基于无线传感器网络的智能家居系统

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    摘要本设计以TI公司的CC2430芯片为核心组建了一一个无线智能家居系统。该系统由协调器与终端节点组成，采用星型网络结构，各节点通信协议采用目前的热点技术一ZigBee 协议。系统可对各监测点的温度、亮度、湿度等物理量进行自动检测，同时将测量结果实时传输给协调器节点，协调器节点可根据设定参量控制终端节点执行适当操作。试验结果表明:所设计系统达到了预定的各项功能。该系统具有低功耗、低成本、易于组网和维护、可扩展性好等特点，具有很好的实用价值与市场前景。

    关键字: IEEE 802. 15.4协议、无线传感器网络、智能家居系统、ZigBee

    1.作品简介
    在信息和网络技术高速发展的今天，人们的居住理念也有了很大的变化和提升，越来越追求生活细节的简单化和智能化，希望在日常家居生活中都能置入智能化程序，享受智能化生活，于是智能家居便由此产生。

    本作品以TI公司生产的CC2430芯片为核心组建了一个无线智能家居系统。
    本系统由一个协调器与多个终端节点构成、采用星型网络结构、各节点通信协议则用ZigBee协议。系统可对各监测点的温度、亮度、湿度、射频信号强度等物理量进行自动检测，同时将测量结果实时传输给协调器节点，协调器节点可根据设定的参量控制终端节点执行适当操作。本系统具有低功耗、低成本、易于组网和维护、可扩展性好等特点。
    本系统实现了协调器节点和终端节点之间的互相通信。终端节点把采集到的温度、亮度、湿度等数据发送给协调器，并能在协调器的液晶屏上显示相应的测量值，这表示，协调器可以接收到终端节点发过来的信息。当协调器节点需要控制终端节点时，即有按键按下时，协调器发送数据给终端节点，使其相应的LED发光。这表明，终端节点也能接收和执行协调器发送过来的相关控制。
    本系统所实现的无线智能网络还有很大的发展空间，还可以增加一些功能，如:烟雾报警、视频跟踪等，具有很好的实用价值和前景。

    2.方案论证与设计
    2.1理论分析
目前关于家庭内部网络有许多解决方案，其主要应用无线技术。它省去了花在布线上的费用和精力;灵活性和流动性也符合家庭网络通信的特点，从WI-FI到蓝牙，再到今天短距离通信的热点ZigBee/无线定位、无线传感器网络。常用的无线通信协议有802. 11b、Bluetooth、UWB、802.15.4 (Zi gBee)和自定义协议; 802. 11b 因为功耗高而应用不多，Bluetooth 工作在2.4 GHz频段，传输速率可达10Mbps;缺点是传输距离只有10m 左右，完整协议栈需要有250KB的存储单元，不适合使用低端处理器。

    ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只需32 KB，可以嵌入各种设备中;在通信时，它的连接时间短，可以大大减少通信数据碰撞的概率;在网络安全方面，它对所传输的数据信息进行加密，安全性高，同时支持地理定位功能。以上特点决定Zi gBee技术非常适合应用在无线传感器网络中。

    2.2器件比较及介绍
   目前市场上常见的支持ZigBee 协议的芯片有很多种类。比如: 飞思卡尔Zi gBee射频芯片MC13192,但是它需配置相应的微处理器，结合MCU和外围传感器构成传感器节点。还有Chipcon公司的CC2420芯片，应用也较广泛。采用IEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式、内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，采用低电压供电(2. 1~3. 6V)、超低电流消耗等优点，它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。

    Chipcon公司的CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，而且不仅具有    CC2320芯片的所有优点，在单个芯片。上整合了ZigBee射频(RF)前端、微控制器和内存，主要集成了80C51、内存、8-14位模数转换、两个LED驱动端口，使得外围电路更加简单。

    CC2430芯片的主要特点如下:
    高性能和低功耗的8051微控制器核、集成符合IEEE802.15. 4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机、优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性、在休眠模式时
    仅0.9 μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 μA的流耗,外部的中断能唤醒系统、硬件支持CSMA/CA功能、较宽的电压范围(2.0~3.6V)、数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能、具有电池监测和温度感测功能、集成了14位模数转换的ADC、集成AES安全协处理器、带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802. 15. 4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器、强大和灵活的开发工具。

    CC2430芯片的外围电路很少，连接简单，具体连接如图1所示。



    目前，国内外嵌入式射频芯片中，CC2430芯片是性能最好、功能更强的-一个。
    它结合了市场领先的Z-StackTM Zi gBeeTM协议软件和其他Chipcon公司的软件工具，为开发出无接口、紧凑、高性能和可靠的无线网络产品提供了便利。相信在未来几年，它的应用将会涉及到社会的更多领域。

    2.3设计方案论证.
    基于以上的原因，我们决定采用TI公司的CC2430芯片为核心器件，采用星型的网络结构，在ZigBee协议的基础上建立了一个无线智能家居系统。其具体实现图形见图2.3所示。


从上图可以看出，本系统采用的是星型网络结构，协调器就是整个系统的核心，它负责网络的建立、终端节点的加入、数据的接收和发送等功能。而终端节点之间不能互相通信，只能与协调器对话，它们的功能是实时地把采集到的数据通过射频模块发送给协调器，并且检测协调器是否有数据发送给终端节点，如果有，便执行相应的操作。

    3.系统实现
    3.1硬件设计系统硬件包含协调器与终端节点两部分，其核心器件皆为CC2430，即是处理器模块，下面分别对其电路构成作简要描述。

    3.1.1协调器的硬件框图协调器的主要功能是自组织网络，并且把接收的终端节点信息，显示到液晶屏上;并可以通过操作杆发送相应的信息给终端节点，使其小灯点亮。。它没有传感器模块，但是比终端节点多了液晶显示和操作杆，其硬件框图如图4. 1.2所示。



    其中液晶屏显示各个终端节点采集到的数据;操作杆用来输入控制字，实现对终端节点的操作;LED则是用来表示通信是否成功。这三个模块就是分别通过I0口与处理器模块(CC2430) 连接的。

    3.1.2终端节点的硬件框图终端节点设备相对于协调器来说功能要简单，不需要对网络进行管理，它只负责传感器数据的采集和处理、数据的接收和发送以及终端设备自身的控制管理。但在硬件电路方面，比协调器多了传感器模块，因为它要负责采集室内的信息，如温度、光强等。还加入了两个LED显示，作为接收指示灯。终端节点的整个硬件框图如图4.2. 1所示。



    从上图可以看到，终端节点设备在硬件电路上比协调器少了液晶显示，但多了传感器模块、电源模块和LED。而传感器模块和LED则是通过I0口接入到处理器模块(CC2430)中的。
    在电源模块中，用9V电池供电，通过开关电源器件MC34063AD分别转换成+5V、-5V。其中+5V和-5V分别给运放提供正负电压，+5V还给传感器模块提供工作电压。系统中用到了一个3.3V电压，给CC2430提供外部电压，通过AMS1117,把+5V稳压到3.3V。其具体框图见图4.2. 2所示。



在传感器模块中，温度和亮度的采集分别是用AD590和光敏电阻，而湿度传感器信号则用电压代替。由于它们输出的都是模拟信号,所以传感器信号先通过运放(OPA228)，再经CPU中的AD转换器变换为12 位的数字信号，并实时传输给协调器。其具体应用见下图4.2.3。



    在传感器模块中，0PA228起到的是电压跟随器的作用。
    硬件电路中还有两个LED，它们是用来演示协调器对终端节点的控制。
    在硬件设计过程中，首先要实现接入信号的标准化，即将模拟电压信号转换.
    为数字信号，对传感器才采集到的信息进行模数转换;其次将数字化的信号通过信道模块发送，运用CC2430完成基于ZigBee技术的无线收发功能。

   3.2软件设计
    本设计使用Zigbee无线传感技术来构建星型传感器网络，利用TI公司的CC2430的无线收发功能实现终端节点和协调器节点之间的通信和控制。

    3.2.1 Zi gbee协议简介Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，适用于组建低成本、低功耗的无线网络。Zigbee无线传感器网络是基于IEEE802. 15.4技术标准和Zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络。
    Zigbee协议栈是基于IEEE802. 15. 4的无线网络标准，由一-组子层构成。每层为其上层提供一-组特定的服务(一个数据实体提供数据传输服务，-一个管理实体提供全部其他服务)。Zigbee协议栈的体系结构如下图5. 1.1所示。



    Zigbee协议栈给予标准的七层开放式系统互联(OSI) 模型，但只对涉及Zigbee的层予以定义。IEEE802. 15.4- -2003标准定义了最下面两层:物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。 Zigbee 联盟提供了网络层(NP)和应用层(APS)框架的设计。相比与常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，具体实现的要求很低。
    本设计基于Zigbee协议由-一个网络协调器FFD设备和多个子节点RFD设备组建成-一个星型的LRWPAN网络。该LR-WPAN网络组件和拓扑关系如下图5.1.2:



    3.2.2传感器节点软件设计
    本设计中在传感器节点上集中了光敏、温度、湿度传感器等，它们感知周围环境的状态，获得的是模拟信号，经CC2430芯片中A/D转换模块处理成数字信号，再由发送控制模块利用天线发射出去。在A/D转换中给每个传感器设置不同的通道，并采用时序控制它们依次进行转换。
    传感器节点软件设计流程图如下图3.2.3所示:



    3.2. 3协调器节点软件设计本设计实现了协调器对终端子节点的两种操作:一是查看终端节点感知到的周围环境状态并显示;另--种是对终端节点进行功能性控制操作。
    协调器主节点是整个无线网络的管理员，它负责网络的建立、地址的分配和子节点的加入、节点设备数据的更新、数据转发表、设备关联表的维护并根据网.
    络的状况自动更新等。协调器主节点通过广播查询方式查找一定空间内的子节点，并给每个子节点编号组网，当查找到某节点时就将其添加入网络，否则将其删除。协调器主节点还可以通过操作控制杆来控制调节各传感器子节点的状态。
    协调器节点的软件设计流程图如下图3.2.4所示:



    3.2.4有关无线通信软件的设计
    图3.2.3与图3.2.4所示软件流程图中，无线通信协议软件的实现是一-项重要的工作。由于TI公司提供了一-套完整的有关利用CC2430器件实现ZigBee协议的Z-Stack协议栈，因此，我们只是在该协议栈的基础上(物理层与MAC层), .
    调用相应的接口模块以及对其参数做一些修改,使其能较好地实现我们所需的功能。鉴于这一点，我们就省略了对该过程的描述。

    4.作品性能测试与分析
    4.1系统测试方法把终端节点分别放到不同的位置,并打开协调器和终端节点的电源，之后就可以测试了。

    4.2测试性能概览
    协调器先上电,然后再打开其他终端节点电源。由于每一一个终端节点的号码已经设好，所以液晶屏上会循环显示各个节点的信息。当有节点没有连接上时，当前的显示会跳过此节点，显示下一个节点的信息。协调器通过操作杆实现对终端节点的控制，当有按键按下时，表示有一一个控制字发送，当终端节点接收到此信息后，就点亮相应的灯。.
    在实际测量的时候需要测量的数据有:自动组网功能(在添加或者删除节点的时候，系统是否能正常工作)、湿度测量(用电压代替)、温度测量、光强测量、电源电压测量、射频信号强度测量、协调器控制终端节点相应操作。

    4.3性价比评估
    在本次设计中，考虑到了成本问题，所以选用已经把射频、微处理器、ADC等功能集成到一个芯片.上的CC2430。这样外围电路就很少，降低了成本。而电源和传感器部分，都可用很低价格买到适合本次设计所用的元件。其中由于湿度传感器和温度传感器价格较高，我们只使用了2个，其余的用电压代替其输出值。
    但是本设计所实现的功能却没有减少，终端节点和协调器之间可以相互通信，进行数据交换，完成星型网络的建立，也能通过协调器控制终端节点的执行相应的操作。
    智能家居是未来家居的发展方向，在以后的设计中有很大的发展空间。本设计成本低、体积小、耗电少、功能强、具有很好的发展前景，总的来说性价比很高。

    5.总结及改进
    通过系统方案的探讨,我们设计了一个无线传感网络智能家居系统的演示平台。其内部通信网采用简单的星型拓扑结构，该网络具有自组织能力，节点异常时能够自动采取相应的措施来保证系统的正常运行。工作模式的转换降低了节点功耗，延长节点使用寿命。实现了ZigBee技术和智能家居系统的有效结合。

    我们实现的系统有如下特点:
    成本低:在本系统中唯一需要成本投入的是硬件器件。而我们在硬件设计时已经充分考虑到硬件成本问题，采用的是CC2430，因为它已经把射频、微处理器、ADC等功能集成到一个芯片上，而且外围电路很少，相应需要的元器件就少，成本就降低了，而且运行稳定。

    体积小:在设计的时候充分考虑到节点体积大小，在不影响系统性能的前提下尽量缩小PCB板大小，达到便于携带、便于演示的目的。

    低功耗:由于所设计的节点都是采用电池供电,所以这是一个很重要的指标。

    我们在两方面采取措施，最大程度降低系统功耗:首先在硬件方面使用使用毫安级别的CC2430芯片，使功耗大大减低;其次在软件设计方面，采用定时器方式，是节点在需要发送数据时才进入工作状态，其他情况则处于睡眠状态。结合这两方面的努力，我们把功耗降到最低。
    采用模块化的思想，设计了协调器和终端节点的硬件电路，并根据已经封装好的通讯协议和算法，解决了无线传输过程中的种种问题。
    可以增加新节点或者删除节点;当有新的节点加入或以前节点退出时，不影响整个系统的正常工作。
    针对目前设计的系统而言，需要改进和提高的地方有:
    提高集成度，缩小节点体积。
    优化软硬件结构，增加更多的功能，进一-步降低功耗。

    本设计采用遵循IEEE 802. 15. 4标准的低功耗无线收发芯片CC2430，实现了协调器和终端节点的对话，完成了智能家居系统中最基本的一一步， 提供了一个应用和消息传输的例子。我们所建立的这个平台可以有更多的发展空间，比如:加上摄像头，定期对房间进行检测;报警器等。我们希望在以后的努力中进一-步完善智能家居系统。

满座衣冠胜雪

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