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毕业论文-基于Zigbee的智能家居系统设计

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内容提示: henhuangmahenshuang 毕 业 论 文 课 题 : 基于 Zigbee 的智能家居系统设计 学生姓名 系 别 专业班级 指导教师 二 ○ 一 年 学 号_______ ___ I 目 录 摘 要 .............................................................. III Abstract ............................................................... IV 第一章 绪论 ......................................................

文档格式:DOC| 浏览次数:24| 上传日期:2019-06-11 08:35:23| 文档星级:
henhuangmahenshuang 毕 业 论 文 课 题 : 基于 Zigbee 的智能家居系统设计 学生姓名 系 别 专业班级 指导教师 二 ○ 一 年 学 号_______ ___ I 目 录 摘 要 .............................................................. III Abstract ............................................................... IV 第一章 绪论 ......................................................... - 1 - 1.1 本课题的背景和意义 .......................................... - 1 - 1.2 国内外智能家居发展概况 ...................................... - 1 - 1.2.1 国外智能家居发展概况 .................................. - 1 - 1.2.2 国内智能家居发展概况 .................................. - 1 - 1.3 智能家居系统组网技术 ........................................ - 2 - 1.4 智能家居系统设计需要解决的问题 .............................. - 3 - 第二章 ZigBee 技术研究 .............................................. - 4 - 2.1 ZigBee 技术简介 ............................................. - 4 - 2.2 ZigBee 协议组成 ............................................. - 4 - 2.3 ZigBee 网络配置 ............................................. - 5 - 2.4 Zigbee 技术的特点 ........................................... - 7 - 第三章 智能家居系统总体设计方案 ..................................... - 8 - 3.1 智能家居系统需求分析 ........................................ - 8 - 3.2 智能家居系统功能描述 ........................................ - 8 - 3.3 智能家居系统结构 ............................................ - 8 - 第四章 系统硬件设计 ..................................................................................................... - 10 - 4.1 ZigBee 通信模块硬件设计. ................................... - 10 - 第五章 系统软件设计 ................................................ - 12 - 5.1 ZigBee 网络设备软件 ........................................ - 12 - 5.2Zigbee 绑定机制的引入 ....................................... - 15 - 5.3 智能家居管理界面设计 ....................................... - 15 - 第六章 总结与展望. . ................................................. - 17 - 参考文献 ........................................................... - 18 - II 插图清单 图 2-1 Zigbee 协议总体架构 ............................................ - 4 - 图 2-2 Zigbee 三种网络拓扑结构 ........................................ - 7 - 图 3-1 智能家居系统结构图 ............................................. - 9 - 图 4-1 网络协调器硬件结构图 .......................................... - 10 - 图 4-2 终端设备结构图 ................................................ - 11 - 图 5-1 Zigbee 网络协调器软件流程 ..................................... - 13 - 图 5-2 路由器程序 .................................................... - 14 - 图 5-3 ZigBee 终端节点程序流程图 ..................................... - 15 - 图 5-4 智能管理界面与 zigbee 网络数据交互流程 ......................... - 16 - III 基于 e Zigbee 的智能家居系统设计 摘 要 随着人们生活水平的不断提高,对生活环境的要求也越来高.如何改善家居环境,使其更加安全、舒适,这是摆在工程师面前的一大难题.在这个背景下,智能家居理念早年在国外已被率先提出,而且也有很多知名的建筑设计采用了这一理念.该理念的核心就是利用计算机技术、通信技术等等一些先进的技术来改善家居环境,使家居生活能更舒适便利.因智能家居在我国引入的时间较短,所以我国的智能家居应用水平与国外还有较大的差距,但不可否认智能家居技术在我国还有大的发展前途的,现在所缺少的是成熟的产品和配套的解决方案以及熟练的技术技。 本文主要完成了以下工作: 1、介绍了智能家居系统的国内外发展现状以及系统所采用的通信方式,通过对比,选定了 ZigBee 无线通信方式作为本智能家居系统设计的通信方式。 2、ZigBee 技术介绍了其起源,对 ZigBee 的研究。 3、对 ZigBee 网络的各种设备包括路由器和终端设备的硬件电路进行了设计。 4、对智能家居系统中所需要的各种传感器及其配套调理电路、控制电路进行了设计。 5、对智能家居系统中的具体功能介绍。 关键词:智能家居;Zigbee;通信技术;无线网络技术 IV Abstract With the increasing living standard, people’s requirement to the environment is becoming more and more higher, especially home environment. How to improve home environment and make it more comfortable and safer is a big problem for engineers. Under this backgroud , Smart Home was raised firstly in some foreign countries few years ago, and some famous building has adopted this idea . The core of this idea is to use computer technology and communication technology to improve home environment and make it more convenient and more comfortable. In our country, this idea was introduced recently, so the application technology has a gap compared with some foreign countries. But we can’t deny that it has a big development space in our country. At the moment what we are short of is mature products and form a complete set of solutions. This paper mainly completed the following work: 1.Recommend the development of Smart Home system present situation at home and abroad and means of communication it has adopted ,by comparing with so many methods,we chose zigbee wireless communication way as Smart Home way of communication 2.Describe zigbee technology in detail, introduce its origin and research it 3.Design zigbee all sorts of equipment including routers and terminal equipment of the hardware 4.Design all kinds of sensors and their matching regulate circuit control circuit what smart home need 5.Introduce the function of Smart Home Keywords :Smart Home;Zigbee; communication technology;wireless network technology - 1 - 第一章 绪论 1.1 本课题的背景和意义 所谓智能家居系统是指利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起,通过统筹的管理,使得居家生活变得更加舒适、安全。智能家居提供了全方位的信息交换功能,帮助家庭与外部时刻保持着信息的交流,优化了人们的生活方式,增强了家居生活的安全性,以及可以节约各种能源费用资金。 智能家居又称为智能住宅, 在国外常用 Smart Home 表示。与智能家居含义相似的有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Electronic Home、E-home)、数字家园(Digital Family)、家庭网络(Home Net/Networks for Home)、网络家居(NetworkHome)、智能家庭/建筑(Intelligent Home/Buigylding)等。 1.2 国内外智能家居发展概况 1.2.1 国外智能家居发展概况 智能家居使用的是计算机技术、嵌入式系统和网络通讯技术,将家庭生活中的各种设备(如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电)通过家庭网络连接到一起。国外智能家居发展得从 1984 年美国康乃迪克州哈特佛市首创的智能建筑说起,至此以后,一些大大小小的科技比较发达先进的国家也陆陆续续加入到智能家居的这个行列当中,并且诸如美国、瑞典、新加坡、英国等国的智能家居发展较好。在新加坡国家他们的系统已近相当完善,详细的说它能实现电表、水表、燃气表抄送,自动报警,可视通话、网络监控,电气智能化控制,智能接线盒宽带网络接入和系统软件配置等,智能家居控制系统、智能家居家电系统、智能家居舒适系统、智能家居娱乐系统、智能家居节能系统等等应有具有。在日本,除了室内的家庭已经实现自动化网络,但同时也实现了自动门的生物特征识别系统,这个系统设计比较人性化,即使我们双手提有东西不方便腾出手但只要门口的摄像机确认个人身份之后,门在设定的的短时间内就能打开。另外,家居智能化还使用了医学相关设计,便于人随时关注个人健康情况,在卫生间的便器垫圈上我们插有血压计,还有在便器内很巧妙的设计了血糖检测装置,在厕所内洗手池前我们也可以安装体重仪,这些系统仪器不需要太多额外的操作,完全实现方便实用,这些仪器测试结果都能在一个显示器上显示,当然得到的数据也都是能保存的,不得不说智能家居是以住宅为平台,兼备建筑、网络通讯、讯息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 1.2.2 国内智能家居发展概况 智能家居系统在国内的研究起步较晚,但也创造了很多不同的标准,下面是代表目前一些智能家居系统: (1)科龙集团开发的“智能家居系统网络”,由科龙集团开发的“智能家居系统网络”,由家庭网关,电表控制器,安全控制,家电控制器,光总线控制器和家庭组成。通过远程互联网,可以远程控制家里的设备;您也可以用电视机的遥控器来控制开关灯,在不同的季节,空调,冰箱及其控制方法也将随着时间的变化发生变化以及其他自适应特性。 - 2 - (2)海信智能家居控制系统:曾经提出智能家居享你所想的口号,它们将所有家用电器,像灯光、窗帘、空调、电视等等,都可以通过手机或是平板电脑来操作,完全智能化。在德国消费电子展(IFA)上,海信以智能家居的理念,携旗下智能电视、冰箱、空调等产品亮相,海信展台以智能家居理念搭建,智能电视、智能冰箱等家电产品组成了家庭的智能控制系统。其中 SMART TV 作为智能家居的最重要组成部分,不仅体现出了智能电视在影音娱乐方面的应用,更重要的是其智能互动部分的应用更为广泛。 (3)清华同方 e 家数字家庭:这是一个以家庭为基础的技术和楼宇自动化技术,清华同方与相关联网络,计算机,软件技术,为中国家庭和社区提供了全方位的数字服务产品。e 家数字家庭包括三个层次,家庭自动化,智能化小区,社区信息,其目的是为了使人们的生活和工作网络化。 (4)“卓越 3000”家用电器智能控制:方正“卓越 3000”可以包括电视机,录像机,VCD,摄像机,空调和其它家用电器,包括所有的控制电路,智能集中管理,提高了家电的效率,使其联系在一起,并家庭的有效利用成为用户的“家电主管”。 从消费者的角度来看, 智能家居厂家应该以贴近客户实际需求为导向,以提高系统稳定性为第一追求,为住户提供高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。实现智能化还需在家电自动化的基础上实现家居网络化,通过芯片对各种记录、判别、控制、反馈等过程进行处理,并将这些过程在一个网络平台实现集成,能按人们的需求实现远程自动控制。因此,标准版的智能家居只需一个遥控器便可实现所有自动化功能。智能化服务于人们的居家生活,体现了目前最高和最新科技的水平,更全面、更富有人性化。未来的家庭将充满了各种数字设备连接的无线技术,让每个家庭拥有必要的设备,设备可以在互联网上使用无线技术,形成自己独立的网络,然后通过遥控器连接到电脑在互联网上,在家里,真正实现家电信息化、网络化。 1.3 智能家居系统组网技术 1.3.1 有线通信组网技术 (1)集中布线技术: 需要重新额外布设弱电控制线来发送控制信号以及接收被控设备的反馈信号,从而达到对家电生活灯光进行控制的目的。之前主要应用于楼宇智能化控制。因为是其以独立、有线的方式进行信号的收发,所以相比较而言信号最稳定,较适合于新建楼宇和小区的大范围的控制,现在开始部分用于别墅智能化,但一般布线比较复杂,造价较高,工期较长,因而只适用于房子是新装修的用户。 (2)X10 电力载波: 不需要重新布线, 主要利用家庭内现有的电力传输,以实现控制信号的电器和照明控制和管理,安装,设置比较简单,许多设备是即插即用,您可以自由匹配产品,根据自己的需要,能够不断智能升级功能是比较强大和实用,价格实惠,适合大众消费,技术已经非常成熟,有 25 多年的历史,现在美国已有近 1300 万家庭用户,对于新装修的家庭户,或者已装修的家庭用户而言,是比较健康,安全和环保的智能家居技术,但是国内 X10 技术由于受限于国内电网的杂波比较多,使控制信号传输的稳定性得不到保证,以致系统的稳定性相对于国外来说比较差。 - 3 - 1.3.2 无线通信组网技术 本文具体研究的便是智能家居的无线组网技术。无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的无线通信技术。以无线射频的方式进行控制信号的传输,实现对家电和灯光的控制。不再需要重新布线,安装,设置及调试都是比较方便的。随着射频技术的发展,射频传输的抗干扰能力也越来越强,稳定性越来越高,穿透障碍物的性能也越来越好,有逐渐取代传统以有线方式传输控制信号的趋势。同时其无需布线的优势也使无线智能家居系统成为已装修家庭配备智能家居系统的首选。 同时随着 ZigBee 协议的逐渐推广,也是本论文主要讨论的。采用 2.4GHZ 频率、支持ZigBee 协议的无线智能家居系统已有很大程度的 Zigbee 技术能更好地解决射频传输稳定性较差、抗干扰能力弱的问题。同时,由于 Zigbee 网络可以自动组网,所以控制设备和被控制设备间在使用前无需对码,是 Zigbee 系统的易用性大大增强。同时,其通讯节点可以有路由的能力,传输信号可以在有路由功能的节点间进行接力式的传输,这样大大增加了信号的传输距离,增强了信号穿透障碍的能力。 1.4 智能家居系统设计需要解决的问题 从宏观上来讲,事物的每个发展阶段都是当时从业人员认识水平、技术水平、市场认知、原材料成本等几个原因共同作用的结果。每个阶段都会局限于当时的技术水平、市场接受程度等,都会有其无法突破的瓶颈和困难。即便智能家居系统在中国已发展 20 多年,且经过这么多年的发展,产品、技术已日趋成熟、稳定,但每项技术并不一定都完美无瑕。只要产品或技术处于高速发展中,它必然需要不断地去解决一些技术上或者产品上的问题。智能家居产品未来会还向节能环保,舒适度方面发展。比如冬暖夏凉型建筑,不用空调,由建筑自身的功能去调节温度。而智能家居必须结合这些建筑上的功能去发展,从这个方面来说,必然会推动智能家居的适应性发展。 对与现阶段的智能家居来说,没有专用的对讲或智能家居数字处理芯片,无论是技术层面还是集成层面,都只是有所关联。如果能够很好的解决,未来数字对讲将会取得更好的应用。而随着中国城镇化趋势的加剧,大型小区会越来越多,人们对安保的重视程度也会日益加强,将来小区的多个安防子系统在技术上必然会走向综合化、集成化。除此之外,厂家需理性地为各类应用设计解决方案,校正一些过往的虚假概念。只有设计实用性强,性价比高,能适应拓展未来新技术的系统,才能更好地为用户服务。 除此之外,各家产品的兼容性也是一个急需解决的问题。目前各厂家的产品均采用自家的协议,无法很好地做到兼容,而不同品牌的可视对讲和智能家居系统如何互连互通也将是今后需突破的难点。 - 4 - 第二章 ZigBee 技术研究 2.1 ZigBee 技术简介 首先为大家介绍一下什么是 ZigBee, ZigBee 是 1 个由可多到 65000 个无线模块组成的一个无线数据传输网络平台,与现有的 CDMA 方式的移动通信网络或 GSM 网络是非常类似的,每一个 Zigbee 网络数据传输模块类似于移动网络中的一个基站,在整个网络中,彼此之间可以进行通信的范围内,各网络节点之间的距离从标准的 75 米到几百米,甚至几公里。 此外,Zigbee 网络还与其他各种现行的网络互连。同时,ZigBee 是一种短距离,低复杂度,低功耗,低速率,低成本的双向无线通信技术,主要用于自动控制和远程控制,可以满足对小型的,价格低廉的设备的无线联网和控制。 ZigBee 技术的前身是“HoneRFlite”技术, 在 2000 年 12 月由 IEEE802.15.3 工作组制定了其核心协议,并由 2002 年 8 月组建的 Zigbee 联盟负责其高层应用、互联互通测试和市场推广。 2.2 ZigBee 协议组成 2.2.1ZigBee 协议总体构架 ZigBee 协议与其他网络通信协议一样采用了分层模型,对各层所实现的功能和在整个协议中所起的作用做出了明确的划分。ZigBee 协议套件由高层应用层、应用支持层、网络层、数据链路层和物理层组成。如图 2-1 所示: Application Framework 应用层(AF) Application Support sub layer 应用支持层(APS) Network Layer 网络层(NWK) Medium Access Control Layer 数据链路层(MAC) Physical Layer 物理层(PHY) 图 2-1 Zigbee 协议总体架构 2.2.2 物理层(PHY)规范 物理层是遵循 IEEE802.15.4 协议的,是协议的最低层,承担的任务是与外界直接相互作用,控制 RF 收发器的工作,采用扩频通信。物理层通过射频固件和硬件提供给 MAC层与物理无线信道之间的接口,物理层还包括物理层管理实体(PLME),以提供调用物理层管理功能的管理服务接口,同时 PLME 还负责维护物理层 PAN 信息库(PHY PIB)。物理层通过物理层数据服务访问点(PD-SAP)提供物理层数据服务,通过物理层管理实体服务 - 5 - 访问点(PLME-SAP)提供物理层管理服务。 物理层数据服务可以简单概括为以下作用:开启和关闭无线收发信机、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、空间信道评估(CCA)、信道选择、数据发送和接收。 2.2.3 介质传输控制层(MAC)规范 同样遵循 IEEE802.15.4 协议,主要负责的是设备间的无线数据链路的建立、维护和结束,确认模式的数据传输和接收,可以选时隙,实现低延迟传输,各种网络拓扑结构均支持,网络中每个设备有 16 位地址寻址。MAC 子层提供两种服务:MAC 层数据服务和 MAC层管理服务。前者保证 MAC 了协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发,MAC 层管理服务维护一个存储 MAC 子层协议状态相关信息的数据库。 MAC 子层主要功能如下: ①协调器产生发出网络信标帧。 ②其他设备与信标帧同步。 ③支持 PAN 网络的关联(Association)和取消关联(Disassociation)操作。 ④保证设备的安全。 ⑤使用 CSMA-CA 机制访问信道。 ⑥支持 GTS(Guaranteed Time Slot,时间槽保障)机制。 ⑦提供两个对等的 MAC 实体之间的可靠连接等。 2.2.4 网络层(NWK)规范 网络层在 MAC 层之间提 提供一个合适的接口,通过刺激 MAC 层动作执行寻址和路由功能。它的关键任务包括: (1)启动网络和分配网络地址; (2)移除网络中的设备或者添加网络中的设备 (3)通过路由,将消息送往目的节点; (4)加密已发送的数据; (5)在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。 2.2.5 应用层(APL)规范 应用层用于支持维持器件的功能属性,发现该器件工作空间中其他器件的工作,根据服务和需求使多个器件之间进行通信,Zigbee 应用层中包含有应用程序支持子层,应用程序架构,送往 Zigbee 装置管控对象和与各厂商定义的应用程序对象。此外,Zigbee 还定义了应用规格,它是针对各种不同的应用情境来定义的概略的行为蓝图,让特定应用中采用此规格的装置之间能够互相操作。 2.3 ZigBee 网络配置 2.3.1 IEEE802.15.4 定义的网络设备 IEEE 802.15 工作组是 1998 年成立,致力于无线个人区域网络(WPAN)物理层和媒体访问子层的标准化工作,2002 年,zigbee Alliance 成立,2004 年,zigbee V1.0 诞生.它是 zigbee 的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误,2006 年,推出 zigbee 2006,比较完善,2007 年底,zigbee PRO 推出,zigbee 的底层技术基于 IEEE802.15.4,物理层和MAC 层直接引用了 IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4 标准定义的 LR-WPAN 网络具有如下特点: - 6 - 在不同的载波频率下实现了 20kbps、40kbps 和 250kbps 三种不同的传输速率;支持星型和点对点两种网络拓扑结构;有 16 位和 64 位两种地址格式,其中 64 位地址是全球惟一的扩展地址;支持冲突避免的载波多路侦听技术(carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA);支持确认(ACK)机制,保证传输可靠性。 IEEE802.15.4 提供两种物理层的选择 868/915MHz 和 2.4GHz 的直接序列扩频(DSSS)物理层频段。2.4GHz 物理层的数据传输速率为 250kb/s,868/915MHz 物理层数据传输的熟虑为 20kb/s 和 40kb/s,2.4GHz 物理层传输速率高是由于采用 DSSS 方法准正交调制技术,而 868/915MHz 物理层使用每个 PPDU 数据传输为被最大长为 15 的 CHIP 序列所扩展的简单DSSS 方法。IEEE802.15.4 支持多种网络拓扑结构,包括星形和点-点拓扑,拓扑结构需要根据应用设计需求来定,一些 PC 外设应用适合星形低延时的连接,其他安全方面应用适合大面积点-点的拓扑结构。 2.3.2 ZigBee 定义的网络设备 Zigbee, 在中国被译为"紫蜂",它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术,用于传感控制应用。Zigbee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗个人区域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zigbee 这个字,从英语的角度来分析,它是由“Zig”和“bee”两个字组成。前者“Zig”中文的意思是“之“字形的路径,后面一个英文单词“bee”就是蜜蜂的意思.Zigbee 网络技术,就是模仿蜜蜂通过跳舞来传递信息的方式,通过网络节点之间信息的相互互传,来将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。总的来说,ZigBee 是一种基于 IEEE802.15.4 的低功耗、低传输速率、架构简单的短距离无线通信技术,它在自动控制领域的应用正越来越引起业界的瞩目。 2.3.3 ZigBee 网络拓扑结构 Zigbee 网络有三种网络拓扑结构:星型拓扑结构,树状拓扑结构和网状拓扑结构,而IEEE802.15.4 中所支持的对等结构就是树状结构和网状结构。三种网络拓扑结构如图 2-2所示: 星状网络(Star) 树状网络(cluster tree) - 7 - 协调器 、、 路由器 终端节点 网络网状(mesh) 图 2-2 Zigbee 三种网络拓扑结构 2.4 Zigbee 技术的特点 ZigBee 是近年来兴起的一种短距离,低功耗,低成本,灵活的组网,无线通信技术,适用于数据传输量小,功率有更高的要求,网络节点需要更多的场合。具有以下特点: (1)低功耗:由于工作时间比较短、接受和发送信息功能消耗比较低并且多数情况下采用了休眠模式,使得 ZigBee 节点很省电。 (2)低成本:目前低速率低功率的 UWB 芯片组的价格不低于 20 美元,而 ZigBee 的价格 目前只有几美分,并且 ZigBee 协议是不收专利费的。 (3)数据传输速率低:ZigBee 工作在 20~250kbps 的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。 (4)时延短:ZigBee 针对时延敏感的应用做了改进,通信时延和休眠状态激活的时延都很的短。 (5)网络容量大:每个 Zigbee 网络最多可支持 255 个设备,也就是说,每个 Zigbee设备可以与另外 254 台设备相连接; (6)优良的网络拓扑能力:ZigBee 具有星、树和丛网络结构的能力。ZigBee 设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔围; (7)安全性:Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用 AES-128,同时可以灵活确定其安全属性; - 8 - 第 三 章 智能家居系统总体设计方案 3.1 智能家居系统需求分析 智能家居系统采用 ZigBee 技术以及无线传感网络相结合,智能家居系统对于广大消费者而言必须实用、简单,在此基础上可以根据个人爱好进行多样化和个性化,智能家居系统可细分为如下几个分系统:灯光照明系统、门窗控制系统、家电控制系统、安防监控系统、远程控制系统。智能家居可以简单概括出以下一些特点: (1) 使用方便: 智能化系统提供远程控制接口,当您外出时,您可以通过电话或互联网查看和控制家里的设备。 (2) 信息服务:通过互联网或在任何时间,任何地点获得和交换消息的通信网络,它们通过多种形式,从静态文本,图形,到动态的音频和视频信息。 (3) 安全性能高:家庭智能家居系统可以实时监控状态,预防火灾,煤气中毒, 防御入侵者并及时报警,有效地保证您的居家安全。 (4) 节约成本:智能系统可以帮你自动关闭家中的临时需要的耗能设备,降低您的生活成本。 当某些设备因为用户的需要而发生位置改变时,那么等同于网络的拓扑结构也要进行一定的改善。在最开始的智能家居网络建设初期规划时就得先考虑到系统的自适应性和兼容性,满足家庭网络智能化、自动化的要求。如果说网络拓扑结构不得不进行调整时,我们可以采取自适应调整措施,保证家庭网络正常使用。另外还有一种情况就是由于业务的需要可能要对网络进行升级改造,之所以要升级也无非是为了改善原本的某一些缺陷,提供出更适合的网络来满足客户的需求。 3.2 智能家居系统功能描述 智能家居系统旨在实现的以下主要功能: (1)可以控制和相应的状态查询,如查询室内和室外的温度,可用于家用电器,如灯一键全开,一键全关,更方便。 (2)在光线方面我们可以依照家庭装修环境背景或者用户的其他层次的需要,对光线先进行自动调节,指在给用户带来良好的感知度和舒适程度。 (3)制定人机交互界面,这样用户就可以根据自己的需要自行调节各个用电器之间的参数,使操作简单化; (4)在智能家庭网关的 Web 服务器,网络视频服务器的框架,可以通过 PC 客户端 Web进行查看实时状态和远程控制家用设备的家庭。网络视频服务器端的 Web 框架,在智能家居网关的 Web 服务器,您可以查看 PC 和家庭设备的远程控制家庭的实时状态。 (5)在家庭网关集成 3G 模块,通过 WCDMA 网络远程访问 3.3 智能家居系统结构 将基于ZigBee 芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中去,组成基于。基于 - 9 - ZigBee的无线家庭控制网络技术。根据自己的需要用户可以接入或者移除不同的设备。 通过这些无线网络收发器模块在各子网络之间的数据传输的节点,使在家庭内的无线设备的网络互连,使他们能够协作,自动运行 。 在设计中既能利用现有的无线通信网络也可以通过Internet 网络进行数据传输,如3G 网络,以便用户可以随时随地接入家庭网络。在家庭网络内网中,只需与一个具有无线接口管理功能的ZigBee模块相连,通过开发的人机交互界面,便可通过PC或手持终端进行设备控制与状态查询,系统总体架构图如图3-1所示: 家居网关 手机 图 3-1 智能家居系统结构图 本系统主要由三大模块组成:ZigBee技术在家庭内部通过网络构成了一个家庭内部网络的设备实现互联互通。 家庭网关在家庭内部网络,互联网或移动网络,使用户能够远程控制家庭内的家用设备或实时监控的情况;用户可以通过一台家用电脑,对智能家居进行现场控制也可以登录智能家居设备网络的 进行远程远程控制和监测。 温度监测 煤气、烟雾探测 开关光线调节 无线接口管视频监控 其 他zigbee 终端PC 机 PC 机 - 10 - 第 四 章 系统硬件设计 4.1 ZigBee 通信模块硬件设计. 4.1.1 CC2430 芯片简介 CC2430 是芯片巨人 TI 公司收购无线单片机公司 CHIPCON 后推出的全新概念新一代ZigBee 无线单片机系列芯片。CC2430 是一款真正符合 IEEE802.15.4 标准的片上SOC ZigBee 产品。CC2430 是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以 ZigBee 为基础的 2.4GHz ISM 波段应用,及对低成本,低功耗的要求。它结合一个高性能 2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051 控制器。 CC2430 的设计结合了 8Kbyte 的 RAM 及强大的外围模块,并且有 3 种不同的版本,他们是根据不同的闪存空间 32,64 和 128kByte 来优化复杂度与成本的组合。CC2430 和 CC2420 射频参数相同,CC2430 具有 51 单片机核;发射功率 0dbm;接收灵敏度小于-110dbm 左右;工作频点:2.4ghz;支持 zigbee2003,,2006 协议。 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架构,在单个芯片上整合了 ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用 1 个 8 位 MCU(8051),具有 128 KB 可编程闪存和 8 KB的 RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128 协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection),以及 21 个可编程 I/O 引脚。CC2430 芯片采用 0.18 μm CMOS 工艺生产;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于 27 mA 或 25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430 就是相当于一个增强型 8051+zigbee 射频模块。 4.1.2 ZigBee 网络协调器硬件结构图 网络协调器负责无线网络的建立和网络状态管理.网络协调器通过串口与 PC 机相连,将采集到的脉搏信号传输到计算机,以便对脉搏信号进行实时分析;其他无线节点可以连接家用设备,实现对它们的控制;将监护信息传输到网络监护服务器。可实现监护信息的共享,具体结构如图 4-1 所示。网络协调器和终端设备的一个明显差别在于后者缺少智能家电和信号调制模块,为侦听串口接收中断,在中心协调器硬件平台上扩展了 RS232 串口。 图 4-1 网络协调器硬件结构图 PC机 时钟 模块 LCD 模块 天线模块 RS23 串口模块 DMA 单元 8051 微控制器 ZigBe 数据传输模块调试单元 电源模块 - 11 - 4.1.3 ZigBee 终端设备结构设计 智能居家最后一个设备也就是终端设备,它可以直接获取家庭环境第一手数据,并且它是命令执行单元的关键。终端设备结构包括电源模块、8051 微控制器、ZigBee 数据传输模块、调试模块、调制模块、时钟模块、LCD 模块、天线模块等,构造如图 4-2 所示。一方面,通过的智能传感器单元设备模块的内部数据收集家里的环境信息的终端装置获得通过的信号调制模块有用信号,然后与无线模块将信息上传;另一方面,终端可以被连接通过无线数据传输模块接收控制命令,并传达到智能家电模块命令执行单元,执行命令。 图 4-2 终端设备结构图 传感器单元 命令执行单元 信号调制 ADC 模块 DMA 模块 8051 微控制器 ZigBee 数据传输模块调试模块电源模块 时钟模块 LCD 模块 天线模块 - 12 - 第 五 章 系统软件设计 5.1 ZigBee 网络设备软件 5.1.1 Z-Stack 简介 Z-Stack 是 TI 公司开发的符合 ZigBee2006 规范的 ZigBee 协议栈,ZigBee 无线网络的实现,是建立在 ZigBee 协议栈的基础上的,协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立,每一层都提供一些服务,服务由协议定义,程序员只需关心与他的工作直接相关的那些层的协议,它们向高层提供服务,并由低层提供服务。TI 公司的Z-Stack 协议栈,其主要特点就是其兼容性,完全支持 IEEE 802. 15. 4/ZigBee 的 CC2430片上系统解决方案。Z-Stack 还支持丰富的新特性,如无线下载,可通过 ZigBee 网状网络(Mesh Network)下载节点更新。 5.1.2 ZigBee 网络的建立 组建一个完整的 Zigbee 网络分为两步:第一步是协调器初始化一个网络;第二步是路由器或终端加入网络。加入网络又有两种方法,一种是子设备通过使用 MAC 层的连接进程加入网络,另一种是子设备通过与一个先前指定的父设备直接加入网络。 ZigBee 中,只有 PAN 协调点可以建立一个新的 ZigBee 网络。当 ZigBeePAN 协调点希望建立一个新网络时,首先扫描信道,寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。如果找到了合适的信道,ZigBee 协调点会为新网络选择一个 PAN 标识符(PAN 标识符是用来标识整个网络的,因此所选的 PAN 标识符必须在信道中是唯一的)。一旦选定了 PAN 标识符,就说明已经建立了网络,此后,如果另一个 ZigBee 协调点扫描该信道,这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。 ZigBee 协调点选定了网络地址后,就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希望加入该网络时,它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络,如果找到了一个网络,它就会进行关联过程加入网络,只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。如果网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络,它可以进行孤立通知过程重新加入网络。 5.1.3 ZigBee 网络协调器程序设计 Zigbee 网络采用 3 种拓扑结构:星型结构,网状型结构和树形结构。从网络配置上看,网络中有三种类型的节点:一是 Zigbee 协调器节点,二是 Zigbee 路由器节点和最后一个Zigbee 终端设备节点。 - 13 - N Y N Y 入网请求 图 5-1 Zigbee 网络协调器软件流程 Zigbee 协调器就是网络组织的管理者,管理其网络中的其他节点。针对一般的应用模式,在一个 Zigbee 网络形成之后,协调器不是必须的。它最主要的作用是,依据扫描情况,选择一些合适参数建立一个网络。如图 5-1 是 Zigbee 网络协调器软件设计流程。 节点上电 初始化 进入 OS 新建网络 成功? 确 定 PAN ID 、进入无线监控状态 有无信号? PC 显示接收数 数据处理程序 PC 显示节点入网成功 节点入网程序 修改配置文件 PC 显示网络信息 - 14 - 5.1.4 Zigbee 网络路由器程序设计 Zigbee 路由器,其主要是起路由的作用,搜索区域中可用的网络,作为潜在的父节点允许更多的设备加入网络,传输数据以及向 Zigbee 协调器请求数据等。通常,是希望路由器一直处于活动状态,因此它必须使用主电源供电。但是当使用树状网络拓扑结构的时候,允许路由间隔一定的周期才操作一次,这样就可以使用电池给其供电 。 路由器也属于全功能设备。其流程图如下: NO YES NO NO NO YES YES YES NO 图 5-2 路由器程序 5.1.5 ZigBee 终端节点程序设计 Zigbee 终端设备一般是作为边缘设备使用,负责与实际的监控对象相连,在网络中扮演从属的角色,大多数时间是属于休眠状态。ZigBee 的终端节点中的每个节点按照设计的程序实现的功能,我们以温度采集来进行解释,Zigbee 终端设备采集到空中信息时,接下来对数据解读和判断,一旦确定命令为温度采集则立马调用相应的温度采集程序对温度进行采集和控制,然后将温度传感器来收集要处理的信息被发送到适当的管理接口发送到的ZigBee 无线管理界面。 开始 系统上电 初始化 JN5121/外设 加入 zigbee 网络 入网成功 监听网络/外设 执行指令 回应消息 收到信息 协调信息 其他节点信 息 等待回应 转发信息 - 15 - N N N Y 图 5-3 ZigBee 终端节点程序流程图 5.2Zigbee 绑定机制的引入 绑定指的是两个节点在应用层上建立起来的一条逻辑链路。在同一个节点上可以建立多个绑定服务,分别对应不同种类的数据包。此外,绑定也允许有多个目标节点(一对多绑定)。例如将实现调光功能的各种照明设备和窗帘等进行绑定。系统的输入量为光强度值,输出量为灯光亮暗与窗帘打开程度。具体过程为:由用户通过上位机输入设定值并发送给节点,节点通过光敏传感器采样当前室内的光强度,与设定值进行对比,小于设定值则通过可控硅开关调节室内灯或通过电机驱动打开窗帘来调节光线值,直到满足设定条件为止。 ZigBee2006 版本中规定,在全部节点中实现绑定机制,并将其称为源绑定。绑定机制允许一个应用服务在不知道目标地址的情况下向对方(应用服务)发送数据包。发送时使用的目标地址将由应用支持子层(APS)从绑定表中自动获得,从而能使消息顺利被目标节点的一个或多个应用服务,乃至分组接收。 5.3 智能家居管理界面设计 基于网络的管理平台采用 B/S(Browser/ Server)结构,客户端只需装有 Web 浏览器即可,服务器端连接客户端和数据服务器,负责处理来自浏览器用户的请求。数据库服务器保存系统数据,实现数据的定义、维护、访问、更新及管理,并响应服务器的请求[5]。开始 终端节点初始化 调用对应功能子程序 进入休眠 数据打包并发送 信息采集等待 系统激活 查找协调器并联网 发送成功? 有空中信息到? 加入网络成功? - 16 - 采用 SQL SERVER 2005,利用 ADO.NET 技术将数据存储到数据库中。远程 WEB 服务器使用微软的 ASP.NET 技术开发了基于 B/S 架构的数据管理服务软件。整个管理软件分为前台页面和后台管理两大模块,前台页面主要实现了用户可视化管理,方便用户随时查看、统计数据。管理界面与 ZigBee 网络数据交互过程如图 5-4 所示: 图 5-4 智能管理界面与 zigbee 网络数据交互流程 我们知道智能家居主要包括配置界面和控制界面这两种管理界面,两个界面结合就实现了调节控制作用,通过配置界面可以做到把所需要的各种各样的设备进行合理的绑定,绑定之后则在通过控制界面进行一定的控制。 开始 设备启动并初始化 数据解析与处理 等待接收数据 通过 CH372 发送到管理中心 数据解析与处理 发送到 zigbee 终端节点 收到管理中心命令 收到 zigbee网络数据 结束 - 17 - 第 六 章 总结与展望. . 从智能家居系统设计中可以看到,基于该应用的 ZigBee 系统硬软件结构,可以根据其他控制领域的需要,进行多样的开发,有很强的延伸性和可移植性。智能家居系统由于是低数据率,正是 ZigBee 所侧重的应用,和其他无线通信方式相比。ZigBee 作为一种低速率的短距离无线通信技术,主要的优势体现在低功耗,低成本,低延时,网络容量大,而并非像蓝牙一样拥有高速的数据传输量。在包括智能家居、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用方面有很大的潜力。相信 ZigBee 技术会为我们带来更灵活,更方便的生活环境。随着人们生活水平的提高,大家对智能家居的需求越来越高,而作为中国房地产的配套产业,中国的智能家居经过多年发展,已成为一个集控制、计算机、家电等多种新技术为一体的新兴产业。但是,由于市场不规范、行业标准不完善,市场发展并不是很成熟,如今还处于群雄逐鹿的"战国时代".具有很大的市场潜力。 - 18 - 参考文献 [1] 周怡. ZigBee 无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005 年,26 卷 6 期。 [2] 王权平. ZigBee 技术及其应用[J].现代电信科技,2004 年,第一期:33-37 [3] 高小平. 中国智能家居的现状及其发展趋势[J],2005 年,04 期: [4] 封瑜;葛万成;基于 zigbee 技术的无线传感器网络构建与应用[J];电子工程师;2007年 03 期 [5] 蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2006. [6]高守玮,吴灿阳.ZigBee 技术实践教程:基于 CC3430/31 的无线传感器网络解决方案 [7] 龚仕伟,陈建飚.智能家居功能分析及展望[J].建筑电气,2010,29(8):53-56. [8] 杨诚,聂章龙.ZigBee 网络层协议的分析与设计[J].计算机应用与软件,2009,26(12):219-221。 [9] IEEE 802.15.4,Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs),October,2003. [10] Gislason Drew,Gillman Tim.ZigBee wireless sensor networks—ZigBee is an emerging wireless protocol designed for low-cost,high-reliability sensor networks[J].Software Tools for the Professional Programmer,2004,29:40-42.

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