基于Zigbee技術(shù)的智能家電系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計

攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要Ⅰ摘要這篇文章運用無線技術(shù)進行組建室內(nèi)家電控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，讓不同的家庭設(shè)施(如照明、家電和室內(nèi)環(huán)境等)通過網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，體現(xiàn)無線技術(shù)的方便與安全。本文首先分析了國內(nèi)外智能家電系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀，然后針對智能家電系統(tǒng)存在的布線困難、造價較高、構(gòu)復(fù)雜等其他問題，提出運用基于Zigbee無線通信技術(shù)的智能家電系統(tǒng)的設(shè)計方案，進行無線數(shù)據(jù)的采集和傳輸。通過對智能家電的網(wǎng)絡(luò)分析、對比和研究，運用星型網(wǎng)絡(luò)建立智能家電系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；利用TI的射頻芯片CC2420Zigbee模塊和Microchip的微控制器PIC18LF4620設(shè)計并構(gòu)成一種低成本，靈活性高、可廣泛運用的Zigbee無線智能家電網(wǎng)絡(luò)。接下來，介紹智能家電控制系統(tǒng)軟件部分的實現(xiàn)。運用Microchip提供的Zigbee協(xié)議，再結(jié)合具體要實現(xiàn)的功能進行編程。關(guān)鍵詞：智能家電；Zigbee；PIC18LF2420；CC2420；攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）AbstractAbstractThisarticleusesthewirelesscomunicationtechnologytocarrythroughtheHomeelectricalappliancesnetwork,whichmakesallkindsofhomefacility(suchasilluination,homeelectrcalandhomeenvironmentetc.)interconnect,toreflecttheconveienceandsecurityofthewirelesscomunicationtechnlogy.First,throghtheanalyzetheprsentstatusfromdomestictooverseascontraposedtheproblemofhard-routing,high-cost,complex-structureexistingintheSmartHomeelectricalappliances,andproposedadesignoptionsbyadoptingZigbeewirelesscommunicationtechnology,forthewirelessdataofgatherandtransmission.Thisarticleonthesmartappliancenetworkanalysis,comparisonandresearch,theuseofstarstoformsmartnetworkappliancesystem'sinternalnetwork;theuseofTI'sradiofrequencychipCC2420ZigbeemodulesandPIC18LF4620microcontrollerMicrochipdesignandarchitectureintoalow-cost,highlyflexible,general-purposenetworkZigbeewirelessintelligenthomeappliances.Andthen,thisarticleintroducethesmarthomeappliancescontrolsystemwhosesoftwaretoachieve,MicrochipprovidestheuseoftheZigbeeprotocol,combinedwiththefunctionalitytoachievespecificprogram.Keywords:SmartHomeelectricalappliances；Zigbee；PIC18LF2420；CC2420；攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄目錄TOC\o"1-3"\h\u13371摘要 Ⅰ27023Abstract Ⅱ182681緒論 1163291.1關(guān)于研究背景 1162441.1.1智能家電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 1272151.1.2智能家電控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點 2322831.1.3智能家電的發(fā)展方向 240491.2智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 253301.2.1有線技術(shù) 3130771.2.2家庭無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 3321051.3本章小結(jié) 5266942Zigbee組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 6242092.1802.15.4 6229722.2IEEE802.15.4 615392.3Zigbee體系結(jié)構(gòu) 6163912.3.1Zigbee簡介 7196842.3.2Zigbee體系結(jié)構(gòu) 7202852.4控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇 11832.4.1設(shè)計原則 11276162.4.2星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 12305222.5本章小結(jié) 12194193網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件設(shè)計 1320123.1硬件總體設(shè)計 1331643.2主控制器(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器) 13252803.2.1晶振電路 14193573.2.2電源電路 14178813.3單片機與PC的接口 1535463.3.1無線芯片介紹 15210313.3.2射頻電路 16120333.3.3與單片機的接口 17243533.4PCB板布線 17283873.4.1PCB的布局方面 18170633.4.2PCB的布線方面 19214873.5本章小結(jié) 19310544網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計及調(diào)試分析 21165714.1協(xié)調(diào)器程序設(shè)計 21149164.2網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和入網(wǎng) 21150844.3發(fā)送消息 2269424.4接收消息 2356864.5數(shù)據(jù)的傳輸 23192804.6數(shù)據(jù)的接收 2432164.7系統(tǒng)的調(diào)試 24276744.8上位機軟件介紹 25217094.9本章小結(jié) 26289775總結(jié)與展望 2749225.1本文總結(jié) 2760055.2經(jīng)驗總結(jié) 2771535.3設(shè)計展望 2710852參考文獻(xiàn) 2932002附錄A程序 3122070致謝 50攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）緒論PAGE501緒論近幾年來關(guān)于計算機、自動控制和通信技術(shù)方面的發(fā)展，己經(jīng)深刻地改變了我們的工作生活方式，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為社會創(chuàng)造了無比巨大的財富，但相比之下帶給個人和家庭生活的好處卻十分有限，傳統(tǒng)的家居方式仍沒有因信息時代的發(fā)展而產(chǎn)生明顯變化.家電產(chǎn)品種類不斷增多，但分散控制給人們帶來了極大的不便。在這樣的環(huán)境下，人們便開始關(guān)注居住環(huán)境，關(guān)注家居環(huán)境的安全、健康、便捷，怎樣有效地在家居環(huán)境內(nèi)建立家庭信息網(wǎng)絡(luò)，把各種家電產(chǎn)品結(jié)合成一個整體，對家電設(shè)備進行集中或者異地智能化控制與管理，并且能夠和外界進行信息交流，更好的為人們提供家居環(huán)境的各種信息。關(guān)于研究背景隨著人們的生活水平不斷提高，對生活環(huán)境的要求也會越來越高，“智能家居”這一概念慢慢進入普通居民的眼簾，而智能家電作為“智能家居”的領(lǐng)頭羊，更是普通居民普遍關(guān)注的問題。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是信息時代的重要特征，自上世紀(jì)八十年代起，信息化己經(jīng)開始向社會各個領(lǐng)域滲透和發(fā)展。從科研、國防到金融直至辦公、企業(yè)管理。今后的幾年，社會信息化必將引起家居信息化，因此，家居網(wǎng)絡(luò)化是必然的發(fā)展趨勢。智能家電控制系統(tǒng)是運用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、綜合布線技術(shù)，把和家居生活有關(guān)的各種家電，有機的結(jié)合在一起，通過統(tǒng)一管理，使家居生活更加的舒適、安全、有效[2]。跟普通家電相比，智能家電系統(tǒng)不光具有家電的傳統(tǒng)功能，更為人們提供舒適、安全、高品位的家庭生活空間，還把原來的靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔粨Q功能，幫助家庭與外界保持信息暢通，優(yōu)化人們的家居生活方式，幫助人們更有效合理的安排時間。智能家電控制系統(tǒng)只是智能家居系統(tǒng)的其中一部分，它利用智能家居系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)工作。它是將普通家電利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制技術(shù)設(shè)計改進的新型家電。該系統(tǒng)將所有家電組成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，同時具有與外部互聯(lián)網(wǎng)相連接的功能。因此，智能家電控制系統(tǒng)包括兩方面：一是家電之間互聯(lián)的問題，也就是讓不同家電之間能夠互相識別，協(xié)同工作；二是解決家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，使家庭中的家電設(shè)備進行信息的交換。智能家電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前，智能家電在發(fā)展中遇到了不少問題：系統(tǒng)復(fù)雜、價格貴、普及率不高等，根據(jù)資料顯示，我國的智能家居產(chǎn)業(yè)還沒有相關(guān)的統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各個企業(yè)各自為準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品不能相互兼容；產(chǎn)品實用性不好，操作較復(fù)雜；價格仍居高不下。早在70年代初，國外便開始研究相關(guān)的技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)在有X-10、CEBus、LonWorks、ApBus等。其中發(fā)展最為成熟的技術(shù)也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是X-10，其產(chǎn)品以超過5000多種，比如燈光控制、家庭影院等。其在美國的市場占有率是最高的，特點是不需要重新布線、裝置成本低、可DIY且技術(shù)支持豐富。但其反應(yīng)速度慢，抗干擾能力差。其工作電壓是110伏（美國電壓是110伏，中國電壓是220伏）。因此，目前我國還處于初級發(fā)展階段，各大廠家推出了各自的智能家居控制系統(tǒng)，如科龍集團研發(fā)的“智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng)”，海信集團的“智能家居控制系統(tǒng)”，清華同方的“e-Home數(shù)字家園”等等。智能家電控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點該控制系統(tǒng)需要低速率、低成本的控制技術(shù)。音視頻等大數(shù)據(jù)傳輸可能需要高速的通信接口來維持，而本網(wǎng)絡(luò)在于設(shè)備的互連和控制功能，不需要高速率的通信技術(shù)來支撐。而從實用的角度來看，控制系統(tǒng)需要的是能提供更加便利的低成本組網(wǎng)。所以，我們要重點考慮以下特點：1.低成本：網(wǎng)絡(luò)中控制的對象主要是大量的家電和傳感器終端節(jié)點。2.標(biāo)準(zhǔn)化：要求各個家電之間互相通信，標(biāo)準(zhǔn)化十分重要。3.自組織：由于用戶不能親身進行系統(tǒng)的配置和管理。因此，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的電器具備自組織和協(xié)同工作是十分必要的。4.可自擴展性：系統(tǒng)在不改動的情況下，能夠自動進行軟件升級和功能擴展。5.嵌入式應(yīng)用：指設(shè)備通過嵌入式模塊可以直接接入Internet實現(xiàn)信息交換或通過移動通信模塊(GSM、GPRS等)直接接入移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程交互。智能家電的發(fā)展方向網(wǎng)絡(luò)化是未來無線智能家電控制系統(tǒng)的發(fā)展方向[6]，它能提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，而且可以通過不同的通信協(xié)議來實現(xiàn)。各種家庭互連的無線標(biāo)準(zhǔn)的提出推動了網(wǎng)絡(luò)無線化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，無線互聯(lián)為人們提供更好的移動便利，而接口的標(biāo)準(zhǔn)化可以使不同廠家產(chǎn)品互相兼容。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展十分迅速，從廣域網(wǎng)(Internet、GSM\GPRS)到基于IEEE802.11系列的無線局域網(wǎng)(WLAN)、基于藍(lán)牙的無線個人局域網(wǎng)(WPAN)基于Zigbee的低速無線個人局域網(wǎng)(LR-WPAN)[3]，加上嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，人們就可以實現(xiàn)家具設(shè)備和微控制器的互連了。本文是基于智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，提出了一種基于Zigbee技術(shù)的智能家電解決方案的設(shè)計。該設(shè)計實現(xiàn)通過無線局域網(wǎng)對家庭電器進行控制和監(jiān)控。智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)室內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)技術(shù)主要是解決家庭內(nèi)部各種家電之間的信息傳輸，因此，合理的選擇聯(lián)網(wǎng)技術(shù)非常關(guān)鍵。目前關(guān)于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)有許多解決方案，主要是有線和無線兩種方式。有線方式包括電力線載波的X-10和CEBus、以太網(wǎng)的以及專用總線LonWorks等。無線方式包括紅外IrDA、無線局域網(wǎng)的IEEE802.11系列、家庭射頻技術(shù)HomeRF、藍(lán)牙的IEEE802.15.1和ZigBee的IEEE802.15.4等。有線技術(shù)目前，絕大多數(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)中，仍是采用有線技術(shù)進行家庭控制網(wǎng)絡(luò)的組建，大至可以分為以下幾種：1.電力線交流電力線可以連接整個房屋的每個角落，由于很早就作為家庭網(wǎng)絡(luò)的連接媒介，所以，X-10技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。這種技術(shù)在美國占據(jù)了主流市場，利用這項技術(shù)可以實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)傳輸有很高的可靠性，但是，由于電力線自身的噪聲和信號的傳輸效率原因，這種技術(shù)并不適合數(shù)據(jù)的高速傳輸，而且也沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，擴展性較差。2.以太網(wǎng)(Ethernet)以太網(wǎng)是需要重新布線的組網(wǎng)技術(shù)。它必須采用專門鋪設(shè)的線纜布網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸率非常高，可達(dá)10Mbps或100Mbps，能夠傳輸電話、數(shù)據(jù)、視頻和家電控制信息，主要用于個人電腦的有線局域網(wǎng)及高速因特網(wǎng)。它的優(yōu)勢在于技術(shù)十分成熟，以太網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)備在市場上能夠很容易買到。以太網(wǎng)本身的實現(xiàn)成本就很低，但專門布線需要花大量的費用。3.電話線組網(wǎng)電話線組網(wǎng)類似于以太網(wǎng)，有可以共享的價質(zhì)，不需要交換機或集線器。同時用戶不必在線路上更改，其與以太網(wǎng)設(shè)備基本類似但它沒有提供足夠份額RJ-11接口，這便給設(shè)備的擴展帶來許多的不便。家庭無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對家居生活的要求不斷的提高，一些著名的IT企業(yè)共同合作，推出了名為“無線家居”的新理念?！盁o線家居”是未來的發(fā)展方向，在有線方式中，各傳感器和控制器的連接都通過總線，其優(yōu)點是可以簡化功能單元的設(shè)計，缺點是布線較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)繁復(fù)等等，而無線技術(shù)不但不存在布線的問題，而且擴展較為容易，維護及使用都比較簡單。微電子技術(shù)的發(fā)展促使了各種SOC的實現(xiàn)，協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)都可以通過IC來完成，大大簡化了開發(fā)和實施的難度[2]?，F(xiàn)在，市場上無線技術(shù)種類很多，應(yīng)用范圍不同，其中，應(yīng)用最為廣泛的有如下幾種無線技術(shù)：1.家庭無線電射頻技術(shù)(HomeRF)家庭無線電射頻技術(shù)無線聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是由Proxio、西門子、康柏、摩托羅拉、電腦等發(fā)起組建工作組負(fù)責(zé)研發(fā)的，它的研發(fā)初衷是為了家庭無線聯(lián)網(wǎng)提供一個組網(wǎng)便捷、容易使用、低成本且通用的標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF標(biāo)準(zhǔn)集成了語音和數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，工作頻段是2.4GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1~2Mbps，HomeRF是對目前所擁有的無線通信標(biāo)準(zhǔn)的綜合和改進。但是，由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)沒有公開，只獲得了將近二十家公司的支持，在抗干擾能力方面與其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比還存在著不少缺陷，并且后續(xù)研發(fā)技術(shù)升級進展遲緩，在同其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的競爭中漸漸失利，喪失了它技術(shù)的優(yōu)勢，可能會被擠出無線通信市場。2.藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)藍(lán)牙技術(shù)最開始是由愛立信創(chuàng)辦研制。1998年6月11日，英特爾、諾亞、索尼愛立信、東芝等創(chuàng)立的藍(lán)牙興趣小組，專門來制訂藍(lán)牙技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙用在多個設(shè)備之間通過無線連接。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.1，藍(lán)牙協(xié)議工作可建立在無需許可的ISM頻段2.4GHz。但歸根結(jié)底藍(lán)牙技術(shù)的障礙始終是過于昂貴。主要體現(xiàn)在芯片大小和價格居高不下、抗干擾能力較弱、傳輸受距離限制、信息安全不受保證等等問題。這些問題就使許多用戶不愿意花更多的錢來購買這種無線設(shè)備，他們會覺得性價比不高。所以，許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，藍(lán)牙的市場前景關(guān)鍵在于藍(lán)牙的應(yīng)用是否能達(dá)到一定的規(guī)模和價格能否下調(diào)。3.RFIDRFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫，即射頻標(biāo)記。RFID是一種非接觸式自動識頻技術(shù)，它通過射頻信號自動識別對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RF專指具有一定波長，可用于無線電通訊的電磁波[4]，成本過于昂貴。4.Zigbee所謂Zigbee就是一個全新的無線連接技術(shù)，這項無線連接技術(shù)關(guān)鍵在于解決了成本低、功耗低、繁復(fù)度低、傳輸速率低、近距離設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。它的名字是來自蜜蜂使用的賴以生存和發(fā)展的通信交流模式，也就是蜜蜂跳Zag狀的舞來告訴其它同類食物源的新位置、方位及距離等問題。Zigbee包括下面所訴幾方面的技術(shù)特點1、相對較低的數(shù)據(jù)傳輸速率其中包括20kbps、40kbps、250kbps三種數(shù)據(jù)傳輸速率。2、相對較低的功耗Zigbee采用了各種各樣的節(jié)能模式。在待機模式下，一對普通號干電池就可以支撐6個月到2年左右的使用壽命。3、廉價的成本因為數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，并且在的頻段免費是Zigbee的幾大優(yōu)勢。為此大大降低了制造成本。4、較大的網(wǎng)絡(luò)容量任何一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納65536個設(shè)備，如此這般的容量相當(dāng)可觀。5、小范圍有效 單個設(shè)備的有效覆蓋范圍在10m~75m之間，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境，但還要依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和多個不同的應(yīng)用模式而定，。6、工作頻段靈活該技術(shù)可使用的頻段分別有2.4GHz（ISM）、868MHz（歐洲）和915MHz（美國）其中2.4GHz在工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療方面為全球公用的免費頻段。表1.1給出了幾種無線技術(shù)之間的比較。表1.1幾種無線技術(shù)的比較種類Zigbee藍(lán)牙RFIDHomeRF單點覆蓋距離50m~300m10m1m~10m50m網(wǎng)絡(luò)擴展性自動擴展無無有最大功耗1mW~3mW1mW~100mW050mW復(fù)雜性簡單復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜傳輸速率250Kb/s1Mb/s0.212Mb/s1.2Mb/s工作頻段868/915MHz、2.4GHz2.4GHz5.8GHz2.4GHz網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)650008無127終端設(shè)備費用低低低一般安全性128bitAES64bit,128bit密鑰50s/次集成度和安全性高高一般一般使用成本低低低一般安裝使用難用非常簡單一般簡單一般本章小結(jié)本章首先對智能家電系統(tǒng)作了簡要概述，介紹了國內(nèi)外就發(fā)展?fàn)顩r，接著對智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行介紹，最后得出結(jié)論，采用無線網(wǎng)絡(luò)不僅充分利用了它本身的靈活簡便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了人力和物力成本，并且更符合網(wǎng)絡(luò)通訊的特點。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）Zigbee組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議2Zigbee組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議Zigbee是最近幾年才提出的一種功耗低、速率低、距離近、復(fù)雜度低、成本低廉的無線通信技術(shù)，適用于遠(yuǎn)程控制和自動控制兩方面，是為了小型設(shè)備的控制和無線聯(lián)網(wǎng)而制定的。2.1802.15.42000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組。該工作組致力于定義一種低廉固定的、移動設(shè)備使用的復(fù)雜度極低、成本低、功耗低、速率低的無線連接技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組負(fù)責(zé)制定物理層和MAC的協(xié)議，其它協(xié)議主要參考現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee則主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層及其以上層的協(xié)議。2.2IEEE802.15.4IEEE802.15.4是針對于Low-rateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN，把能耗低、傳輸速率低、成本低當(dāng)作重點攻克目標(biāo)，也就是在為個人或者家庭不同設(shè)備之間低速互連提供一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。[6]IEEE802.15.4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)有以下特點[4]：1.有20kb/s，40kb/s，250kb/s三種傳輸速率；2.結(jié)構(gòu)為星型對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?.設(shè)備有16bit短地址和64bit的擴展地址；4.保證時障(GTS)的分配；5.CSMA-C的信道接入；6.保證可靠性傳輸?shù)耐耆珣?yīng)答機制；7.低功率；8.能量檢測；9.鏈路質(zhì)量標(biāo)識；LR-WPAN中含有兩種不同類型的設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和簡單功能設(shè)備(RFD)FFD在三種網(wǎng)絡(luò)頻段中可作為整個PAN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器或網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用設(shè)備。FFD可以和RFD或者FFD通信，而簡單功能設(shè)備(RFD)只能和FFD通信。RFD設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中主要是一個應(yīng)用設(shè)備，它們相當(dāng)簡單，比如它們可以作為燈的開關(guān)或者紅外傳感器，但不能傳輸大規(guī)模的數(shù)據(jù)，而且在某一時刻只能和一個FFD相聯(lián)系。2.3Zigbee體系結(jié)構(gòu)Zigbee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問層(MAC)和物理層(PHY)。IEEE802.15.4總共定義了3個工作頻段：2.4GHz、915MHz、868MHz。每個頻段都提供固定數(shù)量的信道。例如，2.4GHz頻段總共提供16個信道(信道11~26)、915MHz頻段提供10個信道(信道1~10)而868MHz頻帶提供1個信道(信道0)。符合該標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可以嵌入到家庭和樓宇自動化、消費電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、PC外圍、醫(yī)療傳感器應(yīng)用以及玩具和游戲當(dāng)中。2.3.1Zigbee簡介所謂Zigbee技術(shù)是由蜜蜂的八字舞來命名的，因為蜜蜂(bee)是依靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地扇動翅膀的“DANCE”來告訴同伴花粉所在方位的信息，換言之就是說蜜蜂靠這樣的方法組成了群體中的通訊網(wǎng)絡(luò)。它的特點是距離近、復(fù)雜度低、自組織、功耗低、數(shù)據(jù)速率低、成本低。在自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域更為適用，可以嵌入多種設(shè)備。簡言之，ZigBee就是一種價格低廉的，功耗低的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。2.3.2Zigbee體系結(jié)構(gòu)ZigBee它是建立在開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)7層模型的基礎(chǔ)之上，但它美中不足的就是只是定義了與實際應(yīng)用功能有關(guān)的層。ZigBee在這個基礎(chǔ)之上建立了網(wǎng)絡(luò)層((NWK)以及應(yīng)用層框架，它采取了IEEE802.15.4-2003為標(biāo)準(zhǔn)制定的物理層((PHY)以及介質(zhì)訪問控制層(MAC)作為ZigBee技術(shù)底層，該應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)以及制造商所定義的應(yīng)用對象。[4]圖2.1Zigbee體系結(jié)構(gòu)Zigbee技術(shù)的協(xié)議層結(jié)構(gòu)簡單，不同于藍(lán)牙和其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常為7層，而Zigbee技術(shù)僅為3層。在Zigbee技術(shù)中，PHY層和MAC層采用lEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中，PHY提供了兩種類型的服務(wù)——通過物理層管理實體接口(PLME)對PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)[5]。2.3.3Zigbee物理層協(xié)議規(guī)范PHY層主要負(fù)責(zé)處理以下任務(wù)[4]：無線發(fā)射機的激活和關(guān)閉；已有信道的能量檢測；接收分組的鏈路質(zhì)量指示；基于CSMA-CA的空閑信道評估；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)傳輸和接收。3個頻段共有27個信道，編號從0~26。其中，2.4GHz頻段有16個信道。915MHz頻段有10個信道，868MHz頻段有1個信道。這些信道的中心頻率定義如下：Fc=868.8MHz，k=0；(2-1)Fc=906+2(k-1)MHz，k=1，2，…，10；(2-2)Fc=24.5+5(k-11)MHz，k=11，12，…，26。[4](2-3)IEEE802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。前者從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，后者維護一個物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。圖2.2是各物理層各功能實體和服務(wù)接入點(SAP)的模型描述：圖2.2物理層參考模型有兩種服務(wù)是由物理層提供的，通過它們的接入點(SAP)接入：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點接入、物理層管理服務(wù)通過PLME服務(wù)接入點接入。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDU在Zigbee物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDU(PHYProtocolDataUnit)數(shù)據(jù)包格式中，最左邊的字段優(yōu)先發(fā)送和接收。在多個字節(jié)的字段中，優(yōu)先發(fā)送或接收最低有效字節(jié)，而在每一個字節(jié)中優(yōu)先發(fā)送最低有效位。同樣，在物理層與MAC層之間數(shù)據(jù)字段的傳送也遵循這一規(guī)則。物理層的載波調(diào)制Zigbee是不同于其他無線技術(shù)的，在不同的國家和地區(qū)，它提過的工作頻率范圍是完全不一樣的，Zigbee使用的頻率范圍基本上分為868/915MHz和2.4GHz兩個頻段。Zigbee設(shè)備在三個免許可證的頻段分別采取不同的調(diào)制和擴頻方式。列。擴頻后，信號通過O-QPSK調(diào)制方式調(diào)制到載波上。圖2.3頻率調(diào)制2.3.4ZigbeeMAC層協(xié)議規(guī)范IEEE802.15.4-2003MAC子層控制使用CSMA-CA機制接入到無線信道。它的職責(zé)包括傳輸信標(biāo)幀、保持同步提供可靠的傳輸機制。[4]MAC層使用PHY層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)幀傳輸，同時MAC層處理高層對物理層PHY層射頻信道的所有訪問，其主要任務(wù)如下：能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器)；同信標(biāo)保持同步；支持設(shè)備的安全性；信道接入采用CSMA-CA接入機制；處理和維護GTU機制；在對等的MAC實體之間提供可靠傳輸。圖2.4是MAC層的服務(wù)實體和接口。圖2.4MAC子層模型MAC子層提供兩種服務(wù)，通過兩種服務(wù)接入點接入。MAC數(shù)據(jù)服務(wù)，通過公共部分子層數(shù)據(jù)接入點MCPS-SAP接入；MAC管理服務(wù)，通過MLME-SAP接入。其中數(shù)據(jù)實體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)。MAC層的幀格式和幀類型一個MAC幀普遍是由MAC層幀頭，MAC負(fù)載、MAC層幀尾三項組成。MAC層幀頭所包含的幀控制、幀序列號以及地址域三項，MAC層幀頭中的順序是不變的；MAC負(fù)荷中包含了一些特定幀的信息，它的長度是可以變化的；MAC層幀尾中包含幀校驗序列域(FCS)。數(shù)據(jù)幀使用哪種地址是由幀控制字段的內(nèi)容來決定的。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義了四種類型的幀分別是：數(shù)據(jù)幀、信標(biāo)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。具體幀結(jié)構(gòu)可以參考文獻(xiàn)[4]的說明。2.3.5Zigbee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議規(guī)范Zigbee網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時所采用的機制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實體(NLDE)是通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(NLDE-SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的。如圖2.5所示圖2.5網(wǎng)絡(luò)層模型所謂網(wǎng)絡(luò)層幀的格式，其實就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)的格式。下列基本部分組成網(wǎng)絡(luò)層幀：①網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有效載荷。包含幀類型所指定的信息。②網(wǎng)絡(luò)層幀報頭。包含地址、幀控制和序列信息。網(wǎng)絡(luò)層幀格式普遍情況下是由一個網(wǎng)絡(luò)層有效載荷和一個網(wǎng)絡(luò)層報頭組成。雖然不是所有的幀都包含序列域和地址，但網(wǎng)絡(luò)層幀的報頭域，依然是按照固定的順序出現(xiàn)。2.4控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇在整個系統(tǒng)中，總線或網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是系統(tǒng)的核心部分，其不僅影響整個系統(tǒng)的成本，還與系統(tǒng)的安全性、可用性、可靠性、擴展性有直接的關(guān)聯(lián)。因此本文以下是對系統(tǒng)中的Zigbee無線通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)進行研究。2.4.1設(shè)計原則本文利用家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對各種家電進行互連，因此可以利用共享網(wǎng)絡(luò)資源來大幅度降低成本。采用Zigbee無線通信技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計必須遵循以下設(shè)計原則：提高家庭網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽摼W(wǎng)絡(luò)是將各個家電設(shè)備組建成網(wǎng)絡(luò)，使之成為一個有機協(xié)調(diào)互動的整體，據(jù)查閱資料，信號的傳輸速率可以比較低，一般在數(shù)l0Kbps就可滿足要求，但是信息傳輸?shù)目煽啃砸蟊容^高。這是因為它傳輸?shù)男畔⑹歉鞣N設(shè)備的狀態(tài)和控制信息，它的錯誤不僅可能導(dǎo)致設(shè)備的非正常工作，而且可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，自適用性電器設(shè)備位置的頻繁更換可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化以及網(wǎng)絡(luò)通信不流暢，因而導(dǎo)致智能家電的系統(tǒng)停止工作。所以，自組織性及自適用性是網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的必要條件。系統(tǒng)具備可擴展性伴隨著人們生活的衣食無憂及不斷加速的生活節(jié)奏，段距離對家電的控制變得不太能滿足人們的需求，人們希望能夠通過電腦網(wǎng)絡(luò)或者手機網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程控制家電，所以良好的擴展性是該系統(tǒng)應(yīng)該具備的，滿足人們功能擴展的需要。由以上的分析可知，一方面系統(tǒng)只要采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼纯蓾M足控制要求；另一面由于本系統(tǒng)屬于智能家居網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)絡(luò)，方便加入整個家居網(wǎng)絡(luò)。2.4.2星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由pan主協(xié)調(diào)器和多個從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須是一個擁有完善功能的設(shè)備(FFD)，從設(shè)備既可以是完整功能設(shè)備(FFD)也可以是簡化功能設(shè)備(RFD)，實際中，應(yīng)該根據(jù)具體的情況來選取功能不同的設(shè)備，合理地構(gòu)造通信網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)通信中，一般把這些設(shè)備分為終端設(shè)備或起始設(shè)備。在Zigbee應(yīng)用中，主要的耗能設(shè)備是PAN主協(xié)調(diào)器，而其他從設(shè)備都是采取電池來做為能源。如圖2.6所示是星型網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，一個擁有完整功能的設(shè)備第一次激活后，它便會組建一個自己的網(wǎng)絡(luò)，它自身就會成為一個PAN主協(xié)調(diào)器。所有的星型網(wǎng)絡(luò)操作獨立于現(xiàn)目前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，以上就充分說明了星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有且僅有一個PAN主協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)的唯一性通過選擇一個PAN標(biāo)識符來確保，現(xiàn)目前，其他的無線通信設(shè)備的星型網(wǎng)絡(luò)并沒有采用這樣的方式。所以，如果選定了一個PAN標(biāo)識符，那么PAN主協(xié)調(diào)器就會允許其他的從設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中去，不論是完整功能的設(shè)備，還是簡化功能的設(shè)備都能夠加入到這個網(wǎng)絡(luò)中。圖2.6星型網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)2.5本章小結(jié)本章主要介紹Zigbee的組網(wǎng)技術(shù)，說明Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，并按各個層進行介紹器具體的協(xié)議規(guī)范和模型，著重介紹Zigbee所提供的服務(wù)及設(shè)計所用的幀結(jié)構(gòu)等。接著按照設(shè)計遵循的原則進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定，以此來組建家電控制網(wǎng)絡(luò)。3網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件設(shè)計3.1硬件總體設(shè)計硬件平臺建立室內(nèi)的控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。整個系統(tǒng)的低功耗性、穩(wěn)定性及可擴展性都受它的影響。硬件平臺沒有，就不能在線調(diào)試應(yīng)用軟件，更不用談控制網(wǎng)絡(luò)的形成了。通過幾個方面的考慮，決定采用Chipcon的CC2420無線射頻模塊。無線模塊的設(shè)計中，采用MicrochipTechnology推出的PIC18系列單片機作為核心微控制器。室內(nèi)家電控制系統(tǒng)的主控制器，也稱網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。以后室內(nèi)家電需要入網(wǎng)的可以在這個基礎(chǔ)上來擴展。室內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示，這些模塊作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，進行數(shù)據(jù)傳輸和控制等通信。圖3.1硬件系統(tǒng)框圖PIC18LF4620是整個系統(tǒng)的控制部分，CC2420是符合IEEE802.15.4的無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收，通信接口包括常用的RS232和串行總線接口，主要用于與家居設(shè)備的接口，完成數(shù)據(jù)采集，同時還可以與PC機相連，對系統(tǒng)進行調(diào)試和監(jiān)測，電源提供系統(tǒng)電能，晶振提供系統(tǒng)工作時鐘信號。3.2主控制器(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)硬件處理器是選取的PIC18LF4620單片機，PIC18系列的特點是CMOS、高性能、集成了數(shù)模A/D)轉(zhuǎn)換器的所有靜態(tài)MCU系列。PIC18MCU支持OTP和FLASH器件。增強型內(nèi)核是PIC18具有的，32級堆棧和多種外部和內(nèi)部中斷源[20]。這款微控制器專為低功耗需求設(shè)計。工作電壓才3.3V，可直接與高頻芯片通信。與此同時具有64KB的FALSH，3986B的RAM。其引腳圖如圖3.2所示[23]。圖3.2PIC18LF4620引腳圖3.2.1晶振電路PIC18LF4620通過對寄存器FOSC3:FOSCO的配置[9]有10種不同的晶振工作模式，可以選擇其中的一種，本系統(tǒng)采用外部晶振振蕩模式，其連接圖如下：圖3.3晶振電路圖3.2.2電源電路由于本設(shè)計采用3.3V供電，所以使用三端穩(wěn)壓器進行電壓的轉(zhuǎn)換。電源電壓轉(zhuǎn)換電路需采用兩個穩(wěn)壓器，如LM78××系列，其成本較低而且性能穩(wěn)定，因此采用NI的LM7805進行電壓轉(zhuǎn)換得到5V電壓，接著采用LM3940繼續(xù)將5V的電壓轉(zhuǎn)換為單片機工作所需的電壓3.3V。圖3.4電源供電電路圖3.3單片機與PC的接口在實際的應(yīng)用中，單片機與PC之間需要經(jīng)常進行數(shù)據(jù)的交換。本設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平接口，是單片機和PC之間能很方便地進行數(shù)據(jù)的交換。圖3.5與PC的數(shù)據(jù)接口3.3.1無線芯片介紹CC2420從天線接收到射頻信號，首先經(jīng)過低噪聲放大器(lownoiseamplifier，LNA)，然后在正交下變頻到2MHz的中頻上形成中頻信號的同向分量和正交分量。兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodigitalconverter，ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。后繼的處理，如自動增益控制、最終信道選擇、解擴以及字節(jié)同步等，都是以數(shù)字信號的形式處理[10]。圖3.5CC2420內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)CC2420的SFD引腳低電平時，意味著接收到了物理幀的SFD字節(jié)。接收到的數(shù)據(jù)存放在128字節(jié)的接收FIFO緩存區(qū)中，幀的CRC校驗由硬件完成。CC2420的FIFO緩存區(qū)保存MAC幀的長度、MAC幀頭和MAC幀負(fù)載數(shù)據(jù)三個部分，而不保存幀校驗碼[10]。CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用直接正交上變頻?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至恐苯颖粩?shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過低通濾波器后，直接變頻到設(shè)定的信道上。其調(diào)制與擴頻功能圖見圖2.3。3.3.2射頻電路CC2420內(nèi)部使用1.8V工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備。外部數(shù)字I/O接口使用3.3V電壓，這樣可以保持和3.3V邏輯器件的兼容性。它在片上集成了一個直流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V電壓轉(zhuǎn)換成1.8V電壓。這樣對于只有3.3V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作[10]。CC2420射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+j180歐姆，以達(dá)到最佳收發(fā)效果[11]。如果使用內(nèi)部晶振，可以接在XOSC16Ql和XOSC16Q2引腳之間。CC2420要求時鐘源的精確度應(yīng)該在士40×10以內(nèi)。圖3.6給出了本系統(tǒng)的CC2420外圍電路圖[23]。圖3.6CC2420外圍電路3.3.3與單片機的接口FIFO和FIFOP引腳標(biāo)示接收FIFO的緩存區(qū)的狀態(tài)[10]。如果RXFIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩存區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進入接受狀態(tài)至少8個符號((symbol)周期后，才一會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK四個引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲器。SPI接口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時都與時鐘下降沿對齊。3.4PCB板布線PCB（PrintedCircuitBoard）印刷電路板的制作直接影響著硬件設(shè)計的成敗，設(shè)計良好的PCB板能較好的防止器件之間的干擾并且較好地實現(xiàn)設(shè)計的要求。設(shè)計印制電路板時，首先要確定原理圖必須設(shè)計正確，然后PCB印刷電路板圖一定要合理布線，盡量使系統(tǒng)中各元器件之間，電路之間可能產(chǎn)生的不利影響限制在最低程度。當(dāng)原理圖被正確繪制之后，應(yīng)當(dāng)首先檢查每個器件的封裝，在ProtelDXP2004[27]中采用了元器件和PCB封裝集成在一個集成庫，可以在原理圖中方便地修改每個器件的封裝使得用戶不必手動生成網(wǎng)絡(luò)表來將原理圖載入PCB圖，只要使用設(shè)計選項中的Update命令就可以將封裝和連接直接傳遞到同一個項目中的PCB中，如圖3.7所示。圖3.7原理圖生成PCB的示意圖選擇“使變化生效”再選擇“執(zhí)行變化”按鈕，檢查每個器件狀態(tài)后面都有紅色的對勾，直到所用的元器件都正確的傳遞進PCB編輯器中。然后切換進入PCB編輯器里面，這時候PCB中器件之間的連線都使用飛線連接，必須先把元器件按設(shè)計的要求布局，再通過布線將其逐一連接起來。在所有器件和連線網(wǎng)絡(luò)都傳遞到PCB圖之后，要仔細(xì)檢查PCB圖上的封裝和飛線連接，確定正確以后根據(jù)PCB板的實際應(yīng)用情況確定板的大小和元器件擺放位置。元件的布局和布線直接影響著電路板的性能。由于影響布線的因素很多，不同的電路又有其自身的特殊性，每個人所布的線是不同的，一般情況下按設(shè)計人員的經(jīng)驗和理解進行設(shè)計。但從抗干擾角度考慮，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個方面的問題：3.4.1PCB的布局方面1.首先，正確合理地選擇PCB的尺寸大小，尺寸太大布線較長增加阻抗且成本增加，尺寸太小影響散熱而且鄰近線容易發(fā)生干擾。2.對于可調(diào)元器件和插針等元件應(yīng)放在PCB靠近邊緣的部分。3.應(yīng)當(dāng)在PCB上留出定位孔以及支架等所占的位置，孔的位置與板緣應(yīng)有一定的距離以保證電路板的機械強度。4.以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局，元件排列應(yīng)當(dāng)均勻、整齊、緊湊。位于電路板邊緣的元器件離電路板邊緣要大于2mm。3.4.2PCB的布線方面印制的導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線和絕緣基板間的粘附強度和流過的電流值決定。導(dǎo)線寬度一般遵循：信號線＜電源線＜地線的原則。必須根據(jù)實際布線的限制，在各線寬的允許范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)寬度。接地線應(yīng)盡量加寬，同時應(yīng)當(dāng)在ProtelDXP2004的設(shè)計選項中的規(guī)則選項中對寬度、間距等進行設(shè)定以便直觀的發(fā)現(xiàn)錯誤。印制導(dǎo)線拐彎處一般采用45度轉(zhuǎn)角或者圓弧形以減少高頻信號的對外發(fā)射。布線應(yīng)當(dāng)盡量有序、簡短、避免過長的平行走線以減少布線的分布電容；避免印制電路走線形成環(huán)路接收噪聲形成干擾。在需要增加過孔來連接層間走線時，考慮過孔帶來的分布電容，同時要符合工藝要求并防止增加成本。再上下兩層間注意防止導(dǎo)線相互平行，布線完成后要使用大面積覆銅接地。電源線的走向應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，保證電源線合適的寬度。每片集成電路的電源引腳上應(yīng)配置去耦合電容。對于CC2420組成的無線收發(fā)模塊中的高頻電路來說，器件布局和布線對性能的影響更加明顯和敏感，在本設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：以CC2420為中心，各元器件緊靠其周圍，均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，以減少分布參數(shù)的影響。最好是參照TI提供的開發(fā)板電路布局布線。去耦電容應(yīng)當(dāng)盡量靠近相應(yīng)的引腳。直接連接兩個相鄰的電源腳會增加噪聲的耦合，應(yīng)當(dāng)盡量避免。每個去耦電容的接地端應(yīng)當(dāng)通過一個獨立的過孔連接到地層。本設(shè)計由于用的是兩層板，沒有專門的接地層和電源層，所以只能通過覆銅時連接到 AGND網(wǎng)絡(luò)來使各引腳的去耦電容盡量互不干擾。過孔一般分為：盲孔（BlindVia）、埋孔（BuriedVia）和通孔（ThroughVia）。在設(shè)計時設(shè)計者希望過孔越小越好，這樣板上可以留有更多的布線空間，此外過孔越小其自身的寄生電容也越小，更適用于高頻電路，但過孔尺寸的減小受到成本和加工工藝的限制，不可能無限制的減小，一般PCB廠家能提供的鉆孔直徑最小只能達(dá)到8mil。3.5本章小結(jié)本章主要進行網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件設(shè)計，采用MicrochipTechnology推出的PIC18系列單片機作為核心微控制器，無線芯片使用TI的CC2420無線射頻模塊。PIC18LF4620是整個系統(tǒng)的控制部分，CC2420實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收，配合外部電路進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作來控制整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。接著介紹PCB的設(shè)計，設(shè)計采用ProtelDXP2004進行繪制原理圖和PCB圖，完成硬件的設(shè)計要求。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計及調(diào)試分析4網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計及調(diào)試分析智能家電網(wǎng)絡(luò)控制器軟件設(shè)計主要包括兩個部分：Zigbee協(xié)議棧的實現(xiàn)和其他應(yīng)用程序的實現(xiàn)。本系統(tǒng)Zigbee協(xié)議棧設(shè)計基于MicrochipZigbee協(xié)議棧，Microchip協(xié)議棧是采用C語言編寫的，可用MPLABCI8和Hi-TechPICC-18編譯器進行編譯。4.1協(xié)調(diào)器程序設(shè)計協(xié)調(diào)器初始化成功和建立網(wǎng)絡(luò)成功后，等待終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。在終端設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)之后，設(shè)備開始檢測空中的無線信號，信號接收完畢后，將數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)送動作消息送往子節(jié)點設(shè)備，隨后家電設(shè)備進行相應(yīng)的動作，如燈光變暗，電視機聲音降低等。圖4.1協(xié)調(diào)器主流程圖4.2網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和入網(wǎng)節(jié)點之間的通信采取簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間通信機制的設(shè)計?；舅悸肥怯删W(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點進行通信，必須向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出請求，得到許可后，才能進行通信。網(wǎng)絡(luò)組建過程主要有節(jié)點初始化，F(xiàn)FD設(shè)備可以配置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，RFD或者FFD設(shè)備作為從節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)[24]。通電初始化時，任何一個節(jié)點都要首先偵聽信道，在信道空閑的時候，F(xiàn)FD設(shè)備誰最先入網(wǎng)，就將誰配置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，否則配置成終端節(jié)點。創(chuàng)建和加入網(wǎng)絡(luò)的操作在NOPRIMIZTVE原語中完成，如果該器件是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并且還沒有創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，它將通過調(diào)用NLME_NETWORK_FORMATION_request原語創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)[23]；如果該器件不是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并且沒有安全要求，其會加入一個網(wǎng)絡(luò)；如果該器件要加入以前的網(wǎng)絡(luò)，可以調(diào)用NLME_JOIN_request原語重新加入該網(wǎng)絡(luò)。4.3發(fā)送消息在應(yīng)用程序中，通常在兩種情況下進行消息的發(fā)送：一種是在APSDE_DATA_indication原語中，用于對接收到信息后的應(yīng)答或反饋；另外一種情況是NO_PRIMITIVE原語中用于對應(yīng)用程序事件的回應(yīng)。圖4.1消息流程每個時刻僅有一個消息發(fā)送，發(fā)送一個消息有一下幾個步驟：通過調(diào)用ZigBeeReady()得到其返回值，如果是TRUE確定應(yīng)用層的確有一個新消息需要發(fā)送[23]。調(diào)用ZigBeeBlockTx()對系統(tǒng)進行鎖定，這樣其他應(yīng)用在調(diào)用ZigBeeReady()時會返回FALSE，從而保證每個時刻僅一個消息發(fā)送。將消息賦值給發(fā)送緩沖TxBuffer，并將TxData指向消息在緩沖區(qū)的末地址的第一個位置。裝載APSDE_DATA_request原語參數(shù)。將當(dāng)前原語設(shè)置為APSDE_DATA_request，并調(diào)用ZigBeeTasks()。4.4接收消息應(yīng)用程序通過調(diào)用APSDE_DATA_indication原語來接收消息，該原語返回時，從該原語的參數(shù)中可以得到消息和在緩沖中消息的信息，其中DstEndpoint參數(shù)表示消息的目的節(jié)點，如果該目的節(jié)點有效，消息將被轉(zhuǎn)發(fā)。同時可以使用APLGet()函數(shù)對消息的各個位進行提取得到需要的信息。圖4.2接收消息流程圖4.5數(shù)據(jù)的傳輸在發(fā)送模式過程中，F(xiàn)IFO和FIFOP與接收模式的RXFIFO相關(guān)，通過將數(shù)據(jù)寫入SSPBUF和SSPSR中，調(diào)用CC2420_Command()讀出SSPBUF中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，接著，調(diào)用CC2420_WriteReg()在SSPBUF寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后，在重新調(diào)用CC2420_Command()為下次數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備，其中緩沖器滿位BF(SSPSTAT(0))表示何時SSPBUF載入了接收到的數(shù)據(jù)(發(fā)送完成)。圖4.3傳輸數(shù)據(jù)流程4.6數(shù)據(jù)的接收在接收模式下，首先檢測是否溢出,若溢出，則調(diào)用函數(shù)CC2420_Command()；否則檢測PORTBbits.RB3是否有數(shù)據(jù)存在緩沖寄存器中，有則調(diào)用函數(shù)CC2420_ReadReg()將數(shù)據(jù)從寄存器中讀出，最后返回數(shù)據(jù)長度等信息。圖4.4接收數(shù)據(jù)流程4.7系統(tǒng)的調(diào)試關(guān)于硬件設(shè)計，問題主要是關(guān)于無線芯片CC2420的電路設(shè)計。由于在進行設(shè)計時采用了Microchip公司設(shè)計的開發(fā)板電路，在布線過程中無法確定導(dǎo)線的寬度和元件的放置等問題，參考Microchip提出的射頻電路，開始時總是無法進行導(dǎo)線的連接，經(jīng)過核對開發(fā)板，發(fā)現(xiàn)時所采用的電阻封裝不一致，經(jīng)過修改導(dǎo)線就順利布通了。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，已考慮到Zigbee協(xié)議棧與無線單片機芯片的配合，來完成數(shù)據(jù)的接收、校驗、發(fā)送等功能的設(shè)計。因為協(xié)議棧是設(shè)計的核心，所以Microchip公司的協(xié)議棧，且該公司是目前世界上唯一提供源代碼開放協(xié)議棧的廠家。在進行設(shè)計時參考了MicrochipZigbee協(xié)議棧的協(xié)調(diào)器節(jié)點(Coordinator)的DEMO設(shè)計，進行相應(yīng)引腳的配置，但卻無法確定數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，最后經(jīng)過在網(wǎng)絡(luò)上查找資料，得到的答案是在結(jié)束后，需要檢測緩沖器滿位BF(SSPSTAT(0))狀態(tài)，因為BF表示緩沖器滿狀態(tài)位，1表示接收完成，SSPBUF滿；0表示接收未完成，SSPBUF空。當(dāng)SSPBUF中的數(shù)據(jù)被讀取后，BF位即被清零。由于時間關(guān)系，沒有做出實物的硬件電路板，所以下面的調(diào)試生成和下載程序也沒做，只是用IDE將整個系統(tǒng)的軟件程序進行了匯編、編譯，以此來檢查程序中的一些錯誤，認(rèn)真修改，直到匯編、編譯無錯誤地通過。如圖4.7所示為程序編譯通過的窗口界面。圖4.5MPLABIDE編譯程序4.8上位機軟件介紹為了方便系統(tǒng)的調(diào)試，本系統(tǒng)采用Microchip的ZENA[14]無線網(wǎng)絡(luò)分析軟件，對智能家居網(wǎng)絡(luò)控制的主節(jié)點和分節(jié)點進行調(diào)試和監(jiān)控，其主界面如圖4.6所示。圖4.6ZENA配置單片機設(shè)置位首先需要對進行設(shè)置器件，成功后，PC機就可以采用該軟件對控制器進行調(diào)試和監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)組建主要用于組建Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)；由于本設(shè)計沒有做出實物進行調(diào)試，主要參考Microchip公司網(wǎng)站提供的應(yīng)用筆記和資料進行設(shè)計。經(jīng)查閱資料大多數(shù)Microchip公司的基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)均需ZENA進行控制網(wǎng)絡(luò)。4.9本章小結(jié)本章主要進行控制器的軟件設(shè)計。分了幾個部分介紹軟件的設(shè)計，由于本設(shè)計主要是針對系統(tǒng)的主節(jié)點進行設(shè)計，這些程序可以作為子節(jié)點的程序直接使用，因此對于子節(jié)點就沒有必要作過多的說明。最后進行系統(tǒng)的調(diào)試，軟件的設(shè)計主要是關(guān)于Zigbee的協(xié)議棧的配置，因此程序的調(diào)試主要是正確利用MPLABIDE的編譯來檢驗的。5總結(jié)與展望5.1本文總結(jié)ZigBee技術(shù)以其特有的低成本、低功耗和高安全性特點，在家庭遠(yuǎn)程控制和自動化方面獲得廣泛應(yīng)用。本論文的主要工作是基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)對室內(nèi)家用電器的控制。主要工作體現(xiàn)在以下幾個方面:以Microchip公司的PIC單片機和TI公司的CC2420無線收發(fā)芯片為硬件，以Microchip公司提供的開源ZigBee協(xié)議棧為基礎(chǔ)進行設(shè)計。以PIC18LF4620為控制器，以CC2420為無線收發(fā)器，設(shè)計ZigBee節(jié)點，按照功能可以劃分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(Coordinator)和終端節(jié)點(RFD)。在此節(jié)點的硬件基礎(chǔ)上，使用MpZBee協(xié)議包，構(gòu)建了以Coordinator為核心的星型無線網(wǎng)絡(luò)。5.2經(jīng)驗總結(jié)由于首次接觸無線芯片進行硬件設(shè)計，在系統(tǒng)的設(shè)計過程中遇到不少問題，走了很多彎路，也積累了如下一些經(jīng)驗。芯片的選取由于是進行無線數(shù)據(jù)的傳輸，必須選取與無線芯片相匹配的單片機，起初本選取的是TI的MSP430，但由于其功耗及相關(guān)設(shè)計較為繁瑣，就采用了Microchip公司的PIC，接著進行具體型號的確定，根據(jù)無線芯片的工作要求：需在電壓為3.3V，因此采用了PIC18LF4620為主控制器。因為該單片機針對無線通信不僅功耗低而且該公司還提供與之相應(yīng)的ZigBee協(xié)議及應(yīng)用筆記等許多相關(guān)資料，為后續(xù)的軟件設(shè)計提供了參考依據(jù)。硬件電路的設(shè)計由于是進行高頻電路設(shè)計，需要注意例如去耦、濾波等，在射頻部分須仔細(xì)進行安置電容、電感。設(shè)計采用ProtelDXP進行硬件設(shè)計。繪制原理圖和PCB圖時遇到封裝和放置導(dǎo)線和導(dǎo)線的形狀均會影響整體布線。經(jīng)過不斷的修改和請教老師才知道時電容、電阻的封裝也會導(dǎo)致了布線的無法連接。5.3設(shè)計展望網(wǎng)絡(luò)化是未來無線智能家電的發(fā)展方向[6]，它能提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能，而且可以通過不同的通信協(xié)議來實現(xiàn)。各種家庭互連的無線標(biāo)準(zhǔn)的提出推動了網(wǎng)絡(luò)無線化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，無線互聯(lián)為人們提供更好的移動便利，而接口的標(biāo)準(zhǔn)化可以使不同廠家產(chǎn)品互相兼容。更為重要的是，需要加快各公司的通信協(xié)議棧的兼容，設(shè)計中發(fā)現(xiàn)存在至少有5中不同的Zigbee協(xié)議棧，導(dǎo)致不同廠家產(chǎn)品不兼容。關(guān)于智能家電其本早已在國外發(fā)展近40年，而我國的只是剛剛起步。因此，這方面存在著巨大的發(fā)展空間，人們的生活也必將進入更加舒適、安逸的時代。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]宋輝，智能家庭網(wǎng)絡(luò)的研究[J]沿海企業(yè)與科技2005(9).P151[2]張輝，力昌兵.家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀未來.2001嵌入式系統(tǒng)及單片機《國際學(xué)術(shù)交流會論文集》.北京航空航天大學(xué)出版社，2001.[3]程凱.智能家居的方案及實現(xiàn)[D].山東：青島海洋大學(xué)碩士論文.2003.[4]金純，羅祖秋，羅鳳，陳前.Zigbee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M]北京：國防工業(yè)出版.[5]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.[6]徐建平.中文版ProtelDXP新手上路[M]，上海：上?？茖W(xué)普及出版社，2006.[7]HomepageofIEEE802.15WPANTaskGroup4(TG4)，/groups/802/15/pub/TG4.html[8]HomepageofZigBeeAlliance，/[9]FreescaleSemieonduetorTechnicalDate，MC13192/MC131932.4GHzLowPowerTransceiverfortheIEEE802.15.4Standard，MC13192Rev.2.9，08/2005.[10]PIC18F2525/2620/4525/4620DataSheet.DS39626B，2006.[11]CC2420DataSheet.SWRS041，2006.[12]PICDEMZDemoKitUser’sGuide.DS51524A，2005.[13]CC2420DKDevelopmentKit.SWRU045，2006.[14]ZENA.WIRELESSNETWORKANALYZERUSER.SGUIDE，DS51606A2006.[15]中國智能家居網(wǎng)./html/2007-03/3638.html/.[16]馮平鴿、馮琳、魏振春.ZigBee技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的一種網(wǎng)絡(luò)模型[J]，河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005年12月，第26卷第6期.[17]周游、方濱、王普.基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電子技術(shù)應(yīng)用[J]，2005年，第9期.[18]田亞.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]，上海：同濟大學(xué)，2007.[19]楊庚.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實現(xiàn)[D]，杭州：浙江大學(xué)，2006.[20]蔣建輝.ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]，蘇州：蘇州蘇州大學(xué)，2006.[21]張維勇，馮林.ZigBee實現(xiàn)家庭組網(wǎng)技術(shù)的研究[J]，合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005.[22]陳淑鵑.無線智能家居控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及協(xié)議研究[D]，大連：大連海事大學(xué)，2005.[23]馮琳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee技術(shù)的應(yīng)用研究[D]，合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.[24]歐杰峰.基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究[D]，杭州：浙江大學(xué)，2006.[25]馬菁菁.Zigbee無線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用研究[D]，武漢：武漢理工大學(xué)，2007[26]張利娜.ZigBee無線技術(shù)在室內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的研究[D]，天津：天津工業(yè)大學(xué)，2007[27]趙虹均.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[D]，上海：上海交通大學(xué)，2007[28]徐建平.中文版ProtelDXP新手上路[M]，上海：上?？茖W(xué)普及出版社，2006.攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）附錄A程序附錄A程序#include<p18f4620.h>#include<stdlib.h>#include<spi.h> #include<delays.h> #include<usart.h> #include<string.h> #include"cc2420.h" #include"zAPL.h"#include"console.h"#pragmaconfigOSC=HS #pragmaconfigWDT=OFF #pragmaconfigLVP=OFF 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