家居智能安防系统设计Word文档格式.docx

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智能家居系统的老人看护系统与机构养老服务相比，具有方便，现代化，智能，更加快速等优点。

适应我国老年人的生活习惯和心理特征。

受中华民族传统的家庭伦理观念影响，我国大多数老年人不愿离开自己的家庭和社区，到一个新的环境去养老。

智能家居安防系统采取让老年人在自己家里和社区接受生活照料的服务形式，适应了老年人的生活习惯，满足了老年人的心理需求，有助于他们安度晚年。

1.2智能家居安防系统的国内外发展现状

1.2.1国外的发展现状

自从世界上真正意义上的第一幢智能建筑于1984年在美国诞生以后，紧接着美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚的一些比较发达的国家都陆续推出了各式各样的家居安防的方案，并且在很多国家和地区都有比较普遍的应用。

美国家居安防行业的一家名为PARKS的专业咨询机构，在对其本国的情况做了大量的统计之后，其数据给我们提供了这样一些具体信息：

上世纪九十年代中期，该国的一个普通用户如果安装一套家庭式的智能化系统，其整体的成本大约在七千至九千美元之间，但最近几年其成本费用已经大大地降低，并且在今后的四到五年内，家庭智能化行业的市场增长率，平均每年将可达到百分之八左右。

由于家居安防的良好前景和巨大市场，国外的多家大中型公司都已经开始着手相关的准备工作，以便在抢占家居安防市场的时候能够领先。

在如今这样一个互联网经济日益繁荣的时代，小区和家庭智能化的安防建设已经受到越来越多的重视，国外有很多家企业已经在该行业里站得一席之地，比如微软公司投资了一家Itran公司，该公司是专门做家居安防和家庭智能化方面的研发。

IBM公司则选择与建筑开发商合作，为用户提供带有安防系统的智能化住宅解决方案，为众多小区和家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务。

现在，国外的家居安防行业已经处在一个飞速发展的时期。

1.2.2国内的发展现状

通过多年的大力概念推广、普及和发展，智能家居在国内已经逐步为人们所认可并且接受。

从上世纪的九八年智能家居这一新的概念在国内被推出开始，同时也经过媒体的大力宣传和热炒，大家已经对其有了一定程度的认识，但一直没有相关的真正适合国内市场的产品，所以其实际的应用并没有得到有效的推广和普及，出乎意料的是作为智能家居的核心组成部分的家居安防以及小区安防倒是得到了快速的发展，并且是通过在智能防范小区中嵌入智能防范家居的技术表现形式，而受到国内市场的普遍青睐，并且其在市场上也表现出相当的市场竞争力。

目前，家居安防系统已经成为民居设施建设中的一项极其受欢迎的产品，它也越来越多地被应用于各种各样的家庭和小区了。

而且，这些安防系统的使用让人们真正地体验到生活在时代最前端的快乐与便捷。

1.2.3家居安防的发展趋势

家居安防行业在近两年已经得到了飞速的发展，越来越多的智能住宅和智能小区等都是在这种形势下形成的。

现在家居安防系统开始得到了众多开发商和消费者的青睐，而可接入因特网的基于嵌入式技术和无线传感网络的家居安防系统已经成为未来的家居安防系统发展的一大趋势，因为它不仅提供统一的标准化接口以及基于无线的网络连接机制，而且还可以实现专门应用于嵌入式设备的网络协议，这样系统就不必再依赖于传统的PC机，从而使得家居安防行业进入了嵌入式时代。

到目前为止，已经陆续出现了各种不同的用于家庭设备互连的无线通信协议标准，这些标准促使家居安防行业控制系统朝着网络无线化的方向发展，并且其接口也朝着国际统一的标准化方向发展，通过无线的方式实现设备的相互连接，不仅给人们的生活带来了更多的方便，也让系统具备了良好的移动性能，而遵循国际统一标准的的无线通信接口，也使得众多厂家的产品能够相互兼容；

现在各种不同的无线通信技术正迅猛发展，从先前的广域网到后来的基于IEEE802.11系列的无线局域网、基于蓝牙的无线个域网、再到后来的基于ZigBee的低速无线个域网等，这些新型无线通信技术的陆续出现，也给家居安防系统的设计带来了一种有别于传统家居安防系统设计的新理念，将家庭内部的家用电器、各种传感器以及各式各样的数字设备进行无线方式的互联，将会在不远的将来成为活生生的现实；

而嵌入式技术的出现，使得未来家居安防的发展彻底摆脱了对传统PC机的依赖，生产厂家将能够以更低的成本来开发家居安防系统的主控系统部分，并且其各种设备和主控系统都能够在功耗极低的状态下运行，这使得整个系统的运行成本得到有效的降低。

无线家居安防控制系统也能够让以前的有线系统得到大幅度的拓展，让整个系统的设计更加具有灵活性，让人们能够生活在真正无线的方便且舒适的家庭环境中。

基于上述各种原因，本课题采用ZigBee技术实现家庭内部网络拓扑的无线家居安防系统的设计方案，该方案不仅克服了传统家庭网络采用有线的方式进行布线组网的困难，而且系统安装简单，性能稳定可靠，维护方便。

1.3设计的主要内容

本论文通过对当前智能家居安防中的控制技术和网络互联技术的发展进行了深入地研究和分析，并对比了当前发展较快的各种短距离无线通信技术的标准及其性能特点，在深入分析了Zigbee技术之后，提出了一个能够让室内生活环境更为便利的基于短距离无线通信技术的家居安防控制网络方案，然后结合无线传感器网络和嵌入式技术各自的优点，实现了一个让用户能够通过远程终端对自己家庭状况实施远程监控的智能化的家居安防系统。

第2章智能家居系统总体设计方案

家居安防系统可以看作为一个由各种传感器和设备实现互连的控制网络，互连是实现数据通信的基础，控制是家庭智能化的关键所在，所以先从两个方面对传统家居安防系统的特点和不足进行了阐述，然后对与本设计方案相关的网络通信和控制等技术进行了比较和分析，最后提出了系统的整体设计方案。

2.1传统家居安防系统的缺点

传统的家居安防系统的控制网络都是基于有线的方式实现互联的，如CAN总线、CEBus、LonWorks、X-10、以太网等。

在这些技术中，X-10与其它技术相比，其应用最为广泛，因为其成本低廉并且部分用户可自行安装；

CEBus技术虽然各方面的性能都比X-10好，但因其价格昂贵而使得其应用受到限制；

而LonWorks主要用于工商业界，而且还需要专门的技术人员进行安装。

CANBus用于自动化工业控制，技术发展比较成熟。

以太网虽然是一种数据传输速率较高的网络标准，但其在一般家庭的应用中，也因为需要电缆布线而受到限制。

到目前为止，虽然已经有些发展比较不错的技术，在行业内也具备了一定的标准型和通用性，但都还有些共同的缺点：

（1）采用有线的方式组网会带来显而易见的麻烦：

布线繁琐，撤销和添加设备会导致线路的重新布置，这会影响室内环境的美观度；

扩展系统的性能也会比较麻烦，系统的安装和维护成本也较高，且不方便移动。

（2）室内设备的信息传输和控制不具有国际统一的接口标准

（3）家庭内部设备间的通信的编码方式也不尽相同

目前的一些家居安防系统的监控需要依赖于传统的PC机，这样的话，PC机就要一天24小时连续不停的工作，才能实现室内的正常监控，这将导致系统的升级和维护都变得很困难，并且系统的运行成本也会很高。

2.2系统设计需要考虑的因素

对于系统的设计，应当从技术发展的角度来考查系统方案设计的基本原则。

与家庭数据通信网络的目标不一样，家居安防系统的网络中的数据传输和控制，仅仅只是需要以成本和速率都较低的方式来实现。

虽然传输音视频等数据需采用高速的通信接口来实现，可家居安防系统的网络采用这样的通信技术会导致资源的浪费，所以是不必要的。

以实际应用为目的的网络系统只需要成本低廉且安装和使用方便的网络。

在实现家居安防系统的网络时，则应该遵循下面几条原则：

（1）低成本：

家庭安防系统的控制网络中的控制目标一般是布置在室内的众多传感器终端节点，因为节点数目较多，所以需要采用成本较低的节点来实现组网。

（2）标准化：

各个协调器节点、终端节点等之间会进行通信，所以标准化也是比较重要。

（3）自组织：

不能依赖用户对系统做相关的繁琐配置和管理，这就需要网络中各个节点之间的自组织和彼此的协调。

（4）可扩展性：

系统不用做任何的改动，就能实现系统的升级和功能的扩展。

（5）嵌入式应用：

系统采用嵌入式的方式，是指网络节点通过嵌入式设备，而不是PC机，来实现与因特网的信息交互，或者通过移动通信设备的方法，如GPRS等，接入GSM网络实现远程交互。

这样可以让系统摆脱对PC机的依赖而导致的耗电量大的毛病，可以有效地节约系统的运行成本。

2.3几种常用的短距离无线通信技术及其比较

目前，已经出现了许多种适用于不同场合的短距离无线通信技术，在这里，将一些适用于本设计的相关通信技术的性能特点进行一番简单的比较，以便挑选出最符合本系统功能需求的无线通信技术。

2.3.1红外技术

上世纪九十年代初，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会，统一了红外通信标准，即红外技术，该技术一般是在850nm光波段上实现数据的传输的，值得注意的是，在传输红外信号数据的时候，发送方和接收方之间一定要是没有任何障碍物的直线型的通信信道，但就算是它们之间没有任何障碍物的情况下，彼此间的有效通信距离最大一般也不会超过十米，并且通信的有效方向角度必须小于三十度。

但红外技术还是具有较高的数据传输速率的，从最开始的4Mbps，到现在已经能达到16Mbps。

现在由于微软的多种操作系统均支持红外通信功能，特别是个人电脑对其的支持，已经使得红外通信逐渐趋向于网络发展了。

红外技术的工作原理很简单、功耗也比较小且成本低廉，但是因其传输的有效距离非常短、在点对点的传输方向上其偏离的角度不能太大，所以它在很多的无线应用领域里受到了很多的限制。

2.3.2家庭无线电射频技术

家庭无线电射频无线通信协议标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等大型IT企业于上世纪末发起组建的HomeRF工作组专门负责研发的，起初研发该技术标准的目的在于为家庭设备间的无线互联提供一种组建网络方便、容易使用，且成本低廉的通用性标准，它结合了IEEE802.11与数字增强无绳电话技术等无线通信技术的部分优点，可以有效地降低话音和数据的传输成本，能够提供1～2Mbps的数据传输带宽，现在的HomeRF2.x标准的最高数据传输带宽已经达到10Mbps，该技术工作频率为2.4GHz的ISM频率段，其主要的应用领域是家庭内部的无线网络组建。

该无线通信技术标准刚推出的时候，便受到了广泛的关注，并且占有很高的市场份额。

本世纪初，HomeRF的市场占有率曾一度达到百分之四十五，在家庭无线网络互联的市场中占据绝对的优势地位。

但是，因为HomeRF技术标准并未公开，只有数十家公司对其支持，而且其抗干扰的能力等方面与其它技术标准相比要逊色不少，同时其后续的研发以及技术升级等方面的进度非常缓慢，在与其它的技术标准协议的市场竞争中节节败退，逐渐失去了其技术的优势地位，在不久的将来有可能被无线通信技术的市场所淘汰。

2.3.3蓝牙技术

1998年5月，瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国IBM和Intel公司5家著名厂商，在联合拓展短距离无线通信技术的标准化活动时，提出了蓝牙技术。

随后，一些大型的的IT企业微软、摩托罗拉、3COM、朗讯与蓝牙特别兴趣小组5家机构联合发起并专门组建了一个旨在推广蓝牙技术的组织，其在世界无线通信领域掀起了一股新的热潮。

蓝牙技术是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在移动电话、无线耳机、笔记本电脑及相关外设等众多设备之间进行无线信息的交互。

利用该技术，能够有效地简化设备与设备之间以及设备与网络之间的通信。

其同样工作在2.4GHz的ISM频段上，使用1600次/秒的扩频调频技术，输出功率分为3种，即1mw、10mw和100mw，通信距离大约在十到一百米之间，数据传输速率从最开始的720kbps发展到现在的3Mbps；

此外，其在传输数据信息的同时，还可以外加一路语音信号。

2.3.4超宽带无线通信技术

超宽带无线通信技术可以说是一种新型的无线通信技术，从信号带宽的角度来看，UWB信号是指“功率在-10dB处的相对带宽大于百分之二十五或射频的绝对带宽大于1.5GHz”的信号。

UWB技术一般工作在3.1～10.6GHz的频段范围内，工作带宽极宽，将近7.5GHz，超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰；

数据传输速率也非常高，接近1Gbps，其有效的通信距离约十米左右，在工作带宽以内，具有极低的输出功率，其功率谱密度一般低于-41dbm。

由于该技术具有较宽的信号带宽，较高的数据传输速率，而且消耗电能小、保密性好、抗干扰性能强等优点，因此而受到了行业各界的普遍关注。

现在，关于该技术的标准问题各界还有一些不同的意见，主要是因为这一技术具有两种不同的用于发射的信号调制方式，一个是单脉冲直接序列调制发射方式，另一个是多载波调制发射方式，其实这两种用于信号发射的调制方式，都各有各的优点，也各有各的缺点，所以最终这两种不同的调制方式可能会长期并存。

除此之外，基于超宽带单脉冲直接序列调制技术的低速率数据传输技术正逐渐为人们所关注。

2.3.5ZigBee技术

ZigBee技术作为一种新型的短距离无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据传输速率以及低成本，主要适用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备中。

该技术具有统一的标准，它可以说是IEEE802.15.4的代名词，因为ZigBee协议的PHY层和MAC层协议直接引用了IEEE802.15.4，而网络层则由ZigBee技术联盟制定，至于应用层，则是根据用户本身的具体应用需求，对其进行相应的开发，因此该技术实际上为我们提供了更加灵活的组网方式。

依据IEEE802.15.4标准协议的规定，ZigBee技术标准工作在3个相距较大的不同频段内，不同频段上的信道数目也不仅相同，所以，该项技术标准中各个频段所采用的调制方式和传输速率有所差别。

这三个频段分别为868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段有16个通信信道，数据的传输速率为250kbps，是全球免费且通用的ISM频段；

另外两个频段即915/868MHz，其分别有10个和1个通信信道，数据的传输速率分别为40kbps和20kbps。

该技术采用了免冲突多载波信道接入方式，可以有效地避免无线电载波间的冲突，同时，建立了完善的应答通信机制，以确保数据能够更可靠的传输。

基于ZigBee技术的设备可组建星型或者点对点对等网络，因为其具有较长的地址码，所以网络中可以连接数目众多的节点设备。

基于该技术的设备，其发射功率一般为0～3.6dBm，有效通信距离在三十到七十米之间，且具有能量检测和链路质量指示的功能，设备可以利用这些功能来获取相应的信息，并根据这些具体的信息来对本设备的发射功率进行自动的调整，在确保通信链路质量的前提下，能够将节点的能量消耗降到最低的限度。

2.4系统总设计方案

家居安防系统主要由家庭内部的控制网络和主控系统两部分组成，并且基于上述对各方面相关技术的分析和比较所得出的结论，我们设计了结构如图2.1所示的系统方案：

图2.1系统的结构框图

此方案采用了基于ZigBee的短距离无线通信技术，来实现家庭内部的网络组建，网络终端节点通过连接各种传感器的方式实现对室内环境信息的采集，然后将采集到的数据通过ZigBee协议与主控系统也即协调器节点进行数据的传输、处理和存储。

而主控系统同时又作为该网络的协调器节点，则通过程序的设计在特定的信道上建立PAN网络，并把从终端节点接收到的数据处理后，再通过GPRS模块发送给家庭主人。

而在主控系统内部建立Web服务器功能，可以让用户通过远程PC机的浏览器发送具体的请求以查看居室内部的具体状况，并进行相应的控制。

该方案不仅成本低、功耗低和标准统一，而且克服了传统的家居安防系统的不足。

2.5家庭网络的拓扑结构

在ZigBee协议里定义了三种网络拓扑结构，分别为星型网络、点对点网络和簇树网络，其中簇树网络可归为点对点网络。

网络结构如图2.2所示：

图2.2三种典型的拓扑结构

在星型结构的网络中，其协调器节点的能量供应必须具有不间断性，而终端节点则可以采用普通的电池对其提供能量。

此种网络结构适合在比较小的范围内组建。

而对于点对点的网络结构，只要双方的距离小于节点设备的最大通信距离，同时通信的基本条件得到满足，则双方就可以实现彼此间的通信。

点对点网络中也有协调器节点，它主要用于管理链路状态信息，认证设备身份等。

此种网络与星型网络相比，结构要更加复杂，在节点分布范围较广的场合一般采用这种结构。

在星型网络结构中，协调器作为中心节点，它可以和其它任何一个终端节点通信，但终端节点之间不能进行通信，所以要构成星型网络，首先要确立协调器节点。

任意一个全功能设备即FFD设备都可以成为协调器节点，在一个星型的网络中，具体确定哪一个节点作为协调器节点是由上层的应用程序来设定的。

一般的形成机制是：

当一个全功能设备节点在第一次被激活之后，会通过广播查询的方式来查询协调器节点的请求信息，当接收到的信息显示网络中现在已经有协调器节点了，那么该设备节点就必须接受已经存在的协调器节点的认证，一旦认证成功，则该节点就加入该网络并成为网络中的一般节点即精简功能设备节点。

当首次激活后并未接收到任何的回复信息时，亦或是认证失败时，该节点就会自动将自身作为网络的协调器节点，并进行以自身为中心节点的网络组建。

协调器节点确立之后，其将为本星型网络确定一个唯一的网络标识符，在该星型网络中的所有节点都会用这一标识符来确定自己是否属于该网络。

在确定了网络标识符之后，协调器节点就会准许其他节点加入到自己的网络里来，并负责为加入进网络的节点转发相应的数据。

前面说到，终端节点与终端节点之间不能进行通信，实际是指不能直接进行通信，但可以通过协调器节点进行中转，以实现彼此间的间接通信。

根据以上对网络拓扑结构的研究和分析，本系统选择采用星型的网络结构，因为该结构的具体实现方法，要比其它结构的方法简单。

从实际应用的角度来看，由于家居安防系统的家庭控制网络所覆盖的范围很小，因此，采用星型的网络结构，就完全可以达到家庭无线网络的功能需求。

第3章ZigBee网络节点与通信程序的设计

基于ZigBee技术的家庭无线网络节点，即ZigBee网络节点，分为协调器节点和终端节点两类，其中终端节点通过连接各种各样的传感器，并将其安置在居屋内的相应的重要位置，以此来探测居屋内环境的相关信息，一旦发生异常状况，终端节点便把通过传感器采集到具体的信息数据，以无线传输的方式发送给协调器节点；

协调器节点，可以将自身作为中心节点，建立自己的传感器网络，并为终端节点分配相应的网络地址等，同时根据具体的情况，对接收到的由终端节点设备发送过来的数据信息做相应的处理。

3.1ZigBee网络节点的结构

基于ZigBee的家居无线网络的设计，其关键在于网络节点的设计。

作为家居无线网络的基本组成单元，它的主要功能包括了对家庭环境信息的数据采集、以及对采集到数据的处理和发送等。

网络节点设计的好坏直接关系到家庭无线网络的整体性能。

ZigBee网络节点主要由传感器、信息处理单元、射频收发单元和电源组成。

传感器的作用是采集家庭环境的相关数据信息，之后将采集到的数据信息传送给信息处理单元；

信息处理单元用于管理本节点的其它功能模块，以保证各模块之间能够相互协调的工作，此外，它还会根据具体的情况对传感器传递过来的数据信息做相应的处理和保存；

射频收发单元则主要用于发送和接收数据处理单元处理之后的数据信息。

终端节点的结构框图如图3.1所示。

图3.1终端节点的结构框图

3.2ZigBee网络节点的硬件设计

3.2.1硬件的选型

具体选择何种硬件来建立家居无线网络节点的硬件平台，是节点设计的首要工作，因为这直接关系到后面整个系统的开发能否顺利进行。

（1）无线收发模块的选择

基于ZigBee/IEEE802.15.4协议物理层的规定，网络节点的发射功率为0～3.6dbm，节点间能够通信的最大距离，因节点类型的不同从三十到六十米不等，并且可以通过检测信号的能量和网络通信链路的质量，来对节点的发射功率进行相应的配置。

这样既可以保障网络通信链路的质量，又可以最大程度地降低节点的功耗。

基于以上因素的考虑，本系统的无线收发模块选择了CC2420芯片，该芯片是由已被德州仪器公司收购的Chipcon公司研发出的符合IEEE802.15.4协议的射频芯片。

该芯片不仅工作性能稳定可靠，更值得一提的是其能耗非常低，其各方面的性能指标均符合甚至优于IEEE802.15.4协议所定义的性能指标。

该芯片不仅支持载波侦听多点接入/冲突检测，还集成有接受信号强度指示的模块，该模块可用于节点间的距离测量，此外包含有电源管理和信道变换等功能。

（2）信息处理模块的选择

在家庭无线网络的节点中，信息处理模块，即微处理器，是网络节点的核心部分，该模块不仅要控制和协调传感器和射频收发模块间的工作，还要根据具体的需求对其通过传感器所采集的环境数据做相应的处理和保存。

由于协调器节点和终端节点具体功能需求差别很大，所以本系统决定选用不同的微处理器来分别作为协调器节点和终端节点的信息处理单元。

对于协调器节点，由于本系统是在主控系统上扩展的协调器节点的功能，所以采用了应用范围极其广泛的ARM处理器。

因为该类型的处理器不仅成本低，而且具备高性能、低功耗的特点。

现在，ARM处理器几乎遍及工控、无线通信、网络应用等领域。

而且，由于ARM优良的低功耗特性，使得ARM在应用于嵌入式系统的微处理器市场中占据了绝对的优势地位。

ARM7系列的微处理器，当核电压为3.3V时，功耗只有1.1mW/MHz。

本设计选用的ARM处理器是以三星公司生产的以ARM920T为内核的S3C2440芯片。