智能家居ZigBee模块及低功耗应用的研究

摘要

随着社会的进步和技术的发展，智能家居系统越来越完善，为人们提供了舒适和便捷的生活。在智能家居系统中，通信模块是整个系统的基础。在多种短距离通信技术中，ZigBee技术凭借其优良的性能成为最适合智能家居系统的通信技术之一。本文主要完成系统中各个设备之间用于通信的ZigBee模块。
　　论文首先阐述了课题的研究背景和意义，介绍了ZigBee技术国内外的研究和发展现状，并引出通信模块的设计对整个系统的重要性。随后整体介绍了智能家居系统中的ZigBee模块，并从功能需求、性能指标两方面提出了ZigBee模块的设计需求。通过对比各种可行的方案，最后选定了SoC的实现方案，并给出了ZigBee模块的总体结构。
　　接着，综合比较各厂商SoC实现方案，最终确定了以CC2530为核心的ZigBee模块SoC设计方案。根据此方案对ZigBee模块进行硬件电路设计，将电路分为RF电路和外围电路两个部分。其中RF电路需要考虑巴伦电路、阻抗匹配和传输线设计，经过理论分析和软件仿真，最终完成了设计。外围电路主要包括晶振电路和电源去耦滤波电路。在完成电路图的基础上，介绍了PCB板的抗干扰设计和可靠性处理。
　　然后，分析和设计了ZigBee模块的天线。论文介绍了天线的基本特性，分析了室内电磁波的传播机制和退极化特性，得出了天线的特殊要求。根据要求，选择了倒F天线。对倒F天线进行了理论分析和软件仿真，完成了倒F天线的设计。为提高增益，对倒F天线进行了改进。
　　然后，对ZigBee模块在智能家居系统中的应用进行了软件设计，主要分析和设计了协调器节点、路由节点和终端节点的工作流程。在此基础上，对ZigBee模块的低功耗设计进行了研究，方便ZigBee模块应用在能量有限的场景。
　　最后，对ZigBee模块进行了测试，主要包括ZigBee模块天线、通信性能和功耗的测试，测试结果表明ZigBee模块适合应用于智能家居系统中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容及章节安排

第二章 需求分析与方案设计

2．1 智能家居ZigBee模块需求分析

2．1．1 智能家居ZigBee模块概述

2．1．2 ZigBee模块功能需求

2．1．3 ZigBee模块主要技术指标

2．2 ZigBee模块总体设计方案

2．2．1 ZigBee模块实现方案比较

2．2．2 ZigBee模块总体结构

2．3 本章小结

第三章 ZigBee模块硬件电路设计

3．1 ZigBee模块硬件选型

3．1．1 ZigBee SoC芯片对比

3．1．2 CC2530芯片介绍

3．2 巴伦电路与阻抗匹配

3．2．1 巴伦电路基础

3．2．2 阻抗匹配

3．2．3 巴伦电路与阻抗匹配设计

3．3 射频前端放大电路设计

3．3．1 CC2591芯片介绍

3．3．2 CC2591芯片应用

3．3．3 CC2591匹配网络

3．4 传输线理论与微带线设计

3．4．1 传输线理论

3．4．2 微带线设计

3．5 电源与晶振电路

3．5．1 晶振电路

3．5．2 电源去耦滤波电路

3．6 PCB设计

3．6．1 原理图

3．6．2 PCB设计

3．7 本章小结

第四章 ZigBee模块天线的设计

4．1 天线基本特性

4．1．1 输入阻抗

4．1．2 效率

4．1．3 频带宽度

4．1．4 极化

4．1．5 方向图

4．1．6 方向性系数与增益

4．2 ZigBee模块天线的选型

4．2．1 天线的物理结构

4．2．2 室内电磁波的传播机制

4．2．3 室内电磁波的退极化

4．2．4 ZigBee模块天线的特殊要求

4．3 倒F天线的研究

4．3．1 倒F天线概述

4．3．2 倒F天线特性分析

4．4 印制倒F天线的设计

4．4．1 仿真模型的建立

4．4．2 结构参数对天线特性的影响

4．4．3 倒F天线设计实例

4．4．4 倒F天线改进

4．5 本章小结

第五章 ZigBee模块的应用及低功耗设计

5．1 开发环境介绍

5．1．1 软件开发环境

5．1．2 Z-Stack协议栈简介

5．1．3 Z-Stack的运行机制

5．1．4 Z-Stack的寻址模式

5．2 ZigBee节点功能的实现

5．2．1 系统总体方案分析

5．2．2 协调器节点程序设计

5．2．3 路由节点程序设计

5．2．4 终端节点程序设计

5．3 ZigBee模块低功耗研究

5．3．1 ZigBee模块硬件低功耗研究

5．3．2 ZigBee模块软件低功耗研究

5．4 本章小结

第六章 ZigBee模块测试

6．1 ZigBee模块天线测试

6．2 ZigBee模块性能测试

6．2．1 ZigBee模块网络通信测试

6．2．2 ZigBee模块丢包率测试

6．3 ZigBee模块功耗测试

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文