基于ZigBee技術(shù)的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計
出處：chunyang 發(fā)布于：2011-09-28 10:02:34
摘 要：主要介紹基于ZigBee 技術(shù)的射頻芯片CC2420 與M SP430449 單片機為的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案和軟件流程設(shè)計。實現(xiàn)了在家庭環(huán)境中對溫度、濕度以及燈光的控制。
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展， 人們生活水平的不斷提高， 一個高度安全， 舒適， 方便的生活環(huán)境越來越為人們所向往。而自動控制領(lǐng)域的快速發(fā)展， 使這些要求完全被滿足?，F(xiàn)有的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)， 有很多是采用有線技術(shù)進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。這類方案擴展性能差， 布線煩瑣， 影響美觀， 線路容易老化， 或腐蝕。即使布線選擇嵌入墻壁內(nèi)， 更換起來也十分不方便。采用無線方式構(gòu)建家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)， 則可以避免這些不必要的麻煩。而且， 無線方式相對靈活， 只要在有效范圍內(nèi)， 傳感器終端可以依據(jù)要求隨意安放。然而， 無線家庭環(huán)境監(jiān)測一直未得到廣泛應(yīng)用， 一個很主要的原因就是目前的無線通訊產(chǎn)品造價很高， 使其廣泛推廣遇到很大阻力。
隨著近年來人類在微電子機械系統(tǒng)， 無線通訊， 數(shù)字電子方面取得的巨大成就， 使得發(fā)展低成本， 低功耗， 小體積， 短距離通訊的傳感器成為可能。ZigBee 的出現(xiàn)就解決了這些問題。由于ZigBee 技術(shù)具有功耗極低， 系統(tǒng)簡單， 組網(wǎng)方式靈活， 成本低等性能， 相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更適合與組建家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。
1 ZigBee 簡介
隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展， 許多本來存在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)逐漸走向成熟。近幾年來， IEEE （ Institute of Electrical and Electronics Engineer） 802. 11 無線局域網(wǎng)絡(luò)的普遍以及IEEE 802. 16 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)標準化都使得無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越重要， 也有越來越多的相關(guān)應(yīng)用和產(chǎn)品出現(xiàn)。但是大多無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成本較高， 像藍牙。所以普及無線網(wǎng)絡(luò)， 低成本就成了一個至關(guān)重要的問題。為了滿足低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求， IEEE 標準委員會在2000 年12 月份正式批準并成立IEEE802. 15. 4 工作組， 任務(wù)就是開發(fā)一個低數(shù)據(jù)率的W PAN （LR2W PAN ） （無線個域網(wǎng)） 標準。它具有復(fù)雜度低、成本極少、功耗很小的特點， 能在低成本設(shè)備（固定、便攜或可移動的） 之間進行低數(shù)據(jù)率的傳輸。
因此， ZigBee 應(yīng)運而生， ZigBee 是部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。它是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 是一種介于無線標記技術(shù)和B lueToo th （藍牙） 之間的技術(shù)提案。它專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee 聯(lián)盟成立于2001 年8 月， 到目前為止， ZigBee 聯(lián)盟涵蓋了IT 領(lǐng)域以及其他行業(yè)的150 多家企業(yè)。有了這么多公司的支持， 可以毫不夸張地說：“在未來的數(shù)年內(nèi)， 從家用電器到玩具、從工廠控制到汽車控制， ZigBee 技術(shù)將走入我們生活的方方面面?！?/FONT>
2 ZigBee 技術(shù)優(yōu)點
①數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb? s～ 250kb?s, 專注于低傳輸應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)， 僅僅傳輸一些采集到的溫度，濕度之類的數(shù)據(jù)， 所以W SN （無線傳感器網(wǎng)絡(luò)） 對傳輸速率的需要不是那么高。
?、诠牡?。在休眠狀態(tài)下耗電量僅僅只有1LW , 通信距離短的情況下工作狀態(tài)的耗電為30mW , 在低耗電待機模式下， 兩節(jié)普通5 號干電池可使用6 個月以上。這也是ZigBee 的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。
③成本低。因為ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸速率低， 協(xié)議簡單， 所以大大降低了成本， 這也正是藍牙系統(tǒng)所不具備的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬的節(jié)點， 如果不能嚴格地控制節(jié)點的成本， 那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模必將受到嚴重的制約， 從而將嚴重地制約W SN 的強大功能。
?、芫W(wǎng)絡(luò)容量大。每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)多可支持65 000個節(jié)點， 也就是說每個ZigBee 節(jié)點可以與數(shù)萬節(jié)點相連接。由于W SN 的能力很大程度上取決于節(jié)點的多少， 也就是說可容納的傳感器節(jié)點越多，W SN的功能越強大。所以ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)容量大的特點非常符合W SN 的需要。
?、萦行Х秶?。有效覆蓋范圍在10m～ 75m 之間，但是可以擴展到數(shù)百米， 具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定， 基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
?、薰ぷ黝l段靈活。使用的頻段分別為2. 4GHz、868MHz （歐洲） 及915MHz （美國） , 均為免執(zhí)照頻段，具有16 個擴頻通信信道。
?、甙踩?。ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能， 硬件本身支持CRC 和A ES- 128。
⑧自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由。W SN 網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的， 無論是節(jié)點的能量耗盡， 或者節(jié)點被敵人俘獲，都能使節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)， 而且， 可以向已有的網(wǎng)絡(luò)加入新的傳感器節(jié)點。這就希望W SN 能具有動態(tài)組網(wǎng)、自主路由的功能， 而ZigBee 技術(shù)就正好能解決了W SN 的這一需要。
3 系統(tǒng)方案設(shè)計
在基于ZigBee 技術(shù)的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中， 數(shù)據(jù)采集終端包括溫度傳感器， 濕度傳感器和燈光調(diào)節(jié)器。
其中溫度傳感器可測量室內(nèi)溫度， 將測量的溫度發(fā)送給MCU ,MCU 將數(shù)據(jù)通過SP I 總線傳遞給無線收發(fā)芯片， 無線收發(fā)芯片將數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端。濕度傳感器類似。數(shù)據(jù)接收端接到數(shù)據(jù)后由MCU 處理數(shù)據(jù)： 如果溫度， 濕度正常， 液晶顯示該溫度和濕度； 如果溫度值超過指定范圍長達某個設(shè)定時間長度， 報警（蜂鳴器）。且液晶顯示該溫度， 濕度類似。
實時時鐘顯示數(shù)據(jù)采集的時間。
①硬件平臺設(shè)計。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端由傳感器。MCU 和無線收發(fā)芯片組成。MCU 與無線收發(fā)芯片通過SP I 總線連接，二者構(gòu)成無線傳輸模塊數(shù)據(jù)接收端采用相同的無線收發(fā)模塊， 并利用RS232 與PC 機通訊。其功能相當于一個接入點， 一方面將主機向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去， 另一方面接受采集數(shù)據(jù)并上傳給PC 機。
如圖1 所示， 主控MCU 選擇的是M SP430F449單片機， 選擇該芯片的原因是該芯片是一種超低功耗的單片機， 具有SP I 通訊方式和6 個I/O 口。采用CC2420 的原因是CC2420 支持ZigBee, 是一款低成本，低功耗， 高性能的無線收發(fā)芯片。其工作頻段為214GHz 的ISM 頻段具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力， 正常工作時需要的外圍功能電路少，與主控制器接口簡潔， CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802. 15. 4 標準的要求， 可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kb/s , 可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。對CC2420 的控制和操作十分方便。
?、谲浖O(shè)計。系統(tǒng)的軟件由C 語言編寫， 主要包括數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端的程序。其包括初始化程序， 發(fā)射程序和接受程序。初始化程序主要是對單片機， 無線收發(fā)芯片， SP I 等進行處理； 發(fā)射程序?qū)⒔⒑玫臄?shù)據(jù)包通過單片機送至無線收發(fā)芯片輸出； 接受程序完成數(shù)據(jù)的接受并進行處理。下面將給出數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)發(fā)送端的軟件流程圖。如圖3、圖4 所示。
4 結(jié) 論
利用TI 公司的M SP430F449 和CC2420 設(shè)計的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以用在家庭中， 也可以用于醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測等等。只需將傳感器換成可以完成特殊要求的即可。相信通過ZigBee 的愛好者努力一定能將ZigBee 推向一個新的研發(fā)高峰。
參考文獻:
[1]. CC2420 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CC2420+_213269.html.
[2]. RS232 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RS232+_585128.html.
[3]. PC datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PC+_2043275.html.
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