无线传感网络的组网设计改.docx
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无线传感网络的组网设计改
课程设计说明书
题目名称无线传感网络的组网设计
系部：
计算机工程系
专业班级：
通信13-1班
学生姓名：
邝鑫鑫
学号：
2013232020
指导教师：
赵德群
完成日期：
2016年1月13日
新疆工程学院
课程设计评定意见
设计题目无线传感网络的组网设计
系部计算机工程系专业班级通信13-1班
学生姓名邝鑫鑫学生学号201323200
评定意见：
评定成绩：
指导教师（签名）：
年月日
（此页背书）
评定意见参考提纲：
1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。
2、学生的勤勉态度。
3、设计或说明书的优缺点，包括：
学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。
新疆工程学院
计算机工程系课程设计任务书
2015-2016学年1学期2016年1月10日
专业
通信技术
班级
13-1
课程名称
物联网技术
设计题目
无线传感网络的组网设计
指导教师
赵德群
起止时间
2016.1.10-
2016.1.15
周数
5
设计地点
北京路校区2号机房
设计目的：
理解无线传感网络的特点；
学习无线传感网络的组网方法。
设计任务或主要技术指标：
设计一个模拟智能家居系统，将温度、湿度、光敏、煤气和火焰等5个传感器分别与5个ZigBee模块相连接，构成一个自组织无线网络，并将各传感器数据汇聚至协调器模块，再通过无线网关平台远距离传输至互联网。
设计进度与要求：
第一周：
熟悉传感器、ZigBee模块以及网关平台的软硬件组成体系，开发环境等；
第二周：
了解传感器、个ZigBee模块以及网关平台的配置方法，并组成WSN;
第三周：
完善设计方案，并撰写说明书；
第四周：
修改说明书;
第五周：
答辩
主要参考书及参考资料：
[1]无线龙.ZiBee无线网络原理.冶金工业出版社
[2]钟永锋、刘永俊.ZiBee无线传感器网络.北京邮电大学出版社
[3]崔逊学、赵湛、王成.无线传感网络的领域应用与设计技术.国防工业出版社
教研室主任（签名）系（部）主任（签名）
摘要
本文首先介绍了传感器的相关知识，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。
组合其他设备终端节点进行家居内网信息的采集和传输，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。
关键字：
ZigBee智能家居家居内网多方式控制
目录
第1章传感器介绍1
1.1传感器的定义1
1.2传感器的组成2
1.3传感器的分类3
1.4智能家居的方案选择4
第2章ZigBee模块介绍5
2.1短距离无线通信技术介绍5
2.2ZigBee技术及特点7
2.3ZigBee工作原理8
2.4ZigBee在智能家居中的适用性8
第3章无线传感网络的搭建9
3.1智能家居的组成9
3.2智能家居系统功能分析9
3.3智能家居的示意图11
总结12
致谢13
参考文献14
第1章传感器介绍
1.1传感器的定义
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会（IEC:
InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。
按照Gopel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。
传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
图1.1传感器系统的框图
传感器系统的原则框图示于图1.1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。
为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。
传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。
有两类传感器：
有源的和无源的。
有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源（参阅图1.2（a））。
图1.2有源（a）和无源（b）传感器的信号流程
无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能（参阅图1.2（b））。
传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。
其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态（即过程）的。
对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。
对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。
按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。
1.2传感器的组成
传感器的作用一般是把被测的非电量转换成电量输出，因此它首先应包含一个元件去感受被测非电量的变化。
但并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换成电量，这是需要将被测非电量先变换成易于变换成电量的某一中间非电量。
传感器中敏感元件（sensingelement）是能直接感受或响应被测量的部分；
转换元件（transductionelement）是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。
测量电路也称为信号调节与转换电路，它是把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。
综上，传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成，如图1-1所示。
其中敏感元件和转换元件可能合二为一，而有的传感器不需要辅助电源。
图1.3传感器的组成框图
1.3传感器的分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：
它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类，其分类示于图1.4。
图1.4按传感器工作原理的分类
图1.4按传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
常见传感器的应用领域和工作原理列于下表1.1
1.4智能家居的方案选择
作为一个标准的智能家居,需要覆盖多方面的应用,但前提条件一定是任何一个普通消费者都能够非常简单快捷地自行安装部署甚至扩展应用，而不需要专业的安装人员上门安装。
一个典型的智能家居系统通常需要下列设备：
1、无线网关
2、无线智能调光开关
3、无线温湿度传感器
4、无线智能插座
5、无线红外转发器
6、无线红外防闯入探测器
7、无线空气质量传感器
8、无线门铃
9、无线门磁、窗磁
10、太阳能无线智能阀门
11、无线床头睡眠按钮
图1.5智能家居方案的设备选择
12、无线燃气泄漏传感器
第2章ZigBee模块介绍
2.1短距离无线通信技术介绍
随着数字通信和计算机技术的发展，许多短距离无线通信的要求被提出，短距离无线通信同长距离无线通信有很多的区别，主要如下:
（1）无线发射功率在几微瓦到小于100μW。
（2）通讯的距离在几厘米到几百米之间。
（3）主要在小范围区域内使用。
（4）不用申请无线频道。
（5）高频操作。
一个典型的短距离无线通信系统基本包括一个无线发射器和一个无线接收器。
目前使用较广泛的短距无线通信技术是蓝牙（Bluetooth），无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外数据传输（IrDA）。
（1）蓝牙（Bluetooth）
蓝牙是由爱立信公司于1994年首先提出的一种工作在2.4GHz频段的短距离无线通信技术规范，用来替代有线连接。
信道带宽为1MHz，连接距离一般小于10m，使用高增益天线可以扩展到100m，一般电池寿命为2-4个月。
鉴于以上特性，蓝牙技术被应用于无线设备、图像处理、智能卡、身份识别等安全产品，以及娱乐消费、家用电器、医疗健身和建筑等领域。
（2）Wi-Fi（IEEE802.11）
Wi-Fi是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准。
最早提出与1997年，目的是提供无线局域网的接入，可实现几Mbps的无线接入。
主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。
其优势在于：
无线电波的覆盖范围广（100m左右）；传输速度快（11Mb/s）；成本低，省去网络布线，便于厂商介入。
（3）红外数据传输（IrDA）
IrDA是一种利用红外进行点对点通信的技术。
在小型移动设备（如PDA、手机、笔记本电脑）上已经被广泛使用。
它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低的特点。
由于IrDA只能同时在2台设备之间连接，并且存在视距角度等问题。
（4）ZigBee
ZigBee技术是最近发展起来的一种短距离、低速率无线通信技术，它具有低功耗、低成本、易应用的特点，主要工作在2.4Ghz频段，采用扩频技术。
ZigBee也被认为是组可能应用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。
（5）超宽频（UltraWideBand）
UWB是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。
由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。
它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。
但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。
2.2ZigBee技术及特点
ZigBee名字来源于蜂群使用ZigZag形状的舞蹈来通知发现新的食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新无线通讯技术的名称。
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各种电子设备之间的无线通信技术。
ZigBee技术具有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、安全性高、实现成本低等特点，可以工作在2.4GHz、868MHz和915MHz这3个频段上，分别具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，他的技术特点具体如下：
（1）低功耗:
由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
（2）成本低：
ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。
低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
（3）时延短:
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。
因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
（4）网络容量大：
一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
（5）可靠:
采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
（6）安全：
ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
由此可知ZigBee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。
2.3ZigBee工作原理
基于ZigBee的无线设备工作在868MHZ,915MHZ和2.4Z频带。
其最大数据速率是250Kbps.ZigBee技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求。
在一些ZigBee应用中，无线设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间无线设备是处于省电模式（也称休眠模式）的。
因此，ZigBee设备在电池需要更换以前能够工作数年以上。
2.4ZigBee在智能家居中的适用性
当今我们熟悉的短距离无线通信技术有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、UWB、红外等。
他们在不同的领域发挥着他们的特性，相互之间形成互补的作用。
表1.6是几种无线通信技术的对比：
ZigBee
蓝牙
802．11列
红外
RFID
HomeRF
单点覆盖距离（m）
50-300
10
50（Wi-Fi）
5
1-10
50
网络拓展性
自动拓展
无
无
无
无
有
最大功耗
1~3mW
1~100mW
100mW
10mW
0
50mW
复杂度
简单
复杂
很复杂
简单
复杂
复杂
传输速率
250Kb/s
1Mb/s
1~11Mb/s
1.521,4,16Mb/s
0.212Mb/s
1.2Mb/s
频段
8.68MHz~2.4GHZ
2.4GHz
2.4GHz
820nm
5.8GHz
2.4GHz
网络节点数
65000
8
50
无
无
127
终端设备费用
低
低
高
较低
低
一般
安全性
128bitAES
64bit,128bit
SSID
小角度传输
密钥
50次/秒跳频
集成度可靠性
高
高
一般
一般
一般
一般
使用成本
低
低
一般
低
低
一般
图1.6几种无线通信技术的对比
由上表的数据对照综合可知，ZigBee的自动组网、功耗以及成本等方面都比其他的几种无线通信技术在智能家居中更有优势，唯一的竞争是Bluetooth，但ZigBee更简单，速率更慢，功率及费用也更低，且大多数时间处于睡眠模式，更加适用于不需要实时传输或连续更新的场合。
智能家居是ZigBee无线网络的一个主要应用方向，非常适合在组建家庭个人无线区域网。
第3章无线传感网络的搭建
3.1智能家居的组成
智能家居是以互联网为核心最终实现的家居互联，将家中各种设备连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、防盗报警、环境监测、三表抄送等多种功能和手段。
构建高效的住宅设施与家庭日程事务的智能管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。
智能控制系统包括智能照明控制、电动窗帘控制、温度控制、AV控制、安防控制等。
主要产品组成：
智能控制器、无线智能遥控器、无线收发器、红外转发器、电脑控制器、智能开关等。
它是智能产品，因为它们内置电脑芯片和软件，有复杂的功能;同时也是傻瓜产品，因为它们外观精美，安装方法和基本操作和普通开关相仿。
3.2智能家居系统功能分析
1.照明系统
实现对全宅灯光的智能管理，可以用遥控等多种智能控制方式实现对全宅灯光的遥控开关，调光，全开全关及“会客、影院”等多种一键式灯光场景效果的实现。
并可用定时控制、电话远程控制、手机控制等多种控制方式实现功能，从而达到智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。
另一方面与窗帘自动控制系统结合，实现室内自动调光，根据室外天气情况自动开关窗。
2.电器控制系统
电器控制采用弱电控制强电方式，即安全又智能，可以用遥控、定时等多种智能控制方式实现对在家里电视、空调、饮水机、插座、地暖、投影机、新风系统等进行智能控制。
系统可以做到让客厅、餐厅、卧室等多个房间的电视机共享家庭影音库，并可以通过遥控器选择自己喜欢的音源进行观看。
避免饮水机在夜晚反复加热影响水质，在外出时断开插排通电，避免电器发热引发安全隐患。
以及对空调地暖进行定时或者远程控制，让您到家后马上享受舒适的温度和新鲜的空气。
3.安防监控系统
随着人们居住环境的升级，人们越来越重视自己的个人安全和财产安全，对人、家庭以及住宅的小区的安全方面提出了更高的要求，智能安防已成为当前的发展趋势。
安防门禁系统通过RFID实现非法进门报警，远程开关门功能，配合视频监控系统可以让用户通过网络时时查看家里的情况，充分发挥监控的实时性和主动性。
为了能实时分析、跟踪、判别监控对象，并在异常事件发生时提示、上报，安防监控系统的“智能化”就显得尤为重要。
4.场景自定义系统
当人们回家的时候，希望家里的空调先打开、窗帘自动打开、放好洗澡水、打开舒适的音乐等等一系列的动作，并且每位用户根据家庭的情况其具体的设置各不相同，所以众志物联网提供自定义场景系统，人们可以根据自己的喜好设置打包成一个“回家模式”，用户只要一键确认，就可以完成自己设置好的动作，较常用的模式有：
“回家模式”、“离开模式”、“睡觉模式”。
3.3智能家居的示意图
图1.7智能家居的示意图
总结
本文运用ZigBee无线通信技术，把各个通信子系统集成到一块，解决了家庭内部信息传输的复杂度问题，构建了一个完整的无线智能家居控制系统。
系统主要从智能家居内部组网和基于ZigBee的无线信息采集与传送及多方式控制进行了研究。
系统主要有以下几个特点：
（1）控制方式多样化。
用户不但可以在家中通过PC机进行设备的控制和信息的采集，也可以在远程通过有网络接入功能的终端设备实现相同的功能。
（2）家居内部信息采集与传输无线化。
家中所用的有信息互换的设备都嵌有ZigBee无线通信模块，ZigBee的自组网功能可以方便的实现设备的互联，摆脱了有线的束缚和限制，系统拓展性和可维护性也增强。
（3）实现成本低廉。
由于家庭内部所有的信息采集与传输都采用了价格低廉ZigBee器件进行传输，与外部的信息交换使用internet，控制系统也是简单方便，实现成本非常低。
致谢
本次毕业设计是在指导老师赵德群的悉心指导和严格要求下完成的。
由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的督促指导，想要完成这个设计是比较困难的。
在这里首先要感谢指导老师赵德群。
赵老师平日里工作繁多，但在我们做设计的每个阶段，从选题到查阅资料，提纲的确定，修改，后期格式调整等各个环节中都给予了我们悉心的指导。
他不仅在学习上和生活上给予了我多方面的指导和无微不至的关怀，而且他渊博的学识、严谨的治学态度、孜孜不倦的工作作风和宽以待人的处事风格使我终身受益，是我学习的榜样。
赵老师还使我们深刻的理解了团队协作的重要性，一个人的能力是有限的，但是只要相互信任、相互帮助取长补短就没有克服不了的困难！
值此完成之际，谨向老师表示崇高的敬意和最诚挚的谢意。
其次，学校和系给了我这次机会，并提供了便利的设计环境，方便了设计的顺利进行。
在这其中我确实学到了很多知识，在此衷心的感谢学校和系里的大力支持。
参考文献
[1]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
[2]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.
[3]陈文智等.嵌入式系统开发原理与实践.清华大学出版社.2005.
[4]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.
[5]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.
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