基于ZigBee技术的智能家居安全监控系统设计毕业论文设计.docx
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基于ZigBee技术的智能家居安全监控系统设计毕业论文设计
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基于ZigBee技术的智能家居安全监控系统设计
[摘要]ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术,为实现对家庭安全的实时监控，提出了智能家居远程安全监控系统设计方案。
系统基于ZigBee技术和GSMGPRS网络进行设计，能够通过彩信和短信发出监控图像和报警信息，接收远程指令；同时引入了多种传感器，实现了对家用电器的远程控制，实现了智能家居远程监控。
重点阐述了系统的硬件、软件设计以及系统的性能测试，实现了多个监控装置的无线联网。
实验结果表明，所设计的系统能够实现安全、便捷的智能家居远程监控，并具有较高的可用性和可靠性,验证了ZigBee技术应用于低速个域网具有低功耗、可扩展性以及较高的实用性等特点。
[关键词]：
智能家居；无线网络；ZigBee；
【Abstract】ZigBeeisanewkindofshortdistancewirelesscommunicationtechnology,Torealizethereal-timemonitoringoffamilysecurity,andputforwardtheintelligentscheme.SystembasedonZigBeetechnologyandGSMGPRSnetworkdesign,canthroughtheMMSandSMSsendmonitoringimageandalarminformation,receivingremoteinstruction;Atthesametimeintroducedavarietyofsensors,realizetheandsystemperformancetest,andrealizemultiplemonitorwirelessnetworking.Theexperimentalresultsshowthatthedesignedsystemcanrealizethesafe,convenientintelligent、ELAN、HAI（美国海益）【l】以及已经打入中国市场的Honeywell（霍尼韦尔）、LG。
国外这些智能家居品牌主要采用的通信协议标准有：
1）LonWorks协议
LonWorks协议是由美国Echelon公司与Motorola和东芝公司共同倡导的，
于1990年正式公布而形成的。
它采用了ISOOSI模型的全部七层通行协议，采
用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其
通信速率从300bs至1．5Mbs不等，直接通信距离可达2700m，支持多种通信介质。
其最大特点是在总线上挂接具有神经元（Neuron）芯片的控制节点，，而
这些芯片内已经固化有标准的网络通信协议、内嵌式网络操作系统和运作的时
间数据库。
可以说LonWorks协议最大的应用领域就是在楼宇自动化方面，它包括建筑物监控系统的几乎所有领域，即能源管理、消防、救生、供暖通风、测量、安保等。
LonWorks协议中的介质访问控制层，即ISOOSI模型中的第1、2层，
已经被接纳为建筑自动化控制网络（BACnet）的标准，同时也被美国国家标准
协会（ANSI）制定的有关标准所采纳。
2）CEBus协议
CEBus（ConsumerElectroniCSBus，消费电子总线）是美国于1984年4月开始组织开发的一种智能家庭网络系统的标准，经过多年研究，于1992年正式推出，并正式命名为CEBus。
CEBus采用的传输介质可以是多种多样的：
电力线、双绞线等。
它在电力线载波模式工作时最具有优势。
CEBus协议是一种开放式标准，在通信协议上遵循ISOOSI七层协议框架。
CEBUS省略了ISOOSI七层协议中的传输层（TransportLayer）、会话层（SessionLayer）和表达层
（PresentationLayer），仅保留物理层（PhysicalLayer）、链路层（LinkLayer）、
网络层（NetworkLayer）和应用层（ApplicationLayer）。
CEBUS协议具有两个
典型特点：
一是，在介质访问控制子层（MAC）采用总线结构的CSMACDCR
（Carrier-sensingMultipleAccesswithCollisionDetectionandcollisionresolution，即载波侦听多路访问冲突检测协调协议），即一个网络节点在需要通过总线来发送数据时，它首先要检测总线上是否有数据在传输，只有确认总线上没有数据在传输时，它才向总线发送数据，以确保任何两个节点不会同时占用总线而产生冲突；二是CEBus总线专门配置了专用的应用语言系统CAL（Common
ApplicationLanguage），利用CAL系统可方便地对网络上的各种家电设备进行
逻辑控制关系的设定，同时也可以以文件的模式来描述一个家电设备的功能。
3）X-lO协议
X．10协议是由美国RadioshareChain公司于1978年研制成功的，是国际通用的智能家居电力载波协议。
目前己广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制
和住宅仪表数字读取等方面。
它是以50Hz或（60Hz）为载波，再以120KHz
的脉冲为调变波，发展出来的数位控制技术，并采用电力线为连接介质对电子
设备进行远程控制的通信协议。
X．10的兼容产品可以通过电力线互相通讯，不
需要重新铺设控制线路，电力线在提供电流的同时又可以像网线一样传送控制
指令，从而实现网络化的控制。
国外厂家大多数都是专业生产家庭智能化设备的，历史悠久，产品的可靠
性以及性能都经历了验证。
国外的智能家居产品比较注重家庭内部功能的实现，
不足之处在于其价格比较高和联网的能力方面比较差。
1．2．2智能家居系统的国内研究现状
我国在智能家居研究领域起步较晚。
最初，国内较有实力的家电厂商涉足
了这一领域，比如，康佳、创维、厦华、美的、春兰等推出了系统改进的信息
家电，为智能家居的实施提供了功能终端设备；然后到了1999年3月10日，
微软的比尔·盖茨的深圳之行又推出了“维纳斯"计划，使国内的IT厂家对智
能家居有了更加清晰的认识，他们将研究注意力主要集中在系统构成上，从而
从根本上解决了目前智能家居存在的弊端和问题；目前，智能家居在国内的发
展已全面展开，不论是技术还是市场方面都出现了可喜的局面。
2008年12月4
日，由千家网、千家品牌实验室共同主办的第九届中国国际建筑智能化峰会上，
揭晓了“2008年中国智能家居十大品牌"，其中，中国国内的品牌有：
上海索博、
广州安居宝、青岛海尔、天津瑞朗、深圳波创、深圳普力特、上海慧居、深圳
松本先天下、厦门振威安全。
就智能家居解决方案而言，主要的困难就是系统通信，而最核心的问题还是通信协议的选择。
上述中国智能家居十大品牌以及其它一些厂商的解决方案
中，除了引进国外主流的一些通信协议外，还采取以下几种系统通信方案：
1）荷兰PLC．BUS技术
上海索博就采用的是PLC—BUS技术。
PLC．BUS技术是一种高稳定性及较
高性价比的双向电力线通信总线技术，它主要利用已有的电力线来实现对灯光、
家用电器及办公设备的智能控制。
PLC．BUS系统主要由三部分组成，即发射器、
接收器和系统配套设备。
发射器主要作用是通过电力线发射PLC-BUS控制信号
给接收器，通过对接收器的控制，从而达到间接控制灯及电器设备的目的；接
收器主要作用是接收来自电力线的PLC．BUS控制信号，并执行相关控制命令，
从而达到灯及电器控制的目的；系统配套设备主要是为了配合发射器及接收器
设备，辅助实现控制目的，例如：
三相耦合器、信号转换器、信号强度分析仪、
吸波器等。
PLC．BUS技术的解决方案包括如下领域的应用：
灯光控制，电器控制，HVAC控制以及网络与电器设备间的通信。
2）H．Bus总线协议
深圳普利特智能家居系统采用的就是H．Bus总线。
H．Bus分布式总线是一
种适合于中国家庭自动化及小型工业控制环境的简单、可靠、易用而又低成本
的新型现场总线控制系统，可实现家庭电气设备及小型工业设备的现场互连与
控制；方便构建一个统一的底层网络。
它采用双向数字通信，无冲撞通信协议
设计，系统容量大。
同时采用了UTP5作为系统总线，布线简便。
通讯速率为
9．6KBS，总线电压为+12V，系统总线传输距离大于1000m。
3）ApBus总线（网络）技术
深圳汇创智能家居系统采用的就是ApBus总线技术。
ApBus总线（网络）
技术是具有专利产权的总线技术。
ApBus采用的是一种电源信号混合传输的技
术，是一种家庭自动化网络总线技术。
该总线技术主要用于网络化控制系统，
特别是智能家居网络、住宅小区网络方面。
该总线系统主要由电源供应器、双
绞线和功能模块三个基本部分组成。
每个功能模块都是串联在双绞线上，互相
的连接不分极性。
：
[41该总线技术采用+24V直流电源，信号传输速率为10KBS，以双绞线作为传输媒体。
总的来说，ApBus是一种新型的智能控制总线，在欧洲标准EIB总线及
LonWorks总线技术上作了创造性的改进，其防通信冲撞协议设计很好的解决
了总线上各节点收发指令的冲撞问题，大大提高了系统的通信效率与稳定性。
国内的智能家居厂商的构成较为复杂，有科研院校，也有以前的家电厂商，
技术实力也相差悬殊。
他们目前设计的系统中主要采用的是有线方案（总线），
也有部分系统中包含了无线接口的应用。
从目前的发展来看，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，而且它更符合于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。
无线网络技术主要可分为射频（RF）技术、IrDA红外线技术、IEEE802．1la
和IEEE802．1lb协议技术、HomeRF协议、Zigbee技术，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。
本设计采用了无线传感网络来构成智能
居家系统，下一节中将要详细讨论其系统的构成和协议的选择。
1．3本文设计的主要内容
本系统采用模块化设计方案。
以嵌入式系统主板为核心，通过CMOS摄像头对关键部位进行安全监测，通过手机传递安全信息和图像彩信，并对家用电器进行远程控制，利用ZigBee模块实现家用电器、系统主板和烟雾、温度、煤气等传感器的无线联网。
系统主板的核心控制器为S3C44B0X型32位微控制器，对数据进行处理和判别，并通过彩信模块和Zig2Bee模块发出信息和指令；扩展板用以接入烟雾、红外、煤气等家庭安防状态传感器；彩信模块将系统控制器所发出的家庭安防状态信息发送至用户手机，并接收用户发送的短信指令；ZigBee模块负责系统主板、扩展板和家用电器之间的数据交联。
系统结构如图1所示。
图1系统设计结构图
基于以上要求，本设计主要分为以下部分：
（1）无线传输模块：
基于CC2430芯片（包括无线收发及传感器）设计无线
传感网络模块，并完成各节点模块的软件编写和节点间通信调试。
‘
（2）数据处理模块：
基于DSPTMS320F2812芯片设计数据处理模块，并完成
程序编写，同时在TMS320F2812上移植嵌入式实时操作系统rtcos．II。
（3）以太网传输模块：
利用网络接口芯片RTL8019AS设计以太网通信模块，
并完成通信测试程序编写。
（4）上位机显示界面设计：
利用VC++6．0基于WindowsSockets编写上位机
界面程序，使经过数据处理模块处理后的数据通过以太网上传到上位机
（PC监控机）界面上，实现统一管理。
1.短距离无线通信技术ZigBee
2．1ZigBee技术概述
ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag型舞蹈来告知同
伴，达到交换信息的目的，是一种通过简捷方式实现“无线”沟通的方式。
人
们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络
通信技术，也包含了这种寓意。
ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Ivemys公司、日本三菱电气公司、
美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体等公司组成，迄今已吸引了上百家芯片
公司、无线设备公司及产品开发商。
ZigBee联盟的主要工作在：
①定义网络、
安全以及应用软件层的协议；②提供不同的协调性及互通性测试规格；③促进
ZigBee技术在全球的推广；④有效管理该技术的发展。
ZigBee技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设
备之间，所以非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。
其典型的
传输数据类型有周期性数据（如传感器）、间歇性数据（如照明控制）和重复低
反应时间数据（鼠标）。
其目标功能是自动化控制。
其主要特点包括以下几个方
面：
（1）省电。
两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。
（2）可靠。
采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用
时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功
能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息
传输的可靠性。
（3）时延短。
针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时
延都非常短。
（4）网络容量大。
可支持达65000个节点。
（5）安全。
ZigB∞提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的
AES．128。
（6）高保密性。
采用64位出厂编号并支持AES．128加密。
2．2ZigBee协议
2．2．1ZigBee协议概述
ZigBee技术的基础就是IEEE802．15．4标准。
1998年3月，IEEE标准化协会正式批准成立了IEEE802．15工作组，致力于WPAN网络的PHY层和MAC
层的标准化工作，目标是为在个人操作空间（Personaloperating．space，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，这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。
2000年12月IEEE
成立了802．15．4小组，负责制定物理层（PHY）与介质接入控制层（MAC）。
但仅仅定义了物理层（PHⅥ与介质接入控制层（MAC）并不足以保证不同设备之间可以
对话，于是便有了ZigBee联盟，ZigBee联盟从IEEE802．i5．4标准开始着手，
目前正在定义允许不同厂商制造设备相互对话的应用纲要。
例如，ZigBee联盟
“灯纲要"会确定相关的所有协议，从而能够使A公司买的ZigBee灯开关与B
公司的正常工作。
同时，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还
开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络
的远距离传输不会被其他节点获得。
IEEE802．15．4标准是针对于低速无线个人区域网（10w-ratewireless
personalareanetwork，LR-WPAN），把低能量消耗、低传输速率、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互联提供统一的标准。
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20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传
输速率。
具体来说就是：
2．4GHz上的传输速率为250kbs；915MHz上的传输速
率为40kbs；868MHz上的传输速率为20kbs。
（2）支持星型（Star）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。
64位地址是全球唯一的扩展地址，而
16位地址是网内通信短地址。
（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carriersensemultipleaccesswith
collisionavoidanee，CSMA．CA）。
即当其中一个站点要发送信息时，首先侦听
系统信道空闲期间是否长于某一帧的间隔：
若是，立即发送；否则暂不发送，
继续侦听。
CSMA．CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证
某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制
（5）支持确认（ACK）机制，使用这种机制，所有特殊ACK标志位置1
的帧均会被它们的接收器应答。
这就可以确定帧是否已经被传递。
如果发送帧
的时候置位了ACK标志位，但在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重
复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。
ACK机制保证了传输的
可靠性。
2．2．2ZigBee协议的优势和应用领域
ZigBee通信协议虽然是是面向低功耗和低成本的通信技术的，但ZigBee
协议是能够保证通信的可靠性的，而且ZigBee协议的另一大优势就是使网络的
自组织、自愈能力也很强。
1）ZigBee的自组织功能：
无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，
并确定连接关系，组成结构化的网络。
2）ZigBee的自愈功能：
增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发
生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无
需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
ZigBee产品在发展初期是以工业或企业市场的感应式网络为主，’提供感应
辨识、灯光与安全控制等功能，最后才慢慢家庭应用中拓展的。
目前只要符合
以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术：
>需要数据采集或监控的网点多；
>要求传输的数据量不大，而且要求设备成本低；
>要求数据传输可靠性高，安全性高；
>设备体积很小，不方便放置较大的充电电池或者电源模块；
>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GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。
ZigBee技术的应用前景非常被看好，未来它主要将被应用在：
>工业控制网络（如：
无线仓库管理系统）
>汽车自动化（如轮胎压力监测系统）
>建筑智能化（如灯光控制、气体的感应和监测）
>智能家居（三表数据采集，窗帘、空调和其它家用电器控制）
>医疗监护（对血液、体温和心跳速度等信息的监测）
3.ZigBee无线收发模块的硬件设计
3．1芯片的选择
本系统采用CC2430芯片作为ZigBee无线通信模块。
它使用一个8位MCU（8051），具有32、64、128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含了模数转换器（ADC）、4个定时器（Timer）、AES．128安全协处理器、看门狗定时器（WatchdogTimer）、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电（Poweronreset）、掉电检测电路（Brownoutdetection）以及21个可编程IO引脚，CC2430的内部结构如图3.1所示。
图3.1CC2430内部结构示意图
CC2430整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器，集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机，支持数字化的RSSILQI，具有CSMACA功能和强大的DMA功能、电池监测和温度感测功能，同时具有强大和灵活的开发工具。
3．2ZigBee无线收发模块的电路设计
CC2430的外围电路如图3.2所示。
CC2430采用两种工作电压，外部数字
IO接口使用+3．3V电压，内部使用+1．8V工作电压，这样的电压转化主要是因为CC2430在片上集成了一个直流稳压器，能够把+3．3V电压转化为+1．8V。
这种供电方式对与智能家居系统来说很合适，只要采用+3．3V的纽扣电池就可
以给ZigBee无线收发模块供
图3.2CC2430无线模块电路图
3．3天线阻抗匹配电路设计
天线是任何一个无线电通信系统都不可缺少的重要组成部分，合理慎重地
选用天线，可以实现较远的通讯距离和良好的通讯效果。
CC2430的天线可以采用两种设计方案：
金属倒F型PCB引线天线和单极天线。
PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空气中的电波，接收信号。
单极天线是一种由直接垂直安装在反射平面（底板）上的直导体（通常其长度不大于波长的14）组成的天线，其根部接馈线。
本设计采用的是50Q的单极天线，且该天线的长度是电磁波波长的14。
3．4电源电路设计
给无线收发模块供电电路如图3．7所示，J4为外置+5V直流电源插座（方
便模块调试），J5为电池供电接口（通常为2节AA电池供电），适用于家用时
可移动更换。
当本无线收发模块用于智能家居时，可以使用电池供电，这时只
需要将SW2置于关闭端即可。
TPS79533是一种超低噪声、高电源抑制比的线性稳压电源调节器，它特别
适用于蓝牙、无线传感网络、膝上型掌上型电脑、PDA、手机等应用领域。
一
般EN脚（1脚）为高电平时，将启动整个稳压调节器。
而PASS脚（5脚）将
接一外部电容避免内部带隙产生的噪声，这样可以加强电源抑制和减小外部噪
声。
图3．4电源电路原理图
3．5本章小结
本章重点阐述了ZigBee模块的设计原理和方案，并结合所选用的芯片
CC2430内部功能结构，分析了该收发模块的硬件电路设计。
同时给出了天线匹
配电路和电源供电的具体设计方案。
4数据处理模块的硬件设计
4．1数据处理模块的结构设计
本数据处理模块采用TMS320F2812作为主处理器，这是一种结构简单、功
能强大、经济实用的高速数据处理芯片，它具有数据采集和处理功能。
数据处
理模块的结构如图4．1所示。
硬件设计主要包括：
>中央处理器DSP部分：
TMS320F2812通过SPI接收来自ZigBee主无
线模块传输的数据，经过数据分类处理后通过以太网传输到PC机上。
>系统电源电路部分：
TMS320F2812为+3．3V信号电平，核心电平为
+1．8V，而以太网控制器都是+5V的信号电平。
因此需要设计三种不同
参考电压的电源电路。
>复位电路部分：
SP708给TMS320F2812和SL811HS提供低电平复位信
号。
西华大学硕士学位论文
>以太网通信接口部分：
数据处理后通过RTL8019AS网络控制芯片与以
太网连接，且以太网与RTL8019AS之间要接隔离模块后方可以连接。
>RS-232串行通信部分：
设计这一部分是为了方便调试。
此外，TMS320F2812支持JTAG口下载仿真，需要设计JTAG接口；为了
方便将来对程序的调试，也需要设计串行通信接口。
考虑到协议转换需要大量
的数据存储空间，而TMS320F2812内部空间有限，因此需要外扩一块高速静态
RAM，本文采用的是ISSI公司生产的IS6lLV25616AL。
IO口扩展引脚的分配如下：
XD[0]-XD[7]分配给液晶显示屏作数据输入口，
EVA、EVB事件管理器的口留出来已备后续开发（进行中断程序开发），其余口
被用于扩展外部RAM和FLASH。
图4．1数据处理模块结构
4．2数据处理模块的外围电路设计
4．2．1系统电源电路设计
本模块用到了+5V、+3．3V和+1．8V的器件。
TMS320F2812采用+3．3V的外
设供电和+1．8V的内核供电，芯片采用这种分离式供电方式，可以大大降低DSP
芯片功耗。
所以本模块
升级会员 