摘要：隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)家居智能化的要求逐漸成為一種趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)一種基于CC2430的智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)介紹了其無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作原理、硬件電路構(gòu)成及軟件設(shè)計(jì)，用無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)智能家居的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行替代。
　　關(guān)鍵詞：智能家居 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) CC2430 ZigBee
　　1 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)概述
　　1.1 ZigBee技術(shù)
　　 ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于小型設(shè)備的線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域, 已被業(yè)界認(rèn)同為傳感網(wǎng)絡(luò)的基本通信組件。ZigBee協(xié)議棧小于32kB，有助于降低對(duì)嵌入式處理器的性能和存儲(chǔ)容量的要求，從而降低成本。
　　1.2 ZigBee協(xié)議層次
　　 IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)為低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(1ow- rate wireless personal network，LR．WPAN) 制定了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議棧共分為五層，從底層到高層依次為：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用匯聚層和高層應(yīng)用規(guī)范層。網(wǎng)絡(luò)層上的協(xié)議由Zig-Bee聯(lián)盟負(fù)責(zé)，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)則制定底下兩層，即物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用匯聚層把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性和多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能網(wǎng)絡(luò)層將采用基于Ad Hoc技術(shù)的路由協(xié)議，除了包含通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，還應(yīng)該與底層的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)同樣。
　　2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　 智能家居系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)，與智能家居設(shè)備相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，功能控制模塊和對(duì)應(yīng)的家居設(shè)備構(gòu)成。
　　 本文提出了一種將功能控制模塊和通信模塊(智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器)分開實(shí)現(xiàn)的方案，功能控制驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口，并為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)、每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器功能的分節(jié)點(diǎn)和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個(gè)ZigBee無線收發(fā)模塊。系統(tǒng)采用該設(shè)計(jì)方案，可以方便地組建智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，與各個(gè)家居設(shè)備進(jìn)行通信，當(dāng)新加入家居設(shè)備時(shí)，只需要對(duì)功能控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的修改，當(dāng)刪除家居設(shè)備時(shí)，也只需要移除相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)。
　　3 ZigBee無線芯片的選擇
　　 無線傳感器模塊采用芯片CC2430。該款芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有32/64/128 KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown Out Detection)以及21個(gè)可編程I/O引腳。
　　 CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：
　　高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核；
　　適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4 的RF收發(fā)器；
　　極高的接收靈敏度和抗干擾性能；
　　只需一個(gè)晶體，即可滿足組網(wǎng)需要；電流消耗小(當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz時(shí)。Rx為27mA，Tx為25mA)；
　　掉電方式下，電流消耗只有O.9ｕA，外部中斷或者實(shí)時(shí)鐘(RTC)能喚醒系統(tǒng)；掛起方式下，電流消耗小于O.6ｕA，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；
　　硬件支持避免沖突的載波偵聽多路存取(CSMA/CA)；
　　電源電壓范圍寬(2.O～3.6 V)；
　　支持?jǐn)?shù)字化的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器/鏈路質(zhì)量指示(RSSI/LQI)；
　　電池監(jiān)視器和溫度傳感器；
　　2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART；
　　4軟件設(shè)計(jì)
　　4.1網(wǎng)絡(luò)控制器(分節(jié)點(diǎn))軟件設(shè)計(jì)
　　 網(wǎng)絡(luò)控制器的功能主要分為兩個(gè)部分，即建立網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。ZigBee控制器通過掃描一個(gè)空閑信道來創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，接收新節(jié)點(diǎn)加入并分配網(wǎng)絡(luò)地址，維護(hù)一個(gè)目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)列表，支持獨(dú)立掃描程序來確保以前的連接設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò)，并將主機(jī)端監(jiān)控程序發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求或控制命令信號(hào)發(fā)送出去。
　　4.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
　　 ZigBee節(jié)點(diǎn)工作軟件通信流程就是當(dāng)模塊節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)之后，CC2430等待定時(shí)器中斷，然后啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，最后數(shù)據(jù)打包通過RF將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)控制器，網(wǎng)絡(luò)控制器在對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，再進(jìn)行后續(xù)處理。
　　5 結(jié)束語
　　 根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能家居網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和需求，提出了基于CC2430的智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成方案，詳細(xì)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的配置合理，通信協(xié)議簡單，功耗低，不需要進(jìn)行布線，在對(duì)原有的家居環(huán)境進(jìn)行智能化升級(jí)方面有良好的市場(chǎng)前景。