基于无线传感器网络的智能家居系统的设计.docx

1、基于无线传感器网络的智能家居系统的设计基于无线传感器网络的智能家居系统的设计（硬件部分）中文摘要随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。智能家居系统能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代化生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统逐渐成为一个新兴的研究领域。本文针对智能家居网络特点通过对智能家居网络分析、对比和研究，采用星状网络组建智能家居网络，对智能家居网络进行了设计与实现。利用CC2430的ZigBee模块与各种传感器设计了一种低成本、高灵活性、通用的ZigBee无线智能家居网络控制，并最后完成了实现。主要内容如下：采

2、用Zigbee技术，构建无线传感器网络，研究无线传感器网络的通信机理。以及设计微处理器控制模块，通信模块、检测模块等硬件。关键词：ZigBee；智能家居；无线网络；CC2430Design of smart home system based on wireless sensor network(hardware)AbstractWith the development of electronic information technology and computer network technology，there is the new trend of the development of

3、 smart home system to realize the home informatization，and networkingSmart home system can provide more relaxed，orderly，efficient modern way of life，is the inevitable trend of the development of future residential patternTherefore，smart home system has gradually become a new research fieldPointing t

4、o these features of smart home system，in these paper，a method of adopting star network to establish smart home intranet by analyzing，comparing，researching the smart home network is givenThe smart home networt is designed and realized，and a kind of low-cost，high-flexibility，conventional wireless inte

5、lligent networt controller is accomplished by using CC2430 ZigBee module and other sensorsAs follows：build wireless sensor networks based on Zigbee technology，research communication mechanism for wireless sensor networks. And hardware design of microprocessor control module, communication module, de

6、tection module，and so on.KEY WORD：ZigBee；smart home；wireless network；CC2430第一章 前言1.1 智能家居简介智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，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1。智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居

7、系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。安全防范技术是智能家居系统中必不可少的技术，在小区及户内可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术，广泛应用在智能家居控制中心、家居设备自动控制模块中，对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。音视频技术是实现家庭环境舒适性、艺术性的重要技术，体现在音视频集中分配、背景音乐、家庭影院等方面，已经引起了许多国家学术界和工业界的高

8、度重视，被认为是对21世界产生巨大影响力的技术之一2。通俗地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过家触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。1.2 智能家居系统组成智能家居系统包含的主要子系统有：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐

9、系统（如TVC平板音响）、家庭影院与、多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。其中，智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统为可选系统。在智能家居环境的认定上，只有完整地安装了所有的必备系统，并且至少选装了一种及以上的可选系统的智能家居才能称为智能家居3。1、家居布线系统对于一个智能住宅需要有一个能支持语音、数据、多媒体、家庭自动化、保安等多种应用的布线系统，这个系统也就是智能化住宅布线系统。2、家庭安防系统家庭安防系统包括如下几个方面的内容：门磁开关、紧急求助、烟雾检测报警、燃气泄

10、露报警、碎玻探测报警、红外微波探测报警等。1.3 智能家居系统的起源和发展20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化（HE，Home Electronics）出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为 一体后，形成了住宅自动化概念（HA，Home Automation ）。80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、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，这在美国称为 Smart Home，也就是现在智能家居的原型。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（U

11、nited Techno1ogies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。1979年，美国的斯坦福研究所提出了将家电及电气设备的控制线集成在一起的家庭总线（HOMEBUS），并成立了相应的研究会进行研究，1983年美国电子工业协会组织专门机构开始制定家庭电气设计标准，并于1988年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即：家庭自动化系统与通讯标准，也有称之为家庭总线系统标准(HBS，H

12、ome Bus System)。在其制定的设计规范与标准中，智能住宅的电气设计要求必须满足以下三个条件，即： 1、具有家庭总线系统； 2、通过家庭总线系统提供各种服务功能； 3、能和住宅以外的外部世界相连接。物联传感技术是全球第一个利用物联网来控制灯饰及电子电器产品（我们现在通称为ZigBee产品），并将其作为智能家居主流产品走向了商业化。ZigBee最初预计的应用领域主要包括消费电子、能源管理、卫生保健、家庭自动化、建筑自动化和工业自动化。随着物联网的兴起，ZigBee又获得了新的应用机会。物联网的网络边缘应用最多的就是传感器或控制单元，这些是构成物联网的最基础最核心最广泛的单元细胞，而Zi

13、gBee能够在数千个微小的传感传动单元之间相互协调实现通信，并且这些单元只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它的通信效率非常高。这种技术低功耗、抗干扰、高可靠、易组网、易扩容，易使用，易维护、便于快速大规模部署等特点顺应了物联网发展的要求和趋势。目前来看，物联网和ZigBee技术在智能家居、工业监测和健康保健等方面的应用有很大的融合性。1.4 智能家居系统的国内外发展新趋势随着智能家居的迅猛发展，越来越多的家居开始引进智能化系统和设备。智能化系统涵盖的内容也从单纯的方式向多种方式相结合的方向发展。但较之于欧美发达国家，我国的我国智能家居系统起步稍晚

14、，所以目前市场主流的产品（系统）还无法很好地解决产品本身与市场需求的矛盾，使得智能家居市场的僵冰还没有被完全打破，所以很大程度上阻碍了智能家居产业的发展。在此情形之下，从产品（系统）的技术角度上看什么才是解决这个难题的方法？据市场调研显示，只有智能家居交互平台才是最好的手段之一。智能家居交互平台是一个具有交互能力平台，并且通过平台能够把各种不同的系统、协议、信息、内容、控制在不同的子系统中进行交互、交换4。它具有如下特点：1、每个子系统都可以脱离交互平台独立运行智能家居交互平台中，各个子系统在脱离交互平台时能够独立运行，如果楼寓对讲、家庭报警、各种电器控制、门禁、家庭娱乐等等。个子系统在交互平

15、台管理下运行，平台能采集各子系统的运行数据，系统的联动。2、不同品牌的产品、不同的控制传输协议能通过这个平台进行交互由于有了交互平台，不同子系统在交户平台的统一管理下，可以协同工作和运行数据额交换、共享，给用户最大限度的选择权，充分体现智能家居的个性化。同时，它还具有网关的功能，通过交互平台，能与广域网连接，实现远程控制、远程管理。具有多种主流的控制接口，如RS485、RS232、TCP、IP等，同时可以扩充添加国内外流行的控制接口，如EIB、lonwork、CE-bus、Canbus，以及无线网络如：WiFi、GPRS、蓝牙等。根据客户及市场的变化不断增加各种总线、系统的驱动软件和硬件接口，

16、丰富多样的通讯、控制接口，为子系统的多样选择提供的基础保障，智能家居有了最大限度包容性，用户有了更大的选择余地。3、智能终端（触摸屏）仅做为各子系统的显示、操作界面整个系统在平台的控制、管理下运行，智能终端（触摸屏）仅做为各子系统的显示、操作界面，多智能终端配置容易可行。同时，可以记录各子系统的运行数据、为系统运行优化、自学习提供依据。交互平台，平台可以记录存储各系统的运行数据，对系统的运行可以提供有效的历史数据，同时可以根据历史的运行数据，总结出主人的使用习惯和某种规律，让系统能够自学习。4、控制软件可编程（DIY），提供信息服务此系统方便用户改变控制逻辑、控制方式、操作界面，用户的控制逻辑

17、、操作界面可以自定义、可以DIY。在现代的智能家居系统中，信息服务是非常重要的不可或缺的部分，有了信息服务，它给智能家居更多的“智慧”、给我们的生活提供更多的信息和资讯、给智能家居赋予更生动的生命，它是智能家居更高的境界。信息服务内容包括：健康、烹饪、交通信息、生活常识、婴幼儿哺育、儿童教育、日常购物、社区信息、家居控制专家等等，智能家居已不仅仅是面向控制的系统而是信息服务与控制有机结合的系统。5、多种控制手段在日常家居生活中，为了使我们对家庭的控制系统能随时掌控、需要的信息随时获取，操作终端的形式非常重要，多种形式的智能操作终端是必不可少如：智能遥控器、移动触摸屏、电脑、手机、PDA等。 智

18、能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗。随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分智能家居控制系统也越发显得重要5。1.5 无线网络技术所谓无线网络，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份6。无线技术也分不同种类，通常以产生无线信号的方式来区分，目前主要的方式有调频无线技术、红外无线技术和蓝牙无线

19、技术三种，其成本和特点也不尽相同。广泛应用于音响键鼠等各项内容，有很好的发展前景。1.5.1 无线网络的标准常见标准有以下几种： IEEE 802.11a ：使用5GHz频段，传输速度54Mbps，与802.11b不兼容。IEEE 802.11b ：使用2.4GHz频段，传输速度11Mbps 。IEEE 802.11g ：使用2.4GHz频段，传输速度主要有54Mbps、108Mbps，可向下兼容802.11b 。IEEE 802.11n草案：使用2.4GHz频段，传输速度可达300Mbps，目前标准尚为草案，但产品已层出不穷。目前IEEE 802.11b最常用，但IEEE 802.11g更具

20、下一代标准的实力，802.11n也在快速发展中。IEEE 802.11b标准含有确保访问控制和加密的两个部分，这两个部分必须在无线LAN中的每个设备上配置。拥有成百上千台无线LAN用户的公司需要可靠的安全解决方案，可以从一个控制中心进行有效的管理。缺乏集中的安全控制是无线LAN只在一些相对较的小公司和特定应用中得到使用的根本原因。IEEE 802.11b标准定义了两种机理来提供无线LAN的访问控制和保密：服务配置标识符（SSID）和有线等效保密（WEP）。还有一种加密的机制是通过透明运行在无线LAN上的虚拟专网（VPN）来进行的。SSID ，无线LAN中经常用到的一个特性是称为SSID的命名编

21、号，它提供低级别上的访问控制。SSID通常是无线LAN子系统中设备的网络名称；它用于在本地分割子系统。 WEP ，IEEE802.11b标准规定了一种称为有线等效保密（或称为WEP）的可选加密方案，提供了确保无线LAN数据流的机制。WEP利用一个对称的方案，在数据的加密和解密过程中使用相同的密钥和算法7。 1.6 ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、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。1.6.1 ZigBee技术简介蜜蜂在发现花丛后会通过一种

22、特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee8。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBe

23、e网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务

24、的孤立的子节点(RFD)无线连接。1.6.2 ZigBee协议栈各层结构Zig Bee协议栈各层的主要功能模块主要包括PHY层功能、MAC层功能、NWK层功能、APS子层功能，应用框架AF(APhcationFram，ork)功能及各类应用对象。PDU (ProtocolDataUnit)表示协议数据单元。PHY 层主要通过无线信道进行收发数据包PPDU (PHYProtcoloDataUin)t，以及检测接收包的链路质量LQI(Linkalitylndication)值，信道选择，信道能量检测ED(EnergyDetect)和空闲信道评估CCA (ClearChannelAssessment

25、)。AMC 层对从即DU中提取的淤DU进行进一步的处理，同时，还提供AMC层数据传输机制，ED、ACTIVE和ORPN三种扫描机制，和关联/退出关联功能。AMC层的ED扫描调用PHY层的ED检测实现。NwK层负责NPDU收发，组网管理及信息路由的实现。其中组网管理主要包括网络建立、地址分配、节点入网及节点离网。信息路由则包括路径发现、路径维护、信息单播及信息广播9。1.6.3 ZigBee的技术特点ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输

26、速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：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1.52.5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1

27、5ms, 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

28、了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。1.6.4 ZigBee联盟及标准制定ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。ZigBee

29、联盟所锁定的焦点为制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注，管理技术的发展。ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点

30、的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注，管理技术的发展10。 1.7 课题研究的目的和意义1.7.1 课题目的智能家居是以住宅为平台，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有关的设施集成，构

31、建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，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。基于智能家居的最新定义，参考ZigBee技术的特点，设计出的本系统，在包含了智能家居必备系统(智能家居(中央)控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统)的基础上，加入了家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统和家庭环境控制系统。在智能家居的认定上，只有完整地安装了所有的必备系统，并且至少选装了一种及以上的可选系统的家居系统才能称为智能家居。1.7.2 课题意义智能家居是利用先进的计算机技术、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家

32、庭网络连接到一起的，自从美国在1984 真正的智能建筑出现以来，国外已经有将近30 年的研究历史，而国内在这方面的研究相对较晚，从2003年才逐步应用于高端市场，而且标准不统一。由于智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化和个性化的独特魅力，使得智能家居的开发与建设成为21 世纪科技发展的必然趋势。随着全球对能源和环境的要求越来越高，而智能家居在节能方面的效果优势非常明显，因此具有非常广阔的市场前景。 1.7.3 研究主要内容基本问题：（1）报警模块的设计与实现。（2）智能光控灯具模块的设计与实现。（3）智能温控空调模块的设计与实现。重点注意：软件与硬件的联合调试。1.8 本章小结首先对智能家居系统进行了简要概述，包括智能家居的定义和国内外智能家居系统的发展，接着对智能家居网络技术进行了介绍，对于智能家居系统来说，采用无线网络不仅为家居智能化提供灵活简便的网络结构，省去了浪费在布线上的人力和物力，并且更符合家庭网络通讯的特点。第二章 智能家居系统的任务设计（硬件部分）2.1 系统设计总体