基于ZigBeeARM的电热膜供暖无线智能控制系统开发

1、摘要基于 ZigBee/ARM 的电热膜供暖无线智能控制系统开发摘要近几年由于智能家居的飞速发展，市场上不断的出现了各种各样的智能家居产品。另外电热膜供暖是最近新兴的一种有别于其他供暖的采暖方式，它能是一种清洁、低碳的采暖方式，并且该种采暖方式能够对人体起到一定的保健作用，已经渐渐地被广大消费者人群所接受。但是目前适应于该种电热膜供暖的智能家居智能控制系统却寥寥无几，所以开发这样一个智能控制系统也就显得很有必要。本文结合现有的智能家居技术，设计和开发了电热膜供暖无线智能控制系统， 系统适应一般家居环境，技术指标也能够达到预定要求，同时系统具有开放性和拓展性，方便后续系统功能的拓展。同时本设计也

2、迎合了市场需求，抓住了市场机遇，为系统的进一步发展提供了可能。本文首先从课题背景开始，分析了电热膜供暖无线控制系统的国内外发展现状和发展趋势，从分析中发现国内外对该系统的研究和开发工作都不是很多，开发该系统具有一定的意义。随后分析了本系统的实际需求，结合目前智能家居的技术，调研各种技术方案最终提出了 ZigBee 加ARM 的解决方案，设计了系统的整体构架，并详细规划了开发任务。在系统的具体开发任务中，首先设计了无线温控器子系统。选用 ZigBee 作为无线通信技术，利用 TI 的 SOC 芯片以核心板加底板的模块设计思想设计了电热膜无线温控器的硬件。在完成了温控器硬件设计后便开始了温控器的软

3、件设计，参照温控器硬件电路和软件需求并基于 TI 的 Z-Stack协议栈开发了温控器软件，最终完成了无线温控器子系统的开发任务。当完成了无线智能控制系统的基础模块后，就开始开发系统的监控子系统。监控子系统选用ARM 芯片作为硬件支持，采用嵌入式开发技术来实现监控子系统的开发任务。利用 ARM 核心板加底板的设计思路完成了嵌入式监控系统的硬件开发。接下来在硬件上移植了嵌入式操作系统、文件系统、开发库，完成软件运行平台搭建。基于系统监控需求，利用 Qt 的跨平台特性开发了嵌入式监控系统的软件。在完成了系统的所有子系统的开发任务后，紧接着对各个子系统进行单独调试，验证子系统的各项功能和稳定性。最后

4、对系统进行联合调试，根据系统的硬性要求来测试系统的可行性、稳定性和安全性。测试结果表明系统各项指标都符合功能要求，达到并在一定程度上超过预期要求。关键词： 电热膜供暖，智能控制，ARM，ZigBee，CC2530. I .AbstractTHE DESIGN OF WIRELESS INTELLIGENT CONTROL FORELECTROTHERMAL MEMBRANCE HEATING SYSTEM BASED ONZIGBEE/ARMAbstractIn recent years, due to the rapid development of intelligent home, ha

5、s come on the market a widerange of intelligent home products. Electric heating membrane is a recently emerging as distinct from otherheating mode, which is a clean, low-carbon heating methods, has gradually been accepted by the majorityof consumers. But the intelligent control system adapted to ele

6、ctrothermal membrane heating are few andso it developed an intelligent control system is very necessary. Combined with the existing smart Hometechnology, we designed and developed a wireless intelligent control system for electric heating film systemwhich is open and expandable, easy follow-up syste

7、m functional expansion. While the design also catersto the market demands, seize market opportunities, provides the possibility for further development of thesystem.Firstly, starting from the project background, electric heating membrane are analyzed developmentsituation and development trend of wir

8、eless control system, discovered from analysis of the research anddevelopment work of the system at home and abroad is not a lot, development of the system has a certainsignificance. Then based on the analysis of the actual needs of the system, combined with Smart Hometechnology and the investigatio

9、n of various techniques, we puts a ZigBee and ARM solution, and designedthe overall system architecture, and detailed planning of the developmenttask.In specific development tasks in the system, the wireless thermostat system is designed firstly. Us-ing ZigBee wireless communications technologiy, we

10、 designed the hardware of wireless thermostat. Aftercompleting the design of hardware of thermostat, software design began, reference temperature controllershardware and software requirements, and based on TIs Z-Stack was developed the temperature controllersoftware, finally completed the wireless t

11、hermostat system developmenttasks.when completed the wireless thermostat, we started to develop monitoring subsystem. Monitoring sub-system using ARM chips as hardware support, Using ARM core plus bottom board design completed thehardware development of the embedded monitoring system. Next we transp

12、lanted the embedded operatingsystem, file systems and development libraries to hardware, for establishing the software platform. Basedon systematic monitoring requirements, wasdeveloped using the Qt cross-platform features embedded mon-itoring system of the software.After completing the development

13、task for all the subsystems, followed by separate debugging thevarious subsystems, verify the subsystems functionality and stability. Finally, joint debugging system, ac-cording to the mandatory requirements to test the feasibility, stability, and security of the system. Resultsindicated that the sy

14、stem meets the requirements and exceeds expectations to a certain extent.KEYWORDS: Electrothermal Membrance Heating,Intelligent Control,ARM,ZigBee,CC2530. III .目 录目录摘摘要要IAbstractIII第一章第一章绪论绪论17.2项目背景及意义.11电热膜供暖简介. 12自控温电热膜供暖特点.13电热膜供暖保健效果.24项目意义. 27.3国内外研究现状与发展趋势.21地热膜供暖无线智能控制系统的研究现状.22地热膜供暖无线智能控制系统

15、的发展趋势.37.4地热膜供暖无线智能控制系统的功能需求分析.31系统的总体功能要求.32系统技术需求. 47.5本论文的研究内容及章节安排.5第二章第二章电热膜供暖无线智能控制系统的总体方案设计电热膜供暖无线智能控制系统的总体方案设计77.1无线智能控制系统关键技术.77.1.1常见无线通信技术简介.77.1.2几种技术的比较. 87.1.3ZigBee 无线通信技术详述. 87.1.4嵌入式系统开发技术.107.2电热膜供暖无线智能控制系统的总体架构及设计方案.117.3本章小结.13第三章第三章ZigBee 无线温控器硬件设计无线温控器硬件设计156.2ZigBee 芯片选型. 156.

16、2.1ZigBee 温控器开发指标. 156.2.2ZigBee 实现方案对比. 156.2.3方案定夺. 166.3电源转换模块选型.176.3.1温控器电源指标.176.3.2电源模块方案对比.176.3.3方案定夺. 186.4显示屏选型.186.4.1温控器显示屏参数要求.186.4.2显示屏方案对比.196.4.3方案定夺. 206.5温控器硬件系统结构.206.6温控器硬件设计.21. V .3.5.1CC2530 核心板.21电源管理模块.25按键及显示模块.26电热膜驱动模块.27复位与下载接口.28温度传感器模块.296.2本章小结.30第四章第四章ZigBee 无线温控器无

17、线温控器/协调器软件设计协调器软件设计31开发环境介绍.31TI Z-Stack 协议栈介绍.31开发平台介绍.34温控器软件设计.34温控器软件运行流程.34人机交互设计.37组网程序设计.40通信程序设计.42温度检测设计.44温控算法设计.45故障检测设计.46协调器软件设计.46协调器软件运行流程.47网络管理与维护程序设计.48通信程序设计.50本章小结.51第五章第五章嵌入式监控系统的硬件设计嵌入式监控系统的硬件设计535.4嵌入式核心板介绍.535.5供电方案分析.545.5.4嵌入式网关供电需求分析.545.5.5供电方案决策.545.6嵌入式终端硬件结构.555.7系统硬件设

18、计.555.7.4核心板接口模块.565.7.5人机接口模块.565.7.6电源管理模块.595.7.7通信模块. 605.7.8通用外设接口设计.615.8本章小结.63第六章第六章嵌入式监控系统的软件设计嵌入式监控系统的软件设计65开发、运行环境搭建.65嵌入式监控系统界面设计.65主界面设计. 66用户与房间管理界面设计.67嵌入式监控系统业务逻辑设计.69系统通信结构.69数据管道线程设计.70. VI .目录数据解析线程设计.72主线程设计. 72数据库设计. 74本章小结.75第七章第七章系统测试及运行效果系统测试及运行效果77实物展示.77温控器. 77嵌入式监控终端.78温控器

19、功能测试.嵌入式终端功能测试系统联调测试 . . .7.5本章小结. . . . .致致 谢谢 参考文献参考文献 . VII . . . . . . .79. . . . . . .80. . . . . . .81第1 章 绪论第1章绪论5.4项目背景及意义5.4.1电热膜供暖简介电热膜供暖系统，是最近兴起的一种供暖方式，它和以往的暖气供暖，空调供暖都不一样。以往的供暖方式都是点式供暖，而电热膜供暖则是一种面式供暖方式。电热膜有高温、低温电热膜。低温电热膜则是一种通电后能够以辐射方式供热的电热膜，它由特殊工艺加工而成。电热膜为纯电阻电路，转换效率较高，大部分电能（98%）都被电热膜转化成热能

20、辐射供暖。5.4.2自控温电热膜供暖特点自控温远红外电热膜采用具有电阻正温度系数的特殊材料合成，尽管在通电时它的电阻值在增加，但是它的有功功率却不会变化，另外有功功率不变会使得电热膜发热时其温度大致稳定。正是这样的优良特性使得该种电热膜具有很强的抗衰老性，它能够保证重复使用而不至于电热膜电阻值处于一直上升的状况，能够反弹，增加使用寿命。电热膜供暖具有以下特点：快速升温: 当温度低于 5C，电热膜内部的导电链是结合比较紧密的，此时电阻值比较变小，电热膜功率升高，通电后能够在短时间内迅速升温，使得室内温度舒适度大大提高。节能: 而当温度高于 10C 时，其内部导电链开始慢慢地断开，这个时候电阻值就

21、会变大，由于电压不变电热膜功率就会慢慢下降，温度上升速度减缓。属于分子级的而自动温控技术，当室内温度接近 16-22 摄氏度时，地面温度开始柔和，在将达到室内温控器设定温度时，温控器地暖为了达到更好的节能效果，就会以一个略低于标准功率的功耗来维持室温平衡。(3) 安全: 在实际使用中，家庭装修设计及家居摆放会发生变动，普通电热膜如有物体覆盖会产生局部过热现象， 具有安全隐患，自控温电热膜在有物体覆盖后，覆盖部分当地表温度上升到一定阶段时，地热膜的功率会减低 60% 以上，使得加热和散热达到一种平衡，使得温度不再上升，而其他未覆盖部分可正常工作，很大程度上降低了安全隐患。同时具有温控器内部温度探

22、头控温，温控器地板温度探头控温，电热膜自控温控温三重保护。(4) 使用寿命增加: 基于其基本特性，自控温电热膜具有优良的耐老化性能，能保证在不断通电及通电升降温情况下电阻值能恢复到原电阻，克服了使用衰减问题，增加使用寿命，使用寿命在 30 年以上。1 .第1 章 绪论5.4.3电热膜供暖保健效果由于电热膜供暖是辐射供暖系列产品，有关测试和研究表明，它会辐射 8.97 微米波长的红外线，该种红外形对人体有特殊作用，被科学界称为“生命光线”。该红外光线能够被人体迅速吸收，使得人体毛细血管扩张，促进血液循环和人体的新陈代谢，给予组织细胞新的活力，加强人体免疫力和抵抗力，对人体的健康大有裨益。有关医学

23、研究表明：红外线对慢性炎症，慢性溃疡具有很好的治疗效果，另外红外形还可以消肿止痛等等1。5.4.4项目意义正是由于以上的种种优点，电热膜供暖已经被越来越多的人所接受，而适用于它的智能控制系统却寥寥无几，所以市场对该系统的需求也是极为巨大的，那么开发这样一个智能控制系统也就显得迫在眉睫。5.5国内外研究现状与发展趋势5.5.1地热膜供暖无线智能控制系统的研究现状远红外供暖是比较先进的功能方式，在一些发达的国家已经有几十年的应用了，作为一种新型的节能环保型产品，已经开始吸引全世界的目光，对该种采暖系统的控制方案的研究也在不断地行进着。本毕业设计的内容是属于智能家居的一个具体化，由于物联网的提出，在

24、智能家居领域的重大研究也越来越多。1975 年为电子设备开发的通信标准 X10 工业标准，但是它是一款较为老套的工业标准。有国外研究者构建了一个利用 java 开发的智能家居系统。一块嵌入式主板在物理上和其他所有的智能仪器相连接，并且和一台 PC 通过互联网相连接以便提供远程监控服务。运用 Java 使得其包含了网络安全这一特性。然而，该系统需要大量的投入，昂贵的有线安装费用，还有个人PC 的高额开销2。也有人提出了利用蓝牙通信技术的智能家居系统。每一个智能家居器件都物理上和本地的蓝牙从控制器链接在一起。这些器件和他们的控制器相对的用有线去通信，而主从蓝牙通信则是用无线技术。对于每个器件来说都

25、得有一个专门的蓝牙模块。但由于蓝牙模块的开销并不小，单个蓝牙模块一般都是被好几个器件所共享的。这一结构减少了线路连接，也正因为无线技术的使用使得安装投入的减少。然而这种结构也没有完全减少成本，因为某些部件之间还是运用有线通信。而且太多器件公用一个蓝牙模块会使得事件的处理或者上传有一定的延迟。再介绍一个利用手机去构建的远程控制器的办公家居自动化。该系统和以上系统的区别在于，它只用一个专有的电话线去完成通信而不借助于互联网。该系统可以用任何具备双音多频的手机去接入。该系统有如下三方面的缺点：1) 该系统没有用户界面，2）该系统需要用户去记住密码，3） 该系统需要用户去记住哪个按钮对应哪个器件。由于

26、这几个缺点使得该系统的应用受到了限制。最近几年里物联网的技术发展飞快，也正因如此，我们看到了一种新型的智能家居构建系统，. 2 .第1 章 绪论实现起来比以上的几种方案是相对的要简单一些，它是利用 ZigBee 组建立从网，利用一个协调器去组建和管理各个 ZigBee 子模块，然后又通过一个嵌入式终端控制器来实现和局域网链接，再通过一个路由器和互联网链接，达到可以通过无线局域网或者可以接入互联网的终端设备控制我们的ZigBee 终端设备，比如我们的无线地热膜温控器件。也可以直接在终端设备上通过 ZigBee 网络控制各个分散的器件。该系统构建起来也相对的容易一些，而且该系统还有一个很好的安保系

27、统， 它会对所有接收到的命令进行安全校验，只有通过的安全校验的命令才会被传送到实际的对象上去25.5.2地热膜供暖无线智能控制系统的发展趋势电热膜发展潜力巨大，符合国家提倡的低碳经济发展模式。电热膜采暖由于类似于家用电器，而且安装时是平铺在地板之下，不占用家庭空间，另外它使用电能作为能源，不消耗其他资源，方便使用，发展前景广阔。据相关业内人员预言, 该种环保并且经济的电热膜供暖方式将很快走进寻常百姓家。同时基于以下几点理由：从政策上来讲: 近年来政府不断推出支持政策协助行业发展，电热膜行业的发展已经开始进入快车道。另外由于低碳经济的倡导，一些污染严重的锅炉式采暖方式已经开始被国家政策限制，各地

28、政府也因此出台各种政策鼓励清洁能源的采暖方式。3。从上下游来讲: 国家出台的相关政策推动了区域协调发展，扩大了产业需求。另外房地产的近期的发展，人们对家居环境的舒适度和标准越来越高，这很有利于电热膜供暖在供暖行业的发展壮大。还有随着城镇化建设步伐的加快，电热膜市场被进一步的扩大。3。从市场供需来讲: 我们都知道目前我过北方是有集中式暖气供暖的，而南方普遍缺乏该类供暖。而南方的经济水平目前来说相对比较高，所以这很适合分布式供暖方式的发展，市场潜力巨大3。5.6地热膜供暖无线智能控制系统的功能需求分析5.6.1系统的总体功能要求无线地热膜供暖智能控制系统为了适应市场需求、具备市场竞争力、方便用户操

29、，同时又要给使用者创造一个舒适、温暖、安全的家居环境，有一定的温度控制精度等，应当满足如下指标：系统稳定性与可靠性：稳定性和可靠性是一个系统投入使用的基本要素，如果一个系统无法保证稳定性与可靠性，那么也很难获得市场份额。所以为了保证系统的可靠运行，必须对系统的每个组成部分进行严格的方案论证。除了单个论证，还要整体考虑系统的可行性。应用最新的技术和最高的标准去设计系统来达到期望的指标。方便用户操作：由于系统定位是广大消费者，那么一个产品对消费者的直观感受就是用户界面，所以该温控系统需要良好的人机交互，给用户最人性化的设计，让用户体验该系统的便捷。控制成本：产品要具备市场竞争力必须降低开发成本，只

30、有便宜又实用才能打动广大消费3 .第1 章 绪论者人群。所以系统的各个部分要在满足技术指标的同时，尽量降低成本。方便维护：由于任何产品都存在不可预知的错误和问题，那么系统的维护也是必不可少的部分，一个系统的好坏和能否得以发展就要看它是否便于维护。如果我们的系统不方便维护，那将影响到产品的更新换代，这将严重影响一个系统的生命力。如果方便维护，那么系统就很有可能迅速发展，快速占领各个领域。所以我们开发系统的另一个目标就是要使得系统日后的维护更加便捷。系统的兼容性：虽然该系统是针对无线温控器的，但是就目前智能家居的广阔应用前景来看，我们不可能只停留在无线温控器这一块，要开发更多的产品。所以系统必须要

31、有兼容性，比如系统以后可以纳入无线日关灯，无线电动窗帘，无线热水器等等，目的是为了方便系统的拓展与壮大。本系统设计实现的具体功能要求如下：5 ZigBee 网络自动建立：假设我们需要打开电脑浏览网页，这时候所要做的第一件事就是拨号上网。可能一台 PC 机对一个人来说不是显得那么繁琐，但是想象一下如果有个机房，每台电脑都需要你这么做，会不会显得很累人。同样如果我们的温控器不能自动组网，而需要人为干涉，可以想象谁会愿意使用我们的系统。所以该系统需要自组网功能：当我们安装好无线温控器后，ZigBee 网络可以上电自动组网，无需任何人为操作。6 ZigBee 网络管理：如果相邻两家都使用了 ZigBe

32、e 网络，如果他们的网络号还一样，这将导致系统的紊乱，所以对 ZigBee 网络的管理就显得非常重要，如果出现上述情况要能人为改动网络号，以解决网络冲突问题。7 ZigBee 无线通信的抗干扰：家居环境中墙的存在或者一些干扰源的存在是必然的，系统要能保证通信不受干扰或者尽量减小干扰，以保证通信的正常，这样才能确保系统实时性。8温控器故障自检：为了安保考虑，同时也为了维修方便，温控器需要自带故障检测与处理功能。9温控器可替换性和可拓展性：任何一个东西都有寿命上限而温控器也是如此，所以当一个温控器坏了之后要可以更换来保证系统的继续运行。同时系统也要可以添加新温控器，形成一个开放的系统，便于维护和拓

33、展。5.6.2系统技术需求工作电压：220V 交流，频率：50Hz，功率：6kW/间。集散控制: 主机与各房间的温控器通过无线通讯进行控制。手机可以遥控开机升温，也可以预设开机/关机时间。可以设定一些房间用地热，而其他房间在需要用的时候再临时控制。可以设定各房间的优先权。可以对各房间设定睡眠模式：温度、时间范围。功率控制：在设定总功率范围内，按照房间优先顺序给各房间加电升温，在优先级高的房间加电升温间隙，给优先级较低的房间升温。. 4 .第1 章 绪论工作环境温度：-40C 到 90C 工作环境湿度：= ( u i n t 1 6 ) ( ADCH ) ;= 8 ;+= ( uint16 )(

34、ADCL);re su l t sre su l t sre su ltsre su ltsu i n t 1 6 HalSampleRoomTemperatureADC ( v o i d )u i n t 1 6 r e s u l t s = 0 ;ADCCON3 = ROOM_TEMPERATURE_CHN | HAL_ADC_DEC_512 | a d c R e f ;/ / 设置好相应 ADC 转换参数，并开启转换w h i l e (!(ADCCON1& HAL_ADC_EOC) ) ; / / 等待转换结束第4 章ZigBee 无线温控器/协调器软件设计温控算法设计温

35、控器的控制算法采用了迟滞控制算法，温度控算法如下图4-12所示。嶤侫塑般氅杙擄奘客浰J魲图 4-12 温控算法由于温度控制的延时特性比较大，又因为不同家庭环境是不一样的对象，没有一个相对精确的模型，所以就采取相对简单的控制算法。该算法就是在室内温度超过设定值 2C 时关闭继电器，在低于设定值 2C 时开启继电器。同时温控器还有热保护功能，即在地板温度超过一个上门限值时关闭继电器，低于一个下门限值开启继电器，其实也属于一种迟滞控制，只不过该迟滞主要是为防止频繁在过热和正常模式下切换，减少继电器寿命。浤丐膰浤藕62得醐汊藕62得浤丐驤般欸卧睊晴驤侫卧睊晴45 .第4 章ZigBee 无线温控器/协

36、调器软件设计故障检测设计故障检测是为了保障系统的安全，防止因为某些故障而导致了继电器的持续闭合而诱发一些安全隐患。故障检测和处理流程4-13：图 4-13 故障检测在故障检测中目前是检测温控器的温度传感器故障，比如温度传感器未安装，或者温度传感器短路，主要是利用了 ADC 采样值，如果采样值异常则说明有故障发生，然后根据异常值的范围去判断属于何种故障类型，最后返回故障码，再回到应用层去处理故障。由于硬件限制，暂时只能设计该种故障检测，后续的拓展需要额外的硬件支持。2.4协调器软件设计ZigBee 网络的运行一定要协调器支持才可以，它是一个 ZigBee 网络的核心，和温控器是不可分割的。协调器

37、的主要任务是负责网络的维护和通信，本节主要从以上两个方面介绍协调器的程. 46 .浤丐AD逼客浹棗禺擁32鏈糚橺査鏈糚鏈糚+鰭第4 章ZigBee 无线温控器/协调器软件设计序。协调器软件运行流程在正式介绍协调器软件程序之前先介绍协调器软件运行流程，这样可以对协调器软件整体有一个清晰的概念，这样对软件设计和理解都有益处。另外该流程图只针对协调器应用层，这样和温控器的软件设计是对等的，协调器软件流程如图4-14所示。图 4-14 协调器软件流程图47 .浤丐際丐充櫂49帙洵聚聰黄璽潾欸晴驤泭背擁32閻蟾齣霰般卑閻蟾般卑観鍮咋人閻蟾鍮咋頷楫閻蟾第4 章ZigBee 无线温控器/协调器软件设计首先协

38、调器会初始化自己的应用层，然后建立网络。在建立网络成功后，便开始查询任务，如果有收到事件请求便进行分类处理。如果是收到无线数据（温控器发过来的） ，则对数据进行解析并处理数据；如果是收到了上位机的串口命令，也是进行数据解析处理；如果是地址表维护任务，则要对地址表进行更新处理；处理完事件都会再次进入任务查询环节。协调器的详细软件内容在将在下面给出。网络管理与维护程序设计协调器的主要任务就是维护网络和管理网络。在这一部分主要涉及到 ZigBee 无线网络的建立，无线网络的维护，对网络中器件的管理，其中对器件的管理主要是协调器的地址表维护，类似于路由器的路由表维护。802无线网路建立与维护无线网路建

39、立与维护 协调器的无线网路建立主要是通过在 Z-Stack 终端 ZDO 层，该部分比价复杂。简单来说就是协调器启动后，首先会查询自己的器件类型（这个是在程序中设定好的） ，发现自己是协调器后便开始进入ZDO层建立无线网络。在该层首先会根据宏定义选项NV_RESTORE 的存在与否来决定是恢复网络状态的非易失变量所定义的网络，还是根据当前环境新建网络。如果是建立非易失变量区的网络，则是对上一次网络的恢复，这样可以保证如果协调器意外掉电，再次上电运行时上一次网络和本次网络属性一致，可以确保所有之前在网络中的器件都可以加入网络，而不用重新启动这些器件再次寻找网络然后加入。如果是重新建立网络，则要根

40、据当前环境选取一个不和其他网络冲突的网络号来建立新的 ZigBee 网络，然后再把网络参数写入非易失变量区。本系统的协调器就是采用了前面一种建网方式，这样就可以人为指定协调器所建立网络的网络号，我们只要在非易失变量区把相应的参数更改，然后让协调器重启就可以了。另外这样可以很好的防止因为意外掉电而导致本家庭的温控器加入到了其他家庭的 ZigBee 网络中，而不再受到本家庭的协调器控制，很大程度上防止了意外情况的发生。网络的维护主要是一些终端器件的入网，出网。这一部分是在 Z-Stack 的底层处理的，而且该部分代码不是开源，无法展示，只能有一个大致的描述：在 Z-Stack 的 MAC 层和网络

41、层会有相应的函数负责终端节点和路由节点的出入网。这些函数会根据器件类型和网络号来确定该器件是否是本网络的器件，如果是的就会把该器件录入网络，并告知该器件。同时如果一个器件离开了网络，协调器可以通过心跳包来确定该器件已经离开了网络，然后在网络中删除该器件属性。803无线温控器地址表建立与维护无线温控器地址表建立与维护 无线温控器地址表维护是本系统在协调器的应用层开发的一个类似于路由表的维护程序，在应用层进一步去保障网络的安全性，只有符合规定的器件才能够加入到网络，防止一些恶意抓包工具，抓取通信内容然后破解协议，最后控制网络中的温控器，起到一定的网络安全作用。在地址表建立和维护的程序中定义了如下结

42、构体：. 48 .第4 章ZigBee 无线温控器/协调器软件设计123456在该结构体中有一个器件的 16 位短地址，一个地址状态变量，一个保活计时器。地址表使用线性数组存放。在读取上是hash函数映射的，时间复杂度只有O（1） ，速度比较块。下面分别对地址表的建立和维护做一个介绍。地址表的建立：协调器上电时所有地址表中地址都是无效的，当网络中有温控器加入时，温控器会主动向协调器发一条登记指令，登记注册自己的编号和地址，由于对应的内存中地址是无效的，协调器会根据编号去相应的内存中写入温控器地址结构体数据，并把保活计时器和地址状态激活。这样就会在每个温控器加入网络的时候建立该温控器的地址映射表

43、，完成了地址表的建立。代码如下：123456地址表的维护：在应用层有一个定时器，负责定时更新地址表中的数据。在该定时器中，判断保活计时器是否为零，如果为零说明该地址的温控器已经不在网络中，需要将该地址清除掉，并把地址状态设为无效，如果不为零则将保活计时器的数值减一。并且每次收到对应地址温控器的数据时都会重载保活计时器，这样只要能收到温控器数据，温控器地址就会有效，只有当温控器超过一定时限没有向协调器发送数据时，该地址才会无效。具体代码如下：1234567849 .t y p e d e f s t r u c tuint16addr ; / /the addresss of the devic

44、eb o o l s t a t u s ; / /isthedeviceoftheaddresss t i l laliveuint8tick_alive ;/ /the tick use to keep the addr alive A d d r L i s t _ t ;if ( AddrList id . status = FALSE)/ /the address is not aliveAddrList id . addr = deviceAddr ;/ / 写入地址A d d r L i s t i d . s t a t u s = TRUE ; / / 激活地址A d d r

45、 L i s t i d . t i c k _ a l i v e = 1 0 0 ; / / 重载保活计数器i f ( A d d r L i s t i . t i c k _ a l i v e = 0 ) / / 保活计时器为零AddrList i . s t a t u s= FALSE ; / / 地址设为无效AddrList i . tick_alive = 0 ; / / 保活计时器设为零AddrList i . addr = 0 x0000 ; / / 清空地址e l s e第4 章ZigBee 无线温控器/协调器软件设计9AddrList i . tick_alive;/

46、 / 保活计时器减一10A d d r L i s t i . s t a t u s = TRUE ;11通过地址表的建立和维护确保了系统的安全稳定的工作，同时也加强了系统的灵活性，可以随时添加温控器，及时更新温控器网络状态，上层系统也能及时更新数据到各个远程终端，保持系统的实时性。通信程序设计网络的建立和维护、地址表的的建立和维护都是为了同一个目的：通信！所以协调器的通信是至关重要的，只有设计好了通信才能够确保系统的后续运作。协调器通信对象有两个，一个是和无线温控器利用 ZigBee 无线网络通信，另一个是和嵌入式上位机利用串口通信，下面分别介绍。串口通信串口通信是本系统的接口，该部分通信

47、相当于一个桥梁把 ZigBee 网络和互联网链接起来，把复杂的网络特性屏蔽掉，而只有简单的串口通信。同样的串口通信也需要协议，只不过该协议是直接利用了Z-Stack的MT层的协议23。在应用层协议的头部加上SOP（0 xfe） ，尾部加上FCS（校验和） 。然后通过该协议向上位机发数据或者是接收上位机数据。而在接收数据部分是按照协议状态机来实现的，如图4-15所示。图 4-15 串口状态机状态机的初始状态是 SOP，数据开始状态，只有收到 SOP 后才会向 LEN 状态（表示接收数据长度字段）转移，同样在收到LEN后向CMD0状态转移（接收命令字段1） ，最后一直到进行到LEN鍮咋SOP鍮咋L

48、ENSOPCMD0鍮咋懜 欸 愛LENA閻蟾鍮咋CMD0FCSCMD1鍮咋懜欸愛LENA閻蟾鍮咋CMD1DATA. 50 .第4 章ZigBee 无线温控器/协调器软件设计DATA状态（接收数据） ，此时会根据收到的DATA的长度来判断进入哪个状态。如果收到了正确的数据长度，则进入 FCS 状态接收校验和；如果收到错误长度的数据则直接进入 SOP。在 FCS 状态计算校验和并和收到的校验和数据比较，如果正确则向应用层发送数据，如果不正确忽略数据，最后都重新进入 SOP 状态。向上位机发送数据时，在应用层先把要发送的数据按照协议打包，加上 SOP 和 FCS 之后，通过写串口将数据发送到上位机。

49、该部分代码如下所示：12345678910111213无线通信这一部分和无线温控器的通信是对等的关系，所以程序设计和无线温控器的大致一样，大部分都是点对点无线通信。只有小部分指令集是广播通信，比如协调器向下广播修改网络号，重新建立网络。而这条指令的设计是为了解决以下问题：如果用户的左邻右舍也有 ZigBee 网络，用户可以修改网络号避免网络冲突。在修改网络号的同时还要让所有无线温控器知道网络号将要改变， 需要重启以便加入新的网络，这样避免了让用户重新去设置大量温控器的网络号，节省人力物力，方便 ZigBee 无线网络的管理。4.4 本章小结本章首先从开发环境入手，介绍了 ZigBee 网络器件

50、开发的平台为 Z-Stack 协议栈加 IAREmbedded Workbench，为了更好的叙述后续内容，又分别对 Z-Stack 和 IAR 8.10.0 做了一个介绍。在到后面分两节分别对温控器程序设计和协调器程序设计做出了详尽的介绍，包括核心算法和核心功能的代码展示。本章的工作完成了无线温控器的底层软件设计，结合上一章的硬件设计，至此无线地热膜供暖智能控制系统的 ZigBee 网络子系统已经搭建完成，为开发系统嵌入式上位机的51 .v o i d C o o r d i n a t o r W r i t e U A R T ( u i n t 8 * s t r , u i n t

51、8 l e n )u i n t 8 i = 0 ;FCS = 0 x00 ;S e r i a l _ D a t a 0 = SOP ; / / 在数据头部加上帧头f o r ( i = 0 ; i l e n ; i +)S e r i a l _ D a t a i + 1 = s t r i ; / / 将数据送入发送缓存FCS = s t r i ; / / 计算数据校验和Serial_Data i+ 1 = FCS ;/ / 在数据尾部加上校验和HalUARTWrite (0 , Serial_Data , len + 2 );/ / 将数据发送第4 章ZigBee 无线温控器/

52、协调器软件设计后续工作做好了铺垫。. 52 .第5 章 嵌入式监控系统的硬件设计第5章嵌入式监控系统的硬件设计在完成了系统底层 ZigBee 网络软硬件设计之后就要开始设计嵌入式系统的软硬件开发工作。本章主要是对嵌入式硬件的开发做一个方案论证和方案展示，从需求出发来设计硬件电路。2.1嵌入式核心板介绍嵌入式上位机是负责了 ZigBee 网络和互联网的链接，另外又要负责监控整个温控器系统，是整个系统的数据枢纽，而嵌入式的核心部分就是控制器。所以为了满足系统需求和节省成本最后决定利用通用核心板来进一步缩短开发周期。因为嵌入式系统设计具有可移植性的特点，在很多硬件平台上都可以运行，所以当前核心板的硬

53、件选型不会对后期产品造成重大影响，核心板只要能够确保嵌入式硬件有足够的资源可以利用，确保无线电热膜智能监控系统的软件能够正常运行， 验证本系统的可行性即可。综合以上考虑最后选择 S3C2440 核心电路板作为嵌入式系统的核心部件。S3C2440 核心板主控芯片是三星的 ARM920T 架构的 S3C2240 芯片，它的主频可以达到 533MHz, 它还支持 TFT、USB HOST、SD Card 以及 MMC 接口、触摸屏接口、8 通道 10bitADC、289-FBGA 等等功能。S3C2240 支持 WINCE、Palm OS、Symbian 和 Linux 等操作系统。S3C2240

54、是三星公司开发的基于 ARM920T 内核的 16/32 位精简指令集微处理器。适用于低成本、低功耗、高性能的电子产品。它集成了一些通用的系统外设和接口：1)1.8V 内核电压，3.3V存储电压，3.3V I/O电压；，2)有LCD控制接口，（最高能够控制4K色的STN和16M色的TFT彩屏） ，另外他还包含一个LCD DMA控制器；3)3个通用异步串口，2个同步串口；4)具有NANDflash 控制器，支持从 NAND flash 启动，采用 4KB 内部缓冲器进行启动引导，而且启动后 NANDflash 还可以作为外部存储器使用；5) 具有 RTC。该块芯片功能非常强大，外设丰富，价格便宜

55、，功耗低，适合本系统的嵌入式硬件开发。S3C2440 系列芯片的应用比较多，网络资源丰富，技术成熟，所以在硬件开发方面比较方便。另外由于是采用核心板加底板的硬件设计，只需要在底板上设计相应的外围电路就可以完成硬件的设计，大大减少了硬件开发调试时间，核心板加底板的设计也便于开发不同需求的产品，方便产品拓展。本系统所采用的 S3C2440 核心板具有如下外围设备：1)64M Bytes Flash；2)64M BytesSDRAM；3)DM9000A 百兆网卡芯片；4) 复位芯片以及晶振；4) 具有大量的 I/O 口等。核心板提供了大量的基本外设，极大的方便了硬件电路的设计，同时核心板还引出了大量

56、的 I/O 口和外设接口，为外围电路设计提供了很大的灵活性。另外核心板加底板的设计将总线信号和其他的数据数据信号分开，避免总线信号受到干扰，可以使系统的抗干扰能力得到很好的加强，运行更加稳定。53 .第5 章 嵌入式监控系统的硬件设计2.2供电方案分析2.2.1嵌入式网关供电需求分析嵌入式核心板在运行操作系统时用电需求为 3.3V 直流电，所需电流在 300mA 左右；嵌入式网关上的 ZigBee 协调器需要 3.3V 供电，所需电流为 70mA 左右；其他外围电路如 SD CARD、加速度传感器、RS485转换电路、RS232 转换电路和 LCD 供电（除去背光供电）都为 3.3V，总电流大

57、小在 230mA 左右；LCD 的背光和 USB 电路供电为 5V，LCD 电流大小从 380mA 到 760mA，供电按照平均需求来算，LCD 背光加 USB 耗电在 800mA 左右。综合以上的参数来看整个嵌入式电源模块需要设计成 5V 和 3.3V 的双电源供电系统。其中 3.3V 电源的电流损耗为 (300 +70 +230) =600mA，因为 3.3V 电源是从 5V 电源转换过来，所以等价于 5V 电源的电流为60053.3=396mA，约等于 400mA；另外由于 LCD 背光和 USB 需要 5V 供电，电流大小 800mA，整个系统的 5V 电流损耗为 400 + 800

58、= 1200 mA，所以 5V 电源设计容量在12002=2400mA。另外电路需要考虑安保模块，需要过流保护功能。由于本嵌入式主板需要设计成类似于路由器类型的产品，外部采取适配器供电，不在需要设计 AC-DC 模块，还有为了降低功耗，电源效率要尽量提高。2.2.2供电方案决策由于 5V 电源的电流需求比较大，按照需求分析来看 5V 电源的容量设计应该在12002=2400mA，约等于 3A 电流，从功耗上来看，一般的线性电源恐怕已经无法胜任，再从效率上去看线性电源普遍效率比较低，所以 5V 电源模块设计应当选用开关电源比较合适。开关电源具有容量大，效率高，发热量小的特点，特别适合小型家用电器

59、的供电。由于不需要设计 AC-DC 模块，而是直接利用适配器出来的直流电转换成 5V 直流电，所以比较适合用开关电源芯片加一些简单的反馈电路构成 DC-DC 转换电路来设计 5V 电源模块。鉴于 TI的开关电源芯片性能强大，另外在 TI 官网的电源管理页面可以按照自己的电源需求筛选芯片或者申请免费芯片作为样品开发，所以决定运用 TI 的开关电源芯片。通过 TI 官网电源管理页面筛选、分析、比较，最终选择了 TPS5430 作为 5V 开关电源芯片。该电源芯片具有 5.5V 到 36V 的宽输入范围；最高能够持续输出3A电流（峰值可达4A） ；高达95%的电源效率；另外其输出电压最低可到 1.2

60、2V，精度为1.5% 属于 Buck 型开关电路，开关管频率为 500KHz24。对于 3.3V 电源模块，由于需要给核心板和一些基础外设供电，采用线性电源能够保证电源的稳定性和纯净性，保证核心板的稳定运行。不受高频干扰。同样的通过 TI 的电源管理页面选择了TLV1117-33 作为 3.3V 电源模块的核心芯片。TLV1117-33 具有如下特性：1) 它的最大输出电流能达到 800mA，满足 3.3V 电源模块的功率需求；2)TLV117-33 能够输出 1% 精度的 3.3V 电压，同时还具有 4.7V 到 15V 的宽输入电压；3) 具有内部的过流和过热保护电路，能过在过流和过热时切断电路，