2430包括四個(gè)定時(shí)器：一個(gè)16位MAC定時(shí)器，用以為IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定時(shí)以及為IEEE802.15.4的MAC層提供定時(shí)。一個(gè)一般的16位和兩個(gè)8位定時(shí)器，支持典型的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比擬輸出和PWM功能。CC2430內(nèi)集成的其他外設(shè)有:實(shí)時(shí)時(shí)鐘；上電復(fù)位；8通道，8－14位ADC；可編程看門(mén)狗；兩個(gè)可編程USART，用于主/從SPI或UART操作。為了更好的處理網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作的帶寬，CC2430集成了大多數(shù)對(duì)定時(shí)要求嚴(yán)格的一系列IEEE802.15.4MAC協(xié)議，以減輕微控制器的負(fù)擔(dān)。這包括：*自動(dòng)前導(dǎo)幀發(fā)生器*同步字插入/檢測(cè)*CRC-16校驗(yàn)*CCA*信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)/數(shù)字RSSI*連接品質(zhì)指示(LQI)*CSMA/CA協(xié)處理器〔2〕、CC2430的射頻及模擬收發(fā)器CC2430的接收器是基于低-中頻結(jié)構(gòu)之上的，從天線接收的RF信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大并經(jīng)下變頻變?yōu)?MHz的中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大，在通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。自動(dòng)增益控制，信道過(guò)濾，解調(diào)在數(shù)字域完成以獲得高精確度及空間利用率。集成的模擬通道濾波器可以使工作在2.4GHzISM波段的不同系統(tǒng)良好的共存。在發(fā)射模式下，位映射和調(diào)制是根據(jù)IEEE802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成的。調(diào)制(和擴(kuò)頻)通過(guò)數(shù)字方式完成。被調(diào)制的基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器再由單邊帶調(diào)制器進(jìn)行低通濾波和直接上變頻變?yōu)樯漕l信號(hào)。最終，高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)片內(nèi)功率放大器放大以到達(dá)可設(shè)計(jì)的水平。射頻的輸入輸出端口是獨(dú)立的，他們分享兩個(gè)普通的PIN引腳。CC2430不需要外部TX/RX開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)已集成在芯片內(nèi)部。芯片至天線之間電路的構(gòu)架是由平衡/非平衡器與少量低價(jià)電容與電感所組成?？商娲?，一個(gè)平衡式天線，如對(duì)折式偶極天線也是可以實(shí)現(xiàn)上述功能的。集成在內(nèi)部的頻率合成器可去除對(duì)環(huán)路濾波器和外部被動(dòng)式壓控振蕩器的需要。晶片內(nèi)置的偏壓可變電容壓控振蕩器工作在一倍本地振蕩頻率范圍，另搭配了二分頻電路，以提供四相本地振蕩信號(hào)給上、下變頻綜合混頻器使用?！?〕、芯片主要特點(diǎn)：CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU〔8051〕，具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器〔Timer〕、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器〔Watchdogtimer〕、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(PowerOnReset)、掉電檢測(cè)電路(Brownoutdetection)，以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。◆高性能和低功耗的8051微控制器核?！艏煞螴EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)?！魞?yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性?！粼谛菝吣Ｊ綍r(shí)僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng);在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。◆硬件支持CSMA/CA功能?！糨^寬的電壓范圍〔2.0～3.6V〕。◆數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能?！艟哂须姵乇O(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能?！艏闪?4位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC?！艏葾ES平安協(xié)處理器?！魩в?個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器?！魪?qiáng)大和靈活的開(kāi)發(fā)工具?！?〕、CC2430的引腳與I/O端口CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封裝,共有48個(gè)引腳。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。1〕I/O端口線引腳功能：CC2430有21個(gè)可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR存放器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。I/O口有下面的關(guān)鍵特性：◆可設(shè)置為通常的I/O口，也可設(shè)置為外圍I/O口使用?！粼谳斎霑r(shí)有上拉和下拉能力?！羧?1個(gè)數(shù)字I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。如果需要外部設(shè)備，可對(duì)I/O口引腳產(chǎn)生中斷，同時(shí)外部的中斷事件也能被用來(lái)喚醒休眠模式。1～6〔P1_2～P1_7〕：具有4mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。8，9〔P1_0，P1_1〕：有20mA的驅(qū)動(dòng)能力。11～18腳〔P0_0～P0_7〕：具有4mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。43，44，45，46，48腳〔P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0〕：具有4mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。2〕電源線引腳功能：7腳〔DVDD〕：為I/O提供2.0～3.6V工作電壓。20腳〔AVDD_SOC〕：為模擬電路連接2.0～3.6V的電壓。23腳〔AVDD_RREG〕：為模擬電路連接2.0～3.6V的電壓。24腳〔RREG_OUT〕：為25，27～31，35～40引腳端口提供1.8V的穩(wěn)定電壓。25腳(AVDD_IF1)：為接收器波段濾波器、模擬測(cè)試模塊和VGA的第一局部電路提供1.8V電壓。27腳〔AVDD_CHP〕：為環(huán)狀濾波器的第一局部電路和充電泵提供1.8V電壓。28腳〔VCO_GUARD〕：VCO屏蔽電路的報(bào)警連接端口。29腳〔AVDD_VCO〕:為VCO和PLL環(huán)濾波器最后局部電路提供1.8V電壓。30腳〔AVDD_PRE〕:為預(yù)定標(biāo)器、Div2和LO緩沖器提供1.8V的電壓。31腳〔AVDD_RF1〕：LNA、前置偏置電路和PA提供1.8V的電壓。33腳〔TXRX_SWITCH〕:為PA提供調(diào)整電壓。35腳〔AVDD_SW〕:為L(zhǎng)NA/PA交換電路提供1.8V電壓。36腳〔AVDD_RF2〕:為接收和發(fā)射混頻器提供1.8V電壓。37腳〔AVDD_IF2〕:為低通濾波器和VGA的最后局部電路提供1.8V電壓。38腳〔AVDD_ADC〕:為ADC和DAC的模擬電路局部提供1.8V電壓。39腳〔DVDD_ADC〕:為ADC的數(shù)字電路局部提供1.8V電壓。40腳〔AVDD_DGUARD〕:為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。41腳〔AVDD_DREG〕:向電壓調(diào)節(jié)器核心提供2.0～3.6V電壓。42腳〔DCOUPL〕：提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用。47腳〔DVDD〕：I/O端口提供2.0～3.6V的電壓?？刂凭€引腳功能：10腳〔RESET_N〕:復(fù)位引腳，低電平有效。19腳〔XOSC_Q2〕:32MHz的晶振引腳2。21腳〔XOSC_Q1〕:32MHz的晶振引腳1，或外部時(shí)鐘輸入引腳。22腳〔RBIAS1〕:為參考電流提供精確的偏置電阻。26腳〔RBIAS2〕:提供精確電阻，3kΩ，±1%。32腳〔RF_P〕:在RX期間向LNA輸入正向射頻信號(hào)；在TX期間接收來(lái)自PA的輸入正向射頻信號(hào)。34腳〔RF_N〕:在RX期間向LNA輸入負(fù)向射頻信號(hào)；在TX期間接收來(lái)自PA的輸入負(fù)向射頻信號(hào)。43腳(P2_4/XOSC_Q2):32.768kHzXOSC的2.3端口。44腳(P2_4/XOSC_Q1):32.768kHzXOSC的2.4端口[13]。.2集成放大器LM324LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+〞、“-〞為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+〞、“V-〞為正、負(fù)電源端，“Vo〞為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-〔-〕為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+〔+〕為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同[15]?！?〕LM324的特點(diǎn)1、短路保護(hù)輸出。2、真差動(dòng)輸入級(jí)。3、可單電源工作：3V-32V。4、低偏置電流：最大100nA。5、每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。6、具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?、共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源。8、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列。9、輸入端具有靜電保護(hù)功能這個(gè)是最常用的運(yùn)算放大器1，2，3腳是一組5，6，7腳是一組，8，9，10腳是一組，12，13，14腳是一組，剩下的兩個(gè)腳是電源，1，7，8，14是各組放大器的輸出腳，其它的就是輸入腳。至于使用地方，那就是你需要比擬器和運(yùn)算放大器的所有地方你都可以用，我們提到的設(shè)計(jì)就是把它當(dāng)做簡(jiǎn)單的比擬器來(lái)使用。結(jié)構(gòu)引腳如圖2-4所示。圖2-4LM324結(jié)構(gòu)引腳圖3.5硬件原理圖3.5.1紅外檢測(cè)模塊原理圖如圖3-1所示。圖3-1紅外檢測(cè)電路原理圖工作原理：如圖3-2所示，當(dāng)紅外對(duì)管發(fā)射并接收紅外線的時(shí)候，電路接通，比擬器＋端相當(dāng)于直接接地，即0V電壓，－端輸出為調(diào)整好的２.５V電壓，故比擬器OUT端輸出低電平。當(dāng)有物體阻隔紅外線的時(shí)候，紅外對(duì)管的接收管阻隔斷開(kāi)，比擬器＋端接入VCC，即５V電壓，故比擬器OUT端輸出高電平，產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)。接入ZigBee紅外檢測(cè)模塊的P1.4口。實(shí)物圖如圖3-2所示。圖3-2紅外檢測(cè)模塊實(shí)物圖3.5.2光照檢測(cè)模塊原理圖如圖3-3所示。圖3-3光照檢測(cè)電路原理圖工作原理：光敏電阻在有光照的情況下，呈現(xiàn)極小的的電阻，可以看做沒(méi)有電阻。電路在白天工作的時(shí)候，光照在光敏電阻上，如下圖比擬器的－端的電壓會(huì)是５V，而＋端顯示固定的2.5V，故比擬器輸出低電平。當(dāng)電路在黑暗的情況下工作時(shí)，與上面相反，－端的電壓這個(gè)時(shí)候由于光敏電阻的阻值近似無(wú)限大，所以輸出近似0V的電壓，＋端依舊是2.5V，所以電路的OUT端輸出高電平，產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)。正常工作的時(shí)候是在無(wú)光照的情況下產(chǎn)生并發(fā)送一個(gè)高電平。3.5.3溫度檢測(cè)模塊原理圖如圖3-5所示。圖3-5溫度檢測(cè)電路原理圖工作原理：DS18B20作為應(yīng)用很廣的溫度傳感器，設(shè)計(jì)電路的時(shí)候不需要外加其他的元器件，以串行通信的方式將采集到的溫度信息傳送到ZigBee模塊上，接入模塊的P1.1口。3.5.4電源管理模塊原理圖如圖3-7所示。圖3-75V電源原理圖工作原理：220V的交流電先經(jīng)過(guò)線圈的變壓作用，把其轉(zhuǎn)變?yōu)?V左右的交流電，在經(jīng)過(guò)橋式整流電路，使其轉(zhuǎn)變?yōu)?V的直流電。后續(xù)電路經(jīng)過(guò)濾波，穩(wěn)壓，最后在輸出端輸出穩(wěn)定的5V電壓，可作為設(shè)計(jì)需求的電源使用。3.5.5電器控制模塊原理圖如圖3-9所示。圖3-9電器控制電路原理圖工作原理：利用簡(jiǎn)單的繼電器來(lái)控制居家電器。兩個(gè)繼電器的直流端，一端接入固定的3.3V電壓，另一端接在輸出端口上。電路正常工作的時(shí)候，兩個(gè)輸出端口都是3.3V，故不會(huì)產(chǎn)生電壓差，沒(méi)有信號(hào)輸出。滿足條件以后，輸出端口產(chǎn)生持續(xù)的低電平，控制電路即產(chǎn)生壓降，形成回路，啟動(dòng)繼電器以及警報(bào)燈工作。實(shí)物圖如圖3-10所示。3.6本章小結(jié)針對(duì)智能家居報(bào)警的特點(diǎn)和開(kāi)展趨勢(shì)，本章首先介紹了系統(tǒng)組成，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)局部進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原那么。最后給出了硬件局部的設(shè)計(jì)思路，并且分析了所用到的主要芯片.對(duì)給出的硬件的幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)及電路原理圖，仿真電路還有其工作原理.第四章智能家居報(bào)警系統(tǒng)軟件局部的設(shè)計(jì)4.1智能家居相關(guān)技術(shù)智能家居系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是信息傳輸與智能控制。電力載波技術(shù)、綜合布線技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是當(dāng)前智能家居系統(tǒng)中信息傳輸和智能控制的三大主要技術(shù)。電力線載波技術(shù)可通過(guò)電線互相“說(shuō)話〞，無(wú)需重新布線，但存在噪聲干擾強(qiáng)、信號(hào)會(huì)在傳輸過(guò)程中衰減等缺點(diǎn)。綜合布線技術(shù)需要重新額外布設(shè)弱電控制線，信號(hào)比擬穩(wěn)定，比擬適合于樓宇和小區(qū)智能化等大區(qū)域范圍的控制。但安裝比擬復(fù)雜，造價(jià)較高，工期較長(zhǎng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過(guò)紅外線、藍(lán)牙、ZigBee等技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類電子設(shè)備的互聯(lián)互通與智能控制。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可提供更大的靈活性、流動(dòng)性，省去了花在綜合布線上的費(fèi)用和精力，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。紅外IrDA技術(shù)比擬成熟，但必須直線視距連接；藍(lán)牙適合于語(yǔ)音業(yè)務(wù)及需要更高數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)，如移動(dòng)、耳機(jī)等；ZigBee作為一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低本錢(qián)的技術(shù)，更適合于家庭自動(dòng)化、平安保障系統(tǒng)及進(jìn)行低數(shù)據(jù)率傳輸?shù)牡捅惧X(qián)設(shè)備，ZigBee是智能家居的最理想選擇[9]。4.2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所謂無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，既包括允許用戶建立遠(yuǎn)距離無(wú)線連接的全球語(yǔ)音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，也包括為近距離無(wú)線連接進(jìn)行優(yōu)化的紅外線技術(shù)及射頻技術(shù)，與有線網(wǎng)絡(luò)的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無(wú)線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)互為備份[6]。無(wú)線技術(shù)也分不同種類，通常以產(chǎn)生無(wú)線信號(hào)的方式來(lái)區(qū)分，目前主要的方式有調(diào)頻無(wú)線技術(shù)、紅外無(wú)線技術(shù)和藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)三種，其本錢(qián)和特點(diǎn)也不盡相同。廣泛應(yīng)用于音響鍵鼠等各項(xiàng)內(nèi)容，有很好的開(kāi)展前景。4.2.1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)4.2.1.1常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802.11a：使用5GHz頻段，傳輸速度54Mbps，與802.11b不兼容。IEEE802.11b：使用2.4GHz頻段，傳輸速度11Mbps。IEEE802.11g：使用2.4GHz頻段，傳輸速度主要有54Mbps、108Mbps，可向下兼容802.11b。IEEE802.11n草案：使用2.4GHz頻段，傳輸速度可達(dá)300Mbps，目前標(biāo)準(zhǔn)尚為草案，但產(chǎn)品已層出不窮。目前IEEE802.11b最常用，但I(xiàn)EEE802.11g更具下一代標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)力，802.11n也在快速開(kāi)展中。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)含有確保訪問(wèn)控制和加密的兩個(gè)局部，這兩個(gè)局部必須在無(wú)線LAN中的每個(gè)設(shè)備上配置。擁有成百上千臺(tái)無(wú)線LAN用戶的公司需要可靠的平安解決方案，可以從一個(gè)控制中心進(jìn)行有效的管理。缺乏集中的平安控制是無(wú)線LAN只在一些相對(duì)較的小公司和特定應(yīng)用中得到使用的根本原因。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種機(jī)理來(lái)提供無(wú)線LAN的訪問(wèn)控制和保密：效勞配置標(biāo)識(shí)符〔SSID〕和有線等效保密〔WEP〕。還有一種加密的機(jī)制是通過(guò)透明運(yùn)行在無(wú)線LAN上的虛擬專網(wǎng)〔VPN〕來(lái)進(jìn)行的。SSID，無(wú)線LAN中經(jīng)常用到的一個(gè)特性是稱為SSID的命名編號(hào)，它提供低級(jí)別上的訪問(wèn)控制。SSID通常是無(wú)線LAN子系統(tǒng)中設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)名稱；它用于在本地分割子系統(tǒng)。WEP，IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種稱為有線等效保密〔或稱為WEP〕的可選加密方案，提供了確保無(wú)線LAN數(shù)據(jù)流的機(jī)制。WEP利用一個(gè)對(duì)稱的方案，在數(shù)據(jù)的加密和解密過(guò)程中使用相同的密鑰和算法[7]。4.2.1.2協(xié)議ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低本錢(qián)的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、平安和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議棧的物理層、MAC即是IEEE802.15.4協(xié)議。IEEE802.15.4能支持消耗功率最少，一般在個(gè)人活動(dòng)空間〔10m直徑或更小〕工作的簡(jiǎn)單器件。IEEE802.15.4支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即單跳星形或?dāng)通信線路超過(guò)10m時(shí)的多跳對(duì)等拓?fù)洹５菍?duì)等拓?fù)涞倪壿嫿Y(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層定義[11]。.1物理層IEEE802．15．4．2003有兩個(gè)物理層，分別操作于868／915MHz和2．4GHz頻率范圍。低頻率物理層包括868MHz歐洲頻段和在美國(guó)和澳大利亞等國(guó)家使用的915MHz頻段，高頻率物理層是供全世界使用的。ZigBee物理層主要負(fù)責(zé)處理以下一些任務(wù)：1、無(wú)線發(fā)射機(jī)的激活和關(guān)閉；2、信道能量檢測(cè)：3、接收分組的鏈路質(zhì)量指示(LQI)；4、基于CSMA—CA的空閑信道評(píng)估(CCA)；5、信道頻率選擇；6、數(shù)據(jù)傳輸和接收。ZigBee設(shè)備在不同頻段的比特率、碼片率以及調(diào)制方式如表1所示：表1頻段和數(shù)據(jù)率物理層/MHz頻段/MHz擴(kuò)頻參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)碼片率/(kcpips/s)調(diào)制比特率/(kb/s)符號(hào)率/(ksymbol/s)符號(hào)868、915868~868.6300BPSK2020二進(jìn)制902~928600BPSK4040二進(jìn)制24502400~2483.520000—QPSK25062.516位正交ZigBee三個(gè)頻段共有27個(gè)信道，編號(hào)從0—26。其中2．4GHz頻段有16個(gè)信道，915Etz頻段有10個(gè)信道，868MHz頻段有1個(gè)信道。這些信道的中心頻率定義如下：Fc=868．3MHz，k=0Fc=906+2(k一1)MHz，k=1，2，…，10Fc=2405+5(k一11)MHz，k=1l，12，…，26其中k表示信道號(hào)碼。圖4PHY模型示意圖MAC層IEEE802．15．4-20031dAC子層控制使用CSMA—CA機(jī)制接入到無(wú)線信道[12]。它的職責(zé)包括傳輸信標(biāo)幀、保持同步和提供可靠的傳輸機(jī)制。ZigBeeMAC子層主要負(fù)責(zé)處理以下一些任務(wù)：1、產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器)；2、同信標(biāo)保持同步；3、支持PAN的連接和斷開(kāi)連接；4、支持設(shè)備的平安性；5、信道接入采用CSMA—CA接入機(jī)制；6、處理和維護(hù)GTS機(jī)制；7、在對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。圖5MAC層參考模型示意圖ZigBee節(jié)點(diǎn)類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器ZC(ZigBeeCoordinator)、路由器ZR(ZigBeeRoute)和終端設(shè)備ZE(ZigBeeEndDeviee)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD)，而終端設(shè)備選用精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。協(xié)調(diào)器：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(PersonalAreaNetwork)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力；路由器：主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點(diǎn)，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)只有在樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在；終端設(shè)備：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊，具體的信息路由那么全部交由其父節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成[11]。ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng)(StarNetwork)，樹(shù)狀網(wǎng)(ClustertreeNetwork)和網(wǎng)狀網(wǎng)(MeshNetwork)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形網(wǎng)(Star)是由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成的。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在ZigBee協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比擬簡(jiǎn)單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)(Cluster-tree)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通訊外，其他只能通過(guò)樹(shù)狀路由完成數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。協(xié)調(diào)器比網(wǎng)絡(luò)中的其它路由器具有更強(qiáng)人的處理能力和存儲(chǔ)空間。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時(shí)延也會(huì)增大。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng))一般是由假設(shè)干個(gè)FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連，但它們中也有一個(gè)會(huì)被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)根底上實(shí)現(xiàn)的，與樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它是由路由器中的路由表配合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)狀路由的。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)〞能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，那么存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余〞的網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲(chǔ)空間開(kāi)銷[12]圖6星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖7網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D圖8樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D拓?fù)鋱D4.3軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息并報(bào)警或顯示，發(fā)送命令控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。系統(tǒng)應(yīng)用層的程序主要包括安防、家電控制、傳感、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸好人機(jī)交互模塊等模塊。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，報(bào)警或顯示，發(fā)送狀態(tài)信息給協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)應(yīng)用層的程序主要包括傳感、報(bào)警、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)交互模塊。系統(tǒng)應(yīng)用層功能框圖如圖3所示。報(bào)警模塊報(bào)警模塊入網(wǎng)模塊無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)格式定義數(shù)據(jù)接收平安傳感模塊家電控制模塊煤氣LED狀態(tài)顯示終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)用層程序功能框圖防盜門(mén)迎求救器燈光窗簾風(fēng)扇空調(diào)建網(wǎng)模塊安防模塊LCD顯示模塊無(wú)線數(shù)據(jù)傳送模塊網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)報(bào)警信息節(jié)點(diǎn)信息傳感信息LED報(bào)警顯示按鍵模塊家電控制模塊傳感模塊數(shù)據(jù)格式定義數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)發(fā)送照度協(xié)調(diào)器系統(tǒng)應(yīng)用層程序功能框圖溫度圖3系統(tǒng)應(yīng)用層功能框圖4.4ZigBee智能家居系統(tǒng)本智能家居系統(tǒng)旨在運(yùn)用ZigBee技術(shù)構(gòu)建一個(gè)模擬的家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，本系統(tǒng)大致由安防傳感子網(wǎng)、家電控制子網(wǎng)、信息管理平臺(tái)及遠(yuǎn)程終端等局部組成。圖1智能家居系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖其中，安防子網(wǎng)由溫度傳感器、煤氣傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器等各種傳感器模塊組成。家電控制子網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備根本為受控設(shè)備。通過(guò)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、照度、煤氣泄漏以及紅外入侵等信息，可直接聯(lián)動(dòng)控制相關(guān)受控設(shè)備或?qū)⑿畔l(fā)送至管理平臺(tái)，由信息管理平臺(tái)決策如何處理這些4.5ZigBee開(kāi)發(fā)軟件介紹主要軟件編程在ZigBee開(kāi)發(fā)軟件上編譯和調(diào)試，即IAREW8051開(kāi)發(fā)軟件，IAREmbeddedWorkbench是一套卡發(fā)工具，用于對(duì)匯編、C或C++編寫(xiě)的嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行編譯和調(diào)試。IAREmbeddedWorkbench是一套高度精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開(kāi)發(fā)工具。該集成環(huán)境包含了IAR的C/C++編譯器，匯編器，鏈接器，文件管理器，文本編輯器，工程管理器和C—SPY調(diào)試器。通過(guò)其內(nèi)置的針對(duì)不同芯片的代碼優(yōu)化器IAREmbeddedWorkbench可以為ARM芯片生成非常高效可靠的FLASH/PROMable代碼[10]。4.5.1IAR軟件完成安裝軟件后，在開(kāi)始菜單里找到安裝好的IAR軟件，以下為其主要組成局部：集成工程管理器和編輯器的IDE；高度優(yōu)化的C/C++編譯器；芯片的胚子文件；高性能的C—SPY調(diào)試器和硬件調(diào)試工具；支持RTOS內(nèi)核識(shí)別調(diào)試；匯編器；Run—time庫(kù)；鏈接器和庫(kù)管理工具；現(xiàn)成的代碼例程；印刷電路板以及電子版的用戶手冊(cè)；網(wǎng)上幫助文檔。4.5.2IAR集成開(kāi)發(fā)軟件各組成部件的特點(diǎn)〔1〕集成開(kāi)發(fā)環(huán)境〔IDE〕層次化的工程表示方法；強(qiáng)大的工程管理允許在同一工作區(qū)管理多個(gè)工程；自適應(yīng)窗口的浮動(dòng)床擴(kuò)管理；智能的源文件瀏覽器；包括生成、維護(hù)庫(kù)的庫(kù)工具；集成源代碼控制系統(tǒng)；文本編輯器；常用代碼構(gòu)件的代碼模板；命令行建立功能?！?〕IARC/C++編譯器對(duì)代碼的大小和執(zhí)行速度多級(jí)優(yōu)化，允許不同的轉(zhuǎn)換形式；用于數(shù)據(jù)/函數(shù)定義和存儲(chǔ)器及類型屬性聲明的擴(kuò)展關(guān)鍵字；用于控制編譯器行為〔如內(nèi)存分配〕的Pragma指令；在C源碼中可直接訪問(wèn)的內(nèi)在函數(shù)，從而執(zhí)行低級(jí)處理器操作；支持C、嵌入式C++和擴(kuò)展的嵌入式C++，并且包含有模板、名稱和標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)〔STL〕?！?〕IAR匯編器強(qiáng)大的可重定位宏匯編器，并帶有豐富的標(biāo)示符合操作符，內(nèi)置C語(yǔ)言預(yù)處理器，支持所有C宏定義。〔4〕芯片支持IAREmbeddedWorkbench集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持絕大多數(shù)8位、16位、32位微處理器；現(xiàn)成的C/C++匯編外設(shè)存放器定義文件；多種代碼、數(shù)據(jù)模式；〔5〕鏈接器靈活的段命令，允許對(duì)代碼和數(shù)據(jù)放置進(jìn)行細(xì)節(jié)化的控制；優(yōu)化鏈接過(guò)程中檢查C/C++變量和函數(shù)；在非連續(xù)的存儲(chǔ)空間自動(dòng)放置代碼和數(shù)據(jù)?！?〕C-SPY調(diào)試器完全集成的源代碼和反匯編調(diào)試器；非常精細(xì)的運(yùn)行控制尺度；復(fù)雜的代碼和數(shù)據(jù)斷點(diǎn)；多種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；支持STL容器；C/C++調(diào)用棧窗口，也會(huì)顯示即將進(jìn)入的函數(shù)；雙擊調(diào)用鏈上的任一函數(shù)，將自動(dòng)更新編輯器、Locals、存放器、Watch被反匯編窗口以顯示該函數(shù)被調(diào)用時(shí)的狀態(tài)；Trace功能，允許查看代碼運(yùn)行的歷史；在Trace窗口中移動(dòng)時(shí)，將自動(dòng)更新編輯器和反匯編窗口，以顯示正確的位置；TerminalI/O仿真；終端和I/O的模擬；類C的宏語(yǔ)言系統(tǒng)，用于擴(kuò)展調(diào)試器的功能；由主機(jī)對(duì)應(yīng)用程序的系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行仿真；代碼覆蓋率和Profiling性能分析工具；通用的FlashLoader，帶有API手冊(cè)?！?〕RTSD支持支持OSEKRunTimeUnterface〔ORTI〕?！?〕IAR庫(kù)和庫(kù)工具包含所有必需的ISO/ANSIC/C++庫(kù)和源代碼；為所有的低級(jí)程序，如writechar和readchar，提供完整的源代碼；輕量級(jí)Runtime庫(kù)。可由用戶根據(jù)應(yīng)用的需要自行配置；用于創(chuàng)立和維護(hù)庫(kù)工程、庫(kù)和庫(kù)模塊的庫(kù)工具；入口點(diǎn)和符號(hào)信息清單。4.6創(chuàng)立工程4.6.1建立工程安裝完協(xié)議棧Zstack-.1.2.1后，找到C:\TexasInstruments\ZStack-1.4.3-1.2.1\Projects\zstack\Samples下的SimpleApp工程，雙擊SimpleApp.eww翻開(kāi)工程，在Workspace下拉框中選擇SimpleCollectorEB。保存后將文件夾名“SimpleApp〞改為“Coordinator〞，作為智能家居的協(xié)調(diào)器工程。[16]圖9智能家居系統(tǒng)協(xié)調(diào)器工程示意圖在C:\TexasInstruments\ZStack--1.2.1\Projects\zstack\Samples目錄下重新復(fù)制一個(gè)SimpleApp工程，翻開(kāi)工程，在Workspace下拉框中選擇SimpleSensorED，如圖10所示，保存后將文件夾名改成“EndDevice〞，作為智能家居的終端節(jié)點(diǎn)工程。圖10智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)工程示意圖4.6.2工程選項(xiàng)設(shè)置協(xié)調(diào)器工程SimpleCollectorEB修改后的預(yù)編譯選項(xiàng)[17]為：CC2430EBHOLD_AUTO_STARTREFLECTORNV_INITxNV_RESTORExMT_TASKLCD_SUPPORTED終端節(jié)點(diǎn)工程SimpleSensorEB修改后的預(yù)編譯選項(xiàng)為：CC2430EBHOLD_AUTO_STARTREFLECTORNV_INITNV_RESTORExMT_TASKxLCD_SUPPORTED4.6.3添加文件編寫(xiě)溫度控制開(kāi)關(guān)程序：新建文件“Untitled1〞，編寫(xiě)程序，將文件另存為“DS18B20.h〞放到C:\TexasInstruments\ZStack--1.2.1\Projects\zstack\Samples\Coordinator\Source目下，如圖11所示。圖11保存溫度控制程序示意圖為Coordinator工程的應(yīng)用程序組〔APP〕添加“DS18B20.h〞：翻開(kāi)協(xié)調(diào)器工程Coordinator，在應(yīng)用程序組〔APP〕出單擊右鍵，再點(diǎn)擊“AddFiles〞，如圖12所示，找到“DS18B20.h〞后添加。添加后的結(jié)果如圖13所示。由于“DS18B20.h〞文件中的函數(shù)被SimpleCpllector.c調(diào)用，因此，在SimpleCollector.c中添加“#include“DS18B20.h〞〞。圖12添加文件示意圖圖13添加文件后的結(jié)果示意圖4.7任務(wù)與事件4.7.1自定義事件程序在SimpleCollector.c中定義了時(shí)間MY_START_EVT，用于啟動(dòng)設(shè)備的協(xié)議棧，使設(shè)備建立我網(wǎng)絡(luò)或者參加網(wǎng)絡(luò)。#defineMY_START_EVT0x0001智能家居系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器需要增加新的事件，用于觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新和液晶顯示。新增事件的定義如下：#defineMY_UPDATE_NET_EVT0x0002//更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)#defineMY_SHOW_MAIN_MENU_EVT0x0003//顯示主菜單#defineMY_SHOW_VICE_MENU_EVT0x0004//顯示二級(jí)菜單4.7.2事件觸發(fā)以MY_UPDATE_NET_EVT為例，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立成功后腰觸發(fā)該事件來(lái)更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，因此，在建網(wǎng)回調(diào)函數(shù)zb_StartConfirm〔SimpleCollector.c〕中觸發(fā)該事件。if(status==ZB_SUCCESS){myAppState=APP_START；//觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新事件osal_set_event(sapi_TaskID，MY_UPDATE_NET_EVT)；}osal_set_event函數(shù)中，sapi_TaskID表示觸發(fā)事件MY_UPDATE_NET_EVT所在的任務(wù)ID。Sapi_TaskID在sapi.c中定義。4.7.3事件觸發(fā)在SimpleCollector.c中定義對(duì)應(yīng)于新增事件的事件處理函數(shù)。staticvoidzb_UpdateNet(void)；//更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)voidShow_MainMenu(void)；//LCD顯示主菜單staticvoidShow_ViceMenu_2(uint8show_type)；//LCD顯示二級(jí)菜單4.7.4添加事件處理函數(shù)SimpleCollector.c中的zb_HandleOsalEvent函數(shù)用于處理在用戶應(yīng)用程序中自定義的事件，在zb_HandleOsalEvent中增加對(duì)應(yīng)于新增事件的事件處理函數(shù)的代碼如下：voidzb_HandleOsalEvent(unit16event){If(event&MY_START_EVT){zb_BuildNet()；//建立網(wǎng)絡(luò)}If(event&MY_UPDATE_NET_EVT){zb_UpdateNet()；//更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)}If(event&MY_SHOW_MAIN_MENU_EVT){Show_MainMenu()；//LCD顯示主菜單}If(event&MY_SHOW_VICE_MENU_EVT){Show_ViceMenu_2(show_type)；//LCD顯示二級(jí)菜單}}在終端節(jié)點(diǎn)中添加的事件有：#defineMY_UPDATE_NET_EVT0x0002//更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)#defineMY_MEASURE_EVT0x0004//節(jié)點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的事件處理函數(shù)分別為：zb_UpdateNet()；//更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)myApp_Measure()；//節(jié)點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)對(duì)于自定義事件，從事件觸發(fā)到事件處理的流程如圖14所示。圖14事件處理流程圖4.8設(shè)備信息配置4.8.1ProfileIDCoordinator工程中ProfileID的定義在SimpleApp.h中。模塊程序的定義為：#defineMY_PROFILE_ID0x0F10MY_PROFILE_ID可以設(shè)定為任意的16位值，但是必須保證同一網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的MY_PROFILE_ID值一致。4.8.2設(shè)備設(shè)備ID和設(shè)備版本的定義在SimpleApp.h中。模塊的協(xié)調(diào)器設(shè)備定義如下：#defineDVE_ID_COLLECTOR0x00#defineDEVICE_VERSION_COLLECTOR0x01終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備定義如下：#defineDEV_ID_SENSOR0x02#defineDEVICE_VERSION_SENSOR0x014.8.3端口在SimpleApp.h中定義端口號(hào)#defineMY_ENDPOINT_ID0x024.8.4命令智能家居系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器不僅能夠主動(dòng)請(qǐng)求所有節(jié)點(diǎn)信息，而且需要控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須能夠及時(shí)的將自己的狀態(tài)信息返回給協(xié)調(diào)器。其中，協(xié)調(diào)器與每一個(gè)設(shè)備的操作可以對(duì)應(yīng)一個(gè)命令。因此在SimpleApp.h中定義的命令如下：#defineALLINFO0x00//請(qǐng)求所有節(jié)點(diǎn)想念西#defineCOOR0x00//顯示為協(xié)調(diào)器信息#defineTEMP0x01//溫度#defineILLUMINANCE0x02//照度計(jì)#defineLIGHT0x03//燈#defineCURTAIN0x04//窗簾#defineFAN0x05//風(fēng)扇#defineCONDITION0x06//空調(diào)#defineGAS0x07//煤氣檢測(cè)#defineINBREAK0x08//防盜報(bào)警器#defineWELCOME0x09//門(mén)迎將命令添加到命令列表：對(duì)于協(xié)調(diào)器設(shè)備，ALLINFO為輸出命令，ILLUMINANCE為輸入命令；對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，ALLINFO為輸出命令，ILLUMINANCE為輸入命令。因此，協(xié)調(diào)器輸入命令表如下：constcId_tzb_InCmdList[NUM_IN_CMD_COOD]={ILLUMINANCE，LIGHT，CURTAIN，F(xiàn)AN，CONDITION，WELCOME，INBREAK，GAS，}；協(xié)調(diào)器的輸出命令列表如下：constcId_tzb_OutCmdList[NUM_IN_CMD_COOD]={ALLINFO，LIGHT，CURTAIN，F(xiàn)AN，CONDITION，WELCOME，INBREAK，GAS，}；終端節(jié)點(diǎn)的輸入命令列表應(yīng)與協(xié)調(diào)器輸出命令列表相同，輸出命令列表與協(xié)調(diào)器輸入命令列表相同。修改輸入輸出命令個(gè)數(shù)如下：#defineNUM_OUT_CMD_COOR10#defineNUM_IN_CMD_COOR104.8.5端口描述符在SimpleCollector.c中修改協(xié)調(diào)器設(shè)備的簡(jiǎn)單描述符定義，如下：constSimpleDescriptionFormat_tzb_SimpleDesc={MY_ENDPOINT_ID，//端口號(hào)MY_PROFILE_ID，//ProfileIDDEV_ID_COLLECTOR，//設(shè)備IDDEVICE_VERSION_COLLECTOR，//設(shè)備版本0，//保存NUM_IN_CMD_COOR，//輸入命令數(shù)(cId_t*)zb_InCmdList，//輸入命令列表地址NUM_OUT_CMD_COOR，//輸出命令數(shù)(cId_t*)zb_OUTC