基于ZigBee协议的智能家居系统设计.doc

山东科技大学本科毕业设计（论文）摘 要 传统的智能家居系统大多采用综合布线技术，工艺繁琐，造价较高。无线传感器网络省去花在综合布线上的费用和精力，无线网络技术应用于智能家居系统已成为势不可挡的趋势。 智能家居分为主节点和终端节点两大部分。终端节点通过温湿度传感器、红外热释电传感器、光照传感器、烟雾传感器进行数据采集，家居主节点对获取数据分析、处理后，由继电器完成对家电的控制，实现空调智能调节、房门和窗帘的自动控制、环境检测、安防报警等功能。本文通过对智能家居网络的对比、分析和研究，采用ZigBee无线传感器网络构建智能家居系统的内部网，设计基于CC2530的硬件电路，并利用Z-Stack完成软件设计。实验结果表明，本设计能实现智能家居系统功能，充分体现智能家居的灵活性、高效性和流动性，达到预期目标。关键词：智能家居；ZigBee；无线网络；CC2530；传感器Abstract Traditional smart home system mostly adopts the technology of cable, which is complexed and expensived.Wireless network is a great deal of flexibility and mobility, saving time and cost, it has became an irresistible trend to applied to the home network. The system consists of master node and end node.The end node collects information through temperature and humidity sensors, infrared pyroelectric sensors, light sensors and smoke sensors.After analysis and process of receive datas, the master node control home appliances by relay, realize the function of air condition intelligent adjustment, doors and curtain automatic control, environmental testing and security alarm.This article through the analysis, contrast and research of the intelligent home network, use the ZigBee wireless sensor network to construct intranet of smart home system.Then design hardware circuit based on CC2530 chip and use Z-Stack to complate the soft part. The experimental results show that this design can realize the intelligent household system function, fully incarnate the flexibility, efficiency and liquidity of smart home, it has reach the expected aim.Keywords: smart home system, ZigBee, wireless network, CC2530, sensor91目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1 研究背景11.2 智能家居系统的现状及发展趋势21.3 课题研究内容与论文结构安排3第2章 系统方案论证52.1 智能家居网络技术52.2 主控芯片的选择92.3 传感器选型10第3章 ZigBee无线协议分析123.1 IEEE802.15.4标准介绍123.2 ZigBee体系结构163.2 ZigBee网络拓扑结构选择17第4章 系统硬件设计194.1 CC2530芯片介绍194.2 主体电路设计204.3 模块电路设计24第5章 软件设计285.1 TI Z-Stack软件架构285.2 系统程序设计305.3 子网通讯协议355.4 家庭网关38第6章 系统调试及分析406.1 软件运行测试406.2 系统运行与测试406.3 系统性能分析42第7章 总结和展望437.1 总 结437.2 展 望43参考文献45致 谢47附录一：外文资料48附录二：中文译文66附录三：原理图79附录四：程序80第1章 绪 论1.1 研究背景 随着社会经济的飞速发展、生活节奏的不断加快和生活质量的日益改善，人们的生活、工作日益信息化。传统的家庭住宅系统正面临着社会信息化的巨大挑战。人们对于家居的要求已经不仅仅是传统意义上的居住空间，更为关注的是一个高度舒适安全的生活环境、智能化的家用电器、先进的通讯设备、完备的信息终端、信息资源使用的网络化需求等等，在家居设备高度智能化的强烈需求下，现代的家居设计理念越来越追求智能化、高效化与便捷化。同时在科学技术的快速发展的推动下，实现这种需求已经不再是空谈。随着电子和网络技术的不断发展，家居产品已与传感器技术、网络通信技术和计算机技术紧密地结合为一体，智能化的家用电器渐渐占据市场主导地位，智能家居系统也越来越得到人们的重视，使得家居智能化势在必然。与普通的家居相比，智能家居在提供传统的居住功能基础上，还可以提供安全、舒适、宜人的生活空间，更把原来静止的结构通过网络连接起来，转变为具有能动智慧的家具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各种能源支出节约资金。人们接受智能化产品融入自己的工作和生活，不再是为了好奇，而是需求1。智能化系统带给人们的不仅是产品，更重要的是体现了一种服务模式和服务理念。其基本目标是将家庭中各种家用电器、安保装置以及与信息相关的通信设备，通过网络的方式连接起来，实现家具设备间的信息交换，并能在一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的控制、监视和家庭事物的管理，保持住宅环境与家庭设施的和谐与协调。1.2 智能家居系统的现状及发展趋势智能家居的概念起源较早，但一直没有具体的实现案例。世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现，美国联合科技公司在美国康乃迪克州哈特佛市的一座旧式大楼的改造中将智能建筑的概念应用于大楼的供电、安保、照明等设备，使用计算机对大厦进行监测和控制，并提供了先进的语音、数据通信和资讯等方面的信息服务，该栋智能型建筑的诞生，揭开了智能家居发展的序幕2。此后，各种各样的智能家居解决方案先后在经济、技术比较发达的国家提出。智能家居系统在美国、加拿大、法国等国都有广泛应用。1998年5月，“未来之家”在新加坡举办的“家庭电器与电子消费品国际展览会”上，进行了现场演示，该系统是一套完善的家庭智能化系统。它的系统功能主要包括家庭智能控制面板、三表远程抄送功能、家电控制功能、安保报警功能、高速数据传输功能等。科学技术的发展使得人们更加坚定了追求高品质生活方式的信心，智能家居作为高品质信息生活的代表得到越来越多的瞩目3。智能家居作为一个新生产业，其在国内的发展始于20世纪90年代末，市场消费观念还未形成，到2000年左右智能家居市场推广普及工作进一步落实，使我国的普通居民开始了解并接受了智能家居的概念。如今，智能家居产业前景光明，国内知名的家电生产商愈来愈重视对行业市场的研究，少数高档的住宅小区己将智能化基础设施的建设与住宅设计很好的结合起来，成为智能家居产业中的翘楚。智能家居在经历了萌芽期、开创期、徘徊期，现已进入融合演变期。接下来的几年，智能家居将进入一个相对快速的发展阶段。我国市场规模庞大，信息产业具有较好的发展前景，同时，我国政府在不断加强智慧城市的建设，这都为智能家居在国内的发展打下了坚实的基础。从消费者的角度来看，智能家居的需求就是以实用为核心，力求家具设备的实用化、易用化和人性化，这就决定了家居智能控制系统的发展方向：无线化、网络化4。1.3 课题研究内容与论文结构安排1.3.1 课题研究内容本文研究的主要内容是利用网络、通信、传感与自动控制等技术，将与家庭有关的智能照明、家电控制、智能防盗、火灾监测、环境检测子系统有机的结合在一起，让家庭生活更舒适、安全。智能家居系统旨在运用ZigBee技术构建更为人性化的家居监测、控制系统。具体功能如下： （1）无线传输：组建基于CC2530的ZigBee网络，实现协调器和终端节点间的可靠通信。 （2）数据处理：协调器能准确分析温湿度、烟雾、热释电等传感器的无线消息，并加以显示、报警、串口传输。 （3）联调功能：通过对数据分析和判断，实现空调、窗帘、门的智能控制。如：温湿度超出正常界限，空调智能调节；房间过暗，窗帘自动拉开；有人来访，房门自动开启。 （4）主动控制：可通过按键对家用电器进行主动控制。 其中，安防子网由烟雾传感器、红外热释电传感器组成，家电设备子网由继电器控制，室内环境通过温湿度和光照传感器进行检测。1.3.2 论文结构安排本文的结构安排如下：第1章 ：绪论。主要介绍了本课题的研究背景与意义，及智能家居系统的现状和发展趋势。第2章 ：智能家居系统方案论证。通过对比和分析，选定ZigBee网络组建智能家居网络，围绕CC2530进行硬件设计，选定传感器型号。第3章 ：ZigBee无线协议分析。简单介绍了ZigBee无线通信技术和ZigBee体系结构，根据系统需求选择星型网络拓扑结构。第4章 ：智能家居硬件设计。设计基于CC2530芯片的最小系统、辅助电路及各模块电路。第5章 ：软件设计。根据智能家居系统需求，进行家居主节点和终端节点的软件设计。第6章 ：系统调试及分析。系统的运行测试和性能分析。第7章 ：总结和展望。对本课题的工作进行了总结，并指出新的研究和改进方向。第2章 系统方案论证智能家居系统就是利用网络技术和传感器技术，融合个性需求，将与家居生活有关的家电控制、安全监测、环境检测、智能防盗等子系统有机结合起来，通过网络化综合智能控制和管理，实现全新的家居生活体验。系统结构如图2.1所示。图2.1 智能家居系统结构图在智能家居系统中，最重要的就是家居控制网络、主控芯片和传感器的选择。家居网络一方面要保障数据的传输速率和可靠性，另一方面要满足家居控制的便捷性和灵活性。主控芯片要在实现上述家居网络组建的基础上，使整个系统功能更稳定、软硬件实现更简单、费用更低。2.1 智能家居网络技术智能家居系统中的关键技术是信息传输与智能控制，室内控制网络的实现技术主要解决家庭内部各种家电之间的信息传输，因此，合理选择联网技术就显得至关重要。综合布线技术和无线网络技术，是当前智能家居系统中信息传输和智能控制的主要技术。有线方式包括电力线载波的X-10、以太网及电话线组网等。无线网络技术包括红外线、蓝牙、Wi-Fi和ZigBee等5。2.1.1 有线网络技术目前，绝大多数家庭网络的组建，仍采用有线技术，大至可以分为以下几种： （1）电力线交流电力线很早就作为家庭网络的连接媒介，所以X-10技术已发展的十分成熟。这种技术在美国十分盛行，利用该技术可以实现家庭网络的连接，数据传输的可靠性很高，但是，由于电力线信号的传输效率和自身的噪声等原因，这种技术不适合数据的高速传输，而且也没有技术标准，可扩展性较差。 （2）以太网（Ethernet）以太网是需要重新布线的组网技术。它必须采用专门铺设的线缆布网，其传输率相当高，可达到10Mbps或100Mbps，主要用于个人电脑的有线局域网和高速因特网。以太网技术己经十分成熟，本身的实现成本并不高，但专门布线需要花大量的费用。 （3）电话线组网电话线组网类似以太网，有可以共享的介质，无需交换机或集线器。同时用户不必在线路上改变，其与以太网设备基本类似但其没有提供足够份额的RJ-11接口，设备扩展性较差。总的来说，在有线方式中，各传感器和控制器的连接都通过总线，其优点是功能模块设计简单、信息传输速率高、可靠性强，缺点是布线复杂，费用过高，扩展性差，不适于智能家居的普及。2.1.2 家庭无线网络技术的比较随着无线网络技术的发展，人们对家居生活的要求不断的提高，“无线家居”渐渐主导智能家居市场，无线技术不仅不存在布线的问题，而且容易扩展，维护以及使用都比较简单。微电子技术的发展促使各种SOC的实现，协议的设计和实现都可以通过IC来完成，大大简化了开发和实施的难度。现在，市场上无线技术种类较多，应用范围不同，其中，应用最为广泛的有如下几种无线技术5： （1）红外技术红外（infrared data association，IrDA）技术是家庭无线控制网络的一种方式，它设备简单、价格低廉，很容易推广。但由于红外线的直射特性，红外通讯技术不适合传输障碍较多的地方，要求控制器与接收器之间必须达到可视，通信距离短，通常不超过10米，因此该模式仅适用于无阻隔的短距离的点对点通信，并不适合大范围组建家庭通信网络。 （2）蓝牙技术（Bluetooth）蓝牙的创始人是爱立信公司，1998年爱立信、东芝、IBM、英特尔和诺基亚五家公司联合提出蓝牙协议。蓝牙技术是一种短距离、支持点对点和点到多点通信的无线通信技术。蓝牙技术有着非常强大的数据通信功能，传输速率高，穿越障碍能力强，组网简单方便。但芯片成本较高、技术太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小。当家居网络中设备节点的数量较多时成本太高，致使其无法适用于未来大规模的家居控制网络。 （3）Wi-FiWi-Fi是一种无线通信协议，采用IEEE802.1lb标准，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，它工作在2.4GHz的ISM频段，所支持的速度最高达54Mbps，通信距离在100m左右。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价，因此大多数便携式Wi-Fi装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用6。 （4）ZigBeeZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。1表2.1 几种无线通信技术比较规范工作频段传输速率(Mbps)最大功耗连接设备数主要用途红外850mm1.521/4/1610mW2直线短距遥控蓝牙2.4GHz1/2/3100mW7个人网络802.11b2.4GHz54100mW255无线局域网ZigBee868/915M/2.4GHz0.02/0.04/0.253mW65535传感器网络表2.1给出了上述几种短距离无线通信技术在工作频段、传输速率、功耗、连接设备数上的差别和性能比较。不难看出，ZigBee技术最适合智能家居系统网络需求。针对家庭控制网络的特点而言，ZigBee技术具有以下特点： （1）可靠性，家居控制网络要保证家居设备节点之间安全、无差错的数据传输。ZigBee物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，MAC应用层(APS部分)有应答重传功能,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,如果传输过程中出现问题可以进行重发。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当ZigBee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到其它工作信道上。 （2）安全性，家居控制网络中节点之间的通信不能被恶意修改或非法监听，应该是安全可靠的。ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,采用了AES-128的加密算法，支持鉴权和认证，各个应用可以灵活确定其安全属性7。 （3）可扩展性，在家庭中生活中，家居设备不定时可能发生更换，而在实际应用中需要经常增减设备节点，当设备节点数目发生变动时，系统应当具备一定的机制的自动应变措施，而不需要人为地主动修改或改变网络的结构。ZigBee网络中每个全功能设备可连接多达255个节点，全网最多可连接65000个节点，完全能满足家居设备的需求。 （4）成本，对于拥有众多节点的家居网络来说，设备成本是相当可观的。目前，ZigBee芯片的成本大约在4美元左右，对于大批量应用而言ZigBee设备的成本可以做到2美元以下。但随着半导体技术的飞速发展，ZigBee芯片的价格将会降得更低体，体积将会变得越来越小。 （5）信号覆盖率，家庭住宅的范围一般在1060米之间，ZigBee的有效覆盖范围可达100米左右，并且可以通过路由器扩展，一般都能够覆盖普通的家庭环境或办公场所。2.2 主控芯片的选择在选择通过ZigBee技术搭建智能家居网络的条件下，智能家居主控芯片的选择就显得至关重要。目前ZigBee技术提供方式主要有以下三种： （1）ZigBee RF+MCU 利用ZigBee无线射频模块和微控制器的结合来完成ZigBee网络的组建和系统的控制，最典型的组合有TI的CC2420芯片和MSP430芯片结合、飞思卡尔的MC1319X芯片和GT60芯片结合。这两种组合都能实现ZigBee网络的组建和家居的智能控制，平台功耗低、价格低廉、硬件集成度高，但没有标准的通讯协议，且设计较繁杂，扩展性较差。 （2）单芯片内置ZigBee协议栈+外部芯片 Ember公司的EM260是ZigBee/802.15.4网络处理器,它集成了2.4GHz IEEE 802.15.4兼容的收发器和16位网络处理器（XAP2b内核），用以运行ZigBee兼容的网络堆栈EmberZNet，但需配合外接MCU使用。 （3）单芯片集成SOCTI公司的CC2530集成8051控制器的芯片，可以使用小于1GHZ 的频率和2.4GHZ的频率。128K的ROM，可以免费使用TI提供的ZigBee协议，协议功能比较强大，支持adhoc和多跳，支持mesh网。对比发现，TI公司的CC2530芯片除了具有优秀的RF性能和业界标准增强8051MCU内核，简化了硬件设计，同时，CC2530还可以配备TI的标准网络协议栈（RemoTI,，Z-Stack或SimpliciTI）来简化开发。因此，本设计决定围绕CC2530芯片展开硬件电路的设计。2.3 传感器选型智能家居系统将ZigBee模块设备和传感器、家电控制器连接在一起，组建ZigBee智能家居无线网络，本设计传感器模块主要包括：温湿度传感器、烟雾传感器、红外热释电传感器。 （1）温湿度传感器SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的 A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。该产品具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、响应迅速、性价比高等优点。 （2）烟雾传感器 MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 （3）红外热释电传感器 HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式。全自动感应功能，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。采用温度补偿和光敏控制技术，能适应不同环境下的测量。具有感应封锁时间，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。第3章 ZigBee无线协议分析短距离无线通信技术目前已成为无线通信的一个重要分支。在现实中家庭数字控制、环境监测、工业控制等许多应用场合，系统所传输的数据通常为少量的突发信号，以数据量小、要求进行实时传送为数据特征。针对这类应用场合，人们希望出现一种低功耗、低成本和较低传输速率的短距离无线通信技术11。在这种背景下，ZigBee技术应运而生。 ZigBee技术在IEEE802.15.4标准的推动下，在工业、农业、医疗、环境、军事等传统领域取得了成功的应用。在IEEE802.15.4标准之上，ZigBee联盟对ZigBee标准中网络层协议和API部分进行了标准化。IEEE802.15.4标准定义了物理层（physical layer，PHY）和媒体访问控制层（medium access contrl sub-layer，MAC），ZigBee标准在这个基础上扩展了应用层框架和网络层（network layer，NWK）。3.1 IEEE802.15.4标准介绍2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组。这个工作组将致力于定义一种廉价的固定、便携或移动设备使用的低成本、低复杂度、低功耗、低速率的无线连接技术。3.1.1 IEEE802.15.4协议概述 WPAN是一种结构简单、低成本、低功耗的无线网络，它实现了低功耗和低数据吞吐量的无线连接。为满足这些需求，IEEE802.15.4工作组致力于WPAN网络的物理层和媒体访问层的标准化工作12，它具备以下主要特征： （1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率； （2）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址； （3）支持星型和点对点两种网络拓扑结构； （4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance,，CSMA-CA）； （5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。3.1.2 IEEE802.15.4协议网络组成及拓扑结构IEEE 802.15.4网络中根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器。IEEE 802.15.4网络中，必须有一个FFD设备作为PAN网络协调器（PAN coordinator）。PAN网络协调器除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务13。LR-WPAN可以工作于星型网络拓扑和点到点（P2P）的网络拓扑这两种拓扑结构。在星型网络中，各个终端设备直接与网络协调器进行关联和数据传输，由中心的网络协调者集中控制整个网络的形成以及数据的传输。首先，网络协调器为整个网络选择一个可用的通信信道和唯一的标识符，然后允许其他设备通过扫描、关联等步骤加入到自己的网络中，并且为其他终端设备转发数据。点到点的网络中也需要一个网络协调器，和星型网络拓扑的结构不同的是，网络中的所有设备可以和在信号辐射范围之内的所有其他设备通信，因此点到点网络拓扑能够形成多级簇树网络、Mesh网络等更为复杂的网络形式。点到点网络一般是自修复和自组织的形式，它可以通过多跳路由等方式实现数据的安全传输，因此更适合无限传感网络、工业控制、货物仓储及安全相关方面的应用。整个网络的建立与维护由网络的协调器负责。3.1.3 物理层协议规范物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和管理服务。IEEE 802.15.4规范的物理层定义了三个载波频段用于数据收发，在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面都存在着一定的差异。物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。物理层主要负责处理以下任务14： （1）无线发射机的激活和关闭； （2）已有信道的能量检测； （3）链路质量检测； （4）基于CSMA-CA的空闲信道评估； （5）信道选择； （6）数据的发送与接收。其模型如图3.1所示。图3.1 PHY模型3.1.4 MAC层协议规范与物理层类似，MAC层也包括管理实体（MLME）和数据实体（MLDE），其逻辑模型如图3.2所示。MAC层管理实体提供可以唤醒MAC层管理服务的服务接口，同时也维护一个与MAC层相关的管理对象数据库（MIB）。图3.2 MAC层参考模型 MAC层与物理层之间通过PLME.AP和PD.SAP进行通信，通过MAC数据实体服务点（MLDE.SAP）和MAC层管理实体服务接入点（MLME.SAP）向qlt服务相关子层提供MAC层数据和管理服务。另外，MAC层能支持多种LLC标准，通过业务相关会聚子层（SSCS）协议承载802.2类型的LLC标准。MAC主要层功能如下14： （1）网络协调器产生并发送网络信标帧（beacon），普通设备通过beacon与协调器同步； （2）支持个域网（PAN）链路的建立和断开； （3）信道接入方式采用载波侦听多址接入/冲突避免（CSMA/CA）机制； （4）处理和维护保护时隙机制； （5）设备的无线通信信道安全提供支持； （6）两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。ZigBee中的MAC和物理层协议是网状网络的应用基础，高容错和低功耗的特点能保证网状网络所必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络自组特性。而且对于经典的隐藏终端和暴露终端问题、协议的接入公平性问题、服务质量问题等都有良好的解决。在网状网络中，MAC层的传输调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，影响网络层路由性能，所以网络层必须感知MAC层性能的变化，才可以自适应的方式改变路由，改善网络性能。3.2 ZigBee体系结构ZigBee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协议标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供所有其他的服务。IEEE 802.15.4定义了底层协议：物理层和媒体访问控制层。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层和应用层架构。ZigBee的网络层采用基于Ad hoc的路由协议，除了具有通用的网络层功能外，还要实现网络的自组织和自维护，同时支持低功耗，以最大限度方便消费者使用，降低网络的维护成本。3.2.1 网络层协议规范ZigBee网络层主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。为了与应用层进行更好的通信，网络层定义了两个服务实体，分别为数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体（NLDE）通过网络层数据实体服务接入点提供数据传输服务，网络层管理实体(NLME)通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。网络层参考模型如图3.3所示。图3.3 网络层模型3.2.2 应用层协议规范应用层包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。应用支持层(APS)的功能包括维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。 ZigBee应用层除了提供一些必要的函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能就是应用者可在这一层定义自己的应用对象。全功能设备能够发送和接收ZigBee所定义的所有类型的命令帧，而对于半功能设备来说，所执行的命令帧将有所限制。所以在各节点设备在发送或接收帧之前，需要对节点设备参数进行配置。3.2 ZigBee网络拓扑结构选择ZigBee网络根据应用的需要可以组织成星型网络、网状网络和簇型网络3种拓扑结构12，如图3.4所示。在星型结构中，所有的设备都与中心设备PAN网络协调者通信，协调器一般使用电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网络不同，网状网络(mesh)只要彼此在对方的无线辐射范围内，任何两个FFD设备之间都能直接通信，在Mesh中每一个FFD设备都可以认为是网络路由器，都可以实现对网络报文的路由转发功能，Mesh网络在构建时比较复杂，节点所要维护的信息较多；对于簇状网络实际上可以看做是一个复杂的星型网络，一个扩展的星形拓扑或是由多个简单的星型网络组成的拓扑结构，在簇状网络中，协调器、路由器和终端设备功能清晰，相对于Mesh，构建簇状网络比较简单，所需资源相对较少，并且能实现路由转发功能，扩大网络通信范围。本课题中，家庭网络范围较小，室内布线较繁杂，故采用星型网络拓扑结构。其中协调器电力供电，其他节点电池供电，简化繁琐工序的同时组建方便建立和维护的网络系统。图3.4 ZigBee网络拓扑结构图第4章 系统硬件设计 智能家居网络控制系统中，良好的硬件平台是软件开发的基础。它直接决定了组网可靠性、系统的稳定性及低功耗性。经过多方面参阅，决定围绕CC2530芯片进行系统架构。4.1 CC2530芯片介绍 CC2530是一个兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系统，支持专有的802.15.4市场以及ZigBee标准。CC2530 提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模式，以及一套广泛的外设集包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO。除了具有优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，CC2530还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈来简化开发10。CC2530可以用于的应用包括远程控制、计量和智能能源、楼宇自动化、消费型电子、医疗、家庭控制以及更多领域。CC2530芯片大致可以分为三类模块：CPU和相关存储器模块，外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块。4.1.1 CC2530芯片基本功能介绍作为业界标准增强型8051CPU，CC2530芯片具有如下主要性能14： （1）高性能和低功耗的8051微控制器核； （2）集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机； （3）极高的接收灵敏度和抗干扰性能； （4）在供电模式1时仅24mA的流耗；在睡眠定时器运行时仅1uA的流耗；在供电模式3时仅0.4uA的流耗，外部中断能唤醒系统； （5）硬件支持CSMA/CA功能； （6）支持精确的数字化RSSI/LQI和强大的5通道DMA； （7）具有捕获功能的32KHz睡眠定时器； （8）具有8路可配置分辨率的12位ADC； （9）集成AES安全协处理器； （10）带有2个支持多种串行通信协议的强大USART，以及1个MAC定时器，1个16位定时器和1个8 位定时器。4.1.2 增强型8051内核CC2530集成了增强工业标准8051内核MCU核心。该核心使用标准8051指令集。每个指令周期中的一个时钟周期与标准8051每个指令周期中的12个时钟周期相对应，并且取消了无用的总线状态，因此其指令执行速度比标准8051快。除了速度改进之外，增强的8051内核也包含了下列增强的架构15： （1）第二数据指针； （2）扩展了18个中断源。 该8051内核的目标代码与工业标准8051微控制器目标代码兼容。但是，由于与标准8051使用不同的指令定时，现有的带有定时循环的代码可能需要修改。4.2 主体电路设计系统采用TI公司的CC2530芯片构建最小系统，外围电路包括传感器、继电器、串口、液晶显示屏、蜂鸣器、按键、LED指示灯，每个模块可结合实际需求将最小系统与外围电路进行组合，硬件结构如图4.1所示。图4.1 硬件结构图4.2.1 单片机电路 基于CC2530的最小系统设计如图4.2所示。图4.2 CC2530最小系统1晶振电路CC2530有四个晶振，两个内部（晶振16M RC晶振，32K RC晶振）和两个外部晶振（32M的石英晶振，32.768K的石英晶振）。石英晶振的精度高，耗电大，启动慢，RC晶振精度低，耗电小，启动快。在上电时，默认是使用内部的两个晶振，因为内部这两个RC晶振速度快。但是无线只能在32M的外部晶振模式下正常工作，看门狗和睡眠定时器通常在32.768KHz晶振模式下工作。2复位电路CC2530芯片支持低电平复位。上电时，C瞬时导通，RESET端口为低电平，单片机复位；几个毫秒后C充满，RESET为高电平，使单片机进入工作状态。工作期间，按下开关，C放电，RESET为低电平，使得单片机复位，松开开关，C又充电，单片机进入正常工作状态。3电源电路本设计中由于节能需求采用3V电池供电，为满足部分传感器正常工作5V输入电压需求，采用TI公司的TPS63002DRC电压转换芯片。其最大输出电流为1200mA，成本较低，性能稳定，转换效率高，封装面积小，满足系统设计需求。其中，输入端的电感可抑制高频干扰信号，电容可起到滤波的作用。4.2.2 无线电路 CC2530射频信号的收发采用差分方式进行传输，其最佳差分负载是115+j180，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。在PCB布线上要将这两根差分信号线安排成“密近平行线”。高频无线模块外围电路采用巴伦的阻抗匹配网络15，天线使用50欧倒F状负极性天线，结构紧凑，适合于进行中远距离短波通信，以达到最佳通信效果。如图4.3所示。图4.3 天线原理图4.2.3 串口电路在实际的应用中，各传感器模块采集数据传到协调器后，协调器还需与上位机进行通信，以方便信息的监测和数据的处理。本设计采用标准的RS232通信串口16，使单片机和上位机之间能很方便地进行数据的交换。如图4.4所示。图4.4 串口通信接口4.2.4 辅助电路设计辅助电路主要包括显示屏、蜂鸣器、按键、LED，方便系统信息的观察和对家电的控制。如图4.5所示。图4.5 辅助电路4.3 模块电路设计智能家居系统终端模块功能主要包括对房间的温湿度、光照、有害气体的检测，和对家用电器的控制。为简化系统，突出ZigBee的框架性，节点硬件采取简化措施。其中，红外热释电模块设计较复杂，没有进行独立设计。模块节点硬件设计框图如图4.6所示。图4.6 智能家居节点硬件设计框图 （1）温湿度传感器采用SHT10芯片，通过类IIC通信方式与单片机进行通信。 （2）光照传感器采用BPW34S，其输出电压经过放大后接到单片机内部的AIN0通道。 （3）无线灯控、电动窗帘、换气扇、空调等外部家用电器都由单片机通过继电器控制电源的开关。 （4）门迎采用红外热释电传感技术，其设计较复杂，使用采购的成品进行设计。 （5）烟雾报警采用催化燃烧式可燃气体传感器，对液化气、丙烷、氢气及可燃蒸汽的灵敏度都很高。图4.7和图4.8分别为各传感器模块和继电器控制模块的电路原理图，如下所示。图4.7 各传感器模块电路图图4.8 继电器控制电路第5章 软件设计智能家居系统软件设计主要包括两个部分：ZigBee协议栈及其他应用程序的实现。本系统协议栈是在TI推出的ZigBee 2007协议栈基础上修改实现的。5.1 TI Z-Stack软件架构 5.1.1 轮询式操作系统 TI Z-Stack的OSAL是基于事件驱动的轮转查询式操作系统。操作系统通过不断查询任务就绪状态，找到优先级最高的就绪任务进行处理，处理完毕后继续查询任务状态并处理优先级最高的就绪任务。通过这种调度方式，赋予了优先级高的任务最大的权力，尽可能保证高优先级任务的每一个事件都能得到最及时的处理。其调度方式如图5.1所示。图5.1 基于优先级的任务调度方式5.1.2 Z-Stack运作流程 Z-Stack总体上来说，一共做了两件工作，一是系统初始化，即由启动代码来初始化硬件系统和软件架构，为操作系统的运行做好准备工作，主要分为初始化系统时钟、检测芯片工作电压、初始化堆栈、初始化各个硬件模块、初始化FLASH存储、形成芯片MAC地址、初始化非易失变量、初始化MAC层协议、初始化操作系统等十余部分，另一个就是开始执行操作系统实体，其流程图如图5.2所示。图5.2 系统流程图不难看出，大部分初始化代码已在协议栈中实现，用户需要做的就是在操作系统中添加自己的任务和任务处理函数。一般情况下，用户只需添加三个文件就可以完成一个项目，一个是主文件，存放具体任务处理函数，一个是主文件的头文件，另外一个事操作系统接口文件。通过这种方式，Z-Stack就实现了绝大部分代码公用，用户只需添加几个文件，无需修改Z-Stack核心代码，大大增加了项目的通用性和易移植性。5.2 系统程序设计网络协调器负责建立家庭内部无线网络，接收终端节点的状态信息并报警或显示，发送命令控制终端节点状态。系统应用层程序主要包括安防、家电控制、传感、无线数据传输和人机交互等模块。终端节点负责数据采集，发送状态信息给协调器，并响应协调器命令消息。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。系统应用层功能框图如图5.3所示。图5.3 系统应用层功能框图5.2.1 家居主节点 家居主节点是家庭控制网络的主控设备，要求必须由至少一个ZigBee网络的FFD设备组成，一方面它主导家庭内部网络建立的整个过程，主要包括系统初始化、网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、设备关联表等几个方面，另一方面作为家庭网关和设备节点之间的桥梁，完成家庭网关和家居设备节点的通信。家居主节点作为协调器，处于ZigBee网络的最上层，功能较为复杂，因此智能家居系统对家居主节点的硬件配置也有较高的要求。系统上电后，家居主节点首先选择一个空闲信道，采集活动节点信息，建立网络，网络建立成功后，协调器的网络地址、簇ID、网络编号以及传输通道等信息就已经确定，这时它会进入空闲状态，来等待其他节点的加入。若接收到节点入网申请，则允许其加入网络并分配网络地址等信息。系统运行过程中，家居主节点要与众多设备节点进行通信，并对它们进行相应的控制。除此之外，家居主节点必须能发现网络拓扑结构的改变，如设备节点的接入和拆除，维护和修改网络地址表的信息，实现网络的自组织功能。ZigBee协调器组网流程如图5.4所示：图5.4 协调器组网流程图其中协调器建立网络流程如下：协调器设备在接通电源发起建立一个新网络的进程后，网络层管理实体将请求MAC子层对信道进行扫描。经过能量扫描和主动扫描后确定一个用于建立新网络的信道，该信道中现有的网络数目是最少的，网络层管理实体将优先选择没有网络的信道。如果扫描到一个合适的信道，网络层管理实体将为新网络选择一个PAN描述符，该PAN描述符可以是由设备随机选择的，也可以是ZDAPP_CONFIG_PAN_ID指定的，但必须是所选信道内是唯一的PAN描述符。确定好PAN描述符后，网络层管理实体为协调器选择16位网络地址0x0000，并允许其他节点加入网络。当有节点请求加入网络时，协调器给该节点分配网络地址等信息。家庭内部网络成功组建后，家居主节点开始等待事件发生并进行相应处理。其工作流程如图5.5所示。图5.5 家居主节点工作流程图协调器收到无线消息后，通过节点的簇ID判断设备类型，并通过对数据的分析，进行消息处理，并通过串口上传至网关。本设计暂不进行网关部分处理，内部网处理具体如下： （1）收到温湿度传感器、光照传感器消息则更新液晶屏显示，并与温湿度、光照参考限度作比较，若温湿度超出界限则自动向空调设备发送信息，命令开启空调，若灯光太暗则控制窗帘自动打开。 （2）收到烟雾传感器消息则通过蜂鸣器报警，并更新液晶屏显示。 （3）收到门迎消息则控制房门自动开启。 （4）用户也可以通过按键主动控制家居设备或关闭蜂鸣器报警。5.2.2 家居设备节点智能家居系统在家庭环境中布置ZigBee模块作为家居设备节点以无线通信方式组织成网络，设备节点负责监测周围一定范围内的环境状态、收发信号并进行数据处理。设备节点单元主要包含射频收发模块和传感器或受控终端以及两者之间的接口控制模块。射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进行网络中各节点设备的无线连接、数据或指令的收发。系统的终端，主要进行温湿度、红外、光照等各种数据的采集，火灾和门迎状态的监测以及对各种家电设备的控制。本设计中，簇ID标志设备类型，设备簇ID定义如表5.1所示。表5.1 家居设备描述传感器或单元适用设备设备簇ID温湿度传感器温湿度检测