ZigBee无线控制模块设计

ZigBee无线控制模块设计
一、课题的目的意义：
智能家居无疑是近年来最炙手可热的概念。

让我们来设想一下这样的场景：当汽车驶入小区大门，传感器立刻将信息传送到控制中心，通知家中的灯光、空调等设备进入预定工作状态。

在下班前用手机远程遥控空调、热水器开始工作，以便回家就能尽享舒适环境。

……是的，以上种种美妙情景都不再是梦想，而是已经或即将出现在我们的现实生活当中。

但是，在这一新兴领域，如何越过系统复杂性和成本较高这两道门槛，全面普及智能家居仍然是摆在设备制造厂商和系统厂商面前的一道难题。

遥控照明系统必须廉价、易于使用、耗能低并且非常可靠。

ZigBee的出现，可以完全满足这些要求，成为智能家庭无线灯光控制系统中最有前途的解决方案。

ZigBee规范能够实现可靠而稳定的大型无线网络，这些网络适合于智能住宅领域的众多应用。

二、近年来国内外研究现状：
ZigBee是ZigBee联盟（ZigBee Alliance）确定的商业名称，是采用IEEE802．15．4标准的双向无线通信技术。

ZigBee利用全球共用的公共频率2．4 GHz，应用于监视、控制网络时，其具有非常显著的低成本、低耗电、低复杂度、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。

随着ZigBee规范的进一步完善，许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。

采用ZigBee技术的无线网络应用领域非常广泛，主要包括：照明控制、环境控制、自动读表系统、各类窗帘控制、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、内置家居控制的机顶盒及万能遥控器、暖气控制、家庭安防、工业和楼宇自动化等等。

目前，德州仪器（TI）已经推出带硬件定位引擎的片上系统 (SoC) 解决方案CC2431，以满足低功耗 ZigBee/IEEE 802.15.4 无线传感器网络应用的需求。

这款来自Chipcon 产品系列的器件具有高达 128 kB 的闪存、8 kB 的 RAM 以及许多附加功能，而这一切仅采用一个7毫米x 7 毫米小型封装就实现了。

超低功耗、符合短距离通信规范、硬件支持CSMA/CA 功能、高性能控制器内核、业界领先的CC2420 射频核心、高精度的定位引擎，这些特点使得CC2431 非常适合用于无线传感器网络应用。

现在，ZigBee联盟定义了一套灯光无线控制的规范，从而保证今后各个生产商的相关产品可以互联互通。

由于现阶段相关无线控制芯片和模块价格还不能满足民用市场的需求。

因此，ZigBee灯光控制的应用目前主要面向智能大厦和高档住宅。

随着技术水平的不断完善，相关产品价格会逐步降低，巨大的民用市场将是最终的发展方向。

三、设计方案的可行性分析和预期目标：
本设计是由多个自给供电的以CC2431为无线收发器的低功耗ZigBee节点组成，并由这样的节点构成无线传感器网络。

ZigBee采用一般IEEE 802.15.4收发器技术与ZigBee协议栈的组合，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器。

ZigBee具有以下技术特点：
低成本：目前符合ZigBee的SoC/SIP单价已经降到3美元以下，未来更有机会达到2美元，这有效地降低了无线感测网络的建置成本；
低功耗：ZigBee在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW，在距离短通信的工作状态下耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上；
网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持6.5万个节点，也就是说每个ZigBee节点可以与数万个节点相连接；
体积小：ZigBee的SIP/SoC芯片尺寸已经可以缩小到7mm×7mm以下，和传感器组成的模块已经可以控制在2cm×2cm 以下；
工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段，具有16个扩频通信信道；
安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴别功能，硬件本身支持CRC（循环冗余校验）和AES-128加密算法。

这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。

CC2431的主要特点如下：
定位引擎能精确计算网络中节点位置；具有高性能低功耗的8051 控制器核；集成符合IEEE 802.15.4 标准的2.4 GHz RF 无线收发机（具有工业领先的CC2420 射频内核）；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能；128 KB 可编程闪存；8 KB RAM，4 KB 带全部功耗模式数据保持功能；低电流损耗（微控制器运行于32MHz 时，接收和发射分别为27mA 和25mA）；休眠模式时仅0.9μA 电流损耗，外部中断或RTC 能唤醒系统，待机模式下小于0.6μA电流损耗，外部中断能唤醒系统；低功耗模式与主动模式之间的快速切换；硬件支持CSMA/CA 功能，数字化的RSSI/LQI 支持；集成AES-128 安全协处理器；带有两个功能强大的支持多组协议的USART；具有一个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC 计时器，一个常规的16 位计时器和两个8 位计时器；21 个普通I/O 引脚，其中2 个具有20mA 驱动能力，支持硬件调试，强大灵活的开发工具
本设计主要包括ZigBee节点和ZigBee基站节点，整体系统结构如下图所示。

其中ZigBee基站节点主要用于组合从各个ZigBee节点得到的数据以及负责与外界的PC
在设计中，将在在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要
开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。

通过ZigBee终端设备可以收集灯的各种信息，传送到中央
控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生
活自动化、网络化与智能化.
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