无线传感器网络在智能家居中的应用
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摘要：随着计算机、网络通信和自动化技术的飞速发展，人们对家居智能化的要求逐渐成为一种趋势。本文设计一种基于CC2430的智能家居无线传感器网络，详细介绍了其无线传感器节点的工作原理、硬件电路构成及软件设计，用无线网络对传统智能家居的有线网络进行替代。
关键词：智能家居 无线传感器网络 CC2430 ZigBee
1 ZigBee标准概述
1.1 ZigBee技术
ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，主要应用于小型设备的线传感器网络、自动控制和远程控制领域, 已被业界认同为传感网络的基本通信组件。ZigBee协议栈小于32kB，有助于降低对嵌入式处理器的性能和存储容量的要求，从而降低成本。
1.2 ZigBee协议层次
IEEE标准化协会针对无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术为低速无线个人区域网络(1ow- rate wireless personal network，LR．WPAN) 制定了IEEE 802.15.4标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。ZigBee协议栈共分为五层，从底层到高层依次为：物理层，数据链路层，网络层，应用汇聚层和高层应用规范层。网络层上的协议由Zig-Bee联盟负责，IEEE标准化协会则制定底下两层，即物理层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全属性和多业务数据流的汇聚等功能网络层将采用基于Ad Hoc技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还应该与底层的IEEE 802.15.4标准同样。
2系统总体结构设计
智能家居系统主要由智能家居网络控制器主节点，与智能家居设备相连的智能家居网络控制器分节点，每个房间放置的充当路由器的智能家居网络控制器分节点，功能控制模块和对应的家居设备构成。
本文提出了一种将功能控制模块和通信模块(智能家居网络控制器)分开实现的方案，功能控制驱动模块实现与各种家居设备的接口，并为家居设备的功能执行机构，与相应的智能家居网络控制器分节点进行通信。智能家居网络控制器分节点、每个房间放置的充当路由器功能的分节点和智能家居网络控制器主节点组成ZigBee无线通信网络，是整个智能家居系统的通信网络。每个智能家居网络控制器包括一个ZigBee无线收发模块。系统采用该设计方案，可以方便地组建智能家居系统网络，与各个家居设备进行通信，当新加入家居设备时，只需要对功能控制模块进行相应的修改，当删除家居设备时，也只需要移除相应的智能家居网络控制器分节点。
3 ZigBee无线芯片的选择
无线传感器模块采用芯片CC2430。该款芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128 KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog Timer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片的主要特点如下：
高性能、低功耗的8051微控制器内核；
适应2.4GHz IEEE 802.15.4 的RF收发器；
极高的接收灵敏度和抗干扰性能；
只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小(当微控制器内核运行在32 MHz时。Rx为27mA，Tx为25mA)；
掉电方式下，电流消耗只有O.9ｕA，外部中断或者实时钟(RTC)能唤醒系统；挂起方式下，电流消耗小于O.6ｕA，外部中断能唤醒系统；
硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)；
电源电压范围宽(2.O～3.6 V)；
支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示(RSSI/LQI)；
电池监视器和温度传感器；
2个支持多种串行通信协议的USART；
4软件设计
4.1网络控制器(分节点)软件设计
网络控制器的功能主要分为两个部分，即建立网络和进行网络管理。ZigBee控制器通过扫描一个空闲信道来创建一个新网络，接收新节点加入并分配网络地址，维护一个目前连接设备的网络列表，支持独立扫描程序来确保以前的连接设备能够重新加入网络，并将主机端监控程序发送的数据请求或控制命令信号发送出去。
4.2 ZigBee节点软件设计
ZigBee节点工作软件通信流程就是当模块节点成功加入网络之后，CC2430等待定时器中断，然后启动采集数据，并对数据进行判断处理，最后数据打包通过RF将数据发送到网络控制器，网络控制器在对数据包进行解析，再进行后续处理。
5 结束语
根据无线传感器网络技术和智能家居网络的特点和需求，提出了基于CC2430的智能家居无线传感器网络系统的构成方案，详细介绍了无线传感器网络节点硬件组成和软件设计。实验表明，该系统的配置合理，通信协议简单，功耗低，不需要进行布线，在对原有的家居环境进行智能化升级方面有良好的市场前景。
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