基于ZigBee的智能家居系统设计

http://www.paper.edu.cn - 1 - 基于 ZigBee的智能家居系统设计 朱同 武汉理工大学智能信息研究所，武汉 (430070) E-mail：woozie.cj@gmail.com 摘 要：本文主要介绍了基于ZigBee通信协议的智能家居系统。阐述了该系统的组成和特点。 给出了智能家居系统中RF无线节点模块的软硬件设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。并通过该系统 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了ZigBee在 短距离无线通信领域的发展趋势。 该系统符合IEEE802.15.4 协议，便于系统与其它符合该 标准的产品联网, 具有良好的通用性和可扩展性。 关键词：ZigBee，智能家居，无线射频通信 1. 引言 如今，利用无线网络构建智能家居网已经成为势不可挡的发展趋势。相对于有线网，无 线网络不仅接入灵活、操作方便而且符合家庭网络的通讯特点，其应用必将大大促进家庭网 络智能化的进程。目前实现组建智能家居网络的技术括蓝牙、WiFi、以及极具发展潜力的 ZigBee。ZigBee技术是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术，合应用在控制和监控场 合的无线通信方式。它使用2.4GHz波段，采用跳频和扩频技术。鉴于ZigBee技术的低成本、 低功耗，低速率的特点，其必将是最符合智能家居控制的无线通信方式之一[1]。 2. 智能家居系统结构 智能家居系统以家庭为单位进行设计, 每个单位都拥有一个独立的协调器、多个无线通 讯ZigBee节点模块。在协调器和每个子节点上都接有一个ZigBee无线通信收发模块, 数据通 过这些模块在协调器和子节点之间进行传送。系统组成如图1。 图 1 智能家居系统结构 ZigBee传输 家电设备 RF模块 协调器 Internet http://www.paper.edu.cn - 2 - 3. RF无线通信收发模块设计 3.1 RF无线通信收发模块硬件设计 RF节点的硬件电路主要由控制模块和无线通信收发模块组成。控制模块通过与RF芯片 之间的数据交换。完成节点收发数据处理。并根据通讯数据完成对外围器件的控制。RF模 块符合IEEE802.15.4协议，完成节点与协调器之间无线通讯。 3.1.1 RF协议芯片的选择 CC2500是Chipcon推出的一款符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品，RF的频率范围 从2400 MHz到2483.5 MHz。该芯片具有体积小（4x4 mm package, 20pins）价格低，功耗低， 灵敏度高的基本特点。此外CC2500配置自由度非常高，可以对频率使用范围，数据率，发 送接收功率，接收滤波器的带宽，以及信号收发模式进行自由配置。CC2500收发数据包的 格式也可以用户根据自己需要进行配置。如图2所示，CC2500共有6个引脚与MCU的I/O口连 接，其中SI、SO引脚完成RF数据的传送，对CC2500芯片的用户功能配置是通过GDO0和 GDO1引脚来完成的，此外GDO0和GDO1引脚还可以作为功能检测引脚，通过这两个引脚上 的输出数据，用户可以查看RF芯片的工作模式、信号的强度、FIFO数据状态等等，为开发 和使用者提供了一个直观的系统监控平台。 3.1.2处理器的选择 处理器是传感器节点的核心，在选择时，必须满足体积小、集成度高、功耗低且支持睡 眠模式、速度足够快、成本尽量低等几个要求。TI公司的MSP430F135，系列的单片机同样 以低功耗著称，这样的选择使整个硬件系统功耗极低，非常适合各种小型无线应用。该款单 片机只有一个标准 UART 接口，作为与上位机通信的接口。CC2500 与 MCU 之间使用 I/O 口模拟 SPI总线时序来实现数据通信。 另外系统中采用了CP2102作为系统的USB接口，以便于二次开发， CP2102内部的电压 转换器为MCU和CC2500提供了3V的工作电压。在开发中只用使用一根USB线就可以达到供 电和节点与上位机通信的目的。 http://www.paper.edu.cn - 3 - C4 1nF DVcc 1 P6.32 P6.4 3 P6.5 4 P6.6 5 P6.7 6 VREF 7 XIN 8 XOUT 9 VeREF+10 VREF/VeREF- 11 P1.0/TACLK12 P1.1/TA0 13 P1.2/TA1 14 P1.3/TA2 15 P1.4/SMCLK 16 P 1. 5/ T A 0 17 P 1. 6/ T A 1 18 P 1. 7/ T A 2 19 P 2. 0/ A C LK 20 P 2. 1/ T A IN C LK 21 P 2. 2/ C A O U T /T A0 22 P 2. 3/ C A 0/ T A 1 23 P 2. 4/ C A 1/ T A 2 24 P 2. 5/ R os c 25 P 2. 6/ A D C 12 C LK 26 P 2. 7/ T A 0 27 P 3. 0/ S T E 0 28 P 3. 1/ S IM O 0 29 P 3. 2/ S O M I0 30 P 3. 3/ U C LK 0 31 P 3. 4/ U T X D 0 32 P 3. 5/ U R XD 0 33 P 3. 6 34 P 3. 7 35 P4.0/TB0 36P4.1/TB1 37P4.2/TB2 38P4.3 39P4.4 40P4.5 41P4.6 42P4.7/TBCLK 43 P5.0 44P5.1 45P5.2 46P5.3 47P5.4/MCLK 48 P5 .5 /S M C LK 49 P 5. 6/ A C LK 50 P5 .7 /T Bo ut H 51 X T2 O U T 52 XT 2I N 53 T D O /T D I 54 T D I 55 T M S 56 T C K 57 R S T/ N M I 58 P 6. 0/ A 0 59 P 6. 1/ A 1 60 P 6. 2/ A 2 61 A V ss 62 D V ss 63 A V cc 64 MSP430F135 U1 DCD 1RI 2GND 3 D+ 4D- 5VDD 6REGIN 7 V BU S 8 R S T 9 N C 10 SU S P EN D - 11 S U S P E N D + 12 N C 13 N C 14 NC 15 NC 16 NC 17 NC 18 NC19 NC 20 NC 21 N C 22 C T S 23 R T S 24 R X D 25 T X D 26 R S R 27 T D R 28 CP2102 U2 1234 USB CON Y1 32768Hz C1 22p R1 100K C7 1nF S C LK 1 SO ( G D O 1) 2 G D O 2 3 D VD D 4 D C O U P L 5 GDO0 (ATEST) 6 CSn 7 XOSC_Q1 8 AVDD9 XOSC_Q2 10 A V D D 11 R F _P 12 R F _N 13 A V D D 14 A V D D 15 GND 16 RBIAS 17DGUARD 18GND 19SI 20 CC2500 U3 C10 100uF C2 22p VCC 3V R2 56K C3 22p VCC 5V VCC 3V 12345 J2 123456 J3 JTAG VC C 3 V C8100uFC91uF P1.1 Y2 26MHz V C C 3 V R3 22K C5 27p C6 27p R4 22K VCC 3V P1.1 P2.2 P 2.2 VCC 3V VCC 3V 3.2 RF无线通信收发模块软件设计 3.2.1 RF节点软件功能配置软件设置节点功能 RF节点设备是ZigBee网络的终端设备，它可以同协调器进行通信，但不能作为中间路 由器，能够进入睡眠模式，以减少功率消耗，大大延长电源使用时间。在节点设备进入睡眠 模式时，协调器会缓存发送它的相关数据。在退出睡眠模式时，它会向协调器询问是否有发 送到它的数据，协调器则返回是否有其数据包的响应。节点设备在处理完发送到它的数据后， 可重新进入睡眠模式。节点程序 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word 如图3所示。 图 2 RF模块硬件电路图 http://www.paper.edu.cn - 4 - 3.2.2 发送程序 如图4所示，为发射子程序的流程图。当芯片进入发送状态后，首先要对芯片初始化， 并对所有的寄存器进行配置。配置为连续发送和手动发送的模式。若配置为连续发送，那么 发送端会连续发送用户需要的数据串，连续发送时每次检测到发送同步位GDO0根据配置会 置高，检测到发送结束GDO0会清零。若配置为手动发送模式，在发送完一个数据包后会停 止等待串口命令进行下次数据的发送。 3.2.3 接收程序 如图5所示，为接收子程序的流程图。系统进入接收状态后，GDO0引脚配置为接收端 的指示，当接收端接收到同步码后，GDO0会置高，当收完一个完整的数据包后，GDO0会 清零。这样就可以判断有数据接收到。考虑到避免外界干扰，检测到GDO0上的脉冲后，程 序会检测RxBuffer内的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ，并读取接收到的第一位数据，也就是长度位。比较长度位和 RxBuffer的值后，再决定是否接收。 系统初始化 网络协议初始化 需要发送数据？ 加入网络 监听消息一定时间 睡眠定时时间 配置缺省参数 发送数据 收到数据？ 更新接收数据 Yes No Yes No 图 3 节点程序流程图 http://www.paper.edu.cn - 5 - 4. 系统通讯调试 在上述硬件的基础上，进行了通信可靠性试验。在这个测试试验中，根据RF芯片CC2500 外围硬件的特点会有一些配置上的调整。主要关注的寄存器包括： FSCTRL1，FSCTRL0：这两个设置中频和频偏的寄存器，选择一个合适的中频值是通 信可靠性的关键。 MDMCFG4 ：这是设置delta-sigmaADC输入流的批量比率和因此而来的信道带宽。在 26M晶振的情况下，默认的带宽为203kHz。 FOCCFG：频率偏移补偿设置寄存器，这个寄存器可以设置收发端的同步检测。避免频 率偏移过大造成的收发双方丢失。 最终在250kbps的数据率下，室外通信距离在80M左右，室内环境下有10M的有效通信 距离。误码率<0.1% 5. 总结 从智能家居系统设计中可以看到，基于该应用的ZigBee系统硬软件结构，可以根据其他 控制领域的需要，进行多样的开发，有很强的延伸性和可移植性。智能家居系统由于是低数 据率，正是ZigBee所侧重的应用，和其他无线通信方式相比。ZigBee作为一种低速率的短距 离无线通信技术，主要的优势体现在低功耗，低成本，低延时，网络容量大，而并非像蓝牙 图 4 发送程序 图 5 接收程序 http://www.paper.edu.cn - 6 - 一样拥有高速的数据传输量[2]。在包括智能家居、工业控制、自动抄 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 、医疗监护、传感器 网络应用和电信应用方面有很大的潜力。相信ZigBee技术会为我们带来更灵活，更方便的生 活环境。 参考文献 [1] 周怡. ZigBee 无线通信技术及其应用探讨［J］．自动化仪表，2005年，26卷6期：5－9 [2] 王权平. ZigBee技术及其应用［J］.现代电信科技，2004年，第一期：33－37 Intelligent Home System Design Base on ZigBee Zhu Tong Intelligent and information institution of Wuhan university of technology，Wuhan (430070) Abstract This paper introduced the intelligent home system base on the ZigBee wireless protocol. Analyze the construction and basic feature of this system. Advance the hardware and software design of the RF module. Analyze the ZigBee development in the domain of short rage wireless communication. This system is based on the 802.15.4 protocol , it is easy to compatible the system with this protocol for future expansion. Keywords：Zigbee，Iintelligent home system，Wireless radio communication