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ZigBee在智能家居无线数传中的实现
作者：RFID世界网 收编
来源：维库
日期：2011-08-25 09:11:50
摘要：伴随着MEMS技术和无线通讯技术、传感器技术的飞速发展，无线传感器网络在工业控制、军事生产、生活、医疗、教育科研中有了更广泛的应用。为此，论述了在智能家居中一种架构于CC2430芯片基础上面的无线数据传输模块的设计方法。
ZigBee技术是一种最新兴起的功耗较低、数据传输速率低、传输距离短、低成本、复杂度低的无线网络技术，IEEE80211514是它的基础标准，这是IEEE无线个人区域网PAN（PersonalAreaNetwork）工作组的一项标准。伴随着MEMS技术和无线通讯技术、传感器技术的飞速发展，无线传感器网络在工业控制、军事生产、生活、医疗、教育科研中有了更广泛的应用。为此，论述了在智能家居中一种架构于CC2430芯片基础上面的无线数据传输模块的设计方法。
1 ZigBee技术及其优势
ZigBee技术是一种新兴的无线网络技术，具备了IEEE80211514强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；并增加了逻辑网络层、网络安全层和应用层。ZigBee的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合，其技术的主要优点：①数据传输速率低；②功耗低；③通信可靠性高；④时延短；⑤网络容量大；⑥数据的安全性高。
由于无线传感器网络本身要求节点密集、节能、方便路由等技术特点，可以看出应用ZigBee技术作无线传感器网络节点的无线通讯是可行的。
2 CC2430芯片简介
CC2430是芯片巨人TI公司收购无线单片机公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在CC2420的基础上绑定了ZigBee协议栈，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM和其他一些功能，适用于IEEE80211514和ZigBee应用。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA.CC2430芯片的主要特点如下：
①较宽的电压范围（210～316V）；
②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019μA的流耗，外部中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于016μA的流耗，外部中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA功能；
③4种可编程功耗模式；可编程的看门狗定时器；上电复位功能；支持硬件调试功能；
④8KB的SRAM,其中4KB可在所有功耗模式下保持数据；兼容RoHS的7×7mmQLP封装；
⑤32MHz单指令周期低功耗的8051微控制器核；集成兼容IEEE80211514标准214GHz频段的RF无线电收发机；
⑥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IEEE80211514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。
3 总体硬件设计
智能家居安防中的红外检测设计与实现主要要求检测屋里是否有人入侵，无论是潜伏里面的或是刚进入的，能把报警信息反馈到主人跟物管处，方便主人无论是白天或晚上外出，能知道家里情况。检测只能在屋里进行，排除屋外的检测，造成报警干扰。故检测部分选用红外，其优点为：
①探测器只响应红外线，故白天、黑夜均可以工作；
②能鉴别出运动的生物与其他非生物；
③能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号；
④遇障碍物通讯中断。
其中无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，大大地简化了射频电路的设计。
传感器模块采用集成红外线探测传感器PD632和微功率运算放大器HT9274集成电路。电源模块采用两节115V的5号电池供电。在设计中CC2430的引脚P115用于SCK,P111用于DATA输入，P112用于数据传送时亮灯显示。
4 程序设计
系统的软件架构由数据采集端软件和数据接收端的软件组成，都包含有发射程序和接收程序。其中都含有初始化的程序。其中初始化的程序主要是对单片机射频芯片SPI等进行初始化设置；发射程序将打包的数据包通过单片机的SPI接口送至射频发生模块输出；接收程序完成终端采集数据的接收并做出相应的处理。其中数据采集软件流程图如图1所示。在数据采集和数据传输过程中，MCU微控制器首先初始化管理跟信道的选择，低功耗定时器运行准备接收信号，等待传感器请求信号，假如请求合法，则初始化采集数据，采集完毕后通过CC2430发送，完成数据采集功能。
下面给出数据采集主程序。
在总结归纳对芯片CC2430已有研究设计的基础上，阐述了基于CC2430的无线传感器网络节点硬件和软件的设计与实现。经实验测试，节点能够采集红外的检测数据并将采集的数据传回主机，实现智能家居中的红外报警信号的收发。本文的研究为进一步的安防系统设计提供了一种设计方案。
通过努力，一个功能更加完善，并且基于ZigBee技术的智能家居安防系统将会得到应用。
1 ZigBee技术及其优势
ZigBee技术是一种新兴的无线网络技术，具备了IEEE80211514强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；并增加了逻辑网络层、网络安全层和应用层。ZigBee的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合，其技术的主要优点：①数据传输速率低；②功耗低；③通信可靠性高；④时延短；⑤网络容量大；⑥数据的安全性高。
由于无线传感器网络本身要求节点密集、节能、方便路由等技术特点，可以看出应用ZigBee技术作无线传感器网络节点的无线通讯是可行的。
2 CC2430芯片简介
CC2430是芯片巨人TI公司收购无线单片机公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在CC2420的基础上绑定了ZigBee协议栈，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM和其他一些功能，适用于IEEE80211514和ZigBee应用。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA.CC2430芯片的主要特点如下：
①较宽的电压范围（210～316V）；
②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019μA的流耗，外部中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于016μA的流耗，外部中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA功能；
③4种可编程功耗模式；可编程的看门狗定时器；上电复位功能；支持硬件调试功能；
④8KB的SRAM,其中4KB可在所有功耗模式下保持数据；兼容RoHS的7×7mmQLP封装；
⑤32MHz单指令周期低功耗的8051微控制器核；集成兼容IEEE80211514标准214GHz频段的RF无线电收发机；
⑥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IEEE80211514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。
3 总体硬件设计
智能家居安防中的红外检测设计与实现主要要求检测屋里是否有人入侵，无论是潜伏里面的或是刚进入的，能把报警信息反馈到主人跟物管处，方便主人无论是白天或晚上外出，能知道家里情况。检测只能在屋里进行，排除屋外的检测，造成报警干扰。故检测部分选用红外，其优点为：
①探测器只响应红外线，故白天、黑夜均可以工作；
②能鉴别出运动的生物与其他非生物；
③能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号；
④遇障碍物通讯中断。
其中无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，大大地简化了射频电路的设计。
传感器模块采用集成红外线探测传感器PD632和微功率运算放大器HT9274集成电路。电源模块采用两节115V的5号电池供电。在设计中CC2430的引脚P115用于SCK,P111用于DATA输入，P112用于数据传送时亮灯显示。
4 程序设计
系统的软件架构由数据采集端软件和数据接收端的软件组成，都包含有发射程序和接收程序。其中都含有初始化的程序。其中初始化的程序主要是对单片机射频芯片SPI等进行初始化设置；发射程序将打包的数据包通过单片机的SPI接口送至射频发生模块输出；接收程序完成终端采集数据的接收并做出相应的处理。其中数据采集软件流程图如图1所示。在数据采集和数据传输过程中，MCU微控制器首先初始化管理跟信道的选择，低功耗定时器运行准备接收信号，等待传感器请求信号，假如请求合法，则初始化采集数据，采集完毕后通过CC2430发送，完成数据采集功能。
下面给出数据采集主程序。
在总结归纳对芯片CC2430已有研究设计的基础上，阐述了基于CC2430的无线传感器网络节点硬件和软件的设计与实现。经实验测试，节点能够采集红外的检测数据并将采集的数据传回主机，实现智能家居中的红外报警信号的收发。本文的研究为进一步的安防系统设计提供了一种设计方案。
通过努力，一个功能更加完善，并且基于ZigBee技术的智能家居安防系统将会得到应用。
