无线网络传感器与智能家居控制系统.docx

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无线网络传感器与智能家居控制系统

题目：

无线网络传感器在智能家居控制系统上的使用

智能家居控制子系统

指导者：

张军国

评阅者：

张军国

2011年11月

毕业设计（论文）中文摘要

智能家居是一个充满发展前景的行业，在国内己经发展了几年了。

随着智能家居行业自身的发展和人们对居住环境的现代化、信息化和舒适化的追求，人们对智能家居的关注度逐渐提高。

从目前国内的智能家居发展情况来看，智能家居还存在着很多问题，需要我们耐心去解决。

本文首先介绍了课题研究的背景和意义，分析了智能家居系统的发展现状和趋势，总结了智能家居研究目前存在的主要问题。

通过深入研究了智能家居所涉及的相关理论和技术，提出了网络家电的设计模型和家庭网络的通讯技术方案，并结合嵌入式技术给出了其实现方法。

论文阐述了家居控制系统的功能和设计思想，设计了一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居中央控制平台方案。

本文针对国内智能家居产品存在的问题和目前家庭的实际情况，提出了以嵌入式设备为主控设备，以蓝牙作为家庭网络的通信技术，构建智能家居控制平台的方案。

系统选用53C2410芯片为智能家居控制平台的核心控制芯片，CS8900A为远程控制芯片，蓝牙芯片ROK101008为家庭网络通信模块，构建智能家居控制平台的核心控制器。

系统完成了BOOTLOADER的移植、嵌入式Linux的剪裁和移植，设计了核心控制器与网络家电之间的数据通讯格式。

通过对家居控制系统的分析，设计了家居控制系统的软件模型。

为了方便用户对家电设备的控制，系统除了本地控制外还设计了嵌入式webServer，为用户提供远程控制功能。

关键字：

智能家居;控制平台;网络家电;嵌入式Linux

毕业设计（论文）外文摘要

Title：

StudentapartmentsaccessibleaccesssecuritySystems_____________DesignandImplementation

Abstract：

SmartHomeisanindustryfulloprospectsforthedevelopment，hasbeendevelopedinChinaforyears.AsthedevelopmentofSmartHomeandthePursuitofthemonetizationandcomfortofPeople’slivingenvironment，PeoplePaycloseattentiontoSmarthomegradually.AsthedomesticSmartHomeisdeveloping，therearestillmanyproblems，weneedPatiencetoresolve.

ThisPaperfirstintroducestheresearchbackgroundandsignificance，thenanalysesthedevelopmentstatusandtrendsoftheSmartHome，summarizestheexistingmainproblemoftheSmartHome.Throughin-depthstudyoftherelevanttheoriesandterminusinvolvedintheSmartHome，thisPaperPutsoverdesignmodelsofnetworkapplianceandthetechnicalsolutionofhomenetworkingcommunications，givesthemethodsoftheirrealizationcombinedwithembeddedtechnology.ThePaperdescribedfunctionsanddesignmethodologyofthehome=controlsystem，designedahomecentralcontrolplatformhavingthecharacteristicsoflow-cost，easytomaintain，extensible，easytoconfigure.

InconnectionwiththeProblemofthedomesticSmartHomeProductsandrealityofthecurrentfamilies，thisPaperProposestoaSmartHomecontrolPlatformsolutionincludeembeddeddevicesasamasterdeviceandtheBluetoothasahomenetworkcommunicationstechnology.ThePaperusesa53C2410chipasacorecontroller，aCS8900AchipastheremotecontrolchipandaBluetoothchipnamedROK101008asthehomenetworkcommunicationmoduletobuildtheSmartHomecontrolplatform.ThePapercompletestheBOOTLOADERtransplantation，embeddedLinuxclippingandtransplantation，anddesignsdatacommunicationformatforcommunicationbetweenthenetworkapplianceandthecorecontroller.Throughanalysisofthehome-controlsystem，thePaperdesignssoftwaremodelofthehome-controlsystem.Inordertofacilitateusertocontrolconsumerelectronicsdevices，thesystemprovidesuserswithremotecontrolfunctions.

Keywords:

SmartHome;controlPlatform;networkappliances;embeddedLinux

目录

1.绪论2

1.1研究背景2

1.2课题研究目的及意义5

1.3论文的主要工作和结构6

2．ZigBee关键技术介绍7

2.1IEEE802.15.4简介7

2.2ZigBee协议8

2.3ZigBee网络拓扑结构9

2.4ZigBee网络的自适应机制10

3传感器节点和网关设计12

4智能家居控制子系统中央控制平台总体设计13

4.1控制平台功能与结构14

4.2涉及到的软硬件介绍16

5智能家居控制子系统详细设计19

5.1硬件设计19

5.2软件设计22

5.3Web远程控制27

6系统功能测试31

6.1主控信息中心调试31

6.2主控信息中心调试步骤和问题解决31

6.3ZigBee通信功能调试32

致谢34

参考文献35

1.绪论

1.1研究背景

随着人们对居住条件、生活质量、信息获取的需求越来越迫切，社会信息化脚步的进一步加快，家居信息化成为建设社会信息化过程的一个很重要环节。

家庭是社会的细胞，唯有家庭实现了信息化，才可能真正实现社会的信息化。

对智能家居系统的研究及开发是实现家庭信息化得必经之路。

但目前国内的研究尚未建立一个完整的理论体系，对智能家居的理解也存在着种种差异;当前国内的智能家居产品大都功能贫乏，系统设计不规范、扩展性差，对当前的发展形式较难适应，同时智能家居技术在我国处于起步阶段，许多技术标准都未标准化，还有很多工作需要做。

因此加强智能家居应用方面的研究，通过选取合适的技术，设计合理的方案，组建一种符合我国国情的、具有自主知识产权的智能家居系统己成为当前智能家居研究领域中极富挑战的课题。

1.1.1智能家居控制系统的应用需求

我国的智能家居网络技术的发展始于上个世纪九十年代末，经过多年的发展逐渐走向成熟。

几年前，“智能家居”对大多数人来说还是一个遥不可及、纯粹想象的概念，而如今，随着科技的发展和人民生活水平的提高，以及一浪高过一浪的房地产热潮，中国的智能家居行业得到迅猛发展并日益渗透到平常百姓生活中。

一股智能家居新生代力量，以无限活力与激情点燃了我们沉闷的生活。

随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，人们对智能家居的应用需日益增强。

从2008-2009年市场所反映的情况看，智能家居的行业认知度不断提升，并且金融危机对其造成的影响不大。

据预测，到2020年，中国智能家居产值将会达到1万亿-2万亿元。

与此同时，随着网络技术的发展和成熟，为智能家居设备的应用提供了环境基础，智能家居需求呈上升势头。

诺达咨询《智能家居控制市场专题分析报告2011》对目前的市场需求进行了总结分析如下：

智能家居控制器市场前景看好，整体产品规模增长速度超过全球平均增长速度

   随着人们生活水平的提高，智能化需求日益旺盛。

智能控制器作为智能产品的核心器件应该享有更为旷阔的发展空间，未来成长较好。

中国智能控制产品规模与全球智能控制产品规模的增长率走势相接近，但是整体增长速度超过全球增长速度。

全球智能控制产品市场规模，逐年稳步增长。

预计到2012年市场规模将达到10520亿美元。

我国智能控制产业将会获得较好的发展机会，预计2012年我国智能控制产品整体规模将达到6250亿元，增长率将达到22．5％。

高端智能市场份额比重大，地区发展不平衡。

   国内智能家居产品多集中在别墅和复式住宅等高端家庭，高端智能化产品在智能家居销售份额中占很大的比重，中低端产品市场普及率较低。

并且各地区间发展不平衡，主要集中于东部沿海发达城市，而中西部城市智能家居市场相对空白。

另外，上海的智能家居市场的需求量较其他城市需求量大，主要原因就是上海的经济发展更好一些。

智能家居发展初期始于安防控制，家庭用户主要采用环境监测、煤气探测、温湿度调节、防火报警等功能保障财产安全。

目前，由于城市的安全环境越来越好，人们更注重的则是家居的舒适和便利，而安防的侧重点将会越来越少。

为此环境控制和娱乐服务控制日渐成为更多智能家居市场更大的需求点。

1.1.2智能家居控制系统的研究及应用现状

随着近年来科学技术的迅速发展和普及，我们的工作、生活观念也发生了巨大的改变，现代家庭生活追求的新方向—智能化生活已经悄然走进我们的生活，“智能家居”已成为家庭信息化和智能化必不可少的需求。

智能家居是指在小区内部宽带网络己经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统，其目的是为住户提供以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境[13]。

智能家居是个复杂的综合体。

首先，在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。

其次，通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。

最后，智能家居的最终实现目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。

智能家居从功能上来说，主要分为家庭安防功能、家庭数据采集功能、家电及家庭电子设备控制、家庭信息管理平台和家庭能源控制功能等五大功能。

现在，世界各国都在跻身于网络信息服务技术的家庭应用，硅谷目前的投资和研发热点就是这方面的应用。

圣保罗风险资本公司、Flatiron合伙公司和松下电子公司已经拨款1.4亿美元，投资于支持智能家居的信息家电公司。

诺基亚、摩托罗拉和至少另外五家电话制造商正在开发网络电话。

而惠普、IBM、太阳微系统和索尼等公司正准备推出大量新发明的小玩意儿。

从巴掌大小的扫描仪到赋予这些装置动力的芯片和软件等不一而足。

当前，我国对智能家居的研究刚起步。

1994年，国家科委立项资助重大科技项目“2002年小康型城乡住宅科技产业工程项目”其目标是以科技为先导。

以示范住宅小区建设为载体，推进我国住宅产业现代化，构建新一代住宅产业，在该项目中，把智能型住宅技术列为重中之重，开展技术、产品与工程的应用研究。

2000年9月，长虹、海尔、春兰、TCL、小天鹅、上广电、厦新、电子三所、清华同方、中兴通9讯等数家家电巨头和科研院所参加了国家经贸委2000年国家技术创新重点专项计划“家庭信息化网络技术体系研究及产品开发”项目工作会议会议。

此次会议成立了“中国家庭信息网络制标技术委员会”。

该委员会将联合开发家庭信息网络中的共性技术和产品互联规范，实现消费类电子、通信和计算机行业间的大范围协作。

现在国内智能家居系统的研究还处于起步阶段，现有的智能家居系统通常构建在单片机上，只是对一些分散的智能家庭控制子系统的研究，例如三表抄送子系统（电表、水表和天然气表）、门禁子系统、可对讲子系统、医疗求助子系统和控制子系统等。

这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使得安装和使用很不方便。

目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，而且网络传输和处理能力较差。

一个智能家居系统应该将家居的安防系统，家电控制系统，通信系统，网络应用系统等等应用系统进行统一管理，实现互联，系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过电话或者Internet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。

1.2课题研究目的及意义

1.2.1本课题的研究意义

本文针对人们的需求和市场上现有安防产品的不足，提出了一种“系统控制中心ZigBee无线传感器网络的智能家居安防系统解决方案。

方案采用了现代先进的技术成果，功能完善、性价比高，能够被广大用户所接受，同时克服了现有安防产品的不足。

系统用户可以根据需求来选择不同功能的传感器节点，这样既可以最大化地满足用户的需求，又比较经济实惠。

同时，系统将各种报警探测器集成在家庭内部网络中，方便各种报警探测器之间协同工作和集中控制，解决了现有安防产品功能单一的缺陷。

系统采用ZigBee技术构建家庭监控网络，将报警信息集中到系统控制中心，再通过GPRS网络实现报警信息和控制信息的远程传输，大大节省了报警信息远程传输的成本。

ZigBee的高频部分采用了直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）技术保证信号传输，避免了在2.4GHz公用频段的干扰，也解决了现有无线安防产品采用ASK调制技术所造成的同频干扰问题。

ZigBee芯片是超低功耗的无线收发芯片，采用休眠模式，减少电池使用的成本。

系统采用无线传输的通信方式，避免了布线的麻烦，也降低了系统安装的成本。

1.2.2本课题的研究目的

本课题研究的主要目的是深入研究智能家居涉及的相关理论与技术，将计算机技术及嵌入式控制技术等应用于智能家居控制系统中，基于此基础上，设计一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居中央控制平台。

·本设计选用了价格适中、货源稳定的犯位ARM核的嵌入式微处理器53C2410作为硬件控制核心，选用网络功能强大、开源、并且便于维护的嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台，在此基础上进行嵌入式开发，设计出一个面向家居系统的专用控制系统。

1.3论文的主要工作和结构

（1）概述了智能家居系统的功能及国内外发展现状。

（2）阐述了智能家居系统的构架、家庭网络及智能家居控制平台涉及的相关技术。

（3）详细介绍了智能家居控制平台实现的功能，并提出了智能家居控制平台的设计方案。

（4）详细介绍了智能家居控制平台的硬件选型以及硬件设计。

（5）详细介绍了研究及实现智能家居控制系统所必需建立的软件开发环境，软件开发平台的搭建过程以及软件设计开发所采用的原理和方法。

（6）最后对全文进行了总结，并提出设计中存在的问题和需要改进的方向。

2．ZigBee关键技术介绍

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。

2.1IEEE802.15.4简介

随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内信的需求，这样就出现了个人区域网络（personalareanetwork,PAN）和无线个人区域网络（wirelesspersonalareanetwork,WPAN）的概念。

WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。

1998年3月，IEEE802.15工作组。

这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personaloperatingspace,POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。

POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。

在IEEE802。

15工作组内有四个任务组（taskgroup,TG），分别制定适合不同应用的标准。

这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。

下面是四个任务组各自的主要任务：

（1）任务组TG1：

制定IEEE802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。

这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。

（2）任务组TG2：

制定IEEE802.15.2标准，研究IEEE802.15.1与IEEE802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。

（3）任务组TG3：

制定IEEE802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。

该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。

（4）任务组TG4：

制定IEEE802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-ratewirelesspersonalareanetwork,LR-WPAN）制定标准。

该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。

任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。

LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。

与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。

IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。

IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：

（1）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；

（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；

（3）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；

（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA-CA）；

（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

2.2ZigBee协议

无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议（包括MAC层、路由、网络层、应用层等），传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。

Zigbee的基础是IEEE802.15.但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。

主要用于近距离无线连接。

它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

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，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：

需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

值得注意的是，在已经发布的ZIGBEEV1.0中并没有规定具体的路由协议，具体协议由协议栈实现。

2.3ZigBee网络拓扑结构

从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点（ep）、路由器节点（rp）和协调器节点（cp）3种[2]。

其组织结构如下图示：

zigbee网络拓扑结构

其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。

这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。

从功能上，zigbee节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块组成。

其中，包括dma、usart模块、定时器模块、a/d模块在内的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，CPU实现数据的运算与处理，MAC定时器用于实现网络同步，使用AEC技术对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。

2.4ZigBee网络的自适应机制

Zigbee2006协议栈的网络层路由协议是基于AdHoc按需矢量路径协议AODV（AdhocOndemandDistanceVector），支持在环境中移动、连接失败和包丢失的环境应用。

AODV路由协议的实现分两部分：

路由发现和路由维护。

具体的AODV路由协议实现可以查看AODV协议原文。

路由发现又分两部分，一部分是源节点发送数据的路由发现，第二部分是中间节点及目标节点的路由发现。

路由维护：

一旦一个节点的下一跳出现故障，一个链接被认为是失效的，链路上的其他节点就会开始链路修复。

通常是在一个数据包到达这一链路后的下一次，开始一个新的发现过程。

如果