基于物联网的智能家居系统设计学士学位论文.docx

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基于物联网的智能家居系统设计学士学位论文

基于物联网的智能家居系统设计

摘要

智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施（如照明、安防、家电等）通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活。

传统的智能家居系统一般是通过有线线路布线和进行各种控制和通信的，人们难以脱离各种线缆的羁绊，而且系统的可扩展性能也很差。

现代近距无线通信技术的发展，使得人们能够冲破这种束缚，营造更舒适的家居生活。

家居网络可以大致分为数据网络和控制网络两大部分，本文主要针对智能家居系统的控制网络相关技术进行研究，并进行了系统设计。

本文主要按照以下几部分展开论述:

首先分析了智能家居系统的一般构成以及控制系统在智能家居的地位，并通过传统智能家居的特点进行分析，指出了目前市场上的智能家居系统的局限性，提出了基于短距无线网络的现代智能家居系统是将来的发展趋势。

接着对智能家居控制的系统构架以及相关关键技术进行了分析和比较，指出基于IEEE802.15.4的zigbee技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准，并对该标准进行了深入研究。

然后从系统和应用的角度来研究智能家居控制网络，设计了一个基于近距无线技术的智能家居控制演示系统，包括主控制器与传感器、摄像头监控、开关控制等功能节点的设计。

关键词：

家居控制网，Zigbee，物联网

Things Based SystemDesign ofSmartHome

ABSTRACT

Intelligenthouseholdsystemisusingacomputer,theembeddedsystemandcommunicationnetworktechnology,willallsortsofhouseholdfacilities（suchaslighting,security,homeappliance,etc）throughthefamilynetworkconnectivitytotogether,thusprovidepeoplewithmoreconvenientcomfortablelife.Thetraditionalintelligenthouseholdsystemisgenerallythroughthecablelinewiringandvariouscontrolandcommunication,peopleishardtoescapethefettersofvariouscable,andsystemextensibleperformanceisalsoverypoor.Modernsidewallofwirelesscommunicationtechnologydevelopmentmakesthepeoplecangetthechains,buildthehouseholdlifemorecomfortable.Householdnetworkscanberoughlydividedintodatanetworksandcontrolnetworkoftwoparts,thisarticlemainlyaimsatintelligenthouseholdsystemcontrolnetworkrelevanttechnologyandsystemdesign.

Thispapermainlyaccordingtothefollowingseveralaspectstodiscuss.

Thispaperfirstlyanalyzesthegeneralintelligenthouseholdsystemcompositionandcontrolsysteminintelligenthouseholdposition,andthroughthetraditionalintelligenthouseholdcharacteristics,thepapersuggeststhatthecurrentmarketthelimitationsoftheintelligenthouseholdsystem,putsforwardtheshort-rangewirelessnetworkbasedonthemodernintelligenthouseholdsystemisthefuturetrendofdevelopment.Thentheintelligenthouseholdcontrolsystemarchitectureandrelatedkeytechnologyareanalyzedandcompared,pointsoutthattheIEEE8O2.Basedonzigbeetechnology15.4isthemostsuitableforwirelesshomecontrolsystem'swirelessstandards,andthestandardswerestudied.ThenfromtheAngleofsystemandapplicationresearchintelligenthouseholdcontrolnetwork,designofaclosewirelesstechnologybasedontheintelligenthouseholdcontroldemonstrationsystem,includingthemaincontrollerandsensor,surveillancecamera,switchcontroldesignoffunctionalnodes.

Keywords:

homecontrolnets,Zigbee,Contentnetworking

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

年月日

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

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日期：

年月日

1绪论

1.1智能家居的发展及应用前景

近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，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已经积累了很多经验。

如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已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。

但是，此行业仍存在几个问题。

首先，定位偏高，目前智能家居的用户是中上档次的人群，而这类人群毕竟是少数，因此降低定位，让智能家居进入寻常百姓家，可扩大市场范围；其次，切实分析用户需求，否则就只是房地产开发商售楼时一个宣传卖点。

智能家居系统可以理解为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种通讯设备、家用电器和家庭保安装置经由家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，从而形成一个有机的整体（数字家庭网络系统），进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。

而无线网络技术的应用已经成了智能家居系统一个新选择。

无线网络一般家庭网络通讯有以下几个特点：

1、传输的数据量比较小,因而无需太大的传输速度；2、信息的实时性要好，时延要短，尤其在安防信息上；3、网络的容量要大，因家庭中各种设备、电器很多；4、无论采用何种方式建立家庭网络，都必须保证数据传送过程中的安全性和可靠性，不易被人窃取和破坏。

在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且更符合家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。

目前，无线网络技术主要可分为射频（RF）技术、红外线技术、IEEE802.11b和IEEE802.11a协议技术、HomeRF协议、ZigBee技术、蓝牙技术。

其中射频（RF）技术已很成熟，它的成本低廉，穿透性较好，但抗干扰能力差，安全性差，最致命的缺陷是它没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样；红外技术也比较成熟，但必须直线视距连接，限制太大，并不适合我们通常意义上的家庭网络；IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域网和校园网，由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组又相继推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新标准，但无论是IEEE802.11b还是IEEE802.11a都是一种高速率传输协议，用在家居系统上有些大材小用，而且价格昂贵，它更适于办公室的无线网络；HomeRF无线标准是由HomeRF工作组开发的，旨在使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准，由于HomeRF网络没有密码因而它的安全性较差，且它的抗干扰能力很差；而ZigBee技术和蓝牙技术都属于IEEE802.15协议，在一定的范围内有重叠，但其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。

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之间，而蓝牙更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。

1.2课题的目的和意义

现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。

对于全身心投入竞争的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。

智能家居控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，即快捷又省力。

还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，进而控制空调机的运行，达到人工模拟大自然的气息。

使人们将来足不出户就能体验和享受到身临大自然的美好境地。

加大了处理紧急情况的力度、增强了住户无人在家时的安全感，使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量。

住宅智能化控制的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。

由于信息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。

智能信息家电及智能家居系统具有安网作为主干网，实现交互式数字视频业务。

系统硬件要求

1小区物业管理智能化系统的硬件有信息网络、计算机、公用设备、计量仪表和电子器材等。

系统硬件应具有先进性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。

2在充分考虑先进性的同时，硬件系统应立足于用户对整个系统的具体需求。

应优先选择先进、适用、技术成熟，最大限度地发挥投资效益。

3无论是系统设备还是网络拓扑结构，都应具有良好的开放性。

网络化的目的是实现设备资源和信息资源的共享。

因此，计算机网络本身应具有开放性，并应提供标准接口。

用户可根据需求，对系统进行拓展或升级。

4计算机网络选择和相关产品的选择要以先进性和适用性为基础，同时考虑兼容性.系统设备应优先选择根据己有国际标准设计、生产的标准化设备，避免因兼容性差造成系统难以升级或拓展。

5随着社会的不断发展和进步，住宅小区物业管理智能化系统的规模、自动化程度会不断扩大和提高，用户的需求会不断变化。

因此，系统的硬件应充分考虑未来可升级性。

1.3系统软件要求及通讯技术

（1）系统软件要求

系统软件是小区物业管理智能化系统的核心，它的功能好坏直接关系到整个系统的水平。

系统软件包括:

计算机及网络操作系统、应用软件及实时监控软件等。

1系统软件应具有很高的可靠性和安全性。

2系统软件操作方便，采用中文图形界面，采用多媒体技术，使系统具有处理声音及图像的能力。

用户操作界面要适应不同层次住户及物业公司人员的素质。

3系统软件应符合国家、行业标准以及国际标准，便于多次升级和支持新硬件产品。

4系统软件应具有功能上的可扩充性。

使用的元件的耐压要求比较高，在安全问题上有一定的隐患。

目前国际上采用电力线作为联网介质推出的解决方案有--xOI，CEBUS等。

（2）智能家居系统的通讯技术

家庭网络的通讯主要是以物理媒体层的实际电磁信号为主要传输载体，所以物理媒体层传输介质是整个家居网络的物质基础。

因而家庭网络的通讯媒体的选用是很重要的。

目前，家庭网络的通讯媒体主要有以太网（双绞线）、电话线、电力线、无线射频、红外线、电缆和光纤等几种，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主，家庭无线网络主要采用红外、无线方式等，将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发展的方向。

根据接入设备的类型及实际需要，家庭局域网可以用有线或无线方式实现，也可以用混合型网络实现。

以下我们分别对这几种方案进行比较:

有线通讯技术

有线通讯方式主要利用家庭中的电话线、有线电视线、交流电力线等己经存在的配线进行通讯。

（1）电话线网络

计算机厂商与消费电子厂商成立了一个名为HomePNA（家庭电话线网络联盟）的组织来推广利用电话线建立家庭网络。

它是通过在电话线加载高频载波信号来实现信息的传递，可以同时满足电话业务、家庭内部数据传输，互相不干扰。

可以达到1Mbit/s的传输速率。

该方案采用802.3标准，支持即S机制，HomePNA在撇C层制订了八种优先级，改进了冲突解决技术，保证音频类实时数据延迟控制在10一2h（as。

电话线网络利用住宅内现有电话线路的家庭网络具有较好的发展前景，因为电话应用已经普及，施工和安装比较方便，通过频分多角技术可以使一根电话线利用不同频率同时传输数据、Inertnet信息和声音。

相对其它技术而言，基于电话线路的连网产品价格较低，数据传输不容易受到干扰。

利用电话按键可实现简单、方便、廉价的远程控制。

（2）电力线网络

采用电力线作为传输介质一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式，在家庭网络中适合采用扩频通讯方式。

使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布线，利用现有的插座就可以实现家用电器的方便联网，因此施工和安装更为方便。

但对于家庭中所使用的手持移动设备来说无法采用电力线连入家庭网络。

它的缺点在于传输速率只有300Kbps，躁声和干扰比较大，不能满足数字视频和音频信号的传输，保密性较差，而且没有统一的标准。

此外由于信号与家用电器在同一对线上传输，对所全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。

国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求

国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求如下:

系统的功能要求

住宅小区智能化系统示范工程功能要求，按不同标准，应分别做到以下功能:

一星级

1安全防范子系统

（l）出入口管理及周界防越报替

（2）闭路电视监控

（3）对讲与防盗门控

（4）住户报警

（5）巡更管理

2信息管理子系统

（1）对安全防范系统实行监控

（2）远程抄收与管理或Ic卡

（3）车辆出入与停车管理

（4）供电设备、公共照明、电梯、供水等主要设备监控管理

（5）紧急广播与背景音乐系统

（6）物业管理计算机系统几，

3信息网络子系统

（1）为实现上述功能科学合理布线

（2）每户不少于两对电话线和两个有线电视插座

（3）建立有线电视网

二星级

二星级除应具备一星级的全部功能之外，同时在安全防范子系统和信息管理子系统的建设方面，其功能及技术水平应有较大提升。

信息传输通道应采用高速宽带数据网作为主干网。

物业管理计算机系统应配置局部网络，并可供住户联网使用。

三星级

三星级应具备二星级的全部功能。

其中信息传输通道应采用宽带光纤用户接入题。

有线和无线技术，既是相互竞争的也是相互补充的，既有各自的优点也有各自的缺点，目前是多种技术的混合和共存的局面。

但随着无线技术的发展成熟，无线技术必将取代优先技术，成为最终的发展趋势。

1.4方案论证及系统实现的功能目标

（1）远程家居智能管理系统设计原则

优秀的家庭自动化产品应该具有以下设计原则:

标准化:

家庭自动化产品应当依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证各厂家产品间的兼容性和相互操作能力。

开放性:

目前，在智能住宅、家庭自动化、家电网络领域尚处于一家一户自行开发的局面，而实际上用户不可能全部使用同一厂家生产的产品，这将极大阻碍互联互通和长远发展。

因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议、统一的接口。

模块化:

采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益并允许系统的逐步到位。

模块之间遵循一定的协议，可以相互通讯和协调。

实用性:

人们购买家庭自动化产品是为了享有更加便利舒适的生活，绝非追逐潮流的概念。

普及化:

家庭自动化系统应该面向低成本、高性能的目标设计，住户对价格较为敏感，所以智能住宅采用的技术要较为经济。

同时，家庭自动化系统应该能最大程度兼容用户原有电器设备，保护用户投资。

简洁易用:

高科技带来的应该是一种享受而绝不是一种负担。

好的家庭自动化产品应该简便易用、用户界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。

（2）系统实现的功能目标

智能家居控制系统是由基于电话网络的远程控制和本地集中控制两大部分组成。

具体功能目标是:

1远程控制实现人在异地能通过电话网络对家中的电器设备进行控制的功能。

2本地集中控制实现在近距离通过键盘控制家用电器设备的工作状态。

3安全防盗报警。

4三表（电表、水表、气表）的数据采集。

5实时时钟显示的功能。

2Zigbee技术

Zigbee技术综述

Zigbee技术是主要应用于自动控制的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。

它主要工作在无须注册的2.4GHzISM频段，数据速率为20—250kbit/s，最大传输范围在10～75m，典型距离为30m。

基于Zigbee的无线模块由高度集成的天线、电池及频率控制器组成。

在以Zigbee构成的WPAN网络中能支持高达254个用户节点，外加一个全功能器件或主器件，可实现双

向通信。

Zigbee主要通过降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率，降低帧开销以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。

IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。

两个物理层都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。

ZigbeeMAC层的设计则主要考虑到尽可能地降低成本，容易实现，可靠的数据传输，短距离操作及非常低的功耗。

在Zigbee网络中传输的数据可分为3类，周期性数据如家庭中水、电、气三表数据的传输;间断性数据如电灯、家用电器的控制即安防报警数据的传输;还有反复性的低反应时间的数据如无线鼠标、游戏杆传输的数据。

为了提高传输数据的可靠性，Zigbee采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手协议。

2.1Zigbee联盟

Zigbee联盟成立于2002年8月,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半导体公司组成,如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。

Zigbee联盟负责制定网络层及以上层协议。

2.2Zigbee的技术参数

Zigbee协议定义了两个物理层标准,它们分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。

两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum）技术,使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速Zigbee无线信道的组成,图2-1所示;Zigbee的其它技术参数,见图2-2所示。

2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于Zigbee设备的推广和生产成本的降低。

2.4GHz的物理层通过采用16相高阶调制技术能够提供250Kbps的传输速率,有助于获更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。

图2-1

图2-2

2.3Zigbee协议栈

Zigbee协议栈[5]采用分层结构，包括:

物理层（PHYLayer）、媒体接入控制层（MACLayer）、网络层（NWKLayer）和应用层，如图2-3所示。

图2-3Zigbee协议栈结构

网络层以上协议由Zigbee联盟制定,IEEE组织负责定制PHY层和MAC层标准。

应用层包括应用对象终端设备和应用接口层,且最多只能包含31个应用对象。

应用接口层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络层上,其中包括:

安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现及业务发现。

网络层主要考虑采用基于ad-hoc技术的网络协议,应包含以下功能:

通用的网络层功能,拓扑结构的搭建和维护,命名和关联业务,包含了寻址、路由和安全;同Zigbee协议标准一样,非常省电;有自组织、自维护功能,以最大程度减少消费者的开支和维护成本。

Zigbee协议的媒体接入控制层协议包括以下功能:

设备间无线链路的建立、维护和取消;确认模式的帧传送与接收;信道接入控制;帧校验;预留时隙管理;广播信息管理。

Zigbee协议MAC层定义的4种帧结构:

数据帧、标志帧、确认帧和MAC命令帧,如图2-4所示。

图2-4Zigbee的帧结构图

2.4Zigbee的技术特点及其优势及工程应用：

（1）Zigbee的技术特点及其优势