基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統

中國視聽網資訊更新時間：2010-1-14 14:37:08　編輯：溫情　[ 大中小 ]

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基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統(2)

　　4 無線節點硬件設計

　　由于無線節點使用電池供電，且需要安裝在三表或電器內部，要求電池體積很小，因此電池的容量不可能太大。希望一顆鈕扣電池可以有效工作一年以上。無線通訊需要電池提供足夠大的電流，耗電量較大，所以低功耗設計成為子節點設計的重點和難點。

　　無線網絡節點硬件組成如圖2所示，采用TI公司的16位單片機MSP430F1232作為處理器，采用符合ZigBee標準的Heililink無線網絡收發模塊建立無線通訊，采用RAMTRON公司的鐵電存儲器FM24LC16存儲數據，開關量輸出使用松下公司的磁保持繼電器TQ2L2—3V，PWM輸出放大器采用MAXIM公司的MAX4464。使用鋰離子鈕扣電池供電，通過采用TI公司的電荷泵IPS60210將電壓穩定至3.3V。無線子節點通過查詢八位撥碼開關確定其功能，可以實現兩路脈沖量的計數、兩路開關量的輸入、兩路開關量的輸出、一路模擬量的輸入、一路模擬量的輸出、電池電量采集無線通訊等功能。

　　4.1 處理器

　　處理器采用TI公司的16位單片機MSP430F1232。該單片機突出的特點是可以實現極低的功耗，具有五種省電工作模式，而每種工作模式可以通過對時鐘的控制實現不同的功耗，其工作在LPM4模式下的功耗電流只有0.1μA,非常適合采用電池供電的系統。片內FLASH ROM用于存儲應用程序、通訊協議;UART接口連接無線通信模塊;10位A/D轉換器實現電池電壓檢測、模擬量輸入;內部16位定時計數器實現PWM輸出，經低通濾波后，再由放大器放大，實現模擬量輸出;I2C接口連接鐵電存儲器FRAM。其余的通用輸入輸出端口分別實現數字量和脈沖量的輸入、輸出以及撥碼開關狀態的輸入。

　　4.2 鐵電存儲器

　　存儲器采用RAMTRON公司的FM24CL16，它是一種串行非易失性存儲器，其特點是可無限次地讀寫，掉電數據可保護10年;寫數據無延時;使用二線制串行總線及其傳輸規范進行雙向傳輸，這種方式占用腳位少，占用線路板空間小，總線速度可以達到1MHz，靜態工作電流僅為1μA。這些特點使其十分適合本設計對功耗低、體積小、數據讀寫頻繁的要求。

　　4.3 磁保持繼電路

　　磁保持繼電器采用松下公司的TQ2-L2—3V，通過MSP430F1232的輸出管腳DO_S、DO_R控制開關管Q1、Q2的開關狀態，實現繼電器線圈電流的通斷控制，從而控制繼電器觸點的動作。如果采用傳統繼電器，需要一直提供電流來維持繼電器狀態，這樣功耗很難降低。磁保持繼電器具有鎖存功能，觸點動作后無需繼續提供電流，從而降低了功耗。其開關兩端可耐壓直流220V，交流250V，滿足了通斷市電的要求。

　　4.4 無線網絡收發模塊

　　該模塊特點是體積小、內嵌網絡通訊協議，符合ZigBee網絡層的標準，為IEEE.802.15.4標準兼容產品，可實現高效率發射、高靈敏度接收，無線數據速率高達76.8kbit/s。通過串口與MSP430F1232進行通訊，將獲得的數據無線發送出去。

　　4.5 撥碼開關

　　八位撥碼開關的狀態決定該子節點的節點號和其實現的功能。

　　5 無線節點軟件設計

　　鑒于節點使用的通用性要求，需要上電后根據撥碼開關確定子節點號及其所要完成的功能。其主要功能包括水電氣三表的數據采集和存儲、報警信息的獲取、設防撤防狀態的獲取和以上信息數據的無線發送。根據撥碼開關的狀態確定節點需要完成的其中一項或幾項工作，并調用相應的初始化程序。由于無線通訊模塊的功耗較大，CPU大部分時間都處于休眠狀態，通過各級中斷喚醒CPU和恢復無線通訊模塊的正常工作。數據的無線發送和接收要遵守家庭網關通訊協議。

　　系統主程序流程圖如圖3所示。系統上電后，先關閉看門狗定時器，開關電源進入SNOOZE節功狀態，同時關閉無線通訊模塊電源，進行I2C接口的初始化，讀取撥碼開關狀態，并根據撥碼開關的狀態進行單片機通用I/O口的初始化，以確定其作為脈沖量輸入端口還是開關量輸入端口，或是撤防設防輸入端口。其中，若作為脈沖量輸入端口，則調用相應脈沖量初始化程序，設置其端口為上升沿觸發;若作為開關量輸入端口，則調用相應開關量初始化程序，設置其端口為下降觸發;若作為撤防設防輸入端口，則調用設防撤防初始化程序，當前端口狀態為設防狀態時，進行撤防初始化，設置其端口為上升沿觸發。當前端口狀態為撤防狀態時，進行設防初始化，設置其端口為下降沿觸發。

　　端口初始化結束之后，進行串行通訊UART接口初始化，打開UART接收中斷使能，使其能響應網關發送給子節點的命令。定時器連續工作在計數模式，打開計數器溢出中斷使能。

　　單片機各部分初始化結束后，進入LPM3休眠模式，只有ACLK始終保持工作，因此在串行通訊UART和定時器初始化中，將其工作時鐘定義為ACLK是十分重要的，否則進入LPM3休眠模式后，串口和定時器將停止工作和相應中斷。進入LPM3休眠模式后，系統的功耗最低。

　　系統可響應I/O中斷，當其作為脈沖量輸入端口時，脈沖量上升沿觸發中斷，經過去抖處理后，脈沖量計數增1，遇到進位時，調用函數處理進位，最后將計數值寫入FRAM，進入LPM3休眠模式。當其作為開關量輸入端口時，開關量下降沿觸發中斷，停止計數器計數，打開電源，打開串行通訊，重復發送報警信息，直到收到網關應答信息時才停止報警，恢復定時器計數，進入LPM3休眠模式。

　　數據發送要遵循通訊協議，圖4所示為數據發送程序流程圖。由于文章篇幅所限，這里就不多述了。

　　本文介紹的基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統，由于其具有低成本、低功耗、較遠的覆蓋范圍及通用性的特點，將成為智能家居系統中的又一亮點，必將給現代智能家居系統帶來一場新的變革。