(精品)基于ZIGBEE的无线网络在智能家庭中的应用(2013年优秀毕业设计)

科技学院毕业论文（设计） 第 I 页科技学院2010届本科毕业论文论文（设计）题目基于Zigbee的无线网络在智能家庭中的应用学科专业：电子信息科学与技术指导教师： 学生学号： 学生姓名： 目录目录I摘要IVAbstractV第一章 绪论11.1研究背景11.2研究目的与意义11.3 国内、外智能家居系统的现状与发展21.4 智能家居系统技术的特点及设计中考虑的问题31.5 本课题的研究内容和结构安排4第二章 智能家居系统方案设计62.1 智能家庭系统方案框架62.2系统网络拓扑研究72.3 智能家居中家庭网关的各部分组成和功能82.3.1家庭网关的组成和功能92.3.2 ZigBee无线通讯子节点的功能10第三章 智能家居系统硬、软件设计113.1 家庭网关113.1.1 家庭外部网络123.1.2 家庭内部网络123.2 无线网络通讯协议帧结构133.3智能家居的网络拓扑选择143.4 系统硬件电路设计153.4.1 处理器及电源设计153.4.2 铁电存储器163.4.3磁保持继电器183.4.4无线网络收发模块193.4.5拨码开关203.5 系统软件设计203.5.1 I2C总线仲裁的方式流程图213.5.2 IP-Link1270的通信223.5.3串口中断服务流程233.6 ZigBee控制器流程243.7数据发送程序流程25第四章 总结与分析274.1 结论274.2 文章的改进方向27参考文献29附录30附录1：MSP430F1232的特性描述30附录2：FM24CL16引脚定义31致谢32诚信承诺书33基于zigbee的无线网络在智能家庭中的应用 摘要随着智能建筑的迅速发展，家庭自动化系统在方便、高效、节能和安全等方面逐步完善，家庭网络成为一种主流趋势。在智能家居系统中，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。随着无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家庭网络智能化的进程。一种基于ZigBee技术的家庭网络无线网络系统。重点阐述了该系统的组成、通讯协议以及无线节点的软硬件设计。该系统在传统的有线家居网络系统的基础上使用ZigBee技术，使其具有成本低、功耗低、覆盖范围大的特点。特别是其符合IEEE802.15.4协议，利用系统与其它符合标准的产品的互联，具有良好的通用性和可扩展性。关键词：ZigBee，智能家居，无线网络，EM250，IEE802.15.4Zigbee wireless network in the application of intelligent family AbstractAbstract: With the rapid development of intelligent buildings, home automation systems convenient, efficient, energy saving and security progressively Wan Shan, home network becomes one kind of major trend. In the smart home system, wireless network technology used in home networking has become the irresistible trend. Not only because wireless networks can provide more flexibility, mobility, eliminating the cost spent on cabling and energy, but also because it is consistent with the communication features of the home network. With the further development of wireless network technology, intelligent home networks will greatly facilitate the process. Based on ZigBee technology, home networking wireless network. Focuses on the composition of the system, communication protocol and the wireless nodes hardware and software design. The system in the traditional wired home network system based on the use of ZigBee technology, it has a low cost, low power consumption, covering a large range of features. In particular its compliance IEEE802.15.4 protocol, using the system and other standard interconnect products, has good versatility and scalability.Keywords: ZigBee，Smart，Home，Wireless，Network，EM250，IEE802.15.4科技学院毕业论文（设计） 第 36 页第一章 绪论1.1研究背景近年来计算机、自动控制和通信技术的发展，极大地提高了企业的生产效率，为社会创造了巨大的财富，相比之下带给个人和家庭生活的好处却十分有限，传统的居家方式并没有因信息时代的到来而产生多大变化。在这样的背景下，智能家庭型的新型住宅从而引发了一个极具吸引力的研究热点和未来市场。它起源于美国，我国于1998年提出了智能小区的这个概念，自此拉开了国内小区智能化的序幕。在国外智能家居设备己经获得长足发展, 1984年自世界上第一幢智能建筑于年在美国康涅迪格州出现后，经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能家居解决方案。目前，美国则有近万户家庭安装了这类系统，在新加坡有近30社区的近5000户家庭采用了这种家庭智能化系统。在国内，智能家居尽管起步较晚，但大有风行正健之势。我国的智能家居网络技术的发展始于上个世纪九十年代末，随着广泛介绍和宣传，智能家庭概念，居民已经了解了智能家庭的概念，并感觉到我们在跨入新世纪的同时，自己的家居设备也将进入智能化的新时代。我国将全面普及智能家庭网络系统和产品，即开始走进普通居民的家居设备中。在这个时期，整个市场将是以我国自行研究和开发的系统和产品为主。国外的产品将在高档系统产品占有一席之地。其真正智能家庭网络的大市场将在2010年以后逐步形成。1.2研究目的与意义智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施如照明、安防等通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活。传统的智能家居系统一般是通过有线线路进行各种控制和通信，人们难以脱离各种线缆的羁绊，而且系统的可扩展性也很差。现代近距离无线扩展性通信技术的发展，使得人们能够冲破这种束缚，营造更舒适的家居生活。智能家居控制系统可以归纳成是一个各种家庭设备互连和控制网络，互连是满足人们的数据通信的基础，控制是家居自动、智能化的根本。而传统智能家居控制系统有许多不足，偏高的售价却造成难以普及，至于目前Lonwbrks主要市场还是在工业和商业界，而且通常需要专业人员协助装设。在家居设备智能化系统中需要考虑以下特点:低成本，跨平台，自组织，可扩展性，嵌入式应用。ZigBee技术是近年来提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。ZigBee是IEEE802.15.4技术的商业名称，该技术的核心由2000年12月成立的IEEE802.巧.4工作组制定，高层应用、互联互通测试和市场推广由2002年组建的ZigBee联盟负责。综上所述，目前我国智能家居系统虽然有了一定的发展，但总体还处于市场发展初期，特别是统一的标准;家居设备远程控制系统作为智能化家居的一个重要组成部分，也将起到更加重要的作用基于这些考虑，本文通过研究现有的相关技术成果，查阅大量的文献资料并结合用户的实际需求，给出了一个基于嵌入式Intemet和zigBee组网技术的家居远程控制系统的设计与实现方案.1.3 国内、外智能家居系统的现状与发展智能家居系统是为适应现代化家庭生活而形成的多样化的网络结构。智能家居的概念首先是由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家提出的。1984年，世界上第一幢智能建筑于年在美国康涅迪格州出现，也因此揭开了智能家居发展的序幕。自从世界上第一座智能建筑出现之后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。目前新加坡、美国等国家已有大量家庭安装了“家庭智能化系统”。三星公司从2003年春节后，开始在中韩两国同时推出智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。2006年，日本NTT公司与上海交通大学合作进行数字家庭中传感器开关接入的研发，希望在智能家居领域有所突破，尽快在日本和中国打开市场。国内提出智能家居概念的时间比较早，但是直到现在依然没有开发出相对成熟的智能家居产品。现阶段，市场上见到较多的产品均是各种孤立的系统，像安防监控，灯具控制，无线三表（水、电、气）等，这些系统多是为解决某些方面的问题而设计，并没有比较全面的利用家庭组网技术实现整个家庭的智能化管理。在国内开发智能家居的公司中，在家庭内部组网中多是基于有线方式（如X-10），基于无线通信的也多是自己设计简单的协议，并没有采用比较成熟，适用于智能家居的协议。这些都为产品的相互兼容带来问题。而且，到目前为止，还没有那家公司的产品能够占到市场份额的10%。在2005年6月，由联想牵头的“闪联”和以海尔为首的“e家佳”同时被信息产业部确定为行业推荐性标准，从而拉开了数字家庭竞争的序幕。目前国内在智能家居行业里比较有影响力的公司主要有上海索博，深圳波创等。上海索博的产品就是通过X-10实现家庭内部组网的，而深圳波创的产品主要是利用无线通信实现家庭内部网络的。1.4 智能家居系统技术的特点及设计中考虑的问题智能家居系统可以归纳成是一个各种家庭设备互连和控制网络，互连是满足人们的数据通信的基础，控制是家居自动化、智能化的根本。传统的智能家居控制系统一般是有线的方式来组建的,其中X-10是智能型家庭网络系统中最被广泛采用之技术，主要是因为价格便宜及部分消费者可自行装设。而CEBus及LonWorks虽然品质及性能都较X-10好，但偏高的售价却造成难以普及，至于LonWorks目前主要市场还是在工、商业界，而且通常需要专业人员协助装设。RS485，CANBus用于自动化工业控制场合，技术发展已经比较成熟。Ethernet适合高速数据传输网络标准，用于家庭自动化控制也受到电缆布线的限制。一些技术发展己经相对比较成熟，而且在行业已经具有一定的标准性和通用性，但普遍还存在以下缺点：1.基于有线的方案的明显缺点布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观；另一方面系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差。2.标准不统一智能家居内部设备的通信和控制没有一个国际上统一的通信接口标准，家居设备在家庭内部的编码方式随便混乱。3.对PC的依赖现有的智能家居系统中的家电需要依靠家庭内部PC。PC必须一天24小时工作，否则家庭内部的管理就无法进行，无论是升级和维护都不方便。智能家居系统设计主要考虑的因素：针对以上提出的目前智能家居控制领域存在的不足，本文从技术发展的角度来考查设计中应考虑的要素。根据成本、实用等方面，应该要考虑以下特点：1.低成本家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。2.标准化需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化的工作非常重要。3.跨平台使用环境是一个家居环境，整个系统中有着形形色色的平。4.自组织不能期望用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得十分重要。5.可扩展性系统不做大的改动情况下，能够自动地进行软件升级和功能扩张。6.嵌入式应用嵌入式技术是指设备通过嵌入式模块，而非PC系统，直接接入Internet实现信息交互的过程，或者通过移动通信模块直接接入移动网络实现远程交互的过程。这样避免了系统对传统PC机的依赖问题。1.5 本课题的研究内容和结构安排 本文基于对当前智能家居中控制和互联网络技术的发展现状的研究和分析，结合当前发展迅速的短程无线技术标准和特点，在充分研究ZigBee协议的基础上设计一个更为便利、互联的无线智能家居控制网络方案，然后结合无线传感器网络和嵌入式系统各自的优点，实现用户能够随时随地远程监控自己家居的智能家居无线网络系统。本课题的研究内容本文首先对无线家居控制系统的构架和特点进行了研究和分析，在智能家居控制中，无线通信的标准化协议是实现控制系统必不可少的条件，而正在发展中的ZigBee技术正是应这种需求而提出的一种低成本低速率无线互连标准，是一种适用于家居网络控制的无线网络标准。本文对正在迅速发展的zigBee标准的协议体系和应用作了具体的分析和研究。通过市场调研，选用JenniC的无线传感器节点和ARMg开发板设计并实现了一个基于嵌入式技术的智能家居无线网络系统。其中主要工作北京邮电大学硕士论文集中在嵌入式操作系统linuX和嵌入式Web服务器Boa的移植、ZigBee协调器与ARMg串口通信程序的编写、服务器CGI脚本程序以及MiniGUI界面程序的编写。通过服务器Boa，用户就能够随时随地监控自己家居的情况，并能控制家居设备。针对ZigBee协议的复杂性以及前沿性，本文采用了美国著名ZigBee网络分析工具DaintreeNetworkS对ZigBee网络的建立、终端节点加入ZigBee网络、协调器与设备节点的通信、设备节点离开ZigBee网络等详细流程都给与了分析。论文的结构安排全文的结构如下:第一章介绍了在智能家庭背景及意义下，根据国内外智能家庭系统的发展与现状，介绍了智能家庭系统的一些相关技术和特点。第二章进行智能家居网络系统的方案设计。第三章设计并实现了智能家居控制系统的软硬件设计。第四章总结全文，对课题的研究情况做总结，分析文章有哪些不足，并指出课题还需要做出哪些计划。第二章 智能家居系统方案设计2.1 智能家庭系统方案框架一个智能家庭网关可以看成是一个信息处理系统，组成系统的各单元就是连接在网络各节点的设备。控制平台一方面辅助不具备信息化条件的设备实现信息化，即提供信息处理的能力;另一方面又提供统一的信息交换接口及控制规则，从而实现从内部家庭网络到Internet信息的互通。如图2.1为智能家居系统功能结构图。图2.1智能家居系统功能结构图本系统的小区宽带数据网络借用小区中已经铺设好的高速以太网，既大幅度节省系统成本，又同时保证了物业与住户之间的大量信息传递。小区宽带网络使用IEEE802.3以太网通讯协议；家庭无线网络使用IEEE802.15.4短距离无线通讯协议；可以方便地与符合协议的其他网络及设备实现无缝连接。系统以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节点功能模块。在家庭网关和每个子节点上都接有一个IP_Link1270无线网络收发模块（符号ZigBee技术标准的产品），通过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。2.2系统网络拓扑研究图2.2智能家居网络拓扑图从图2.2我们可以看出这个智能家居系统网络可以从两个方面来考虑：从小区的管理中心来讲：他们可以通过小区管理平台实现对用户管理和系统维护、安防信息管理等。还可以通过浏览器实现对用户信息配置、远程抄表和控制、信息服务等。 从用户的角度来分析：用户可以通过个人计算机上的浏览器实现对家庭各表数据查询、家庭电器设备的远程控制、家庭完全环境的监测、家庭各节点电池电量的查询等。总体来说本设计的智能家居网络应该可以实现以下功能：1.故障自动检测功能。 2. 子节点电池电量报警：当家庭子节点系统中电池出现电量不足时，向小区管理中心提交电量不足报警并在网页中显示。 3.控制功能：通过门锁自动进行报警系统的布防、撤防控制，无需密码记忆；根据小区管理中心的控制信息管理煤气、水、电的输出通断；用户根据自己的需要对家用电器的远程控制。 4.信息服务功能：可以通过小区信息发布系统进行小区广播及发送天气预报等；可针对具体用户发布有针对性的信息。 5. 安防报警功能：火灾报警、防盗报警、煤气泄漏报警、紧急呼救。火灾报警、煤气泄漏报警、紧急呼救报警不需要考虑设防状态，而安防报警则在设防状态下有作用.6.设备故障报警：当家庭子节点因意外情况导致不工作或不在网络中时，网络会自动检测，并发送报警通知至小区管理平台网页上显示；反之，有新节点加入则网络会自动检测，并在小区管理平台网页中显示。 7. 数据的采集、远程抄表及网页显示：各种家庭计量表（电表、水表、燃气表等）数据远传及在网页上的显示；各种报警数据的远传及在网页上的显示；各子节点的电池电量在网页上的显示。2.3 智能家居中家庭网关的各部分组成和功能家庭网络ZigBee实现方案可以简单的概括为:在各种家庭电子设备中嵌入基于ZigBee芯片的无线网络收发模块,通过这些无线网络收发模块在各个网络子节点之间进行数据的传送,从而实现家庭内电子设备的无线互连和家庭自动化。基于ZigBee技术的家庭网络平台主要由一个家庭网关和若干个无线通讯ZigBee功能模块组成，构建智能家居系统，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节点模块。根据系统的体系结构将家庭网关抽象为站点。将家庭内部的被控对象(三表，门磁等)抽象为节点。智能家居无线网络系统组成如图2.3所示 。图2.3 智能家居无线网络系统组成2.3.1家庭网关的组成和功能1.采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和.CLinux操作系统。家庭网关实际上就是一个功能齐全的嵌入式系统，硬件设计上采用功能强大ARM芯片加上其他功能模块，而主要的工作是在软件开发上选择.Clinux操作系统，移植.Clinux操作系统,并在其上开发驱动程序、应用程序。2. 安装门禁系统，一旦门锁被坏人非法开启可通过门锁进行自动设防/解防 ,还可以自动报警。门禁系统主要用于来访者控制，而房屋周边环境监测则提供了整个房屋的安全控制功能。通过在房屋周围布设的无线传感器可以严密监控房屋的各个方面。对不速之客可以采取语音示警等方式有效吓阻。在需要的时候可以自动报警，提高了应急时间处理能力。3. 阳台采用幕帘式红外微波双鉴探测器，窗口采用玻璃破碎探测器，对企图从阳台及窗户非法入侵住宅的事件发出报警。窗户也可安装磁控开关，一旦开窗可发出报警信号。磁控开关又称磁控管或磁簧开关，由永久磁铁及干簧管组成。它是一种有磁场时,开关闭合,无磁场时,开关断开的一种开关,可以检测周围是否有足够大的磁场。磁控开关应该避免直接安装在金属物体上。4. 卧室安装紧急按钮。遇抢劫或疾病等紧急事件时可按下求救信号紧急按钮，自动向管理中心报警。5. 通过安装燃气探测器对家中的异常气味发出报警。发生泄漏时，提醒用户迅速离开，自动通风。6. 每家每户配有自己的网页，通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据。在家内安装探测器及报警通信主机，对住宅进行安全防范，当警情发生时，探测器将探测到的报警号通过ZigBee模块传递给报警通信主机，主机通过判断并确认后，通过总线传输到小区中心接警计算机，中心管理人员通过接警计算机对警情做出反应，达到对住户家中非法入侵行为等进行防范的目的。 7. 水、电、气各表数据发给物业管理中心。住宅小区三表远程计量系统的中心控制平台就是通常所指的物业管理中心计算机。物业中心计算机接受各家庭智能终端采集的计量数据，由能耗管理软件作处理，输出计量结果，实现读表、计费、指引交费的一条龙服务。三表远程计量系统在住宅小区智能系统中是与住户密切相关的一个智能化系统。三表远程计量系统一般可以分四个部分：前端数据采集装置、数据采集处理装置、传输线路、中心控制平台。前端数据采集装置指的是具有脉冲或电信号输出的水表、电表、气表等计量装置。我们设计的智能家居系统通过传感器网络监测电路、自来水管道煤气管道。在电路异常时提供自动断电，语音提示等功能。当用户离开后可以自动关闭自来水管。8.通过以太网与小区管理中心通讯。可以通过向管理中心自动发出报警、求救信息以及收发物业管理信息；能切断自动报警；能挂接各种功能模块，实现功能扩展。9.通过网关上的无线ZigBee（IEEE802.15.4）模块与网络中各子节点进行通讯。2.3.2 ZigBee无线通讯子节点的功能1.两路脉冲量数据采集，可采集水、电、气三表数据；2.两路安防传感器开关量数据采集，可进行设防/撤防报警、安防报警（红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎、燃气探测器等）；3.一路模拟量数据采集；4.一路模拟量数据输出；5.一路继电器触点输出；6.通过无线通讯IEEE802.15.4协议及家庭网关通讯。第三章 智能家居系统硬、软件设计3.1 家庭网关家庭网关是整个智能家居系统的核心，是内部网络和外部网络交换信息的中枢和用户的操作管理平台.它主要负责建立并管理内部网络、交换处理内部网络中的数据和信息，并根据情况进行记录或通过因特网、公共电话网报告给用户。为了实现家庭网关的复杂功能，也为了简化智能家居系统的设计，缩短开发周期，项目选择了杭州立宇泰公司dARMSYS2410-B开发板来设计家庭网关，如图3.1所示。图3.1 家庭网关的开发平台ARMSYS2410-B开发板采用了内核为ARM920T的三星S3C2410A-20处理器，最高工作频率可达203MHz。板上具有64MB的NAND Flash和64MB的SDRAM。该板具有两个USB，一个IDE和一个以太网接口等，能支持屏幕分辨率高达8*600像素的各种TFT液晶，并带有触摸屏。在此基础上，只需要设计ZigBee射频部分和电话控制器硬件，并开发相关应用软件即可实现家庭网关的功能。为了简化，避免将ZigBee协议栈移植到ARM中，家庭网关采用单片机和ZigBee射频部分组成通信模块，由单片机完成ZigBee收发芯片的初始化和数据收发工作，再由单片机提供已处理好的数据给ARM开发板。这部分内容在和遥控器中的ZigBee电路设计一致，将在“遥控器的设计”中阐述。电话控制器是在原安防报警主机的基础上设计，主要包括振铃检测、电话摘挂机、双音多频（DTMF）信号收发、信号音检测等功能。这部分电路设计和原安防报警主机基本一致，本文不作阐述。3.1.1 家庭外部网络家庭外部网络主要是为用户提供远程控制管理家庭电器、监控家庭各种信息的平台，并为用户提供安防的远程报警服务。本课题中的家庭外部网络利用现成的比较成熟的通信技术实现，主要有因特网和公用电话网两部分。这部分内容主要为应用软件的设计，由项目组其他人负责完成。3.1.2 家庭内部网络家庭内部网络中目前主要包括照明管理、安防系统、遥控器三部分，以后还将陆续加入温湿度调节、家电管理、电动窗帘控制单元等部分。内部网络采用ZigBe无线技术实现，终端节点和家庭网关（ZigBee协调器）构成星形网络。家庭网关虽然作为整个内部网络的控制核心，但是并不方便用户使用，为此专门设计了遥控器，用户可以通过遥控器进行相应的管理或控制操作：遥控器发出的指令通过家庭网关中转到相应的终端节点上，再由终端节点完成相应操作。遥控器和灯具管理的相关部分将在下两节中重点阐述。安防系统主要有主要有热释电红外传感器、烟雾传感器、电化学一氧化碳传感器、光强传感器以及门磁等。这些传感器构成的网络通过家庭网关来进行管理，它们使用ZigBee无线方式和家庭网关通信，交换信息。各传感器节点主要是由传感器探头和ZigBee收发电路、单片机等部分组成，这部分电路中的无线收发和单片机部分都和遥控器或灯具控制器中的相应部分类似，其他传感器的输出信号调理电路由其他人负责设计，本文不作阐述。3.2 无线网络通讯协议帧结构家庭网关通讯协议帧结构是建立在ZigBee协议帧结构的基础上的，相当于底层协议中的数据场部分。所以帧结构由节点号、功能编码、数据信息三部分组成，如图3.2所示：图3.2 帧结构节点号字段数据长度为1字节，其中低四位为数据采集功能编号，高四位为子节点号，如图3.3所示： 图3.3 节点号字段数据功能编码分为三个部分：方向位、数据类型和功能类型。其格式如图3.4所示：图3.4 功能编码格式方向位：根据主节点作为通讯发送者还是接收者，本系统功能可分为两大类：上行和下行。方向位即决定了这一点。 数据类型：数据信息与功能编码关系十分密切，根据功能不同，数据场中数据的内容含义不同；根据数据长度不同，数据类型也不同。 功能类型：每一个功能类型对应一种系统功能。通过解析功能类型编码可得到系统功能，对于下行帧，子节点得到主节点通知其执行的命令和需要的数据；对于上行帧，主节点得到子节点返回的信息、数据和命令执行的情况。 数据信息存放数据，数据信息长度可根据功能编码中的数据类型而定。3.3智能家居的网络拓扑选择图3.5 星型网络拓扑建立一个无线网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。像家庭这样的小型局域网通常采用的是星型网络14。如图3.5就是一个星型网络。这个网络成本低廉，结构简单，连接容易，具有可扩展性。星型网络的特点是对中心节点（无线数字家居服务器或网关）的依赖性很大，中心节点出现问题可能会造成整个网络的瘫痪。家庭内部无线网络连接距离较短，网络中的信息传送只要在无线数字家居服务器和其它室内终端之间。根据家庭网络的这些特点，本文以家庭网关为中心节点组建了一个星型家庭网络。ZigBee技术最大传输距离150m，完全满足家庭网络的需要。通过实用证明，星型家庭网络组网简单，实用可靠。3.4 系统硬件电路设计无线传感器模块一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块组成。其中传感器模块负责采集信息并完成数据转换；数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据传输模块负责与其他节点进行无线通信；电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽扣电池，以减少节点的体积。3.4.1 处理器及电源设计MSP430F1232单片机是TI公司推出的功能强大的超低功耗16位混合信号处理器。为了最大限度地利用单片机端口和片内外设并降低设计成本，本设计选用MSP430F1232，该单片机有3个并行端口，一个RS485串行通讯口，同时内置10位AD采样器，可完全满足设计的各种要求。该单片机突出的特点是可以实现极低的功耗，具有五种省电工作模式，而每种工作模式可以通过对时钟的控制实现不同的功耗，其工作在LPM4模式下的功耗电流只有0.1A,非常适合采用电池供电的系统。其内部组成和实现的功能如下：（1）片内FLASH ROM用于存储应用程序、通讯协议；（2）UART（通用异步收发器）接口连接无线通信模块。采用硬件UART进行异步串行通信。这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式。这种方法一般用于单片机有应件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART单片机的场合。（3）10位A/D转换器实现电池电压检测、模拟量输入；（4）内部16位定时计数器实现PWM输出，经低通滤波后，再由放大器放大，实现模拟量输出；（5）I2C接口连接铁电存储器FRAM。W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式。（6）其余的通用输入输出端口分别实现数字量和脉冲量的输入、输出以及拨码开关状态的输入。 在整个系统中，单片机MSP430F1232需要3.3V的直流稳压电源，电源的设计要求非常严格。如图3.6所示，我们将纽扣电池的电压通过一个电荷泵IPS60210将电压稳定至3.3V，提供给单片机MSP430F1232。电源模块产生信号比较稳定，能够很好的满足系统需要。图3.6稳压电源3.4.2 铁电存储器利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式。铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种新型非易失性存储器件，简称FRAM。与普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与EEPROM的双得特性，而且价格相对较低。现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。在设计中存储器采用RAMTRON公司的FM24CL16。FRAM可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待；FRAM有近乎无限次写入寿命。铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。正是因为它是一种串行非易失性存储器，可无限次地读写，掉电数据可保护10年；写数据无延时；使用二线制串行总线及其传输规范进行双向传输，这种方式占用脚位少，占用线路板空间小，总线速度可以达到1MHz，静态工作电流仅为1A。所以它十分适合本设计对功耗低、体积小、数据读写频繁的要求。如图3.7为FM24CL16的管脚图。图3.7 FM24CL16管脚图它的工作原理是：当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。其实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一个已知电场（即对电容充电），如果原来晶体的中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，则中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，则在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰，把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。FM24CL16与MSP430F1232单片机的I2C接口连接。如图3.8所示：图3.8 FM24CL16组成二主一从的I2C总线控制方式图W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。通信接口部分线路如图1所示，2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式， W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。我们把握手线A（简称A线）定义为总线控制、指示线，主要用于获取总线控制权与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。其流程图我们会在设计的后面介绍。数据采集与记录，存储器（FRAM）可以让设计更快、更频繁地将数据写入非易失性存储器。数据采集通常包括采集和存储两部分，系统所采集的数据（(除临时或中间结果数据外)需要在掉电后能够保存，这些功能是数据采集系统或子系统所具有的基本功能。在本设计中FM24CL16的应用是：仪表 (电表、气表、水表、流量表)的数据采集、家庭安全监控系统等。3.4.3磁保持继电器 磁保持继电器采用松下公司的TQ2-L23V。其工作原理是：磁保持继电器其触点开、合状态平时是由永久磁钢所产生的磁力所保持。当继电器的触点需要开或合状态时（即接通或切断负载时），只需用正（反）直流脉冲电压激励线圈，继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。这时的功率损耗一般小于1W。通常触点处于保持状态时，线圈不需继续通电，仅靠永久磁钢的磁力就能维持继电器的状态不变。此设计通过MSP430F1232的输出管脚DO_S、DO_R控制开关管Q1、Q2的开关状态，实现继电器线圈电流的通断控制，从而控制继电器触点的动作。如果采用传统继电器，需要一直提供电流来维持继电器状态，这样功耗很难降低。磁保持继电器具有锁存功能，触点动作后无需继续提供电流，从而降低了功耗。其开关两端可耐压直流220V，交流250V，满足了通断市电的要求。 磁保持继电器具有省电、性能稳定、体积小、承载能力大，比一般电磁继电器性能优越的特点。在此设计中可运用于各种家电和自动控制装置，抄表等。3.4.4无线网络收发模块本设计所用的ZigBee无线网络通信模块采用赫利讯的IP_Link1270模块。它是ZigBee的开发工具和产品，包含符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz射频组件、低功耗的8位微控制器、ZigBee网络软件和全波长天线，每次接力通信都能在75 m范围内提供250kbps的速率。IP_Link1270无线网络收发模块的特点是：模块外形小巧，接口资源丰富，方便用户集成到任何现有产品中。内嵌网络通讯协议，符合ZigBee网络层的标准，为IEEE.802.15.4标准兼容产品，可实现高效率发射、高灵敏度接收，无线数据速率高达250kbit/s 。通过串口与MSP430F1232进行通讯，将获得的数据无线发送出去。IP_Link1270单片机对用户开放，您可以选择带有赫利讯点对点通讯协议和API的模块，也可以选择空模块并利用模块自身的单片机开发所需要的应用程序，这将大大降低外围器件的成本。IP-Link1270模块可以应用于多种应用领域，比如在本设计中，它可以对家庭智能控制，无线传感器网络，无线抄表系统等。在这个无线网络系统中，整个控制网络系统的无线通信功能是通过IP-LINK1270模块和MSP430F1232之间的串口通信实现的。IP-LINK1270模块是完全符合IEEE802.15.4标准与ZigBee规范的2.4GHz无线收发模块。需要3.3V的工作电源和逻辑电平，刚好保证和MSP430F1232的顺利通信，其复位端与单片机复位端相连，单片机上电的同时IP-LINK1270模块也复位。该模块在使用之前，需要配置其网络号，节点号以及信道和频率等，以便准确的向设备发送数据或命令。3.4.5拨码开关 八位拨码开关的状态决定该子节点的节点号和其实现的功能。无线子节点通过查询八位拨码开关确定其功能，可以实现两路脉冲量的计数、两路开关量的输入、两路开关量的输出、一路模拟量的输入、一路模拟量的输出、电池电量采集无线通讯等功能。 3.5 系统软件设计鉴于节点使用的通用性要求，需要上电后根据拨码开关确定子节点号及其所要完成的功能。其主要功能包括水电气三表的数据采集和存储、报警信息的获取、设防撤防状态的获取和以上信息数据的无线发送。根据拨码开关的状态确定节点需要完成的其中一项或几项工作，并调用相应的初始化程序。由于无线通讯模块的功耗较大，CPU大部分时间都处于休眠状态，通过各级中断唤醒CPU和恢复无线通讯模块的正常工作。数据的无线发送和接收要遵守家庭网关通讯协议。3.10 系统主程序流程图系统上电后，先关闭看门狗定时器，开关电源进入SNOOZE节省功耗状态，同时关闭无线通讯模块电源，进行I2C接口的初始化，读取拨码开关状态，并根据拨码开关的状态进行单片机通用I/O口的初始化，以确定其作为脉冲量输入端口还是开关量输入端口，或是撤防设防输入端口。其中，若作为脉冲量输入端口，则调用相应脉冲量初始化程序，设置其端口为上升沿触发；若作为开关量输入端口，则调用相应开关量初始化程序，设置其端口为下降触发；若作为撤防设防输入端口，则调用设防撤防初始化程序，当前端口状态为设防状态时，进行撤防初始化，设置其端口为上升沿触发。当前端口状态为撤防状态时，进行设防初始化，设置其端口为下降沿触发。端口初始化结束之后，进行串行通讯UART接口初始化，打开UART接收中断使能，使其能响应网关发送给子节点的命令。定时器连续工作在计数模式，打开计数器溢出中断使能。 单片机各部分初始化结束后，进入LPM3休眠模式，只有ACLK始终保持工作，因此在串行通讯UART和定时器初始化中，将其工作时钟定义为ACLK是十分重要的，否则进入LPM3休眠模式后，串口和定时器将停止工作和相应中断。进入LPM3休眠模式后，系统的功耗最低。 系统可响应I/O中断，当其作为脉冲量输入端口时，脉冲量上升沿触发中断，经过去抖处理后，脉冲量计数增1，遇到进位时，调用函数处理进位，最后将计数值写入FRAM，进入LPM3休眠模式。当其作为开关量输入端口时，开关量下降沿触发中断，停止计数器计数，打开电源，打开串行通讯，重复发送报警信息，直到收到网关应答信息时才停止报警，恢复定时器计数，进入LPM3休眠模式。3.5.1 I2C总线仲裁的方式流程图如图3.11所示，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。图3.11 I2C总线仲裁的方式3.5.2 IP-Link1270的通信UART主要负责对IP_Linkl270发过来的数据进行解码，解码后再对用户所有的数据或要执行的指令进行处理;或者当单片机产生中断时，主动地向用户发送信息。UART的主要功能是通过串口采用AT指令集对IP_Linkl270发送的数据进行收发，并对收到的数据进行解码。IP_Linkl270处理数据流程如图5.3所示。图3.12 IP_Linkl270处理数据流程3.5.3串口中断服务流程在整个通信过程中，家居设备始终处于被动地位，只需要不断地检测接收中断，一旦中断标志置位，进入中断服务程序，接收数据，解析数据，判断属于执行命令还是查询数据命令，如果为后者，需要设备立即反馈数据，并判断是否发送成功。若没有成功，连发第二次数据。流程图如图3.13所示。图3.13 串口中断流程图3.6 ZigBee控制器流程ZigBee控制的基本流程图如图3.14所示。当ZigBee模块接受到数据（或反馈信息）时，在LCD界面显示相应标志或数据，并准备接收下次的新数据。图3.14 ZigBee控制器流程图3.7数据发送程序流程图3.15 数据发送程序流程图数据发送要遵循通讯协议，图3.15所示为数据发送程序流程图。当数据发送开始时，发送数据的初始地址等于0X44发送结束进入下一指令，如果不是则返回去重新寻址，直到寻址成功进入下一指令。依次循环下去直至Flag=0,程序结束。第四章 总结与分析4.1 结论本文以智能家居设备系统为背景，提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统，通过对ZigBee技术各个协议层以及网络拓扑的分析，结合智能家居系统网络的特点，设计了智能家居的网络拓扑结构，并对各系统组成的功能进行介绍。本文提出了智能家居系统的整体结构.采用模块化的思想，设计了主接点和网关的硬件接口，并制定了网关和主节点间的通迅协议。对家庭智能化系统的无线网主节点与终端节点的硬件进行了设计实现。本文主要完成的工作有以下几部分：（1）智能家庭网络可