基于无线传感器网络的智能家居.docx

基于无线传感器网络的智能家居.docx

《基于无线传感器网络的智能家居.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于无线传感器网络的智能家居.docx（69页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于无线传感器网络的智能家居

学校代码：

11059

学号：

0805070054

HefeiUniversity

毕业论文（设计）

BACHELORDISSERTATION

论文题目：

基于无线传感器网络的智能家居

系统的设计（软件部分）

学位类别：

工学学士

学科专业：

自动化

作者姓名：

江晓波

导师姓名：

储忠

完成时间：

2012-5-24

基于无线传感器网络的智能家居系统的设计（软件部分）

摘要

随着数字信息技术和网络技术的高速发展，以及人们物质生活水平的不断提高，人们的工作、生活与通讯、信息的关系日益紧密，信息化正在逐步改变人们的生活方式与工作习惯，同时也对传统的住宅提出了挑战。

本文在分析了国内外智能家居系统技术现状的基础上，针对智能家居系统在布线难、造价高、结构复杂等问题，将ZigBee无线通信技术应用于智能家居中，并提出一种采用ZigBee无线通信技术的智能家居系统设计方案，具有免布线，维护方便，运行费用低，实时在线监控，对家居内部各种数据进行无线采集和传输等特点。

本文以IARZmbeddedWorkbench为平台，运用C语言进行系统的软件编程，实现了ZigBee模块间的无线通信，智能家居的红外报警模块与温度控制模块，与硬件设计一起构建了一个模拟的家居监测控制系统,并通过系统联调测试。

关键词：

ZigBee；无线传感器网络；协调器；建网；IAR

BasedonWirelessSensorNetworkIntelligentHomeFurnishingSystemDesign（Softwarepart）

Abstract

Withtherapiddevelopmentofdigitalinformationtechnologyandnetworktechnology,aswellaspeople'smateriallivingstandards’improving,people'swork,lifeandcommunications,becomeincreasinglycloseinrelationship,informationtechnologyisgraduallychangingthewaypeopleliveandworkhabits,andalsoposingachallengetothetraditionalresidential.

Thispaper，basedontheanalyzsisofcurrenttechnicalstatusofthesmarthomesystemathomeandabroad,forthesmarthomesysteminquestionslikehardwiring,highcost,complexstructure,appliestheZigBeewirelesscommunicationtechnologytosmarthome,andproposesasmarthomesystemdesignbyusingZigBeewirelesscommunicationtechnology,whichhasgoodcharacteristicssuchasafreewiring,easymaintenance,lowoperatingcosts,real-timeonlinemonitoring,homeinternaldatawirelessacquisitionandtransmission.

BaseonTheIARZmbeddedWorkbenchplatform,thispaperusesClanguagetodosystemsoftwareprogramming,andachieveswirelesscommunicationsbetweenZigBeemodules,andsmarthomeinfraredalarmmoduleandtemperaturecontrolmodule.Togetherwiththehardwaredesign,buildasimulatedhomemonitoringcontrolsystemandpassthesystemjointtest.

KEYWORD:

ZigBee；WirelessSensorNetwork；Coordinator；NetwokConstruction；IAR

目录

第一章绪论1

1.1智能家居的研究背景1

1.2智能家居的国内外研究现状1

1.2.1智能家居的国内发展现状2

1.2.2智能家居的国外发展现状3

1.3研究智能家居的目的和意义3

1.4ZigBee技术3

1.4.1ZigBee技术简介4

1.4.2ZigBee的技术特点4

1.4.3ZigBee联盟及标准制定5

1.4本章小结5

第二章系统的总体设计6

2.1设计要求6

2.2智能家居相关技术6

2.3ZigBee智能家居系统7

2.4系统总体设计7

2.4.1硬件设计7

2.4.2软件设计8

2.5本章小结9

第三章软件设计10

3.1ZigBee开发软件介绍10

3.2IEEE802.15.4协议12

3.2.1物理层13

3.2.2MAC层14

3.3ZigBee网络体系结构15

3.3.1功能类型15

3.3.2节点类型15

3.3.3拓扑结构15

3.4创建工程16

3.4.1建立工程16

3.4.2工程选项设置18

3.4.3添加文件18

3.5任务与事件20

3.5.1自定义事件20

3.5.2事件触发20

3.5.3事件触发21

3.5.4添加事件处理函数21

3.6设备信息配置22

3.6.1ProfileID22

3.6.2设备22

3.6.3端口23

3.6.4命令23

3.6.5端口描述符25

3.7建网与入网25

3.8数据通信28

3.8.1数据通信格式28

3.8.2发送数据28

3.8.3接收数据29

3.9软件流程图30

3.10本章小结31

第四章硬件设计32

4.1中央控制模块32

4.2信号检测模块32

4.2.1红外报警模块32

4.2.2光照检测模块32

4.2.3温度检测模块33

4.3控制电路模块33

4.4本章小结33

第五章联调、测试34

5.1编译调试34

5.2系统的总体调试35

5.3本章小结37

第六章总结38

6.1已实现的功能38

6.2存在的不足38

6.3本章小结38

参考文献39

致谢41

附录42

附录1：

DS18B20.c代码42

附录2：

DS18B20.h代码44

附录3：

Temp.c代码45

附录4：

Temp.h代码51

附录5：

OSAL_TempApp.c代码52

第一章绪论

蒸汽机的发明掀起了人类历史迈向工业的新篇章，而网络的出现无疑将信息化深深的烙印在了人类文明的璀璨长卷上。

电子信息技术，控制技术的日益提升，社会信息化的逐步加快，促使人们的生活、工作、学习以及通讯的关系日渐紧密，信息化社会在改变人们生活习惯和工作方式的同时，也对我们的传统住宅提出了挑战。

环视周遭，我们很容易的发现，人们对家居的要求早已不再只是简单的物质空间，更为关注的是一个高度安全、舒适以及美观方便的居住环境，先进的通信设施，完备高效的信息终端，自动、智能的家电，网络化的资源管理及购物方式等等。

现今社会人们日益膨胀的需求使得家居智能化已然成为一种趋势[1]。

1.1智能家居的研究背景

在家庭网络中部署的信息终端越来越多，在解决他们之间的物理互联问题之后，家庭用户还需要对各个设备进行一些复杂配置才能使用，这对于普通家庭用户来说是难以接受的。

加入到家庭网络的设备如何能自动地相互发现并协同配合工作一直是数字家庭领域热烈讨论的问题。

无线传感网络，是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。

无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。

无线传感网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢先就在、危险区域远程控制等领域。

已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世界产生巨大影响力的技术之一[2]。

1.2智能家居的国内外研究现状

智能家居起源于80年代中期的美国，上世纪末来到中国，带着全新的概念企盼搭上中国经济的高速顺风列车。

经过十几年的市场孕育与发展，特别是伴随住宅产业的进步，智能家居在中国已经显露出春笋出露的局面。

但是，国内部分智能家居企业如昙花一现，实在叫人惋惜;有的企业一开始就大资本的投入，开发出很多精美的模具，但没市场;有的品牌过分追求技术领先，但不被人们所接受。

常言道：

“没有规矩，无以成方圆”，在智能家居领域也是如此。

很多业内人士将行业标准的缺失比喻成阻碍发展的侩子手。

确实，在技术上，智能家居面临的挑战不只是设备或实施问题，也有标准与协议问题。

在国外，发达国家在发展之初就确定了智能家居相关标准及组织，明确了智能家居概念等问题。

比如以微软、INTEL等公司为主要成员UPnP（通用即插即用）组织、欧洲KNX协议等。

智能家居从概念引进到现在发展已有10个年头，国内一直未能有一个统一的行业标准及规范来约束和引导智能家居行业的健康快速发展，各设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备，其结果导致不同设备之间的互连、互通变得非常困难。

因此，中国智能家居企业向国外学习，首先应当建立共同遵循的标准与协议，这是发展智能家居必须首先解决的问题[3]。

1979年，美国的斯坦福研究所提出了将家电及电气设备的控制线集成在一起的家庭总线（HOMEBUS），并成立了相应的研究会进行研究，1983年美国电子工业协会组织专门机构开始制定家庭电气设计标准，并于1988年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即：

《家庭自动化系统与通讯标准》，也有称之为家庭总线系统标准（HBS，HomeBusSystem）。

在其制定的设计规范与标准中，智能住宅的电气设计要求必须满足以下三个条件，即：

1、具有家庭总线系统；　　

2、通过家庭总线系统提供各种服务功能；　

3、能和住宅以外的外部世界相连接。

物联传感技术是全球第一个利用物联网来控制灯饰及电子电器产品（我们现在通称为ZigBee产品），并将其作为智能家居主流产品走向了商业化。

ZigBee最初预计的应用领域主要包括消费电子、能源管理、卫生保健、家庭自动化、建筑自动化和工业自动化。

随着物联网的兴起，ZigBee又获得了新的应用机会。

物联网的网络边缘应用最多的就是传感器或控制单元，这些是构成物联网的最基础最核心最广泛的单元细胞，而ZigBee能够在数千个微小的传感传动单元之间相互协调实现通信，并且这些单元只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它的通信效率非常高。

这种技术低功耗、抗干扰、高可靠、易组网、易扩容，易使用，易维护、便于快速大规模部署等特点顺应了物联网发展的要求和趋势。

目前来看，物联网和ZigBee技术在智能家居、工业监测和健康保健等方面的应用有很大的融合性[4]。

1.2.1智能家居的国内发展现状

20世纪90年代后期，我国的智能小区日益兴起。

众所周知，我国的智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。

在97香港回归之际，在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”，揭开了全国智能小区发展的序幕。

1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，标志着我国住宅小区智能化进入了一个新阶段。

随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。

据建设部要求，截止今年，我国将有70%以上的家庭拥有Internet入网设备，大中城市中50%的住宅要实现智能化。

1.2.2智能家居的国外发展现状

1984年，世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州落成，这栋意义非凡的建筑只是对一座旧式大楼的一定程度的改造而完成的。

它只是采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监控，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。

2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。

2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。

现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。

1.3研究智能家居的目的和意义

根据前面提到的一些调查结果及数据可以看出，虽然目前智能家居系统有了一定的发展，并且市场上也开始出现相应的产品，但从总体的发展来看，不容乐观，特别是统一标准和权威产品的缺乏严重影响了家居智能化的发展。

随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分——智能家居控制系统也越发显得重要。

家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势。

智能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗。

而且在现在这个注重绿色环保的世界里，智能的为住户控制好空气的湿度、温度等，检查分析空气成分，让住户安心入住。

同时，智能家居控制器可以根据住户的要求调整方案，加强紧急处理，危机救护等急救控制[5]。

1.4ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

1.4.1ZigBee技术简介

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。

借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。

在此之前Zigbee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee[6]。

简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。

ZigBee数传模块类似于移动网络基站。

通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。

而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。

每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。

除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

1.4.2ZigBee的技术特点

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点[7]：

1、低功耗：

由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。

据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

2、低成本：

ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。

低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

3、短时延：

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。

因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

4、网络容量大：

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。

5、可靠：

采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。

MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

如果传输过程中出现问题可以进行重发。

6、安全：

ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

1.4.3ZigBee联盟及标准制定

ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。

联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。

ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。

使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。

ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注，管理技术的发展[8]。

ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：

IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。

ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。

V1.0版本已经发布。

其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。

由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。

每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。

ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

1.4本章小结

本章主要介绍了智能家居的研究背景和国内外发展现状，及ZigBee技术的简介，了解了智能家居的发展前景和ZigBee技术的六大特点：

低功耗、低成本、短时延、网络容量大、可靠、安全。

第二章系统的总体设计

智能家居就是利用计算机、网络、通信、传感与自动控制等技术，将与家庭生活有关的各种应用子系统有机的结合在一起。

通过综合管理，让家庭生活更舒适、安全、有效和节能。

智能家居一般包括以下系统：

可视对讲、家庭安防、网络通信、互动娱乐、智能照明、家电控制等。

2.1设计要求

智能家居系统主要以ZigBee技术为核心；设计围绕网络协调器的网状拓扑线路，例如温度传感器模块、煤气传感器模块、人体红外感应器等模块，最后在上位机上建立家庭信息管理平台。

通过监测子网监测环境温度、照度、煤气泄漏以及红外入侵等信息，可以直接联动控制相关受控设备或将信息发送至管理平台，由信息管理平台决策如何处理这些信息。

整个系统的设计包括硬件和软件两个部分。

本次设计主要内容：

1、采用ZigBee技术，构建无线传感器网络，研究无线传感器网络的通信机理；

2、设计基于单片机控制的节点单元控制软件；

3、研究各节点进行数据传输的通信软件。

2.2智能家居相关技术

智能家居系统中的关键技术是信息传输与智能控制。

电力载波技术、综合布线技术、无线网络技术，是当前智能家居系统中信息传输和智能控制的三大主要技术。

电力线载波技术可通过电线互相“说话”，无需重新布线，但存在噪声干扰强、信号会在传输过程中衰减等缺点。

综合布线技术需要重新额外布设弱电控制线，信号比较稳定，比较适合于楼宇和小区智能化等大区域范围的控制。

但安装比较复杂，造价较高，工期较长。

无线网络技术通过红外线、蓝牙、ZigBee等技术实现各类电子设备的互联互通与智能控制。

无线网络可提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。

红外IrDA技术比较成熟，但必须直线视距连接；蓝牙适合于语音业务及需要更高数据量的业务，如移动电话、耳机等；ZigBee作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，更适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据率传输的低成本设备，ZigBee是智能家居的最理想选择[9]。

2.3ZigBee智能家居系统

本智能家居系统旨在运用ZigBee技术构建一个模拟的家居监测控制系统。

系统拓扑结构如图1所示。

从图中可以看出，本系统大致由安防传感子网、家电控制子网、信息管理平台及远程终端等部分组成。

图1智能家居系统拓扑结构图

其中，安防子网由温度传感器、煤气传感器、人体红外感应传感器等各种传感器模块组成。

家电控制子网内的设备基本为受控设备。

通过监测环境温度、照度、煤气泄漏以及红外入侵等信息，可直接联动控制相关受控设备或将信息发送至管理平台，由信息管理平台决策如何处理这些信息。

2.4系统总体设计

2.4.1硬件设计

系统采用华凡公司的HFZ—SmartRF04EB+CC2430EM模块作为协调器。

为了简化系统，突出ZigBee的框架性，节点硬件采取了简化措施，具体如下。

●温度传感器采用DS18B20，信号引脚接在P0.0上。

●无线灯控、电动窗帘、空调开关、换气扇都都由单一IO口P1.4控制，模拟开关动作。

●防盗报警和门迎都采用热释红外传感技术，电路结构相同。

●煤气报警采用催化燃烧式可燃气体传感器。

●照度监测使用电池做传感器。

图2为节点通用的硬件系统组成框图

图2节点通用的硬件系统组成框