无线智能家居硬件设计.doc

目 录摘 要1Abstract21. 绪论31.1 智能家居简介31.2 研究目的及意义31.3 研究内容31.4 相关研究方法和技术路线41.4 ZigBee技术41.4.1. ZigBee技术简介41.4.2. ZigBee协议栈各层结构52. 智能家居系统的任务设计52.1 系统设计总体方案52.1.1 智能家居系统的组成62.2 方案实现的过程62.2.1 硬件的实现72.2.2 软件的实现72.3 ZigBee网络体系结构72.3.1 ZigBee功能类型72.3.2 ZigBee节点类型82.3.3 ZigBee的拓扑结构82.4. 设计方案的总体分析92.4.1 中央控制器CC243092.4.2 信号检测模块102.4.3 电源管理模块102.4.4 控制电路模块102.5 涉及到的主要芯片的介绍102.5.1 控制芯片CC2430102.5.2 温度传感器DS18B20122.5.3 集成放大器LM324143. 硬件设计153.1 硬件原理图153.1.1 红外检测模块153.1.2 光照检测模块163.1.3 温度检测模块173.1.4 电源管理模块183.1.5 电器控制模块194. 软件设计194.1 ZigBee开发软件介绍194.2 IEEE 802.15.4协议204.3 设备信息配置204.3.1 定义ID204.3.2 设备204.3.3 端口204.4 数据通信214.4.1 数据通信格式214.4.2 发送数据214.4.3 接收数据225. 联调测试235.1 硬件独立测试235.1.1 电源模块的测试235.1.2 红外检测电路的测试235.1.3 光照检测电路的测试235.1.4 温度检测电路的测试235.1.5 电器控制电路的测试235.2 智能家居系统的软硬件联合测试236. 总结246.1 已实现的功能246.2 存在的不足256.3 未来展望25结束语26参考文献27致 谢28II无线智能家居管理系统专业：电子信息科学与技术 班级：0901班 作者：殷宇琦 指导老师：熊志利摘 要随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。智能家居系统能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代化生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统逐渐成为一个新兴的研究领域。本文针对智能家居网络特点通过对智能家居网络分析、对比和研究，采用星状网络组建智能家居网络，对智能家居网络进行了设计与实现。利用CC2430的ZigBee模块与各种传感器设计了一种低成本、高灵活性、通用的ZigBee无线智能家居网络控制，并最后完成了实现。主要内容如下：采用Zigbee技术，构建无线传感器网络，研究无线传感器网络的通信机理。以及设计微处理器控制模块，通信模块、检测模块等硬件。关键词：ZigBee；智能家居；无线网络；CC2430Wireless Smart Home Mmanagement SystemSpeciality : Electronic&Information Science and Technology class:0901Author : Yin yu-qi Tuor : Xiong zhi-liAbstractWith the development of electronic information technology and computer network technology，there is the new trend of the development of smart home system to realize the home informatization，and networkingSmart home system can provide more relaxed，orderly，efficient modern way of life，is the inevitable trend of the development of future residential patternTherefore，smart home system has gradually become a new research fieldPointing to these features of smart home system，in these paper，a method of adopting star network to establish smart home intranet by analyzing，comparing，researching the smart home network is givenThe smart home networt is designed and realized，and a kind of low-cost，high-flexibility，conventional wireless intelligent networt controller is accomplished by using CC2430 ZigBee module and other sensorsAs follows：build wireless sensor networks based on Zigbee technology，research communication mechanism for wireless sensor networks. And hardware design of microprocessor control module, communication module, detection module，and so on.Keywords: ZigBee；Smart home；Wireless network；CC24301. 绪论1.1 智能家居简介智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一1。通俗地说，智能家居是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全2。1.2 研究目的及意义随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分智能家居控制系统也越发显得重要。家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势。智能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗。当有线的智能家居由于布线繁琐、不易推广、成本过高渐渐被市场淘汰，而无线智能家居系统更注重简易性，维护的方便性。同样具备智能家居的各项功能，但是控制方式从有线改为无线。相比传统型智能家居系统，无线智能家居系统更具灵活性与可扩张性，此外，它还具有低成本，低功耗的特点，符合“低碳生活”的绿色智能家居概念。性价比相对更高一些。1.3 研究内容本篇论文研究的主要内容为：（1）无线报警模块的设计与实现；（2）无线智能光控模块的设计与实现；（3）无线智能温控模块的设计与实现；其中重点研究软件与硬件的联合调试。1.4 相关研究方法和技术路线智能家居系统中的关键技术是信息传输与智能控制。电力载波技术、综合布线技术、无线网络技术，是当前智能家居系统中信息传输和智能控制的三大主要技术。电力线载波技术可通过电线互相“说话”，无需重新布线，但存在噪声干扰强、信号会在传输过程中衰减等缺点。综合布线技术需要重新额外布设弱电控制线，信号比较稳定，比较适合于楼宇和小区智能化等大区域范围的控制。但安装比较复杂，造价较高，工期较长。无线网络技术通过红外线、蓝牙、ZigBee等技术实现各类电子设备的互联互通与智能控制。无线网络可提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。红外IrDA技术比较成熟，但必须直线视距连接；蓝牙适合于语音业务及需要更高数据量的业务，如移动电话、耳机等；ZigBee作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，更适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据率传输的低成本设备，ZigBee是智能家居的最理想选择3。1.4 ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用4。1.4.1. ZigBee技术简介蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee5。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。1.4.2. ZigBee协议栈各层结构Zig Bee协议栈各层的主要功能模块主要包括PHY层功能、MAC层功能、NWK层功能、APS子层功能，应用框架AF(APhcationFram，ork)功能及各类应用对象。PDU (ProtocolDataUnit)表示协议数据单元6。PHY 层主要通过无线信道进行收发数据包PPDU (PHYProtcoloDataUin)t，以及检测接收包的链路质量LQI(Link alitylndication)值，信道选择，信道能量检测ED(Energy Detect)和空闲信道评估CCA (Clear ChannelAssessment)。AMC 层对从即DU中提取的淤DU进行进一步的处理，同时，还提供AMC层数据传输机制，ED、ACTIVE和ORPN三种扫描机制，和关联/退出关联功能。AMC层的ED扫描调用PHY层的ED检测实现。NwK层负责NPDU收发，组网管理及信息路由的实现。其中组网管理主要包括网络建立、地址分配、节点入网及节点离网。信息路由则包括路径发现、路径维护、信息单播及信息广播7。2 智能家居系统的任务设计2.1 系统设计总体方案在智能家居系统设计中，在尽可能保持统一标准的前提下，针对各种信号类型选择合适的总线或者无线技术并设计主控器已成为智能家居建设的首要问题。在有线方式中，各类传感器和控制器的连接通过总线，它的优点是可以简化各功能单元的设计，缺点就是布线多，结构复杂，也存在总线协议设计选择的问题。针对智能家居中采用有线方式存在的问题，本文提出了一种采用ZigBee无线通信技术的新型智能家居系统设计方案，设计并实现了该系统中的检测、中央处理、控制等各个模块8。2.1.1 智能家居系统的组成系统主要由智能家居网络控制器，即主节点，与智能家居设备相连的智能家居网络控制器，即分节点，每个房间放置的充当路由器的智能家居网络控制器，功能控制驱动模块和相应的家具设备构成。组成框图如图2-1所示。电源管理模快终端模块红外检测模块电器控制模块光照检测模块协调器模块终端模块温度检测模块图2-1 硬件系统组成框图2.2 方案实现的过程本文任务提出的功能控制驱动模块实现与各种家居设备的接口。并为家居设备的功能执行机构，其与相应的智能家居网络控制器分节点进行通信，智能家居网络控制器分节点，每个房间放置的充当路由器功能的分节点和智能家居网络控制器主节点组成ZigBee无线通信网络，是整个智能家居系统的通信网络。每个智能家居网络控制器包括一个ZigBee无线收发模块，与各个设备、节点之间进行通信。此方案的设计灵活性好，扩展性好。系统的工作流程是：首先智能家居网络控制器（主节点）建立ZigBee智能网络，各个网络控制器（分节点）随后加入该网络，他们共同组成一个星状的ZigBee无线家居网络。当需要对某一个家居设备进行控制或者检测时，主节点找到与该家居设备相连的分节点的ID信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的路由器，路由器再将信息转发给对应的分节点，分节点收到信息后，切入功能驱动模块，功能驱动模块对该家居设备进行相应的操作，从而完成智能家居的控制。2.2.1 硬件的实现系统采用华凡公司的HFZSmartRF04EB+CC2430EM模块作为协调器。为了简化系统，突出ZigBee的框架性，节点硬件采取了简化措施，具体如下。温度传感器采用DS18B20，信号引脚接在P0.0上。无线灯控、电动窗帘、空调开关、换气扇都都由单一IO口P1.4控制，模拟开关动作。防盗报警和门迎都采用热释红外传感技术，电路结构相同。煤气报警采用催化燃烧式可燃气体传感器。照度监测使用电池做传感器。2.2.2 软件的实现网络协调器负责建立无线网络，接收终端节点的状态信息并报警或显示，发送命令控制节点的状态。系统应用层的程序主要包括安防、家电控制、传感、无线数据传输好人机交互模块等模块。终端节点负责数据采集，报警或显示，发送状态信息给协调器。系统应用层的程序主要包括传感、报警、无线数据传输和人机交互模块。2.3 ZigBee网络体系结构ZigBee网络中存在两种功能类型的设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。2.3.1 ZigBee功能类型ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设RFD(Reduced Function Device)两种功能类型的设备。全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器(Coordinator)、路由器(Router)和普通节点(Device)而存在。而精简功能器件旨在实现最简单的协议功能而设计，只能作为普通节点存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他的全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器件之间不能直接通信。ZigBee网络要求至少有一个全功能设备作为网络协调器9。2.3.2 ZigBee节点类型ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和终端设备ZE(ZigBee End Deviee)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。协调器：一个ZigBee网络PAN(Personal Area Network)有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力；路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在；终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成10。2.3.3 ZigBee的拓扑结构ZigBee的网络支持星状网(Star Network)，树状网(Cluster tree Network)和网状网(Mesh Network)三种网络拓扑结构。星形网(Star)是由一个ZigBee协调器和一个或多个ZigBee终端节点组成的。ZigBee协调器必须是FFD，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点(终端节点)一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调器的覆盖范围内，直接与ZigBee协调器进行通信。星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。树状网络(Cluster-tree)由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，枝干末端的叶子节点一般为RFD，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成数据和控制信息的传输。协调器比网络中的其它路由器具有更强人的处理能力和存储空间。树状网络的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。网状网络(Mesh网)一般是由若干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连，但它们中也有一个会被推荐为ZigBee协调器。网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它是由路由器中的路由表配合来实现数据的网状路由的。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余”的网络。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销11。2.4. 设计方案的总体分析本着模块化的设计思想，本文提到的设计方案被分为三个模块，即中央控制模块、信息检测模块，以及家电控制模块。2.4.1 中央控制器CC2430无线智能家居的设计，我们选择了技术成熟、低耗高能的ZigBee技术组建无线网络，硬件上面，我们选择了被广泛应用于ZigBee模块的控制芯片CC2430。图2-2为CC2430的最小系统原理图。图2-2 CC2430最小系统原理图CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。2.4.2 信号检测模块信号检测模块，按照需求，我们设计了三个子模块，即红外报警模块，光照监测模块以及温度检测模块。1、红外报警模块：一开始的设计思路是围绕着激光技术来做，鉴于价格过高，且实用性不好，放弃了使用激光技术的想法。后来发现使用廉价的红外线对管也可以做到，便着手设计红外对管相关的红外检测电路。设计的电路原理是没有物体入侵时，使用一个比较器，检测电路送出低电平，输出端没有反应。当有物体入侵时，检测电路送出高电平，给ZigBee模块送出信号。2、光照检测模块：与红外报警模块类似，使用一个比较器，当光线充足的时候，光敏电阻阻值很小，输出端送出低电平，当光线变暗的时候，光敏电阻阻值很大，输出端送出高电平，给ZigBee模块送出信号。3、温度检测模块：使用广泛被采纳的DS18B20，温度传感器，使得检测电路十分简单，仅仅由这个传感器构成即可，监测到的温度会实时发送数据到主控中心。2.4.3 电源管理模块3个检测模块的供电是5V的直流电源，可以使用电池供电。为了方便，本文设计了一块给检测模块和控制模块供电的电源管理模块。原理主要就是利用变压器线圈降压后用桥式电路整流与滤波，从而实现从交流220V到直流5V，为模块稳压供电。2.4.4 控制电路模块主控ZigBee模块处理之后会送出持续的高电平，从而带动继电器工作以达到弱电控制强电的目的，实现对警报、灯具、空调的控制。2.5 涉及到的主要芯片的介绍2.5.1 控制芯片CC24301、CC2430的尺寸与组成CC2430的尺寸只有77mm 48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的0.18µm CMOS标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核，具有8倍的标准8051内核的性能。CC2430包含一个DMA控制器。8k字节静态RAM，其中的4k字节是超低功耗SRAM。32k，64k或128k字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHz RC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC 振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4 MAC 安全所需的（128位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。CC2430包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。CC2430内集成的其他外设有:实时时钟；上电复位；8通道，814位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4 MAC协议，以减轻微控制器的负担。2、CC2430的射频及模拟收发器CC2430的接收器是基于低-中频结构之上的，从天线接收的RF信号经低噪声放大器放大并经下变频变为2MHz的中频信号。中频信号经滤波、放大，在通过A/D转换器变为数字信号。自动增益控制，信道过滤，解调在数字域完成以获得高精确度及空间利用率。集成的模拟通道滤波器可以使工作在2.4GHz ISM波段的不同系统良好的共存。在发射模式下，位映射和调制是根据IEEE 802.15.4的规范来完成的。调制(和扩频)通过数字方式完成。被调制的基带信号经过D/A转换器再由单边带调制器进行低通滤波和直接上变频变为射频信号。最终，高频信号经过片内功率放大器放大以达到可设计的水平。射频的输入输出端口是独立的，他们分享两个普通的PIN引脚。CC2430不需要外部TX/RX开关，其开关已集成在芯片内部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感所组成。可替代的，一个平衡式天线，如对折式偶极天线也是可以实现上述功能的。集成在内部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的需要。晶片内置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率范围，另搭配了二分频电路，以提供四相本地振荡信号给上、下变频综合混频器使用。3、芯片主要特点CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128KB 可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430 芯片采用0.18m CMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。4、CC2430的引脚与I/O端口CC2430 芯片采用7 mm7mm QLP 封装,共有48个引脚。全部引脚可分为I/O 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。I/O 端口线 引脚功能：CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8 位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。2.5.2 温度传感器DS18B20数字温度传感器，接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域12。温度传感器封装图如2-3所示。图2-3 DS18B20温度传感器封装图特点：1、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2、测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5。3、多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。4、作电源: 35V/DC。5、在使用中不需要任何外围元件。6、测量结果以912位数字量方式串行传送。7、不锈钢保护管直径6。8、适用于DN1525，DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。9、标准安装螺纹 M10X1，M12X1.5，G1/2任选。10、VC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。DS18B20工作原理：DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B20温度数据表：DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。如表2-1所示。表2-1DS18B20温度传感器数据表2.5.3 集成放大器LM324LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同13。LM324的特点1、短路保护输出。2、真差动输入级。3、可单电源工作：3V-32V。4、低偏置电流：最大100nA。5、每封装含四个运算放大器。6、具有内部补偿的功能。7、共模范围扩展到负电源。8、行业标准的引脚排列。9、输入端具有静电保护功能这个是最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6，7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13，14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7，8，14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。至于使用地方，那就是你需要比较器和运算放大器的所有地方你都可以用，我们提到的设计就是把它当做简单的比较器来使用。结构引脚如图2-4所示。图2-4LM324结构引脚图3. 硬件设计硬件设计包括了上文提到的信息检测模块、家居控制模块和电源管理模块，以搭配ZigBee模块举起智能家居的硬件网络，并要有硬件方面单独的检测。3.1 硬件原理图3.1.1 红外检测模块原理图如图3-1所示。图3-1红外检测电路原理图工作原理：如图3-2所示，当红外对管发射并接收红外线的时候，电路接通，比较器端相当于直接接地，即0V电压，端输出为调整好的2.5V电压，故比较器OUT端输出低电平。当有物体阻隔红外线的时候，红外对管的接收管阻隔断开，比较器端接入VCC，即5V电压，故比较器OUT端输出高电平，产生检测信号。接入ZigBee红外检测模块的P1.4口。3.1.2 光照检测模块原理图如图3-2所示。图3-2光照检测电路原理图工作原理：光敏电阻在有光照的情况下，呈现极小的的电阻，可以看做没有电阻。电路在白天工作的时候，光照在光敏电阻上，如图所示比较器的端的电压会是5V，而端显示固定的2.5V，故比较器输出低电平。当电路在黑暗的情况下工作时，与上面相反，端的电压这个时候由于光敏电阻的阻值近似无限大，所以输出近似0V的电压，端依旧是2.5V，所以电路的OUT端输出高电平，产生检测信号。正常工作的时候是在无光照的情况下产生并发送一个高电平。3.1.3 温度检测模块原理图如图3-3所示。图3-3温度检测电路原理图工作原理：DS18B20作为应用很广的温度传感器，设计电路的时候不需要外加其他的元器件，以串行通信的方式将采集到的温度信息传送到ZigBee模块上，接入模块的P1.1口。3.1.4 电源管理模块原理图如图3-4所示。图3-4 5V电源原理图工作原理：220V的交流电先经过线圈的变压作用，把其转变为5V左右的交流电，在经过桥式整流电路，使其转变为5V的直流电。后续电路经过滤波，稳压，最后在输出端输出稳定的5V电压，可作为设计需求的电源使用。3.1.5 电器控制模块原理图如图3-5所示。图3-5电器控制电路原理图工作原理：利用简单的继电器来控制居家电器。两个继电器的直流端，一端接入固定的3.3V电压，另一端接在输出端口上。电路正常工作的时候，两个输出端口都是3.3V，故不会产生电压差，没有信号输出。满足条件以后，输出端口产生持续的低电平，控制电路即产生压降，形成回路，启动继电器以及警报灯工作。4. 软件设计4.1 ZigBee开发软件介绍主要软件编程在ZigBee开发软件上编译和调试，即IAR EW8051开发软件，IAR Embedded Workbench是一套卡发工具，用于对汇编、C或C+编写的嵌入式应用程序进行编译和调试。IAR Embedded Workbench是一套高度精密且使用方便的嵌入式应用编程开发工具。该集成环境包含了IAR的C/C+编译器，汇编器，链接器，文件管理器，文本编辑器，工程管理器和CSPY调试器。通过其内置的针对不同芯片的代码优化器IAR Embedded Workbench可以为ARM芯片生成非常高效可靠的FLASH/PROMable代码14。4.2 IEEE 802.15.4协议ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee协议栈的物理层、MAC即是IEEE 802.15.4协议。IEEE 802.15.4能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间（10m直径或更小）工作的简单器件。IEEE 802.15.4支持两种网络拓扑，即单跳星形或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义15。4.3 设备信息配置4.3.1 定义IDCoordinator工程中Profile ID的定义在SimpleApp.h中。模块程序的定义为：#define MY_PROFILE_ID 0x0F10MY_PROFILE_ID可以设定为任意的16位值，但是必须保证同一网络中协调器和各个节点的MY_PROFILE_ID值一致16。4.3.2 设备设备ID和设备版本的定义在SimpleApp.h中。模块的协调器设备定义如下：#define DVE_ID_COLLECTOR 0x00#define DEVICE_VERSION_COLLECTOR 0x01终端节点设备定义如下：#define DEV_ID_SENSOR 0x02#define DEVICE_VERSION_SENSOR 0x014.3.3 端口在SimpleApp.h中定义端口号#define MY_ENDPOINT_ID 0x024.4 数据通信4.4.1 数据通信格式协调器与终端节点之间通信的主要内容是节点状态信息或报警信息。定义数据通信的结构体代码如下17：typedef structuint8 SENSOR_TYPE； /传感器类型uint8 NODE_TYPE； /节点类型 uint16 LADDR； /节点长地址uint16 SADDR； /节点短地址uint8 SENSOR_DATA； /节点状态NODE_INFO；4.4.2 发送数据以灯节点为例，数据发送的过程代码如下：NODE_INFP node_info； /定义节点信息的结构体void NodeInfo_Init(void) /节点信息初始化node_info.SENSOR_TYPE = LIGJHT；node_info.NODE_TYPE = ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE；osal_memcpy(&node_info.LADDR，&aExtendedAddress，sizeof(uint16)；osal_memcpy(&node_info.SADDR，&_NIB.nwkDevAddress，sizeof(uint16)；node_info.SENSOR_DATA = 0x00；void myApp_Measure(void) Switch(node_info.SENSOR_TYPE)case LIGHT；node_info.SENSOR_DATA = HFReadLight()； /获取灯的开关状态if(myAppState = APP_START)/发送数据给协调器zb_SendDataRequest(_NIB.nwkCoordAddress，node_info.SENSOR_TYPE，sizeof(node_info)，(uint8 * )&node_info，node_info.SENSOR_TYPE，AF_ACK_REQUEST，0)；break；4.4.3 接收数据接收代码如下：static NODE_INFO node_info13；void zb_ReceiveDataIndication(uint16 soure，uint16 command，uint16 len，uint8 * pData)switch(command)case LIGHT；/保存节点信息到node_infoosal_memcpy(&node_infoLIGHE，pData，sizeof(node_infoLIGHT)；break；5. 联调测试本章对于做出来的实物电路进行测试，也对软硬件进行联合调试，是设计的最关键步骤。5.1 硬件独立测试5.1.1 电源模块的测试经过万用表的测试，输出的直流电压稳定在5V左右，达到预期要求，检测合格。5.1.2 红外检测电路的测试按照原理图，有物体阻挡住红外线的时候会往输出端产生一个高电平，我在输出口并联了一个发光管，以方便检测，发光管亮即说明有高电平输出。有物体阻挡时红外检测模块上的LED灯发亮，实现了红外智能报警功能。5.1.3 光照检测电路的测试按照电路原理，在光线不是很强的情况下，光照检测电路会产生一个高电平。同上也采用了一个发光管方便检测。光线暗时光照检测模块上的LED灯发亮，实现了智能光控的功能。5.1.4 温度检测电路的测试此步骤放在联合调试中执行。5.1.5 电器控制电路的测试按照电路原理，输出的一个持续的高电平会启动继电器工作，从而接通工作段的家居电器。同上安装了检测使用的发光管，当有持续的高电平的输入时，发光管发亮，同时继电器发出“吧嗒”的声音，表示线圈吸合断开。5.2 智能家居系统的软硬件联合测试连接好外部电路，DS18B20的三个引脚，对应接到一个终端模块P2区的VDD，GND和P00引脚上，红外报警模块信号脚接到另一个终端模块P2区的P07口。检测模块接到协调器模块的P1区的P11口和P14口。系统总电路图如5-1所示。图5-1 系统总电路图通上电，依次按下协调器和两个终端节点的电源按钮，分别按下三个模块的中间键，然后按下SW2键，三个模块之间开始通信。当温度达到40以上时，检测模块上的LED灯点亮，电路导通。当手指通过红外对管，检测模块上的LED点亮，以示警报。6. 总结6.1 已实现的功能硬件设计方面包括电源模块，红外报警模块，光照监测模块以及温度检测模块，均达到预期的设计指标，满足系统的要求。1、电源模块输出所需的5V电压；2、红外报警模块在触碰后能输出高电平；3、光照监测模块在暗处能点亮LED；4、温度检测模块能检测温度。软件设计方面实现了ZigBee模块之间的无线通信。在红外报警模块输出高电平到ZigBee模块时，能从P1.4口输出低电平，使LED灯发亮。在温度控制模块发送温度给ZigBee模块，能从P1.1口输出低点品，使LED灯发亮。6.2 存在的不足虽然系统实现了上述功能，但是整个智能家居系统可不仅仅只有这两个功能，比如说门迎、煤气检测等都还没有实现。还有温控模块，没能实现温度控制开关的目标。6.3 未来展望基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统是一个功能强大，性能优越的系统。该系统能克服现有的智能家居系统中普遍存在的问题，但对于智能家居系统的整