无线通信技术在智能家居中的应用研究毕业论文Word文件下载.docx
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从那以后，东南亚以及欧美等发达国家都各自提出了智能家居解决方案。
我国智能家居在近一些年才刚刚开始有了一点点进展，到了这几年，这个行业有了一些小的进步，总体来说还是不错的，一些公司加入到这一个行业并且开始有了基础的产业，所生产的产品无论是技术还是实用性都有了巨大的提升。
在这一过程中有各种各样的东西被造出来，同时，智能人性化的物品也越来越多【7】。
中国正在接受时代的召唤，同世界相接轨，《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中，大篇幅的描述了以后中国的发展前景，创新的发展是最重要的，而智能家居、物联网技术是将来发展方向中的重中之重。
同时智能家居能够迅速有效的实现低碳经济与绿色环保经济，因此，智能化成为了中国国家战略的重要一步，智能家居行业就好像一株小草遇到了春雨的好时节，正是发展的好时机。
1.2课题的研究意义
智能家居系统结合了多种技术，将其完美的融合来完成的，目前综合了软件硬件及通信协议等方面，其中通信技术是其核心，在不加入这一技术时，家庭中的各种家居设备都是不相互关联的，再加入这一技术之后，可以十分牢固的将它们连接成一个系统，这一个完整的系统对我们生活品质的提高是巨大的，在降低能源使用，降低污染的产生等方面效用也是十分突出的。
日前中国智能家居市场还处于萌芽阶段。
所以它有着巨大的市场潜能，而智能家居产业的发展速度也是众所周知的。
在现在的许多家庭中，智能家居已经有了许多方面的应用。
未来智慧城市的建设使智能家居的快速普及有了最起码的保障。
智能家居的部署中，无线通信技术也起到了十分重要的作用，而低功耗的通信将是智能家居产业的首要要求。
1.3课题的研究现状及发展趋势
智能家居这个概念由来已久，然而直到1984年在美国联合科技公司才有了全球第一个实例。
该公司用智能家居系统改造了一座旧式大楼，把智能家居这一概念贯穿该大楼的供电、照明及安保当中，使用计算机来实时监控大楼，同时为它搭配最好的语音，通信等一连串的信息服务，一个时代的发展大幕由此揭开。
在那之后，其他技术相对领先的国家，也纷纷提出了相应方案，这一系统在北美、日本，法国、新加坡等较为发达的国家都有了非常大的发展。
1998年，新加坡创办了“家庭电器与电子产品展览会”，在这一场展览会上面，新加坡的一家前沿科技公司向广大来参观的人们展示了一套智能家居系统。
这一套系统在当时看来已经很完善了，它可以在家庭安全受到威胁时开启安保报警，及智能化的控制家居电器。
这一套家庭智能家居系统是当时的前沿科技，虽然不能够与最终投放市场上相比。
但这一展览无疑证明了科技飞速发展使智能家居系统离我们的生活越来越近，人们对这一系统的信心也越来越足，智能家居系统也受到人们的广泛关注【8】。
在国内，这一技术的发展开始于1990年代，近些年来，国内的人民群众也开始向智能家居投入了关注，开始慢慢了解了这一概念，且表现出了感兴趣、接受这一概念的姿态。
目前有许多开发商把智能化建设放入设计过程考虑范围之中，一小部分的高档小区甚至完全实现了“智能化”，把智能化家居作为他们的重大卖点。
假如说大家带入自己进入消费者的位置，可以看到，对一个新的系统，我们对它最大的要求就是安全及实用。
所以，这一系统不可以因为要智能化便强行使其智能，而是要充分发挥家居电器本身的功能，而智能家居电器之间的协调工作则是智能家居中必不可少的，所以无线化和网络化的实现非常重要【9】。
而对于一般的使用者来说，这个系统是能够是家庭生活变得更加方便快捷的，使用者通过手机等设备在公司等地方便可以对家庭电器遥控指挥，这无疑说明了无线通信技术是智能家居系统的核心。
1.4课题的研究内容
在这些年，我国科技得到很大的进步，尤其在网络、计算机技术这两个方面，与此同时，生活水平的进步促使人们对生活质量的需求的提高，在现代化的家居中，生活的质量环境都是大家重点关注的地方，智能化的家居生活将是未来家居的必由之路。
而如今研究的焦点就在于如何将计算机技术、通信技术、控制技术和传统的家具电器有机的结合在一起。
本文主要研究无线通信技术在智能家居中的应用，用户可以手机这类的移动设备对家中的电器进行远程的监控【10】。
以下为本课题的主要研究内容：
（1）在广泛研读智能家居方面的书籍资料，对这一系统特点有了初步的了解后，我在这篇论文中描述了目前智能家居环境检测系统以及它运用的总线技术，分析了当前的各种短距离通信技术的特征和主要缺点，最终选定ZigBee这一技术作为设计核心。
（2）对家居当中的灯光照明、温度调节空调系统、智能自动控制家居电器系统、安防系统以及远程监控系统这些家庭系统的组成构造、完成系统的方法及原理等进行分析研究，分析研究如何使用ZigBee技术来构造智能家居系统的无线通信模块，应用ZigBee模块将各级子模块引入至智能家居无线网络中。
（3）使用ZigBee技术的一些其本身的技术特性把各级家居设备及系统相连接起来，把家居设备，系统相互通信的无线通信模块构建起来，研究ZigBee技术传输路径的选择原理，降低传输所耗费的传输成本。
（4）研究不同ZIgBee协议之间的兼容性、互通性，ZIgBee技术是公开源代码的，目前它的协议版本有04、06、07这几个版本，与不同的ZIgBee芯片相对应的协议不同，本文会研究采用不同ZigBee协议的ZigBee设备在同一家居无线网络中的兼容，互通性应用。
2系统总体方案设计
2.1ZigBee技术简介
上个世纪80年代，单片机技术以及广泛的普及了，51单片机正如日中天之时，那时人们使用的无线通讯工具还是大哥大这样价值万元的大砖头，语音通信的速度极慢，无线通讯技术还像是在实验室中的新生儿【11】。
知道本世纪ZigBee技术的出现，ZigBee技术源自于蜜蜂在发现花丛时的一种传递食物源信息的方式，这种通信方式是一种短程、低速、低成本、低耗电的无线通信技术【12】。
越来越多的无线数字产品随着无线网络技术的普及和更新出现了，用来传递各种信息的无线传输协议也越来越成熟。
然而，传感和控制设备在无线网络中的信息和数据的传递却没有一个成熟完善的协议标准，现有的许多通信协议都无法更好的实现无线传感网络的数据通信，在这样的要求下，ZigBee技术完善的解决了传感和控制设备在无线网络的数据通信问题。
ZigBee技术特点如下：
（1）低功耗。
2节5号电池可以支持单一节点工作在待机模式下一至两年，甚至更长。
这一优势在各种通信技术中尤为突出。
与之相比较，蓝牙只能连续工作数周，而WiFi更短，只可工作数个小时。
（2）低速率。
ZigBee在860MHz与910MHz频段时的数据吞吐率大概只有20kbps，工作在国际通用频段2.4GHz时，原始数据吞吐率最高可达250kbps。
这一速度完全可以满足低速数据传输的要求。
（3）低成本。
在应用ZigBee无线通信技术时，因为其实际应用时的需要。
我们并不需要完整的协议，而协议越小我们对通信控制器的要求便越小，那么我们便可以简化协议，使通信控制器的选择变得廉价，以此可以做到低成本。
（4）近距离。
ZigBee技术的传输范围一般不远，介于10至100米之间，这一距离在智能家居这一领域已经完全足够。
（5）。
短时延。
ZigBee技术重要优点在于其实时性，ZigBee技术从待机模式转换到主动模式用时极短，仅需15ms，而其寻找网络到加入网络只需要30ms。
（6）高安全。
ZigBee技术十分安全，它有三种安全模式。
第一种是无设置的无安全模式，第二种安全模式的工作方式为除了已经接入到通信网络的设备外，其他设备不可加入网络，第三种方式显得比较的有技术含量，原理是使用了一种特殊的数据算法加密数据。
ZigBee技术在无线网状网络的优秀的自配置和自愈能力在许多应用上面都能够很好地适应，这一技术在无线抄表、汽车电子等方面有非常高的使用率【13】。
2.2无线控制系统的总体结构
在这篇文章中，我们把ZigBee作为技术核心，完成智能家居的设计，分为三个部分：
家居设备照明、家居安防、家居电器的无线监控。
在下图中可以看到，通过ZigBee设备和家居当中的照明、安全防卫、电器的互相接连，完成家庭电器的无线控制，再利用ZigBee的组网技术将这些家局电器共同完成一个无线网络。
ZigBee控制中心以及GPRS设备、WiFi设备的互联建立网关，使家庭内的家居无线网络和家庭外的Internet、GPRS网络完成对接，由此可以实现远距离的检测家局当中的实时环境，如通过网页或者短信查看家居状况。
在本章中，我对ZigBee设备、ZigBee设备控制家居照明、ZigBee设备监控家居安防、ZigBee设备同GPRS设备的互相连接，分别设计了硬件电路。
对ZigBee设备控制家具电器的方式进行了研究。
图2.1家居无线控制方案设计总体框图
2.3ZigBee设备的电路设计
在本设计方案中，引入ZigBee通信模块来把家居设备归入家居无线网络的ZigBee设备，ZigBee通信模块与家居安防、家居照明、家具电器相连采集家具设备与家居环境信息，把采集到的信息传给ZigBee控制中心通信模块，通过ZigBee控制中心使其他模块处理其发出的指令，以此实现家居的无线控制。
我们的设计方案里面最重要的模块便是无线通信模块吗，这一模块采用了T1公司的CC2430芯片，一这一芯片来完成通信基本要求，和ZigBee技术比较适配的芯片在市场上有很多，在这里我们选择了CC2430，因为它是目前市场上价格及性能都比较合适的，许多小型的通信网络都会使用该芯片。
2.3.1CC2430基本参数
图2.2CC2430引脚图
CC2430芯片在解决组建ZigBee技术无线通信网络是十分合适的一种芯片。
它能够完全满足小型无线通信网络对芯片的要求，同时这一芯片低成本，低功耗的特点也使广大使用者在选择时对它青睐。
在这个芯片中含有一个射频收发器核心，这一射频核心是十分高性能的，以及一颗8051控制器，这一控制器可以用来控制其下接的8051芯片。
CC2430芯片当中含有二十一I/O口引脚，这21个引脚可以用来编程其输入输出，P0、P1、P2三个口共同组成，P1和P0都提供了8个，P2只提供了5个可编程I/O口。
同时能够给其SFR寄存器编写程序来控制这些端口。
。
I/O口有下列这些基本特点:
（1）我们可以把P0、P1、P2的这21个引脚作为一般的I/O口，也可将其作为外围I/O口来使用。
（2）可以为其直接接入上拉电阻或者下拉电阻来工作。
（3）所有的输入输出端口都可以响应外部中断，如需要使用中断功能，可以通过编写中断的指令来开始其中断功能。
P1.2至P1.7引脚:
它的驱动能力为4毫安。
P1.0及P1.1引脚:
它们的驱动能力为20毫安。
P0.0至P0.7以及这枚芯片的43到48这6个引脚:
它们的驱动能力同样只有4毫安。
2.3.2通信模块的原理图设计
CC2430有8千比特的含量的运存以及拥有着强劲的周边模块，共有如下三个版本，分别是根据不同的闪存大小来组合而成的。
在本设计中，可以根据不同的功能选择32、64机238kByte这三种不同的闪存，通过对ZigBee协议的大幅度简化，降低其对控制通信的要求。
按照简化后来预测，构建全部的模块，完成所有程序的设计，大概仅仅需要32千比特的代码，其下属功能模块仅仅只需4千比特的代码。
在本设计中，代码是十分重要的我们通过各种代码组成的应用程序来控制电灯的开启与关闭、完成对各式各样家居电器的控制、智能的判断并且及时的开启安全报警的开关。
本模块设计中采取的CC2430芯片为给用户足够的编程空间，全部采用128kb的RAM。
天线的选用，在本设计中，考虑到通信距离短及需要其体积小，我们选用50欧频率为2.4GHZ的贴片陶瓷天线。
2.4GHZ的普通天线大约7.5cm长，而同频段的陶瓷贴片天线只有大约7mm长，体积也比普通天线缩小了许多。
所以我们采用了这种贴片陶瓷天线，它可以很轻易便捷的放入家居设备当中。
由于在家具电器之间通信距离一般较短，所以这种天线完全可以满足家居环境通信要求，因此我们选择了这种价格较为昂贵的芯片。
将全部的电源引脚接一个小的电容接入地极，以这种方式可以做到去除耦合效应，防止电源对高频模拟信号产生干扰。
由于在这个系统中的组成部分，分别有模拟电路、数字电路，可以通过把模拟信号与数字信号的端口分开接入地极，这一接法可以使他们之间互相干扰的现象降到最低。
图2.3CC2430通信模块电路
如上图所示，CC2430芯片设计添加了天线电路之后还为CC2430芯片加入了两个晶振电路，CC2430芯片已可正常工作，将端口P1.1与端口P1.2连接两个LED灯作指示灯。
图2.4CC2430的晶振设计电路图
如图2.4所示，可以看到左边是32K赫兹的RC震荡电路，右边的电路是32M赫兹的晶体振荡电路。
图2.5CC2430的天线匹配电路示意图
如上图所示，CC2430芯片使用射频信号是用来平衡它的输出，而它的射频信号从平衡转化到非平衡信号的实现，是采用一个均衡器来完成的。
图2.6CC2430的扩展引脚电路图
如上图所示，我们为CC2430的通信模块拓展了数个引脚：
十七个I/O口、电源引脚、复位引脚及一个接地端。
其中2个串口与I/O引脚复用。
2.4GPRS电路设计
在我们的设计中，研究选用了MC39i来作为与手机进行通信的GPRS模块，MC39i模块可以支持语音、数据、短信的传输，把这一模块同控制中心模块互相接连，MC39i在1000至2000赫兹工作，而ZigBee主要在2.5GHZ这一频段当中正常工作，所以二者之间并不会有影响，把二者串口连接以实现他们之间的通信，而我们选择的ZigBee设备可以采集家居中的信息，之后ZigBee设备可以将这些信息传输至控制中心，控制中心通过GPRS模块把这些信息传输到使用者的手机上面，使用者也可以通过发送短信这种方式来控制家居电器。
以这种方式来实现远程监控的功能。
图2.8MC39i连接插槽电路
在上图中。
U8是外部时钟的输入口，U11是用来插入SIM卡的。
图2.9外部定时器电路
上图为定时器电路，为我们的通信模块提供时钟信号。
图2.10
图2.11
以上两图分别为MC39i模块与CC2430模块的外部电源电路。
2.5ZigBee控制照明的途径研究
在智能家居中最重要的是要体现其智能化以及人性化的特点，一样的，在家居照明方面当然也要体现智能家居的这一特点，在本设计中，我们要求该系统可以智能的根据家庭中的明暗，有无人等来调节家居照明，在手动控制家居照明的基础上，我们新增了智能开关，采用这种新型开关实施分布式控制家居照明设备【14】。
照明控制模块的实现，在本设计中我们考虑了很多种方法，最后选择了用CC2430与双向可控硅相结合这一方式。
双向可控硅为三级交流开关，也可以称之为双向晶闸管，英文名为TRIAC。
它是三端的，三个端口分别为第一主电极、第二主电极与控制极。
同单相电力调整器最大的不同便是它结正反向电压都能够导通，下面将为大家展示它的符号及造型。
可以看出，只要有信号加入T1、T2之间导通，相反情况下，无信号加入时，T1、T2之间不导通【15】。
A．符号B.构造
图2.12TRIAC双向可控硅
双向可控硅的T1主电极接至5伏的交流电源上，T2主电级直接接地，同时要求CC2430通信模块端口P0_3与TRIAC的触发端相连接，通过P0_3口来输出高低电平以控制TRIAC在导通和截止之间转变。
将CC2430和光敏传感器连接，把收集到的家居中的明暗信息传递给控制模块。
照明环境流程图如下所示。
图2.13照明环境控制框图
在本设计中，我主要是以这种方式来实现智能化，人性化的，在CC2430控制中心中开发应用程序。
这样便可完成按要求的控制家居照明环境。
当人们进入家门，根据人们当时的需求，智能的启动家庭中的照明设备，如智能的启动客厅，卧室的照明设备等。
本设计通过光敏传感器收集家居明暗环境的信息，把这一信息传递给CC2430控制中心模块进行判别，实时保证家居中的光线敏感强度适中。
当人们选择自动调节家居中的明暗程度这一模式时，每过一段时间光敏传感器便会将采集到的明暗信息传递给CC2430控制中心，而再通过接受信息并且判断该光线强度是否和设定的强度有区别，如果有，通过开启或者关闭家居照明设备来调节明暗。
如下图所示，可以看到家居控制照明电路图。
J1、J2为电灯的电源底座，J1一端与交流电源连接，另一端同双向可控硅的主电极连接。
J2一端接交流电源，另一端直接接地。
Q1为TRIAC器件，通过CC2430的I/O口触发，控制J1上照明设备的亮暗。
图2.14照明控制电路原理图
2.6ZigBee设备实现家居安防的方式及电路的研究
家庭中安全防范是至关重要的，但是人的精力毕竟是有限的，不可能所有时候都能警惕及时的发现各种安全问题，而智能家居系统可以实时智能的监控家庭中的安全境况，并且在发现安全问题时会控制安防设备进行简单的处理，并且报警。
可以看到，我们在这一设计中，采用了各种传感器来收集家居环境信息，而在监控采集安全方面的信息时，我们主要使用了温湿度传感器以及烟雾传感器收集到的信息这两个来判断是否有火灾发生，使用了红外触发传感器采集信息，以它采集到的信息来判断，分辨是否被歹徒进入到家中，这些传感器都可以通过CC2430通信模块把收集到的各种信息传递给CC2430控制中心处理。
这一过程可以参照如下流程图
图2.15家居安全环境无线监控系统框图
下图为CC2430通信模块和温湿度传感器（SHT10）相连接的电路图。
图2.16CC2430与温湿度传感器连接电路图
用户可以通过设置，使温湿度传感器采集家居中的信息，然后通过CC2430通信模块把采集到的信息传递给CC2430控制中心。
CC2430控制中心在接收到温湿度信息后可以调用应用程序对其处理，来判断是否有火灾的发生，如果有，便可以通过GPRS模块向用户发送短信并且电话报警，然后对家居中的其他设备发出相应的指令：
打开水龙头，关闭电源等等一系列的措施。
2.7ZigBee技术实现无线家居电器的途径研究
家居电器一共有三种方式来控制：
开关量控制、红外线控制以及无线电遥控，这一小节的重点在于ZigBee技术与红外遥控及其与无线电遥控的结合。
如上文中所说到的，CC2430通信模块通过TRIAC与开关量控制的电器电源接口连接，以实现开关量控制家
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