基于arm_cortex-a8與_android平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計論文</b></p><p>　　題 目 基于ARM Cortex-A8與</p><p>　　Android平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　專業(yè)名稱 電子科學與技術(shù) ___</p><p>　　學生姓名____

2、___ _ _ _____</p><p>　　指導教師___________ __________</p><p>　　畢業(yè)時間______ 2015年7月__ ____</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著物質(zhì)生活水平的逐步提高，科學技術(shù)

3、的不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居應(yīng)運而生。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時控制等多種功能和手段。</p><p>　　本文針對智能家居國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了基于市面上流行的高端處理器ARM CORTEX-A8內(nèi)核的OMAP3530和Android

4、平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)由Android用戶控制模塊、智能網(wǎng)關(guān)模塊以及zigbee節(jié)點控制模塊組成。本系統(tǒng)采用ARM搭建嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺、并帶有良好用戶操作界面，同時采用 zigbee技術(shù)組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠程與家居設(shè)備交互。系統(tǒng)硬件部分介紹了各個外設(shè)，軟件部分由智能網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計、Android 用戶控制程序設(shè)計以及zigbee節(jié)點控制程序設(shè)計三部分組成。經(jīng)試驗測試表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)能很好地滿足需求，能夠?qū)崿F(xiàn)對家居設(shè)備

5、的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制，對智能家居發(fā)展具有積極的影響。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能家居系統(tǒng)，Cortex-A8，ZigBee，Android </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the gradual improvement of living standards，an

6、d the development of science and technology， people's quality of life are increasingly high requirements. The rapid development of Internet of Things technology， intelligent home came into being. Smart home through h

7、ome networking technology to connect various devices together， provide appliance control， lighting control， curtain control， telephone remote control， indoor and outdoor remote control， anti-theft alarm， environmental mo

8、nitoring， HVA</p><p>　　This paper，aiming the current development of domestic smart home， proposed smart home system design based on the popularity of high-end processor core ARM CORTEX-A8 OMAP3530 and Androi

9、d platforms. The system consists of Android user control module， intelligent gateway module and zigbee node control module. The system uses the ARM embedded gateway platform to build， and with a good user interface， whil

10、e using zigbee technology to build a home wireless network， users can remotely interact with the</p><p>　　KEY WORDS：Smart Home System，Cortex-A8，ZigBee，Android</p><p><b>　　目 錄</b><

11、/p><p><b>　　第一章 緒論6</b></p><p>　　1.1選題背景及意義6</p><p>　　1.2智能家居研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2.1智能家居的起源6</p><p>　　1.2.2智能家居在國外的發(fā)展6</p><p>　　1.2

12、.3智能家居在國內(nèi)的發(fā)展6</p><p>　　1.3智能家居發(fā)展趨勢7</p><p>　　1.4論文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排8</p><p>　　第二章 相關(guān)基礎(chǔ)知識9</p><p>　　2.1 Android操作系統(tǒng)9</p><p>　　2.1.1Android的由來9</p>&

13、lt;p>　　2.1.2 Android的系統(tǒng)架構(gòu)[8]9</p><p>　　2.1.3系統(tǒng)移植主要工作[8]10</p><p>　　2.2 ZIGBEE技術(shù)11</p><p>　　2.2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)配置11</p><p>　　2.2.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)12</p><p>

14、　　2.2.3 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)12</p><p>　　2.3 ZStack協(xié)議棧介紹13</p><p>　　2.3.1 ZStack的安裝13</p><p>　　2.3.2 ZStack的結(jié)構(gòu)13</p><p>　　2.3.3 設(shè)備的選擇14</p><p>　　2.3.4 定位編譯選項14&

15、lt;/p><p>　　2.3.5 IAR 工程文件中的編譯選項14</p><p>　　2.3.6 ZStack 中的尋址15</p><p>　　2.3.7 ZStack 中的路由16</p><p>　　2.3.8 ZStack 中的串口通信設(shè)置16</p><p>　　2.3.9配置信道16</p&

16、gt;<p>　　2.4 CC2530芯片簡介18</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計20</p><p>　　3.1嵌入式終端設(shè)備20</p><p>　　3.2 Cortex處理器21</p><p>　　3.2.1 Cortex系列21</p><p>　　3.2.2 ARM Cor

17、tex-A821</p><p>　　3.3 傳感器節(jié)點23</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計25</p><p>　　4.1系統(tǒng)總體框架設(shè)計25</p><p>　　4.2 智能網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計[15-16]25</p><p>　　4.3 Android 用戶控制程序設(shè)計26</p>

18、<p>　　4.3.1 Android 用戶控制程序框架[17]26</p><p>　　4.3.2 Android 用戶控制程序編譯與安裝[18-19]29</p><p>　　4.4 Zigbee 節(jié)點控制程序設(shè)計32</p><p>　　4.5平臺控制操作33</p><p>　　4.5.1啟動程序33</p&

19、gt;<p>　　4.5.2 搜索網(wǎng)絡(luò)34</p><p>　　4.5.3 傳感器節(jié)點操作34</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望36</p><p><b>　　5.1 總結(jié)36</b></p><p><b>　　5.2展望36</b></p><

20、p><b>　　參考文獻37</b></p><p><b>　　致 謝38</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計小結(jié)39</b></p><p><b>　　附 錄40</b></p><p><b>　　第一章 緒論&l

21、t;/b></p><p>　　1.1選題背景及意義</p><p>　　隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量有了更高的要求。人們希望有一個高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。實現(xiàn)對家居設(shè)備的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制，已經(jīng)成為家居環(huán)境未來的發(fā)展方向，智能家居應(yīng)運而生。</p><p>　　智能家居是在物聯(lián)網(wǎng)的影響之下物聯(lián)化的體現(xiàn)。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

22、將家中的各種設(shè)備（如音頻設(shè)備、照明設(shè)備、窗簾設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電以及三表抄送等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時控制等多種功能和手段[1-2]。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，兼并建筑、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，提供全方位的信

23、息交互功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。</p><p>　　1.2智能家居研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1智能家居的起源</p><p>　　智能家居概念的起源比較早，1984年美國聯(lián)合科技公司（United Techno1ogies Building Syst

24、em）將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的City Place Building時，第一棟“智能型建筑”出現(xiàn)了，從此揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕。</p><p>　　1.2.2智能家居在國外的發(fā)展</p><p>　　智能家居在國外的發(fā)展一直處于領(lǐng)先地位，先后在美國、韓國、新加坡、日本、歐洲等國家和地區(qū)都有廣泛的應(yīng)用

25、。如微軟公司開發(fā)的“夢幻之家”、IBM開發(fā)的“家庭主任"、Motorola開發(fā)的“居所之門”，韓國三星公司推出的“Smart Home”軟件控制平臺，新加坡推出的“智慧國2015”規(guī)劃，日本的“i-Japan”戰(zhàn)略。據(jù)統(tǒng)計，在2000年，國際智能家居市場銷售總額達到24億美元。2004年已經(jīng)達到200億美元[3-4]。顯然，智能家居在國外巳經(jīng)發(fā)展為一個非常普及的行業(yè)。</p><p>　　1.2.3智能

26、家居在國內(nèi)的發(fā)展</p><p>　　智能家居在國內(nèi)的起步較晚，現(xiàn)階段還是一個新興行業(yè)，但發(fā)展迅猛。我國的智能小區(qū)在20世紀90年代末逐漸興起，最早出現(xiàn)于東南沿海城市，如上海、廣州和深圳等地，其它二三線城市也在逐步建立。在2001年深圳高交會上，海爾、海信、科龍、清華同方等一些國內(nèi)企業(yè)推出智能家居概念產(chǎn)品。在2014美國國際電子消費展(CES)上，國內(nèi)家電巨頭紛紛推出自家新品，四川長虹、青島海爾、創(chuàng)維、TCL等廠

27、商的產(chǎn)品均在向智能家居緊貼。四川長虹展出了基于家庭互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的智能電視、智能空調(diào)、智能冰箱，以及手機、小家電、廚衛(wèi)等產(chǎn)品，實現(xiàn)智能化互聯(lián)互通互控，形成一個整體家庭互聯(lián)網(wǎng)生活解決方案[5]。海爾在CES展上亦推出成套智能家庭系統(tǒng)，其可通過紅外線連接各種傳統(tǒng)電器的Smart Center，用戶可根據(jù)自己實際需要DIY智能家居系統(tǒng)[6]。</p><p>　　智能家居在發(fā)展過程中還存在不少問題，主要包括有線和無線的選擇

28、、操作系統(tǒng)選擇方面、功耗方面。首先，傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)多需要各種綜合布線，不但成本高，還影響美觀，且可維護性差。其次，傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)在用戶體驗上很差，有些用戶操作都是各廠家自己定義的QT界面，用戶不熟悉，有些模式啟動還得一個一個的設(shè)定，沒有實現(xiàn)一鍵式的方便用戶的操作，尤其對于老人和小孩不容易馬上學會操作。最后，現(xiàn)代社會都是提倡節(jié)能環(huán)保，智能家居方面，還需重點考慮如何使得該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保的問題。</p><p>

29、　　智能家居系統(tǒng)是為了讓人們獲得一個高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，也奠定了智能家居系統(tǒng)在實際生活中的應(yīng)用優(yōu)勢，使其成為一個有潛力、有意義的研究領(lǐng)域。</p><p>　　1.3智能家居發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居也將具有蓬勃的生機，未來的智能家居產(chǎn)品將有以下發(fā)展：</p><p><b>　?。?）無線通信<

30、/b></p><p>　　無線技術(shù)的應(yīng)用，將有效克服傳統(tǒng)智能家居復(fù)雜的布線難題，減少成本，縮短制造時間，便于對智能家居系統(tǒng)的升級。未來的智能家居系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用無線通信技術(shù)。</p><p>　?。?）協(xié)議標準化、接口模塊化</p><p>　　標準的協(xié)議以及接口模塊化將有利于各個企業(yè)之間的技術(shù)交流，又能提高各種產(chǎn)品的兼容性。</p><p

31、><b>　?。?）智能微型化</b></p><p>　　更加微型化、智能化也將是智能家居系統(tǒng)的發(fā)展方向。便攜式的系統(tǒng)以及更加智能使得系統(tǒng)便于控制，將給用戶帶來更加方便快捷的體驗。</p><p>　　（4）云計算、云服務(wù)</p><p>　　智能家居系統(tǒng)將更多地運用云計算、云服務(wù)等技術(shù)。云計算提供了最可靠、最安全的數(shù)據(jù)存儲中心，用戶數(shù)

32、據(jù)將更加安全，不用再擔心數(shù)據(jù)丟失、病毒入侵等麻煩。而且它對用戶端的設(shè)備要求最低，使用起來很方便。</p><p><b>　?。?）低碳環(huán)保化</b></p><p>　　隨著可持續(xù)發(fā)展、低碳、環(huán)保等觀念的深入人心，智能家居系統(tǒng)也將更多考慮低能量、低功耗的因素，設(shè)計資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的智能家居系統(tǒng)將是未來的發(fā)展方向。</p><p>　　1

33、.4論文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排</p><p>　　本文針對智能家居國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了基于市面上流行的高端處理器ARM CORTEX-A8內(nèi)核的OMAP3530和Android平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)由Android用戶控制模塊、智能網(wǎng)關(guān)模塊以及zigbee節(jié)點控制模塊組成。本系統(tǒng)采用ARM搭建嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺、并帶有良好用戶操作界面，同時采用 zigbee技術(shù)組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)，用戶可以遠程與家居設(shè)備交

34、互。</p><p><b>　　本文研究內(nèi)容如下：</b></p><p>　　第一章：緒論。概述智能家居的發(fā)展，揭示本課題的研究意義，了解智能家居在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢。</p><p>　　第二章：相關(guān)基礎(chǔ)知識。詳細介紹Android、zigbee及ZStack協(xié)議棧等知識，對CC2530芯片做詳盡介紹。</p>

35、<p>　　第三章：系統(tǒng)硬件設(shè)計。介紹系統(tǒng)的硬件組成，Cortex-A8處理器的特點以及傳感器節(jié)點。</p><p>　　第四章：系統(tǒng)軟件設(shè)計。詳細介紹系統(tǒng)軟件部分，對智能網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計、Android 用戶控制程序設(shè)計以及Zigbee節(jié)點控制程序設(shè)計三部分的原理，程序等做詳細介紹。</p><p><b>　　第五章：總結(jié)與展望</b></p>

36、;<p>　　第二章 相關(guān)基礎(chǔ)知識</p><p>　　2.1 Android操作系統(tǒng)</p><p>　　2.1.1Android的由來</p><p>　　Android是基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，是Google公司在2007年11月5日公布的手機操作系統(tǒng)。早期由原名為"Android"的公司開發(fā)，谷歌在2005年收購&q

37、uot;Android.Inc"后，繼續(xù)進行對Android系統(tǒng)開發(fā)運營，它采用了軟件堆層（software stack，又名軟件疊層）的架構(gòu)，主要分為三部分。底層Linux內(nèi)核只提供基本功能，其他的應(yīng)用軟件則由各公司自行開發(fā)，部分程序以Java編寫。2011年初數(shù)據(jù)顯示，僅正式上市兩年的操作系統(tǒng)Android已經(jīng)超越稱霸十年的塞班系統(tǒng)，使之躍居全球最受歡迎的智能手機平臺?，F(xiàn)在，Android系統(tǒng)不但應(yīng)用于智能手機，也在平板電

38、腦市場急速擴張。采用Android系統(tǒng)主要廠商包括臺灣的HTC，(第一臺谷歌的手機G1由HTC生產(chǎn)代工）美國摩托羅拉、SE等，另外還有中國大陸廠商如：華為、中興、聯(lián)想等 [7] 。</p><p>　　2.1.2 Android的系統(tǒng)架構(gòu)</p><p><b>　　應(yīng)用程序</b></p><p>　　Android以Java為編程語言，從接

39、口到功能，都有層出不窮的變化，其中Activity等同于J2ME的MID let，一個Activity 類（class）負責創(chuàng)建視窗（window），一個活動中的Activity就是在 foreground（前景）模式，背景運行的程序叫做Service。兩者之間通過由Service Connection和AIDL連結(jié)，達到復(fù)數(shù)程序同時運行的效果。如果運行中的Activity 全部畫面被其他Activity 取代時，該 Activity

40、便被停止（stopped），甚至被系統(tǒng)清除（kill）。View等同于J2ME的Displayable，程序人員可以通過View 類與“XML layout”將UI放置在視窗上，Android 1.5的版本可以利用View 打造出所謂的 Widgets，其實Widget只是View的一種，所以可以使用XML來設(shè)計layout，HTC的Android Hero手機即含有大量的widget。至于View Group是各種layout 的基礎(chǔ)

41、抽象類（abstract class），View Group之內(nèi)還可以有View</p><p><b>　?。?）中介軟件</b></p><p>　　操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序的溝通橋梁，應(yīng)用分為兩層：函數(shù)層（Library）和虛擬機（Virtual Machine）。Bionic是Android改良libc的版本。Android 同時包含了Webkit，所謂的Webki

42、t 就是Apple Safari 瀏覽器背后的引擎。Surface flinger 是就2D或3D的內(nèi)容顯示到屏幕上。Android使用工具鏈(Toolchain)為Google自制的Bionic Libc。 </p><p>　　Android采用Open CORE作為基礎(chǔ)多媒體框架。OpenCORE可分7大塊：PVPlayer、PVAuthor、Codec、PacketVideo Multimedia Fra

43、mework(PVMF)、Operating System Compatibility Library(OSCL)、Common、OpenMAX。 </p><p>　　Android使用skia為核心圖形引擎，搭配OpenGL/ES。skia與Linux Cairo功能相當，但相較于Linux Cairo，skia功能還只是雛形的。2005年Skia公司被Google收購，2007年初，Skia GL源碼被公開

44、，目前Skia也是Google Chrome 的圖形引擎。 </p><p>　　Android的多媒體數(shù)據(jù)庫采用SQLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫又分為共用數(shù)據(jù)庫及私用數(shù)據(jù)庫。用戶可通過ContentResolver類（Column）取得共用數(shù)據(jù)庫。 </p><p>　　Android的中間層多以Java實現(xiàn)，并且采用特殊的Dalvik虛擬機（Dalvik Virtual Machine）

45、。Dalvik虛擬機是一種“暫存器型態(tài)”（Register Based）的Java虛擬機，變量皆存放于暫存器中，虛擬機的指令相對減少。Dalvik虛擬機可以有多個實例（instance）， 每個Android應(yīng)用程序都用一個自屬的Dalvik虛擬機來運行，讓系統(tǒng)在運行程序時可達到優(yōu)化。Dalvik虛擬機并非運行Java字節(jié)碼（Bytecode），而是運行一種稱為.dex格式的文件。 </p><p><b&

46、gt;　?。?）硬件抽像層 </b></p><p>　　Android 的HAL（硬件抽像層）是能以封閉源碼形式提供硬件驅(qū)動模塊。HAL 的目的是為了把Android framework與Linux kernel隔開，讓Android不至過度依賴Linux kernel，以達成kernel independent的概念，也讓Android framework 的開發(fā)能在不考量驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的前提下進行

47、發(fā)展。 </p><p>　　HAL stub是一種代理人（proxy）的概念，stub是以*.so檔的形式存在。Stub 向 HAL“提供”操作函數(shù)（operations），并由Android runtime向 HAL 取得 stub 的operations，再callback這些操作函數(shù)。HAL里包含了許多的stub（代理人）。Runtime只要說明“類型”，即module ID，就可以取得操作函數(shù)。 <

48、;/p><p>　　2.1.3系統(tǒng)移植主要工作</p><p>　　Android系統(tǒng)的移植工作的目的是為了在特定的硬件上運行Android系統(tǒng)。在移植的過程中，把握關(guān)鍵要點，減少工作量是一個重要的方面。從工作的角度，通常的方法為，首先要熟悉硬件抽象層的接口，其次要集成和復(fù)用已有的驅(qū)動程序，主要的工作量在硬件抽象層的實現(xiàn)中。為了更好地理解和調(diào)試系統(tǒng)，也應(yīng)該適當?shù)亓私馍蠈訉τ布橄髮拥恼{(diào)用情況。

49、 </p><p>　　圖2.1：Android系統(tǒng)架構(gòu)</p><p>　　移植方面主要的工作有兩個部分： </p><p><b>　　Linux驅(qū)動 </b></p><p>　　Android系統(tǒng)硬件抽象層</p><p>　　Linux中的驅(qū)動工作在內(nèi)核空間，Android系統(tǒng)硬件抽象層

50、工作在用戶空間，有了這兩個部分的結(jié)合，就可以讓龐大的Android系統(tǒng)運行在特定的硬件平臺上。 </p><p>　　2.2 ZIGBEE技術(shù)</p><p>　　2.2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)配置 </p><p>　　低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無線設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）。其中，F(xiàn)FD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通

51、信，RFD之間是無法通信的。RFD的應(yīng)用相對簡單，例如在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們只負責將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護等功能。RFD占用資源少，需要的存儲容量也小，成本比較低。</p><p>　　在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一個FFD充當整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，即PAN協(xié)調(diào)器，ZigBee中也稱作ZigBee協(xié)調(diào)器。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個PAN協(xié)調(diào)器。通常，PAN協(xié)調(diào)器是一

52、個特殊的FFD，它具有較強大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，它負責建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外，普通FFD也可以在它的個人操作空間（POS）中充當協(xié)調(diào)器（路由），但它仍然受PAN協(xié)調(diào)點的控制。ZigBee中每個協(xié)調(diào)點最多可連接255個節(jié)點，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個節(jié)點。</p><p>　　2.2.2Z

53、igBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有三種，星型網(wǎng)、網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)和混合網(wǎng)。</p><p><b>　?。?） 星型網(wǎng)</b></p><p>　　星型網(wǎng)是由一個PAN協(xié)調(diào)點和一個或多個終端節(jié)點組成的。PAN協(xié)調(diào)點必須是FFD，它負責發(fā)起建立和管理整個網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點（終端節(jié)點）一般為RFD，分布在

54、PAN協(xié)調(diào)點的覆蓋范圍內(nèi)，直接與PAN協(xié)調(diào)進行通信。星型網(wǎng)通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。</p><p><b>　　（2）Mesh網(wǎng)</b></p><p>　　Mesh網(wǎng)一般是由若干個FFD連接在一起形成，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點通信。Mesh網(wǎng)中，一般將發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)的FFD節(jié)點作為PAN協(xié)調(diào)點。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性

55、網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇。Mesh網(wǎng)可以通過FFD擴展網(wǎng)絡(luò)，組成Mesh網(wǎng)與星型網(wǎng)構(gòu)成的混合網(wǎng)。</p><p><b>　?。?）混合網(wǎng) </b></p><p>　　混合網(wǎng)中，終端節(jié)點采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)點，再通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點上傳到上一層網(wǎng)絡(luò)的PAN協(xié)調(diào)點?；旌暇W(wǎng)都適

56、用于范圍較大的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　2.2.3 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)</p><p>　　ZigBee中，只有PAN協(xié)調(diào)點可以建立一個新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當ZigBee PAN協(xié)調(diào)點希望建立一個新網(wǎng)絡(luò)時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡(luò)中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡(luò)。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調(diào)點會為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個PAN標識符（PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡(luò)的，因此所選的PAN標識

57、符必須在信道中是唯一的）。一旦選定了PAN標識符，就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò)，此后，如果另一個ZigBee協(xié)調(diào)點掃描該信道，這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點就會響應(yīng)并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協(xié)調(diào)點還會為自己選擇一個16bit網(wǎng)絡(luò)地址。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都有一個64bit IEEE擴展地址和一個16bit網(wǎng)絡(luò)地址，其中，16bit的網(wǎng)絡(luò)地址在整個網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。</p><p&g

58、t;　　ZigBee協(xié)調(diào)點選定了網(wǎng)絡(luò)地址后，就開始接受新的節(jié)點加入其網(wǎng)絡(luò)。當一個節(jié)點希望加入該網(wǎng)絡(luò)時，它首先會通過信道掃描來搜索它周圍存在的網(wǎng)絡(luò)，如果找到了一個網(wǎng)絡(luò)，它就會進行關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)，只有具備路由功能的節(jié)點可以允許別的節(jié)點通過它關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡(luò)，它可以進行孤立通知過程重新加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個具備路由器功能的節(jié)點都維護一個路由表和一個路由發(fā)現(xiàn)表，它可以參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由

59、維護，以及關(guān)聯(lián)其它節(jié)點來擴展網(wǎng)絡(luò)[8-11]。</p><p>　　2.3 ZStack協(xié)議棧介紹</p><p>　　2.3.1 ZStack 的安裝</p><p>　　Z-Stack 協(xié)議棧由TI 公司出品，符合最新的Zigbee2007 規(guī)范。它支持多平臺，其中就包括CC2530芯片，ZStack 的安裝包為ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0

60、.exe，雙擊之后直接安裝，安裝完后生成C:\Texas Instruments\ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0 文件夾，文件夾內(nèi)包括協(xié)議棧中各層部分源程序，Documents 文件夾內(nèi)包含一些與協(xié)議棧相關(guān)的幫助和學習文檔，Projects 包含與工程相關(guān)的庫文件、配置文件等，其中基于ZStack的工程應(yīng)放在 Texas Instruments\ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0\Projects\z

61、stack\Samples 文件夾下。</p><p>　　2.3.2 ZStack 的結(jié)構(gòu)</p><p>　　ZStack 的層次結(jié)構(gòu)如下圖2.2所示</p><p>　　圖2.2 ZStack 層次結(jié)構(gòu)</p><p>　　從層次的名字就能知道代表的含義，比如NWK層就是網(wǎng)絡(luò)層。一般應(yīng)用中較多關(guān)注的 是HAL層（硬件抽象層）和App 層

62、（用戶應(yīng)用），前者要針對具體的硬件進行修改，后者 要添加具體的應(yīng)用程序。而OSAL 層是ZStack 特有的系統(tǒng)層，相當于一個簡單的操作系統(tǒng)， 便于對各層次任務(wù)的管理，理解它的工作原理對開發(fā)是很重要的，下面對各層進行簡要介紹APP （Application Programming）：應(yīng)用層目錄，這是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域，在這個目錄中包含了應(yīng)用層的內(nèi)容和這個項目的主要內(nèi)容，在協(xié)議棧里面一般是以操作系統(tǒng)的 任務(wù)實現(xiàn)的。</p&g

63、t;<p>　　HAL（Hardware (H/W) Abstraction Layer）：硬件層目錄，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動及操作函數(shù)。</p><p>　　MAC：MAC 層目錄，包含了MAC層的參數(shù)配置文件及其MAC的LIB庫的函數(shù)接口文件。</p><p>　　MT（Monitor Test）：實現(xiàn)通過串口可控各層，與各層進行直接交互。</p>&

64、lt;p>　　NWK（ZigBee Network Layer）：網(wǎng)絡(luò)層目錄，含網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及網(wǎng)絡(luò)層庫的函數(shù)接口文件。</p><p>　　OSAL（Operating System (OS) Abstraction Layer）：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。</p><p>　　Profile：AF（Application work）層目錄，包含AF層處理函數(shù)文件。</p>

65、<p>　　Security：安全層目錄，安全層處理函數(shù)，比如加密函數(shù)等。</p><p>　　Services：地址處理函數(shù)目錄，包括著地址模式的定義及地址處理函數(shù)。</p><p>　　Tools：工程配置目錄，包括空間劃分及ZStack 相關(guān)配置信息。</p><p>　　ZDO（ZigBee Device Objects）：ZDO 目錄。<

66、;/p><p>　　ZMac：MAC 層目錄，包括MAC層參數(shù)配置及MAC層LIB 庫函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)。</p><p>　　ZMain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件。</p><p>　　Output：輸出文件目錄，這EW8051 IDE自動生成的。</p><p>　　2.3.3 設(shè)備的選擇</p><p>

67、　　雙擊一個工程的work space可以打開一個工程，打開工程后，從work space 下面的下拉列表中選擇設(shè)備類型，可以選擇設(shè)備類型為協(xié)調(diào)器，路由器或終端節(jié)點。當選擇設(shè)備類型為協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點時，編譯連接命令文件應(yīng)選擇 TexasInstruments\ZStack-1.4.3-1.2.1 \Projects\zstack\Tools\CC2430DB 目錄下的f8w2430.xcl文件，若選擇設(shè)備類型為終端節(jié)點，編譯連接命 令文

68、件應(yīng)選擇f8w2430pm.xcl文件。</p><p>　　2.3.4 定位編譯選項</p><p>　　對于一個特定的工程，編譯選項存在于兩個地方，一些很少需要改動的編譯選項存在于連接控制文件中，每一種設(shè)備類型對應(yīng)一種連接控制文件，當選擇了相應(yīng)的設(shè)備類型后，會自動選擇相應(yīng)的配置文件，如選擇了設(shè)備類型為協(xié)調(diào)器，則工程會自動選擇f8wCoord.cfg配置文件，選擇了設(shè)備類型為路由器后f8

69、wRouter.cfg配置文件被自動選擇，選擇了設(shè)備類型為終端節(jié)點后f8wEndev.cfg配置文件被自動選擇。通常情況下，這些文件很少需要改動。用戶定義的選項和一些用來使能/禁用某些功能的選項存在于IAR 的工程文件中。</p><p>　　2.3.5 IAR 工程文件中的編譯選項</p><p>　　在IAR 工程中選擇Project/Options/C/C++ Complier中的P

70、rocessor 標簽，如下圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 IAR 編譯選項</p><p>　　若想在這個配置中增加一個編譯選項，只需將相應(yīng)的編譯選項添加到列表框中，若禁用一個編譯選項，只需在相應(yīng)編譯選項的前面增加一個x。很多編譯選項都作為開關(guān)量使用，來選擇源程序中的特定程序段，也可定義數(shù)字量，也可添加DEFAULT_CHANLIST，即相應(yīng)數(shù)值來覆蓋默認設(shè)置（DEFAUL

71、T_CHANLIST在 Tools目錄下的f8wConfig.cfg 文件中配置，默認選擇信道11。ZStack協(xié)議棧支持大量的編譯選項。</p><p>　　2.3.6 ZStack 中的尋址</p><p>　　ZStack中定義了兩種地址，64 位的擴展地址（IEEE 地址）和16 位網(wǎng)絡(luò)短地址。擴展地址是全球唯一的，就像網(wǎng)卡地址，可由廠家設(shè)置或者用戶寫進芯片。網(wǎng)絡(luò)短地址是加入Zig

72、bee網(wǎng)時，由協(xié)調(diào)器分配，在特定的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，但是不一定每次都是一樣，只是和其他同網(wǎng)設(shè)備相區(qū)別。ZStack符合ZigBee 的分布式尋址方案來分配網(wǎng)絡(luò)地址。這個方案保證在整個網(wǎng)絡(luò)中所有分配的地址是唯一的。這一點是必須的，因為這樣才能保證一個特定的數(shù)據(jù)包能夠發(fā)給它指定的設(shè)備，而不出現(xiàn)混亂。同時，這個尋址算法本身的分布特性可保證設(shè)備只能與他的父輩設(shè)備通訊，并接受一個網(wǎng)絡(luò)地址，不需要整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)通訊的地址分配。這有助于由三個參數(shù)MAX

73、_DEPTH、MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN決定網(wǎng)絡(luò)的地址分配，這也是profile的一部分。MAX_DEPTH代表網(wǎng)絡(luò)最大深度，協(xié)調(diào)器為0 級深度，它決定了物理上網(wǎng)絡(luò)的―長度；MAX_CHILDREN決定了一個協(xié)調(diào)器或路由器能擁有幾個子節(jié)點；MAX_ROUTERS決定了一個協(xié)調(diào)器或路由器能擁有幾個路由功能的節(jié)點，它是MAX_CHILDREN的子集。雖然不同的pr</p><p>　　2.3.7

74、 ZStack 中的路由</p><p>　　路由對應(yīng)用層是透明的，應(yīng)用層只需要知道地址而不在乎路由的過程。Z-Stack 的路由實現(xiàn)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的自愈機制，一條路由損壞了，可以自動尋找新的路由。</p><p>　　無線自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad-hoc）中有很多著名的路由技術(shù)，其中AODV是很常用的一種，AODV是按需路由協(xié)議。Z-Stack簡化了AODV，使之適應(yīng)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，

75、能在有移動節(jié)點、鏈路失效和丟包的環(huán)境下工作。當路由器從應(yīng)用層或其他設(shè)備收到單播的包時，網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)下列步驟轉(zhuǎn)發(fā)：如果目的地是自己的鄰居，就直接傳送過去。否則，該路由器檢查路由表尋找目的地，如果找到了就發(fā)給下一跳，沒找到就開始啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，確定了路由之后才發(fā)過去。路由發(fā)現(xiàn)基本按照AODV的算法進行，請求地址的源設(shè)備向鄰居廣播路由請求包（RREQ），收到RREQ的節(jié)點更新鏈路花費域，繼續(xù)廣播路由請求。這樣，直到目的節(jié)點收到RREQ，此時的

76、鏈路花費域可能有幾個值，對應(yīng)不同的路由，選擇一條最好的作為路由路徑，然后目的設(shè)備發(fā)送路由應(yīng)答包（RREP ），反向到源設(shè)備，路徑上其他設(shè)備由此更新自己的路由表。這樣一條新的路由就建成了。</p><p>　　2.3.8 ZStack 中的串口通信設(shè)置</p><p>　　串口通信的目的是協(xié)調(diào)器把整個網(wǎng)絡(luò)的信息發(fā)給上位機進行可視化和數(shù)據(jù)存儲等處理。同時在開發(fā)階段非常需要有串口功能的支持，以了

77、解調(diào)試信息。Z-Stack已經(jīng)把串口部分的配置簡單化了，設(shè)置的位置是mt_uart.c的MT_UartInit ()函數(shù)。配置方法是給uartConfig這一結(jié)構(gòu)體賦值，它包括了波特率、緩沖區(qū)大小，回調(diào)函數(shù)等參數(shù)。需要注意的有幾個參數(shù)：</p><p>　　波 特 率：賦值為宏MT_UART_DEFAULT_BAUDRATE，進一步跟蹤查詢可知就是38400 Baud；這決定了和上位機通信的速率。</p&g

78、t;<p>　　流 控：默認是打開的，本項目沒有使用，改為關(guān)閉。</p><p>　　回調(diào)函數(shù)：在主動控制模塊中會用到。</p><p><b>　　2.3.9配置信道</b></p><p>　　每一個設(shè)備都必須有一個DEFAULT_CHANLIST來控制信道集合。對于一個ZigBee 協(xié)調(diào)起來說，這個表格用來掃描噪音最小

79、的信道。對于終端節(jié)點和路由器節(jié)點來說，這個列表用來掃描并加入一個存在的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　?。?）配置PAN ID 和要加入的網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　這個可選配置項用來控制ZigBee路由器和終端節(jié)點要加入那個網(wǎng)絡(luò)。文件f8wConfg.cfg 中的ZDO_CONFIG_PAN_ID參數(shù)可以設(shè)置為一個0~0x3FFF 之間的一個值。協(xié)調(diào)器使用這個值，作為它要啟動的網(wǎng)絡(luò)的PANID。

80、而對于路由器節(jié)點和終端節(jié)點來說只要加入一個已經(jīng)用這個參數(shù)配置了PAN ID的網(wǎng)絡(luò)。如果要關(guān)閉這個功能，只要將這個參數(shù)設(shè)置為0xFFFF 。要更進一步控制加入過程， 需要修改ZDApp.c 文件中的ZDO_NetworkDiscovery ConfirmCB函數(shù)。</p><p>　?。?）最大有效載荷大小</p><p>　　對于一個應(yīng)用程序最大有效載荷的大小基于幾個因素。MAC層提供了一

81、個有效載荷長度常數(shù)102。NWK層需要一個固定頭大小，一個有安全的大小和一個沒有安全的大小。APS層必須有一個可變的基于變量設(shè)置的頭大小，包括ZigBee協(xié)議版本，KVP的使用和APS幀控制設(shè)置等等。最后，用戶不必根據(jù)前面的要素來計算最大有效載荷大小。AF模塊提供一個API，允許用戶查詢棧的最大有效載荷或者最大傳送單元(MTU) 。用戶調(diào)用函數(shù)afDataReqMTU，該函數(shù)將返回MTU 或者最大有效載荷大小。</p>&

82、lt;p>　　typedef struct</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uint8 kvp;</p><p>　　APSDE_DataReqMTU_t aps;</p><p>　　}afDataReqMTU_t;</p><p>　　uint8 afData

83、ReqMTU( afDataReqMTU_t* fields )</p><p>　　通常afDataReqMTU_t結(jié)構(gòu)只需要設(shè)置KVP的值，這個值表明KVP是否被使用。</p><p>　　（3）非易失性存儲器</p><p>　　ZigBee 設(shè)備有許多狀態(tài)信息需要被存儲到非易失性存儲空間中，這樣能夠讓設(shè)備在意外復(fù)位或者斷電的情況下復(fù)原。否則它將無法重新加入網(wǎng)

84、絡(luò)或者起到有效作用。為了啟用這個功能，需要包含NV_RESTORE編譯選項。注意，在一個真正的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，這個選項必須始終啟用。關(guān)閉這個選項的功能也僅僅是在開發(fā)階段使用。ZDO層負責保存和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)層最重要的信息，包括最基本的網(wǎng)絡(luò)信息(Network Information Base NIB，管理網(wǎng)絡(luò)所需要的最基本屬性)；子節(jié)點和父親節(jié)點的列表；包含應(yīng)用程序綁定表。此外，如果使用了安全功能，還要保存類似于幀個數(shù)這樣的信息。當一個設(shè)

85、備復(fù)位后重新啟動，這類信息恢復(fù)到設(shè)備當中。如果設(shè)備重新啟動，這些信息可以使設(shè)備重新恢復(fù)到網(wǎng)絡(luò)當中。在ZDAPP_ Init中，函數(shù)NLME_RestoreFromNV() 的調(diào)用指示網(wǎng)絡(luò)層通過保存在NV中的數(shù)據(jù)重新恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)所需的NV空間沒有建立，這個函數(shù)的調(diào)用將同時初始化這部分NV空間。NV同樣可以用來保存應(yīng)用程序的特定信息，用戶描述符就是一個很好的例子。NV中用戶描述符ID項是ZDO_NV_USERDESC(在Z</p

86、><p>　　2.4 CC2530芯片簡介</p><p>　　ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系統(tǒng)解決方案之一，支持IEEE 802.15.4標準/ZigBee/ZigBee RF4CE和能源的應(yīng)用。擁有龐大的快閃記憶體多達256個字節(jié)，CC2530是理想ZigBee專業(yè)應(yīng)用。支持新Remo TI的ZigBee RF4CE，這是業(yè)界首款符合ZigBee RF4CE兼容的協(xié)

87、議棧，和更大內(nèi)存大小將允許芯片無線下載，支持系統(tǒng)編程。此外，CC2530結(jié)合了一個完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個8051 微處理器，8 kB的RAM ，32/64/128/256 KB閃存，以及其他強大的支持功能和外設(shè)。</p><p>　　CC2530提供了101dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，四種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設(shè)集——包括2個USART、12 位ADC和21

88、個通用GPIO，以及更多。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標準增強8051MCU 內(nèi)核，支持一般的低功耗無線通信，CC2530還可以配備TI一個標準兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI）來簡化開發(fā)，使你更快的獲得市場。CC2530可以用于的應(yīng)用包括遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。其主要特點如下：</p><p><b&g

89、t;　　（1）強大無線前端</b></p><p>　　2.4 GHz IEEE 802.15.4 標準射頻收發(fā)器 。</p><p>　　出色的接收器靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　可編程輸出功率為＋4.5 dBm，總體無線連接102dbm。</p><p><b>　　極少量的外部元件。</b>

90、</p><p>　　支持運行網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)，只需要一個晶體。</p><p>　　6 毫米× 6 毫米的QFN40 封裝 。</p><p>　　適合系統(tǒng)配置符合世界范圍的無線電頻率法規(guī)：歐洲電信標準協(xié)會ETSI EN300 328和EN 300 440 （歐洲），F(xiàn)CC 的CFR47 第15 部分（美國）和ARIB STD-T-66 （日本）。</p

91、><p><b>　　（2）低功耗</b></p><p>　　接收模式：24 毫安 。</p><p>　　發(fā)送模式1dBm：29 毫安 。</p><p>　　功耗模式1（4 微秒喚醒）：0.2 毫安 。</p><p>　　功率模式2（睡眠計時器運行）：1 微安 。</p><

92、;p>　　功耗模式3（外部中斷）：0.4 微安 。</p><p>　　寬電源電壓范圍（ 2 V－3.6V）。</p><p><b>　?。?）微控制器</b></p><p>　　高性能和低功耗8051 微控制器內(nèi)核。</p><p>　　32 /64 / 128 /或256 /kB 系統(tǒng)可編程閃存。</

93、p><p>　　8 KB 的內(nèi)存保持在所有功率模式。</p><p><b>　　硬件調(diào)試支持。</b></p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　本部分包括嵌入式移動終端設(shè)備和無線傳感器節(jié)點。</p><p>　　3.1嵌入式終端設(shè)備</p&g

94、t;<p>　　本系統(tǒng)嵌入式終端設(shè)備部分由核心板和底板兩部分組成，其核心板上集成了TI推出的新一代移動應(yīng)用處理器——OMAP3530，是專門為智能手機和筆記本電腦等低功耗便攜式應(yīng)用而設(shè)計。OMAP3530在單一的芯片上集成了ARM Cortex-A8內(nèi)核、TMS320C64x+TMDSP內(nèi)核、圖像引擎、視頻加速器以及豐富的多媒體外設(shè)，其中Cortex-A8內(nèi)核擁有超過當今300MHz ARM9器件4倍的處理性能。該處理器有

95、256MB的DDR內(nèi)存和256MB的NANDFLASH，可廣泛用于流媒體、視頻會議、高清靜態(tài)圖像、3G多媒體手機、高性能PDA等項目。</p><p>　　所選用系統(tǒng)組成實物如圖3.1所示，底板上則由以下外設(shè)組成：</p><p>　　一個調(diào)試串口、一個擴展串口、一個LCD模塊、兩個USBHOST接口、一個 USB CLIENT 接口、一個自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、一個觸摸屏接口、一個Zigbee

96、協(xié)調(diào)器接口、一個SD卡插槽、一個RTC和看門狗、一個鍵盤、攝像頭模塊、GPS模塊、WIFI藍牙模塊、WCDMA模塊。</p><p>　　圖3.1 底板實物圖</p><p>　　3.2 Cortex處理器</p><p>　　3.2.1 Cortex系列</p><p>　　Cortex系列處理器是基于ARM最新架構(gòu)ARMv7架構(gòu)的處理器，

97、按照資源多少分為Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A三類。</p><p>　　這些新的ARM Cortex處理器系列都是基于最新的ARMv7架構(gòu)的產(chǎn)品，按照性能從高到低的順序排列，分別是:Cortex-R系列、Cortex-A系列、和Cortex-M系列。其中，Cortex-A系列是針對日益增長的，功能豐富的，需要運行包括Linux、Windows CE和Symbian等大型嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入

98、式終端設(shè)備；Cortex-R系列針對的是需要搭載小型實時操作系統(tǒng)來進行控制應(yīng)用的系統(tǒng)，包括汽車電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)以及影像設(shè)備；Cortex-M系列則是針對性能要求小，不需要搭載嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備。</p><p>　　3.2.2 ARM Cortex-A8</p><p>　　ARM Cortex-A8處理器是一款適用于復(fù)雜操作系統(tǒng)及用戶應(yīng)用的應(yīng)用處理器，其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。它作為嵌

99、入式終端設(shè)備的使用，是屬于非常高端的選擇。另外，為了滿足Cortex-A8處理器實現(xiàn)超量級的速度和功耗，它使用了ARM Artisan庫以及完善的泄漏控制技術(shù)。這其中，Artisan庫還支持智能能源管理(IEM，Intelligent Energy Manger)技術(shù)。此外，它的集成工藝已經(jīng)達到65nm，這對于嵌入式處理器領(lǐng)域，又是一次跳躍。它的功耗，也低的驚人，65nm的ARM cortex-A8處理器的功耗竟然還不到300 mW，這

100、對于一個移動終端設(shè)備是非常好的應(yīng)用解決方案。而且，它的性能也幾乎接近臺式機的性能。這就意味著，用戶將使用著集成工藝超高，價格低廉，性能超越，功耗很好的處理器。</p><p>　　圖3.2 Cortex-A8內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Cortex-A8處理器是第一款使用全新的ARMv7架構(gòu)的嵌入式應(yīng)用處理器，它支持最新Thumb-2指令集。這種指令集的特點就是代碼高密度，因此使處理擁

101、有更高的性能，并具有更低的功耗。它第一次采用了異常強大的NEON技術(shù)。將NEON用于處理一些視頻、音頻和圖形工作可以減輕CPU負擔，因此提高整個CPU處理的性能。另外Cortex-A8的還支持Jazelle-RCTJava加速技術(shù)，它可以為隨時動態(tài)和實時調(diào)整編譯提供最優(yōu)化，同時減少內(nèi)存使用空間高達三倍。該處理器配置了先進的超標量體系結(jié)構(gòu)流水線，能夠同時執(zhí)行多條指令，并且提供超過2.0 DMIPS/MHz的性能。處理器集成了一個可調(diào)尺寸的

102、二級高速緩沖存儲器，能夠與高速的16KB或者32KB一級高速緩沖存儲器同時工作，從而達到最快的讀取速度和最大的吞吐量。新處理器還配置了用于安全交易和數(shù)字版權(quán)管理的Trust Zone技術(shù)，以及實現(xiàn)低功耗管理的IEM功能。</p><p>　　Cortex-A8處理器使用了先進的分支預(yù)測技術(shù)，并且具有專用的NEON整型和浮點型流水線進行信號和媒體文件處理。在使用小于4m2的硅片及低功耗的65nm工藝的情況下，Cor

103、tex-A8處理器的運行頻率將高于600MHz，這里不包括NEON追蹤技術(shù)和二級高速緩沖技術(shù)。在高性能的90nm和65nm工藝下，Cortex-A8處理器的運行頻率最高能達到1 GHz，能夠滿足用戶高性能的消費產(chǎn)品設(shè)計的需要[12-13]。</p><p><b>　　3.3 傳感器節(jié)點</b></p><p>　　本設(shè)計無線傳感器節(jié)點有三部分構(gòu)成:傳感器、控制模塊及

104、無線節(jié)點模塊。</p><p>　　無線傳感器節(jié)點示意圖如圖3.3所示，圖3.4為本實驗用到的溫濕度傳感器、距離傳感器、氣體傳感器和繼電器傳感器的實物圖。</p><p>　　圖3.3 無線傳感器節(jié)點示意圖</p><p>　　a:溫濕度傳感器 b:距離傳感器</p><p>　　c:氣體傳感器

105、 d:繼電器傳感器</p><p>　　圖3.4 無線傳感器節(jié)點實物圖</p><p>　　其中無線節(jié)點模塊主要包括：Zigbee芯片CC2530和天線構(gòu)成。實物如圖3.5所示，其原理圖如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.5 無線節(jié)點模塊</p><p>　　圖3.6 無線節(jié)點原理圖</p&

106、gt;<p>　　傳感器及模塊就比較多樣了:可以攜帶一個傳感器，也可攜帶多個，還可以帶一些其他的設(shè)備。總體來說包括:溫濕度傳感器，氣體傳感器，距離傳感器，繼電器，串口等設(shè)備。</p><p>　　底板使用三種供電方式：電源適配器供電、USB供電、電池供電。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.

107、1系統(tǒng)總體框架設(shè)計</p><p>　　硬件平臺是智能家居控制系統(tǒng)的載體，軟件是控制系統(tǒng)的靈魂。本系統(tǒng)軟件設(shè)計由智能網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計、Android 用戶控制程序設(shè)計以及Zigbee節(jié)點控制程序設(shè)計三部分組成。智能網(wǎng)關(guān)既是互聯(lián)網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，也是智能家居控制系統(tǒng)的主控設(shè)備，可以對系統(tǒng)進行統(tǒng)一集中管理與控制。ZigBee節(jié)點組成的無線局域網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器接收智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)答的遠程消息，并發(fā)送給相應(yīng)的路由器節(jié)點或終端節(jié)點

108、，以監(jiān)控家電設(shè)備和監(jiān)測家居環(huán)境。集成了Zigbee 模塊的家電設(shè)備控制器和各種傳感器模塊可作為 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端?？刂平K端又可以稱為手持操控設(shè)備，它包括平板電腦或者智能手機等任可以安裝Android操作系統(tǒng)的終端設(shè)備，本智能家居系統(tǒng)特別開發(fā)了基于Android系統(tǒng)的家居環(huán)境控制軟件，可以安裝在手持操控設(shè)備上，來滿足手持操控設(shè)備對家電網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)的實時監(jiān)控和遠程遙控; 同時也可以通過發(fā)送GSM 短消息遠程控制家中電氣設(shè)備，

109、或者接收到關(guān)于家居環(huán)境信息的GSM 短消息。</p><p>　　其綜合框架如圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)工作框架</p><p>　　4.2 智能網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計[14-15]</p><p>　　智能網(wǎng)關(guān)程序是連接android系統(tǒng)與Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的橋梁，運行在android系統(tǒng)服務(wù)層，智能網(wǎng)關(guān)程序通過3G、Wifi