智能家居之室温调节系统的设计与实现
智能家居之室温调节系统的设计与实现[20200406140236]
摘要
本文在无线传感器及其网络协议和技术分析的基础上进行了一种智能家居的温度调节系统的无线技术设计。
系统通过ZigBee网络以无线方式收集温度测量节点的温度数据，以PC机ubuntu操作系统作为后台控制系统，移植ZigBee协议栈到到CC2530模块中，配合完成核心数据传输和指令控制，把串口与ZigBee 的CC2530模块连接。构架C/S结构，其中PC服务器负责连接无线传感网，实施现场控制和数据采集，同时接收来自客户端的控制信息传输现场数据到客户端端，进行温度监控。
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关键字:ZigBee技术温度调节CC2530模块Z-Stack
目录
1.引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 系统设计的目的和意义 1
2.TI Z-Stack协议栈 2
2.1 ZigBee协议栈 2
2.1.1 ZigBee协议栈结构 2
2.2 ZigBee网络拓扑结构 3
2.3 Z-Stack协议栈介绍 4
2.3.1 网络寻址 5
2.3.2 绑定 6
2.3.3 路由协议 7
2.3.4 消息发送函数 7
2.3.5 网络的组建过程 8
2.3.6 消息接收函数 8
3.系统硬件设计 10
3.1 系统设计 10
3.2 主要硬件简介 12
3.2.1 CC2530芯片 12
3.2.2 DS18B20数字温度传感器 13
4.系统软件设计 17
4.1 发送部分软件设计 17
4.1.1 温度传感器DS18B20程序代码 17
4.1.2 无线模块ZigBee（发送） 22
4.2 接收部分软件设计 23
4.2.1 无线模块ZigBee（接收） 25
4.2.2 串口通信 26
4.3 温度上下限设置 27
5.结语 29
6.参考文献 30
致谢 31
1.引言
1.1 研究背景
智能家居的实现，主要是通过正在蓬勃发展的物联网技术将我们生活中的各种电子设备连接起来，进行统一的无线远程的监视与控制。这是社会生产力发展带来的新技术，是发展的大趋势。相比较于一般的家居，智能家居不仅延续了一般家居的功能，还给了人们全新的高科技的体验。在科技发展的今天，智能家居正在悄无声息的发展着。ZigBee是一种短距离无线通信技术，在智能家居应用这一领域，有着它得天独厚的优势，在很多近距离无线通信领域，已经呈现出可能取代Bluetooth的趋势。
在中国这样的发展中国家，目前智能家居虽然还没有完全推广开来，一定还有很多中年以上的人群对于这一新技术不熟悉，但是随着智能家居理念的推广，会有越来越多的人群接受这一概念。智能家居优化了我们的生活方式，提高了家居各方面的可靠性和安全性，给我们的生活带来极大的便利。由于智能家居能有效减少能源消耗，降低生活成本，是符合可持续发展的发展理念的。
1.2 系统设计的目的和意义
在平常的生活和工业领域温度调节都有着比较广泛的应用，譬如说家居室内环境、游泳池等场合都需要对于温度和湿度进行调节。在工业生产领域，温度的控制调节也非常重要，并逐步在往无线控制的方向发展。虽然如今已经有了像空调之类的电气设备，能够使温度的调节机械化，但这还是远远不够的，普通的空调不够智能化。比如说普通的小孩住在大人的隔壁房间，开启空调之后，过了一段时间小孩室内温度怎么样了，还能不能处于一个舒适的状态，父母必须要走到小孩房间里才能感受到，要想调控空调的温度更是需要采取进一步的措施。然而通过无线技术，父母在自己房间就能实时监控小孩房间的温度，并且根据温度的变化做出无线调控。这就是我们研究智能家居的意义所在。
随着技术的不断发展，此类技术不仅仅可以用在智能家居方面，还会朝着医疗，消费电子等方向发展，前景十分广阔。
2.TI Z-Stack协议栈
2.1 ZigBee协议栈
2.1.1 ZigBee协议栈结构
ZigBee协议定义了四层。包括物理层，媒体访问控制层，网络层和应用层。其中的应用层里面包括以下三种对象，分别是ZigBee设备对象，应用支持子层和应用框架。ZigBee每一层的任务都有各自的任务，由相应的各层各自完成，而且往上面提供支持，使用定义逻辑链路的方式来给接口提供支持。
下面的表2-1列出了ZigBee协议栈的基本结构。
表2-1 ZigBee协议栈结构图
用户应用程序 高端应用层
应用层（APL）
设备配置（ZDC）子层 设备对象（ZDO）子层
应用支持（APS）子层
网络层（NWK） 中间协议层
IEEE 802.15.4 LCC IEEE 802.2 LCC
SSCS
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 868/915MHz PHY IEEE 802.15.4 2.4MHz PHY 底层硬件模块
底层控制模块 RF收发器
1.物理层
物理层包含了一个半双工无线电收发器和接口，起到激活和停用射频收发器；检测信道的能量；闲置信道的测试；筛选信道所需要的相应的频率以及数据的收发等功能。
2. 媒体访问控制层
媒体访问控制层的媒体访问控制建立了一个可靠的数据传输节点和它的邻居节点共享传输介质之间的联系，提高通信效率。在该层，会生成一种网络信号，使ZigBee联系起来，支持设备加密。在信道接入方面，使用信道退避算法，降低了碰撞概率，保证时间分配，在数据的交互方面有信标使能以及非信标使能这几种方式，如两对实体提供可靠地链接。
3. 网络层
该层的信息交互是基于底层的一种可信赖的信息交互，具有路由和转发等功能。网络可以形成恒星，簇树或网状型网络。在终端层面,它的功能主要是进入网络和退出网络;在路由器层面,它的功能就是转发信息,寻找路由器,产生路由表，邻居表。协调器的网络层的任务是维护网络，给新产生的节点分配地址。
4. 应用层
该层含了三个部分:分别是应用支持子层、设备对象和应用框架。应用支持子层的功能是将信息传递给应用的终端，而这个信息是子层从网络那一层去获取的。支持子层有一个绑定表,可以对组信息进行添加删除。应用支持子层连接的网络层和应用层之间的接口。网络中的节点提供数据传输服务,数据实体，它将拆分和重组数据包大于最大负载能力。管理实体提供安全服务节点绑定,创建和删除组地址,负责位IEEE地址与网络地址的地址映射。
ZigBee设备对象负责对设备的管理,比如说设置设备在网络中的是路由还是终端或是起协调作用,探索所在网络的其他设备,以确定他们的功能可以提供,启动或回应绑定请求完成，建立一个安全的设备之间的链接。ZigBee产品的开发是通过协议栈中AF应用端来对别的设备进行监控的。ZDO在每一个节点上都有，有独特的端口号为0。
应用层和APS层是通过AF链接的。AF应用框架通过传输接收数据来找到对应的想要找到的终端。
2.2 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee的拓扑结构一共有三种:分别是星型、簇树型和MESH型。星型拓扑网络结构网络：通过协调器创建和维持,使用其他的终端设备来直接和协调器进行一对一的通信。在簇树型和MESH型拓扑网路结构中,像网络及其使用的通道的一些比较重要的参数都是有协调器进行创建和维护的。而路由器能够拓宽网络的辐射范围。在树型网络里,路由器将数据是通过分层路由的方法进行传递。树型网络通过跟踪信标的方式进行信息交互;你也可以使用非信标通信,终端节点周期性轮询路由器或协调员提取自己的信息。MESH型网络的通信方式是点到点的平等交流,只是它不能使用信标。每一个ZigBee设备是通过一个地址在设备中进行交流的，这个地址是一个IEEE地址,即绝对地址, 然而，该设备加入网络后,它将指定一个协调器给它分配的网络地址,网络中的网络地址是独一无二的,不是绝对地址,但是ZigBee设备同样能用该地址完成设备之间的交互。
摘要
本文在无线传感器及其网络协议和技术分析的基础上进行了一种智能家居的温度调节系统的无线技术设计。
系统通过ZigBee网络以无线方式收集温度测量节点的温度数据，以PC机ubuntu操作系统作为后台控制系统，移植ZigBee协议栈到到CC2530模块中，配合完成核心数据传输和指令控制，把串口与ZigBee 的CC2530模块连接。构架C/S结构，其中PC服务器负责连接无线传感网，实施现场控制和数据采集，同时接收来自客户端的控制信息传输现场数据到客户端端，进行温度监控。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:ZigBee技术温度调节CC2530模块Z-Stack
目录
1.引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 系统设计的目的和意义 1
2.TI Z-Stack协议栈 2
2.1 ZigBee协议栈 2
2.1.1 ZigBee协议栈结构 2
2.2 ZigBee网络拓扑结构 3
2.3 Z-Stack协议栈介绍 4
2.3.1 网络寻址 5
2.3.2 绑定 6
2.3.3 路由协议 7
2.3.4 消息发送函数 7
2.3.5 网络的组建过程 8
2.3.6 消息接收函数 8
3.系统硬件设计 10
3.1 系统设计 10
3.2 主要硬件简介 12
3.2.1 CC2530芯片 12
3.2.2 DS18B20数字温度传感器 13
4.系统软件设计 17
4.1 发送部分软件设计 17
4.1.1 温度传感器DS18B20程序代码 17
4.1.2 无线模块ZigBee（发送） 22
4.2 接收部分软件设计 23
4.2.1 无线模块ZigBee（接收） 25
4.2.2 串口通信 26
4.3 温度上下限设置 27
5.结语 29
6.参考文献 30
致谢 31
1.引言
1.1 研究背景
智能家居的实现，主要是通过正在蓬勃发展的物联网技术将我们生活中的各种电子设备连接起来，进行统一的无线远程的监视与控制。这是社会生产力发展带来的新技术，是发展的大趋势。相比较于一般的家居，智能家居不仅延续了一般家居的功能，还给了人们全新的高科技的体验。在科技发展的今天，智能家居正在悄无声息的发展着。ZigBee是一种短距离无线通信技术，在智能家居应用这一领域，有着它得天独厚的优势，在很多近距离无线通信领域，已经呈现出可能取代Bluetooth的趋势。
在中国这样的发展中国家，目前智能家居虽然还没有完全推广开来，一定还有很多中年以上的人群对于这一新技术不熟悉，但是随着智能家居理念的推广，会有越来越多的人群接受这一概念。智能家居优化了我们的生活方式，提高了家居各方面的可靠性和安全性，给我们的生活带来极大的便利。由于智能家居能有效减少能源消耗，降低生活成本，是符合可持续发展的发展理念的。
1.2 系统设计的目的和意义
在平常的生活和工业领域温度调节都有着比较广泛的应用，譬如说家居室内环境、游泳池等场合都需要对于温度和湿度进行调节。在工业生产领域，温度的控制调节也非常重要，并逐步在往无线控制的方向发展。虽然如今已经有了像空调之类的电气设备，能够使温度的调节机械化，但这还是远远不够的，普通的空调不够智能化。比如说普通的小孩住在大人的隔壁房间，开启空调之后，过了一段时间小孩室内温度怎么样了，还能不能处于一个舒适的状态，父母必须要走到小孩房间里才能感受到，要想调控空调的温度更是需要采取进一步的措施。然而通过无线技术，父母在自己房间就能实时监控小孩房间的温度，并且根据温度的变化做出无线调控。这就是我们研究智能家居的意义所在。
随着技术的不断发展，此类技术不仅仅可以用在智能家居方面，还会朝着医疗，消费电子等方向发展，前景十分广阔。
2.TI Z-Stack协议栈
2.1 ZigBee协议栈
2.1.1 ZigBee协议栈结构
ZigBee协议定义了四层。包括物理层，媒体访问控制层，网络层和应用层。其中的应用层里面包括以下三种对象，分别是ZigBee设备对象，应用支持子层和应用框架。ZigBee每一层的任务都有各自的任务，由相应的各层各自完成，而且往上面提供支持，使用定义逻辑链路的方式来给接口提供支持。
下面的表2-1列出了ZigBee协议栈的基本结构。
表2-1 ZigBee协议栈结构图
用户应用程序 高端应用层
应用层（APL）
设备配置（ZDC）子层 设备对象（ZDO）子层
应用支持（APS）子层
网络层（NWK） 中间协议层
IEEE 802.15.4 LCC IEEE 802.2 LCC
SSCS
IEEE 802.15.4 MAC
IEEE 802.15.4 868/915MHz PHY IEEE 802.15.4 2.4MHz PHY 底层硬件模块
底层控制模块 RF收发器
1.物理层
物理层包含了一个半双工无线电收发器和接口，起到激活和停用射频收发器；检测信道的能量；闲置信道的测试；筛选信道所需要的相应的频率以及数据的收发等功能。
2. 媒体访问控制层
媒体访问控制层的媒体访问控制建立了一个可靠的数据传输节点和它的邻居节点共享传输介质之间的联系，提高通信效率。在该层，会生成一种网络信号，使ZigBee联系起来，支持设备加密。在信道接入方面，使用信道退避算法，降低了碰撞概率，保证时间分配，在数据的交互方面有信标使能以及非信标使能这几种方式，如两对实体提供可靠地链接。
3. 网络层
该层的信息交互是基于底层的一种可信赖的信息交互，具有路由和转发等功能。网络可以形成恒星，簇树或网状型网络。在终端层面,它的功能主要是进入网络和退出网络;在路由器层面,它的功能就是转发信息,寻找路由器,产生路由表，邻居表。协调器的网络层的任务是维护网络，给新产生的节点分配地址。
4. 应用层
该层含了三个部分:分别是应用支持子层、设备对象和应用框架。应用支持子层的功能是将信息传递给应用的终端，而这个信息是子层从网络那一层去获取的。支持子层有一个绑定表,可以对组信息进行添加删除。应用支持子层连接的网络层和应用层之间的接口。网络中的节点提供数据传输服务,数据实体，它将拆分和重组数据包大于最大负载能力。管理实体提供安全服务节点绑定,创建和删除组地址,负责位IEEE地址与网络地址的地址映射。
ZigBee设备对象负责对设备的管理,比如说设置设备在网络中的是路由还是终端或是起协调作用,探索所在网络的其他设备,以确定他们的功能可以提供,启动或回应绑定请求完成，建立一个安全的设备之间的链接。ZigBee产品的开发是通过协议栈中AF应用端来对别的设备进行监控的。ZDO在每一个节点上都有，有独特的端口号为0。
应用层和APS层是通过AF链接的。AF应用框架通过传输接收数据来找到对应的想要找到的终端。
2.2 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee的拓扑结构一共有三种:分别是星型、簇树型和MESH型。星型拓扑网络结构网络：通过协调器创建和维持,使用其他的终端设备来直接和协调器进行一对一的通信。在簇树型和MESH型拓扑网路结构中,像网络及其使用的通道的一些比较重要的参数都是有协调器进行创建和维护的。而路由器能够拓宽网络的辐射范围。在树型网络里,路由器将数据是通过分层路由的方法进行传递。树型网络通过跟踪信标的方式进行信息交互;你也可以使用非信标通信,终端节点周期性轮询路由器或协调员提取自己的信息。MESH型网络的通信方式是点到点的平等交流,只是它不能使用信标。每一个ZigBee设备是通过一个地址在设备中进行交流的，这个地址是一个IEEE地址,即绝对地址, 然而，该设备加入网络后,它将指定一个协调器给它分配的网络地址,网络中的网络地址是独一无二的,不是绝对地址,但是ZigBee设备同样能用该地址完成设备之间的交互。
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