無線網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計

1、專業(yè)課課程大作業(yè)課程名稱: 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論 設(shè)計題目：基于zigbee網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng) 院 系： 電子信息與電氣工程學(xué)院 學(xué)生姓名： XXX 學(xué) 號： 24567456545654 專業(yè)班級： 通信工程 指導(dǎo)教師： XXX 2012年11月26日I基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)摘要 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，家庭信息化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。智能家居系統(tǒng)能夠為人類提供舒適、智能、環(huán)保、高效的現(xiàn)代生活方式，是未來居住模式的必然發(fā)展趨勢。而WSN中的ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。本文在概述了智能家居系統(tǒng)和ZigBee的基礎(chǔ)上提出一種采用ZigBe

2、e無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。本系統(tǒng)利用TI公司的具有增強(qiáng)型的51內(nèi)核的CC2430芯片,并通過一些外圍的設(shè)計與傳感器的設(shè)計，再加上CC2430節(jié)點模塊與PC終端的串口連接由Delphi實現(xiàn)的PC終端控制軟件，可以實現(xiàn)PC終端的智能控制，從而實現(xiàn)了一種低成本、高靈活性、通用的基于ZigBee的無線智能家居系統(tǒng)。關(guān)鍵詞 智能家居；ZigBee；CC2430；WSNII目錄1 引言11.1 智能家居發(fā)展概況11.2 WSN及ZigBee技術(shù)概述11.2.1 ZigBee協(xié)議框架21.2.2 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域21.3 CC2430概述32 方案設(shè)計4方案解決示意圖43 智能家居平臺

3、硬件設(shè)計43.1 CC2430核心電路設(shè)計53.2 溫度傳感器硬件設(shè)計53.3 報警器電路硬件設(shè)計53.4 人體紅外感應(yīng)模塊設(shè)計63.5 串口通信硬件設(shè)計73.6 LED顯示硬件設(shè)計74.智能家居平臺軟件設(shè)計84.1ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn)84.2 ZigBee協(xié)議編程85. 上位機(jī)軟件設(shè)計125.1 Delphi概述125.2 上位機(jī)軟件設(shè)計12結(jié) 論13參考文獻(xiàn)14II無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論課程設(shè)計1 引言1.1 智能家居發(fā)展概況智能家居是利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將家庭中的各種設(shè)備（如照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電）通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起的，自從美國在1984 真正的智能建筑

4、出現(xiàn)以來， 國外已經(jīng)有將近30 年的研究歷史，而國內(nèi)在這方面的研究相對較晚，從2003 年才逐步應(yīng)用于高端市場，而且標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，如海信、海爾、清華大學(xué)等大家各自為營。由于智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化和個性化的獨特魅力，使得智能家居的開發(fā)與建設(shè)成為21 世紀(jì)科技發(fā)展的必然趨勢。隨著全球?qū)δ茉春铜h(huán)境的要求越來越高，而智能家居在節(jié)能方面的效果優(yōu)勢非常明顯，因此具有非常廣闊的市場前景。1.2 WSN及ZigBee技術(shù)概述ZigBee是一個協(xié)議的名稱，這一協(xié)議的核心基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了適用于低功耗，無線連接的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。ZigBee和IEEE802.15

5、.4標(biāo)準(zhǔn)都適用于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大傳輸速率為250KBps，與目前其他成熟的無線技術(shù)比較，ZigBee的缺點在于理論傳輸距離相對較近，但是對于數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳輸來說，首要考慮的是成本、功耗，距離和速率參數(shù)則是次要因素。所以目前ZigBee技術(shù)的主要應(yīng)用定位在低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本的應(yīng)用。另外，基于ZigBee技術(shù)可以實現(xiàn)若干個微小的傳感器之間實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)的通信，采用接力的方式通過無線電波信號將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，這使得網(wǎng)絡(luò)間通信效率非常高。WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的,涉及多學(xué)科高度交叉，是高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。WSN有著巨大的應(yīng)用前景

6、,被認(rèn)為是將對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。其主要的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測,軍事應(yīng)用，醫(yī)療應(yīng)用,智能家居等。而智能家居也隨著WSN技術(shù)的發(fā)展而得到了很大的發(fā)展與應(yīng)用。對于無線網(wǎng)絡(luò)來說，節(jié)點間通信距離越大，相應(yīng)的電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、系統(tǒng)功耗以及成本就越難控制。所以如何采取高效的短距離傳輸才是比較理想的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的短距離、低功耗、低速率、低陳本是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。1.2.1 ZigBee協(xié)議框架ZigBee是專門為低速率控制網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它在PHY層、MAC層和數(shù)據(jù)鏈路層上采用了IEEE802154協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，同時進(jìn)行了完善和

7、擴(kuò)展。整個協(xié)議的框架結(jié)構(gòu)如圖所示。圖1: 協(xié)議框架結(jié)構(gòu)圖1.2.2 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護(hù)理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)例如城市中的車輛進(jìn)行定位。1.3 CC2430概述CC2430 是 TI 公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議。根據(jù)芯片內(nèi)置閃存的不同容量，提供給用戶3個版本，即CC2430-F32/64/128，分別對應(yīng)

8、內(nèi)置閃存 32/6 4/128 KB。兼容IEEE802.15.4 的RF前端，接收靈敏度高，集成度高，7*7mm QLP48 封裝，低功耗（接收 27mA，發(fā)送27mA），休眠電流0.5A PM2 0.3APM3，可快速喚醒，寬電壓工作（2.0V 3.6V），一個加強(qiáng)51內(nèi)核，8KB RAM（4KB 可以全模式工作），具有DMA功能，自帶看門狗，支持硬件調(diào)試，支持電源、溫度管理，12位ADC，128位AES加密處理，兩個全功能串口，21 個 I/O。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位 MCU(805

9、1)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(watchdogtimer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18mCMOS工藝生產(chǎn)； CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性。CC2430芯片的主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核;集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；優(yōu)良的無線接

10、收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；在休眠模式時僅0.9A的流耗，外部的中斷或RTC能 喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時少于0.6A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CSMA/CA功能；較寬的電壓范圍(2.03.6 V)；數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能；帶有2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,以及1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；是強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。2 方案設(shè)計 方案解決示意圖為了解決上述典型的智能家居系統(tǒng)，我們將抽象出如下圖所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖： 多種傳感器或者控制設(shè)備，通過zigbee網(wǎng)絡(luò)與家庭無線網(wǎng)關(guān)交互通信

11、。最后通過無線網(wǎng)關(guān)將上述控制信息在互聯(lián)網(wǎng)上共享。3 智能家居平臺硬件設(shè)計3.1 CC2430核心電路設(shè)計 圖3:CC2430模塊核心電路該電路設(shè)計包含了CC2430的幾個主要工作電路，如時鐘電路，復(fù)位電路等。3.2 溫度傳感器硬件設(shè)計溫度傳感器采用DALLAS的1-wire溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器只需要占用CC2430的一個引腳即可，直接輸出數(shù)字量，無需A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使用十分方便。盡管CC2430內(nèi)部有集成的溫度傳感器，但是其功能主要是測芯片內(nèi)部的溫度，用于對環(huán)境溫度的測量，偏差過大，不能準(zhǔn)確的反應(yīng)出室內(nèi)的環(huán)境溫度，所以不能采用。DS18B20的外圍電路的設(shè)計十分簡單，只占用C

12、C2430的P1.2口即可實現(xiàn)功能.3.3 報警器電路硬件設(shè)計 智能家居系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)危險狀況時，需要進(jìn)行報警，才能達(dá)到安防的效果，其中報警器是重要的一個部分。本次設(shè)計中采用了蜂鳴器對溫度報警信號進(jìn)行報警。由于CC2430的IO口的驅(qū)動能力有限，所以要用三極管進(jìn)行放大，提高驅(qū)動能力，實踐證明，用S9013進(jìn)行放大就可以產(chǎn)生良好的報警效果.當(dāng)協(xié)調(diào)器檢測到溫度超過范圍后，就產(chǎn)生一個溫度報警信號，輸出到報警電路中。由上圖可知，當(dāng)輸入端接收到低電平后，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器就會發(fā)出聲音，即可作為報警器使用。3.4 人體紅外感應(yīng)模塊設(shè)計當(dāng)有人經(jīng)過時，該裝置就會被觸發(fā)，從而輸出高電平。進(jìn)而傳送給單片機(jī)報警信號

13、的來臨。該模塊采用紅外技術(shù)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，可處于超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。模塊的硬件電路圖如下:圖6:紅外感應(yīng)模塊硬件電路其中, BIS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件就可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)、報警用人體熱釋電傳感器等。該電路實現(xiàn)的功能如下:人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。但是感應(yīng)模塊通電后有一分鐘左右的初始化時間，在此期間模塊會間隔地輸出 0-3 次，一分鐘后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。3.5 串口通信硬件設(shè)計 協(xié)調(diào)器接受到終端節(jié)點的數(shù)據(jù)

14、后，要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C終端的智能家居控制平臺從而實現(xiàn)人機(jī)交互，而目前常用的PC數(shù)據(jù)接口主要有RS232接口和USB接口，本次設(shè)計采用RS232接口進(jìn)行電路設(shè)計。RS 232接口是目前主流的串行通信接口之一。RS232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。UART采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL/CMOS邏輯電平來表示數(shù)據(jù)，高電平表示1，低電平表示0。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的抗干擾能力、提高傳輸長度，通常將TTL/CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232邏輯電平，312V表示0，-3 -12V表示1，由于RS232標(biāo)準(zhǔn)采用的是負(fù)邏輯電平，515V表示0, 5

15、15V表示l，而CC2430系統(tǒng)使用的是LVTTL電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯l對應(yīng)233V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯0對應(yīng)004V電平。二者的邏輯電平無法兼容，要實現(xiàn)二者進(jìn)行通信必須經(jīng)過信號電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電平匹配。目前，常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX3232，SP3232EEN等。本系統(tǒng)選用SP3232芯片完成電平轉(zhuǎn)換，從而就可以實現(xiàn)CC2430與PC之間的通信，通過上位機(jī)軟件就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理與控制。3.6 LED顯示硬件設(shè)計在本次設(shè)計中，采用LED來顯示從上位機(jī)傳來的經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)送到終端的控制信號.也是對智能家居的控制系統(tǒng)的仿真。通過PC終端控制哪個燈的亮滅，就可以在終端節(jié)點上看到相應(yīng)的LED的亮滅狀態(tài)，從而實現(xiàn)的PC

16、機(jī)的智能控制功能。4.智能家居平臺軟件設(shè)計4.1ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn) TI 的Z-Stack是基于一個輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的，但是本次設(shè)計并未采用ZigBee 2006，而是采用的一種精簡版的公開源碼的ZigBee協(xié)議棧msstatePAN6，它由Robert Reese在參考Microchip ZigBee Stack的基礎(chǔ)上編寫的，基于ZigBee 1.0，支持硬件平臺CC2430和PIC184620+CC2420。 4.2 ZigBee協(xié)議編程如果節(jié)點作為協(xié)調(diào)器(coordinator)，那么需要定義LRWPAN_COORDINATOR；而如果節(jié)點作為路由器(router)則需要定義LR

17、WPAN_ROUTER；如果兩者都沒有定義，將作為RFD節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點形成網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入一個無限循環(huán)并調(diào)用apsFSM()運行協(xié)議棧。調(diào)用aplFormNetwork()服務(wù)后調(diào)用函數(shù)aplGetStatus()，如果返回了LRWPAN_SUCCESS則表示服務(wù)調(diào)用成功。代碼如下：      main()       halInit();/初始化HAL 層       evbInit();/初始化評估板    &#

18、160;  aplInit();/初始化協(xié)議棧       ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();/開中斷      aplFormNetwork();/形成網(wǎng)絡(luò)       while(apsBusy)() apsFSM();/等待完成       while(1) apsFSM();/運行協(xié)議棧棧       

19、     路由器節(jié)點通過調(diào)用aplJoinNetwork()運行協(xié)議棧。代碼如下：      main()       halInit();/初始化HAL 層      evbInit();/初始化評估板      aplInit();/初始化協(xié)議棧       ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT

20、();/開中斷嘗試接入網(wǎng)絡(luò)直至成功       do aplJoinNetwork(); /接入網(wǎng)絡(luò)       while(apsBusy)() apsFSM();/等待完成      while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS);       while(1) apsFSM();/運行協(xié)議棧 發(fā)送消息時，消息從源節(jié)點的源端點發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點的目標(biāo)端點。消息分直接消

21、息(指定了目標(biāo)地址)和非直接消息(僅定義了源節(jié)點、源端點和簇，沒有指定目標(biāo)地址)。端點號從1到255由應(yīng)用程序設(shè)置(端點0由棧保留使用)。消息發(fā)送以，協(xié)議棧會向父節(jié)點路由此消息。如果收到APS的ack確認(rèn)，協(xié)議棧就會將消息發(fā)送給目標(biāo)端點。應(yīng)用程序通過調(diào)用aplSendMSG()函數(shù)發(fā)送消息包。此函數(shù)的定義如下：aplSendMSG(      BYTE dstMode,/目標(biāo)地址的地址模式      LADDR_UNION * dstADDR, /目的地址的指針   

22、;   BYTE dstEP,/目標(biāo)端點(直接消息方式不用)      BYTE cluster,/簇號(僅用于直接消息)      BYTE scrEP,/消息源端點      BYTE* pload,/用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針      BYTE plen,/緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)      BYTE tsn,/消息的事務(wù)隊列數(shù) 

23、     BYTE reqack/如果非0則要求確認(rèn)      )接收消息時，協(xié)議棧使用以下APL訪問函數(shù)接收數(shù)據(jù)包： aplGetRxDstEp()返回目的端點   aplGetRxCluster()返回簇號   aplGetRxSrcEp()返回源端點   aplGetRxSADDR()返回源端點的短地址   aplGetRxMsgLen()返回消息長度   ap

24、lGetRxMsgData()返回消息數(shù)據(jù)的指針   aplGetRxRSSI()返回收到消息的信號強(qiáng)度 而后用戶回調(diào)函數(shù)usrRxPacketCallback()將被調(diào)用。這個函數(shù)將使用用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存數(shù)據(jù)，設(shè)置已收到數(shù)據(jù)的標(biāo)志位。此函數(shù)結(jié)束后消息數(shù)據(jù)的指針將會被釋放，所以在函數(shù)結(jié)束之前要將數(shù)據(jù)保存以防止下一個包將數(shù)據(jù)覆蓋掉。協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一系列初始化操作后，發(fā)出組網(wǎng)請求。組網(wǎng)成功后就等待接收子節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理操作。 協(xié)調(diào)器工作軟件流程框圖如下所示: 圖9:協(xié)調(diào)器軟件流程圖5. 上位機(jī)軟件設(shè)計5.1 Delphi概述Delphi，是Windows

25、平臺下著名的快速應(yīng)用程序開發(fā)工具(Rapid Application Development，簡稱RAD)。它的前身，即是DOS時代盛行一時的“Borland Turbo Pascal”，最早的版本由美國Borland（寶蘭）公司于1995年開發(fā)。主創(chuàng)者為Anders Hejlsberg。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，此產(chǎn)品也轉(zhuǎn)移至Embarcadero公司旗下。Delphi是一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE），使用的核心是由傳統(tǒng)Pascal語言發(fā)展而來的Object Pascal，以圖形用戶界面為開發(fā)環(huán)境，透過IDE、VCL工具與編譯器，配合連結(jié)數(shù)據(jù)庫的功能，構(gòu)成一個以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計為中心的應(yīng)用程序開發(fā)工具。D

26、elphi被稱為第四代編程語言，它具有簡單、高效、功能強(qiáng)大的特點。和VC相比，Delphi更簡單、更易于掌握，而在功能上卻絲毫不遜色；和VB相比，Delphi則功能更強(qiáng)大、更實用?？梢哉fDelphi同時兼?zhèn)淞薞C功能強(qiáng)大和VB簡單易學(xué)的特點。它一直是程序員至愛的編程工具。Delphi具有以下的特性：基于窗體和面向?qū)ο蟮姆椒?，高速的編譯器，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支持，與Windows編程緊密結(jié)合，強(qiáng)大而成熟的組件技術(shù)。但最重要的還是Object Pascal語言，它才是一切的根本。Object Pascal語言是在Pascal語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，簡單易學(xué)。5.2 上位機(jī)軟件設(shè)計節(jié)點采集到其他節(jié)點的傳感

27、器數(shù)據(jù)后要在PC終端進(jìn)行顯示并可以執(zhí)行一些控制操作，從而需要上位機(jī)軟件部分實現(xiàn)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。用Delphi 實現(xiàn)串口通訊，常用的幾種方法為：使用控件如MSCOMM和SPCOMM，使用API函數(shù)或者在Delphi 中調(diào)用其它串口通訊程序。利用API編寫串口通信程序較為復(fù)雜，需要掌握大量通信知識，其優(yōu)點是可實現(xiàn)的功能更強(qiáng)大，應(yīng)用面更廣泛，更適合于編寫較為復(fù)雜 的低層次通信程序。相比較而言，利用SPComm控件則相對較簡單，該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供了對串口的各種操作。上位機(jī)并沒有直接對底層的API函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，而是直接通過控件來對串口進(jìn)行操作，從而只需要一些基本的串口操作方法即可實現(xiàn)串口通訊的功能，大大簡化了設(shè)計開發(fā)的難度。本次采用了SPComn控件直接對串口進(jìn)行操作。通過登錄界面輸入用戶名和密碼后，即可進(jìn)入控制界面。從而實現(xiàn)控制功能。進(jìn)入后，首先需要進(jìn)行串口的相關(guān)