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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateCC2530课程设计-广东海洋大学ZigBee技术在智能家居系统中的应用 课程设计CC2530智能家居系统的设计与实现所在专业通信工程所在班级通信1092学生姓名高耿辉指导教师冯青职称讲师时间2012年 12 月CC2530智能家居系统的设计与实现摘要：基于ZigBee协议栈构建了组网配置灵活且稳定的无线自组织网络系统，并在此基础上通过利用各种传感器和光耦合器等将其应
2、用于智能家居系统。采用温度传感器和光照度传感器采集信息监测环境，根据环境温度和光照强度信息，使用光耦合器智能控制空调电源和电灯等家电的开关，再反馈回芯片加点的工作状态，同时设计遥控节点和上位机可以随时控制开关。关键词：智能家居；ZigBee；CC2530；自组网；低功耗；节能一、设计说明 本设计利用CC2530是TI公司设计的第二代兼容ZigBee/IEEE802.15.4标准的载波频段是2.4G免申请许可的无线单芯片。具有业内领先的抗干扰性，链路预算，可以在较宽的电压范围内正常工作。此外，CC2530还有广泛的硬件支持，包括数据包侦听，数据缓冲，突发传输，数据加密，数据认证，信道清理评估，链
3、接质量指示，数据包时戳等。系统采用TI的无线SoC集成芯片CC2530，基于TI的ZigBee2007/Pro协议栈，即Z-Stack软件构架实现无线自组织网络。网络由ZigBee协调器节点、路由节点和终端节点组成。其中协调器初始化一个ZigBee无线网络，是整个网络的协调者，负责整个网络和与外界的联系，基于ZigBee协议栈构建了组网配置灵活且稳定的无线自组织网络系统，并在此基础上通过利用各种传感器和光耦合器等将其应用于智能家居系统。采用温度传感器和光照度传感器采集信息监测环境，根据环境温度和光照强度信息，使用光耦合器智能控制空调电源和电灯开关等家用电器，同时设计遥控节点和上位机可以随时控制
4、开关。我针对开发的智能家居控制系统是以建筑住宅为目标而设计的专业平台，将多向控制为核心，打造智能家居一体化以及服务管理多效合一的高效、安全、方便、节能为一体的智能家居控制系统，他以先进的通讯控制技术，组织成为以家居服务为前提，然后以家电自动化系统为服务功能的管理集成系统，充分体现方便的网络信息便利优势，以利于完成居住者舒适、方便的高效安全住宅。 二、 系统总体结构 智能家居系统可以划分为外部网、网关和内部网三个部分，而本文着重研究和设计智能家居系统的内部通信网络系统及其应用。系统采用TI的无线SoC集成芯片CC2530，基于TI的ZigBee2007/Pro协议栈，即Z-Stack软件构架实现
5、无线自组织网络。网络由ZigBee协调器节点、路由节点和终端节点组成。其中协调器初始化一个ZigBee无线网络，是整个网络的协调者，负责整个网络和与外界的联系。路由节点的主要功能是实现多跳路由。终端节点实现信息的采集和电灯或家电设备的节能与智能控制；遥控节点作为终端节点的一种，遥控控制电灯或家电的各种开关。PC通过串口与协调器相连以实现上位机控制。系统框图如图1所示。三、硬件设计硬件部分采用模块化设计的方法，分为CC2530核心板和扩展板。CC2530核心板设计为一可与不同扩展板结合的模块，包括CC2530芯片和其外围电路，此模块将CC2530的主要I/O口引出与扩展板结合。根据不同的功能，扩
6、展版分为协调器节点、路由节点和终端节点三种扩展板。1、CC2530芯片CC2530片内结构方框图CC2530 是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一个片上系统解决方案。其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530 芯片结合了RF 收发器，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他模块的强大的功能。如今CC2530 主要有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。其具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之
7、间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。2、CC2530引脚描述 引脚名称 引脚 引脚类型 描述 AVDD1 28电源（模拟）2-3.6V模拟电源连接，为模拟电路供电 AVDD227电源（模拟）2-3.6V模拟电源连接，为模拟电路供电 AVDD324电源（模拟）2-3.6V模拟电源连接 AVDD429电源（模拟）2-3.6V模拟电源连接 AVDD521电源（模拟）2-3.6V模拟电源连接 AVDD631电源（模拟）2-3.6V模拟电源连接 DCOUPL 40电源（数字）1.8数字电源去耦。不使用外部电路供应 DVDD1 39电源（数字）2-3.6V数字电源连接，为引脚供电 DVDD2 10电
8、源（数字）2-3.6V数字电源连接，为引脚供电 GND -接地 接地面 GND1，2，3，4未使用引脚连接到GND P2_3 33数字I/O端口2.3/32.768kHz XOSC P2_4 32数字I/O端口2.4/32.768kHz XOSC RBIAS 30模拟I/O参考电流的外部精密偏置电阻 RESET_N20数字输入复位，活动到低电平 RF_N 26RF I/ORX期间负RF输入信号到LNA RF_P 25RF I/ORX期间正RF输入信号到LNA XOSC_Q122模拟I/O32-MHz晶振引脚1或外部时钟输入 XOSC_Q223模拟I/O32-MHz晶振引脚2 P0，P1，P2P
9、0，P1全部P2_0P2_2 数字I/O 对应引脚号3、CC2530芯片内部结构CC2530需要极少的外部连接元件，同时有很多典型电路，其模块大致可以分为三类： 1、 CPU和内存相关模块 2、外设，时钟和电源管理相关模块 3、无线信号收发相关模块4、CPU和内存 CC2530使用的8051CPU是一个单周期的兼容内核，它有三种不同的访问总线。其中包括中断控制器，内存仲裁器，8KB SRAM，32/64/128/256KB闪存块。中断控制器：其为18 个中断源提供服务，它们中的每个中断都被赋予4 个中断优先级中的某一个。内存仲裁器：位于系统中心，它负责执行仲裁，即决定同时访问系统物理存储器时的
10、顺序，便于系统效率的提高。8 KB SRAM：为超低功耗的SRAM，使数字部分即使掉电也能保存其中内容，是芯片低功耗原因所在。闪存块：用于保存电脑传输进入的程序代码以及常量数据，节约了搜寻时间。5、CC2530外设1、 强大的5通道DMA2、IEEE802.15.4MAC定时器，通用定时器（一个16位定时器，一个8位定时器）3、IR发生电路（IR 中断）4、 具有捕获功能的32-kHz睡眠定时器5、 硬件支持CSMA/CA6、支持精确的数字化RSSI/LQI7、电池监视器和温度传感器8、8路输入，12位分辨率ADC9、AES安全协议10、2个支持多种串行通信协议的强大的USART11、21个通
11、用I/O引脚12、看门狗定时13、两个8位定时器：定时器3，4为8位定时器，有一个可编程为频器，一个8位的周期值，一个计数器通道。14、MAC定时器：专为MAC或其他协议而设的定时器，可以跟踪已过周期，同时可以记录收发某一的帧精确时间和传输结束时间，以便产生不同的选通命令到无线模块15、ADC：支持7到12位的分辨率，带宽范围为7-30kHz,在DC与音频转换时，能够使用8个输入通道。AES加密/解密内核：CC2530用128位的AES算法进行加密或解密数据，从而保证了ZigBee网络层和应用层的安全要求。16、USART0和USART1分别被配置为一个主从或一个UART，其功能是为RX和TX
12、提供双缓冲，以及硬件流控制。17、调试接口：用于内部电路调试，具有两线串形接口18、I/O控制器：负责所有的通用的I/O引脚CC2530芯片以及天线部分原理图如下；电源电路部分原理图如下；复位以及JTAG接口部分电路原理图如下；USB转串口部分电路原理图如下；单片机控制家用电器开关和家用电器反馈电路原理图如下；1、 协调器电路协调器节点由CC2530核心板和扩展板组成，框图如图2所示。 由于协调器必须一直保持激活状态，因此采用220V AC/DC稳压电源转换模块供电，并设计电源开关。串口电路部分用于连接上位机，由串口电平转换芯片完成。编程下载接口用于连接TI的CC DEBUGGER仿真下载器仿
13、真与下载程序。Led指示部分用于指示节点的工作状态。2、 路由节点电路 由于路由节点实现的功能协调器都能实现，所以路由节点的硬件电路与协调器的电路相同。3、 终端节点电路 终端节点根据不同的应用，设计不同的扩展板，主要模块框图如图3所示：图3 终端节点电路 终端节点主要分为用于采集信息和控制电灯或家电的采集控制节点和用于遥控控制的遥控节点。由于采集控制节点将与具体的电灯或家电设备相结合，因此电源部分同样采用220V AC/DC稳压电源转换模块供电；而遥控器节点考虑其常移动性和轻便性，采用电池供电。采集控制节点采用温度传感器DS18B20以实时监测环境温度；采用光敏传感器On9668以实时监控光
14、照强度；采用光耦合器与接插件相连，用于控制各种开关。遥控节点将CC2530的I/O口与外接矩阵键盘相连，以实现遥控功能。四、软件设计 软件部分分为基于TI的Z-Stack软件构架的ZigBee节点的程序设计和上位机软件设计。以下将分别介绍这两部分的软件设计。1、 基于ZigBee协议栈的软件设计 ZigBee节点的程序设计基于TI的ZigBee2007/Pro协议栈，编译器是IA R Syste m的集成开发环境IA R E m beddedWorkbench。ZigBee节点的软件设计是以Z-Stack软件构架为基础框架的，所以必须先介绍Z-Stack的运行。2、 Z-Stack软件构架的运
15、行Zig Bee节点的软件设计遵循包含轮转查询式操作系统osal的Z-Stack软件构架，其具体结构和流程如下所述：Z-Stack首先执行Zmain.c中的main函数，总体来说，main函数一共实现了两个功能：系统初始化，即启动代码来初始化硬件系统和软件架构需要的各个模块；开始执行操作系统实体。（1）系统初始化。系统初始化代码需要完成对硬件平台和软件架构所需要各个模块的初始化，为操作系统的运行做好准备工作，主要分为初始化系统时钟，检测芯片工作电压、初始化堆栈、初始化各个硬件模块、初始化FLASH存储、形成芯片MAC地址、初始化非易失量、初始化MAC层协议、初始化化应用帧层协议、初始化操作系统
16、等十余部分。1具体的初始化代码应根据硬件电路的不同而做相应的修改。（2）操作系统的执行。启动代码为操作系统的执行做好准备工作后，就开始执行操作系统入口程序，并由此彻底将控制权移交给操作系统。1操作系统实体只有一行代码：osal_start_system(); /没有返回此函数是osal系统轮转查询操作的主体部分，它所做的工作就是不断的查询每个任务中是否有事件发生，如果有事件发生，就调用相应的事件处理函数，如果没有任何事件发生就一直查询，这个函数是一个无限循环。3、 具体应用程序设计。 ZigBee协议栈的osal系统至少要处理6个任务，分别为MAC层任务、网络层任务、硬件抽象层任务应用支持子层
17、（APS）任务ZigBee设备对象（ZDO）层任务和应用层用户任务。其优先级依次由高至低。其中硬件抽象层任务中根据具体的硬件设计初始化板子硬件部分配置。应用层用户任务根据不同的应用添加相应的事件和事件处理函数。本设计的重点是实现组网灵活、稳定可靠的低功耗ZigBee无线自组织网络，并在应用层用户任务的用户事件事件添加具体事件，编写相应的事件处理函数。主要实现的功能有：（1）依据ZigBee协议栈，在z_stack架构下，组建了一个低功耗、自组织、可多跳和可靠健壮的树形无线网络，其周围环境发生变化的时候自动调整拓扑和路由，具有多跳路由，节点灵活，可以随意的在网络中添加或移除节点。（2）用温度传感
18、器DS18B20采集实时温度信息，并根据此信息控制空调的电源开关，实现节能控制；用开关型可见光照度传感器On9668检测光照度，当光照度低于一定值时电灯电源开启，否则电源关闭，实现电灯的节能控制。（3）遥控节点通过按键中断发送信息，发送的信息的具体数据是自定义的通信协议，根据此协议每个按键都对应控制不同节点上的不同光耦合器的通断。整个系统的主要实现流程如下：协调器系统初始化，建立ZigBee无线网络。路由器和终端节点系统初始化，加入协调器所建立的网络，并初始化相关传感器。当协调器建网成功，终端节点加入协调器所建立的ZigBee网络后，协调器将入网节点的地址存入地址表。终端节点用户事件中采集事件
19、触发，定时读取传感器信息并根据信息控制光耦合器的通断，从而控制开关，同时将信息发送至协调器。协调器收到数据信息，进行数据解析并通过串口发送至上位机。上位机收到串口数据，进行数据解析并在界面上显示。（4） 上位机界面软件设计上位机界面软件采用Visual Studio 2010集成开发环境设计，编程语言采用的是面向对象的C#。上位机界面主要实现的功能是显示终端节点采集的各种信息；提供在PC上对各种各种开关的控制；并设计串口调试窗口以便于调试PC和协调器节点的串口通信。五、实验与测试 针对本设计以一普通房间为实验环境，房间里的电灯和空调为实验对象，进行了一系列的实验和测试：用电灯控制节点替换原来的电灯开关、用控制节点控制空调的电源开关、遥控节点和PC上位机都可以直接控制电灯和空调的开关。六、 结语 本文介绍了一套基于ZigBee技术的网络系统的设计及其应用，基于ZigBee协议栈构建了组网配置灵活且稳定的无线自组织网络系统，并在此基础上利用各种传感器和光耦合器等将其应用于智能家居系统，实现了对家居系统的环境监测、遥控控制和集中管理。本系统性能优越、成本低、功耗低并且具有良好的扩展性，不但可以实现智能控制，而且还具有良好的节能效果。-