智能家居系统中无线传感器网络的设计

智能家居系统中无线传感器网络的设计摘要：本文主要介绍ZigBee无线传感器网络，将ZigBee技术应用到智能家居系统中。提出了一种以ZigBee技术为基础的智能家居系统设计方案。阐述了无线传感器网络的总体构成，CC2430无线芯片为棱心，选取了合适的ZigBee模块进行了硬件电路设计。研究并分析了ZigBe技术。设计并实现了串口收发程序，传感器程序，以及节点间的无线通信程序，并根据ZigBee协议，使节点组成树状网络，最终实现系统的监测与控制。结果表明，本系统运行稳定，达到了设计目的，有着广泛的应用前景。关键词：智能家居;无线传感器网络;ZigBee;CC2430随着时代的发展，人们将更多的注意力放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，从而出现了智能家居的概念。智能家居控制系统使人们可以对家居内的任意电器进行数字化控制，利用计算机技术、网络通讯技术将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起，进行集中管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。本文以ZigBee技术对智能家居内部进行无线网络组网，通过ZigBee无线传感器网络节点的设计，实现节点对各种传感器信息的采集、传输和控制功能。1Zigbee技术ZigBee技术是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术，遵循IEEE802.15.4标准。它专注于低速率传输控制，网络容量大，时延短，提供数据完整性检查，加密算法采用AES-128，网络扩充性强，有效覆盖范围为10～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭环境，通信频率采用2.4GHz免执照频段。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅定义了MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟则对其网络层和应用层进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。2系统结构设计无线传感器网络系统主要由传感器、CC2430无线模块构成，结构图如图1所示。无线传感器网络采用树状结构，网络中有一个协调器，负责整个网络中数据的处理、转发以及网络的管理。终端节点(传感器节点)上电复位后，会搜索协调器节点，当能够搜索到协调器时，直接申请加入网络。当终端节点搜索不到协调器时，这时就会通过路由器节点找到协调器来加入网络。加入网络后保持待机状态，当有数据需要发送时，按照组网时的路径来收发数据信息。协调器通过串口与PC机相连，利用超级终端实现发送命令或者显示数据。3硬件电路设计本文设计的无线传感器网络系统的硬件结构主要由协调器模块，路由器模块，传感器模块，串口转换模块，供电模块以及PC机等组成。其中协调器、路由器、传感器3个模块作为主要的无线通信模块，由主控芯片CC2430作为数据处理以及无线收发器。其系统硬件电路结构示意图如图2所示。3.1主控芯片选用CC2430芯片作为无线收发器和数据处理及控制器。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它采用增强型8051MCU、32/64/128kB闪存、8kBSRAM等高性能模块，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器。32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。3.2无线模块设计1)协调器模块协调器节点由电压转换模块、按键模块、LCD模块、LED指示灯、时钟、处理器CC2430、天线等部分组成。CC2430的工作电压为3～3.3V，所以要用电压转换模块把电压从5V降低到3.3V左右;LED指示灯用来显示协调器节点网络状态信息(如是否组网成功);LCD模块是用户和传感器网络的交互界面，用来显示功最长能菜单，用户通过按键来选择功能菜单。其电路图如图3所示。2)传感器模块与路由器模块传感器模块亦即是终端节点模块，由传感器、处理器CC2430、天线、LED指示灯、时钟等部分组成。LED指示灯由P1.0、P1.1口控制。传感器模块就是在协调器模块的基础上去掉了LCD，而加入了传感器。传感器选用了DHT11温湿度传感器，与P0.0口相连，来负责数据采集。路由器模块与传感器模块的硬件电路相同，只是在编程实现功能上有所不同。4无线网络系统软件设计在ZigBee网络中，只有那些可以成为ZigBee协调器的设备才能建立新网络。协调器首先执行信道扫描，如果发现了一个合适的信道，协调器就要为新网络选择一个PANID，然后协调器进入监听状态，随时响应其他节点的入网请求。ZigBee网络有两种设备类型：全功能节点(FFD)和半功能节点(RFD)。RFD为终端节点，FFD可以作为协调器或路由。软件设计包括网络协调器程序以及路由器、终端节点程序。它们均包括初始化程序、协议栈配置、组网方式配置程序、各处理层设置程序以及发射程序和接收程序。初始化程序主要是对CC2430、协议栈、UART串口等进行初始化;发射程序将所采集的数据通过CC2430调制并通过DMA直接送至射频输出;接收程序完成数据的接收、远传及返回信息处理。主程序流程如图4所示。主程序主要分为2部分，网络协调器程序以及路由器、终端节点程序。对于网络协调器主程序，首先初始化CC2430，然后初始化协议栈。之后程序建立一个新的网络，确定网络的ID号和频道号。之后程序开始进入监测状态。如果有新的设备请求加入网络，则为其分配网络地址，批准其加入网络。同样，协调器接收终端设备无线发送来的信息，并通过串口发送给上位机，或者从上位机得到命令，发送过终端设备。对于路由器、终端节点程序，首先初始化CC2430，然后初始化协议栈。之后程序开始搜索网络，当附近存在网络时，则申请加入网络。之后程序进入待机休眠状态。如果终端传感器有信息要发送，或者接收到协调器的命令，则唤醒设备，进行无线发送或接受。当事件处理完时，重新进入待机休眠状态。5系统实现系统的功能主要包括以下几个方面：建立树状网络拓扑结构;查询网络中各节点信息和传感器数据，如电池电量、节点温度信息等;控制节点的开关功能。本系统使用了4个无线网络节点，这样能够组成一个基本的无线网络。并且根据情况做了多种组网测试：1)1个协调器节点，3个终端节点;2)1个协调器节点，1个路由器节点，2个终端节点;3)1个协调器节点，2个路由器节点，1个终端节点。在2)和3)情况下，根据节点与协调器节点之间距离、各节点彼此之间距离的不同，又会产生多种组网方式。例如2)情况下，终端节点离协调器近的话，会直接与协调器连接;而当搜索不到协调器时，就会通过路由器来连接。图5为3)情况下的一种网络结构。图5所示为C51RF-WSN网络监控软件所截图，通过此软件，可以实时查看网络状态，并能向各个节点发送命令信息，例如查看网络状态，查看信号质量，电池电量，采集数据信息等。智能家居系统的终端节点可以包括许多内容，从而实现一些子系统。例如：照明系统，调温系统，报警系统，家电控制系统等。在我们设计的无线网络系统中，实现了远程控制灯开关照明;利用DHT11温湿度传感器实现终端节点的温湿度监测，其信息能够在PC机上很好的显示出来。图6所示为传感器所测2个路由器节点与1个终端节点的温湿度信息。6结束语针对我国智能家居快速发展的背景，本文对基于ZigBee技术的智能家居组网进行了软硬件设计。ZigBee无线传感器网络系统以CC2430无线射频芯片为核心，节省了成本，并且终端节点小巧，放置灵活，功耗极低，提高了监控能力，再加上采用树状网络结构使得通信更加可靠，易于控制，非常方便实用，并且成本低廉。因此，ZigBee技术将会有广阔的应用前景。参考文献：[1]方治华.振动系统特征值灵敏度分析的研究及应用.包头钢铁学院学报,1997,16(1):70‐74.[2]严天宏等.振动主动控制中传感器/作动器最优配置问题的模拟退火方法研究.振动与冲击,2000,19(2):1‐4.[3]张宏伟,徐世杰,黄文虎.作动器/传感器配置优化的遗传算法应用.振动工程学报,1999,12(4):529‐534.[4]黄维平,刘娟,李华军.基于遗传算法的传感器优化配置.工程力学,2005,22(1):116.[5]林贤坤,张令弥,郭勤涛等.协同进化遗传算法在传感器优化配置中的应用.振动与冲击,2009,28(3):195‐199.