Zigbee协议栈论文关于基于CC2530智能家居系统的Zigbee协议栈的设计实现论文范文参考资料

Zigbee协议栈论文关于基于CC2530智能家居系统的Zigbee协议栈的设计实现论文范文参考资料 摘 要：文章首先分析了基于CC2530智能家居系统的网络技术，介绍了其中外部网络和内部网络的相关技术，其次总体设计了智能家居系统的框架结构，分别分析了其感知层、网络层和应用层的技术，最后详细介绍了Zigbee协议栈的设计与实现。 关键词：CC2530；智能家居；Zigbee协议栈；网络技术 ：TP311 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.xx.04.076 随着人类科学技术的发展和物联网技术的出现，智能家居这种智能化的生活方式正逐渐进入人们的生活，早先只是出现了可与互联网连接的家用设备，如网络电视、网络面包机等，直到美国*art Home出现，标志着智能家居系统的雏形产生，并逐渐投入市场。在欧美国家，智能家居系统的应用总量处于逐年攀升的趋势，从2000年的五千万，到如今的数十万亿。国内的智能家居产业也不示弱，一些公司相继推出了自己的智能家居产品，如海尔的“e家庭”，清华同方的“e-home”。如今的智能家居系统普遍采用Inter有线网络，Wifi，GPRS和Zigbee无线网络将各种传感器和PC移动终端连接起来，通过嵌入式和应用端开发，达到了家居设备智能化的控制和管理，从而实现智能家居中的诸多功能。本文提供了一种基于CC2530的智能家居系统解决方案，并对其Zigbee协议栈进行了设计与实现。 1 网络技术分析 智能家居系统的网络结构由外部网络和内部网络两部分构成，外部网络结构采用Inter和Wifi，GPRS相结合的方式，内部网络采用Zigbee无线自组织网络结构，外部网络和内部网络通过家庭网关相连（见图1）。本文以智能家居系统的内部网络为核心进行设计和实现。 内部网络中的Zigbee是具有低成本、安全可靠、低功耗、无线电频段全球无限制、网络智能化组建等优势的一种无线自组织网络技术，可以嵌入各种网络和传感设备，适用于远程控制和自动控制领域。而CC2530芯片可满足ZigBee 和RF4CE专业应用，CC2530具有业界领先优良性能的RF收 发器和增强型8051微处理器、8 kB RAM、系统 可编程闪存（CC2530F32/64/128/256），支持IEEE 802.15.4标准，具备低功耗的运行模式，以及强大的支持功能和外设1。 2 智能家居总体架构 智能家居系统总体架构可分为3个层次：感知层、网络层和应用层。感知层由Zigbee协调器和路由与Zigbee节点、传感器连接组成无线网络，其主要工作原理是通过Zigbee节点将各个传感器或家用设备所采集的数据信息上传至网络层，到达应用层之后进行处理，下达的处理信息再由网络层传输至物理层的Zigbee节点，Zigbee节点将处理信息发送给家用设备，从而完成相应的用户操作；Zigbee协调器负责组建Zigbee无线网络，并与家庭网关相连。网络层的主要组成部分包括Zigbee无线家庭内网、Inter和移动网络，这3个部分通过家庭网关相连，家庭网关可将无线家庭内网中所采集的信息进行汇集和处理，再向Inter和移动网络进行传送。应用层的实现主要包括智能门禁、火灾及有害气体警报、智能电表水表、家庭安防、照明系统控制、家用电器控制等2。系统结构见图2。 3 ZigBee协议原理与实现 3.1 ZigBee协议原理 Zigbee是建立在IEEE 802.15.4标准基础上的可实现自组织网络并具有低功耗、低成本和低速率特点的无线网络协议。 Zigbee无线网络协议自下而上主要包含5个层次：一是物理层（PHY），可为物理传输介质提供接口；二是媒体访问控制层（MAC），可为节点提供可靠通信并负责组装和分解数据包和帧；三是网络层（NWK），用来启动协调器、分配网络地址、组建网络设备、处理路由；四是应用支持子层（APS），提供Zigbee设备规范、给应用层提供数据服务；五是应用层（APL），由协议栈顶层框架、ZDO和APS组成。Zigbee无线网络协议层次关系见图3。 Zigbee设备类型主要包括协调器（Coordinator）、路由器（Router）和设备终端（End-Device）。协调器负责Zigbee无线网络的启动和控制，同时是存储网络信息（认证和安全密钥）的设备；路由器可扩展网络覆盖面，即将节点设备添加到Zigbee网络之中，可将协调器与其他路由或其下一级终端设备相连，同时提供备份路由以防网络拥挤和失败；终端设备只负责发送和接收网络信息，需要通过路由或直接与协调器相连3。 3.2 ZigBee协议实现 智能家居系统的Zigbee协议实现可通过美国德州仪器（Texas Instruments，TI）公司研发的Zigbee协议栈软件Z-Stack完成，Z-Stack是一款业界领先的商业级协议栈，使用CC2530片上解决方案，可以使用户快速开发出具体的应用。Z-Stack需要借助瑞典Chipcon公司推出的IAR开发环境，IAR 是业界领先的嵌入式开发工具，是带有调试器和 C/C+编译器的集成开发环境。 使用Z-Stack协议栈软件实现无线网络通信主要通过3个步骤：一是组建网络，即调用Z-Stack协议栈的组网函数，加入到网络函数中，从而实现无线网络组建；二是发送数据，发送节点调用协议栈的无线数据，发送函数AF_DataRequest，实现无线数据的发送；三是接收数据，接收节点调用协议栈的无线数据，接收函数SamleApp_MessageMSGCB，实现无线数据接收。 Z-Stack协议栈的工作流程是通过其内部main函数的系统初始化和轮转查询式操作完成。 Z-Stack协议栈软件安装完成后，通过IAR开发环境可在协议栈中找到ZMain.c文件，其中的main函数正是工作流程的开始。main函数的主要功能包括5个方面：一是完成初始化任务，包括初始化硬件、初始化MAC层、初始化操作系统（osal_init_system）、对中断的设置等，首先初始化操作系统的核心是使用osalInitTasks函数实现任务的初始化，确定任务的优先级和使用SampleApp_Init创建用户任务初始化，其次初始化操作系统还可完成初始化内存分配系统、系统消息队列、定时器等；二是执行操作系统，通过调用osal_start_system系统主循环函数实现，其核心是将初始化中的tasksEvents和taskID一一对应，建立初始化与调用的关系，从而完成任务；三是用户应用任务的事件处理，通过SampleApp_ProcessEvent函数实现按键事件、接收数据事件、处理周期性事件和网络发生状态改变时，协调器、路由器和终端的设置；四是发送数据，通过AF_DataRequest函数实现；五是分析接收数据，通过SamleApp_MessageMSGCB函数实现4。 4 结论 本文提供了一种基于CC2530的智能家居系统解决方案，并对其Zigbee协议栈进行了设计与实现，重点介绍了