基于无线传感器网络的多功能智能家居系统研究与设计.docx

1、基于无线传感器网络的多功能智能家居系统研究与设计毕 业 设 计学生姓名胡鹏学 号171208010学院 物理与电子电气工程学院专 业电气工程及其自动化题 目基于无线传感器网络的多功能智能家居系统研究与设计指导教师葛恒清 副教授/硕士 2016年5月摘 要：随着现代科技技术的发展，智能化、信息化以及便捷化在人们生活中的要求日趋增高，智能家居为了满足人们的现代生活要求而兴起。本文一开始简述了智能家居的发展前景和研究意义，分析了智能家居的一些技术要求，并介绍了世界各国及国内智能家居产业发展现状。然后对几种近距离的无线通信技术进行对比，并论述了蓝牙通讯技术应用在智能家居上面的技术优势。接下来，对其硬件

2、设计进行了具体的分析，将传感器和家居设备进行智能化结合。最后进行了系统测试，并对本设计的优点作出论述，对本设计的不足提出改善的方法。关键词：智能家居，无线通讯技术，蓝牙Abstract: With the development of modern science and technology, intelligence, information and facilitation in peoples lives are in higher demands, in order to meet peoples requirements and the rise of modern life, i

3、ntelligent home has set up. At the beginning of this article,it outlines the prospects and significance of the development of smart home. It analysises some technical requirements for home and presents the current situation around the world and the development of domestic smart home industry. Then s

4、everal short-range wireless communications technology has been compared and the advantages of Bluetooth communication technology in smart home has been discussed. Next, the design of hardware has been detail analysed, sensor devices and intelligent home has been combined. Finally, test the system an

5、d discusses the advantages of this design and bring up new methods for the disadvantages .Keywords: smart home，wireless communication technology，bluetooth1 绪论1.1 研究意义我国智能家居行业在还在刚刚兴起的阶段，但其发展前景非常广阔，将其真正意义上的实际应用和推广才是其发展的必然之路。智能家居行业具有十分广阔的发展前景，虽然我国智能家居行业处于刚刚发展的阶段，但如果将其真正意义上的推广和实际应用，智能家居行业必然走向其繁荣的发展之路。首先

6、就是将改变我们现在的生活方式。智能家居产品在功能上已经非常丰富，可以只需要用电话或计算机就能操作家里的电设备，除此之外，还能操作家里各类活动，比如网络监控、安保、远程医疗和教育等，甚至于还有很多是我们现在想象不到的活动。也因为如此，使我们的工作方式发生了变化，越来越多的工作可以让我们在家里进行。这所有的改变都将因为智能家居，我们的生活质量也因此提高。另外，智能家居行业必定带动一大批行业发展，并且将开辟一个新兴的大市场。智能家具产业逐渐走向市场，走进寻常百姓家，其巨大的市场也易可知晓。这消费市场必然兴起一大批企业，必然使一大批企业得到更好的发展。随着我国的大中城市中有绝大部分的住宅都将要达到智能

7、化水平，这本身就给智能家居产业带来巨大商机。1.2 智能家居技术要求1.2.1 传感器技术传感器技术是智能家居系统中的使用是最多且最为实用的技术之一，比如：对光线照明亮度信息采集使用光敏传感器、烟雾传感器可以对室内毒气浓度进行检测以及温湿度传感器能够对室内的温度和湿度进行监控等等；如图1-1所示。图1-1 传感器技术1.2.2 信息处理技术为了真正体现“智能”这个原则，智能家居追求高度人性化，无论是改善生活行为、改变生活环境，其基本原则都是以人为本。因为人工智能有着同样的原则，所以其在智能家居系统中的应用前景也将非常广阔。其实信息处理就是将传感器所探测到的环境通过处理器进行处理，将外界环境变成

8、数字信号，实现信息化。处理过程如图1-2所示。图1-2 信息处理过程图1.3 智能家居在国内外研究现状和国内发展1.3.1 国内外研究现状二十世纪八十年代，在美国建成了全球第一栋装有智能家居系统的建筑，一些经济发展比较好的国家和地区均提出关于智能家居的计划。智能家居系统在美、日、德、法、韩等国的普遍应用，同时也为全球其他国家在智能家居行业探究业务模型和拟定行业标准起到了极其重要的影响力。虽然从某种意义上来讲，当前智能家居产业仍然处于刚刚启动阶段。但自从1998年微软公司提出“维纳斯计划”，这个新兴产业一直在相关行业积极推动着发展。美国的智能家居行业以数字化改造为发展契机，发展非常好，但其是个追

9、求享受和舒适的国家，追求豪华，故能源消耗大，这便不符合现阶段世界范围内所提倡的低碳、环保和开源节流的节能理念。日本的智能家居行业偏向于体现“智能”这个原则，以人为本，同时兼顾对于环境的保护以及智能家居在未来的发展，更多地使用新材料和新技术，来实现现代化的家居技术。智能家居的基本功能在德国表现得淋漓尽致，其行业更加偏爱对专项功能的研究，偏向于基本功能的实现。而韩国政府对智能家居产业的重视程度更高，其通过大力使用政策扶持，来加快其国内智能家居的发展，在韩国所有的新建项目里，八成以上都是使用智能家居系统，因此也产生了一些比较有名的智能家居企业。智能家居行业在我国虽然已经经历了十几年的发展，正在逐渐步

10、入我们寻常百姓家，其但其依旧还在导入期与成长期的临界点。但由于智能家居市场正在逐渐落实和推广，广大消费者正将对智能家居作为家庭生活的一部分，使得国内智能家居市场潜力无限，其行业的前景必然一片光明。国内众多的企业也因此愈来愈重视对此产业消费市场，并对消费群体需求状态和企业发展现状做了深刻的探究，这些企业在智能家居行业上的投资也渐渐使得他们掌握了国内智能家居市场的先机，慢慢变成国内智能家居行业里的领先者。1.3.2 国内发展（1）政府支持智能家居作为刚起步的行业，政府支持也必然成为其发展的主导因素。纵观全球智能家居行业发展比较好的国家，政府的相关政策都是其发展的必要条件。比如韩国，智能家居在韩国已

11、经普及，这也是因为其在政策上明确要求新建小区必需装配智能家居系统。我国政府虽然也很关心智能家居行业，但真正落到实处的优惠政策却寥寥无几，根本达不到吸引广大消费者的目的。这也是我国这些年来发展智能家居的短板所在。但随着越来越多的信息消费，政府为了推动智能化和信息化城市化发展，发表了很多相关意见，这也为智能家居产业的发展奠定了基础。（2）售后服务完善售后服务是智能家居行业发展所必然要解决的问题。我们进行了一些调查，并采访了一些消费者，很多消费者表示在智能家居系统安装完成，在使用了一段时间后很多问题就显现了出来，但企业由于售后服务不是很理想，使得消费者的问题没得到有很好地处理，这也让智能家居产品变成

12、了中看不中用的摆设，造成了巨大的浪费。（3）行业标准国内智能家居行业拟定统一的国家标准也是刻不容缓的事情。目前，愈来愈多的企业已经涉足或准备涉足智能家居行业，每一家企业都有自己的制作工艺和标准。智能家居行业不同于其他行业，它是一个系统工程，产品的标准不统一，这个系统各个模块也就无法做到无缝对接。没有国家标准也是导致我国智能家居行业进展缓慢的原因之一。因此，制定智能家居行业国家标准也是迫在眉睫的问题，国标的出台，必将大大促进国内智能家居行业的发展。1.4论文的主要工作本课题基于无线传感器网络的多功能智能家居系统研究与设计的现场是江苏省淮安市淮阴区淮阴师范学院理工楼北楼214实验室。本课题研究的只

13、要内容包括以下几点：（1）蓝牙技术无线通讯技术特点的研究；（2）多参数传感器节点设计方案；（3）各模块的硬件设计；（4）编译软件的介绍；（5）监测测试，分析实验结果。图1-3为基本结构图。图1-3 基本结构图2 无线通讯技术概述2.1 几种近距离的无线通信技术比较室内环境多参数监测系统中，系统设计所要求的技术指标能否实现，与无线通信方案的选择正确与否紧密相关。 最近几年，无线通信技术迅速发展，出现了一些新兴的技术，如蓝牙、WiFi、IrDA、ZigBee等。下面对以上几种技术做简单介绍： （1）蓝牙（Bluetooth） 诞生于二十世纪九十年代末期，由英特尔、诺基亚、爱立信等国际著名的企业一起

14、提出，其应用环境的主要特点是低功率、低成本和低距离，主要用来解决手提电脑、手机、PDA等移动设备之间的无线通信问题。这种技术提供了一种无线传输的方案，通过功耗很低的无线电通信技术实现传输数据、语音及视频等信息的作用。蓝牙技术的主要特点如下： 蓝牙使用了的大量先进的技术，比如：快跳频及短分组技术、跳频技术传输数据、前 向 纠 错 编 码技术以及FM调制方式等，这些技术给蓝牙带来了良好的性能，比如：大幅减小了同频干扰、信号抗衰减能力很强、大大增强了通信安全性能、在距离很远的时候通信随 机 噪声的干 扰得到了大幅减少并且使得设备简单性能可靠等；蓝牙在使用时无需申请专用许可证，工作频率为2.4GHz，

15、这一频率为世界上大部分地区ISM通用的频率。总之，蓝牙技术产品的应用，使得家居电器设备之间可以不通过大量缆线实现连通，极大地优化了生活环境并提高了生活质量。（2）WiFi （Wireless Fidelity） 与上文提到的蓝牙技术类似，也是使用的2.4GHz ISM授权频段。办公室和家庭网络环境的短距离通信的无线通信广泛采用这一频段来实现，传输速度比较快、有效传输距离比较远是WiFi技术的优势所在。 在封闭区域，WiFi通讯距离在76米到122米之间；如果在开放区域，WiFi最高通讯距离也将达到更远；且WiFi 技术的组网不需要投入大量的成本，其与有线网络和以太网络结合也比较方便。 （3）I

16、rDA（Infrared Data Association：红外技术） IrDA无线协议由红外线数据标准协会在1993年制订，其通过红外线达到点对点无线通信。经过这么多年的发展，IrDA 的传输速度有了较大的提高，从开始4Mb/s的速率到现在已经实现的16Mb/s的速率；所使用的红外协议也随之变化，由原来的快速红外协议（FIR，Fast Infrared）到现在的特速红外协议（VFIR，Very Fast Infrared）。它所接收的角度也扩大了很多，从原来的30度已经扩大到了目前的120度。 IrDA主要缺点是主要是传输距离不长，视距传输，方向要对准的同时通信设备中间不能有障碍物，否则无法

17、穿越。此技术只能用来两台设备通讯，目前几乎没有什么办法控制红外技术的信息传输的速度。虽然红外技术有很多的缺点，但是红外技术成本少和体积小的优势是其独有的，所以在手机之类电子产品中还保持了一定的应用。 （4）ZigBee ZigBee是一种无线连接，在全球使用的频率不同，全球流行的频率、欧洲流行的频率和美国流行的频率分别是：2.4GHz、868MHz和915 MHz，传输速率分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，传输距离比蓝牙要短。根据室内无线传感网络监测的需求，结合常见的几种无线通信技术，综合考虑各种因素，总结以下几个方面：（1）功耗：选择低功耗的器件来实现系统低

18、功耗的要求，例如选择有休眠模式的硬件芯片，选择容量大、寿命长的电池，尽最大可能来延迟电池的使用寿命；（2）性价比：无线技术首先要满足无线通信范围及数据传输速率的要求，这些基本要求达标后还要考虑其他因素，考虑到无线传感节点的数量特别大，尽量选择价格低廉、开发周期短、技术相对成熟的无线技术。 （3）距离：本节介绍的几种无线通信技术的无线传输距离差距很大，从几厘米到几十米甚至是上百米的都有，要根据实际的室内监测范围的需要选择最佳的无线通信技术；（4）频率：节点之间无线通信的安全性和可靠性、无线通信距离及节点发射功率这些因素是温室监测的基本要求，保证在节点工作频率范围内的能够达到这些指标，不能片面追求

19、个别指标。对于常见的无线通信技术进行技术指标的比较，总结如表2-1表2-1 常见的无线通信技术比较通讯技术蓝牙Wi-FiIrDAZigbee工作频段2.4GHz2.4GHz820nm传输速率（Mb/s）1/2/311.541.521/4/160.02/0.04/0.25发射功率（/mW）1-100100数毫瓦1-3传输距离（/m）10-10015-1001010-1000传输方式点对点/一点对多点点对点/一点对多点点对点点对点/一点对多点连接节点数量72552255安全措施128b密钥WEB加密密钥AES-128加密主要应用个人网络无线局域网络透明可见光内数据传输/近距离遥控温室大棚/控制网络

20、2.2 蓝牙技术特点（1）全球范围适用蓝牙在使用时无需申请专用许可证，其工作于频率为2.4GHz上，这一频率为世界上大部分地区ISM通用的频率。（2）可同时传输语音和数据蓝牙支持三种信道和两种链路类型，其中三种信道为：同步语音与异步数据同时传输的信道、异步数据信道以及三路语音信道，两种链路类型为：同步面向连接的链路和异步无连接的链路。（3）具有很好的抗干扰能力蓝牙技术使用的调频方式扩展频谱，因为有许多无线家居设备也工作在ISM频段，蓝牙采用此技术可以非常好的抵抗这些设备的干扰。（4）低功耗蓝才设备在通信连接状态时，有四种工作状态呼吸状态、保持状态、睡眠状态和主动状态。其中，所述主动状态是蓝牙设

21、备的常规运行状态，而其它三个状态为节能而设置的低功率状态。（5）开放的接口标准SIG公开所有蓝牙技术，全球所有单位以及个人均能对蓝牙产品进行开发和研究，只要其产品通过SIC兼容性检测，其蓝牙产品就能在市场推广。图2-1为蓝牙系统结构构成。图2-1 蓝牙系统结构2.3 本章小结本章对几种常见的无线通信技术进行了比较并对蓝牙技术进行详细的描述。首先，我们介绍了几种无线通信技术，包括蓝牙、WiFi、IrDA、HomeRF、RFID，并这些类型的无线通信技术进行了比较，根据智能家居系统的需求，最终确定基于蓝牙的无线传感器网络技术。其次，介绍了蓝牙技术特点，全球范围适用、可同时传输语音和数据、具有很好的

22、抗干扰能力、低功耗以及开放的接口标准，并最终确定了将蓝牙技术应用在智能家居系统中。3 硬件设计3.1 多参数传感器节点设计方案室内多参数无线传感节点主要功能是采集环境信息。由传感采集、数据处理、无线通信以及能量供应4个部分构成了传感节点的主要成分。如图3-1所示，同时设计中根据实际情况增加了响应电路。因为室内环境中主要监测温湿度和烟雾浓度等参数，所以本设计中传感器分别采用温湿度传感器DHT11、烟雾传感器MQ-2。图3-1传感节点结构框图监测中先要采集正确的数据信息，然后将采集的数据及时地传给数据处理模块进行数据处理，进行监测的第一步就是要进行数据采集，这就是传感采集单元的主要作用，其基本结构

23、如图3-2。传感元件先是采集需要的数据信息，之后将信息送到传感器的前级放大电路或辅助电路中进行相关处理，然后再分别经过滤波以及后级放大处理，最后处理单元就接收到传感节点传送的相关参数信息。图3-2传感采集模块的基本结构3.2 硬件设计3.2.1 处理器芯片选型本设计中处理器选用STC12C5A60S2。它的指令、管脚不但和8051完全兼容，而且运行速度快8到12倍。其片内自带有A/D转换功能，本设计中部分传感器的输入量为模拟量，这样便不需要外加A/D转换芯片，降低了成本以及损耗。不仅如此，STC12C5A60S2单片机还可以用电方式进行瞬间改写或擦出，烧进其片内的代码具有加密保护，并且其可以使

24、用串口烧写程序，非常便捷。STC12C5A60S2最小系统中包含复位电路和振荡电路，其电路图如图3-3。STC12C5A60S2单片机主要技术指标分别如表3-1所示。图3-3 STC12C5A60S2最小系统电路图表3-1 STC12C5A60S2主要技术指标性能参数名称指标工作电压3.5-5.5V工作频率范围0-35MHz用户应用程序空间16K片内RAM1280字节封装DIP-40定时器4个16位定时器时钟输出口3个外部中断7个PWM2路AD转换8路10位精度串口2个工作温度范围-40-+85C3.2.2 传感器芯片选型要智能家居更好地为家居服务，必须做到准确地测量环境参数，如温度、湿度、烟

25、雾浓度等。从可靠性方面考虑，选择抗干扰能力强、能够应用在比较苛刻环境中的传感器；从经济方面考虑，低成本的传感器更适于推广。综合而言，所选用的传感器应具有成本低、损耗低、高性能的特点。（1）DHT11数字温湿度传感器DHT11能够同时采集温度和湿度，并且具备已校准数字信号输出。这种传感器采用传感技术及数字模块采集技术进行正确的数据采集，使之可靠性和稳定性都得以提高。DHT11性能指标有：湿度测量范围为 20%90RH；温度测量范围为050；工作电压 3.05.5 V；转换时间小于5s。DHT11与STC12C5A60S2连接的电路如图3-4所示。测温元件和感湿元件构成了温湿度传感器的主要部件，传

26、感器与具有高性能的八位单片机连接。DHT11的管脚定义如表3-2所示。DHT11传感器因为体积小、功耗低、传输距离比一般的传感器远等优点，所以经常被应用在一些较为苛刻的场所，同时该产品引脚封装为SIP4，方便了电路中的连接，也可以根据用户需求设计特殊的封装。图3-4 DHT11连接电路表3-2 DHT11引出管脚定义引脚号名称注释1-PINVDD供电3.0-5.5V2-PINDATA串行通信，单总线3-PINNC空脚，悬空4-PINGND接地，电源负极DHT11为单线制数据格式，即输入输出双向传输由单个数据引脚端口完成。其数据包由5Byte (40Bit)组成。数据分小数和整数两部分，一次完整

27、数据的传输为40bit，分别包括湿度整数位和小数位、温度整数位和小数位、校验位，其中高位先输出。（2）烟雾传感器本设计中采用电化学气体传感器ZYMQ-2型气敏元件作为信号采集的器件。气敏元件是传感器中的重要部件，而气敏元件的性能直接影响了监测结果的好坏。常见的气敏元件大致可分为两类：一种是半导体式，另一种电化学式，由于电化学元件比半导体元件的灵敏度要高、寿命长、功耗更低以及更稳定等优点，故本设计中采用电化学气敏元件ZYMQ-2型。当环境中含有液化气、酒精、氢气、烟雾等气体时，气敏元件的电导率随此类气体浓度的改变而改变，呈线性方式改变。它与STC12C5A60S2连接的电路如图3-5所示。它的原

28、理图如图3-6所示。图3-5 烟雾传感器连接电路 图3-6 烟雾传感器原理图烟雾传感器输入给STC12C5A60S2的是模拟信号，处理器通过其片内自带的A/D转换读取烟雾传感器信号。3.2.3 电源模块设计本设计中使用12V直流电源供电。当电源供电时，由交流电压220V变到直流电压12V的电源模块供电。由于STC12C5A60S2的电压值范围为3.55.5V，一般使用5V，所以要把12V电源降压到5V电源，设计中采用LM7805芯片来实现降压。LM7805无需输入电容，为了稳定器件，在稳压器与地之间接了一个固态钽电容，这一电容大小值为10F；需要0.047pF0.1F的电容作为旁路电容，来改善

29、负载瞬态响应和噪声抑制功能。电源电路如图3-9所示。图3-7 电源电路 3.2.4 显示模块电路本设计采用的是LCD12864作为显示模块。用于显示温湿度和气体浓度。LCD12864是128*64点阵显示，内置简体中文字库和128个字符，每个汉字由16*16点阵显示、每个字符由8*16点阵显示。LCD12864与处理器有两种连接方式：分别为并行与串行。但一般我们采用并行传输方式，在本设计中也采用并行传输方式。LCD12864和单片机的连接图如图3-10所示。图3-8 LCD12864电路图如图3-10所示LCD12864电路图，LCD的RS、RW和E分别与STC12C5A60S2的P3_5、P

30、3_6和P3_4相连接，D0D7与P0_0P0_7相连接。滑动变阻器调节LCD的亮度。其代码流程图如3-9。图3-9 LCD12864代码流程图3.3 本章小结本章主要对本设计进行了硬件研究。硬件方面主要包括核心芯片的选型、传感器的选型、电源供给设计、显示模块的选型和设计等。本设计中STC12C5A60S2芯片内有AD转换，所以当一些传感器输入为模拟量时，不需要再外接AD转换芯片，减小了功耗和成本，温湿度传感器DHT11与烟雾传感器MQ-2达到了节点低成本、低功耗的基本要求，当测到的参数超过预定的范围时，外界设备会产生响应，硬件要求在给定的温度、湿度、气体浓度等外部条件下，能够稳定地工作。4

31、软件设计本设计使用的软件有：编程软件keil、仿真软件Proteus、绘制原理图软件Protel 99 SE以及程序烧写软件stc-isp-15xx-v6.85K等。Keil是一款用于单片机的C语言编程软件，在我国八成以上的硬件工程师都使用keil软件进行研发。Proteus是全球知名的仿真软件，其建立了完备的电子设计开发环境，软硬件的交互仿真与测试大大减少后期测试工作量，便利项目管理与团队开发。Protel 99 SE是80年代末推出的EDA软件，虽然已经经过经过了几十年，但在电子行业依然有广泛的应用，用于电路的原理图绘制，以及绘制电路板，是电子设计者的首选软件。stc-isp-15xx-v6.85K是为51系列单片机提供的烧写软件，可以与keil一起使用，进行调试，并且带有串口助手，方便对单片机串口的输入输出进行观察。图4-1为本设计编程流程图。图4-1 编程流程图5 系统测试5.1 系统测试方案 系统功能测试是研发的一个必要的步骤。制定合适的测试方案，可以