基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

　　由于無線節(jié)點(diǎn)使用電池供電，且需要安裝在三表或電器內(nèi)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(shè)計(jì)成為子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

?　　無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件組成，采用TI公司的16位單片機(jī)MSP430F1232作為處理器，采用符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的Heililink無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊建立無線通訊，采用RAMTRON公司的鐵電存儲(chǔ)器FM24LC16存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，開關(guān)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(wěn)定至3.3V。無線子節(jié)點(diǎn)通過查詢八位撥碼開關(guān)確定其功能，可以實(shí)現(xiàn)兩路脈沖量的計(jì)數(shù)、兩路開關(guān)量的輸入、兩路開關(guān)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(jī)MSP430F1232。該單片機(jī)突出的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)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(duì)時(shí)鐘的控制實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。片內(nèi)FLASHROM用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序、通訊協(xié)議；UART接口連接無線通信模塊；10位A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測、模擬量輸入；內(nèi)部16位定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)PWM輸出，經(jīng)低通濾波后，再由放大器放大，實(shí)現(xiàn)模擬量輸出；I2C接口連接鐵電存儲(chǔ)器FRAM。其余的通用輸入輸出端口分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字量和脈沖量的輸入、輸出以及撥碼開關(guān)狀態(tài)的輸入。

　　4．2鐵電存儲(chǔ)器

　　存儲(chǔ)器采用RAMTRON公司的FM24CL16，它是一種串行非易失性存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是可無限次地讀寫，掉電數(shù)據(jù)可保護(hù)10年；寫數(shù)據(jù)無延時(shí)；使用二線制串行總線及其傳輸規(guī)范進(jìn)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(dá)到1MHz，靜態(tài)工作電流僅為1μA。這些特點(diǎn)使其十分適合本設(shè)計(jì)對(duì)功耗低、體積小、數(shù)據(jù)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(guān)管Q1、Q2的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)繼電器線圈電流的通斷控制，從而控制繼電器觸點(diǎn)的動(dòng)作。如果采用傳統(tǒng)繼電器，需要一直提供電流來維持繼電器狀態(tài)，這樣功耗很難降低。磁保持繼電器具有鎖存功能，觸點(diǎn)動(dòng)作后無需繼續(xù)提供電流，從而降低了功耗。其開關(guān)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(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊

　　該模塊特點(diǎn)是體積小、內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，符合ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)，為IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)射、高靈敏度接收，無線數(shù)據(jù)速率高達(dá)76.8kbit/s。通過串口與MSP430F1232進(jìn)行通訊，將獲得的數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。

　　4．5撥碼開關(guān)

　　八位撥碼開關(guān)的狀態(tài)決定該子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)和其實(shí)現(xiàn)的功能。

　　5無線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　鑒于節(jié)點(diǎn)使用的通用性要求，需要上電后根據(jù)撥碼開關(guān)確定子節(jié)點(diǎn)號(hào)及其所要完成的功能。其主要功能包括水電氣三表的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、報(bào)警信息的獲取、設(shè)防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)確定節(jié)點(diǎn)需要完成的其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)工作，并調(diào)用相應(yīng)的初始化程序。由于無線通訊模塊的功耗較大，CPU大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，通過各級(jí)中斷喚醒CPU和恢復(fù)無線通訊模塊的正常工作。數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議。

　　系統(tǒng)主程序流程圖如圖3 所示。系統(tǒng)上電后，先關(guān)閉看門狗定時(shí)器，開關(guān)電源進(jìn)入SNOOZE節(jié)功狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉無線通訊模塊電源，進(jìn)行I2C 接口的初始化，讀取撥碼開關(guān)狀態(tài)，并根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行單片機(jī)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(guān)量輸入端口，或是撤防設(shè)防輸入端口。其中，若作為脈沖量輸入端口，則調(diào)用相應(yīng)脈沖量初始化程序，設(shè)置其端口為上升沿觸發(fā)；若作為開關(guān) 量輸入端口，則調(diào)用相應(yīng)開關(guān)量初始化程序，設(shè)置其端口為下降觸發(fā)；若作為撤防設(shè)防輸入端口，則調(diào)用設(shè)防撤防初始化程序，當(dāng)前端口狀態(tài)為設(shè)防狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行撤 防初始化，設(shè)置其端口為上升沿觸發(fā)。當(dāng)前端口狀態(tài)為撤防狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行設(shè)防初始化，設(shè)置其端口為下降沿觸發(fā)。

　　端口初始化結(jié)束之后，進(jìn)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(yīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)的命令。定時(shí)器連續(xù)工作在計(jì)數(shù)模式，打開計(jì)數(shù)器溢出中斷使能。

單片機(jī)各部分初始化結(jié)束后，進(jìn)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(shí)器初始化中，將其工作時(shí)鐘定義為ACLK 是十分重要的，否則進(jìn)入LPM3 休眠模式后，串口和定時(shí)器將停止工作和相應(yīng)中斷。進(jìn)入LPM3 休眠模式后，系統(tǒng)的功耗最低。

　　系統(tǒng)可響應(yīng)I/O 中斷，當(dāng)其作為脈沖量輸入端口時(shí)，脈沖量上升沿觸發(fā)中斷，經(jīng)過去抖處理后，脈沖量計(jì)數(shù)增1，遇到進(jìn)位時(shí)，調(diào)用函數(shù)處理進(jìn)位，最后將計(jì)數(shù)值寫入FRAM，進(jìn)入LPM3 休眠模式。當(dāng)其作為開關(guān)量輸入端口時(shí)，開關(guān)量下降沿觸發(fā)中 斷，停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，打開電源，打開串行通訊，重復(fù)發(fā)送報(bào)警信息，直到收到網(wǎng)關(guān)應(yīng)答信息時(shí)才停止報(bào)警，恢復(fù)定時(shí)器計(jì)數(shù)，進(jìn)入LPM3 休眠模式。

　　數(shù)據(jù)發(fā)送要遵循通訊協(xié)議，圖4 所示為數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于其具有低成本、低功耗、較遠(yuǎn)的覆蓋范圍及通用性的特點(diǎn)，將成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點(diǎn)，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革