ZigBee智能家居系統介紹
來(lái)源:中國數字音視網(wǎng) 作者:Tarier 編輯:數字音視工程 2009-12-22 00:00:00 加入收藏 咨詢(xún)

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在智能家居系統中,將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于家庭網(wǎng)絡(luò )已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性,省去花在綜合布線(xiàn)上的費用和精力,而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡(luò )的通訊特點(diǎn)。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,必將大大促進(jìn)家庭網(wǎng)絡(luò )智能化的進(jìn)程。
本文介紹的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統采用ZigBee技術(shù),它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),符合IEEE802.15.4協(xié)議,是IEEE工作組專(zhuān)門(mén)為家庭短距離通訊制定的新標準。
1、ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介
ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)省電:兩節五號電池可使用長(cháng)達六個(gè)月到兩年左右的時(shí)間;(2)可靠;采用了碰撞避免機制;(3)成本低;(4)時(shí)延短;(5)網(wǎng)絡(luò )容量大;(6)安全:ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能,加密算法采用AES-128,各種應用可以靈活確定其安全屬性。
ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)完全符合家庭網(wǎng)絡(luò )通訊的需要,因此選擇ZigBee技術(shù)構建智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。
2、智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統
本系統以家庭為單位進(jìn)行設計安裝,每個(gè)家庭都安裝一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)、若干個(gè)無(wú)線(xiàn)通訊ZigBee子節能模塊。在家庭網(wǎng)關(guān)和每個(gè)子節點(diǎn)上都接有一個(gè)HeliLink無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊(符號ZigBee技術(shù)標準的產(chǎn)品),通過(guò)這些無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊,數據在網(wǎng)關(guān)和子節點(diǎn)之間進(jìn)行傳送。
下面介紹各部分的結構及功能。
家庭網(wǎng)關(guān)的結構及功能為:
(1)采用ARM構架的32位嵌入式RISC處理器和.uClinux操作系統;
(2)通過(guò)門(mén)鎖進(jìn)行自動(dòng)設防/解防;
(3)遇搶劫或疾病,按緊急按鈕,自動(dòng)向管理中心報警;
(4)每家每戶(hù)配有自己的網(wǎng)頁(yè),通過(guò)網(wǎng)頁(yè)顯示小區通知、系統各部分工作狀況及數據;
(5)水、電、氣各表數據發(fā)給牧業(yè)管理中心;
(6)通過(guò)以太網(wǎng)與小區管理中心通訊;
(7)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上的無(wú)線(xiàn)ZigBee(IEEE802.15.4)模塊與網(wǎng)絡(luò )中各子節點(diǎn)進(jìn)行通訊。
ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊子節點(diǎn)的功能為:
(1)兩路脈沖量數據采集,可采集水、電、氣三表數據;
(2)兩路安防傳感器開(kāi)關(guān)量數據采集,可進(jìn)行設防/撤防報警、安防報警(紅外幕簾、門(mén)磁、窗磁、玻璃破碎等);
(3)一路模擬量數據采集;
(4)一路模擬量數據輸出;
(5)一路繼電器觸點(diǎn)輸出;
(6)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊IEEE802.15.4協(xié)議及家庭網(wǎng)關(guān)通訊。
3、通訊協(xié)議
3.1 ZigBee協(xié)議的幀結構
采用符號ZigBee標準的HeliLink模塊的數據幀由數據模式、目標地址、數據長(cháng)度、數據信息與校驗和五部分構成,格式如下(數據幀結構中的數據都是16進(jìn)制數):
“數據模式”占用一個(gè)字節。“目標地址”表示數據幀結構要發(fā)送的目標位置(網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)號),它占用一個(gè)字節。“數據長(cháng)度”表示數據幀結構中從“數據1”到“數據n”所占據的字節數,它也占據了一個(gè)字節。“數據信息”表示用戶(hù)要通過(guò)UART0傳送的命令或者有效數據,占據的字節數由“數據長(cháng)度”決定。“校驗和”是對幀結構中的全部數據(校驗和字節除外)進(jìn)行的校驗,采用字節逐位異或的方式實(shí)現。“校驗和”也占據一個(gè)字節。
3.2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議幀結構
家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議幀結構是建立在ZigBee協(xié)議幀結構的基礎上的,相當于底層協(xié)議中的數據場(chǎng)部分。所以幀結構由節點(diǎn)號、功能編碼、數據信息三部分組成。
節點(diǎn)號字段數據長(cháng)度為1字節,其中低四位為數據采集功能編號,高四位為子節點(diǎn)號。
功能編碼分為三個(gè)部分:方向位、數據類(lèi)型和功能類(lèi)型。其格式為:
方向位:
根據主節點(diǎn)作為通訊發(fā)送者還是接收者,本系統功能可分為兩大類(lèi):上行和下行。方向位即決定了這一點(diǎn)。
數據類(lèi)型:
數據信息與功能編碼關(guān)系十分密切,根據功能不同,數據場(chǎng)中數據的內容含義不同;根據數據長(cháng)度不同,數據類(lèi)型也不同。
功能類(lèi)型:
每一個(gè)功能類(lèi)型對應一種系統功能。通過(guò)解析功能類(lèi)型編碼可得到系統功能,對于下行幀,子節點(diǎn)得到主節點(diǎn)通知其執行的命令和需要的數據;對于上行幀,主節點(diǎn)得到子節點(diǎn)返回的信息、數據和命令執行的情況。
數據信息存放數據,數據信息長(cháng)度可根據功能編碼中的數據類(lèi)型而定。
4、無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)硬件設計
由于無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)使用電池供電,且需要安裝在三表或電器內部,要求電池體積很小,因此電池的容量不可能太大。希望一顆鈕扣電池可以有效工作一年以上。無(wú)線(xiàn)通訊需要電池提供足夠大的電流,耗電量較大,所以低功耗設計成為子節點(diǎn)設計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件組成,采用TI公司的16位單片機MSP430F1232作為處理器,采用符合ZigBee標準的Heililink無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊建立無(wú)線(xiàn)通訊,采用RAMTRON公司的鐵電存儲器FM24LC16存儲數據,開(kāi)關(guān)量輸出使用松下公司的磁保持繼電器TQ2L2—3V,PWM輸出放大器采用MAXIM公司的MAX4464。使用鋰離子鈕扣電池供電,通過(guò)采用TI公司的電荷泵IPS60210將電壓穩定至3.3V。無(wú)線(xiàn)子節點(diǎn)通過(guò)查詢(xún)八位撥碼開(kāi)關(guān)確定其功能,可以實(shí)現兩路脈沖量的計數、兩路開(kāi)關(guān)量的輸入、兩路開(kāi)關(guān)量的輸出、一路模擬量的輸入、一路模擬量的輸出、電池電量采集無(wú)線(xiàn)通訊等功能。
4.1 處理器
處理器采用TI公司的16位單片機MSP430F1232。該單片機突出的特點(diǎn)是可以實(shí)現極低的功耗,具有五種省電工作模式,而每種工作模式可以通過(guò)對時(shí)鐘的控制實(shí)現不同的功耗,其工作在LPM4模式下的功耗電流只有0.1μA,非常適合采用電池供電的系統。片內FLASH ROM用于存儲應用程序、通訊協(xié)議;UART接口連接無(wú)線(xiàn)通信模塊;10位A/D轉換器實(shí)現電池電壓檢測、模擬量輸入;內部16位定時(shí)計數器實(shí)現PWM輸出,經(jīng)低通濾波后,再由放大器放大,實(shí)現模擬量輸出;I2C接口連接鐵電存儲器FRAM。其余的通用輸入輸出端口分別實(shí)現數字量和脈沖量的輸入、輸出以及撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)的輸入。
4.2 鐵電存儲器
存儲器采用RAMTRON公司的FM24CL16,它是一種串行非易失性存儲器,其特點(diǎn)是可無(wú)限次地讀寫(xiě),掉電數據可保護10年;寫(xiě)數據無(wú)延時(shí);使用二線(xiàn)制串行總線(xiàn)及其傳輸規范進(jìn)行雙向傳輸,這種方式占用腳位少,占用線(xiàn)路板空間小,總線(xiàn)速度可以達到1MHz,靜態(tài)工作電流僅為1μA。這些特點(diǎn)使其十分適合本設計對功耗低、體積小、數據讀寫(xiě)頻繁的要求。
4.3 磁保持繼電路
磁保持繼電器采用松下公司的TQ2-L2—3V,通過(guò)MSP430F1232的輸出管腳DO_S、DO_R控制開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的開(kāi)關(guān)狀態(tài),實(shí)現繼電器線(xiàn)圈電流的通斷控制,從而控制繼電器觸點(diǎn)的動(dòng)作。如果采用傳統繼電器,需要一直提供電流來(lái)維持繼電器狀態(tài),這樣功耗很難降低。磁保持繼電器具有鎖存功能,觸點(diǎn)動(dòng)作后無(wú)需繼續提供電流,從而降低了功耗。其開(kāi)關(guān)兩端可耐壓直流220V,交流250V,滿(mǎn)足了通斷市電的要求。
4.4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)模塊
該模塊特點(diǎn)是體積小、內嵌網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議,符合ZigBee網(wǎng)絡(luò )層的標準,為IEEE.802.15.4標準兼容產(chǎn)品,可實(shí)現高效率發(fā)射、高靈敏度接收,無(wú)線(xiàn)數據速率高達76.8kbit/s。通過(guò)串口與MSP430F1232進(jìn)行通訊,將獲得的數據無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去。
4.5 撥碼開(kāi)關(guān)
八位撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)決定該子節點(diǎn)的節點(diǎn)號和其實(shí)現的功能。
5、無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)軟件設計
鑒于節點(diǎn)使用的通用性要求,需要上電后根據撥碼開(kāi)關(guān)確定子節點(diǎn)號及其所要完成的功能。其主要功能包括水電氣三表的數據采集和存儲、報警信息的獲取、設防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送。根據撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)確定節點(diǎn)需要完成的其中一項或幾項工作,并調用相應的初始化程序。由于無(wú)線(xiàn)通訊模塊的功耗較大,CPU大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài),通過(guò)各級中斷喚醒CPU和恢復無(wú)線(xiàn)通訊模塊的正常工作。數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議。
系統上電后,先關(guān)閉看門(mén)狗定時(shí)器,開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入SNOOZE節功狀態(tài),同時(shí)關(guān)閉無(wú)線(xiàn)通訊模塊電源,進(jìn)行I2C接口的初始化,讀取撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài),并根據撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行單片機通用I/O口的初始化,以確定其作為脈沖量輸入端口還是開(kāi)關(guān)量輸入端口,或是撤防設防輸入端口。其中,若作為脈沖量輸入端口,則調用相應脈沖量初始化程序,設置其端口為上升沿觸發(fā);若作為開(kāi)關(guān)量輸入端口,則調用相應開(kāi)關(guān)量初始化程序,設置其端口為下降觸發(fā);若作為撤防設防輸入端口,則調用設防撤防初始化程序,當前端口狀態(tài)為設防狀態(tài)時(shí),進(jìn)行撤防初始化,設置其端口為上升沿觸發(fā)。當前端口狀態(tài)為撤防狀態(tài)時(shí),進(jìn)行設防初始化,設置其端口為下降沿觸發(fā)。
端口初始化結束之后,進(jìn)行串行通訊UART接口初始化,打開(kāi)UART接收中斷使能,使其能響應網(wǎng)關(guān)發(fā)送給子節點(diǎn)的命令。定時(shí)器連續工作在計數模式,打開(kāi)計數器溢出中斷使能。
單片機各部分初始化結束后,進(jìn)入LPM3休眠模式,只有ACLK始終保持工作,因此在串行通訊UART和定時(shí)器初始化中,將其工作時(shí)鐘定義為ACLK是十分重要的,否則進(jìn)入LPM3休眠模式后,串口和定時(shí)器將停止工作和相應中斷。進(jìn)入LPM3休眠模式后,系統的功耗最低。
系統可響應I/O中斷,當其作為脈沖量輸入端口時(shí),脈沖量上升沿觸發(fā)中斷,經(jīng)過(guò)去抖處理后,脈沖量計數增1,遇到進(jìn)位時(shí),調用函數處理進(jìn)位,最后將計數值寫(xiě)入FRAM,進(jìn)入LPM3休眠模式。當其作為開(kāi)關(guān)量輸入端口時(shí),開(kāi)關(guān)量下降沿觸發(fā)中斷,停止計數器計數,打開(kāi)電源,打開(kāi)串行通訊,重復發(fā)送報警信息,直到收到網(wǎng)關(guān)應答信息時(shí)才停止報警,恢復定時(shí)器計數,進(jìn)入LPM3休眠模式。
本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統,由于其具有低成本、低功耗、較遠的覆蓋范圍及通用性的特點(diǎn),將成為智能家居系統中的又一亮點(diǎn),必將給現代智能家居系統帶來(lái)一場(chǎng)新的變革。
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