1、摘要鋝能家居是用基于我們口常生活的家居環境，加上現在社會比較先進的技術比 如無線智能控制，計算機軟件技術，甚至云服務平臺也應用于智能家居環境里而 -在一個成熟的智能家居系統里面往往集成了智能家電控制技術智能視頻技術智 能音頻技術，在控制端人機互動界面更加人性化接下現在網絡技術的強大功能我 們可以在更遠的地方來控制我們的家具環境。我們在設計一個完善的智能家居系 統中應該考慮到系統的是否安全可靠是否足夠便利是否美觀。智能家居是在物 聯網無線控制的技術至上加上現在的互聯網技術產生的家具概念。智能家居里面 的元素單位往往會用物聯網范疇的技術，把我們的家電安防遠程監測連結到一 起。與普通家居相比，筲能家

2、居不僅具有傳統的居住功能，兼備建筑、網絡通信、 信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、 便利、環保的居住環境，提供全方位的信息交互功能。幫助家庭與外部保持信息 交流暢通，優化人們的生活方式，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約資金。在智能家居系統里面監測報警是必不可少的， 我們經常看到家里發牛.火火之類的沒有及時制止對家庭社會造成巨大損失。結合 自己在大學期間所學習的zigbee無線傳感網的知識，加上這些年cc2530模塊的 普及，于是本設計選擇基于zigbee技術芯片采用cc2530對家居環境參數本文主 要針對煙霧跟溫度進行檢

3、測并做到簡單的報警功能，當數值達到某個設定好的數 值的時候會亮一個小燈作為報警信息。關鍵詞：智能家居zigbee cc2530傳感器監測abstractintelligent home furnishing is residential as a platform, using the integrated wiring technology, network communication technology, intelligent home furnishing - a design scheme of the system security technology, automatic c

4、ontrol technology, audio and video technology will home furnishing life related facilities integrated management system, constructing efficient residential facilities and family day affairs, improve safety, convenience, home furnishing comfort, artistic, and realize environmental protection and ener

5、gy saving residential environment. intelligent home furnishing is under the influence of the internet of things is reflected. intelligent home furnishing through the internet of things technology to various devices in the home (such as audio and video equipment, lighting, curtains, air conditioning

6、control system control, security systems, digital cinema system, network appliance and other three copies) together, providing home appliance control, lighting control, window curtain control, telephone remote control, remote control, indoor and outdoor the anti-theft alarm, environmental monitoring

7、, hvac control, infrared transmitting and can be a variety of programming time control functions and means. compared with the common home furnishing, intelligent home furnishing has not only the traditional living functions, including building, network communication, information appliance, equipment

8、 automation, system, structure, service, management as one of the efficient, comfortable, safe, convenient, environmentally friendly living environment, provide a full range of information interaction function. to help families and external communication unimpeded, optimize peoples way of life, to h

9、elp people manage time effectively, enhance the security of home furnishing life, even to save money for a variety of energy costs. the alarm is essential in intelligent home furnishing system monitoring, we often see no fire like house in time to stop cause a great loss to the family and society. t

10、he combination of his own learning at the university during a zigbee wireless sensor network knowledge, and these years the popularity of cc2530 module, and the design of zigbee chip cc2530 based on home furnishing environmental parameters for smoke and temperature detection and alarm function based

11、 on a simple, when the value reaches a predetermined numerical will bright a light as the alarm information.keywords: intelligent home furnishing zigbee cc2530 monitoring sensor增加目錄第一章緒論1智能家居介紹智能家居是用基于我們口常生活的家居環境，加上現在社會比較先進的技 術比如無線智能控制，計算機軟件技術，甚至云服務平臺也應用于智能家居環境 里而-在一個成熟的智能家居系統里而往往集成了智能家電控制技術智能視頻技 術智

12、能音頻技術，在控制端人機互動界面更加人性化接下現在網絡技術的強大功 能我們可以在更遠的地方來控制我們的家具環境。智能家居歸根到底一個居住環境，是以我們普通的家具住宅環境下安 裝奮智能家居控制系統的家居居住環境，我們通過智能家居系統的集成把 物聯網技術互聯網激活素遠程服務技術集成到一個完整的系統里面。不是 說筲能家居用到丫物聯網的技術就全部采用無線控制，智能家居里面有線 控制在某些方而還是有非常大的優勢，我們不能全部摒棄。我們用藍牙 wifi zigbee等無線技術來控制我們的家電，進行家居環境的控制，常見 的有紅外報警，溫濕度控制煙霧報警等等安全防范技術是智能家居系統 中必不可少的技術，在小區

13、及戶內可視對講、家庭監控、家庭防盜報警、 與家庭有關的小區一卡通等領域都有廣泛應用。自動控制技術是智能家居 系統中必不可少的技術，廣泛應用在智能家居控制中心、家居設備自動控 制模塊中，對于家庭能源的科學管理、家庭設備的日程管理都冇十分重要 的作用。咅視頻技術是實現家庭環境舒適性、藝術性的重要技術，體現在 音視頻集中分配、背景音樂、家庭影院等方而，己經引起了許多國家學術 界和工業界的高度重視，被認為是對21世界產生巨大影響力的技術之一。通俗地說，它是融合了自動化控制系統、計算機網絡系統和網絡通訊技術 于一體的網絡化智能化的家居控制系統。智能家居將讓用戶有更方便的手 段來管理家庭設備，比如，通過家

14、觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯m或 者語音識別控制家用設備，更可以執行場景操作，使多個設備形成聯動； 另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能 根據不同的狀態互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適 與安全。2家居監測器的發展一個完善的智能家居系統里面最重要就是安防系統，這個系統往往有 以下功能組成：門磁開關、緊急求助、煙霧檢測報警、燃氣泄露報警、碎玻探測報警、紅外微波探測報警等。傳統有線技術不僅成本比較高，而且 布點很不方便，不方便客戶自己動手去做一些位罝的變換，現在無線技術 突飛猛進，跟智能家居監測可以非常好的結合起來。物聯網里面的無線傳 感技術（包括藍牙

15、wtft）是全球比較做用到我們智能家居環境系統里面 的來控制一些電器等等（我們現在通稱為無線節點產品），并將其作為智 能家居主流行業應用產品走向丫商業化。zigbee最初設計規劃的應用領域 主要而向了消費電子領域、衛生保健領域、能源管理領域、家庭自動化領 域、建筑自動化和工業自動化。隨著物聯網應用技術的興起，zigbee又獲 得了新的應用機會。物聯網的主流核心控制最多的就是傳感器或控制單 元，這些是智能家居環境系統里面最常見到的單元，而zigbee能夠在數 目非常龐大的微小的傳感傳動單元之間和互協調實現通信，并且這些單元 都是基于低功耗的，以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳 到另一

16、個節點，基于這種原因這種無線網絡的通信效率就非常的高。這種 技術低功耗的特點、抗干擾的特點、易組網特點、高可靠、易擴容，易維 護的特點、方便使用的特點。目前來看，物聯網和zigbee技術在智能家 居環境系統里而有著非常大的優勢。3設計的現實意義基于zigbee的智能家居監測器的設計有現實的意義，每年在家居環境中因為 或者或者煤氣泄漏對社會造成的危害非常大，在這些事故中，往往伴隨溫度煙霧 濃度的升高似是人們沒有察覺得到，不能做到在事故前期做出反應。以往的家居 產品中也會有一些監測溫度或者煙霧的節點但大部分都是有線的，人們都是在裝 修的放在浴室等固定地方，這樣這些節點能發揮的作用就比較小。無線節點

17、就明 顯不一樣了，人們可以放到想監測的地方，布點方便而且成本低。加上自己在大 學期間所學習的無線傳感網的知識，在接到畢業設計的時候選擇cc2530芯片來 設計一個能夠監測溫度以及煙霧濃度的智能節點，對自己學業做一個總結，也為 即將走入社會工作坐下堅實基礎。4設計的準備工作以及達到預期目的準備工作1查閱資料了解智能家居相關發展情況2重新熟悉一遍zigbee基礎知識，尤其是通信原理部分，能夠順利組網， 鏈接傳感器。3熟悉iar編譯軟件。因為zigbee硬件里面需要的大部分程序都是在 iar下編譯下載的，本人結合ti提供的免費例程反復練習。4掌握c語言的基礎編程知識，在設計過程中我們需耍在zigbe

18、e的應用 層去編寫程序用到c語言。5 了解簡單的電路知識以及cc2530功能引腳的定義，這樣我們可以方便 的鏈接傳感器。預期達到的0的可以通過上位機觀察到時時的溫度以及煙霧濃度的數值，當超過一定數值 時在zigbee的網關上面會狂一個小燈作為報警信息。第二章z i gbee無線網絡概述2. 1 zigbee 概述zigbee這個詞來源于蜜蜂在飛行過程中的八字舞，蜜蜂通過這種舞蹈來向同伴 傳遞信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了一個空中的通信網絡。zigbee 是一種低成木、低功耗的近距離無線組網通信技術。2000年前后，隨著ieee 802. 15工作組成立的任務組tg4 （task gro

19、up, tg）制定了 ieee 802. 15.4標準。 該標準以低速率傳輸特性、低能耗特性、低成本特性為重點目標，為設備之間 的連接以及硬件的設計提供統一的標準，就是zigbcc無線通信技術。zigbee協議是基于ieee 802.15.4的協議標準的，由ieee 802.15.4工作組和 zigbee發展聯盟共同制定的。ieee 802.15.4工作組制定zigbee協議的物理層 （phy）和媒體訪問控制層（mac層）協議。后來又隨著zigbee聯盟成2002 年成立，前后定義了 zigbee協議的網絡層（nwk）、應用層（apl）和安全服務規范等等。協議棧結構如圖2-1。zigbee協議

20、是由以下層介質訪問控制子層（mac層）、物理層（phy層）、應 用層（apl）網絡層（nwk層），還有及安全服務提供層（ssp層）共五塊主要內容組 成。其中物理層和mac層標準由ieee 802.15.4標準定義，nwk層，apl層及 ssp層這些在mac層之上的，都是由zigbee聯盟的zigbee標準定義。apl層 由應用支持層（aps）,應用框架（af）以及zigbee設備對象（zdo）及zdo管理平臺組成。phy層定義了無線射頻應該具備的特征，提供了 868mhz-868.6mhz、 902mhz-928mhz 和 2400mhz-24835mhz 三種不同的頻段，分別支持 20kbp

21、s、 40kbps和250kbps的傳輸速率，1個、10個以及16個不同的信道iii。zigbee的 傳輸距離與硬件所處的環境有關(比如穿透，射頻干擾等等)，一般為10100 米之間。phy層主要包含了 w種不同的服務：phy層管理服務和phy層數據服 務，phy層數據服務功能是通過無線信道發送和接收物理層協議數據單元 (ppdu), phy層的特性是通過對于能量監測相關鏈路連接的知識信道的評估媒 介數據的發送和接受等等。mac層的協議規范使用了 csma-ca沖突避免機制對無線信道訪問進行控 制，負責無線網絡里面相鄰硬件設備的可靠連接性。mac層同樣也是主要包含 了 w種服務：mac層的管理

22、服務和mac層的數據服務。nwk層主要為無線網 絡提供網絡節點地址分配服務，消息路由服務斷電維護功能和現場管理服務。 nwk層主耍目的就是為了確保用戶正確地操作ieee 802.15.4. 2003mac子層 和為應用層所提供服務鏈接接口。nwk層從概念上包括兩個服務實體：數據服 務實體和管理服務實體。nwk層的主要任務包括加入和離開一個網絡用到的機 制、應用幀安全機制和他們的目的地路由幀機制，zigbee協調器的網絡層還負 責建立一個新的網絡。zigbee應用層包括應用支持子層(aps子層)、應用框架(af)和zigbee設備 對象(zdo)。aps子層負責建立和維護綁定表，綁定表主耍根據設

23、備之間的服務 和他們的需求使設備相互配對。zigbee的應用框架(af)為各個用戶自定義的應 用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對(kvp)服務和報文(msg)服務 供應用對象的數據傳輸使用。一個設備允許最多240個用戶自定義應用對象，分 別指定在端點1至端點240上。zdo可以看成是指配到端點o上的一個特殊的 應用對象，被所有zigbee設備包含，是所有用戶自定義的應用對象調用的一個 功能集，包括網絡角色管理，綁定管理，安全管理等。zdo負責定義設備在網絡巾的角色(例如是zigbee協調器或者zigbee終端 設備)、發現設備和決定他們提供哪種應用服務，發現或響應綁定請求，在網絡 設

24、備之間建立可靠的關聯。安全服務提供者ssp(security service provider)向nwk層和aps層提供安全 服務。zigbee協議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數層都 向上層提供數據和管理兩種服務接口，數據sap(service access point)和管理 sap(service access point)o數據服務接口的fi標是向上層提供所需的常規數據服務，管理服務接口的目標是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制。2.2 zigbee網絡基礎zigbee m絡基礎主要包括設備類型，拓撲結構和路由方式三方面的內容， zigbee標準規定的網絡

25、節點分為協調器(coordinator)、路由器(router)和終端節 點(end device)。節點類型是網絡層的概念，反映了網絡的拓撲形式。zigbee 網絡具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網狀拓撲l2j。2.2.1網絡節點類型(1) 協調器(coordinator)在各種拓撲形式的zigbee網絡中，有且只有一個協調器節點，它負責選擇 網絡所使用的頻率通道、建立網絡并將其他節點加入網絡、提供信息路由、安全 管理和其他服務。(2) 路由器(router)當采用樹型和網狀拓撲結構時，需要用到路由器節點，它也可以加入協調器， 是網絡遠距離延伸的必要部件。它負責發送和接受節點自身信息；

26、節點之間轉發 信息；允許子節點通過它加入網絡。(3) 終端節點終端節點的主要任務就是發送和接收信息，通常一個終端節點不處在數據收 發狀態時可進入休眠狀態以降低能耗。2.2.2網絡拓撲形式(1)星型拓撲在zigbee拓撲網絡里倖倖拓撲結構是一種簡單的網絡形式，如下圖。圖中的網絡結構是由黑色的核心協調器和眾多zigbee終端節點組成的。通過網絡我 們就能看出每個節點都能與協調器通信，但是也有明顯的不足之處那就死數據通 信的唯一性。oo'、.a協調器o 路由器!、 11、oo閣2-2星形拓撲結構(2)樹型拓撲樹型拓撲結構如下圖所示。協調器不僅鏈接了終端子節點還可以鏈接路由功 能節點，同樣在網

27、絡層次里終端子節點也可以直接連接路由功能節點。直接通信 只可以在在相鄰的節點之間也就是了節點只會把數據發送到父節點里面。圖2-3樹狀拓撲結構(3)網狀拓撲網狀拓撲如圖2-4。網狀拓撲具冇靈活路由選擇方式，如果某個路由路徑出 現問題，信息可自動沿其他路徑進行傳輸。任意兩個節點可相互傳輸數據，網絡 會自動按照zigbee協議算法選擇最優化路徑，以使網絡更穩定，通訊更冇效率。圖2-4網狀拓撲結構0協調器(2)路由器2.2.3工作模式zigbee網絡的工作模式可以分為信標(beacon)模式和非信標(non-beacon)模 式兩種。信標模式可以實現網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大 限度

28、地節省功耗，而非信標模式只允許ze進行周期性休眠，協調器和所有路由 器設備長期處于工作狀態。在信標模式下，協調器負責以一定的間隔時間(一般在15ms-4mins之間)向 網絡廣播信標幀，兩個信標幀發送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為 網絡休眠區和網絡活動區兩個部分，消息只能在網絡活動區的各個時槽內發送。非信標模式下，zigbee標準釆用父節點為子節點緩存數據，終端節點主動 向其父節點提取數據的機制，實現終端節點的周期性(周期可設置)休眠。m絡中 所有的父節點需要為自己的子節點緩存數據幀，所有子節點的大多數時間都處于 休眠狀態，周期性的醒來與父節點握手以確認自己仍處于網絡中，并向父節點提

29、 取數據，其從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要15ms。第三章硬件的選擇1 cc2530 芯片cc253o 是用于 2.4-ghz ieee 802. 15. 4、zigbee 和 rf4ce 應用的一個真正 的片上系統(soc)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡 節點。cc2530結合了領先的rf收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 cpu, 系統內可編程閃存，8-kb ram和許多其他強大的功能。cc2530有四種不同的閃 存版本：cc2530f32/64/128/256,分別具有 32/64/128/256kb 的閃存。cc2530 具 有不同的運行模式，使得它

30、尤其適應超低功耗耍求的系統。運行模式之間的轉換 時間短進一步確保了低能源消耗。cc2530芯片延用了以往cc2430芯片的架構，在單個芯片上整合了 zigbee 射頻(rf)前端、內存和微控制器。它使用1個8位mcu(8051),具有128 kb可 編程閃存和8 kb的ram,還包含模擬數字轉換器(adc)、幾個定時器(timer)、 aes 128協同處理器、看門狗定時器(watchdog timer)、32 khz晶振的休眠模 式定時器、上電復位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection),以及21個可編程i/o引腳。cc2530芯片采用0.

31、18 u m cmos工藝生產；在接收和發射模式下，電流損 耗分別低于27 ma或25 ma。cc2530的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間 的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。貢位看狗片上穩壓器hxj vdd(2.0-3. 6v) dcoupi.:;h報謎ec電/d 購reset keh扁:lq2 xusqlp2.1 p23 p2_2 尸2_1 p2_0 adc 音頻/亙流隱紐道7s54321o ii ii 二oooooooodp. p p 尸 p p pi"32. 768eh2r132khirc-osc調試接口多驟申睡暇定時器睡眠嘐式控制器dma8051 cpu存詰器

32、核心補裁aes加密和解密計吋器116位）(ieee831nacifbtg；計時器3 （3位）32/04/12b /256 kbflash8kb sramirq技制flash寫射頻寄存器csjia/ca選通處理器射頻數據接口自劫增益拉制震鏈發送鏈計時器4 cs位）rf 一 p kilncc2530方框圖中模塊大致可以分為三類：cpu和內存相關的模塊，外設、時鐘和電源管理相關的模塊，以及無線電相關的模塊。cpu和內存cc253x芯片系列中使用的8051 cpu內核是一個單周期的8051兼容內核。它有三種不同的內存訪問總線（sfr , data和c0de/xdata ）,單周期訪問, data和主s

33、ram。它還包括一個調試接口和一個18輸入擴展中斷單元。中斷控制器總共提供了 18個中斷源，分為六個中斷組，每個與四個中斷優先級之一相關。當設備從活動模式回到空閑模式，任一中斷服務請求就被激發。一些中斷還可以從睡眠模式（供電模式1-3 ）喚醒設備。內存仲裁器位于系統中心，因為它通過sfr總線把cpu和dma控制器和物理存儲器以及所有外設連接起來。內存仲裁器有四個內存訪問點，每次訪問可以映射到三個物理存儲器之一：一個8-kb sram,閃存存儲器和xreg/sfr寄存器。它負責執行仲裁，并確定同時訪問同一個物理存儲器之間的順序8-kb sram映射到data存儲空間和部分xdata存儲空間。8-

34、kb sram是一個超低功耗的sram ,即使數字部分掉電（供電模式2和3 ）也能保留其內容。這是對于低功耗應用來說很重要的一個功能。第四章系統的整體設計5.1系統的結構簡介本系統由三類節點組成：zigbee協調器節點、路由器節點、傳感器節點。 圖3-1所示是其組成示意圖，其屮zigbee協調器是分布式處理屮心，即匯聚節 點。多個傳感器節點置于不同的監測區域，每個傳感器節點會先把數據傳給匯聚 節點，然后匯聚節點把數據通過串口傳給上位機做進一步處理并顯示給用戶。協 調器節點可以與多個傳感器節點通信，這樣可以使本系統同時監測多個區域，何 時檢測哪個區域通常由用戶通過協調器節點來控制。當被檢測區域的

35、障礙物較多或者協調器節點距離傳感器節點較遠時，可以通過增加路由器節點來增強網絡的 穩定性。當用戶沒有數據請求時，傳感器節點只進行低功耗的信道掃描。系統工 作流程示意圖如下電腦(上位機)圖3-1溫度煙霧監測系統示意圖5.2對每個部分的功能和指標進行詳細介紹(1) 信息收集終端：即協調器，放置于監控室，完成網絡的建立與維護，和節點之間綁定的建立，實現數據的匯總，然后以有線的方式傳 送到上位機軟件，進行進一步數據處理。本設計采用rs-232串口將采 集到的數據發送到上位機。(2) 溫度煙霧傳感器節點：即節點，放置在需耍采集溫度煙霧的地方。溫度煙霧采集終端可以實現網絡的加入、與協調器綁定的建立對溫度

36、煙霧的檢測。檢測到的溫度煙霧通過zigbee無線網絡發送到協調器。(3) 上位機：位于監控室，完成對所釆集溫度煙霧的匯總與顯示。采集到的數據 實時保存到文檔中，同時以折線圖的形式實時反映出溫濕度數值的變化趨勢，使 其更為直觀。顯示的折線圖可以在不同節點之間切換。5.3系統的程序設計(1)設備的描述程序中，兩種設備被配罝：傳感器和中心收集設備|31。 中心收集設備作為協調器或路由器啟動，描述為： const simpledescriptionformat_t zb_simpledesc = my_endpoint_id,/ 端點my_profile_id,/ profileiddev_id_collector,/ 設備iddevice_versio