1、 本科毕业论文 题 目： 基于 CC2430 的无线家居 系统的设计 院 （部）： 信息与电气工程 学院 专 业： 电子信息 工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期 ： I 目 录 摘 要 . III ABSTRACT. IV 1 前 言 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 论文的研究思路与文章结构 . 2 1.4 文章结构 . 3 2 ZigBee 技术研究 . 4 2.1 ZigBee 技术概述 . 4 2.2 ZigBee 技术的特点 . 5 2.3 ZigBee 协议框架 . 6 2.3 ZigBee 技术的应用 .
2、7 2.4 本章小结 . 8 3 无线家居系统硬件设计 . 9 3.1 系 统硬件组成 . 9 3.2 CC2430 核心电路设计 . 9 3.2.1 CC2430 电源电路设计 . 11 3.2.2 时钟部分设计 . 12 3.2.3 射频天线单元设计 . 12 3.2.4 串口通信单元设计 . 13 3.3 传感器设计 . 13 3.4 电源电路的设计 . 23 3.5 窗帘控制节点硬件设计 . 24 3.6 万能遥控器控制节点硬件设计 . 25 3.7 本章小结 . 26 4 无线家居 系统系统软件设计 . 27 II 4.1 系统功能 . 27 4.2 数据发送 . 28 4.3 数据
3、接收 . 30 4.4 本章小结 . 31 结 论 . 32 致 谢 . 33 参考文献 . 34 附 录 . 35 III 摘 要 随着计算机技术、通信技术和自动化技术的不断发展，作为集这三种技术于一体的智能家居系统逐渐成为热门话题，智能家居行业也得到很好的发展。近几年来，人们对生活品质的要求也日益提高，他们对智能家居系统的需求不仅仅局限于只能提供自动控制，更希望还能提供舒适、安 全、方便控制的居家环境。为了满足更多人的需求，很有必要对智能家居的舒适度、信息数据的安全传输和方便控制的系统进行研究，使未来的智能家居系统拥有更加丰富的内容。 无线传感器节点作为无线智能家居的基础单元，是本文的设计
4、重点。 根据智能家居低功耗、低成本、易操作、易安装、易扩展的实际需求，经过大量的对比调研和实际参数分析，文章明确了采用 ZigBee 技术作为家庭无线网络标准，以 CC2430 作为传感器节点核心处理器的设计思想。 本文首先概述了智能家居的意义及其应用前景，对比了国内外智能家居发展的情况，然后研究 了 ZigBee 技术的技术标准及技术优势，接下来，将无线传感器节点作为重点研究对象分别从硬件和软件两个方面进行设计。最后， 总结全文所做的工作，展望需进一步努力的方向。 关键词 ： CC2430； ZigBee；无线传感器节点；智能家居 IV Design of Wireless Home Sys
5、tem Based on CC2430 ABSTRACT With the development of computer technology communication technology and automation technology ， Smart Home system， as the concentration of these three technologies,becomes a hot topic,meanwhile,the Smart Home industry has also developed very well.In the recent years, pe
6、oples request on living quality becomes higher.Thus about Smart Home system,only the automatic control can not meet their needs.People hope the system can also provide them a living environment with comfortability,security and convient control.Therefore,in order to improve the Smart Home system to m
7、eet more peoples needs,it is very necessary to study on the development of the system,esp in below aspects:comfort level of Smart Home,data security transmission and convient control. This text has sum up the meaning of the intellectual house and application prospect at first,has compared with the s
8、ituation of domestic and intemational development of intellectual house， expound the fact intellectual house with wireless sensing meaning that network combine This text has sum up the meaning of the intellectual house and application prospect at first,has compared with the situation of domestic and
9、 international development of intellectual house， Then further investigate the technical standard of ZigBee technology and technological advantage And then， regard node of the wireless transducer as the key research object， design from hardware and software two respects separately Finally, concludes
10、 the paper work and looking forward to the direction of further work. Key Words： CC2430； ZigBee； wireless sensor node； intelligent home 1 1 前 言 1.1 课题研究的背景 及意义 随着电子信息技术和计算机网络技术的发展 ， 人们的生活水平大幅度提高，对生活环境的要求也越来越高，实现家庭信息化、网络化是当今产业的重要研究对象，随之而提出了一连串的新概念：家庭自动化，家庭信息化，智能家居等。智能家居是人类住宅的又一场新的革命，它能够为人类提供更加轻松、有序、高
11、效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统也在逐渐成为一个新兴的研究领域。 “ 智能家居 ” (SmartHome)，又称智能住宅，它利用先进的计算机技术、嵌入式技术、网络通讯技术和传感器技术等，将家中的各种设 备 (照明系统、环境控制系统、安防系统、智能家电等 )有机的连接到一起。智能家居让用户采用更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，根据场景设定设备动作，使多个设备形成联动。智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而在最大程度上给用户提供高效、便利、舒适与安全的居住环境和工作环
12、境 。 家居控制系统作为智能家居系统的重要组成部分，无疑是其中的重要技术手段和今后社会的基础信息结点。开发智能家居相关产品不仅能够满足人们生活的需要，对整个 社会信息化进程的推动作用也不可忽略。 1.2 国内外研究现状 国际上对智能家庭网络的研究起于 20 世纪 70 年代，主要集中在发达国家。由于这些研究都是各国独立进行，并具有不同的目标和市场战略，因此并没有形成统一的标准。 20 世纪 80 年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现了住宅电子化 (HE， Home Electronics)的概念； 80 年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体，形成
13、了家居自动化概念 (HA， Home Automation)。80 年代末，由于通信与信息技术的发展 ，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为智慧屋 (WH， Wise Home)，在欧洲称为时髦屋 (SH， Smart Home)。自从世界上第一幢智能建筑 1984 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998 年 5 月新加坡举办的 “ 98 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会 ” 上，通过在场2 内模拟 “ 未来之家
14、 ” ，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能 包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。这种 “ 未来之家 ” 家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。目前在新加坡也有近 30 个社区住宅小区所 5000 户的家庭采用了 “ 家庭智能化系统 ” 美国己有近四万户家庭安装了这一类的 “ 家庭智能化系统 ” 。近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修公司己经积累了很多经验。
15、 如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统己成为当前社会一个热点问题。而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居研究领域正确的发展方向。 目前我国的家庭智能化系统还处于从无到有的初级发展阶段，家庭智能化系统构成形式和手段还没有统一的标准，各大厂家也适时推出了自己的智能家居系统，如科龙集团研制的 “ 智能网络家居系统 ”， 海信的 “ 智能家居控制系统 ” ， 清华同方的 “ e-Home数字家园 ” 等，一时间国内智能家居领域呈现 百家争鸣的局面。尽管智能家居在我国起步较晚，但大有风行正健
16、之势。按照建设部的要求，到 2010 年，大中城市中 60%的家庭要实现智能化。 1.3 论文的研究思路与文章结构 随着生活水平的提高，智能家居不再是个遥远的概 念，它的身影已经慢慢的进入大众的视野，目前的智能家居系统大部分 仍 然采用的是传统的有线连接方式，使得系统先天就存在诸多缺陷，易用性大打折扣。目前无线传感网络飞速的发展，给智能家居的无线化提供了一个良好的技术基础，而近几年兴起的 ZigBee 技术，无疑是推动智能家居系统无线化的中坚力量。 ZigBee 是一种 新兴的无线通信技术标准，虽然其数据交换量小，传输速率较低，但是它的低成本、低功耗以及网络容量大则是最能满足家庭组网需求的特性
17、。在数据通信工作状态下，它具备较短的连接时间，大大降低通讯数据碰撞的几率。而在网络安全方面，它具备对传输数据信息的智能加密处理能力 信息安全性较高。经过以上分析，可以确认 ZigBee 符合家庭传感器组网的特性需求。 本文通过对无线传感器网络和智能家居功能的研究，将 ZigBee 技术与智能家居相结合，设计出具备实用性的无线智能家居系统。本文研究的重点和难点有以下几点： 1 对无线传感器网络和智 能家居进行调研，掌握它们的理论知识和实际功能； 3 2 经过比较各种近距离无线通讯技术的特点，确认 ZigBee 技术在家用领域的可行性； 3 研究 CC2430 的参数规格和技术特性，采用 CC24
18、30 设计一个无线家居系统； (1)设计一个数据集中节点 ， 可以汇聚数据采集节点的环境数据； (2)设计环境采集节点 ， 可以采集环境数据 ， 如温度、气压、湿度、光照强度、风的强度、降雨量以及空气中氧气、二氧化碳和二氧化硫的含量等； (3)可以控制门窗、智能家电； 4 设计模块的硬件电路，并进行调试； 5 进行模块的软件方案设计 、 代 码编写与硬件调试。 1.4 文章结构 本论文各章节结构及主要内容如下： 第 1 章对智能家居做一个整体概述，然后介绍 无线传感网络的发展，并讨论智能家居在国内外的发展状况和发展趋势 。 第 2 章主要 对 ZigBee 技术进行概述， 先 比较各种组网技术
19、的特点 然后 分析 ZigBee的技术特点，介绍应用实例 ， 论证 ZigBee 技术组建家庭内部通信网的合理性。 第 3 章主要完成无线传感网络节点 以及窗帘控制，家电控制的 硬件设计。首先分析各节点之间的工作与通信原理，设计出传感器节点的核心处理器电路，供电电路，信号调理电路和通讯电路的设计。 第 4 章 主要完成传感器节点的软件设计部分。分析了无线家居系统的主流程 ，然后完成了 数据接收与发送的流程设计以及程序编写 。 第 5 章为 结论 。总结全文所做的 主要 工作， 并提出了本文的不足以及需要改进的地 方 。 4 2 ZigBee 技术研究 从发展趋势来看，无线组网是家庭网络未来的发
20、展方向。无线组网的方式很多，不同的组网方式各有其优点和缺点，适合不同的应用场合。对于智能家居系统来说，网络中传输的数据量不大，网络节点多，低功耗和低成本是组网技术选择时考虑的重点。 IEEE802.11b 在无线 LANs（ WLAN）竞争中具有优势，被 作为成熟的标准广泛采用。但因其价格昂贵而制约了在家庭网络中的应用。蓝牙技术适合于语音业务和需要更高数据量的业务，主要应用于手机、汽车、 PDA 等设备，使用时需要提供的计算功率和内存使用都超过了设备所必须的数量，造成了较高的功耗和不必要的浪费。 UWB可以传输海量数据，能耗低，安全性好， 但是传输数据的范围小，网络容量小，成本高，用于智能家居
21、系统不能充分发挥其优势。 ZigBee 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，相对于现有的各种无线通信技术， ZigBee 将是最低功耗和成本的技术之一。因此， ZigBee 技术是最适合智能家居系统的组网技术。 2.1 ZigBee 技术概述 ZigBee 技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过程中跳着优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像“ Z”的形状。蜜蜂自身体积小，所需要的能量小，又能传送所采集的花粉，因此，人们用 ZigBee 技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低特征的无线通信技术
22、，中文译名通常称为“紫蜂”技术。 ZigBee 是由 ZigBee 联盟开发的一种短距离、低成本、低功耗、低速率， 双向无线通信标准，主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee 联盟成立于 2001年 8月。 2002年下半年， Invensys、 Mitsubishi、 Motorola 以及 Philips半导体公司四大巨头共同宣布加盟 ZigBee 联盟，研发名为 ZigBee 的下一 代无线通信标准。到目前为止，该联盟已 150多家成员企业。其中很多公司都参加了负责开发 ZigBee物理层（ PHY）和媒体访问控制层（ MAC）技术标准的 IEEE80
23、2.15.4工作组。 ZigBee联盟负责制定网络层（ NWK）以上协 议。其目标是应用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域。 ZigBee 工作频段灵活，使用的频段分别 2.4GHz（全球）、 868MHz（欧洲）及 915MHz（美国），均为免执照频段。数据传输速率在 2.4GHz 频段（ 16 个信道）为 250Kbps，5 在 915MHz 频段（ 10 个信道）为 40Kbps，在 868MHz 频段（ 1 个信道）为 20Kbps。ZigBee 设备为低功耗设备，其发射功率为 03.6dBm，通信距离为 3070m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果
24、，设备可自动调整其发射功率， 在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。 与目前其他成熟的无线技术比较，ZigBee 的缺点在于理论传输距离相对较近，但是对于数据采集和控制信号的传输来说，首要考虑的是成本、功耗，距离和速率参数则是次要因素。所以目前 ZigBee 技术的主要应用定位在低速率、复杂网络、低功耗和低成本的应用 。 ZigBee 网络支持 3 种功能设备：网络协调器 (Network Coordinator)、网络节点 (Network Node)及 IEEE 节点 (IEEE Node)11。前两种都是 FFD，可以与任何节点通信； IEEE 节点是 RFD，其内部功能结构简
25、单，上层应用少，且某些仅仅包含 IEEE 的标准协议。 顾名思义，网络协调器的主要功能是协调建立网络，其它功能还包括 :传输网络信标、管理网络节点及存储网络节点信息，并且提供关联节点之间的路由信息；此外，网络协调器要存储一些基本信息，如节点数据设备、数据转发表及设备关联表等。网络节点的功能有 :搜索可用的网络、按需传输数据及向网络协调器请求数据。 IEEE 节点，一般处于网络边缘，扮演从属角色 (slave),设计实现上多半时间处于休眠状态。一个ZigBee 网络最多可以支持 254 个用户节点 。 2.2 ZigBee 技术的特点 ZigBee 技术的主要特点是近距离、低成本、低功耗、低速率
26、，网络容量大 。这种无线通信技术具有如下特点 : (1)功耗低。工作模式下， ZigBee 技术传输速率低，传输数据量小，因此信号的收发时间很短。其次在非工作模式时， ZigBee 节点处于休眠模式。 ZigBee 节点的电池工作时间长达 6 个月到 2 年左右。 ZigBee 技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间 (工作时间 +休眠时间 )之比小于 1%的情况，电池的寿命可以超过 10 年。 (2)数据传输可靠 ： ZigBee 的媒体接入控制层 (MAC 层 )采用 talk-when-ready 的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送。发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。 (3)网络容量大 ： ZigBee 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适合支持简
