智能家居网络系统的设计与实现毕业论文.docx
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智能家居网络系统的设计与实现毕业论文
本科毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
智能家居网络系统的设计与实现
智能家居网络系统的设计与实现
摘要
随着时间的流逝,时代的变迁,物联网的发展和人们对智能、舒适的生活环境提出了比之前更高的要求。
从最开始的解决温饱问题,到先富带动后富,再到每个人都进入小康社会,人们不再仅仅满足于温饱,而开始向往美好的物质生活,也就造就了智能系统的兴起。
智能系统在这个时代可以说是一个新兴的产业,是每个国家重点近年来重点发展的产业之一。
人们对住宅的观念有了一定的变化,智能家居已经在逐步的进入人们的生活。
智能家居系统采用通信网络等技术,为人们提供更方便舒适的生活。
本文设计了基于ZigBee的智能家居网络系统,本次设计包括室内的光线,窗帘的控制,煤气阀值浓度的检测。
文中介绍了智能家居的背景,ZigBee技术,硬件设计方案,介绍了软件设计,通过界面控制电灯和窗帘的开关,以及煤气浓度达到一定阀值时进行预警和报警。
关键词:
智能家居,Zigbee,界面控制
Designandimplementationofintelligenthomenetworksystem
Abstract
Withthepassageoftime,thechangesofthetimes,thedevelopmentoftheInternetofThingsandpeopleputforwardhigherrequirementsfortheintelligentandcomfortablelivingenvironmentthanbefore.Thiscreatedtheriseofthesmartsystem.Intelligentsystemscanbesaidtobeanemergingindustryinthisera,anditisoneofthekeyindustriesthateachcountryhasfocusedoninrecentyears.Peoplehaveacertainchangeintheconceptofhousing,andsmarthomesaregraduallyenteringpeople'slives.SmartroomsystemhasdesignedasmarthomenetworksystembasedonZigBee,providingmoreconvenientandcomfortablelifeusingtechnologiessuchascommunicationnetworks.Thisdesignincludesindoorlight,curtaincontrol,andgasthresholdconcentrationdetection.Thebackgroundofsmartroom,ZigBeetechnologyandhardwaredesignareintroduced,andtheinterfaceiscontrolledbytheport,anddesign,controlstheswitchofelectriclightsandcurtainsthroughtheinterface,andprovidesearlywarningandalarmwhenthegasconcentrationreachesacertainthreshold.
Keywords:
Smarthome,ZigBee,interfacecontrol
第1章前言
人们的物质生活在慢慢的变好,为智能家居的普及打下了一定的基础,可以让每天不辞辛劳上完班回到家中的人们能够享受到舒适,简单的待遇,缓解人们的疲劳。
在智能家居设计规划方案中,其目的是让人们享受生活,将华为手机、海尔、欧普照明小灯泡这些设备作为一个整体进行管理规划。
最终的目的是让人们能够拥有一个自己觉得喜欢让家人感到舒适,方便并且安全的生活环境。
研究和设计智能家居系统可以大大改善人们的生活水平,让人们能高效率地安排自己的时间,提高家庭生活舒适性。
1.1设计的目的和意义
研究目的:
随着时代的快速更替,计算机技术越来越成熟,人们开始着眼于高物质生活,不再止步于温饱,而在于享受。
对于自己住宅也有一定的智能需求。
首先,每个智能家居系统都会在每个住宅处建立一个通讯网络,这便可有了一个通路,在操作系统的检测,控制下,通过无线设备等,实现对家庭中的一些家电进行控制等。
智能家居网络系统的设计是为了能更好的满足人们对方便,舒适,安全的需求。
研究意义:
促进智能家居的发展,使得家居越来越多样化,研发出各种不同的智能化家居产品,能够让设备按照我们所想的为我们服务,能让我们更加的便捷。
系统使用无线自动组网,可短距离无线传输。
性价比高,移动灵活,成本低,低碳生活。
1.2国内外现状和发展趋势
国外:
1984年,世界第一栋智能建筑出现在美国,当时许多的经济发达国家争先恐后的提出了有关智能家居的方案[6]。
国内:
领前的是在国内的一些高端的市场,比如别墅,智能小区,目前增长很快的则是智慧酒店和智能办公,前者是能够让人们享受优质的服务,后者是便捷控制、节能。
开发最慢的则是普通住宅,虽说市场很大,但是价格过高。
趋势:
智能家居还有好几年的时间要慢慢度过。
通过传输网络,将信息服务进行统合表现出了其智能方面。
21世纪,在高度物质文明乡下,绿色环境,低碳生活已经成为主导,生活信息化,完全,舒适,便捷是居家必不可少的象征。
每户人家都具有智能居家网络系统是必然的趋势。
第2章ZigBee技术
2.1ZigBee概念
ZigBee技术是运用在100米左右的范围,输入,输出功率差额较低,平民化的双向无线通信。
用于2个设备的数据传输[1]。
ZigBee兼容的新产品正在不断地推出,在这一领域显示出了极大的生命力。
ZigBee还有一种叫法,称其为紫蜂,它的优点有,功耗低,成本低,支持大量网上节点、支持多种网上拓扑等。
主要运用于自动控制领域,嵌入各种设备。
ZigBee协议由5个部分组成(APL,ACL,NWK,MAC和PHY)[2]。
网络间设备由于功耗低,必须发挥各自的功能,有效地协同工作。
2.2ZigBee特点
ZigBee的特点:
(1)数据传输速率低,只有20~250KB/s(2.4GHz),40KB/s(915VHZ),20KB/s(868MHZ),少量数据传输而传输功率仅为1mw,支持睡眠模式,因此,Intranet在无线传感器网络系列中,数据量节点相对较小,ZigBee传输速率完全可以满足控制平台之间的内部网络数据通信。
(2)成本低:
ZigBee协议栈设计简单,因此研发和生产成本低。
ZigBee协议是免版税的,允许开发人员下载免费的开放式酸。
(3)短延迟:
从休眠到正常这个过程非常的快[21]。
每一个设备的连入、退出不到半秒,可以说一个眨眼的功夫不到便完成了一个命令。
所以,ZigBee技术非常适合用控制住宅中的设备。
(4)安全性:
有三级安全模式,没有安全设置级别,USES访问控制列表(ACL),以防止非法访问数据级别,并提供CRC包完整性验证功能。
通过支持身份验证和身份验证,确定其安全属性。
在数据的传输、传入时,我们就不用去担心被他人劫走[3]。
2.3ZigBee协议
ZigBee协议栈由4个子层组成[4],当每层之间需要进行通信的时候,就需要通过服务访问点(SAP)。
就像我们学生在进入学校时需要学生证才能进入学校一样。
SAP犹如一个通道,从下而上,是上下层访问的接口[5]。
它支出各式各样的原语,这样便能够在需要的时候实现一定的功能。
ZigBee协议栈有两个接口。
数据实体接口:
向上层提供数据服务。
管理实体接口顾名思义,就是管理访问[7]。
如图2-1是协议栈的体系结构图,无线收发器,接口组成物理层,通过无线信道实现数据传输。
节点之间的传输链路是由控制子层提供的。
能够实现数据共享以及提高节点通信的有效性。
基于MAC层,网络层使得数据传输更加可靠,还能实现路由寻址等功能。
物理层,链路层,网络层等等每一层的协议结构,内容,功能都是不相同的,那么下面将给各位描述它们的不同。
图2-1协议体系结构
2.3.1PHY
1.PHY的结构:
ZigBee服务如下图所示,上层PHY提供PD-SAP和PLME-SAP两个接口[17],在无线信号的直接管理下进行发送和接收。
图2-2PHY结构
2.PHY调制频率:
因为国家的不同,导致ZigBee的频率也不同,可分为2.4GHz和868/915MHz两种频率,频率有2种,那物理层的标准也就有了2个,2.4GHzPHY和868/915MHzPHY[18]。
2个都采用一样的数据格式,但是速率方面有着些许差异[19]。
3.PHY的功能:
PHY的数据通信是通过无线信道来传送的,没有信道就传输不了数据。
其功能是[20]:
检测信道的条件和选择来确定出工作的频率和其他功能,在闭合时转换发送和接收状态,对接受分组进行分析,将结果呈现给MAC层。
2.3.2MAC层
1.MAC层的结构模型:
MAC层的作用:
为SSC(服务协议聚合层)和物理层的相连提供一个接口[9]。
具有管理MAC层实体的MLME-SAP,它不仅能够提供调用MAC的管理功能的服务接口。
而且还可以维护受管对象数据库。
具体描述如下图所示。
图2-4MAC层结构
2.MAC层框架结构、分类:
MAC层可以划分为2个子层,一个是LLC逻辑链路控制(辑链路控制层),另一个是MAC(MAC媒体访问控制层)[22]。
LLC是传输可靠性的保证和控制。
而MAC负责的是分解,封装收到的的MPDU包。
MAC协议功能:
设备间建立等[23]。
四个帧的功能:
信标帧:
协调器会周期性的发送一个信标,来表明开始[21]。
数据帧:
一个目的地址子域或者是一个源地址子域组成一个数据帧[10]。
确认帧:
帧控制字段、序列号和校验码组成一个确认帧[24]。
命令帧:
用于网络建设。
3.MAC层功能:
(1)生成并发送信标帧;
(2)将设备与信标同步。
2.3.3网络层
1.NWK结构:
NWK通过向它的下层MAC层提供服务来达到它的命令,发挥其作用,并且旨在建立、维护NWK以及提供服务给它的上层应用层[24]。
该层提供网络数据实体和网络层管理实体两个功能[24],如图2-6所示。
MAC层通过NLDE-SAP接口给数据实体提供的数据[11]。
通过NLME-SAP接口给管理实体提供管理[21]。
图2-6NWK结构
2.NWK框架:
ZigBee可以采用3种拓扑结构,也可以实现三者的结合。
其功能是提供必要接口,保证MAC层正常运行,为APL提供接口[25]。
NWK有两种帧格式:
通用帧(由帧头和帧负荷组成)、独立帧。
3.NWK功能:
(1)配置一个新的设备,可配置为协调器或假如已有网络;
(2)发现和维护设备间的路线。
2.3.4APL
1.APL结构:
APL由三部分组成APS(应用程序支持子层)、ZDO(设备对象)、AF(应用层框架)下图为其结构[26]。
图2-7APL结构
2.APS的框架结构:
命令框架、数据框架和回复框架组成APS。
APS和通用帧一样都是由一个头和一个负荷组成[21]。
3.应用层功能:
(1)维护绑定表[12]。
(2)绑定设备之间进行传输信息[12]。
ZDO包含ZigBee协议栈的所
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