基于Zigbee的智能化家居系统毕业设计论文2.docx

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基于Zigbee的智能化家居系统毕业设计论文2

henhuangmahenshuang

重庆化工职业学院

毕业论文

课题：

基于Zigbee的智能家居系统设计

学生姓名:

文玉彬

系别:

机械与自动化工程系

专业班级:

过控1301

指导教师:

郭旭

二○一六年

插图清单

基于Zigbee的智能家居系统设计

摘要

随着人们生活水平的不断提高,对生活环境的要求也越来高.如何改善家居环境,使其更加安全、舒适,这是摆在工程师面前的一大难题.在这个背景下,智能家居理念早年在国外已被率先提出,而且也有很多知名的建筑设计采用了这一理念.该理念的核心就是利用计算机技术、通信技术等等一些先进的技术来改善家居环境,使家居生活能更舒适便利.因智能家居在我国引入的时间较短,所以我国的智能家居应用水平与国外还有较大的差距,但不可否认智能家居技术在我国还有大的发展前途的,现在所缺少的是成熟的产品和配套的解决方案以及熟练的技术技。

本文主要完成了以下工作:

1、介绍了智能家居系统的国内外发展现状以及系统所采用的通信方式,通过对比,选定了ZigBee无线通信方式作为本智能家居系统设计的通信方式。

2、ZigBee技术介绍了其起源,对ZigBee的研究。

3、对ZigBee网络的各种设备包括路由器和终端设备的硬件电路进行了设计。

4、对智能家居系统中所需要的各种传感器及其配套调理电路、控制电路进行了设计。

5、对智能家居系统中的具体功能介绍。

关键词：

智能家居；Zigbee；通信技术；无线网络技术

Abstract

Withtheincreasinglivingstandard,people’srequirementtotheenvironmentisbecomingmoreandmorehigher,especiallyhomeenvironment.Howtoimprovehomeenvironmentandmakeitmorecomfortableandsaferisabigproblemforengineers.Underthisbackgroud,SmartHomewasraisedfirstlyinsomeforeigncountriesfewyearsago,andsomefamousbuildinghasadoptedthisidea.Thecoreofthisideaistousecomputertechnologyandcommunicationtechnologytoimprovehomeenvironmentandmakeitmoreconvenientandmorecomfortable.Inourcountry,thisideawasintroducedrecently,sotheapplicationtechnologyhasagapcomparedwithsomeforeigncountries.Butwecan’tdenythatithasabigdevelopmentspaceinourcountry.Atthemomentwhatweareshortofismatureproductsandformacompletesetofsolutions.

Thispapermainlycompletedthefollowingwork：

1.RecommendthedevelopmentofSmartHomesystempresentsituationathomeandabroadandmeansofcommunicationithasadopted,bycomparingwithsomanymethods,wechosezigbeewirelesscommunicationwayasSmartHomewayofcommunication

2.Describezigbeetechnologyindetail,introduceitsoriginandresearchit

3.Designzigbeeallsortsofequipmentincludingroutersandterminalequipmentofthehardware 

4.Designallkindsofsensorsandtheirmatchingregulatecircuitcontrolcircuitwhatsmarthomeneed

5.IntroducethefunctionofSmartHome

Keywords：

SmartHome;Zigbee;communicationtechnology;wirelessnetworktechnology

第一章绪论

1.1本课题的背景和意义

所谓智能家居系统是指利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹的管理，使得居家生活变得更加舒适、安全。

智能家居提供了全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部时刻保持着信息的交流，优化了人们的生活方式，增强了家居生活的安全性，以及可以节约各种能源费用资金。

智能家居又称为智能住宅，在国外常用SmartHome表示。

与智能家居含义相似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElectronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Buigylding）等。

1.2国内外智能家居发展概况

1.2.1国外智能家居发展概况

智能家居使用的是计算机技术、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭生活中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起。

国外智能家居发展得从1984年美国康乃迪克州哈特佛市首创的智能建筑说起，至此以后，一些大大小小的科技比较发达先进的国家也陆陆续续加入到智能家居的这个行列当中，并且诸如美国、瑞典、新加坡、英国等国的智能家居发展较好。

在新加坡国家他们的系统已近相当完善，详细的说它能实现电表、水表、燃气表抄送，自动报警，可视通话、网络监控，电气智能化控制，智能接线盒宽带网络接入和系统软件配置等，智能家居控制系统、智能家居家电系统、智能家居舒适系统、智能家居娱乐系统、智能家居节能系统等等应有具有。

在日本，除了室内的家庭已经实现自动化网络，但同时也实现了自动门的生物特征识别系统，这个系统设计比较人性化，即使我们双手提有东西不方便腾出手但只要门口的摄像机确认个人身份之后，门在设定的的短时间内就能打开。

另外，家居智能化还使用了医学相关设计，便于人随时关注个人健康情况，在卫生间的便器垫圈上我们插有血压计，还有在便器内很巧妙的设计了血糖检测装置，在厕所内洗手池前我们也可以安装体重仪，这些系统仪器不需要太多额外的操作，完全实现方便实用，这些仪器测试结果都能在一个显示器上显示，当然得到的数据也都是能保存的，不得不说智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、讯息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

1.2.2国内智能家居发展概况

智能家居系统在国内的研究起步较晚，但也创造了很多不同的标准，下面是代表目前一些智能家居系统：

（1）科龙集团开发的“智能家居系统网络”，由科龙集团开发的“智能家居系统网络”，由家庭网关，电表控制器，安全控制，家电控制器，光总线控制器和家庭组成。

通过远程互联网，可以远程控制家里的设备；您也可以用电视机的遥控器来控制开关灯，在不同的季节，空调，冰箱及其控制方法也将随着时间的变化发生变化以及其他自适应特性。

（2）海信智能家居控制系统：

曾经提出智能家居享你所想的口号，它们将所有家用电器，像灯光、窗帘、空调、电视等等，都可以通过手机或是平板电脑来操作，完全智能化。

在德国消费电子展（IFA）上，海信以智能家居的理念，携旗下智能电视、冰箱、空调等产品亮相，海信展台以智能家居理念搭建，智能电视、智能冰箱等家电产品组成了家庭的智能控制系统。

其中SMARTTV作为智能家居的最重要组成部分，不仅体现出了智能电视在影音娱乐方面的应用，更重要的是其智能互动部分的应用更为广泛。

（3）清华同方e家数字家庭：

这是一个以家庭为基础的技术和楼宇自动化技术，清华同方与相关联网络，计算机，软件技术，为中国家庭和社区提供了全方位的数字服务产品。

e家数字家庭包括三个层次，家庭自动化，智能化小区，社区信息，其目的是为了使人们的生活和工作网络化。

（4）“卓越3000”家用电器智能控制：

方正“卓越3000”可以包括电视机，录像机，VCD，摄像机，空调和其它家用电器，包括所有的控制电路，智能集中管理，提高了家电的效率，使其联系在一起，并家庭的有效利用成为用户的“家电主管”。

从消费者的角度来看，智能家居厂家应该以贴近客户实际需求为导向，以提高系统稳定性为第一追求，为住户提供高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

实现智能化还需在家电自动化的基础上实现家居网络化，通过芯片对各种记录、判别、控制、反馈等过程进行处理，并将这些过程在一个网络平台实现集成，能按人们的需求实现远程自动控制。

因此，标准版的智能家居只需一个遥控器便可实现所有自动化功能。

智能化服务于人们的居家生活，体现了目前最高和最新科技的水平，更全面、更富有人性化。

未来的家庭将充满了各种数字设备连接的无线技术，让每个家庭拥有必要的设备，设备可以在互联网上使用无线技术，形成自己独立的网络，然后通过遥控器连接到电脑在互联网上，在家里，真正实现家电信息化、网络化。

1.3智能家居系统组网技术

1.3.1有线通信组网技术

（1）集中布线技术：

需要重新额外布设弱电控制线来发送控制信号以及接收被控设备的反馈信号，从而达到对家电生活灯光进行控制的目的。

之前主要应用于楼宇智能化控制。

因为是其以独立、有线的方式进行信号的收发，所以相比较而言信号最稳定，较适合于新建楼宇和小区的大范围的控制，现在开始部分用于别墅智能化，但一般布线比较复杂，造价较高，工期较长，因而只适用于房子是新装修的用户。

（2）X10电力载波：

不需要重新布线，主要利用家庭内现有的电力传输，以实现控制信号的电器和照明控制和管理，安装，设置比较简单，许多设备是即插即用，您可以自由匹配产品，根据自己的需要，能够不断智能升级功能是比较强大和实用，价格实惠，适合大众消费，技术已经非常成熟，有25多年的历史，现在美国已有近1300万家庭用户，对于新装修的家庭户，或者已装修的家庭用户而言，是比较健康，安全和环保的智能家居技术，但是国内X10技术由于受限于国内电网的杂波比较多，使控制信号传输的稳定性得不到保证，以致系统的稳定性相对于国外来说比较差。

1.3.2无线通信组网技术

本文具体研究的便是智能家居的无线组网技术。

无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的无线通信技术。

以无线射频的方式进行控制信号的传输，实现对家电和灯光的控制。

不再需要重新布线，安装，设置及调试都是比较方便的。

随着射频技术的发展，射频传输的抗干扰能力也越来越强，稳定性越来越高，穿透障碍物的性能也越来越好，有逐渐取代传统以有线方式传输控制信号的趋势。

同时其无需布线的优势也使无线智能家居系统成为已装修家庭配备智能家居系统的首选。

同时随着ZigBee协议的逐渐推广，也是本论文主要讨论的。

采用2.4GHZ频率、支持ZigBee协议的无线智能家居系统已有很大程度的Zigbee技术能更好地解决射频传输稳定性较差、抗干扰能力弱的问题。

同时，由于Zigbee网络可以自动组网，所以控制设备和被控制设备间在使用前无需对码，是Zigbee系统的易用性大大增强。

同时，其通讯节点可以有路由的能力，传输信号可以在有路由功能的节点间进行接力式的传输，这样大大增加了信号的传输距离，增强了信号穿透障碍的能力。

1.4智能家居系统设计需要解决的问题

从宏观上来讲，事物的每个发展阶段都是当时从业人员认识水平、技术水平、市场认知、原材料成本等几个原因共同作用的结果。

每个阶段都会局限于当时的技术水平、市场接受程度等，都会有其无法突破的瓶颈和困难。

即便智能家居系统在中国已发展20多年，且经过这么多年的发展，产品、技术已日趋成熟、稳定，但每项技术并不一定都完美无瑕。

只要产品或技术处于高速发展中，它必然需要不断地去解决一些技术上或者产品上的问题。

智能家居产品未来会还向节能环保，舒适度方面发展。

比如冬暖夏凉型建筑，不用空调，由建筑自身的功能去调节温度。

而智能家居必须结合这些建筑上的功能去发展，从这个方面来说，必然会推动智能家居的适应性发展。

对与现阶段的智能家居来说，没有专用的对讲或智能家居数字处理芯片，无论是技术层面还是集成层面，都只是有所关联。

如果能够很好的解决，未来数字对讲将会取得更好的应用。

而随着中国城镇化趋势的加剧，大型小区会越来越多，人们对安保的重视程度也会日益加强，将来小区的多个安防子系统在技术上必然会走向综合化、集成化。

除此之外，厂家需理性地为各类应用设计解决方案，校正一些过往的虚假概念。

只有设计实用性强，性价比高，能适应拓展未来新技术的系统，才能更好地为用户服务。

除此之外，各家产品的兼容性也是一个急需解决的问题。

目前各厂家的产品均采用自家的协议，无法很好地做到兼容，而不同品牌的可视对讲和智能家居系统如何互连互通也将是今后需突破的难点。

第二章ZigBee技术研究

2.1ZigBee技术简介

首先为大家介绍一下什么是ZigBee，ZigBee是1个由可多到65000个无线模块组成的一个无线数据传输网络平台，与现有的CDMA方式的移动通信网络或GSM网络是非常类似的，每一个Zigbee网络数据传输模块类似于移动网络中的一个基站，在整个网络中，彼此之间可以进行通信的范围内，各网络节点之间的距离从标准的75米到几百米，甚至几公里。

此外，Zigbee网络还与其他各种现行的网络互连。

同时，ZigBee是一种短距离，低复杂度，低功耗，低速率，低成本的双向无线通信技术，主要用于自动控制和远程控制，可以满足对小型的，价格低廉的设备的无线联网和控制。

ZigBee技术的前身是“HoneRFlite”技术，在2000年12月由IEEE802.15.3工作组制定了其核心协议，并由2002年8月组建的Zigbee联盟负责其高层应用、互联互通测试和市场推广。

2.2ZigBee协议组成

2.2.1ZigBee协议总体构架

ZigBee协议与其他网络通信协议一样采用了分层模型，对各层所实现的功能和在整个协议中所起的作用做出了明确的划分。

ZigBee协议套件由高层应用层、应用支持层、网络层、数据链路层和物理层组成。

如图2-1所示：

ApplicationFramework

应用层（AF）

ApplicationSupportsublayer

应用支持层（APS）

NetworkLayer

网络层（NWK）

MediumAccessControlLayer

数据链路层（MAC）

PhysicalLayer

物理层（PHY）

图2-1Zigbee协议总体架构

2.2.2物理层（PHY）规范

物理层是遵循IEEE802.15.4协议的，是协议的最低层，承担的任务是与外界直接相互作用，控制RF收发器的工作，采用扩频通信。

物理层通过射频固件和硬件提供给MAC层与物理无线信道之间的接口，物理层还包括物理层管理实体（PLME）,以提供调用物理层管理功能的管理服务接口，同时PLME还负责维护物理层PAN信息库（PHYPIB）。

物理层通过物理层数据服务访问点（PD-SAP）提供物理层数据服务，通过物理层管理实体服务访问点（PLME-SAP）提供物理层管理服务。

物理层数据服务可以简单概括为以下作用：

开启和关闭无线收发信机、能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空间信道评估（CCA）、信道选择、数据发送和接收。

2.2.3介质传输控制层（MAC）规范

同样遵循IEEE802.15.4协议，主要负责的是设备间的无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传输和接收，可以选时隙，实现低延迟传输，各种网络拓扑结构均支持，网络中每个设备有16位地址寻址。

MAC子层提供两种服务：

MAC层数据服务和MAC层管理服务。

前者保证MAC了协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，MAC层管理服务维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。

MAC子层主要功能如下：

①协调器产生发出网络信标帧。

②其他设备与信标帧同步。

③支持PAN网络的关联（Association）和取消关联（Disassociation）操作。

④保证设备的安全。

⑤使用CSMA-CA机制访问信道。

⑥支持GTS（GuaranteedTimeSlot，时间槽保障）机制。

⑦提供两个对等的MAC实体之间的可靠连接等。

2.2.4网络层（NWK）规范

网络层在MAC层之间提提供一个合适的接口，通过刺激MAC层动作执行寻址和路由功能。

它的关键任务包括：

（1）启动网络和分配网络地址;

（2）移除网络中的设备或者添加网络中的设备

（3）通过路由，将消息送往目的节点；

（4）加密已发送的数据；

（5）在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。

2.2.5应用层（APL）规范

应用层用于支持维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，Zigbee应用层中包含有应用程序支持子层，应用程序架构，送往Zigbee装置管控对象和与各厂商定义的应用程序对象。

此外，Zigbee还定义了应用规格，它是针对各种不同的应用情境来定义的概略的行为蓝图，让特定应用中采用此规格的装置之间能够互相操作。

2.3ZigBee网络配置

2.3.1IEEE802.15.4定义的网络设备

IEEE802.15工作组是1998年成立，致力于无线个人区域网络（WPAN）物理层和媒体访问子层的标准化工作，2002年,zigbeeAlliance成立，2004年,zigbeeV1.0诞生.它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误，2006年,推出zigbee2006,比较完善，2007年底,zigbeePRO推出，zigbee的底层技术基于IEEE802.15.4，物理层和MAC层直接引用了IEEE802.15.4。

IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：

在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；支持星型和点对点两种网络拓扑结构；有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；支持冲突避免的载波多路侦听技术（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA-CA）；支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

IEEE802.15.4提供两种物理层的选择868/915MHz和2.4GHz的直接序列扩频（DSSS）物理层频段。

2.4GHz物理层的数据传输速率为250kb/s，868/915MHz物理层数据传输的熟虑为20kb/s和40kb/s，2.4GHz物理层传输速率高是由于采用DSSS方法准正交调制技术，而868/915MHz物理层使用每个PPDU数据传输为被最大长为15的CHIP序列所扩展的简单DSSS方法。

IEEE802.15.4支持多种网络拓扑结构，包括星形和点-点拓扑，拓扑结构需要根据应用设计需求来定，一些PC外设应用适合星形低延时的连接，其他安全方面应用适合大面积点-点的拓扑结构。

2.3.2ZigBee定义的网络设备

Zigbee,在中国被译为"紫蜂",它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术，用于传感控制应用。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个人区域网协议。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

Zigbee这个字，从英语的角度来分析，它是由“Zig”和“bee”两个字组成。

前者“Zig”中文的意思是“之“字形的路径，后面一个英文单词“bee”就是蜜蜂的意思.Zigbee网络技术，就是模仿蜜蜂通过跳舞来传递信息的方式，通过网络节点之间信息的相互互传，来将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。

总的来说，ZigBee是一种基于IEEE802.15.4的低功耗、低传输速率、架构简单的短距离无线通信技术，它在自动控制领域的应用正越来越引起业界的瞩目。

2.3.3ZigBee网络拓扑结构

Zigbee网络有三种网络拓扑结构：

星型拓扑结构，树状拓扑结构和网状拓扑结构，而IEEE802.15.4中所支持的对等结构就是树状结构和网状结构。

三种网络拓扑结构如图2-2所示：

　星状网络（Star）树状网络（clustertree）

协调器

 、、路由器

终端节点

网络网状（mesh）

图2-2Zigbee三种网络拓扑结构

2.4Zigbee技术的特点

ZigBee是近年来兴起的一种短距离，低功耗，低成本，灵活的组网，无线通信技术，适用于数据传输量小，功率有更高的要求，网络节点需要更多的场合。

具有以下特点：

（1）低功耗：

由于工作时间比较短、接受和发送信息功能消耗比较低并且多数情况下采用了休眠模式，使得ZigBee节点很省电。

（2）低成本：

目前低速率低功率的UWB芯片组的价格不低于20美元，而ZigBee的价格

目前只有几美分，并且ZigBee协议是不收专利费的。

（3）数据传输速率低：

ZigBee工作在20～250kbps的较低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

（4）时延短：

ZigBee针对时延敏感的应用做了改进，通信时延和休眠状态激活的时延都很的短。

（5）网络容量大：

每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接;

（6）优良的网络拓扑能力:

ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。

ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔围;

（7）安全性：

Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性;

第三章智能家居系统总体设计方案

3.1智能家居系统需求分析

智能家居系统采用ZigBee技术以及无线传感网络相结合，智能家居系统对于广大消费者而言必须实用、简单，在此基础上可以根据个人爱好进行多样化和个性化，智能家居系统可细分为如下几个分系统：

灯光照明系统、门窗控制系统、家电控制系统、安防监控系统、远程控制系统。

智能家居可以简单概括出以下一些特点：

（1）使用方便：

智能化系统提供远程控制接口，当您外出时，您可以通过电话或互联网查看和控制家里的设备。

（2）信息服务：

通过