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构建无线通信平台实现家电智能控制的关键技术研究

朱旭萍| ZigBee,无线传感器网络,无线网关,S3C4510B,MSP430,CC2420| 2010-11-24
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【中心议题】

  • 提出了一种利用ZigBee技术构架无线传感器网络方案
  • 利用该平台实现家电智能控制

【解决方案】

  • 基于S3C4510B芯片进行无线网关设计
  • 基于MSP430设计无线传感器节点控制模块
  • 基于CC2420数据收发器设计通讯模块

1、前言

现有家庭无线网络中,通过先进的无线网络技术将电脑、家电、安全、照明、娱乐、医疗监护系统互连,实现数据共享和管理,并以广域互联网为接口与外界交互信息的一种新兴的无线网络系统。用户对家庭网络产品的安放位置在一定程度上也影响家庭网络的拓扑和连通性。因此,根据家庭网络具有时变和随机的网络拓扑的特点,该系统的无线网络层依照国际性的ZigBee标准进行制订,完全满足智能家庭网络拓扑随时发生变化、自行组织和自动重建的要求。自组织和重建的过程既可由家庭网关实现,也可以由网络中的网络节点完成。网络节点是指镶嵌在各种家电、灯具、安防监控单元、居室环境监控单元以及通用遥控器中的ZigBee无线网络模块,是家庭无线网络中最基本和最重要的单元。无线模块式是真正的TX/RX接收发射机,具备同无线网关实时交互数据的功能,可以与无线网关进行网络无缝连接通讯。

2ZigBee技术特点

ZigBee技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中,支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。通常符合下列条件之一的应用,均可考虑采用ZigBee技术:装置成本很低、传输的数据量很小;装置体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;没有充足的电源支持,只能使用一次性电池;频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难;要求数据传输的可靠性、安全性高;需要较大范围的通信覆盖,网络中的装置非常多,但仅仅用于监测或控制;使用GPS效果差,或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用,而不是技术本身。随着正式版本协议的公布,更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。有理由相信在不远的将来,将有越来越多的内置式ZigBee功能的家电设备进入家庭生活,必将极大地改善我们的生活方式和体验。

 

3、智能无线传感器网络系统

3.1无线网络平台

我们研究的智能无线网络系统每个家庭安装一个网关和若干个ZigBee技术的无线节点,在网关和每个子节点上都连接一个无线网络收发模块,通过这些无线网络收发模块,数据在网关和子节点之间进行传送,如图1示。

本系统的家电无线网络控制平台中,采用ARM构架的32位嵌入式处理器S3C4510BuClinux操作系统设计的家庭网关,并通过其扩展的控制模块MSP430与收发数据模块CC2420实现对家电的控制,而家庭网关也通过其无线模块与网络中各子节点实现通讯。

3.2无线网关的硬件实现

本系统设计的家庭网关的系统结构如图2所示,它以SAMSUNG公司的32RISC处理器S3C4510B嵌入式微处理为核心,通过外扩存储器(Flash/SDRAM)、无线通信模块、液晶显示器(LCD)、小键盘、网络接口Ethernet模块、电话语音控制模块、红外收发模块等来构建硬件平台,并可实现以下多种控制方式:

 

在本地用键盘及显示器进行控制:设有16按键和一块128X32点阵的液晶显示器,便于用户在本地进行状态的设置和查询,如数据查询、电器控制等。

红外遥控:通过具有自学习功能的红外遥控模块,来实现室内家电的红外遥控,并达到对这些红外遥控家电的远程控制。

无线遥控:以MSP430为控制模块,实现对家电的控制。其中CC2420为本系统中用来作为家电控制的无线收发模块,用MSP430CC2420通过SPI方式相互通讯,MSP430采用主模式,CC2420采用从模式。

远程的电话语音控制:是一种基于公共电话交换网(PSTN)的电话远程控制。语音控制模块,包括双音频接收与发送、振铃检测、模拟摘机、信号音测试等电路,用于电话的指令控制,如远程控制家电、电话报警等。

基于Internet的远程控制:采用浏览器端/服务器端结构(B/S结构),用户可直接用Windows自带的IE浏览器作为客户端程序,因此达到随时随地可以远程控制的目的。

 

3.3家电控制节点的设计

家电控制节点是由多类传感器组合实现,该节点主要由电源模块、计算模块、存储单元、通信模块和数据采样单元组成。为了开发出具有低成本低功耗的ZigBee网络节点,本系统中采用了TI公司的16位微控制器MSP430。传感器节点的通信模块的功能是由CC2420射频收发器来实现。CC2420具有集成的压控振荡器,只需要天线、16MHz晶体等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段上工作。CC2420只提供一个SPI接口与微处理器MSP430连接,通过这个接口完成设置和收发数据两方面的工作。简单的外围电路和处理器接口,使得CC2420可以运用在非常廉价的设备上。MSP430CC2420通过SPI方式相互通讯,MSP430采用主模式,CC2420采用从模式。

3.3.1控制模块MSP430

TI公司的16位微控制器MSP430,从功能模块角度划分ZigBee硬件平台可以分为几个部分:MSP430模块,RS232模块,Flash外部存储模块,传感器模块,CC2420无线收发模块,键盘LED模块。MSP430是系统的控制核心,MSP430F14960KB+256B F1ash2KB RAM,各个地址段的使用情况如下。

0x00000x01FF Peripherals

0x02000x09FF RAM

0x10000x10FF Information Flash

0x11000x10FF ROM

0x11000xFFE0 ROM

0xFFE00xFFFF Interrupt Vector

 

3.3.2收发数据模块CC2420

CC2420Chipcon公司推出的一款符合IEEE 802.15.4规范的2.4GHz射频芯片,已经被用来开发工业无线传感器等的ZigBee设备和产品。CC2420具有集成的压控振荡器,只需要天线、16MHz晶体等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段上工作。IEEE802.15.4规范中规定使用DSSS调制方式,CC2420先将要传输的数据流进行变换,每个字节被分组为两个符号,每个符号包括4个比特LSB优先传输。每个被分组的符号用32片的伪随机序列表示,共有16个不同的32片伪随机序列。经过DSSS扩频变换后,码片速率达到2Mchip/s,此码片序列再经过0-QPSK调制,每个码片被调制为半个周期的正弦波。码片流通过I/O通道交替传输,两通道延时为半个码片周期。

CC2420IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为:头帧+数据帧+校验帧;PHY层的帧格式为:

同步帧+PHY头帧+MAC帧,帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。

3.4无线网关与控制接点的通信实现

无线传感器的节点单元中,微控制器MSP430是通过SPI总线和一些离散控制信号与CC2420数据收发器相连。控制器(MSP430)充当SPI主器件,CC2420收发器充当从器件。控制器MSP430应用IEEE802.15.4MAC层和ZigBee协议层,它还包含了特定应用的逻辑,它使用CC2420总线和RF收发器交互。

MSP430CC2420之间数据传输方式如图3所示。

 

对于采用无线遥控的家电,家庭网关能将接受的控制命令转为控制信号发射出去达到控制子节点的目的。而对于真正的智能家电控制系统,我们实验中搭建了一个智能家电仿真模拟平台,主要模拟了智能微波炉,也就是用一台PC机安装上CC2420模块,并用一个界面仿真微波炉的所有功能(比如启动、定时、火力设定、菜谱等),当本机通过MSP430无线收发模块连接上以S3C4510B为核心的目标板后,就可以接受来自电话或Internet上任何计算机通过敲入目标板的IP浏览到的IE控制界面而发送过来的控制命令,达到了远程控制的目的。其家电控制节点模块主函数的实现,主函数源代码由以下几部分构成,主函数完成功能和程序流程如图4所示。

int main(void)

{

osal_int_disable(INTS_ALL);

zmain_ram_init();

InitBoard(OB_COLD);

osal_nv_init(NULL);

zmain_NvInit(ZM_NV_RESET_NONE);

zmain_ext_addr();

ZMacInit();

osal_init_system();

osal_int_enable(INTS_ALL);

InitBoard(OB_READY);

osal_start_system();

}

 

4、结束语

基于Zigbee技术的无线传感器网络节点体积小,能耗低,可以应用于数字家庭、矿场、大楼等场所,解决了很多场合布线不便的问题,也使早期无线传感器网络中最大的问题--功耗问题得到解决。节点的扩展也非常的容易,同时,传感器网络节点具有一定的数据处理能力和通信能力,可以将大量的监测数据通过无线方式发送到基站,具有传统家庭环境监测系统所不可比拟的优势,非常适用于家庭内部监测应用。因此Zigbee技术应用必将有很广阔的前景。

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