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zigbee智能家居毕业设计

独创性声明

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摘要

近年来人们对生活环境智能、舒适、安全要求越来越高，并伴随着计算机技术、通信技术的发展，智能家居便应运而生。

然而随着智能家居的发展，所需要环境监测数据变越来越多，这就需要一种安装便捷，实用并且价格合适产品出现。

有线传感器系统需要大量的布线，安装费用高的同时维护也很不方便，并且在一些建筑物中无法布线。

随着物联网的发展，zigbee渐渐走入人们的视野。

Zigbee低功耗、低成本、低速率的短距离的优点。

Zigbee组成的无线传感器网络具有维护成本低、组网灵活、部署方便的特点，仿佛是为了无线智能家具而生的。

将zigbee技术与智能家具结合有很好的应用前景。

基于此本文选择了zigbee无线通信技术来组件无线智能家具网络。

本文组织结构如下：

首先，分析了智能家居的发展、以及无线传感器网络的发展，结合智能楼宇的特点，讨论了无线传感器网络在智能家居中应用的优越性。

然后介绍zigbee技术，深入研究ZigBee协议各个通信协议层的结构与功能，在此基础上，选择采用ZigBee星型网络拓扑模型实现智能楼宇传感器网络系统。

然后介绍本设计采用的硬件，硬件采用无线龙ZigBee开发套件。

ZigBee网络无线传感器节点采用低功耗微控制器CC2530，节点采用96X16液晶显示，USB接口，电池供电，具有经济、高效、方便、快捷、可视性、并可重复使用。

软件方面，根据Zigbee联盟制定的标准，利用德州仪器（TI）推出业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack）。

Z-Stack装载在一个基于IAR开发环境的工程里。

经测试，本文的无线节点数据传输可靠，通讯距离满足需求；节点能量消耗少、估算电池使用寿命长，设计实现了能长时间工作的智能楼宇环境监测系统，具有智能化、低成本、低功耗的特点，同时对ZigBee的其它扩展应用具有参考价值。

关键词：

环境监测，智能楼宇，无线传感器网络，ZigBee，CC2530

ABSTRACT

Inrecentyears,pepolemoreandmorelikealivingenvironmentmoresmart,comfortable,safetyandaccompaniedbythedevelopmentofcomputertechnology,communicationtechnology,intelligenthomehavecomeintobeing.Withthedevelopmentoftheintelligenthome,however,therequiredenvironmentalmonitoringdatabecomemoreandmore,whichrequiresaneasytoinstall,practical,andthepriceisrightproduct.Wiredsensorsystemrequiresalotofwiring,installationcosts,whilemaintenanceisalsoveryconvenient,andinsomebuildingscannotbewiring.WiththedevelopmentofInternetofThings,thezigbeegettingintopeople'svision.Zigbeeislowpower,lowcost,low-rateshort-range.Zigbeewirelesssensornetworkshavetomaintainalowcost,flexiblenetworking,andeasilydeployable,asifborntowirelesssmartfurniture.Zigbeetechnologyandintelligentfurniturecombinedwithagoodapplicationprospect.Then,thisarticleselectzigbeewirelesscommunicationtechnologytothecomponentsofwirelesssmartfurniturenetwork.Thepaperisorganizedasfollows:

Firstofall,thisiarticledescribethedevelopmentofthesmarthome,aswellasthedevelopmentofwirelesssensornetworks.Thencombinedwiththecharacteristicsofintelligentbuildings,todiscusstheadvantagesofawirelesssensornetworkapplicationsinthesmarthome.Andthenintroducethezigbeetechnology,in-depthstudyofthestructureandfunctionofeachcommunicationprotocollayeroftheZigBeeprotocol,andonthisbasis,selecttheZigBeestarnetworktopologymodelofintelligentbuildingsensornetworksystem.

Thendescribesthehardwareusedinthisdesign.HarwareusewirelessLongZigBeedevelopmentkit.WirelesssensornodesinaZigBeenetworkusinglow-powermicro-controllerCC2530nodes,using96X16LCD,USB,battery-powered.Thiskitsiseconomic,efficient,convenient,fast,visibility,andcanbereused.Software,accordingtothestandardsdevelopedbytheZigbeeAlliance,TexasInstruments（TI）introducedtheindustry-leadingZigBeeprotocolstack（Z-Stack）.Z-StackisloadedinaworksbasedontheIARdevelopmentenvironment.

Beentested,thisdesignandimplementationofintelligentbuildingenvironmentmonitoringsystemhasreliabledatatransmissionofthewirelessnodes,thecommunicationdistancetomeetthedemand;nodeenergyconsumptionislow,batterycanworklonghours.Thissystemhasintelligent,low-cost,lowpowerconsumptioncharacteristics.ZigBeeexpansionapplicationhasareferencevalue

Keywords：

environmentalmonitoring,intelligentbuildings,wirelesssensornetworks,ZigBee,CC2530

目□□录

第一章绪论

1.1课题研究背景

物联网被称为继计算机之后，世界信息产业的另一个的技术革命，备受各国家研究机构关注。

互联网无处不在，智能家居，智能交通，环境监测，政府的工作，物流，快递，酒店管理，医疗保健都有广泛的应用。

只要在日常的事物中配置的RFID标签，便可实现与物联网的联通，形成一个庞大的物联网系统。

物联网的存在使得即使在千里之外，仍然可以很容易的得到物品的信息。

随着物联网概念的提出及相关技术的发展，随着人们对生活的更加舒适、安全、便利、环保得要求提高，智能家居系统成为物联网应用的一个具体领域便成为必然发展趋势。

利用物联网技术，可以实现在住宅集成智能建筑、网络通信、环境监测、家电灯光的家庭自动化系统。

物联网需要的各种信息技术和手段，结合数字化社区和互联网可以发挥最好的功能就是生命系。

在国内的智能家居物联网的概念尚未提出之前，已经将近十年，但智能家居行业的发展是非常曲折，规模仍然是有限的。

事情推大力宣传和媒体企业，社会上的智能家居的关注已经达到前所未有的高度。

从传统的家庭不同，智能家居是住宅平台，综合布线技术，网络通信技术，安全技术，自动控制技术，音频和视频技术，和相关设施的家居生活一体化，建立高效的住宅设施的日常事务家庭管理系统，提高家庭安全，方便，舒适，美观，环保节能的居住环境。

物联网需要各种信息技术和手段，结合数字化社区和互联网，才能发挥处物联网生活的最佳功能。

在物联网的概念还未提出之前，智能家居在国内已经有了近十年的历史，但是智能家居行业的发展十分曲折，规模仍然有限。

现在由于政府对物联网的极力推崇和媒体商家的大力宣传，社会各界对智能家居的关注达到了前所未有的高度。

与传统家居不同的是，智能家居是指以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术，将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日常事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

智能家居管理系统功能的实现需要获得大量环境数据作为调控基础，这些数据主要依靠各种类型的传感器获得。

随着环境监测功能的增多，所需的传感器也越来越多。

使用有线传感器组成的监测网络布线量大、安装和维护费用高、不易扩展，并且在部分建筑物的部分位置难以布线。

而无线传感器网络具有成本低、安装和维护方便快捷、运作和更新费用低等优点，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息[3-6]，适合应用于楼宇内的环境监测，正逐步走向实用。

1.2智能家居的国内外发展现状

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechno1ogiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕　又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。

自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。

智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。

1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。

它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。

这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。

目前在新加坡也有近30个社区（住宅小区所5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国己有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”121

近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修公司己经积累了很多经验。

如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统己成为当前社会一个热点问题。

而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居研究领域正确的发展方向。

目前我国的家庭智能化系统还处于从无到有的初级发展阶段，家庭智能化系统构成形式和手段还没有统一的标准，各大厂家也适时推出了自己的智能家居系统，如科龙集团研制的“智能网络家居系统”，海信的“智能家居控制系统”，清华同方的“e-Home数字家园”等，一时间国内智能家居领域呈现百家争鸣的局面。

尽管智能家居在我国起步较晚，但大有风行正健之势。

1.3基于zigbee的无线传感网络的起源与发展

随着通信技术、计算机网络技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，无线传感器网络（WSNWirelessSensorNetwork）成为当今国内外研究的一大热点。

无线传感器网络是由大量的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并具有控制、监视、计算等功能。

无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的研究投入了极大的热情。

在近年来，无线传感器网络发展迅速，技术已逐渐成熟。

无线传感器网络（WSN）最早出现20世纪70年代的美国，那时美国正处在冷战时期，为了在海底战争中进一步研究反潜战，每年投资1000万美元，开发出了一套探测上百公里以外的引擎声音的声音监测系统。

除海战以外，美国还相应为空军开发了空中预警及控制系统。

这些早期的传感器网络都是采用单点对单点的通信手段，分级处理信息，结构简单且费用昂贵。

美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。

目前美国所有著名高校基=几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究，欧洲很多国家也加入WSN的研究工作。

Zigbee技术由于具有低能量消耗、低成本、低速率传输、构建多种网络等优点，被很多公司重视。

像TI、Microchip、Ember、OKI、NEC等都推出基于ZigBee的开发平台，TI推出了CC2430的开发平台、Freescale则推出MC13192的评测平台。

无线传感器网络技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

国内在传感器网络系统方面的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域是五大重点项目之一；2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院WSN的相关工作；2002年，北京大学、清华大学、南京大学、哈尔滨工业大学等高校的研究机构都开始了传感器网络系统研究；国家自然科学基金已经审批了与WSN相关的一个重点课题和多项课题，2003年国家自然科学基金作为面上项目资助，上海市科学技术委员会列为2003年度第三批重大科研攻关课题。

2004年，将一项无线传感器网络项目（面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目，2005年，将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。

2006年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。

国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了WSN相关的课题。

在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。

2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。

我国2010年远景规划和“十五”计划中，将WSN列为重点发展的产业之一。

总体上国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，大部分工作仍是在针对网络协议的设计仿真和实验阶段，而且国内自行研制的无线智能传感节点较少，都是购买Mote产品进行前期探索，这方面同国外的差距较大。

由国内外无线传感器网络的研究现状可见，无线传感器网络系统研究有着巨大的科学意义和应用前景，已经成为当今前沿性的热点研究方向之一，必将成为对21世纪产生巨大影响力的高新技术之一。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

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。

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

目前，市场上存在诸多无线技术，大多数的应用目标旨在提高所传输数据的速率和传输距离。

而对于诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，系统所传输的数据量小，传输速率低，系统所使用的终端设备通常为采用电池供电的嵌入式设备，如无线传感器网络，因此，这些系统必须要求传输设备具有成本低、功耗小的特点，针对这些特点和需求，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司及荷兰飞利浦等公司在2002年共同宣布组成Zigbee技术联盟，共同研究开发Zigbee技术。

目前该技术已吸引了上百家芯片公司、软件开发商、系统集成商等公司等的加盟，而且，这个技术联盟还在不断地发展壮大

1.4无线传感器网络和智能家居结合的必要性

目前国内智能家居控制仍多采用传统控制方式，传统控制系统一般是通过有线的方式来组建的，功能需求越多安装越复杂，它具有以下几个弊端：

1.布线复杂，安装空间大

2.电缆用量大，浪费材料　

3.系统功能固定，扩展性差　　

4.运行维护成本高，损耗能量　　

5.移动性能差，且影响美观　　

随着Zigbee无线通讯技术的发展，智能家居行业能够冲破这种“有线”的束缚，使民众有望体验安装简单、调试维护方便、价格合适的无线智能家居带来的轻松、便捷的生活。

随着时间的推移，Zigbee技术将会变得越来越完善，它在智能家居的应用也会变得越来越多，Zigbee无线智能家居将逐渐成为主流。

试想一下，家居设备之间不用通过任何“线”的连接，而是通过Zigbee协议连接成一个物联网络进行通讯。

在家居空间内，人们在任意地方可以随意地控制家居环境中的设备，享受智能家居带来的惬意和轻松。

新一代的无线智能家居网络，将以无需布线和使用相对自由，建立起人们对无线家居设备的全新体验和享受。

它组网灵活，成本低廉，消除了开槽、穿墙等繁琐的工作程序，总体费用低；移动性强、扩张性强，可摆脱“线”的限制，在设定的覆盖范围内，用户可轻松接入到家居设备网络系统。

无线家居智能家居主要具有以下几点优势特征：

（1）维护简单；由于没有复杂的布线，使智能家居的系统维护变得非常简单，无需破坏墙面等设施就可以轻松进行维护。

（2）无线自动组网；它能实现无线短距离通信传输，感知信息通过自组织联网实现信息传输。

自动组网、自主修复的能力。

和上一代采用315M射频技术的智能家居系统相比，Zigbee可以实现自动组网，免去主控机和外围设备之间的手动对码的麻烦，大大简化了智能家居系统的调试，是智能家居系统真正实现智能化。

（3）实现双向通讯功能；Zigbee网络具有双向通讯的功能，使安防报警等需要方向通讯的模块可以通过无线接入到智能家居系统，彻底摆脱布线的烦恼。

（4）性价比高；无线家居移动灵活、扩张性强，还具有低成本，低功耗的特点，符合“低碳生活”的绿色家居概念。

（5）安装简易；无需复杂的布线，用一种简易的方式实现家庭设备联网，实现“物与物”、“人与物”之间的信息交互，进而轻松实现家庭设备控制智能化。

1.5论文组织结构

简要介绍了物联网和智能家居的发展，以及二者结合的可能性和发展前景。

介绍了基于zigbee技术的无线传感器网络的发展，zigbee无线传感器网络具有低成本、低数率、功耗低的优点，组网灵活方便，非常适合用在智能家居系统当中。

介绍了短距离无线技术，并将它们的优缺点经行对比，最后选择zigbee技术应用在智能家居系统当中。

介绍zigbee的三种设备以及zigbee的协议分析。

第三章介绍了系统选用的硬件系统，介绍了节点电路，传感器器电路、节点的供电电路、USB转串口电路、扩展接口电路等。

第四章介绍了系统的软件开发平台，介绍了协调器节点的软件设计流程，终端节点的软件设计流程，介绍了灯光控制器、窗帘控制器的工作方式。

第五章介绍了系统调试结果，以及zigbee发展的前景和展望。

第2章zigbee技术介绍

2.1短距离无线通信技术对比

2.1.1zigbee的技术标准

为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人区域网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、无线USB（WirelessUSB）、无线局域网Wi-Fi（IEEE802.11b/g）等。

WPAN标准的IEEE802.15的任务组TG4，即IEEE802.15.4标准为核心的zigbee技术标准适用于低功耗、低速率传输、低成本的无线传输和控制系统。

国际电工协会IEEE致力于WAPN网络的网络层和媒体访问层的标准化工作，任务组TG1是蓝牙无线标准；任务组TG2是共存组，为所有工作在2.4GHz的IEEE802.11解决共存问题；任务组TG3是WAPN在多媒体高速率传输和服务品质应用；任务组TG4针对低俗的WAPN而制定，并成为zigbee协议的底层标准。

IEEE802.15.4标准适用于低速率数据传输，是zigbee、wireless和MiWi规范的基础，最大传输