物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用 課件 項(xiàng)目二基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)

項(xiàng)目二基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)01建立ZigBee硬件環(huán)境智能家居系統(tǒng)介紹智能家居利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家居設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智能化控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。智能家居定義智能家居系統(tǒng)能提升家居安全性、健康性、舒適性和智能化水平。智能家居生活場(chǎng)景，包括智能窗簾、智能照明、智能安防等。系統(tǒng)帶來的變革智能家居系統(tǒng)能在日常生活中帶來許多便利，如早晨自動(dòng)播放音樂喚醒，晚上自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光和溫度，遠(yuǎn)程監(jiān)控家中安全等。日常生活示例01020403場(chǎng)景設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)。項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的自動(dòng)化控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集與分析等功能。預(yù)期成果完成CC2530的I/O端口控制實(shí)驗(yàn)、完成CC2530的串口通信實(shí)驗(yàn)、完成CC2530的溫濕度采集和串口發(fā)送實(shí)驗(yàn)。任務(wù)需求項(xiàng)目概述010203ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、健康監(jiān)測(cè)等。ZigBee技術(shù)特點(diǎn)低功耗、高安全性、自組織網(wǎng)絡(luò)、短距離通信等。CC2530芯片概述CC2530芯片是一種片上系統(tǒng)（SoC），支持ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議，包括8051CPU、RF收發(fā)器、內(nèi)存等。ZigBee模塊采用的CC2530是由德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的可支持IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的射頻收發(fā)器和增強(qiáng)型8051單片機(jī)，運(yùn)行內(nèi)存為8KB，配備了32KB、64KB、128KB、256KB的閃存塊，還集成了一系列功能強(qiáng)大的外設(shè)。在軟件方面，CC2530支持RemoTI、Z-Stack、SimpliciTI等協(xié)議棧和BasicRF通信協(xié)議，極大地簡(jiǎn)化了使用者的開發(fā)流程。CC2530能夠以非常低的總材料清單成本構(gòu)建健壯的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片特性IAREmbeddedWorkbenchfor8051TI

公司提供的BasicRF軟件包中的示例程序是基于IARSystems公司開發(fā)的IAREmbeddedWorkbenchfor8051集成開發(fā)環(huán)境（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE）建立的。IARSystems公司是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務(wù)的提供商，成立于1983年，其提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試的每個(gè)階段，包括C/C++編譯器、調(diào)試器的IDE、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器及狀態(tài)機(jī)建模工具，最著名的產(chǎn)品是IAREmbeddedWorkbenchfor8051，支持ARM、AVR、MSP430等眾多芯片內(nèi)核平臺(tái)。安裝與配置步驟（略）安裝IAREmbeddedWorkbenchfor8051CCDebugger調(diào)試器CCDebugger是用于TI公司的低功耗射頻片上系統(tǒng)的小型編程器和調(diào)試器，支持TI公司的多個(gè)CC系列產(chǎn)品線。CCDebugger可以與IAREmbeddedWorkbenchfor8051（7.51A

或更高版本）一起使用以進(jìn)行調(diào)試，還可與SmartRFFlashProgrammer（閃存編程器）一起使用以進(jìn)行閃存編程。另外，CCDebugger還可用于控制SmartRFStudio中的所選器件。開發(fā)環(huán)境與工具I/O端口控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誈PIO（通用輸入/輸出）配置和LED（發(fā)光二極管）控制方法。由于LED具有單向?qū)щ娞匦?，即只有在正向電壓（正極接正，負(fù)極接負(fù)）下才能導(dǎo)通發(fā)光。P1.0接LED（VD1）的負(fù)極，所以當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，VD1點(diǎn)亮；當(dāng)P1.0輸出高電平時(shí)，VD1熄滅。P1.0的相關(guān)寄存器如表2-1-1所示。I/O端口控制實(shí)驗(yàn)P1.0的配置：按照表2-1-1，對(duì)P1.0進(jìn)行配置，當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，VD1點(diǎn)亮，所以配置如下。I/O端口控制實(shí)驗(yàn)核心代碼講解：下面為核心代碼講解。main函數(shù)作為程序入口，首先實(shí)現(xiàn)了LED的初始化，然后進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，通過對(duì)LED的高、低電平轉(zhuǎn)換和延時(shí)實(shí)現(xiàn)了LED的閃爍。CC2530的串口通信實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)功能：使用P0_2作為RX（接收端），使用P0_3作為TX（發(fā)送端），將P0_2、P0_3配置為外設(shè)功能。USART0和USART1是串行通信接口，它們能夠分別運(yùn)行于異步UART（通用異步收發(fā)器）模式或者同步SPI（串行外設(shè)接口）模式，兩個(gè)USART（通用同步/異步收發(fā)器）具有同樣的功能.通過實(shí)驗(yàn)掌握CC2530串口的配置與使用，并通過串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)字符串的數(shù)據(jù)收發(fā)。U0CSR（USART0控制和狀態(tài)寄存器）、U0GCR（USART0通用控制寄存器）、U0BAUD（USART0

波特率控制寄存器）、U0DBUF（USART0接收/發(fā)送數(shù)據(jù)緩存寄存器）、UTX0IF（發(fā)送中斷標(biāo)志寄存器）、CLKCONCMD（時(shí)鐘控制命令寄存器）、CLKCONSTA是一個(gè)只讀寄存器，用于獲得當(dāng)前時(shí)鐘狀態(tài)寄存器：CC2530的串口通信實(shí)驗(yàn)CC2530配置串口的步驟：配置I/O，使用外設(shè)功能，此處將P0_2和P0_3作為串口UART0。配置相應(yīng)串口的控制和狀態(tài)寄存器。12配置串口工作的波特率。3CC2530的溫濕度采集和串口發(fā)送實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)功能：接收溫濕度傳感器DHT11采集的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過串口向串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)相關(guān)的寄存器中用到了串口和P0_7，前面已詳細(xì)講解了串口相關(guān)寄存器的配置與使用，此處不再贅述。DHT11程序采用模塊化編程的思想，僅需調(diào)用溫度讀取函數(shù)即可，移植到其他平臺(tái)也非常容易。02ZigBee的原理及協(xié)議棧通信IEEE802.15.4IEEE802.15.4是一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由IEEE802.15工作組開發(fā)2003年發(fā)布針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域定義了低速無線個(gè)域網(wǎng)（LR-WPAN）的物理層和MAC層應(yīng)用于家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制等ZigBee近距離、低功耗、低成本無線通信技術(shù)適用于傳輸速率和距離要求不高的場(chǎng)景，工作頻段：2.4GHz、868MHz、915MHz傳輸速率：最高250kbps，距離10～80mBasicRF由TI公司為CC2530提供，基于IEEE802.15.4或ZigBee包含硬件抽象層、BasicRF層和應(yīng)用層提供簡(jiǎn)單的雙向無線收發(fā)協(xié)議和數(shù)據(jù)安全認(rèn)識(shí)IEEE802.15.4、ZigBee和BasicRF三者之間關(guān)系IEEE802.15.4為基礎(chǔ)，定義物理層和MAC層ZigBee構(gòu)建于IEEE802.15.4之上，包含網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層BasicRF基于IEEE802.15.4，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，主要用于演示，限制和特點(diǎn):不自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，無組網(wǎng)指示；僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，無網(wǎng)絡(luò)角色定義；傳輸時(shí)不完全遵循CSMA-CA協(xié)議；缺少數(shù)據(jù)包重傳機(jī)制高安全性數(shù)據(jù)完整性檢查與鑒權(quán)AES加密算法保護(hù)靈活的安全屬性配置低成本簡(jiǎn)化的協(xié)議減少了對(duì)控制器的要求免協(xié)議專利費(fèi)用內(nèi)存占用小：主節(jié)點(diǎn)32KB，子節(jié)點(diǎn)4KB低時(shí)延快速設(shè)備搜索與激活適用于高時(shí)延要求的控制領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)容量大高可靠性物理層擴(kuò)頻技術(shù)抵抗干擾MAC層應(yīng)答重傳與CSMA機(jī)制動(dòng)態(tài)信道切換能力低功耗低傳輸速率與發(fā)射功率支持休眠模式，延長(zhǎng)電池壽命設(shè)備續(xù)航可達(dá)6個(gè)月至2年支持多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：星形、簇樹形、網(wǎng)狀可組成包含65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)ZigBee的特點(diǎn)ZigBee與其他短距離無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，常見的短距離無線通信技術(shù)除ZigBee外，還有Wi-Fi和藍(lán)牙，下面從工作頻率、傳輸速率、典型應(yīng)用等方面對(duì)三種通信技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較，特征對(duì)比下表所示。特征Wi-Fi藍(lán)牙ZigBee工作頻率2.4GHz價(jià)格貴便宜較便宜通信距離100～300m2～30m50～300m傳輸速率300Mbps3Mbps250kbps功耗高低低設(shè)備連接能力中弱強(qiáng)安全性低高高組網(wǎng)能力較弱節(jié)點(diǎn)多、穩(wěn)定性稍遜于ZigBee節(jié)點(diǎn)多、穩(wěn)定性高典型應(yīng)用無線局域網(wǎng)可穿戴設(shè)備家居智能化Zigbee技術(shù)多領(lǐng)域應(yīng)用在數(shù)字家庭中的應(yīng)用Zigbee技術(shù)可用于智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的無線控制和互聯(lián)互通。在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用Zigbee技術(shù)可用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線通信和數(shù)據(jù)傳輸。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用Zigbee技術(shù)可用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)和控制農(nóng)業(yè)設(shè)備。在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用Zigbee技術(shù)可用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的生理參數(shù)并傳輸數(shù)據(jù)。任務(wù)實(shí)施BasicRF無線點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)：通過BasicRF實(shí)現(xiàn)無線通信功能，以無線控制LED開關(guān)。1）BasicRF的啟動(dòng)確保外設(shè)沒有問題。創(chuàng)建一個(gè)basicRfCfg_t的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并初始化其中的成員。1. typedefstruct{2. uint16myAddr; //16位的短地址（就是節(jié)點(diǎn)的地址）3. uint16panId; //節(jié)點(diǎn)的PAN_ID4. uint8channel; //RF通道（必須在11～26）5. uint8ackRequest; //目標(biāo)確認(rèn)時(shí)設(shè)置為true6. #ifdefSECURITY_CCM //是否加密，預(yù)定義中取消了加密uint8*securityKey;7. uint8*securityNonce;8. #endif9. }basicRfCfg_t;調(diào)用basicRfInit函數(shù)進(jìn)行協(xié)議的初始化，具體代碼可以在“basic_rf.h”文件中找到，即uint8basicRfInit(basicRfCfg_t*pRfConfig)。任務(wù)實(shí)施2）BasicRF的發(fā)送（1）創(chuàng)建一個(gè)buffer，把payload放入其中。payload的最大字節(jié)數(shù)為103。（2）調(diào)用basicRfSendPacket函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，并查看其返回值，具體代碼可以在“basic_rf.c”文件中找到，即uint8basicRfSendPacket(uint16destAddr,uint8*pPayload,uint8length)。其中，destAddr表示目的地址；pPayload表示指向發(fā)送緩沖區(qū)的指針；length表示發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。函數(shù)功能：向短地址發(fā)送指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，若發(fā)送成功，則返回SUCCESS；若發(fā)送失敗，則返回FAILED。BasicRF發(fā)送的代碼如圖2-2-4所示。3）BasicRF的接收（1）上層通過basicRfPacketIsReady函數(shù)來檢查是否接收到一個(gè)新數(shù)據(jù)包，具體代碼可以在“basic_rf.c”文件中找到，即uint8basicRfPacketIsReady(void)。函數(shù)功能：檢查模塊是否已經(jīng)可以接收下一個(gè)數(shù)據(jù)，若準(zhǔn)備就緒，則返回TRUE。（2）調(diào)用basicRfReceive函數(shù)，把接收到的數(shù)據(jù)復(fù)制到buffer中，具體代碼可以在“basic_rf.c”文件中找到，即uint8basicRfReceive(uint8*pRxData,uint8len,int16*pRssi)。函數(shù)功能：接收來自BasicRF層的數(shù)據(jù)包，并為接收的數(shù)據(jù)和RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）值配置緩沖區(qū)。任務(wù)實(shí)施03設(shè)計(jì)Zigbee智能家居的應(yīng)用功能了解智能家居場(chǎng)景的功能了解智能家居場(chǎng)景的功能，包括照明控制、電器控制、安全防范等方面的應(yīng)用，能夠根據(jù)需求設(shè)計(jì)出符合實(shí)際的智能家居場(chǎng)景。熟悉協(xié)議棧并通過協(xié)議棧搭建應(yīng)用系統(tǒng)熟悉ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，掌握通過協(xié)議棧搭建應(yīng)用系統(tǒng)的方法，包括定義應(yīng)用層、創(chuàng)建綁定表、建立安全機(jī)制等。職業(yè)技能目標(biāo)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過協(xié)議棧完成智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能家居功能的場(chǎng)景。無線通信搭建場(chǎng)景通過ZigBee協(xié)議棧完成ZigBee無線組網(wǎng)，通過無線通信搭建智能家居場(chǎng)景。任務(wù)描述利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的無線組網(wǎng)，構(gòu)建起一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee無線組網(wǎng)通過無線通信技術(shù)，將智能家居場(chǎng)景中的各個(gè)設(shè)備連接起來，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。無線通信搭建場(chǎng)景任務(wù)需求ZigBee的定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)，其中的節(jié)點(diǎn)同構(gòu)且成本較低、體積較小，大部分節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)，隨意分布在工作區(qū)域。ZigBee的定義ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，特點(diǎn)在于近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低傳輸速率、低成本，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的定義物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信。030201ZigBee的特點(diǎn)ZigBee的特點(diǎn)使其成為嵌入式設(shè)備的理想選擇，可以嵌入各種設(shè)備中實(shí)現(xiàn)無線通信功能，為設(shè)備提供更靈活的連接方式，并降低設(shè)備的功耗和成本。ZigBee與其它技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi和紅外線等技術(shù)，而ZigBee是一種雙向無線通信技術(shù)，基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制和開發(fā)。ZigBee的定義ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE802.15.4的物理層和介質(zhì)訪問控制層的規(guī)范之上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用程序支持子層（APS）和ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）。ZigBee協(xié)議棧建立規(guī)范ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)ZigBee設(shè)備對(duì)象是特殊的應(yīng)用程序?qū)ο?，在端點(diǎn)0上實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程設(shè)備通過ZigBee設(shè)備對(duì)象請(qǐng)求描述符信息，接收到請(qǐng)求時(shí)，會(huì)調(diào)用配置對(duì)象獲取相應(yīng)的描述符值。ZigBee的設(shè)備對(duì)象ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用程序支持子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用程序?qū)ο?。?yīng)用程序支持子層的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消息。ZigBee應(yīng)用層功能ZigBee設(shè)備對(duì)象功能ZigBee設(shè)備對(duì)象的功能包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。ZigBee設(shè)備對(duì)象還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并提供應(yīng)用服務(wù)。ZigBee應(yīng)用層服務(wù)接口ZigBee應(yīng)用層除提供一些必要的函數(shù)及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，還有一個(gè)重要的功能是定義應(yīng)用程序?qū)ο?。運(yùn)行在ZigBee協(xié)議棧上的應(yīng)用程序?qū)嶋H上就是廠商自定義的應(yīng)用程序?qū)ο?，并且遵循?guī)范運(yùn)行在端點(diǎn)1～240上。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧的安裝協(xié)議棧目錄協(xié)議棧目錄包括“Components”、“Documents”、“Projects”和“Tools”等文件夾，分別用于存儲(chǔ)庫(kù)代碼、開發(fā)文檔、例子程序和工具。工程文件平臺(tái)注意事項(xiàng)從軟件開發(fā)專業(yè)角度建議復(fù)制工程至非中文目錄，避免有些開發(fā)環(huán)境不支持中文路徑的問題。如果文件目錄太長(zhǎng)，打開工程時(shí)IAR可能會(huì)關(guān)閉，只需將工程上移幾層即可。安裝協(xié)議棧雙擊“ZStack-CC2530-2.5.1a.exe”文件進(jìn)行安裝，可以選擇默認(rèn)路徑或自定義安裝路徑。030201ZigBee協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)的溫濕度傳感器溫濕度傳感器移植我們?cè)诨A(chǔ)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)完成了溫濕度傳感器的驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在需要將溫濕度傳感器移植到協(xié)議棧ZStack上。無線溫濕度采集協(xié)議棧應(yīng)用與組網(wǎng)在ZStack點(diǎn)播實(shí)驗(yàn)中，使用點(diǎn)播終端設(shè)備針對(duì)性地向指定設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，而廣播和組播可能會(huì)造成數(shù)據(jù)的冗余。打開ZigBee協(xié)議棧，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的“DHT11.c”和“DHT11.h”文件復(fù)制至“SampleApp”下的“Source”文件夾中。App是應(yīng)用層目錄，是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域。HAL是硬件層目錄，包含與硬件相關(guān)的配置、驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。協(xié)議棧文件結(jié)構(gòu)NWK是網(wǎng)絡(luò)層目錄，包含網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)配置文件、網(wǎng)絡(luò)層庫(kù)的函數(shù)接口文件及應(yīng)用程序支持子層庫(kù)的函數(shù)接口文件。網(wǎng)絡(luò)層與安全層OSAL是協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。Profile是應(yīng)用框架層目錄，包含應(yīng)用框架層處理函數(shù)文件。協(xié)議棧操作系統(tǒng)ZigBee協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)的溫濕度傳感器ZigBee實(shí)現(xiàn)家居燈光控制系統(tǒng)家居燈光控制系統(tǒng)首先需要檢測(cè)家內(nèi)是否有人和家內(nèi)的光照情況，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷是開燈還是關(guān)燈，然后控制燈的開關(guān)，僅在家內(nèi)有人且光照度較低的情況下開燈。