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基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计 　　摘 要： 通过比较各种短距离无线通信技术，选取ZigBee无线传输技术作为智能家居系统无线传输设计。介绍了ZigBee的网络结构和ZigBee芯片选型，并分析基于CC2530的组网流程。结合系统设计，给出了终端节点RF无线收发核心模块、模拟开关量多路复用及串口转USB通信模块、温度传感器采集模块的硬件电路设计，并简述了节点传输及数据采集、网络协调器与节点协同工作的流程设计。最终，在不加PA（功放）增益的情况下，测得ZigBee无线传输模块有效传输距离为90 m，能满足组建智能家居个人无线网的需求。 　　关键词： 智能家居系统； ZigBee无线传输技术； 组网流程； 流程设计 　　中图分类号： TN915?34； TN98 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0081?04 　　0 引 言 　　如今，各种短距离无线通信技术应用广泛。由各种短距离无线通信技术的数据[1]对比可知，ZigBee在自动组网（Mesh多跳网络）、功耗以及成本等方面均比其他的无线通信技术在智能家居中更有优势，惟一能竞争的是Bluetooth，但智能家居设备工作模式大多处于睡眠模式，无需实时传输或连续更新。ZigBee通信技术具有低功耗、低成本、组网简单等特点，且作为惟一的无线传感器网络技术的国际标准，是最适合大规模传感器组网的短距离无线通信技术，适合组建家庭个人无线区域网。 　　1 基于ZigBee网络的智能家居系统结构 　　智能家居系统以家庭为单位进行设计，每个单位均拥有一个独立的协调器、多个ZigBee节点模块。在协调器和每个子节点上均接有一个ZigBee无线通信接收模块，数据通过这些模块在协调器和子节点之间进行传送，网络拓扑如图1所示。 　　图1中，协调器是建立并维护无线网络，识别网络中的设备；路由器完成数据包的转发；终端设备负责数据的采集与传输。 　　2 系统设计方案及ZigBee芯片选型 　　本系统选用星型网络，由协调器和若干个终端组成。网络组成如图2所示。协调器是网络的核心，由其建立和监督网络的正常运行。 　　2.1 ZigBee芯片选型 　　本设计采用TI公司的MCU+射频芯片CC2530为核心设计传感器节点，之所以选用该芯片的原因如下[2?4]： 　　（1） 集成单片机C8051、模数转换器ADC、无线通信模块ZigBee于一体，提高了单片机与无线通信模块通信时的可靠性，同时也减小了体积。 　　（2） 支持必威体育精装版的ZigBee 2007/PRO协议，通信距离更远，组网性能更可靠。 　　（3） 具有CC2530开发套件、CC2530ZigBee开发套件、用于RF4CE的CC2530RemoTI?开发套件、SmartRF?软件、数据包嗅探器、可用的IAR嵌入式工作台。 　　2.2 基于CC2530 的ZigBee芯片组网流程 　　一个具有网络协调器功能的设备开始组网，网络层将会请求MAC层对规定的CH信道或PHY物理层进行检测，确定了通信的信道后便开始确定PANID（Personal Area Network ID，个人网络标示符）。一个网络只有一个PANID，由相同PANID的设备组成一个网络。16位的PAN短地址（ZigBee芯片的IEEE地址）是设备加入网络中分配的，网络中不同设备的通信一般是由16位短地址来区分的，当然不同网络的16位短地址是可以相同的。如图3所示为ZigBee组网流程图[5?7]。 　　3 系统软硬件设计 　　3.1 终端节点无线传输及数据采集电路 　　硬件部分主要包含RF无线收发模块、串口扩展及串口转USB通信模块、温度传感器数据采集模块等。除了温度传感器电路外，其实还可以在ADC接口允许或串口扩展的情况下，按实际的需求添加其他传感器功能模块。 　　3.1.1 RF无线收发模块设计 　　在节点硬件设计中，主要有3个部分：通过模数转换器ADC采集传感器模块的数据；完成ZigBee无线模块的数据收发；通过串口进行相应的主机控制。ZigBee无线模块CC2530的硬件电路原理图，如图4所示。 　　CC2530其典型的外围电路简洁，时钟采用32 MHz以及32.768 kHz无源晶振。电路的阻抗匹配网络较为简单，天线端接50 Ω鞭状负极性天线。电路中可加入LED状态指示灯，用于指示设备入网、退网等状态。 　　3.1.2 模拟开关量多路复用及串口转USB通信硬件设计 　　根据控制脚A，B的逻辑电平，从输入信号IN1～IN4中选择。运算放大器U1构成的电压跟随器的输入阻抗较高，有效地降低了模拟开关通态电阻的影响。确定控制逻辑电平AB情况下，输入输出信号关系如表1所示。 　　表1 控制逻辑电平A