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基于ZigBee技术的智能家居系统.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.43M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    3 系统硬件设计
    3.1 处理器选择
    高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，是衡量单片机性能的重要指标。MSP430 系列单片机是一种
    图3.1 MSP43最小系统
    3.2 无线通信模块选择
    无线射频收发芯片种类和数量繁多，选用理想的无线收发芯片可以减少开发难度，缩短开发周期，降低成本。在选
    综上决定用CC2430射频芯片。，CC2430支持IEEE 802.15.4协议，正常工作时所需的
    CC2430的主要特点是：高性能和低功耗的8051的微控制器核；集成符合IEEE 802.15.4标
    图3.2 CC2430电路原理图
    3.3 系统硬件组成
    本系统由开关控制模块、水／电／煤数据采集模块、环境监测模块、安防监控模块、红外／蓝牙中继模块和Zig
    4 系统软件设计
    基于 ZigBee 技术的智能家居系统 摘 要 讨论了智能家居系统的发展方向、设计准则和关键问题；提出了一个基于 ZigBee 技术的智能家居系统的总体结构框架、设计思想和实现步骤；实现了带 有多种家庭终端接口的无线家庭网络系统，本系统具有低成本、高适应性、高稳 定性、易操作性等优点，提高了智能家居系统的自动化和智能化水平；最后分析 了原型系统的功能与技术特点。 关键词：智能家居；ZigBee；家庭终端 1 引言 智能家居（smartHome）是指利用先进的计算机技术、网路通信技术、综合布 线技术，通过家庭管理平台，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起 实现自动控制的系统。智能家居是在信息技术的发展和人类对居住环境的要求不 断提高基础上产生的，是信息社会发展的必然趋势。智能家居能够为人类提供舒 适的居住环境、安全的家庭体系、方便的生活方式及高效率的工作模式。目前这 一领域已成为一个世界性的热点问题，但迄今为止还没有成熟的国际标准，各国 都在努力研发适合本国国情的智能家居系统。我国在《2000 年小康型城乡住宅 科技产业工程项目实施方案》中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发 展方向，建设部要求“到 2010 年，大中城市中 60%的住宅要实现智能化”。 Zigbee 属于无线网络技术，支持 IEEE802.15.4 标准，是一种近距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，可以组建相应无线网络。 它的特点是：有效距离 10 到 100 米，传输速率 10KB/s 到 50KB/s，一般操作时 间延时 15ms，一个 ZigBee 网路可支持 254 个从设备和一个主设备。其技术参数 完全适用于对数据传输速率没有特殊要求，但要求能耗低、方便实用为主的智能 家居领域。 针对我国国情，本文提出了一个基于 ZigBee 技术的智能家居系统的总体结构 框架、设计思想和实现步骤，并分析了原型系统的功能与技术特点。 2 系统设计 2.1 总体设计 本系统由家庭控制中心和若干个基于 ZigBee 技术的无线通信控制模块构成。
    在家庭控制中心和每个控制模块上都接有一个 ZigBee 无线通信模块，其中每个 模块还应包括检测传感器，和与之连接的系统微控制器 MCU，通过这些无线通信 模块，数据或指令在控制中心和控制模块之间传送。本系统采用 GPRS 无线方式 与小区网络连接，其中所有家庭智能终端均接入网络协调器，并通过网络协调器 与 web 服务器连接。另外，通过无线电话分机或手机，使用户在任何位置可以对 所有家居设备进行控制。相对于目前采用的蓝牙、红外等通信技术，具有成本低、 功耗低、覆盖范围大的特点，特别是其符合 IEEE802.15.4 协议，利于本系统与 其它符合标准的产品互联，具有良好的通用性和可扩展性。 2.2 功能设计 结合我国的国情，本次设计的智能家居系统遵循高可靠性、高稳定性、高扩 展性、低成本、操作便易的原则。本系统具有以下基本功能：①家庭终端监控： 用户可自定义家庭中低端并配置相关参数，可设置家庭终端所在的 I/O 端口参 数，可学习家庭终端定义事件并设置事件触发条件，可实时查询家庭终端的工作 状态，随时启动或停止家庭终端，可控制家庭终端的工作方式等②可利用手持设 备一键式设置/改变室内背景环境，控制灯光整体效果以及改变背景音乐③可通 过手机远程控制。 2.3 性能要求 针对智能家居的特点，我们在设计智能家居系统时应充分考虑以下性能要求 （设计原则）：①可靠性：可靠性和稳定性是智能家居系统的成败关键，必须使 系统运行稳定、动作准确、反馈精确，原则上不允许出现家庭终端设备误动作， 并应有容错设计和冗余设计；②实时性：智能家居系统对实时性要求较高，响应 时间应在 5 秒钟以内；③适应性：考虑到家庭终端的多样性和复杂性，性能优良 的智能家居系统应具有强大的适应性、伸缩性和可扩展性，不仅可以支持各种常 用的家庭终端，还能够满足不同用户的个性化设置；④易用性：智能家居系统必 须为用户提供简单易用的操作方式，必须提供多种远程接入手段，用户不需要专 门培训即可在智能家居系统中进行设置、管理及控制。 3 系统硬件设计 3.1 处理器选择 高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，是衡量单片机性能的重要指 标。MSP430 系列单片机是一种超低功耗微处理器，该微处理器通过 16 位 RISC
    系统，16 位 CPU 集成寄存器和常量发生器来获得最大代码效率。MSP430 的 16 位定时器是应用于工业控制如纹波计数器，数字化电机控制，电表和手持式仪表 等的理想配置。它的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范 围，提高了数据处理的能力。MSP430Fx1x 系列具有 FLASH 存储器，不同型号单 片机的存储器容量和外围模块各不相同，使用者可以根据需要具体选择。适应工 业级应用环境 MSP430 的运行环境温度范围为-40---+85℃，适合于本设计所在 环境要求。 图 3.1 MSP43 最小系统 3.2 无线通信模块选择 无线射频收发芯片种类和数量繁多，选用理想的无线收发芯片可以减少开发 难度，缩短开发周期，降低成本。在选择芯片时要考虑到：其所需外围元件的数 量，芯片外围元件数量直接决定产品成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片； 还要考虑它的发射功率，在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用 发射功率高的产品，较少的管脚以及较少的封装，有利于减少印刷电路板的面积。 综上决定用 CC2430 射频芯片。，CC2430 支持 IEEE 802.15.4 协议，正常工作 时所需的外围功能电路少，与主控制器接口简洁，对 CC2430 操作与控制都十分 方便。 CC2430 的主要特点是：高性能和低功耗的 8051 的微控制器核；集成符合 IEEE 802.15.4 标准的 2.4GHz 的 RF 无线收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗 干扰性；功耗低；开发工具齐全。
    图 3.2 CC2430 电路原理图 3.3 系统硬件组成 本系统由开关控制模块、水／电／煤数据采集模块、环境监测模块、安防监 控模块、红外／蓝牙中继模块和 ZigBee 遥控器构成；其中家庭控制中心采用 16 位单片机作为核心处理器，具有显示、操作、数据／指令传送功能；通过基于 ZigBee 技术的无线通信模块与家庭中的各控制模块进行通信，控制电灯、插座 的开关，控制门锁及自动设防／解防；与家庭中的红外／蓝牙中继模块进行通信， 实现具有红外／蓝牙遥控功能的电器控制；基于 ZigBee 技术的无线通信控制模 块包括：(1)开关控制模块，用于电灯及各种电器的开关控制；(2)水／电／煤数 据采集模块，定时采集各表数据，并发送给家庭控制中心；(3)环境监测模块， 定时采集各种环境传感器的信息；(4)安防监控模块，可进行设防、撤防控制及 报警；(5)红外／蓝牙中继模块，用于控制具有红外／蓝牙遥控功能的电器； (6)ZigBee 遥控器，用于整个系统的遥控。
    图 3.3 系统结构图 图 3.4 处理器与 CC12430 的连接 4 系统软件设计 家庭智能化系统的软件部分重点包括两部分：（1）无线数据平台。（2）智能家 居终端节点微处理器与平台的无线通信程序。 4.1 部分软件流程 4.1.1 湿度检测设备主流程 MSP430 单片机各种资源丰富，功能强大。先必须对单片机进行初始化，包 括系统时钟、定时器、端口等的初始化，还有一些特殊功能 ADC 等的初始化， 然后进入 A/D，依次报警限检测，湿度百分比显示，执行按键功能等。
    开始 初始化 A/D转换 是否超限 数码显示 是否有按键 等待串口中断 报 警 按 键 处 理 图 4.1 湿度检测主流程图 4.1.2 A/D 转换流程 MSP430 的内嵌 12 位 ADC，可以通过向 AD0BUSY 写“1”启动转换，应 查询 AD0INT 位以确定转换何时结束。查询步骤如下： 1、写“0”到 AD0INT； 2、向 AD0BUSY 写“1”； 3、查询并等待 AD0INT 变“1”； 4、处理 ADC0 数据。 进入A/D 软件启动A/D N 转换结束？ Y 读取数据 Next？ 退出 4.1.3 串口中断服务流程 图 4.2 A/D 转换流程图
    在整个通信过程中，家居设备始终处于被动地位，只需要不断地检测接收 中断，一旦中断标志置位，进入中断服务程序，接收数据，解析数据，判断属于 执行命令还是查询数据命令，如果为后者，需要设备立即反馈数据，并判断是否 发送成功。若没有成功，连发第二次数据。 串口中断 读取数据 解析数据 命令判断 数据 发送数据 解析反馈 N 发送成功？ 中断返回 图 4.3 串口中断流程图 命令 控制 相应 设备 运行 4.1.4 ZigBee 控制器流程 ZigBee 手持是整个系统地核心，我们在已有的手持硬件中嵌入了自己的操 作流程和显示界面。作为命令的发出源，必须不断地扫描按键接口，一旦有按键， 则执行相应规定命令或发送特定数据。 然后等待一段时间，接受数据（或反馈信息），在 LCD 界面显示相应标志 或数据。基本流程图如下：
    开始 检测到按键 判断按键 界面操作 发送命令 界面显示 等待数据 有数据到？ N 延时到？ N Y Y 准备下次 图 4.4 ZigBee 控制器流程图 4.2 设备操作规则 4.2.1 湿度检测设备按键（报警限）设置 四个按键负责设置报警上限和下限的增加或减小，每次击键上限或下限都增 加或减少 2%，并且同时显示报警限。 S1&S3(先按下 S1) S1&S4(先按下 S1) S2&S3(先按下 S2) S2&S4(先按下 S2) 下限加 2% 下限减 2% 下限加 2% 下限减 2% 4.2.2 电扇、窗帘控制设备按键设置 同样，用四个按键负责窗帘的开关，拉开速度快慢，窗帘拉开的程度与击键 的时间有关，（即键按下多久，电机运行多久）；控制交流电电器电扇的开关， 换挡等功能。 窗帘操作： S1 窗帘拉开 小功率电扇操作： S2 S1&S3(先按下 S3) S2&S3(先按下 S3) 窗帘拉合 电机调高档 电机调低档 S1&S4(先按下 S4) S1&S4(先按下 S4) S1&S4(先按下 S4) 开（1 档） 开（2 档） 开（3 档） S4 关 基于 ZigBee 的家具智能系统，具有通信功能强，功耗低等优点，家庭应用时无
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