基于Zigbee 无线传感器网络的智能家居系统.docx

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基于Zigbee无线传感器网络的智能家居系统

摘要

目前各种智能家居体系和产品之间缺乏严格的标准和通用的接口，并且受当前技术条件以及经济成本所制约，智能家居的具体应用并未得到很好的普及，如何设计一套简便高效、成本低、可扩展性好的智能家居系统，对于智能家居在实际应用中的推广具有一定的借鉴意义。

本文首先概述了智能家居的研究背景和意义。

然后对几种常见的无线通信技术进行了比较，选择基于IEEE802.15.4的ZigBee技术作为智能家居内部组网技术。

提出了智能家居的系统设计方案，包括网络拓扑、系统功能和设计要求。

基于ZigBee技术进行了智能家内部网络的设计。

基于S3C6410进行了智能家居网关的设计，实现了基于ZigBee技术的智能家居内部网络与因特网和通信网的连通。

开发了人机交互界面，实现了本地信息的查询和远程短信报警。

实现表明，本文设计的基于ZigBee技术的智能家居系统，具有系统智能化和通信多样化的特点，并具有良好的扩充性与裁剪性，基本达到了预期目标。

关键字：

智能家居、ZigBee、S3C6410、网关

Abstract

Withtheinformatizationtideadvancingaroundworld，theindividualTeachingwebsitemakesgreatadvanced。

Butsomeofthemremainproblemsatlarge，suchastheweakinteractionamongtheteacherandstudents，aswellasthefiniteeffectofteachingfeedback。

Aimingatthisstatus，wedevelopthissystemwhichchoosesJSPasitsdesignlanguage，Thesystemintegratesthecharacteristicofboththesynchronousandtheasynchronouseducationalenvironmenteffectively，providesinformationfeedback，homeworkmanagementandscoremanagementandetc。

，getstherealtimeshareoftheteachingmaterialsandthevalidscoremanagement，andfinallyaccomplishthepurposeofintensifyinginteractionandimprovingthecommunicationamongtheteacherandstudents，aswellasenhancingtheteachingeffect。

Thepaperintroducestheoriginalintentionandthebackgroundsofthesystem，therequirementandthedesignofthefunctionmoldofthesystem，andtheconcretestepsofthesystemdevelopment。

Finally，thepaperelaboratesthedefectsandprospectsofthesystem。

Keywords:

SmartHomeZigBeeS3C6410Gateway

第一章引言

1.1系统的背景介绍

在现在的生活中，虽然人们的生活水平有了很大的提高，但是家务活还是不能完全脱离人而自动完成，比如说烧水、做饭、开空调、打电视、打扫卫生等等。

我们有时候会因为忘记了正在烧着热水而出门，最后引发火灾。

每当遇到类似的情况，我们就会幻想这样一种生活方式：

回到家进入到房中，空调已经把室内温度调节到想要的状态，空气湿度刚好合适，电灯亮度自动调节到适合的状态，热水器已经把洗澡水烧好，电视机开始播放自己喜欢的节目等，当然，也就不会因为忘掉切断一些家电的电源而引发危险的事件发生；门窗检测、烟雾检测、煤气检测等装置可以保证家中的安全，我们可以随时通过互联网查询、设置家中电气和设备的状态等等。

随着互联网技术、通讯技术、计算机技术和物联网技术的迅速发展，越来越多的人可以享受到这些高新技术带来的便利。

人们对生活环境舒适度、安全感、便利性等各个方面的要求越来越高，因此智能家居就应运而生。

这样美好的生活场景随着智能家居的出现成为了现实。

1.2智能家居及其系统的概念

智能家居起源于20世纪80年代，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化（HE，HomeEleetronies）出现。

随后，又将家用电器、通信设备、安保设备的功能综合一体，形成了住宅自动化的概念（HA，HomeAutomation）。

80年代末，通信与信息技术的发展，出现了对住宅各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，在美国称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。

智能家居在国外常用SmartHome表示，国内定义比较繁杂，类似有数字家庭、电子家庭、网络家居、家庭自动化等等称呼。

智能家居是一个居住环境，以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。

总体而言，智能家居系统则是利用综合布线技术、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相关的设备集成，构建高效的管理系统。

。

1.3开发的意义

智能家居就是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置等连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制。

在家居住宅内通过管理平台进行现场控制。

在住宅外通过GPRS网络对家居系统进行远程控制。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至能合理控制各种能源的使用。

1.4智能家居的发展趋势

物联网的建设将大大推进智能家居产业化的进程，物联网的概念于1999年正式提出，英文名称为TheInternetofthings，其意为物物相连的互联网，其中智能家居的应用发展将以最快的速度拓展开来。

现在国内部分城市都在积极建设物联网项目，其中北京、上海、深圳等城市的发展相对超前。

基于对智能家居发展现状的总结与现存问题的分析，智能家居今后的发展趋势将体现在以下几方面：

（1）组网技术从有线向无线发展。

目前，智能家居内部组网分为有线组网和无线组网两种技术。

现有比较成熟的有线组网技术主要包括电话线、以太网、电力线等，他们都存在布线繁琐、扩展性能差、影响美观等缺点。

相对于传统的有线组网技术而言，无线组网技术在智能家居的应用上具有无需布线、安装周期短、网络用户容易迁移和增加等优势。

（2）系统综合化和功能模块化。

在以往的智能家居系统中，用户需要安装几个独立的子系统来获得完善的功能，这就增加了安装和使用的复杂性。

所以需要实现更多智能家居子功能采用统一的协议标准，实现统一的控制、管理、联动。

从实用的角度来说，就是只用一个遥控器或者电脑就能统一控制任何一个智能家居子系统，并能实现各子系统间的功能联动、互动。

与此同时，在电路设计上大都实现功能的模块化，便于系统功能的增加和裁剪，提高系统的兼容性和扩展性。

（3）远程控制手段多样化。

以往一般采用电话实现远程控制，方式较单一。

现随着移动网络以及互联网的迅猛发展，实现远程控制的手段越来越丰富，个人电脑远程控制、手机控制等方式日益成熟。

而3G技术的迅速发展和普及为智能家居提供了一个良好的应用平台。

在3G的产业链上，包括电信运营商、网络设备提供商、终端软件提供商等，每个环节都蕴藏着巨大商机。

在3G和物联网的推动下，智能家居的发展必将迎来一个全新的变革。

（4）节能与智能将引领家居消费新趋势。

现代人们的消费细节更加注重节能与智能两方面。

消费者在选用传统的节能卫具、灯具来节能的同时，也没有忽视对“智能”生活的要求。

智能化的家居设计可以更好地满足人们对人性化家居的需求，而通过智能家居的应用不但可以实现智能化，同样也可以起到节能的效果。

随着经济的发展，人们对生活质量要求的提高，智能家居将逐渐引领装修时尚潮流，成为新的消费趋势。

第二章相关技术概述

在短距离的无线控制、监测、数据传输领域，通用的技术有802.11、蓝牙、HomeRF

等，它们各有自己的优势，但仍然存在功耗大、组网能力差等劣势。

为了弥补上述协议的不足，ZigBee联盟于2004年12月中旬推出基于IEEE802.15.4的ZigBee协议栈。

2.1IEEE802.15.4标准简介

1、IEEE802.15.4标准简介

IEEE802.15.4是针对低速无线个人区域网络（LR-WPAN）制定的标准。

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各之间的低速互连提供统一标准。

LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电量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。

1、IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有的特点：

（1）、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（CSMA-CA）;

（5）、支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

2、节点类型

IEEE802.15.4网络是指在一个POS（personaloperatingspace）范围内使用相同的无线信道并通过IEEE802.15.4标准相互通信的设备的集合。

设备（device）是IEEE802.15.4网络中最基本的组成部分。

在LR-WPAN网络中支持两种设备，一种是全功能设备（FFD），另一种是简化功能设备（RFD）。

全功能设备可以在三种模式下工作，即PAN协调者、协调者或者普通的网络设备，它可以在运行期间动态地在这三种模式之间进行切换。

全功能设备不仅可以同简化功能设备或其他全功能设备通信，而且可以控制网络的拓扑结构。

简化功能设备只能同全功能设备通信而不能控制网络拓扑结构。

它通常用于特别简单的应用场合，如电灯开关或是被动的红外线传感器，一般不需要传输大量的数据。

因此，实现简化功能设备协议只需要很少的内存资源。

在同一个物理信道上，个人通信空间范维内的两个或多个设备就可以组成一个LR-WPAN。

一个网络至少需要一个FFD，它作为网络协调者运行，PAN网络协调者除了直接参与应用外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

3、网络拓扑类型

从功能上主要分为星状网络拓扑结构和对等网络拓扑结构两种类型。

其中树状网络和网状网络同属于对等网络拓扑结构。

下面分别对这两种网络拓扑结构进行介绍。

星状网络拓扑结构如图2.1所示。

星状拓扑网络结构由个域网主协调器的中央控制器和多个从设备组成，其中主协调器必须为FFD设备，从设备既可为FFD设备也可为RFD设备。

白圈为FFD，黑圈为RFD。

图2.1星状网络拓扑结构

星状网络拓扑结构的形成：

首先选择一个具有全功能的设备（FFD）作为网络的PAN主协调器，然后由它来建立一个新的网络，并确定该网络的唯一的一个PAN标识符，即PANID号。

每个星状网络中只有唯一的一个PAN主协调器，所以每个星型网络的通信都是独立于当前其他星型网络的，因此应该选择一个新的PANID号以确保网络的唯一性。

当协调器建立了新的网络以后，其他从设备就可以加入到这个网络之中，作为这个星状网络的子节点。

其中，从设备可以是FFD设备，也可以是RFD设备。

对等网络拓扑包括树状网络拓扑和网状网络拓扑两种结构，其中树状网络拓扑结构如图2.2所示，其中协调器和路由器都是FFD设备，终端设备为RFD。

终端设备节点只能与自己的父节点进行通信，从属于不同父节点的子节点之间不能进行通信。

黑圈为终端设备，白圈为路由器，红圈为协调器。

图2.2树状网络拓扑结构

网状网络拓扑结构如图2.3所示，网状拓扑网络中的所有节点都是FFD设备。

节点间是完全对等的通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其他节点通信，但也需要有一个节点作为网络协调器，通常把第一个在信道中通信的节点作为协调器节点。

图2.3网状网络拓扑结构

其中树状网络中任何一个节点的故障都会使与其相连的子节点部分脱离网络。

如果在稳定的无线电射频环境中，需要有一定的网络覆盖范围，而且网络有一定的稳定性和扩展性，那么树状网络拓扑将是一个很好的选择。

4、IEEE802.15.4协议栈

IEEE802.15.4标准定义了两个物理层标准，分别是2。

4GHz物理层和868/915MHz物理层。

2。

4GHz频段为全球统一的无须申请的ISM（industrialScientificMedieal）频段，而868/915MHz频段分别是欧洲和北美所使用的ISM频段。

IEEE802.15.4中总共分配了27个信道，分别工作在3种不同的传输速率上：

2。

4GHz频段有16个信道，能够提供250kb/s的传输速率;868MHz频段只有一个信道，传输速率为20kb/s;916MHZ频段有10个信道，传输速率为40kb/s。

（1）、物理层

物理层定义了物理无线通信和MAC子层之间的接口，通过两个服务访问点（SAP）以原语调用的方式向上层提供物理层数据服务和物理层管理服务。

物理层数据服务在物理信道上通过射频服务访问点（RF-SAP）实现物理层协议数据单元（PSDU）的发送和接收，而物理层管理服务是由物理层管理实体（PLME）提供的，该实体维护一个由物理层相关数据组成的数据库（PIB）。

物理层的主要功能包括五个方面：

打开和关闭收发器、信道能量检测（energydetect）、链路质量指示、信道选择和空闲信道评估以及通过物理介质上发送和接收数据包。

信道能量检测为网络层提供信道选择依据。

它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，因为这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。

链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据时无线信号的强度和质量的信息。

与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。

这个信噪比指标和物理层数据单元一起提交上层处理。

空闲信道评估判断信道是否空闲。

IEEE802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：

第一种模式简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信道空闲;第二种模式是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方面即扩频信号特征和载波频率;第三种模式是前两种模式的结合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。

（2）、MAC子层

IEEE802系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制子层LLC（LogicalLinkControl）和介质接入控制子层MAC（MediaAeeessControl）两个子层。

LLC子层在IEEE802。

2标准中定义，为IEEE802标准所公用的;而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。

LLC子层的主要功能是进行数据包的分段和重组，以及确保数据包按顺序传输。

MAC子层通过两个服务访问点提供两种服务，即通过MAC子层公共部分服务访问点（MCPS-SAP）提供的MAC数据服务和通过MAC子层管理实体服务访问点（MLME-SAP）提供的MAC管理服务。

MAC数据服务通过使用物理层数据服务来实现MAC协议数据单元（MPDU）的收发。

同样，MAC子层的管理服务功能维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库（PIB）。

MAC子层的主要功能包括下面几个方面:

●信道访问机制：

IEEE802.15.4网络可以使用两种信道访问机制:

基于竞争的和非竞争的。

基于竞争的方式允许设备以分布的方式，使用载波监听多重访问/冲突避免（CSMA/CA）协议访问信道。

非竞争访问完全由PAN协调者以保证时隙（GTS）方式管理。

●启动和维护PAN：

设备通过信道扫描获得当前信道的状态，在其射频范围内定位所有的Beacon帧或者因失去同步而定位某一个特定的Beacon帧。

信道扫描的结果可以用来在启动PAN之前选定一个合适的逻辑信道和一个在同一范围内没有被占用的PAN标识符。

在同一射频范围内可能存在两个标识符相同的PAN，需要一种策略检测和解决这种情况，在完成了信道扫描和PAN标识符选择以后，FFD可以就作为PAN协调者运行了。

●设备加入和离开PAN：

关联（Assoeiation）过程描述了设备如何加入一个PAN以及协调者如何允许设备加入PAN的过程。

己关联的设备或PAN协调者也可以启动去关联（Disassociation）的过程。

●数据发送、接收和确认机制：

描述非直接（Indirect）方式发送帧、重传数据和解决重复帧问题的机制。

●安全性：

讨论发送和接收帧的安全机制。

2.2ZigBee标准简介

1、ZigBee技术

ZigBee技术，这个名字来源于蜜蜂通过跳Z（ZigZag）形状的舞蹈来分享新发现食物源的位置、距离和方向等信息，蜂群使用的生存和发展的通信方式。

ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，IEEE802.15.4与ZigBee的关系可以看成以下两种情况：

zigBee可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，当把它看作一种技术的时候，它表示一种高层的技术，而其物理层和MAC层直接引用IEEE802.15.4。

事物是不断的发展变化的，尤其是通信技术，可以想象将来的ZigBee可能不会使用IEEE802.15.4定义的底层，就像Bhietooth宣布下一代底层采用UWB技术一样，但是“zigBee”这个商标以及高层的技术还会继续保留。

另外，zigBee的拓扑结构采用的也是IEEE802.15.4的拓扑结构，分为星型和对等拓扑结构。

它是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

该技术主要是为低速率传感器和控制网络设计的标准无线网络协议栈，是最适合无线传感器网络的标准。

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有低成本、低功耗、低数据速率、自组织网络等突出特点。

简而言之，ZigBee就是一种功耗低，价格低廉的近距离无线组网通信技术。

2、ZigBee技术特点

ZigBee协议的主要技术特点如下：

（1）、速率低：

10kbps~250kbps，适用于低传输速率的网络；

（2）、低功耗：

一般终端节点只需两节普通5号干电池，可使用6个月到2年；

（3）、成本低：

ZigBee协议开源，免收专利费；

（4）、容量大：

每个ZigBee网络最多可支持255个设备；

（5）、低时延：

通常的时延在15ms~30ms之间；

（6）、安全性高：

ZigBee安全协议采用AES-128加密算法，可确保其安全属性；

（7）、有效范围：

一般可视距离100米，增加发射功率可提高传输距离；

（8）、工作频段灵活：

免费使用三个通信频段分别是2。

4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国）。

3、zigBee网络体系结构

zigBee技术具有统一的技术标准，主要由IEEE802.15.4工作组与zigBee联盟分别制定。

其中，IEEE802.15.4工作组负责制定物理（Physicai，PHY）层和媒体访问控制（MediumAccessControl，MAC）层的标准，而ZigBee联盟则制定高层的网络（Network，NWK）层、应用（Application，APL）层和安全服务提供者（SecurityServicesProvider，SSP）等标准。

ZigBee技术的整体协议架构如图2.4所示。

图2.4ZigBee的整体协议架构

2.3网关简介

本系统网关采用基于Samsung公司最新的S3C6410X（ARM11）嵌入式微处理器。

S3C6410X是一款16/32的RISC微处理器，具有低成本、低功耗、高性能等优良品质，适用于移动电话和广泛的应用开发。

为给2.5G和3G的通信服务提供优越的性能，S3C6410X采用64/32位内部总线结构。

其内部总线是由AXI、AHB和APB三部分总线构成。

S3C6410X也包含了许多强大的硬件，用于提高任务运行的速度，例如动态视频处理，音频处理，2D图形，显示和缩放等。

集成了多种格式编解码器（MFC的），支持MPEG4/H.263/H.264的编码和解码和VC1解码。

H/W型编码器/解码器支持NTSC和PAL模式的实时视频会议和电视输出。

三维图形（以下简称3D引擎）是一种3D图形硬件加速器，可以更好地支持openGLES的1.1及2.0。

这个3D引擎包括两个可编程着色器：

象素渲染和顶点渲染。

S3C6410X具有良好的外部存储器结构。

这种优化的结构能够在高端的通信服务中维持很高的内存宽带。

存储系统拥有两个外部存储器接口、DRAM和Flash/ROM。

DRAM的端口可支持移动DDR。

Flash/ROM端口支持NORFlash，NANDFlash，OneNAND，CF和光盘类型的外部存储器。

为降低整个系统的成本，并提供整体功能，S3C6410X包括许多硬件外设，如相机接口、16位真彩液晶LCD控制器、系统管理（电源管理等）、4通道UART接口、32通道DMA、5通道32位定时器与2PWM输出、通用I/O端口、I2S接口、总线接口、I2C总线接口、USB主机、高速USB接口OTG设备（480Mbps的传输速度）、3通道SD/MMC记忆主机控制器和的PLL时钟发生器。

ARM子系统是基于的ARM1176JZF-S核心。

其包括独立的16KB指令和16KB数据高速缓存，16KB指令和16KB数据TCM（Terminal-to-ComputerMultiplexer终端设备至计算机多路转接器）。

它还含有一个完整的MMU进行处理虚拟内存管理。

ARM1176JZF-S是一种单芯片的MCU，支持Java。

ARM1176JZF-S特含矢量浮点协处理器，可有效执行各种加密设置以及高品质的3D图形应用。

S3C6410X采用了标准的AMBA总线架构。

正式因为这些强大的功能以及工业级的标准，使得S3C6410X支持工业级标准的操作系统。

2.4QtDesigner简介

本系统的界面采用的是Qt，Qt提供了非常强大的GUI编辑工具--QtDesigner，它的操作界面类似于Windows下的VisualStudio，而且它还提供了相当多的部件资源。

Qt允许程序员不通过任何设计工具，以纯粹的C++代码来设计一个程序。

但是更多的程序员更加习惯于在一个可视化的环境中来设计程序，尤其是在界面设计的时候。

这是因为这种设计方式更加符合人类思考的习惯，也比书写代码要快速的多。

因此Qt提供了一个可视化的界面设计工具：

Qt设计器（QtDesigner）。

Qt设计器可以用来开发一个应用程序全部或者部分的界