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智能家居设计方案

《无线传感器网络技术》

设计方案

题目：

基于ZigBee的智能家居设计

学院：

自动化学院

班级：

15级自动化3班

学号：

1

姓名：

金威

任课老师：

黄成

基于ZigBee的智能家居设计

姓名：

金威学号：

1

摘要

随着物联网技术的发展，智能家居系统在人们的生活中应用越来越广泛。

相对于传统的智能家居系统，基于物联网技术的智能家居系统性能更优越，体现在布线灵活、成本低、可扩展性好等方面。

本设计选用ZigBee技术构建了智能家居无线通信网络，选定星型网络作为智能家居系统的拓扑结构。

其次运用三星公司的S3C2440和WinCE操作系统搭建了嵌入式智能家居网关，并对嵌入式智能家居网关进行了软、硬件设计。

最后将嵌入式智能家居网关、智能手机、传感器节点组建了一个智能家居系统模型，经过一系列实验实现了以下功能：

1.智能家居系统内部组网的实现。

2.用户通过家居网关对智能家居系统进行现场监控。

3.用户通过智能手机对智能家居系统进行远程监控。

第一章传感器网络结构

1.1家居传感网络简介

智能家居传感网络是由分布在居住环境区域内的若干传感器节点组成，这些传感器节点通过无线技术构成自组织网络，其主要功能是感知、采集和处理网络所覆盖家居中感知对象的各种信息，如温度、气体等，并将节点感知的信息传输到智能家居网关，之后通过互联网或GPRS到达PC机或智能手机，并通过管理设备界面显示出来。

从网络的角度来看无线传感器网络也是一个完备的网络体系，由多个节点组成在一起，不同的节点扮演不同的功能实体。

典型的智能家居传感网络通常由无线传感器节点、智能家居网关和管理设备组成，在本文中管理设备是指PC机或智能手机，智能家居传感网络体系结构如图1.1所示。

图1.1智能家居传感网体系结构图

无线传感节点部署完毕后，经过自组织方式构成网络。

无线传感器节点监测的目标信号经本地简单处理后传输到智能家居网关。

用户通过外部网络，比如GPRS或Internet，与智能家居网关进行交互。

智能家居网关也可以向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。

从整个网络功能来分析，传感器节点发挥了路由器和终端节点的双重角色，它主要完成以下功能：

首先完成本地信息采集，其次暂存、处理以及发送其它节点转发来的数据，最后协同其它节点共同完成一些特定的任务。

无线传感器节点主要由传感器、处理器、无线通信模块和电源这四个模块组成。

其中，传感器完成数据的采集和转换，处理器完成整个节点的控制和数据处理，无线通信模块完成无线通信任务，实现信息的交换，电源为传感器节点提供工作电压。

用户通过智能家居网关向网络发送操作命令，对传感器节点进行配置和管理，收集传感器节点采集的信息，然后对信息进行处理和分析，把更为精确的监测结果送到用户手里。

智能家居网关比普通传感器节点的电量更加充足、其数据存储空间比较大，运算速度也相对快速，因此它的数据处理能力、存储能力和通信能力相对较强。

此外，智能家居网关还是无线传感器网络与外部网络之间的桥梁，负责实现不同协议之间的转换。

1.2设计目标

本设计主是一种基于ZigBee技术的智能家居系统，重点工作是对家居网关的软、硬件设计，最后将传感器技术、无线通信技术以及嵌入式技术结合在一起，设计了一套智能家居系统简易模型，通过智能手机登陆智能家居系统，实现对智能家居远程监控的功能。

第二章基于ZigBee的无线组网

智能家居网络的技术基础是组网技术，在进行家居组网时，不但要考虑选取恰当的网络拓扑结构，而且还必须考虑选定合理的组网方式和技术。

鉴于家居内部电器设备密集、传感器数量较少、通信距离较短等特点，因此在本系统中选择ZigBee作为无线组网技术。

ZigBee:

ZigBee一词来源于蜜蜂的传播信息的方式，蜜蜂通过跳ZZ形状的舞蹈向同伴传递发现食物的信息。

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗的无线双向通信技术。

在标准化方面，2000年12月成立了IEEE802.15.4工作组，该工作组致力于研究无线通信技术，ZigBee正是这种技术的代名词。

IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。

ZigBee的工作频段为2.4GHz和868/915MHz，这三个频段的物理层各不相同，所对应的带宽分别为0.6MHz，2MHz和5MHz。

2.4GHz采用的是十六相位正交调制技术，定义了16个信道，868/915MHz都是采用二进制移相键控的直扩序列调制（DSSS）技术，它们之间最主要的区别是工作在不同的频率之上，数据的传输速率也不相同。

ZigBee的实际传输范围一般介于10～100m之间，相邻节点增加发射功率后，传输范围可增加到1～3Km。

作为一种新型的无线通信技术，ZigBee具有非常显著的特征，这些特征也直接影响了其广泛的应用用范围。

第三章智能家居系统总体设计

智能家居系统是安装在家居场所中的通信系统，通过本地监控和远程监控两种方式实现对家居环境的了解，从而实现家居设备管理的智能化。

用户通过PC或手机登录智能家居监控系统，实时查看家居内部信息，真正实现了“人在路上，家再手中”这一目标。

3.1技术要求

目前ZigBee技术广泛的应用在PC外设、消费类电子产品、智能家居控制、医疗技术以及工业自动化等领域，由于ZigBee无线网络是自组织网络，其灵活性较高，因此可将ZigBee技术应用到智能家居系统的内部网络中来，通过对智能家居相关技术和用户需求的分析，结合本论文对智能家居系统模型提出以下设计要求：

1）无线组网，采用ZigBee技术构建智能家居网络，实现了家居网络从有线到无线的转变，并完成对传感器节点的控制。

2）本地监控，在住宅中用户可以通过家居网关对智能家居系统现场监控。

3）远程监控，在远离住宅的任何地方，用户可以通过PC机或智能手机快速接入网络，进而实现对智能家居系统的远程监控。

4）降低功耗，充分利用休眠模式来延长传感器的使用寿命，避免了频繁更换电池的麻烦。

本智能家居系统拟实现的主要功能如下：

1）嵌入式系统代替PC机来构建智能家居网关。

2）构建人机交互界面，方便用户对传感器的控制以及设备状态的查询和修改。

3）在智能家居网关上构架Web服务器，用户通过浏览家居网页即可进行远程实时查看家居环境状况。

4）在实验系统模型中实现了对温度，瓦斯等功能的简单查询。

3.2智能家居体系结构的选择

3.2.1智能家居网络的两种常用结构

家居网络从结构上可以分为两种即集中式结构和分布式结构。

1.中式结构：

该结构以家居网关为核心，家居网关一端通过小区网络（或宽带接入点）接入Internet，另一端则分别通过三个接口与信息网络、控制网络和多媒体网络连接，如图3.1所示。

图3.1中式家居网络结构

可见如果家居网关出现故障将会导致整个系统瘫痪。

2.分布式结构：

该结构以信息网络（通常指TCP/IP计算机网络）为核心，信息网络一端通过家居网关接入小区网络（或宽带接入点），另一端通过子网关连接控制网络和多媒体网络，如图3.2所示。

图3.2分布式家居网络结构

在整个网络结构中，各节点处于同级状态，任意两节点之间都可实现通信，从而形成各节点间的信息共享，此外，某一节点进入或退出网络都不会对其它节点造成影响。

考虑到以后家用电器的添置或移动，要满足即插即用性，因此设计家居网络时常采用分布式结构。

3.2.2分布式家居网络结构简介

分布式家居网络采用分层次的网络体系结构，该结构分为两个网段：

家居主网和家居控制子网。

其中，家居主网通过家居主网关与外部网络相连接，家居控制子网通过子网关与家居主网相连接。

家居主网中的设备可以互相通信，并通过家居主网关访问外部网络。

家居控制子网中的设备通过子网关、家居主网关与外部网络通信。

图3.2为分布式家居网络体系结构。

图3.2分布式家居网络体系结构

在家居网络中家居主网通常包括家居主网关、信息设备、娱乐设备、通信设备、家居控制子网关等设备的网段。

家居控制子网一般包含家居控制子网关、移动控制终端、照明设备、传感器设备等。

家居主网关是家居主网中的一种设备。

家居主网关能够与家居主网中的设备实现互联，为各种加入设备提供外部网络接口，实现对家居主网的配置和管理，同时作为家居服务器被内部设备和外部网络访问。

家居控制子网关是家居控制子网中的一种设备。

家居控制子网关能够与家居控制子网中的设备实现互联，同时为家居控制子网内的各种设备提供与家居主网的接口，为各子网设备提供各种服务，并实现对家居网络控制子网的配置和管理。

3.2.3ZigBee网络拓扑结构的选择

ZigBee网络层（NetworkWizardKde）支持星型、树型和网型网络拓扑结构，如图3.4所示。

图3.4ZigBee网络拓扑结构

由于在本系统模型中用到的传感器节点数目相对较少，因此本系统采用星型拓扑结构。

它是由一个全功能协调器（FFD），若干个终端节点组建成的。

FFD通过串口与家居网关相连，终端节点被布置在环境监测区域，采集到的数据通过无线的方式发送给FFD，由于FFD和家居网关连接，这时网关上显示出当前的环境状况。

3.3智能家居系统整体构架的实现

智能家居系统整体构架的实现将基于ZigBee芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中，从而构建家居无线控制网络。

用户可根据需求的不同选择接入或移除不同功能的终端设备。

在无线网络构建过程中可选择因特网或者3G网络作为数据通信的载体。

网络中的各传感器节点将采集到的信息发送到全功能协调器上，然后协调器通过特定的接口将信息发送给智能家居网关，随后通过开发的人机交互界面进行显示，另外通过PC或智能手机可以实现设备控制与状态查询，系统总体架构图如图3.5所示。

图3.5系统总体架构图

第四章智能家居网关硬件结构

4.1硬件设计结构图

智能家居系统的硬件部分主要由智能家居网关、协调器以及若干传感器节点组成。

智能家居系统的核心就是智能家居网关，因此家居网关的设计直接影响了家居系统网络的建立。

由于智能家居系统受到空间、成本以及实时性等条件的限制，这里选择嵌入式技术来设计智能家居网关，来提高资源的利用率。

智能家居网关硬件设计结构如图4.1所示，智能家居网关的硬件架构是以嵌入式处理器为主芯片，配置电源及复位电路、ZigBee无线通信模块、有线网络接口、无线网络模块、输入输出设备、串口等必要的外围设备，为软件运行提供通信接口和平台。

智能家居网关的每一个模块都发挥不同的作用，其中家居网关的运行离不开电源的支撑；ZigBee无线网络组成了家居内部网络，负责采集家居内部环境信息；GPRS模块实现智能家居的远程监控；LCD用于显示用户管理界面，协调器通过RS232串口与网关主控制器相连。

图4.1硬件设计结构

4.1.3ZigBee处理器CC2530

CC2530芯片使用的是一个单周期的8051兼容内核，它有三个不同的存储器访问总线SFR、DATA和CODE/XDATA，以单周期访问SFR、DATA和主SRAM。

ZigBee新一代SOC芯片CC2530支持IEEE802.15.4标准应用。

目前大多数ZigBee无线通信网络都使用CC2530芯片，该芯片内部集成了RF收发器模块，实现信息的无线传递。

本文中的所有传感器节点内部都集成了CC2530芯，因此这些传感器节点既可以作协调器也可以作为终端节点来使用，增加了系统设计的灵活性。

CC2530内存容量足够大，允许芯片无线下载，满足设计者开发先进的应用程序的要求。

CC2530芯片应用电路图如图4.2所示。

图4.2cc2530芯片应用电路图

4.2.2以太网硬件设计

本文在设计中增加了智能家居的远程监控功能，远程监控功能可以有两种方法来实现，一种是有线联网技术，另一种是无线联网技术。

有线联网一般使用接入有线宽带，来达到远程监控的目的，因此在家居网关中必须要增加有线网络接口，在本设计中加入以太网接口模块（以太网芯片DM9000）来实现有线网络的接入。

4.2.3GPRS入电路

GPRS（GeneralPackerRadioService）通用无线分组业务，是在GSM系统的无线分组交换技术基础上发展起来的一项高速数据处理科技。

它采用了分组交换技术，可以实现端到端的无线数据通信。

与GSM系统的数据通信方式相比，采用了4种编码方式，传输速率更高可达到最高理论速率171.2Kbps。

它还可以保证始终处于在线状态，即在无需数据通信的状态下仍保持与网络的联接。

此外，GPRS的核心网络层采用了IP技术，可以实现与现有网络的无缝接入。

在本设计中采用Q24PLUS四频段通信模块，该模块内嵌了市场上最小的可编程无线CPU。

不但支持FR/EFR/AMR多种语音编码方式，而且还支持TEXT和PDU模式的短信以及内嵌TCP/IP的数据通信。

4.2.4协调器及接口电路设计

协调器是ZigBee组网的关键，它由一个功能健全的传感器节点来充当FFD，功能相对精简的传感器节点可以充当终端设备。

协调器要完成的任务有很多，不仅要负责网络的组建，还要接收和处理终端节点采集来的数据，与家居网关进行串口通信，还要根据用户的操作指令向终端节点发送采集数据的参数等。

协调器的主控制器同样也是选用CC2530芯片。

本文的串口电路选用MAX3232芯片，完成RS-232串口数据的电平转换，与家居网关连接后，完成数据采集的传输。

第五章智能家居系统的软件设计

智能家居系统的软件设计主要包括智能家居网关的软件设计、ZigBee无线网络的软件设计以及各传感器节点的软件设计。

5.1智能家居网关的软件设计

5.1.1智能家居网关软件结构

智能家居网关主要实现以下功能：

完成家居内部各传感器节点的通信，并对各节点进行控制；实现内部网络与外部网络的信息交互，面对较多的通信任务与网络互联，需要选择恰当的嵌入式操作系统来调试和运行，从而提高系统总体工作效率。

本文选择WinCE操作系统，完成嵌入式家居网关，智能家居网关的软件结构如图5.1所示。

图5.1智能家居网关软件结构

智家能居网关主要完成以下任务：

组建网络、数据采集、外部网络接入。

家居网关若要与家居内部其它设备节点进行ZigBee通信，它需要调用应用层通信原语来实现。

当用户想要远程获得内部网络的信息时，就可以通过智能手机或PC机登录家居网关的WEB服务器进行相应的查询。

协调器是全功能设备，是网络的核心，它不仅建立了网络，而且还给其它传感器节点分配网络地址。

如果没有协调器整个网络就无法运行，协调器的硬件结构比较的简单，其软件设计相对比较复杂。

协调器初始化后就开始组建网络，组建网络成功后就处于等待数据查询状态，若触发数据查询事件，查找与该事件对应的传感器节点，查询到网络节点后发送查询命令，然后接收传感器节点的信息，主控制器若想获得某传感节点的信息，就通过此协调器获得对应节点的信息并在显示屏上显示该信息。

协调器的软件流程如图5.2所示

图5.2协调器软件流程图

5.2.3ZigBee终端节点软件设计

ZigBee终端节点程序按照各个节点实现的功能进行设计，比如温度传感器终端节点，当收到家居网关的命令后，接下来就要对接收到的信息进行分析与判断，若为温度采集信息则调用相应的温度采集程序进行温度采集，然后将温度传感器采集来的信息进行数据打包后发送给协调器，然后由协调器发送给家居网关。

ZigBee终端节点程序流程图见图5.3。

图5.3终端节点程序流程图

第六章总结

本设计集物联网技术、ZigBee技术、嵌入式技术为一体，设计了一套智能家居系统，构建了智能家居系统模型，确定家居内部网络的拓扑结构，完成了家居网关的整体设计。

重点对嵌入式家居网关的软硬件设计作了简要说明，包括对智能网关各模块作了简单选型。

同时以ZigBee无线通信系统为基础，对协调器和传感器终端设备作了软硬件的简单说明。