建筑電氣與智能化畢業(yè)論文---zigbee智能家居綜合布線的應(yīng)用

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1智能家居綜合布線前景</p><p>　　隨著人們生活水平的提高，對(duì)居住環(huán)境也提出了更高的要求，尤其是在住宅“智能化”方面?，F(xiàn)代住宅不僅應(yīng)具有安全、便利、舒適、節(jié)能和娛樂等特點(diǎn)，還要求具有集成的音頻／視頻、計(jì)算機(jī)通信、自動(dòng)化及安全防范等功能。這樣的智能家庭有各種獨(dú)立的現(xiàn)代家用電器或電子設(shè)備，而要將它

2、們?cè)谄胀ǖ募揖迎h(huán)境中集成到一起，就必須通過一套統(tǒng)一管理的家庭網(wǎng)絡(luò)連接起來，而家庭網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)正是家居綜合布線系統(tǒng)。這一系統(tǒng)為家庭的各種弱電系統(tǒng)應(yīng)用(如語音、數(shù)據(jù)、視聽音樂、家庭辦公、保安、能源管理等)提供了齊備的傳輸介質(zhì)。</p><p>　　一方面，智能家居布線應(yīng)該說是一個(gè)小型的綜合布線系統(tǒng)。它可以作為一個(gè)完善的智能小區(qū)綜合布線系統(tǒng)的一部份，也可以完全獨(dú)立成為一套綜合布線系統(tǒng)。另一方面，現(xiàn)代家居中各種弱電線纜很多

3、，需要集中管理和統(tǒng)一維護(hù)。信息技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和普及，規(guī)范的家庭弱電布線系統(tǒng)將成為繼水、電、氣后另一種必不可少的家庭基礎(chǔ)設(shè)施。智能家居布線則涵蓋了整個(gè)家庭弱電布線系統(tǒng)。</p><p>　　1.2選題的目的和意義</p><p>　　ZigBee技術(shù)是～種低速率、低成本、低功耗、近距離新型的無線通信技術(shù)，主要用于家庭智能化、樓宇自動(dòng)化和工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。</p>&

4、lt;p>　　ZigBee技術(shù)具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　1．2.1低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6"24個(gè)月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)?，F(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的Zigbee提供電源。&l

5、t;/p><p>　　1.2.2低成本：通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1／10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。</p><p>　　1.2.3低速率：ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250kbps(2．4GHz)、

6、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。</p><p>　　1.2.4近距離：傳輸范圍一般介于10--一100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1---,3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。</p><p>　　1.2.5短時(shí)延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一

7、般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3"-'10 S、WiFi需要3 s。</p><p>　　1.2.6高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。</p><p>

8、;　　1.2.7高安全：ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。</p><p>　　采用ZigBee技術(shù)所架構(gòu)的無線智能家居綜合布線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由于其低成本低功耗較遠(yuǎn)的覆蓋范圍及它在全球范圍內(nèi)的通用將使其成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點(diǎn)，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場(chǎng)新的變革。</p>

9、<p>　　現(xiàn)有的家庭網(wǎng)絡(luò)中，比較多采用有線技術(shù)進(jìn)行家庭控制網(wǎng)絡(luò)的組建，這類方案總的特點(diǎn)是擴(kuò)展性能差，布線繁瑣，影響美觀。家庭網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的原則是使用方便、安裝簡單，不需要額外布線、擴(kuò)展性好?？梢娂彝ゾW(wǎng)絡(luò)采用無線的方式是個(gè)最好的選擇，無線的方式比較靈活，更適合家庭使用。無線傳輸方式避免了重新布線的麻煩，網(wǎng)絡(luò)所需的基礎(chǔ)設(shè)施不再需要埋在地下或者隱藏在墻里，網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)需要移動(dòng)或變化?？梢妼igBee這種無線通信技術(shù)用于智能家居綜合

10、布線系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)的意義。</p><p>　　ZigBee的協(xié)議棧</p><p>　　ZigBee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是由一些層所構(gòu)成。每個(gè)層都有一套特定的服務(wù)方法和上一層連接：數(shù)據(jù)實(shí)體(dataentity)提供數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)而管理實(shí)體(management entity)提供所有的別的服務(wù)類型。每個(gè)層的服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)(service access point，SAP)$n上一層相接。

11、每個(gè)SAP提供了大量的服務(wù)方法來完成要求的操作。ZigBee協(xié)議棧是基于標(biāo)準(zhǔn)的OSI七層模型，但只是在相關(guān)的范圍來定義一些相應(yīng)層以完成特定的任務(wù)。</p><p>　　ZigBee的協(xié)議棧主要分為:物理層（PHY）、MAC層、網(wǎng)絡(luò)∕安全層、應(yīng)用層。</p><p>　　2.1物理層：定義了物理無線信道和 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)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信

12、道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。</p><p>　　物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下五個(gè)方面的功能: </p><p>　?。?） 激活和休眠射頻收發(fā)器; </p><p>　　（2） 信道能量檢測(cè)（energy detect）; </p><p>　?。?） 檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality

13、indication，LQI）; </p><p>　?。?） 空閑信道評(píng)估（clear channel assessment，CCA）; </p><p><b>　?。?） 收發(fā)數(shù)據(jù)。</b></p><p>　　2.2MAC層：MAC層負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信。它負(fù)責(zé)建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全：它能提供兩個(gè)設(shè)備

14、間的可靠連接。MAC層在服務(wù)協(xié)議匯聚層（SSCS）和物理層之間提供了一個(gè)接口。從概念上說，MAC層包括一個(gè)管理實(shí)體，通常稱為MAC層管理實(shí)體（MLME） ，該實(shí)體提供一個(gè)服務(wù)接口，通過此接口可調(diào)用MAC層管理功能。同時(shí)，該管理實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù) MAC層固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含了 MAC 層的個(gè)域網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫（PIB）信息。</p><p>　　MAC層處理所有物理層無線信道的接入，其主要的功能為： &l

15、t;/p><p>　?。?） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)； </p><p>　?。?） 與信標(biāo)同步； </p><p>　?。?） 支持個(gè)域網(wǎng)（PAN）鏈路的建立和斷開； </p><p>　?。?） 為設(shè)備的安全性提供支持； </p><p>　?。?） 信道接入方式采用免沖突載波檢測(cè)多址接入（CSMA-CA）機(jī)

16、制； </p><p>　?。?） 處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙（GTS）機(jī)制； </p><p>　?。?） 在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路</p><p>　　2.3網(wǎng)絡(luò)∕安全層：是位于MAC層與應(yīng)用層（APL）之間的一個(gè)協(xié)議層 。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作MAC層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。

17、為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含連個(gè)服務(wù)實(shí)體;數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體（NLDE）和管理服務(wù)實(shí)體（NLME）。</p><p>　　2.3.1網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE) </p><p>　　NLDE 需要提供一種數(shù)據(jù)服務(wù)來允許應(yīng)用程序在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)。這些設(shè)備必須屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 </p><p>　　NLDE 提供以下服務(wù): </p>&l

18、t;p>　?。?）生成網(wǎng)絡(luò)層水平 PDU (NPDU)。網(wǎng)絡(luò)層要為應(yīng)用支持子層(APS)PDU 添加協(xié)議頭來生成一個(gè)NPDU； </p><p>　?。?）特定拓?fù)渎酚?。NLDE 要負(fù)責(zé)將 NPDU 傳送給一個(gè)合適的設(shè)備，該設(shè)備必須是最終的目標(biāo)設(shè)備或者是通向目標(biāo)設(shè)備的通信鏈上的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 </p><p>　　2.3.2網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME) </p><p

19、>　　網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME )負(fù)責(zé)提供允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧交互的管理服務(wù)。NLME提供的服務(wù)如下: </p><p>　?。?）配置一個(gè)新的設(shè)備。根據(jù)要求的操作有效配置協(xié)議棧的能力。配置選項(xiàng)包括作為 ZigBee協(xié)調(diào)器的啟動(dòng)操作及設(shè)備加入一個(gè)現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)操作。 </p><p>　?。?）啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。啟動(dòng)新網(wǎng)絡(luò)的能力。 </p><p>　　（3）加入和

20、離開網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備加入或離開網(wǎng)絡(luò)的能力，以及 ZigBee 協(xié)調(diào)器或路由器要求設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的能力。</p><p>　?。?）編址。ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器為要加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。</p><p>　　2.4應(yīng)用層：由三個(gè)部分組成APS子層、ZDO（包含ZDO管理平臺(tái)）和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。</p><p>　　2.4.1應(yīng)用支持子層</p>

21、<p>　　APS提供了這樣的接口：在NWK層和APL層之間，從ZDO到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這服務(wù)有兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)：APS數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）和APS管理實(shí)體（APSME）。</p><p>　　APSDE通過APSDE服務(wù)接入點(diǎn)（APSDE-SAP）</p><p>　　APSME通過APSME服務(wù)接入點(diǎn)（APSME-SAP）</p><p>

22、;　　APSDE提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或者更多的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)通信。</p><p>　　APSME提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，這些服務(wù)包含安全服務(wù)和綁定設(shè)備，并維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫。</p><p>　　2.4.2應(yīng)用層框架</p><p>　　ZigBee中的應(yīng)用框架是為駐扎在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境。最多可以定義240個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)?/p>

23、象，任何一個(gè)對(duì)象的端點(diǎn)編號(hào)從1到240。還有兩個(gè)附加的終端節(jié)點(diǎn)為了APSDE-SAP的使用：端點(diǎn)號(hào)0固定于ZDO數(shù)據(jù)接口；另外一個(gè)端點(diǎn)255固定于所有應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口功能。</p><p>　　2.4.3應(yīng)用Profiles</p><p>　　應(yīng)用profiles是一組統(tǒng)一的消息，消息格式和處理方法，允許開發(fā)者建立一個(gè)可以共同使用的、分布式應(yīng)用程序，這些應(yīng)用是使用駐扎在獨(dú)立設(shè)備

24、中 的應(yīng)用實(shí)體。這些應(yīng)用profiles允許應(yīng)用程序發(fā)送命令、請(qǐng)求數(shù)據(jù)和處理命令和請(qǐng)求。</p><p>　　2.5幀：ZigBee定義了兩種幀結(jié)構(gòu)，KVP幀和MSG幀。這兩種幀結(jié)構(gòu)都包含群集ID信息。KVP幀是專門為傳輸一組特殊量而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的幀，而MSG幀相對(duì)KVP幀來說在結(jié)構(gòu)上相對(duì)自由很多。在設(shè)備概述中規(guī)定用什么樣的幀來傳送指定的數(shù)據(jù)。由于KVP和MSG幀的差異，在同一個(gè)群集中不會(huì)同時(shí)包含這兩種幀結(jié)構(gòu)。

25、對(duì)于KVP幀和MSG幀來說，都可以選擇使用直接尋址方式或者基于綁定的間接尋擇方式進(jìn)行傳輸。</p><p><b>　　2.5.1KVP幀</b></p><p>　　KVP幀包含以下信息：處理序列號(hào)、命令類型和屬性數(shù)據(jù)類型、屬性ID、錯(cuò)誤代號(hào)、屬性數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　表2.1</b></p>

26、<p><b>　　KVP幀的一般結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　2.5.2MSG幀</b></p><p>　　MSG幀包含以下信息:處理序列號(hào)、處理長度、處理數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　表2.2</b></p><p><b>　　M

27、SG幀的一般結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建</p><p>　　3.1ZigBee的節(jié)點(diǎn)</p><p>　　要使用Microchip ZigBee協(xié)議棧來創(chuàng)建典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)，至少需要具備一下組件：</p><p>　?。?）一片帶SPI接口的單片機(jī)</p><p>　

28、?。?）一個(gè)帶有所需外部元件的RF收發(fā)器</p><p>　?。?）一根天線，可以是PCB上的引線形成的天線或單極天線</p><p>　　圖3.1 ZigBee的節(jié)點(diǎn) </p><p>　　3.2微控制器的選型</p><p>　　PIC系列單片機(jī)是由Microchip公司開發(fā)的微控制器，其突出的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)低功耗，支持睡眠一喚醒機(jī)制，非常適

29、用于各種低功率要求的應(yīng)用。它有多個(gè)系列和型號(hào)，分別由一些基本的功能模塊按照不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。由于其高的性價(jià)比，在智能儀表，醫(yī)療設(shè)備，保安等領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　考慮到單片機(jī)與高頻芯片的通信，以及以后系統(tǒng)的性能擴(kuò)展和程序存儲(chǔ)等要求，在設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇了PICl8LF4620單片機(jī)，這是一款專為低功耗需求設(shè)計(jì)的。工作電流<2mA，睡眠電流只有3uA。工作電壓3．3V，可直接與高頻芯

30、片通信。同時(shí)具有3986B的RAM，64KB的Flashrom。其主要由以下部分組成：</p><p>　　（1）20個(gè)中斷源，1個(gè)中斷優(yōu)先使能，可以為中斷源分配高或低優(yōu)先級(jí)</p><p>　?。?）36個(gè)I／O端口(端口A，B，C，D，E)</p><p>　?。?）4個(gè)定時(shí)器(定時(shí)器0可以選擇為8位或16位，定時(shí)器l、3為16</p><p

31、>　　位，定時(shí)器2為8位)</p><p>　　（4）1個(gè)CCP模塊和1個(gè)ECCP模塊</p><p>　?。?）MSSP模式的串行口通信以及EUSART串口通信模式</p><p><b>　?。?）并行通信接口</b></p><p>　?。?）包括看門狗和上電等多種復(fù)位功能</p><p&

32、gt;<b>　?。?）10位A／D</b></p><p>　　3.3射頻部分的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.12.4G無線收發(fā)芯片</p><p>　　本系統(tǒng)RFD和FFD統(tǒng)一采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420n明作為射頻芯片。CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE 802．15．4規(guī)范的2．4G射頻芯片，已經(jīng)

33、用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)的燈PAN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是第一款使用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以0．18umCMOS工藝制成，只需要極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功率極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持250kbps的數(shù)據(jù)傳輸率，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)

34、多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2420的主要性能參數(shù)n31如下：</p><p>　?。?）工作頻帶范圍：2．400一2．4835Ghz</p><p>　　（2）采用IEEE 802．15．4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式。數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碼片速率達(dá)2Mchip／s。</p><p>　?。?）采用O-QPSK調(diào)制方式。</p><p>　　（

35、4）超低電流消耗(RX-19．7mA，TX：17．4mA)，高接收靈敏度(-94dBm)。</p><p>　?。?）抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB)。</p><p>　?。?）內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器。采用低電壓供電(2．1V一3．6V)。輸出功率編程可控。</p><p>　　（7）IEEE 802．15．4MAC層可支持自動(dòng)幀格式生成、同步

36、插入與檢測(cè)，16bit CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR、CBC、MAC、CCM)。</p><p>　　（8）與控制微處理器接口配置容易(4線SPI總線接口)。</p><p>　　（9）開發(fā)工具齊全，提供有開發(fā)套件。</p><p>　　（10）采用QLP-48封裝，外形尺寸只有7x7mm。</p><p>　　3.

37、3.2CC2420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器和I／Q下變頻處理后，產(chǎn)生2MHz的中頻信號(hào)，此混合I／Q信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)、最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。</p><p>　　發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，

38、所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特經(jīng)32碼片的擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2．4GHz，最后經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。</p><p>　　CC2420只需要極少的外圍元器件。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。</p><p>　　芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供

39、時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如當(dāng)采用16MHz晶振時(shí)，其電容值約為22pF。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Q，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。</p><p>　　CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)，讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO

40、和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)是MSB優(yōu)先的。CC2420芯片內(nèi)有33個(gè)16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器，在每個(gè)寄存器的讀／寫周期中，SI總線上共有24比特?cái)?shù)據(jù)，分別為1比特的RAM／寄存器選擇位(0：寄存器，l：RAM)，l比特的讀／寫控制位(O：寫，1：讀)，6比特的地址選擇位、16比特的數(shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控

41、制清除通道估計(jì)，通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。</p><p>　　3.3.3配置IEEE802.15.4</p><p>　　IEEE802．15．4規(guī)范中規(guī)定使用DSSS調(diào)制方式，CC2420先要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換，每個(gè)字節(jié)被分組為兩個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)包括4個(gè)比特，LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的

42、符號(hào)用32碼片的偽隨即序列表示，共有16個(gè)不同32位偽隨即序列。經(jīng)過DSSS擴(kuò)頻變換后，碼片速率達(dá)到2Mchip／s，此碼片序列再經(jīng)過O-QPSK調(diào)制，每個(gè)碼片被調(diào)制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過I／Q通道交替?zhèn)鬏?，兩通道延時(shí)為半個(gè)碼片周期。</p><p>　　CC2420為IEEE 802．15．4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為，同步幀-I-PHY頭幀+

43、MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設(shè)置來改變?？梢圆捎?6位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。</p><p>　　3.3.4CC2420的射頻卡設(shè)計(jì)</p><p>　　下面為基于CC2420設(shè)計(jì)的射頻卡原理圖。其中與終端采用6x2的直插接口，天線部分采用PCB引線天線和單擊天線兩種設(shè)計(jì)方案。</

44、p><p>　　圖 3.2 2.4GHz RF卡硬件原理</p><p>　　其中，CC2420與單片機(jī)采用如下表的接口通信：</p><p>　　表3.3 CC2420與單片機(jī)的接口</p><p>　　3.4ZigBee協(xié)議棧的開發(fā)</p><p>　　3.4.1開發(fā)的環(huán)境和開發(fā)工具</p><p&

45、gt;　　本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是MAPLAB7．5，C編譯器使用MICROCHIP公司的MCCl8。使用的編程器和調(diào)試工具是MICROCHIP公司的ICD2。</p><p>　　ICD2是基于PIC單片機(jī)的一個(gè)功能強(qiáng)大、低成本、高運(yùn)行速度的開發(fā)工具。它利用Flash工藝芯片的程序區(qū)自讀寫功能，使用芯片來實(shí)現(xiàn)仿真調(diào)試功能。其通信接口方式可以是USB(最高達(dá)2Mbit／s)或RS．232串行接口方式；工作電壓位2．O一

46、5．5V，可支持最低2V的低壓調(diào)試。其主要功能特性有：</p><p><b>　?。?）源程序編譯</b></p><p>　　（2）直接在源程序界面調(diào)試</p><p>　?。?）可設(shè)置三個(gè)斷點(diǎn)。</p><p>　?。?）變量和寄存器觀察</p><p>　　（5）程序代碼區(qū)觀察</p

47、><p><b>　　（6）修改寄存器</b></p><p>　?。?）停止凍結(jié)(當(dāng)上位機(jī)停止運(yùn)行程序時(shí)，凍結(jié)芯片的運(yùn)行)</p><p>　　（8）過電壓／短路保護(hù)電路</p><p><b>　?。?）實(shí)時(shí)背景調(diào)試</b></p><p>　　MPLAB．ICD2可以支持大

48、部分的Flash工藝的芯片，它不僅可以用作調(diào)試器，同時(shí)還可以作為開發(fā)型的燒寫器使用。ICD2對(duì)于ICE在線仿真器是一個(gè)廉價(jià)的替代品，它可以做很多以前需要在昂貴的硬件上才能實(shí)現(xiàn)的功能。</p><p>　　3.4.2協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)</p><p>　　Microchip ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖，協(xié)議棧根據(jù)ZigBee的定義將其邏輯分為多個(gè)層。實(shí)現(xiàn)每個(gè)層的代碼位于一個(gè)獨(dú)立的源文件中，而服務(wù)

49、和應(yīng)用程序接口(Application ProgrammingInterfaces，API)則在頭文件中定義。每個(gè)層為緊接著的上一層定義一組容易理解的函數(shù)。要實(shí)現(xiàn)抽象性和模塊性，項(xiàng)層總是通過定義完善的API和緊接著的下一層進(jìn)行交互。特定層的C頭文件(如zAPS．h)定義該層所支持的所有API。用戶應(yīng)用程序總是與應(yīng)用編程支持(Application Programming Support，APS)層和應(yīng)用層(ApplicationLaye

50、r，APL)交互。由每層提供的很多API都是簡單的C語言宏，調(diào)用下一層中的函數(shù)。此方法可以避免與模塊化相關(guān)的典型開銷。</p><p>　　圖3.4 Microchip ZigBee協(xié)議棧架構(gòu) </p><p>　　3.4.3建立或加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　建立或者加入網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程在NO_PRIMITIVE原語操作里進(jìn)行初始化。如果設(shè)備是ZigBee協(xié)調(diào)器并

51、且它還沒有建立網(wǎng)絡(luò)，它會(huì)開始嘗試建立網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)進(jìn)程是通過NLME_NETWORK_FORMAlON request原語來實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　如果這個(gè)設(shè)備不是ZigBee協(xié)調(diào)器并且此時(shí)它不在任何的網(wǎng)絡(luò)中，它會(huì)試著去加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如果這個(gè)設(shè)備曾經(jīng)加入過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它會(huì)嘗試作為一個(gè)失去連接的節(jié)點(diǎn)來加入原先的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)方法是在RejoinNetwork參數(shù)設(shè)置為真的條件下發(fā)出NLME_JOIN_request請(qǐng)求

52、。如果請(qǐng)求失敗，或者這個(gè)設(shè)備之前并沒有加入過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它會(huì)嘗試作為一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)來加入網(wǎng)絡(luò)。它會(huì)首先發(fā)出NLME NETWORK_DISCOVERY_request原語來探尋存在什么網(wǎng)絡(luò)。然后應(yīng)用代碼會(huì)在被探尋到的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)，然后在RejoinNetwork參數(shù)設(shè)置為假的條件下通過發(fā)出NLME_JOIN_request來嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　ZigBee在綜合布線的應(yīng)用</p>&l

53、t;p>　　在這章之前，首先要簡介一下綜合布線的相關(guān)知識(shí)，其次再講解如何將ZigBee技術(shù)融入到綜合布線中。</p><p>　　4.1綜合布線的概念</p><p>　　綜合布線是由線纜和相關(guān)連接件組成的信息傳輸通道。</p><p>　　綜合布線的結(jié)構(gòu)分為星型、總線型、環(huán)型樹狀型等。一般常用的為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每個(gè)分支子系統(tǒng)都是相對(duì)獨(dú)立的單元，只

54、要改變節(jié)點(diǎn)連接的方式就可在其他結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。</p><p>　　綜合布線采用模塊化結(jié)構(gòu)，其靈活性高。按模塊的作用可分為六部分：工作區(qū)、水平（配線）子系統(tǒng)、干線子系統(tǒng)、設(shè)備間、管理區(qū)和建筑群子系統(tǒng)。I其中工作區(qū)為終端設(shè)備連接到信息插座的連接線和插頭組成。</p><p>　　圖4.1 綜合布線系統(tǒng)組成</p><p>　　在此以實(shí)例：居住區(qū)綜合布線，來深入的了解

55、綜合布線的優(yōu)缺點(diǎn)。居住區(qū)綜合布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從居住區(qū)的網(wǎng)絡(luò)中心開始，先連接到組團(tuán)的網(wǎng)絡(luò)分中心，再到各單體建筑的配線間，最后布線到每戶的一個(gè)配電箱。室內(nèi)綜合布線的配置為：</p><p><b>　　基本配置</b></p><p>　　1.每戶引入電話、數(shù)據(jù)和視頻等應(yīng)用的線纜</p><p>　　2.每戶的臥室、書房、起居室、餐

56、廳等均應(yīng)設(shè)置一個(gè)信息插座（RJ-45）和一個(gè)電視插座；主衛(wèi)生間還應(yīng)設(shè)電話信息插座（RJ-11）</p><p>　　3.每戶弱電配線箱至該戶每個(gè)信息插座或電視插座各敷設(shè)1根4對(duì)雙絞電纜或1根75Ω同軸電纜</p><p>　　4.弱電配電箱的箱體宜一次暗裝到位，滿足遠(yuǎn)期的應(yīng)用需要</p><p><b>　　綜合配置</b></p>

57、<p>　　1.每戶可引入電話、數(shù)據(jù)和視頻等應(yīng)用的線纜，必要時(shí)也可設(shè)置2芯光纖</p><p>　　2.每戶的臥室、書房、起居室、餐廳等均應(yīng)設(shè)置不少于一個(gè)數(shù)據(jù)信息電纜插座或光纜插座以及一個(gè)電視電纜插座</p><p>　　3.每個(gè)數(shù)據(jù)信息電纜插座、光纜插座或電視電纜插座至每戶弱電配線箱各敷設(shè)1根4對(duì)對(duì)絞電纜、2芯光纜或1根75Ω同軸電纜</p><p>

58、;　　4.弱電配線箱的箱體應(yīng)一次暗裝到位，滿足遠(yuǎn)期的需要</p><p>　　通過居住區(qū)綜合布線看到了綜合布線具有很好的兼容性和靈活性，但是其中有些情況需要反復(fù)的布線例如當(dāng)某個(gè)配電箱所接的回路太多時(shí)會(huì)增加布線的根數(shù)和繁瑣性，這樣就是布線的安全性也降低了。總體來說綜合布線雖然優(yōu)于傳統(tǒng)性布線，但它始終不能擺脫有線布線弊端，然而ZigBee無線技術(shù)就很好了解決了這個(gè)問題。</p><p>　　4

59、.2Zigbee在綜合布線中的應(yīng)用</p><p>　　在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中，支持兩種類型的物理設(shè)備：全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備。</p><p>　　全功能設(shè)備(FFD，F(xiàn)ull Function Device)特點(diǎn)：支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由；能和任何設(shè)備通信。</p><p>　　精簡功能設(shè)備(RFD，Reduced Function Devi

60、ce)特點(diǎn)：只用在星型拓?fù)渲校徊荒?lt;/p><p>　　成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；只能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信；實(shí)現(xiàn)非常簡單。</p><p>　　所有ZigBee設(shè)備均將有一個(gè)64bit的IEEE地址，這是一個(gè)全球唯一的設(shè)備地址，</p><p>　　需要得到ZigBee聯(lián)盟的許可和分配。在子網(wǎng)內(nèi)部，可以分配一個(gè)16bit的地址作為網(wǎng)內(nèi)通信地址，以減小數(shù)據(jù)包的大小。</p&g

61、t;<p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組織成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。與星型網(wǎng)絡(luò)不同，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此在對(duì)方的無線輻射范圍之內(nèi)，任何兩個(gè)設(shè)備之間都可以直接通信。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認(rèn)證設(shè)備身份等功能。</p><p>　　在此我們以綜合布線設(shè)計(jì)的保安監(jiān)控系統(tǒng)的布線為例，介紹ZigBee

62、是如何應(yīng)用于綜合布線的。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要利用ZigBee無線傳感器，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)部分組成，包括ZigBee終端設(shè)備、路由器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，ZigBee終端設(shè)備負(fù)責(zé)收集探測(cè)器探測(cè)到的報(bào)警信息，并把報(bào)警信息利用ZigBee無線通訊方式發(fā)送到終端設(shè)備的路由器，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。基于ZigBee技術(shù)的智能型住宅安防報(bào)警系統(tǒng)提高了管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)每個(gè)住宅發(fā)生的險(xiǎn)情能及時(shí)判斷并通過無

63、線網(wǎng)絡(luò)通知管理人員。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖4.2所示：</p><p><b>　　圖4.2 </b></p><p>　　每個(gè)住戶家中安裝一個(gè)ZigBee終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種險(xiǎn)情的檢測(cè)并收集信息，當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，安置在住戶家中的終端設(shè)備會(huì)加入到每棟樓的路由器，把此路由器作為其父設(shè)備，每棟樓中都安置一個(gè)路由器，負(fù)責(zé)把本樓中的住戶家中的終端設(shè)備添加到其網(wǎng)絡(luò)中，并把收到的報(bào)警信

64、息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再通過RS一232和上位機(jī)連接，把報(bào)警信息存儲(chǔ)到上位機(jī)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；上位機(jī)也可以向協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器再把命令通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)終端設(shè)備，目標(biāo)終端設(shè)備按照上位機(jī)發(fā)送的命令，執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。</p><p>　　通過利用ZigBee這種近距離的無線通信技術(shù)，省掉了繁瑣的布線，并且提高了布線的拓展性，是一種跨時(shí)代的新型無線布線技術(shù)。</p><p>

65、<b>　　總結(jié)</b></p><p>　　隨著時(shí)代的發(fā)展，人們的生活水品逐漸提高，對(duì)于居住環(huán)境的要求也越來越高，這就涉及到了智能化，涉及到智能化家居就離不開了布線問題。現(xiàn)在大多都是用綜合布線，相比傳統(tǒng)的布線方法，綜合布線有它的優(yōu)勢(shì)，兼容性強(qiáng)、靈活性好。但它仍然是擺脫不了有線布線的弊端，拓展性差、布線繁瑣，影響美觀。然而無線布線就很好的解決了這些問題，無線的方式比較靈活，更適合家庭使用。無

66、線傳輸方式避免了重新布線的麻煩，網(wǎng)絡(luò)所需的基礎(chǔ)設(shè)施不再需要埋在地下或者隱藏在墻里，網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)需要移動(dòng)或變化。</p><p>　　在經(jīng)過充分的考察了解和對(duì)大量資料的研究后，分析了國內(nèi)智能家居的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合了我國住宅的實(shí)際情況及人們的需要，給出了無線智能家居系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)方案。本文通過先介紹ZigBee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，闡述了協(xié)議棧的七層模型的特點(diǎn)和作用；再說ZigBee的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)如何進(jìn)行搭建，為后面Zi

67、gBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)，最后通過實(shí)例來說明ZigBee在綜合布線的應(yīng)用。從而證明了ZigBee無線技術(shù)構(gòu)建的家庭控制網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能好，不需要額外布線，完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建原則，并且ZigBee技術(shù)是一種低速率、低成本、低功耗、近距離的無線通信技術(shù)，其在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用上有不可替代的優(yōu)勢(shì)。使用ZigBee技術(shù)將使其成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點(diǎn)，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場(chǎng)新的變革。</p><p>&l

68、t;b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 林政廷．智能家電家庭控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)況介紹[J]．電子與電腦．2004，23—26．</p><p>　　[2] 吳瑜，韓江洪，張建軍，張利．智能家居系統(tǒng)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的探討．電子產(chǎn)品世界．2002 12(A)：15—17．</p><p>　　[3] 王慶云. 基于 802.15.4 協(xié)議的

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72、lt;p>　　[12] IEEE 802.15.4,Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical </p><p>　　[13] 劉和平．PlCl8Fxxx單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005年2月．</p><p>　　[14] 馮琳，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee技術(shù)的應(yīng)用研究，碩

73、士學(xué)位論文，安徽合，合肥工業(yè)大學(xué)，2006年5月</p><p>　　[15] 王秀梅，劉乃安，利用2．4GHz射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)ZigBee無線通信設(shè)計(jì)，國外電子元器件，2005年3月</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　經(jīng)過半學(xué)期的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。本次設(shè)計(jì)取材來自校外實(shí)習(xí)單位，但是大多數(shù)

74、原理性問題還是通過指導(dǎo)老師于老師的耐心講解完成。作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，如果沒有老師的耐心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是很困難的，在此我由衷的感謝所有的老師和同學(xué)們。</p><p>　　首先要感謝指導(dǎo)老師。老師平時(shí)工作繁多，但在畢業(yè)設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段老師到抽出時(shí)間來為我們做輔導(dǎo)和答疑工作，幫我們解決了設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)個(gè)難題。老師學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、平易近人，是我們學(xué)習(xí)和生活的榜樣，在此我特

75、向于老師表示最崇高的敬意和由衷的感謝。</p><p>　　其次要非常感謝大學(xué)四年來所有老師的悉心輔導(dǎo)，使我們不再停滯在專業(yè)門檻的外面；使我們從理論到實(shí)踐更深刻地認(rèn)識(shí)了電氣專業(yè)的方向性、實(shí)用性和前沿性。同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。 </p><p>　　最后感謝學(xué)院四年來對(duì)我的大力栽培，感謝所有可敬的師長、同學(xué)、朋友給我的無言的幫助，在