基于ZigBee的智能家居系统设计与实现.docx

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基于ZigBee的智能家居系统设计与实现

毕业设计（论文）

题目：

基于ZigBee的智能家居系统设计与实现

学院：

软件学院

专业名称：

软件工程

班级学号：

08201124

学生姓名：

曾刘保

指导教师：

苗利

二O一二年三月

毕业设计（论文）任务书

I、毕业设计（论文）题目：

基于ZigBee的智能家居系统设计与实现

II、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：

1、摘要扼要叙述本论文的主要内容、特点，文字精炼，摘要500字左右。

2、正文：

一般包括引言、本、结论三个部分。

字数不少于13000字。

3、收集资料：

a历史资料；b理论资料；c实践资料

4、技术要求：

在论文写作中进行一定程度的创新性活动，如提出一个新问题、对现

实问题进行新的解释等。

III、毕业设计（论文）工作内容及完成时间：

1、查阅并收集与论文相关的国内外文献资料，完成开题报告。

（第1-2周）

2、毕业论文资料调研，进行实地调查研究，掌握第一手资料。

（第3周）

3、撰写毕业论文详细提纲。

论文提纲应分为几个部分或几个层次。

写明论文的中心、

重点、主要观点、结论等。

（第4周）

4、完成论文绪论部分，说明本课题的意义、目的、研究范围及要求达到的技术要求；

简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题。

（第5周）

5、完成毕业论文正文部分，包括问题的提出，研究工作的基本前提、假设和条件，

理论论证，理论在课题中的应用，课题得出的结果等。

（第6-7周）

6、完成结论部分。

即对整个研究工作进行归纳和综合得出的总结，对所得结果比较

和课题尚存在的问题，以及进一步开展研究的见解与建议。

结论应该明确、精炼、

完整、准确。

（第8周）

7、完成毕业论文（设计）初稿。

（第9周）

8、完成毕业论文二稿。

（第10周）

9、毕业论文定稿；毕业论文打印；毕业答辩准备。

（第11周）

10、毕业答辩。

（第12周）

Ⅳ、主要参考资料：

[1]ShahinFarahani．ZigBeeWirelessNetworksandTransceivers.USA：

Elsevier，2008

[2]闫玉德，俞虹.MCS-51单片机原理与运用.机械工业出版社.2010.

[3]沈星星，丛露微.基于ZigBee的智能家居控制系统.论文选粹,2011第3期

[4]敖志刚.智能家庭网络及其控制技术.北京：

人民邮电出版社2011

[6]张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：

国防工业出版社2004

[7]林旭东.智能家居系统相关技术及发展趋势[J].科技创新导报.2008.6.5-6

[8]冯培昌，周晓云，陈孝伟.无线传感器网络探讨[J].电气自动化.2005年.27（5）.73-75

[9]崔莉，鞠海玲，苗勇等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展.2005.42

（1）.163-174

[10]李方.浅谈几种智能家居系统网络技术[J].计算机与网络.2006年.5

（2）.98-101

[11]张华中.无线传感器网络展望.国际学术动态.2005年.26（4）.22-23

学院专业类班

学生（签名）：

日期：

自年月日至年月日

指导教师（签名）：

助理指导教师（并指出所负责的部分）：

系（室）主任（签名）：

南昌航空大学学士论文原创性申明

本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。

论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

基于ZigBee的智能家居系统设计与实现

摘要：

随着人们生活水平的提高及物联网技术的飞速发展,人们对于家居环境提出了更高的要求,智能家居也就应运而生,人们希望能通过各种家居设备来享有更加舒适，便捷的居住环境。

但是传统家居设备的控制信息传输主要靠布线技术，不但系统升级麻烦，且成本过高，实际的应用效果也不明显，并没有很大的改善人们的生活。

ZigBee的出现使的这一现象得到有效的应解，ZigBee是一种低成本、低功耗无线通信技术，它的自组网技术可以方便的使家中的各种设备组成一个区域网，信息传送的可靠性也极高。

使用ZigBee作为家居内网可以方便的对家电进行控制和对安防预警信息进行采集。

本文首先介绍了智能家居的研究背景和国内外的发展现状，然后对ZigBee技术进行介绍，比较详细的介绍了ZigBee协议框架中各层次扮演的角色及特点，并对ZigBee技术在智能家居中内部组网技术的适用性作了比较分析。

最后综合讲解了智能家居系统的设计方案，包括系统功能及特色等。

集中控制端在个人PC机上模拟实现，与之构成C/S结构的远程控制端有Windows和Linux端，他们之间采用面向连接的Socket加密通信。

家居内网采用基于CC2530的SoC建立强大的网络，以协调器为核心节点，组合其他设备终端节点进行家居网内信息的采集和传输，实现家电控制和温度、湿度、入侵等安防信息采集。

同时设计便捷、易用的软件界面，既可以在家中使用，也可以在任何有网络接入的设备上实现远程控制。

测试表明：

使用远程控制端或集中控制端都能可靠的对家电进行控制和安防信息的采集，系统具有一定的稳定性和扩展性，达到预期目标。

关键字：

ZigBee智能家居家居内网多方式控制

指导老师签名：

DesignandImplementofSmartHome

BasedOnZigBee

Abstract:

Traditionalhomedevicecontrolinformationtransmissionmainlydependsonwirelinetechnology,thiskindofcontrolsystemnotonlyupgradeisverytroublesome,butalsothecostistoohigh,andtheactualeffectisnotobvious,andpeople'slivesarenosignificantimprovement.WhileZigBeecomeintobeing,thisphenomenonwon’thappenagain,ZigBeeisalow-cost,low-powerwirelesscommunicationtechnology,theAutomaticallysetupnetworkfeatures,whichmakesavarietyofdevicescomposedofaWPANathomeeasily,andtheinformationtransmitreliabilityisveryhigh.UsingZigBeeasinternalhomenetworkisveryappropriatetocontrolhomeappliancesandcollectsecuritywarninginformation.

Thepaperfirstintroducestheresearchofsmarthousebackgroundandcurrentdevelopmentathomeandabroad,andthenintroducestheZigBeetechnology,amoredetaileddescriptionoftheroleandcharacteristicsoftheZigBeeprotocolframeworkatalllevels.

AtlastIintegratedexplainhowtodesignthesmarthousesystem,includingsystemfunctionsandcharacteristics.TheCentralizedcontrolsidesimulationonapersonalcomputer,whichformsC/Sstructureoftheremotecontrolside,includingWindowsandLinuxside,andtheycommunicateeachotherwithconnection-orientedandencryptedSocket.WithinthehomenetworktobuildastrongnetworknodeswhicharebasedontheSoCoftheCC2530,coordinatorforthecorenode,thecombinationofterminalnodesofotherdeviceswithinthehomenetworkinformationacquisitionandtransmission,appliancecontrol,andtemperature,humidity,intrusionandothersecurityinformationcollection.Atthesametimethedesignisconvenient,easy-to-usesoftwareinterface,wecanuseathomeeasilyandalsoaccessremotecontrolofnetworkequipments.

Theexperimentsshowthat:

Usingtheremotecontrolsystemorcentralizedcontrolsystemcancontrolhomeappliancesandcollectsecuritywarninginformationeasily.Thesystemhasacertainstabilityandscalability,whichcanachievethedesiredgoal.

Keywords:

ZigBeeSmarthomeinternalhomenetworkmultiplecontrol

第一章绪论

1.1研究背景及意义

随着人们生活水平的提高及生活节奏的加快，人们的住宅也开始电子信息化。

家用电器、通信设备与安防设备逐渐的进入家庭，加之通信与信息技术的发展，家居越来越智能化。

人们也希望能更加方便的对家用电器进行操作同时对家中的居住环境和安防状态进行监测，享有一个高效，安全，便捷，环保的家居环境，于是智能家居的概念被越来越多的人们提出。

智能家居是一个多功能的综合技术系统,它以家庭住宅为平台,利用计算机、网络、传感、自动化与嵌入式技术,将与家居生活有关的各个子系统如灯光控制、安防预警、家电操作等整合在一起，并通过家居信息管理平台对其进行综合管理，使人们能够方便获取一体化，全方位的家居资源。

随着互联网技术的深入发展和成熟，“物联网时代”到来的呼声日益高涨，国家“十二五”规划中也明确将物联网作为战略性新兴产业来培育发展。

而国内外各大家电生产厂商生产的各种高端家电也开始预留信息控制接口，准备着迎接物联网时代的到来。

智能家居也是物联网产业的一部分，也是物联网在明生应用领域的重点部分，加之近年来房地产的迅猛发展和媒体宣传造势，智能家居呈现耳熟能详化，为此智能家居必将得到高速发展。

国内外的一些技术厂商都在进行市场推广和技术储备，以便在合适的时机退出自己的智能家居产品。

虽然各种产品的功能标准和应用接口不太一样，但是不难想象，智能家居的功能都会基本涵盖一下几个方面：

（1）灯光控制：

不管哪个家庭都会有需要更加方便的对家中灯光进行控制。

（2）家电控制：

为了更加便捷的生活，人们可以在家中方便的对热水器，空调等进行控制，也希望需要时能通过有网路接入的设备对电器进行远程控制，如出差回来的路上打开热水器，回到家可以舒服的洗个热水澡。

（3）安防预警：

居家生活，平安是最大的愿望，通过对家中烟感，入侵等安防信息进行实时监测，免去后顾之忧。

为此设计出一套既有通用性，又可以方便的进行扩展的智能家居系统是前提，我们希望能简化家中控制系统的复杂性，降低安装成本和提高信息传送的安全性，解决实际推广中可能会出现的问题，为智能家居的大规模应用提供一定的借鉴和助推作用，真正的使高效便利的生活触手可及。

1.2国内外研究概况及发展趋势

1.2.1国外研究发展概况

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不同的智能家居的方案。

智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。

[1]

1998年新加坡举办的“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）近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”，相信到了21世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。

目前美国有一种占据市场主流的产品X-10，销售已超过1亿个，设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过400万个家庭在使用。

韩国三星从今年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。

在日本智能家居也很发达，日本Secom（西科姆）安全公司是举世闻名的智能家居公司，他的产品能使家中的电器自动联网，甚至有了生物识别实现自动门禁功能，人只要站在门口几秒钟，就可以自动解除门禁。

　　由于智能家居的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食智能家居市场。

虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样的信念：

山那边遍地是金。

1.2.2国内研究发展概况

智能家居在我国起步比较晚，最早从事智能家居的企业是天津瑞朗智能家居电子科技有限公司，这几年来，智能家居作为一个方兴未艾的产业，受到越来越多行业者的追捧，发展非常快，生产厂家非常多，产品也是各种各样，遍布智能家居生产的各个环节。

比如海尔的U-Home智能家居系统，现在已经比较成熟了，他构建室内家电、多媒体、环境检测、远程监护等全方位数字生活,利用“智能物联网”作为住区服务和管理系统,实现绿色低碳住宅产业，但是像这样的龙头企业却比较少。

在外观和产品质量上，总体与国外还有较大的差距，但有些产品，比如家庭智能终端，中国的几个厂家的产品已经做得很好了，不但美观漂亮，而且功能很多，与国外的品牌比非常有竞争力。

智能家居是未来居家生活的前进方向，受我国经济现状的限制，智能家居现在普及比较少，多是有一定经济能力的专属，不过现在已经慢慢有廉价的产品出现，进入普通百姓家，比如家庭的情景灯光系统，这个比较实用，价格也不是太高，目前也比较容易让老百姓接受。

特别是近几年以来，伴随着房地产业的火爆，给国内智能领域带来了发展的机遇。

众所周知，中国人口众多，城市住宅建设也多选择密集型的住宅小区方式，因此很多房地产商会站在整个小区的角度来看智能化，也就出现了目前一统天下、无所不包的“智能小区”的模式。

“智能小区”是一个多功能的系统，每个功能子系统都可以单独使用。

诸多功能子系统还要具有协同配合的能力。

这些系统包括：

小区对讲系统、门禁系统、小区周界防范系统、监控系统、背景音乐系统、停车场系统、自动抄表系统等等。

在房地产和媒体的助推下，与智能小区紧密相连的智能家居也会逐渐的进入千家万户，但是在发展的同时，也遇到了很多不容忽视的问题：

（1）没有统一的技术标准。

没有标准就造成了百花齐放的局面，不同厂家的产品之间相互之间彼此不兼容，用户很难有选择性，换代或者升级很麻烦，成本也很高，用户在实际使用时存在很大的困惑。

（2）市场定位太高。

大部分的智能家居品牌都是定位在高端客户，目标就是高档住宅和别墅，这就造成了市场非常的狭窄，初期投入非常的大，就是大客户也不会冒然的投资，市场局面无法打开。

1.2.3智能家居发展趋势

智能家居的提出到现在已经有很多年了。

从第一代单一智能家居产品到现在的百花齐放，智能家居发展已经非常的迅速，特别是距互联网技术的又一革命性的技术—物联网的提出和全世界对物联网的热情投入，物联网的发展也必将推动智能家居的发展，智能家居作为物联网产业应用最广泛的一环也必将得到迅猛发展。

当今的智能家居产品品质参差不齐，相互之间兼容性也很差，规范不统一。

未来的智能家居将依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、淋浴器等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验并更加的人性化、实用、易用，真正的提高人们的生活品质，智能家居的发展趋势会朝着以下几个方面发展:

（1）家居内网无线化。

以往的智能家居产品之间的信息交换大都是靠有线传输，有线传输带来的问题很明显，布线麻烦，系统升级困难，更重要的是有线控制限制了产品的智能化，除干线区域采用布线控制外，家居内网的无线化使得控制更加的方便，安装和维护也会更加的方便。

（2）控制系统的高度集成化。

随着社会和经济的高速发展，人们的生活水平也相应的得到提高，电子产品越来越多，但是各个产品之间没有任何的联系，几乎每个产品都有单独的遥控器，如果能用一个终端控制、监控所有的家电，给生活带来的便利不言而喻。

（3）控制方式多样化。

传统的智能家居控制方式单一，随着网络和电子终端产品的发展，控制软件可以运行在各种智能手机和有网络接入功能的其他电子产品中。

特别是智能手机，将成为未来智能家居最重要的移动式智能控制终端，通过手机的智能家居客户端软件或WEB方式，实现对家庭内部的远程监控与控制，对家里远程开锁，客人图像确认，远程开启空调以及暖器设备。

（4）功能更加智能化。

随着生活节奏的加快和生活压力的增大，人们都希望能有一个温馨的港湾能够放松疲惫的身心.回到家后人们希望能根据外部环境来调节室内的温度和湿度等，同时也希望能够在开电视的时候自动调暗灯光等。

而随着物联网技术的发展，甚至家中的每一件物品的状态都能查询到，比如冰箱的存储状态，热水器的水温。

而一旦家中有安全威胁或者家中老人的有突发情况，系统也会相应的进行报警。

1.3研究内容及组织结构

本文根据国内外智能家居的历程，结合当前的发展现状的不足之处，选择ZigBee无线网作为家庭内网。

并以嵌入式为基础，结合网络，传感器等技术设计出一套简单，易操作，低成本和多方式控制的基于ZigBee的智能家居智能控制系统。

实现对家用电器的现场无线遥控操作和安防信息的监控与预警，同时使得有网络接入功能的特定设备可以远程使用本智能控制系统。

本论文的研究内容如下：

（1）开发不同环境的远程控制端的设计与实现，以方便用户多途径方便的控制家中电器设备和对家中安防信息进行监控。

（2）开发集中控制端，验证远程控制端用户的控制权限，在权限合法后对远程指令进行解析后通过串口转发给相应的目标设备。

（3）远程控制信息的加密处理，防止控制信息被截取后带来的安全隐患。

（4）利用ZigBee技术来进行家居内部组网，以方便节点的灵活加入和离开，省去布线的麻烦。

（5）开发简洁，美观，易操作的用户界面，方便用户使用。

本论文的组织结构安排如下：

第一章：

介绍智能家居的研究背景和意义，以及智能家居在国内外的研究概况、展望智能家居在未来发展趋势，同时对本文研究内容、设计、实现和文章组织结构作安排。

第二章：

介绍了无线通信技术的发展，并对ZigBee和其他几种无线技术进行对比介绍后，分析ZigBee在智能家居内部组网的适用性，然后对ZigBee协议的各层次进行比较详细的介绍。

第三章：

根据对智能家居系统进行的需求分析，设计出智能家居系统的方案后，定位系统方案要能达到的目标，对系统各结构的具体功能作详细介绍。

第四章：

详细介绍基于ZigBee的无线信息采集与传输和Linux下的远程控制端的设计与实现，同时简单介绍集中控制端。

第五章：

介绍智能家居系统开发用到的硬件和系统开发平台，然后对系统进行的测试结果进行分析。

第六章：

对工作进行总结，提出系统设计中还需要完善和改进的地方，并对本文的意义和价值作介绍。

1.4本章小结

本章首先介绍了智能家居的研究背景和意义，随着人们生活节奏的加快，智能家居会扮演越来重要的角色。

随后介绍了智能家居在国内外的研究概况和发展现状，智能家居在欧美日韩等发达国家起步早，现在也走在技术的前端，国内虽起步晚，但发展迅猛。

最后综合现状和环境，展望了智能家居在未来的发展趋势。

第二章无线通信与ZigBee技术

2.1无线通信概述

随着科学技术的不断发展，通信技术已深入到人类的各个方面,为了摆脱各种线缆对个人终端的束缚，人们对能够随时随地提供信息服务的移动计算和无线通信的需求越来越迫切。

无线通信是指利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。

近些年在通信领域中，发展最快、应用最广泛的就是无线通信技术。

自从马可尼发明无线电以来，无线通信技术一直向着不断提高数据速率、传输距离、安全和稳定的方向发展。

从七十年代开始，人们就开始了无线网的研究，而伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补有线之短，也赢得了特定的市场认可，为了规范和更好的发展，IEEE制订了802.11无线局域网标准，主要对网络的物理层和媒质访问控制层进行规定，这样就使得无线网的多点接入和多网段互联能更加方便、廉价的实现。

无线通信已深入到人们生活和工作的各个方面，包括日常使用的手机、无线电话等，当然也有当今很热门的3G、WLAN、宽带卫星系统等应用。

2000年成立的IEEE802.15.4工作组将致力于提供一种廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，而ZigBee正是这种无线技术的商业命名。

2.2ZigBee技术简介

2.2.1ZigBee技术概述及特点

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个人区域网协议，是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的