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zigbee技术01912

郑州科技学院

专科毕业设计（论文）

题目基于zigbee技术的智能家具系统设计

学生姓名李鑫涛

专业班级08级电气自动技术

（2）班

学号200816067

所在系电气工程系

指导教师李月英

完成时间2011年02月10日

基于zigbee技术的智能家居系统设计

摘■■要

■摘要】：

智能家居是未来家居的发展方向,它利用先进的计算机技术、无线通信技术、网络技术和传感器技术等将与家居生活有关的各种子系统,有机地结合在一起,通过集中统一管理,为人们提供智能、舒适的居住环境。

本文的工作重点是结合智能家居系统中的遥控器和灯具控制器,利用ZigBee技术实现家庭内部控制网络。

在介绍了智能家居系统中相关技术的国内外发展与现状后,本文在分析了前期所设计的相关智能家居产品优缺点的基础上,比较了多种有线和无线通信技术,并选择已经成为IEEE标准的ZigBee技术作为组建家庭内部控制网络的通信技术。

在对ZigBee协议进行深入研究后,结合具体应用背景,选择星形作为智能家居系统的网络拓扑结构。

文章进一步提出了整个智能家居系统的框架,框架内部各部分功能以及实现方式。

并对作为家庭内部控制网络中节点的遥控器和灯具控制器的硬件和软件的设计进行了详细阐述,最后给出了在Microchip的ZigBee开发平台上实现ZigBee网络的相关结果。

本课题是以市场应用为背景,在设计家庭内部控制网络过程中,充分考虑到各节点的成本、功耗以及工程施工等问题,从而使设计出的各模块具有很强的实用性,经过与其他部分联合调试和进一步优化后,能够满足普通家庭用户的需求。

关键词】【：

智能家居IEEE802.15.4ZigBeeMRF24J40

□□□□□□□□□

空1行

ABSTRACT

空1行

■■□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□。

空1行

KEYWORDS■■□□□,□□□,□□□,□□□

目■■录

中文摘要…………………………………………………………………………………………I

英文摘要

1■□□□□□□…………………………………………………………………………1

1.1■□□□□□□………………………………………………………………………1

1.1.1■□□□□□□……………………………………………………………………2

结束语…………………………………………………………………………………………60

致谢………………………………………………………………………………………………61

参考文献………………………………………………………………………………………62

（附录）………………………………………………………………………………………63

注：

■表示一个空格（两个字符位置）

括号内的内容表示视论文而定的内容

1■□□□□□□

1.1■□□□□□□

1.1.1■□□□□□□

1.1.1.1■□□□□□□

注：

如果下面还有编号，可依次用

（1），

（2），（3）…和①，②，③…。

正文中具体对某个问题进行说明，但并不属于全文的整体编号时，使用第一，第二，第三…进行分点说明。

一级、二级和三级标题均与与正文的上文空五号宋体一行

企业集团的转移定价决策问题不仅为企业管理层所高度重视，同时也是学术界讨论的热门话题。

Hirshleifer（1956）[1]最先提出在确定性环境下当中间产品转移价格等于边际成本时，公司利润达到最大。

Baldenius（1999）[2]在考虑特定关系投资的前提下，提出了两部转移定价法。

图名与下文空五号宋体一行

1

（2-7）

（如果有的话）

表头与上文空五号宋体一行

表6-1■中外基金的规模比较（1997年值，单位：

亿美元）

品种数

基金总资产

基金资产占流通市值的比率

中国

75

16.91

0.38

美国

16000

40000

49.5

香港

1300

850

5

■■数据来源：

1996年《中国经济年鉴》，1997年《中国统计年鉴》

（正文部分字数为1.2～3万，应按各系的具体要求执行）

2

致■■谢

空1行

■■□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□。

参考文献

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[1]HirshleiferJ.OntheEconomicsofTransferPricing[J].JournalofBusiness,1956,29（3）:

172-184.

[2]BaldeniusT,ReichelsteinS,SahaySA.NegotiatedVersusCost-BasedTransferPricing[J].ReviewofAccountingStudies,1999,4:

67-91

[3]

夏普WF,亚历山大GJ，贝利JV.赵锡军，龙永红，季冬生，等译.投资学.北京：

中国人民大学出版社，1996，12

[4]约瑟夫AA.王微等译.期权市场运作.北京：

清华大学出版社，1998，4

[5]陈共，周生业，吴晓求.证券投资分析.北京：

中国人民大学出版社，1998，8

[6]林文俏.股市风险透视与防范.广州：

广东经济出版社，1997，8

[7]

门明.论期权与风险投资管理.对外经济贸易大学学报，1999，2：

10～15

[8]秦海波.“太阳”为何与微软打“世界官司”.经济日报，1999年5月27日

[9]唐晓强.中国通信产业研究

注：

（1）按论文中参考文献出现的先后顺序用阿拉伯数字连续编号，并与文中的编号顺序相对应。

（2）参考文献中每条项目应齐全。

文献中的作者不超过三位时全部列出；超过三位时只列出前三位，后而加“等”字；作者姓名之间用逗号分开；中外人名一体采用姓在前，名在后的著录法。

附■■录

附录1：

实做图片

实做图片，硬件电路（原理图、PCB），程序,元器件清单。

注：

论文的附录依次为附录1，附录2，……编号。

附录中的图表公式另编排序号，与正文分开。

1系统设计方案

   该系统设计由家庭内被控制设备和远程控制设备组成。

其中家庭内被控制设备主要有能访问Internet的计算机、控制中心、监控节点和选择添加的家用电器控制器。

远程控制设备主要由远程计算机和手机组成。

系统组成如图1所示。

   系统的主要功能有：

1）网页前台页面的浏览，后台信息管理；2）通过Internet和手机两种远程控制方式实现室内家用电器、安防和灯光的开关控制；3）通过RFID模块实现用户识别，从而完成室内安防状态的开关，在盗贼入侵时通过短信息（SMS）向用户报警；4）通过中央控制管理系统软件完成室内灯光及家电的本地控制和状态显示；5）利用数据库完成个人信息存储和室内设备状态存储，通过中央控制管理系统方便用户查询室内设备状态。

2系统硬件设计

   系统硬件设计包括控制中心、监控节点和选择添加的家用电器控制器（这里以电风扇控制器为例）的设计。

2．1控制中心

   控制中心主要功能有：

1）组建无线ZigBee网络，把所有监控节点加入网络中，并实现新设备的接收；2）用户身份识别，用户在离家或归来时通过用户卡实现室内安防的开关；3）当有盗贼入侵室内时，通过向用户发送短信息报警。

用户也可通过短信息控制室内安防、灯光及家电；4）系统单机运行时，液晶显示当前系统状态，方便用户查看；5）存储电器设备状态并发送至PC机，以实现系统联机。

根据控制中心的功能设计出它的组成框图如图2所示

   选用TI公司的CC2430单片机作为ZigBee模块的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l内核的单片机。

也是一款符合IEEE802．15．4规范的2．4GHz的射频器件，硬件支持载波监听多路访问／冲突检测（CSMA／CA），2．0～3．6V的工作电压有利于实现系统低功耗。

通过连接在控制中心的ZigBee协调器模块，在室内建立无线星形ZigBee网络．并将所有监控节点、选择添加的家用电器控制器作为该网络中的终端节

点加入网络中，从而实现室内安防及家电的无线ZigBee网络控制。

   控制中心MCU采用8位单片机ATMegal28，该器件是一款高性能、低功耗的RISC结构的单片机，大多数指令可在1个时钟周期内完成，最高工作于16MHz，具有128K的系统内可编程Flash，4K字节的EEPROM和2个串行接口。

它与GSM模块、RFID模块、液晶模块、ZigBee协调器和PC机相连，是整套硬件系统的核心，完成对中央控制管理系统的响应和对各模块的驱动。

GSM模块采用TC35i模块。

它通过串行UART接口直接与控制中心MCU相连。

RFID模块采用ZLG500模块，其内部集成了MFRC500型ISO14443A读卡器，能够读写RC500内的．EEPROM。

由于ZLG500并不是采用标准SPI接口规范，故只能与单片机的通用I／O接口相连才能实现通信。

液晶模块选用1602液晶，采用4线接口与控制中心MCU的通用I／O接口相连。

ZigBee协调器与控制中心MCU采用2线接口即可实现两者间的数据双向传输。

控制中心MCU与计算机RS232串口相连，传输数据稳定、可靠，实时性好。

2．2监控节点

   监控节点的功能有：

1）人体信号的检测，当盗贼入侵时进行声光报警；2）灯光的控制，其控制方式分为自动控制和手动控制，自动控制是根据室内光线的强弱自动打开／关闭灯光，手动控制是通过中央控制管理系统实现灯光控制：

3）将报警信息及其他信息发送至控制中心，并接收来自控制中心的控制指令以完成设备控制。

从监控节点的功能出发，监控节点组成如图3所示。

   红外加微波的探测模式是目前在人体信号检测时最常用的方式。

热释电红外探头这里选用RE200B，放大器件采用BISS0001。

RE200B由3～10V电压供电，内置热释电双敏感红外元件，当元件接收红外光时在每个元件两极发生光电效应而积累电荷。

BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。

它与RE200B及少量元件就可构成被动式热释电红外开关。

微波传感器选用ANT-G100模块，中心频率是10GHz，建立时间最大值是6μs。

与热释电红外模块复合使用，可有效降低目标探测错误率。

   灯光控制模块主要由光敏电阻和灯光控制继电器组成。

将光敏电阻与10kΩ的可调电阻串联，再将光敏电阻另一端接地，可调电阻另一端接高电平。

通过单片机的模数转换器获取两个电阻连接点的电压值，从而判定当前灯光是否打开。

可调电阻可供用户调节，以满足用户设置灯光刚刚打开时的光线强度。

室内灯光的开关通过继电器控制。

只需一个输入输出口即可实现。

2．3选择添加的家用电器控制器

   选择添加的家用电器的控制主要根据设备功能实现设备控制，这里以电风扇为例。

电风扇控制就是控制中心将上位机下达的电风扇控制指令通过ZigBee网络发送至电风扇控制器实现，不同的家电识别码是不同的，例如，本协议规定电风扇的识别码是122，家用彩电的识别码是123，这样就实现控制中心对不同家电的识别。

而对于相同的指令代码，不同家电执行的功能是不一样的。

图4为选择添加的家用电器组成。

3系统软件设计

   系统软件设计主要包括6部分，分别为远程控制网页设计、中央控制管理系统设计，控制中心主控制器ATMegal28程序设计、CC2430协调器程序设计、CC2430监控节点程序设计、CC2430选择添加设备的程序设计。

3．1ZigBee协调器的程序设计

   协调器首先完成应用层初始化，将应用层状态和接收状态设为空闲，然后打开全局中断并初始化I／O端口。

接着协调器开始建立无线星形网络。

协议中，协调器自动选择2．4GHz的频段，每秒发送的最大比特数为62500，默认的个域网网络号（PANID）是0x1347，最大的堆栈深度为5，最大单次发送的字节数为93，串口的波特率是57600bit／s，SL0WTIMER每秒产生中断10次。

在ZigBee网络建立成功后，协调器将其地址传送给控制中心MCU。

这里，控制中心MCU将ZigBee协调器识别为监控节点的一员，它被识别的地址为0。

程序进入主循环。

首先判断是否有终端节点发送的新数据，如果有，则直接把这个数据传送至控制中心MCU；判断控制中心MCU是否有指令下传，如果有则将下传的指令发送到相应的ZigBee终端节点；判断安防是否打开，是否有盗贼入侵，如果有则把报警信息传送至控制中心MCU；判断灯光是否处于自动控制状态，如果是，则打开模数转换器进行采样，采样值是灯光打开或关闭的关键，如果发生灯光状态改变则把新的状态信息传送到控制中心MC-U。

ZigBee协调器程序流程如图5所示。

3．2ZigBee终端节点的程序设计

   ZigBee终端节点是指由ZigBee协调器控制的无线ZigBee节点，在系统中主要是监控节点和选择添加的家用电器控制器。

ZigBee终端节点的初始化同样包括应用层初始化，打开中断和初始化I／O口。

接着尝试加入ZigBee网络，需要强调的是：

只有和ZigBee协调器设置一致的终端节点才能加入到网络中。

如果ZigBee终端节点尝试加入网络失败，则每两秒重新尝试一次，直至顺利加入到网络中。

加入网络成功后，Zi-gBee终端节点将其注册信息发送至ZigBee协调器，再由ZigBee协调器转发至控制中心MCU以完成ZigBee终端节点的注册。

ZigBee终端节点如果是监控节点，则实现灯光及安防的控制，程序与ZigBee协调器部分类似，只是监控节点需将数据发送到ZigBee协调器，再由ZigBee协调器将数据传送至控制中心MCU。

ZigBee终端节点如果是电风扇控制器，则只需接收上位机的数据，而不必上传状态，故它的控制可以在无线数据接收中断中直接完成。

在无线数据接收中断中，所有终端节点都是将接收的控制指令翻译成对节点本身的控制参数，在节点主程序中不对接收的无线指令进行任何处理。

4联机调试

   由中央控制管理系统下发的对固定设备的指令编码递增的指令，通过计算机串口发送至控制中心MCU，并通过两线接口发送至协调器，再由协调器发送至ZigBee终端节点，在终端节点接收完成时将数据再次通过串口发送至PC机，在这台PC机上完成ZigBee终端节点接收的数据与控制中心所发送的数据的比较。

中央控制管理系统每一秒发送2条指令，经过5h的测试，测试软件显示共接收数据包数量为36000包时停止测试。

多协议数据传输测试软件测试结果如图6所示。

正确数据包36000，错误数据包数为0，正确率为100％。

5结束语

   通过ZigBee技术实现智能家居内部组网，具有远程控制方便，添加新设备灵活和控制性能可靠等优点。

通过RFTD技术实现用户身份识别，提高系统的安全性。

通过GSM模块的接入，实现了远程控制和报警功能。

　在智能家居系统中，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。

这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。

随着无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家庭网络智能化的进程。

　　本文介绍的智能家居无线网络系统采用ZigBee技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，符合IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。

　　1ZigBee技术简介

　　ZigBee技术的主要优点有：

（1）省电：

两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间；

（2）可靠；采用了碰撞避免机制；（3）成本低；（4）时延短；（5）网络容量大；（6）安全：

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。

　　ZigBee技术的特点完全符合家庭网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能家居无线网络系统。

　　2智能家居无线网络系统

　　本系统以家庭为单位进行设计安装，每个家庭都安装一个家庭网关、若干个无线通讯ZigBee子节能模块。

在家庭网关和每个子节点上都接有一个HeliLink无线网络收发模块（符号ZigBee技术标准的产品），通过这些无线网络收发模块，数据在网关和子节点之间进行传送。

下面介绍各部分的结构及功能。

　　家庭网关的结构及功能为：

（1）采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和.uClinux操作系统；

（2）通过门锁进行自动设防/解防；

（3）遇抢劫或疾病，按紧急按钮，自动向管理中心报警；

（4）每家每户配有自己的网页，通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据；

（5）水、电、气各表数据发给牧业管理中心；

（6）通过以太网与小区管理中心通讯；

（7）通过网关上的无线ZigBee（IEEE802.15.4）模块与网络中各子节点进行通讯。

　　ZigBee无线通讯子节点的功能为：

（1）两路脉冲量数据采集，可采集水、电、气三表数据；

（2）两路安防传感器开关量数据采集，可进行设防/撤防报警、安防报警（红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等）；

（3）一路模拟量数据采集；

（4）一路模拟量数据输出；

（5）一路继电器触点输出；

（6）通过无线通讯IEEE802.15.4协议及家庭网关通讯。

　　3通讯协议

　　3.1ZigBee协议的帧结构

　　采用符号ZigBee标准的HeliLink模块的数据帧由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和五部分构成，格式如下（数据帧结构中的数据都是16进制数）:

　　“数据模式”占用一个字节。

“目标地址”表示数据帧结构要发送的目标位置（网络中的节点号），它占用一个字节。

“数据长度”表示数据帧结构中从“数据1”到“数据n”所占据的字节数，它也占据了一个字节。

“数据信息”表示用户要通过UART0传送的命令或者有效数据，占据的字节数由“数据长度”决定。

“校验和”是对帧结构中的全部数据（校验和字节除外）进行的校验，采用字节逐位异或的方式实现。

“校验和”也占据一个字节。

　　3．2无线网络通讯协议帧结构

　　家庭网关通讯协议帧结构是建立在ZigBee协议帧结构的基础上的，相当于底层协议中的数据场部分。

所以帧结构由节点号、功能编码、数据信息三部分组成，如下所示：

　　节点号字段数据长度为1字节，其中低四位为数据采集功能编号，高四位为子节点号，如下所示：

　　方向位：

　　根据主节点作为通讯发送者还是接收者，本系统功能可分为两大类：

上行和下行。

方向位即决定了这一点。

　　数据类型：

　　数据信息与功能编码关系十分密切，根据功能不同，数据场中数据的内容含义不同；根据数据长度不同，数据类型也不同。

　　功能类型：

　　每一个功能类型对应一种系统功能。

通过解析功能类型编码可得到系统功能，对于下行帧，子节点得到主节点通知其执行的命令和需要的数据；对于上行帧，主节点得到子节点返回的信息、数据和命令执行的情况。

数据信息存放数据，数据信息长度可根据功能编码中的数据类型而定

无线节点硬件设计

　　由于无线节点使用电池供电，且需要安装在三表或电器内部，要求电池体积很小，因此电池的容量不可能太大。

希望一颗钮扣电池可以有效工作一年以上。

无线通讯需要电池提供足够大的电流，耗电量较大，所以低功耗设计成为子节点设计的重点和难点。

 　　无线网络节点硬件组成，采用TI公司的16位单片机MSP430F1232作为处理器，采用符合ZigBee标准的Heililink无线网络收发模块建立无线通讯，采用RAMTRON公司的铁电存储器FM24LC16存储数据，开关量输出使用松下公司的磁保持继电器TQ2L2—3V，PWM输出放大器采用MAXIM公司的MAX4464。

使用锂离子钮扣电池供电，通过采用TI公司的电荷泵IPS60210将电压稳定至3.3V。

无线子节点通过查询八位拨码开关确定其功能，可以实现两路脉冲量的计数、两路开关量的输入、两路开关量的输出、一路模拟量的输入、一路模拟量的输出、电池电量采集无线通讯等功能。

　　4．1处理器

　　处理器采用TI公司的16位单片机MSP430F1232。

该单片机突出的特点是可以实现极低的功耗，具有五种省电工作模式，而每种工作模式可以通过对时钟的控制实现不同的功耗，其工作在LPM4模式下的功耗电流只有0.1μA,非常适合采用电池供电的系统。

片内FLASHROM用于存储应用程序、通讯协议；UART接口连接无线通信模块；10位A/D转换器实现电池电压检测、模拟量输入；内部16位定时计数器实现PWM输出，经低通滤波后，再由放大器放大，实现模拟量输出；I2C接口连接铁电存储器FRAM。

其余的通用输入输出端口分别实现数字量和脉冲量的输入、输出以及拨码开关状态的输入。

　　4．2铁电存储器

　　存储器采用RAMTRON公司的FM24CL16，它是一种串行非易失性存储器，其特点是可无限次地读写，掉电数据可保护10年；写数据无延时；使用二线制串行总线及其传输规范进行双向传输，这种方式占用脚位少，占用线路板空间小，总线速度可以达到1MHz，静态工作电流仅为1μA。

这些特点使其十分适合本设计对功耗低、体积小、数据读写频繁的要求。

　　4．3磁保持继电路

　　磁保持继电器采用松下公司的TQ2-L2—3V，通过MSP430F1232的输出管脚DO_S、DO_R控制开关管Q1、Q2的开关状态，实现继电器线圈电流的通断控制，从而控制继电器触点的动作。

如果采用传统继电器，需要一直提供电流来维持继电器状态，这样功耗很难降低。

磁保持继电器具有锁存功能，触点动作后无需继续提供电流，从而降低了功耗。

其开关两端可耐压直流220V，交流250V，满足了通断市电的要求。

　　4．4无线网络收发模块

　　该模块特点是体积小、内嵌网络通讯协议，符合ZigBee网络层的标准，为IEE