基于無(wú)線傳感器的智能家居系統(tǒng)——畢業(yè)論文

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1、基于無(wú)線傳感器的智能家居系統(tǒng) 中文摘要中文摘要 隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)環(huán)境的要求越來(lái) 越高，尤其是家庭環(huán)境。如何改善家居環(huán)境，使它更舒適，更安全是工程師目前面 臨的一個(gè)大問題。在這樣的背景下，智能家居是在國(guó)外幾年前和一些著名的建筑師 首先提出的，他們都采用了這一理念。這種思想的核心是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技 術(shù)來(lái)改善家居環(huán)境，使其更方便、更舒適。在我國(guó)，這種想法是最近推出的，所以 應(yīng)用技術(shù)與國(guó)外相比差距。但不可否認(rèn)，在我國(guó)具有很大的發(fā)展空間。目前，我們 缺少的是成熟的產(chǎn)品，形成一套完整的解決方案。本文主要是針對(duì) ZigBee 系統(tǒng)和 應(yīng)用上的環(huán)境的搭建。本文主要完成了

2、以下工作： （1）對(duì)智能家居系統(tǒng)的進(jìn)一步的了解。 （2）對(duì) ZigBee 協(xié)議棧的整體架構(gòu)及各層功能的了解與掌握。 （3）對(duì)一些傳感器的工作原理及數(shù)據(jù)的操作的認(rèn)識(shí)。 關(guān)鍵字：智能家居；ZigBee；cc2530；z-stack Smart home system based on wireless sensor Abstract With the living standards rising, people are increasingly demanding on the environment, especially the family environment. How to impr

3、ove the Home Furnishing environment, the truth that make the environment more comfortable, more security is a big problem facing the engineer. Under such a background, the smart home is in abroad a few years ago and some famous architects first proposed, they have adopted the concept. The core of th

4、is idea is to improve the Home Furnishing environment using computer technology and communication technology, the main idea is making it more convenient, more comfortable. In our country, this idea was recently launched, so the application of the technology gap compared with foreign. But it is unden

5、iable, it has great development space in china. At present, we are lack of mature products, forming a complete set of solutions. This paper is mainly aimed at building the ZigBee system and application environment. This paper mainly completed the following work: (1)To understand the intelligent Smar

6、t Home system. (2)To understand The overall architecture of the Z-Stack and the functions (3)To understand the working principle and the operation of some sensor data. Key Words：Smart Home；ZigBee；cc2530；z-stack 目 錄 第一章 緒論1 1.1 基于智能家居系統(tǒng)的研究背景1 1.2 本課題發(fā)展現(xiàn)狀與意義1 1.3 論文主要研究的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)2 第二章 ZIGBEE 協(xié)議棧及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3 2.1

7、 ZIGBEE協(xié)議棧構(gòu)架4 2.1.1 物理層 4 2.1.2 MAC 層5 2.1.3 網(wǎng)絡(luò)層 NWK5 2.1.4 應(yīng)用層5 2.1.5 ZIGBEE的分類及功能作用6 2.2 ZIGBEE的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6 2.2.1 星形結(jié)構(gòu)6 2.2.2 樹形結(jié)構(gòu)7 2.2.3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)8 2.3 ZIGBEE的通信方式8 2.3.1 廣播通訊12 2.3.2 組播通訊14 2.3.3 點(diǎn)播通訊15 第三章 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)16 3.1 智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)16 3.1.1 傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式16 3.1.2 應(yīng)用場(chǎng)景16 3.1.3 本次設(shè)計(jì)環(huán)境的介紹16 3.2 節(jié)點(diǎn)傳感器的介紹16 3.2.1

8、DHT22 溫濕度傳感器16 3. 2.2 熱釋電人體紅外傳感器19 3.3 基于ZIGBEE的紅外學(xué)習(xí)20 3.3.1 紅外遙控介紹20 3.3.2 方案設(shè)計(jì)23 3.4 ZIGBEE的硬件繪制24 3.4.1 ZIGBEE芯片24 3.4.2 ZIGBEE2530 原理圖的繪制24 3.4.3 ZIGBEE2530PCB 圖的繪制25 第四章 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果27 4.1 串口上位機(jī)與ZIGBEE的通信協(xié)議27 4.1.1 DHT22 溫濕度數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議27 4.1.2 人體紅外傳輸協(xié)議27 4.1.3 串口節(jié)能燈的控制27 4.1.4 紅外對(duì)節(jié)能燈的控制27 4.2 傳感器數(shù)據(jù)的采集27 4

9、.2.1 ZIGBEE節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置27 4.2.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集28 4.1.3 人體紅外數(shù)據(jù)的采集27 4.1.4 紅外控制27 4.1.2 燈控27 第四章 總結(jié)33 參考文獻(xiàn)34 附 錄36 致 謝40 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 第一章 緒論 1.1 智能家居系統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的的研究背景研究背景 智能家居系統(tǒng)的概念最開始上個(gè)世紀(jì) 70 年代的美國(guó)傳播，然后，流傳到了歐洲、日本 等比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，并且取得了很大的進(jìn)步。在我們國(guó)家，智能家居這個(gè)概念相對(duì)其他國(guó) 家推廣的就較晚一些了，大約在 90 年代末智能家居這個(gè)系統(tǒng)才慢慢的走進(jìn)中國(guó)，但是智能 家居的發(fā)展速度非常的快，迄今已經(jīng)有了

10、一定數(shù)量的智能化小區(qū)和住宅。 我們常常說的的智能家居系統(tǒng)其實(shí)是現(xiàn)代的電子技術(shù)、智能化技術(shù)及電子通信技術(shù)相 結(jié)合的一個(gè)結(jié)晶。它的功能就是自動(dòng)控制和管理家電設(shè)備，對(duì)生活環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，所謂的 報(bào)警系統(tǒng)，并且能夠?yàn)樽籼峁┌踩娣?、效率高并且便利的學(xué)習(xí)、生活及工作環(huán)境。智 能家居系進(jìn)行遠(yuǎn)程或者現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控、管理，使得住戶們的家庭住宅環(huán)境舒適、協(xié)調(diào)。與一 般的家居相比，智能化的家居不僅具備傳統(tǒng)的居住功能，提供高效便利，溫馨的高品位生 活環(huán)境。 許多專家們都先后提出了不同種類的智能家居方案，比如，早期新加坡模式的智能化 家居系統(tǒng)包括：寬帶網(wǎng)絡(luò)接入、可使對(duì)講、安防報(bào)警、家居控制、三表抄送、監(jiān)控、智能 布線箱等

11、。而現(xiàn)在的智能家居系統(tǒng)也在不斷的完善，例如，遠(yuǎn)程報(bào)警、網(wǎng)上購(gòu)物、緊急求 助等一些新穎的思想就是根據(jù)現(xiàn)在科技和社會(huì)的發(fā)展，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的。 1.2 本課題發(fā)展現(xiàn)狀與意義本課題發(fā)展現(xiàn)狀與意義 發(fā)展現(xiàn)狀： 現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)家居環(huán)境中空調(diào)的風(fēng)速，溫濕度，光照度，熱水器的溫度等，同時(shí)還 可以通過傳感器節(jié)點(diǎn)檢查空氣成分，從而提高空氣質(zhì)量；調(diào)節(jié)音響，投影儀，游戲機(jī)電視 等娛樂設(shè)施；我們不能只注重方便快捷，更要注意能源的節(jié)省與利用，我們更應(yīng)該本著同 過智能家居的平臺(tái)為社會(huì)做更多的貢獻(xiàn)的心態(tài)給住戶們提供現(xiàn)代化的通信、信息服務(wù)。 說到發(fā)展現(xiàn)狀，由于國(guó)外的智能家居思想要比我們的早些，那就先說說國(guó)外的發(fā)

12、展現(xiàn) 狀，1984 年在美國(guó)的一個(gè)城市出現(xiàn)了起一座意義非凡的大廈，這座大廈雖然是一座舊樓改 造的，但里面的設(shè)施確是相當(dāng)智能化的，它采用了當(dāng)時(shí)的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用它來(lái)對(duì)大樓的 照明設(shè)施，電梯空調(diào)等諸多設(shè)施進(jìn)行了比較好的監(jiān)控，而且還可以通過語(yǔ)音系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行通 訊，這么美好的智能系統(tǒng)對(duì)于住戶門來(lái)說成為了一個(gè)渴望，不過隨著發(fā)展很快安裝智能家 居系統(tǒng)的用戶越來(lái)越多，2000 年美國(guó)的用戶就已經(jīng)達(dá)到了 4 萬(wàn)，而且不止美國(guó)住戶會(huì)使用 這個(gè)系統(tǒng)，其他國(guó)家也越來(lái)越多的使用，但是這樣高端智能的系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)肯定不會(huì)便宜， 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 所以越來(lái)越多的公司都紛紛踴躍去繼續(xù)研究開發(fā)，比如當(dāng)時(shí)赫赫有名的

13、比爾蓋茨，還有摩 托羅拉公司，IMB 等公司都參與其中，并且各自有了不菲的成果，“居門之所”、“家庭主 任”、“夢(mèng)幻之家”都日趨占領(lǐng)市場(chǎng)。 接著來(lái)說說國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)的智能化建設(shè)最早其實(shí)起源于廣州深圳一些比較靠海 岸的城市，之后才慢慢發(fā)展到內(nèi)陸，最著名的要屬上海中皇廣場(chǎng)，這個(gè)工程后來(lái)被評(píng)為全 國(guó)“智能住宅示范工程”，從而拉開了全國(guó)社區(qū)智能化的序幕。隨著科技和信息化的發(fā)展， 智能家居的思想慢慢涌入千家萬(wàn)戶的眼里。 課題意義：根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在的基于智能家居平臺(tái)推出的智能化產(chǎn)品種類越來(lái) 越多，也越來(lái)越完善，最后主要的是成本也越來(lái)越低，只就促進(jìn)了智能家居的大眾化，也 是的住戶們的生活水準(zhǔn)有了一

14、定的提高，所以智能家居的正真意義在于讓越來(lái)越多的用戶 可以體驗(yàn)到智能家居帶給生活的方便與高效，使我們的生活更健康，相信在未來(lái)，智能家 居的開發(fā)和建設(shè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大體系。不只是通過對(duì)用戶的需求來(lái)開發(fā)，更要去設(shè) 想更多的場(chǎng)景，這樣我們的生活才會(huì)更加美好。 1.3 主要研究的內(nèi)容 本篇不僅要對(duì)理論的有一定的理解，并且對(duì)實(shí)際操作有更多的要求：（1）通過對(duì)協(xié)議 棧的了解要完成 ZigBee 之間的通訊，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。（2）是對(duì)紅外轉(zhuǎn)發(fā)與學(xué) 習(xí)原理的了解，并且通過程序的調(diào)節(jié)來(lái)完成紅外的學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)。 （3）因?yàn)檫€涉及到其他傳感器，所以要對(duì)用到的傳感器工作原理有一點(diǎn)的了解，并且 能使其正常工作

15、。 （4）通過原理圖和 PCB 圖的繪制對(duì) ZigBee 硬件更加深刻的了解與掌握。 最終要的是所以本次的論文需要理論和實(shí)踐相結(jié)合，這樣才能更好的對(duì)智能家居系統(tǒng) 的進(jìn)一步的了解。 結(jié)構(gòu)： 本篇主要是對(duì) ZigBee 無(wú)線傳輸系統(tǒng)的介紹與應(yīng)用，對(duì)周圍信息的采集和處理，并發(fā)送 自己采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或更靠近協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。本課題為基于 CC2530 的 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收上位機(jī)的控制命令和下位機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送 與接收，依據(jù)各自的地址信息進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，保證整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行順利通暢。論文 總共分為 5 章內(nèi)容： 第 1 章介紹了智能家居的背景以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展

16、現(xiàn)狀，接著對(duì)智能家居 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后給出了本文研究的主要內(nèi)容和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)； 第 2 章對(duì) Zigbee 技術(shù)及其協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后對(duì)基于 Zigbee 的智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究， 介紹了 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型、目前三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及 ZigBee 之間的通訊方式； 第 3 章首先給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了介紹以及對(duì)節(jié)點(diǎn)傳感器的 介紹。 第 4 章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)與 ZigBee 協(xié)調(diào)器的通信協(xié)議。 第 5 章為智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建與測(cè)試結(jié)果的分析。 最后是對(duì)參考文獻(xiàn)資料 的介紹，以及對(duì)這段時(shí)間大家的鼎力幫助

17、的感謝。 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 第二章 zigbee 協(xié)議棧及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2.1 zigbee 協(xié)議棧構(gòu)架 Z-stack 是由現(xiàn)在的 TI 公司，也就是以前的挪威半導(dǎo)體公司在推出他的 CC2430 開發(fā) 平臺(tái)的同時(shí)，推出的軟件，這個(gè)協(xié)議棧軟件的出現(xiàn)，使用戶可以很容易地開發(fā)出想要的應(yīng) 用程序，這個(gè)協(xié)議棧其實(shí)只需要掌握 10 個(gè)函數(shù)就能使用 ZigBee 通訊。它使用 IAR Embedded Workbench for MCS-51 作為開發(fā)環(huán)境。但是對(duì)于用戶來(lái)說，其實(shí)里面還有一部分 基層的協(xié)議棧操作的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都被封裝在庫(kù)代碼中。 應(yīng)用程序支持子層（APS） 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）

18、介質(zhì)訪問控制層（MAC） 應(yīng)用層（APL） ZDO 應(yīng)用程 序?qū)ο?Zigbee 協(xié)議 定義的 安 全 服 務(wù) ZIGBEE 無(wú)線網(wǎng) 絡(luò) 圖 2.1zigbee 協(xié)議?？?Fig 2.1 Z-stack Frame 物理層（PHY） 射頻收發(fā)機(jī) IEEE802.15.4 規(guī)范定義的 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 圖 2.2 TI 的協(xié)議棧 2.3.0 版本 Fig 2.2 TI Z-stack TI Z-Stack-CC2530-2.3.0 協(xié)議棧其實(shí)就是協(xié)議和用戶之間的一個(gè)接口，而協(xié)議棧與 API 層之間其實(shí)沒有什么聯(lián) 系，也就是說他們之間是相互獨(dú)立的，開發(fā)人員通過使用協(xié)議棧里的應(yīng)用層

19、來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù) 據(jù)收發(fā)。 2.1.1 物理層 物理層就是無(wú)線信道和 MAC 層之間的一個(gè)接口。 物理層內(nèi)容： （1）激活 zigbee。 （2 對(duì)當(dāng)前信道能量的檢測(cè)。 （3）接入 Zigbee 信道。 （4）接收來(lái)自鏈路服務(wù)層質(zhì)量的消息。 （5）選擇信道的頻率。 （6）傳輸和接收無(wú)線數(shù)據(jù)。 2.1.2 MAC 層 MAC 層的作用處理全部的物理無(wú)線信道訪問，并且產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、同步信號(hào)；保證 MAC 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā) MAC 層管理服務(wù)： MAC 層功能: （1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)； （2）與信標(biāo)同步 （3）支持 PAN 鏈路的建立和斷開

20、（4）為設(shè)備的安全性提供支持 2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層 Zigbee 協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層的作用在于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò) 等功能。 網(wǎng)絡(luò)層功能 （1）網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn) (2) 網(wǎng)絡(luò)形成 （3）容許設(shè)備連接 (4) 路由器初始化 （5）設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接 （6）直接將設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接 （7）斷開網(wǎng)絡(luò)連接 （8）重新復(fù)位設(shè)備 （9）接收機(jī)同步 （10）信息庫(kù)維護(hù) 2.1.3 應(yīng)用層 Zigbee 應(yīng)用層框架包括應(yīng)用 zigbee 設(shè)備對(duì)象（ADO）、支持層（ASP）和制造商定義 的支持層的功能包括：在綁定的設(shè)備之間傳送消息和維持綁定表的信息。Zigbee 設(shè)備的功 能主要包括某個(gè)設(shè)備在組件的網(wǎng)絡(luò)中所擔(dān)任的

21、角色，開發(fā)人員主要開發(fā)的程序部分就是這 一層。 2.1.4zigbee 的分類及功能作用 Zigbee 組成的網(wǎng)絡(luò)中包括三種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（coordinate），路由器（root），終端 節(jié)點(diǎn)（device）。 （1）協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器是每個(gè)獨(dú)立的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的最重要的設(shè)備，也是唯一的一個(gè)協(xié)調(diào)器設(shè)備，因 為協(xié)調(diào)器工作之一就是組建網(wǎng)絡(luò)。在組建網(wǎng)絡(luò)中首先要做的是信道的掃描，一般來(lái)說， zigbee 協(xié)調(diào)器默認(rèn)的信道就是 11，具體的設(shè)置程序在 f8wConfig.cfg 這個(gè)文件中可以找到， f8wConfig.cfg 中還有一個(gè)跟網(wǎng)絡(luò)組建有關(guān)的參數(shù)：ZDAPP_CONFIG_PAN_I

22、D，這個(gè)參數(shù)是用 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 來(lái)配置默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，這個(gè)就想我們所說的局域網(wǎng)，沒有連接到同一個(gè)局域網(wǎng)就不能進(jìn) 行通信。如果這個(gè)協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)有著同樣信道的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的存在，那么協(xié)調(diào)器會(huì)檢查自己 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 所配置的 NETWORK ID 和對(duì)方的 NETWORK ID 是不是一樣的。假設(shè)網(wǎng)絡(luò) m 已經(jīng)存在，它的 NETWORK ID 為 0X1234，協(xié)調(diào)器 B 在通電之后想要組建網(wǎng)絡(luò) n，它和網(wǎng) 絡(luò) m 使用同一個(gè)信道，默認(rèn)的 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 配置為 0X0004。協(xié)調(diào)器 n 在檢測(cè)到網(wǎng) 絡(luò) m 的存在并獲知

23、m 的 NETWORK ID 和自己默認(rèn)的 NETWORK ID 一樣，便會(huì)放棄 0X0004，轉(zhuǎn) 而考慮 0X0005。在發(fā)現(xiàn) 0X0005 并未被周圍的網(wǎng)絡(luò)所占用后，協(xié)調(diào)器 n 便以 0X0005 作為自 己的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，組建新的 zigbee 網(wǎng)絡(luò)。 （2）路由器： Zigbee 中的路由器和我們生活中所見的路由器大相徑庭，在 zigbee 網(wǎng)絡(luò)中，路由器相 當(dāng)于二階路由，每個(gè)路由器有可以作為一個(gè)小的協(xié)調(diào)器，而這些小的“協(xié)調(diào)器”又可以與 一個(gè)總協(xié)調(diào)器組建成一個(gè)我們需要的網(wǎng)絡(luò)。最終要的一點(diǎn)就是路由的默認(rèn) PANID 就是它最 初的 PANID，而協(xié)調(diào)器的默認(rèn) PANID 只是作為一個(gè)確認(rèn)的

24、PANID，zigbee 協(xié)調(diào)器本身通過信 道還會(huì)產(chǎn)生一個(gè) PANID，所以矛盾來(lái)了，如果路由器的 PANID 設(shè)置為 0 x04，協(xié)調(diào)器的 PANID 也設(shè)置為 0 x04,前提是路由器先上電，這樣協(xié)調(diào)器的 PANID 肯定就不是 0 x04 了，而可能是 0 x05 了，所以遇到這種情況，只能是給協(xié)調(diào)器上電，再給路由上電。 （3）終端節(jié)點(diǎn) 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備就相當(dāng)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的心臟，它會(huì)定時(shí)向路由或者協(xié)調(diào)器發(fā)送信息，被人 形象的形容為“心跳”過程。當(dāng)然終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)也是需要配置的，它也要去尋找自己的 “父親”，也就是所謂的父節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間內(nèi)沒有收到父節(jié)點(diǎn)的回復(fù)，那么 它會(huì)自動(dòng)斷網(wǎng)，去尋找

25、另外其他的父節(jié)點(diǎn)。最終要的一點(diǎn)是，終端節(jié)點(diǎn)在大部分情況下都 是出于低功耗狀態(tài)。 2.2 zigbee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2.2.1 星形結(jié)構(gòu) 星型網(wǎng)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成的。就是由協(xié)調(diào)器發(fā)起并建立一個(gè) 網(wǎng)絡(luò)，其它的終端節(jié)點(diǎn)必須分布在協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。由于星 型網(wǎng)通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)景，所以本次實(shí)驗(yàn)用到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就是星形結(jié)構(gòu)。具體結(jié) 構(gòu)如下圖 2.3 所示： 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 zigbee 終端節(jié)點(diǎn) zigbee 協(xié)調(diào)器 圖 2.3 星型結(jié)構(gòu) Fig 2.3 Star structure 2.2.2 樹形結(jié)構(gòu) 樹形結(jié)構(gòu)就是由多個(gè)星形結(jié)構(gòu)

26、拓?fù)涞募?，?duì)于外部環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)不是很好， 因?yàn)樾畔魉椭?，是由終端節(jié)點(diǎn)先給路由器傳送，然后由路由器再傳送給協(xié)調(diào)器，這種網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)的弊端在于其中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷或者故障將會(huì)使下屬的節(jié)點(diǎn)斷開網(wǎng)絡(luò)。具體結(jié) 構(gòu)如下圖 2.4 所示： zigbee 協(xié)調(diào)器 zigbee 路由器 zigbee 終端節(jié)點(diǎn) 圖 2.4 樹型結(jié)構(gòu) Fig 2.4 Tree structure 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 2.2.3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)其實(shí)就是對(duì)樹形結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)化，前面的文章提到樹形結(jié)構(gòu)的弊端就在樹形 結(jié)構(gòu)的某一路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，他的下屬節(jié)點(diǎn)就會(huì)脫離該網(wǎng)絡(luò)，也就是說，他的組網(wǎng)路勁 是唯一的，而

27、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)恰恰彌補(bǔ)了他的缺點(diǎn)，即使某條路由中斷也 能通過其他比較好的路徑或同等路徑完成通信，這樣一來(lái)同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。 當(dāng)然他本身的缺點(diǎn)也就出來(lái)了，就是增加了更多的路由信息，也造成了路由算法的復(fù)雜性。 具體結(jié)構(gòu)如下圖 2.5 所示： zigbee 協(xié)調(diào)器 Zigbee 路由器 Zigbee 終端節(jié)點(diǎn) 圖 2.5 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) Fig 2.5 Mesh structure 2.3 zigbee 的通信方式 說到 ZigBee 通信方式，最重要的就是發(fā)送函數(shù)和接受函數(shù)，掌握了這兩個(gè)函數(shù)，那么 對(duì)于我們來(lái)說通訊就是見很輕松的事，因?yàn)檫@是最基礎(chǔ)的要求。 （1）發(fā)送函數(shù) AF_DataRequest

28、這個(gè)函數(shù)的作用是 Zigbee 協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，這個(gè)函數(shù)會(huì)調(diào)用協(xié) 議棧里面其他函數(shù)最后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 2.6 發(fā)送函數(shù) Fig 2.6 Send function 參數(shù) 1：afAddrType_t *dstAddr 這個(gè)參數(shù)包括目的 zigbee 的端點(diǎn)號(hào)、網(wǎng)絡(luò)地址及數(shù) 據(jù)傳送的模式，如單播、廣播或多播等。 afAddrType_t 是個(gè)結(jié)構(gòu)體如下： typedef struct union uint16 shortAddr; /用于標(biāo)識(shí)該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址的變量 addr; afAddrMode_t addrMode; /功能在于指定數(shù)據(jù)的傳送模式

29、是單播、多播還是廣 播 byte endPoint; /端點(diǎn)號(hào) afAddrType_t; / 其定義在 AF.h 中 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 在 Zigbee 中，數(shù)據(jù)包可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳送或者廣播傳送，所以必 須有地址模式參數(shù)。一個(gè) zigbee 終端接點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包只發(fā)送給一個(gè)設(shè)備，多個(gè) zigbee 終 端設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包就是傳送給一組設(shè)備，而廣播數(shù)據(jù)包則要發(fā)送給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)。 因此上述結(jié)構(gòu)體中可以設(shè)置為以下幾個(gè)值， typedef enum afAddrNotPresent = AddrNotPresent, /表示通過綁定關(guān)系指定目的地址 afAddr

30、16Bit = Addr16Bit, /單播發(fā)送 afAddrGroup = AddrGroup, /組播 afAddrBroadcast = AddrBroadcast /廣播 afAddrMode_t; enum AddrNotPresent = 0, AddrGroup = 1, Addr16Bit = 2, Addr64Bit = 3, AddrBroadcast = 15 ; 注意：ZigBee 設(shè)備有兩種類型的地址。一種是 64 位 IEEE 地址，也就是 MAC 地址，這 種地址是全球唯一的地址，不會(huì)又重復(fù)，在他出身時(shí)制造商就設(shè)置了，當(dāng)然這個(gè)阿參數(shù)也 可以自己通過軟件往里刷。另一

31、種是 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址，這種網(wǎng)絡(luò)地址是設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后由 協(xié)調(diào)器或路由器分配的。它在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送數(shù)據(jù)。 參數(shù) 2：endPointDesc_t *srcEP 是發(fā)送節(jié)點(diǎn)的端點(diǎn)描述符指針，在 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)上最多可支持 240 個(gè)端口，可以通過網(wǎng)絡(luò)地址找到某個(gè)具體的節(jié)點(diǎn)，但是具體到 某個(gè)節(jié)點(diǎn)，還有不同的端口，不同節(jié)點(diǎn)的端口間可以相互通信。因此得出結(jié)論：使用端口 號(hào)區(qū)分同一節(jié)點(diǎn)上的端口，使用網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn) 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 圖 2.7 端點(diǎn)的配置 Fig 2.7 Endpoint configuration 參數(shù) 3 u

32、int16 cID 是 ClusID 簇 ID 號(hào)，一個(gè)簇實(shí)際上都有唯一的 ID，其實(shí)就是一些 相關(guān)命令和屬性的集合，也就是用來(lái)標(biāo)識(shí)不同的控制操作的命令號(hào)，所以一個(gè) Zigbee 節(jié)點(diǎn) 有很多屬性。 參數(shù) 4 uint16 len 是送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 參數(shù) 5 uint8 *buf 是一個(gè)指向發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)指針 參數(shù) 6 uint8 options 是發(fā)送選項(xiàng)，有如下選項(xiàng) #defineAF_FRAGMENTED 0 x01 #defineAF_ACK_REQUEST 0 x10 /要求 APS 應(yīng)答，這是應(yīng)用層的應(yīng)答，只在直 接發(fā)送（單播）時(shí)使用。 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 #de

33、fineAF_DISCV_ROUTE 0 x20 /總要包含這個(gè)選項(xiàng) #defineAF_EN_SECURITY 0 x40 #defineAF_SKIP_ROUTING 0 x80 /設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備跳過路由而直接發(fā) 送消息。而且終端設(shè)備也不向它的父設(shè)備發(fā)送消息。 typedef enum afStatus_SUCCESS, afStatus_FAILED = 0 x80, afStatus_MEM_FAIL, afStatus_INVALID_PARAMETER afStatus_t; （2） 接受函數(shù) 接受函數(shù)相對(duì)與發(fā)送函數(shù)較簡(jiǎn)單些，當(dāng)接受到信息的時(shí)候，就會(huì)觸發(fā) SYS_EVENT

34、_MSG 事件下的 AF_INCOMING_MSG_CMD 事件，所以只需要去處理 AF_INCOMING_MSG_CMD 就行。具體還得判斷發(fā)送函數(shù)中的 clusterId ，當(dāng) clusterId 為發(fā)送函數(shù)中申明的 clusterId ，那么接受到的數(shù)據(jù)怎么處理，關(guān)鍵就在 afMSGCommandFormat_tcmd 這個(gè)結(jié)構(gòu)體，以下是這個(gè)結(jié)構(gòu)體的具體函數(shù)： Typedef strut byte TrandSeqNumber; Unint16 DataLength; Byte *Data; afMSGCommandFormat_t; 2.3.1 廣播通訊 廣播就是其中一個(gè) zigbee

35、 節(jié)點(diǎn)發(fā)出想要發(fā)出的數(shù)據(jù)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備都 能收的到。廣播參數(shù)的配置可以在協(xié)議棧應(yīng)用層函數(shù)中找到。 Sampleapp_Periodic_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)Addrbroadcast; Sampleapp_Periodic_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 Sampleapp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr=oxfffff; Oxffff 是廣播地址。協(xié)議棧中的廣播地址有三種類型; （1）0 xffff-數(shù)據(jù)包將被傳送到網(wǎng)絡(luò)中的所

36、有設(shè)備，這里包括睡眠中的設(shè)備。對(duì)于睡 眠中的設(shè)備數(shù)據(jù)包將保留在父親節(jié)點(diǎn)直到查詢到它或者消息超時(shí)。 （2）0 xfffd-數(shù)據(jù)包將被傳送到網(wǎng)絡(luò)上的所有在空閑時(shí)打開接收的設(shè)備，也就是除了 睡眠中的所有設(shè)備. (3)0 xfffc-數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有的路由器或者協(xié)調(diào)器。 首先是通信類型的說明： Typedef enum afAddrNotPresent=AddrNotPresent, afAddr16bit=Addr16bit, afAddr64bit=Addr64bit, afAddrGroup=AddrGroup, afddrBroadcast=AddrBroadcast afddrMode_t;

37、 當(dāng) addrmode=Addr16Bit 時(shí)，對(duì)應(yīng)的就是點(diǎn)播方式；addrmode=AddrGroup 時(shí)，對(duì)應(yīng)的就 是組播方式；addrmode=Addrbroadcast 時(shí)，對(duì)應(yīng)的就是廣播方式； 以下是廣播發(fā)送函數(shù)如下所示： 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 2.3.2 組播通訊 組播其實(shí)就是講網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)設(shè)備被分組后組內(nèi)相互通信的過程。組播參數(shù)的配置 如下： SampleApp_Flash_DstAddr.addrMode=(afAddrmode_t)afAddrGroup; SampleApp_Flash_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOIN

38、T; SampleApp_Flash_DstAddr.addr.shortaddr=SAMPLEAPP_FLASH_GROUP; 以下是組播發(fā)送函數(shù)代碼如下： 組播需要注意的一點(diǎn)是如果終端設(shè)備的接收沒有一直打開，或者說是采用睡眠中斷的 工作方式的話，終端設(shè)備將不參與組播，那么終端設(shè)備參與組播的方式就是將終端接收機(jī) 一直打開，具體操作程序就是將 f8config.cfg 配置文件中的- 改為- 就可以了。 2.3.3 點(diǎn)播通訊 點(diǎn)播通訊是最簡(jiǎn)單的通訊方式，就是兩個(gè) ZigBee 設(shè)備節(jié)點(diǎn)相互通信的過程。確定通信 對(duì)象的就是節(jié)點(diǎn)的 16 位短地址。以下是對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的一些配置： Point_To_

39、Point_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)addr16Bit; 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 Point_To_Point_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; Point_To_Point_DstAddr.addr_short=0 x00;/發(fā)送給協(xié)調(diào)器 以下是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信發(fā)送程序： 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 第三章 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 3.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式 ZigBee 通信電方式是家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜的部分。本文中的家居內(nèi)部 網(wǎng)絡(luò)即 ZigBee 無(wú)線

40、通信網(wǎng)絡(luò)主要包括協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部 主芯片都是 CC2530，CC2530 芯片內(nèi)部包含 RF 收發(fā)器，因此協(xié)調(diào)器與傳感器之間的通信 都是靠 CC2530 芯片來(lái)完成的，它們之間數(shù)據(jù)的傳輸都是無(wú)線的（具體協(xié)議見下文）。而 協(xié)調(diào)器與電腦上位機(jī)之間的通信是有線的，串口轉(zhuǎn) TTL 模塊的引腳 TX 和引腳 2RX 分別和 CC2530 的引腳 P0_2、P0_3 連接，協(xié)調(diào)器通過串口完成與電腦上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。 3.1.2 應(yīng)用場(chǎng)景 （1）一般家庭的環(huán)境中，對(duì)家里溫濕度的采集，通過對(duì)室內(nèi)溫濕度的采集來(lái)調(diào)節(jié)室 內(nèi)溫濕度，這樣有利于身體健康。人體紅外數(shù)據(jù)的采集可以應(yīng)用在家庭安防

41、部分，啟動(dòng)該 部分，家里主人就可以快速的知道家里是否有人進(jìn)入。當(dāng)然也可以用到走廊或衛(wèi)生間里， 這樣有人的話燈自然就會(huì)亮起，方便簡(jiǎn)潔。萬(wàn)能遙控器的使用可以擺脫傳統(tǒng)遙控器的使用， 更加方便的對(duì)家里的電器的控制。 （2）用在需要控制室內(nèi)溫濕度的倉(cāng)庫(kù)，利用溫濕度傳感器的采集，反饋到協(xié)調(diào)器然后 通過紅外轉(zhuǎn)發(fā)模塊對(duì)空調(diào)的控制輕而易舉的可以控制倉(cāng)庫(kù)已達(dá)到更快更方便的控制。 （3）以上所述只是此次設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景的部分，智能家居就是將科學(xué)帶進(jìn)生活。讓人們 真正的能體驗(yàn)到科學(xué)帶給人們的方便與間接。 3.1.3 本次設(shè)計(jì)環(huán)境的介紹 （1）溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)的向 zigbee 協(xié)調(diào)器發(fā)送溫溫濕度。 （2）當(dāng)有人經(jīng)過人

42、體紅外傳感器的感應(yīng)范圍是，該傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)向 zigbee 協(xié)調(diào)器發(fā) 送警報(bào)信息。 （3）電腦上位機(jī)通過串口遠(yuǎn)程控制家里的燈的開關(guān)，并能返回?zé)舻拈_關(guān)狀態(tài)。 （4）通過紅外線與協(xié)調(diào)器的配合來(lái)遠(yuǎn)程控制燈的開關(guān)與閉合。 3.2 節(jié)點(diǎn)傳感器的介紹 3.2.1 DHT22 溫濕度傳感器 DHT22 傳感器是一種已校準(zhǔn)數(shù)字傳感器，采用單線制串行接口，一次通訊時(shí)間為 5ms 左 右，具體參數(shù)見下圖 3.1： 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 表 3.1 DHT22 參數(shù) Fig 3.1 DHT22 Parameter DHT22 工作電路是由一個(gè) 5K 上拉電阻和一個(gè) DHT22 模塊組成，電路圖 3.2

43、 如下所示： vcc NC 圖 3.2 DHT22 電路圖 Fig 3.2 DHT22 Circuit diagram 溫度和適度的測(cè)量分辨率分別為 16bit（溫度）、16bit（濕度） 它的校驗(yàn)： 濕度的低 8 位+濕度的高 8 位+溫度的高 8 位+溫度的低 8 位=最后 8 位=校驗(yàn)值 例如：00000010+10000101+00000001+01001100=10110100 濕度=64.4RH MCU DHT22 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 溫度=33.2 當(dāng)溫度值的最高位為 1 時(shí)說明所測(cè)當(dāng)前溫度低于 0。 例如：-33.2表示為 10000001+01001100.

44、實(shí)物圖如下所示： 以下是 DHT22 的程序流程圖 3.3 ： 圖 3.3 DHT22 程序流程圖 Fig 3.3 DHT22 Circuit diagram 圖 3.4 DHT22 實(shí)物圖 Fig 3.4 DHT22 Physical map 天津理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 3.2.2 熱釋電人體紅外線傳感器 在自然界中，人體，冰塊，火焰等都能發(fā)射紅外線，只是發(fā)射的波長(zhǎng)不同，人體溫度 為 3637 攝氏度，紅外線波長(zhǎng)為 910nm,該傳感器一般都采用差動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)，由敏感元器件， 場(chǎng)效應(yīng)管和高阻電阻組成，具體如下圖 3.5 所示。 圖 3.5 人體熱釋放傳感器原理圖 Fig 3.5 The release of human thermal sensor schematic 熱釋電紅外傳感器的特點(diǎn)就是它只在由于外界的輻射而引起它本身溫度的變化，才給 出一個(gè)相應(yīng)的電信