姚國風+莊斌++趙大明++霍曉蕊

摘 要： 通過比較各種短距離無線通信技術，選取ZigBee無線傳輸技術作為智能家居系統(tǒng)無線傳輸設計。介紹了ZigBee的網絡結構和ZigBee芯片選型，并分析基于CC2530的組網流程。結合系統(tǒng)設計，給出了終端節(jié)點RF無線收發(fā)核心模塊、模擬開關量多路復用及串口轉USB通信模塊、溫度傳感器采集模塊的硬件電路設計，并簡述了節(jié)點傳輸及數(shù)據(jù)采集、網絡協(xié)調器與節(jié)點協(xié)同工作的流程設計。最終，在不加PA（功放）增益的情況下，測得ZigBee無線傳輸模塊有效傳輸距離為90 m，能滿足組建智能家居個人無線網的需求。

關鍵詞： 智能家居系統(tǒng)； ZigBee無線傳輸技術； 組網流程； 流程設計

中圖分類號： TN915?34； TN98 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0081?04

0 引 言

如今，各種短距離無線通信技術應用廣泛。由各種短距離無線通信技術的數(shù)據(jù)[1]對比可知，ZigBee在自動組網（Mesh多跳網絡）、功耗以及成本等方面均比其他的無線通信技術在智能家居中更有優(yōu)勢，惟一能競爭的是Bluetooth，但智能家居設備工作模式大多處于睡眠模式，無需實時傳輸或連續(xù)更新。ZigBee通信技術具有低功耗、低成本、組網簡單等特點，且作為惟一的無線傳感器網絡技術的國際標準，是最適合大規(guī)模傳感器組網的短距離無線通信技術，適合組建家庭個人無線區(qū)域網。

1 基于ZigBee網絡的智能家居系統(tǒng)結構

智能家居系統(tǒng)以家庭為單位進行設計，每個單位均擁有一個獨立的協(xié)調器、多個ZigBee節(jié)點模塊。在協(xié)調器和每個子節(jié)點上均接有一個ZigBee無線通信接收模塊，數(shù)據(jù)通過這些模塊在協(xié)調器和子節(jié)點之間進行傳送，網絡拓撲如圖1所示。

圖1中，協(xié)調器是建立并維護無線網絡，識別網絡中的設備；路由器完成數(shù)據(jù)包的轉發(fā)；終端設備負責數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

2 系統(tǒng)設計方案及ZigBee芯片選型

本系統(tǒng)選用星型網絡，由協(xié)調器和若干個終端組成。網絡組成如圖2所示。協(xié)調器是網絡的核心，由其建立和監(jiān)督網絡的正常運行。

2.1 ZigBee芯片選型

本設計采用TI公司的MCU+射頻芯片CC2530為核心設計傳感器節(jié)點，之所以選用該芯片的原因如下[2?4]：

（1） 集成單片機C8051、模數(shù)轉換器ADC、無線通信模塊ZigBee于一體，提高了單片機與無線通信模塊通信時的可靠性，同時也減小了體積。

（2） 支持最新的ZigBee 2007/PRO協(xié)議，通信距離更遠，組網性能更可靠。

（3） 具有CC2530開發(fā)套件、CC2530ZigBee開發(fā)套件、用于RF4CE的CC2530RemoTI?開發(fā)套件、SmartRF?軟件、數(shù)據(jù)包嗅探器、可用的IAR嵌入式工作臺。

2.2 基于CC2530 的ZigBee芯片組網流程

一個具有網絡協(xié)調器功能的設備開始組網，網絡層將會請求MAC層對規(guī)定的CH信道或PHY物理層進行檢測，確定了通信的信道后便開始確定PANID（Personal Area Network ID，個人網絡標示符）。一個網絡只有一個PANID，由相同PANID的設備組成一個網絡。16位的PAN短地址（ZigBee芯片的IEEE地址）是設備加入網絡中分配的，網絡中不同設備的通信一般是由16位短地址來區(qū)分的，當然不同網絡的16位短地址是可以相同的。如圖3所示為ZigBee組網流程圖[5?7]。

3 系統(tǒng)軟硬件設計

3.1 終端節(jié)點無線傳輸及數(shù)據(jù)采集電路

硬件部分主要包含RF無線收發(fā)模塊、串口擴展及串口轉USB通信模塊、溫度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊等。除了溫度傳感器電路外，其實還可以在ADC接口允許或串口擴展的情況下，按實際的需求添加其他傳感器功能模塊。

3.1.1 RF無線收發(fā)模塊設計

在節(jié)點硬件設計中，主要有3個部分：通過模數(shù)轉換器ADC采集傳感器模塊的數(shù)據(jù)；完成ZigBee無線模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)；通過串口進行相應的主機控制。ZigBee無線模塊CC2530的硬件電路原理圖，如圖4所示。

CC2530其典型的外圍電路簡潔，時鐘采用32 MHz以及32.768 kHz無源晶振。電路的阻抗匹配網絡較為簡單，天線端接50 Ω鞭狀負極性天線。電路中可加入LED狀態(tài)指示燈，用于指示設備入網、退網等狀態(tài)。

3.1.2 模擬開關量多路復用及串口轉USB通信硬件設計

根據(jù)控制腳A，B的邏輯電平，從輸入信號IN1～IN4中選擇。運算放大器U1構成的電壓跟隨器的輸入阻抗較高，有效地降低了模擬開關通態(tài)電阻的影響。確定控制邏輯電平AB情況下，輸入輸出信號關系如表1所示。

表1 控制邏輯電平AB選定時，輸入輸出信號關系表

串口轉USB通信模塊為系統(tǒng)測試提供了便利。模擬開關量多路復用電路為用戶提供了豐富的模擬量接口擴展，可簡便地增加各種模擬量檢測，例如溫度檢測、紅外檢測以及濕度檢測等。串口轉USB通信電路如圖5所示。模擬開關量多路復用電路如圖6所示。

3.1.3 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集硬件設計

溫度傳感器選擇TI數(shù)字溫度傳感器TMP75芯片，TMP75兩線串行接口引腳SCL，SDA與I2C總線接口兼容，降低了設計難度。當溫度的檢測值超過設定的極限時，引腳ALERT輸出告警電平，上述3個引腳在實際連接中需要連接上拉電阻10 kΩ。A0，A1，A2全部接低電平，這樣TMP75器件的寫地址為0x90，讀地址為0x91，TMP75的設計原理圖如圖7所示。

3.2 終端節(jié)點無線傳輸及數(shù)據(jù)采集的軟件流程設計

終端節(jié)點無線傳輸及數(shù)據(jù)采集的軟件流程圖，如圖8所示。

設備初始化后，傳感器會依據(jù)協(xié)議搜尋并請求加入 網絡。得到確定后，傳感器會將本節(jié)點地址發(fā)送給協(xié)調器并自動建立綁定。在接收到數(shù)據(jù)傳送指令后，傳感器將采集值按時傳給協(xié)調器。

3.3 ZigBee網絡協(xié)調器與節(jié)點協(xié)調工作流程設計

在智能家居控制系統(tǒng)中，家居內網采用的是星狀網絡。當通過串口與PC機相連的網絡協(xié)調器開始組網，隨著終端設備的加入，開始進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。協(xié)調器和節(jié)點協(xié)調工作流程，如圖9和圖10所示[8?10]。

協(xié)調器和節(jié)點協(xié)同工作：

（1） 首先協(xié)調器開始組網，按照指定的信道和PAN_ID建立網絡；然后各個終端設備加入這一網絡，由此一個星狀網絡便可建立完成；

（2） 終端節(jié)點每隔一個周期向協(xié)調器發(fā)送地址信息和網絡信息，協(xié)調器接收到終端節(jié)點的信息后，將這些信息解析傳送給PC軟件，根據(jù)這些信息顯示當前網絡的拓撲結構圖。

4 系統(tǒng)硬件測試

系統(tǒng)使用IAR 8051 7.50版本應用程序的開發(fā)工具，ZigBee協(xié)議棧版本為TI_ZStack?1.4.3?1.2.1，對應標準的支持ZigBee 2006 pro及ZigBee 2007。在該測試試驗中，根據(jù)RF芯片CC2530外圍硬件的特點會有一些配置上的調整。主要關注的寄存器包括如下：

通過可編程寄存器FREQCTRL[6：0]的低7位來設置載波頻率，載波頻率fC表達式為（單位為MHz）：

fC=2 394+FREQCTRL[6：0]

IEEE 802.15.4?2006 指定2.4 GHz 頻段劃分為16個信道，步長值為5 MHz ，編號11～26，fC=（2 405+5（k-11）） MHz，k范圍為11～26，利用兩者相等可得出寄存器FREQCTRL.FREQ的值與信道之間的關系為：

FREQCTRL.FREQ = 11+5（k-11）

無線信號傳輸范圍（距離）的大小與發(fā)射功率、信道環(huán)境有關，適當增大發(fā)射功率可增大傳送范圍，但也是有限制的。另外增大發(fā)射功率也增大了電流，同時也會增加電路功耗。CC2530用TXPOWER寄存器控制輸出功率，通過改變TXPOWER寄存器的值，便可改變CC2530的發(fā)射功率。

5 結 語

因為智能家居系統(tǒng)是一種低數(shù)據(jù)率網絡，所以應用ZigBee網絡有較大優(yōu)勢。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在低功耗、低成本、高可靠性、網絡容量大。從本系統(tǒng)設計中可看到，基于CC2530芯片的ZigBee系統(tǒng)軟、硬件設計，可以根據(jù)其他控制的需求，簡便地加入其他無線傳感器模塊，具有較強的延伸性和可移植性。

參考文獻

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