智能家居设计专项方案.docx

《无线传感器网络技术》
设计方案

题 目： 基于ZigBee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智能家居设计
姓名：金威 学号：1

摘要
伴随物联网技术发展，智能家居系统在大家生活中应用越来越广泛。相对于传统智能家居系统，基于物联网技术智能家居系统性能更优越，表现在布线灵活、成本低、可扩展性好等方面。
本设计选择Zig Bee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拓扑结构。其次利用三星企业S3C2440和Win CE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。最终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，经过一系列试验实现了以下功效：
1.智能家居系统内部组网实现。
2.用户经过家居网关对智能家居系统进行现场监控。
3.用户经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 家居传感网络介绍
智能家居传感网络是由分布在居住环境区域内若干传感器节点组成，这些传感器节点经过无线技术组成自组织网络，其关键功效是感知、采集和处理网络所覆盖家居中感知对象多种信息，如温度、气体等，并将节点感知信息传输到智能家居网关，以后经过互联网或 GPRS 抵达 PC 机或智能手机，并经过管理设备界面显示出来。从网络角度来看无线传感器网络也是一个完备网络体系，由多个节点组成在一起，不一样节点饰演不一样功效实体。
经典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图1.1所表示。

图1.1 智能家居传感网体系结构图
无线传感节点布署完成后，经过自组织方法组成网络。无线传感器节点监测目标信号经当地简单处理后传输到智能家居网关。用户经过外部网络，比如 GPRS 或Internet，和智能家居网关进行交互。智能家居网关也能够向网络公布查询请求和控制指令，接收传感节点返回目标信息。
从整个网络功效来分析，传感器节点发挥了路由器和终端节点双重角色，它关键完成以下功效：
首先完成当地信息采集，其次暂存、处理和发送其它节点转发来数据，最终协同其它节点共同完成部分特定任务。无线传感器节点关键由传感器、处理器、无线通信模块和电源这四个模块组成。其中，传感器完成数据采集和转换，处理器完成整个节点控制和数据处理，无线通信模块完成无线通信任务，实现信息交换，电源为传感器节点提供工作电压。用户经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，搜集传感器节点采集信息，然后对信息进行处理和分析，把更为正确监测结果送到用户手里。智能家居网关比一般传感器节点电量愈加充足、其数据存放空间比较大，运算速度也相对快速，所以它数据处理能力、存放能力和通信能力相对较强。
另外，智能家居网关还是无线传感器网络和外部网络之间桥梁，负责实现不一样协议之间转换。
1.2 设计目标
本设计主是一个基于ZigBee技术智能家居系统，关键工作是对家居网关软、硬件设计，最终将传感器技术、无线通信技术和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，经过智能手机登陆智能家居系统，实现对智能家居远程监控功效。
第二章 基于ZigBee无线组网
智能家居网络技术基础是组网技术，在进行家居组网时，不仅要考虑选择合适网络拓扑结构，而且还必需考虑选定合理组网方法和技术。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，所以在本系统中选择 ZigBee 作为无线组网技术。
ZigBee:ZigBee 一词起源于蜜蜂传输信息方法，蜜蜂经过跳ZZ形状舞蹈向同伴传输发觉食物信息。ZigBee 是一个近距离、低复杂度、低功耗无线双向通信技术。在标准化方面，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，Zig Bee 正是这种技术代名词。IEEE802.15.4 工作组关键负责制订物理层和MAC层协议，其它协议关键参考和采取现有标准。
ZigBee 工作频段为2.4GHz 和868/915MHz，这三个频段物理层各不相同，所对应带宽分别为 0.6MHz，2MHz 和 5MHz。
2.4GHz 采取是十六相位正交调制技术，定义了16个信道，868/915MHz全部是采取二进制移相键控直扩序列调制(DSSS)技术，它们之间最关键区分是工作在不一样频率之上，数据传输速率也不相同。ZigBee 实际传输范围通常介于 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。作为一个新型无线通信技术，ZigBee 含有很显著特征，这些特征也直接影响了其广泛应用用范围。
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通信系统，经过当地监控和远程监控两种方法实现对家居环境了解，从而实现家居设备管理智能化。用户经过 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
现在 Zig Bee 技术广泛应用在 PC 外设、消费类电子产品、智能家居控制、医疗技术和工业自动化等领域，因为ZigBee 无线网络是自组织网络，其灵活性较高，所以可将ZigBee技术应用到智能家居系统内部网络中来，经过对智能家居相关技术和用户需求分析，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，采取 ZigBee 技术构建智能家居网络，实现了家居网络从有线到无线转变，并完成对传感器节点控制。
2）当地监控，在住宅中用户能够经过家居网关对智能家居系统现场监控。
3）远程监控，在远离住宅任何地方，用户能够经过 PC 机或智能手机快速接入网络，进而实现对智能家居系统远程监控。
4）降低功耗，充足利用休眠模式来延长传感器使用寿命，避免了频繁更换电池麻烦。
本智能家居系统拟实现关键功效以下：
1）嵌入式系统替换 PC 机来构建智能家居网关。
2）构建人机交互界面，方便用户对传感器控制和设备状态查询和修改。 3）在智能家居网关上构架 Web 服务器，用户经过浏览家居网页即可进行远程实时查看家居环境情况。
4）在试验系统模型中实现了对温度，瓦斯等功效简单查询。
3.2 智能家居体系结构选择
3.2.1 智能家居网络两种常见结构
家居网络从结构上能够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关键，家居网关一端经过小区网络(或宽带接入点)接入 Internet，另一端则分别经过三个接口和信息网络、控制网络和多媒体网络连接，图 3.1所表示。

图3.1 中式家居网络结构
可见假如家居网关出现故障将会造成整个系统瘫痪。
2.分布式结构：该结构以信息网络(通常指 TCP/IP 计算机网络)为关键，信息网络一端经过家居网关接入小区网络(或宽带接入点)，另一端经过子网关连接控制网络和多媒体网络，图 3.2 所表示。

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，任意两节点之间全部可实现通信，从而形成各节点间信息共享，另外，某一节点进入或退出网络全部不会对其它节点造成影响。考虑到以后家用电器添置或移动，要满足即插即用性，所以设计家居网络时常采取分布式结构。
3.2.2 分布式家居网络结构介绍
分布式家居网络采取分层次网络体系结构，该结构分为两个网段：家居主网和家居控制子网。其中，家居主网经过家居主网关和外部网络相连接，家居控制子网经过子网关和家居主网相连接。家居主网中设备能够相互通信，并经过家居主网关访问外部网络。家居控制子网中设备经过子网关、家居主网关和外部网络通信。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含家居主网关、信息设备、娱乐设备、通信设备、家居控制子网关等设备网段。家居控制子网通常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一个设备。家居主网关能够和家居主网中设备实现互联，为多种加入设备提供外部网络接口，实现对家居主网配置和管理，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一个设备。家居控制子网关能够和家居控制子网中设备实现互联，同时为家居控制子网内多种设备提供和家居主网接口，为各子网设备提供多种服务，并实现对家居网络控制子网配置和管理。
3.2.3 ZigBee 网络拓扑结构选择
ZigBee网络层（Network Wizard Kde）支持星型、树型和网型网络拓扑结构，图3.4 所表示。

图3.4 ZigBee网络拓扑结构

因为在本系统模型中用到传感器节点数目相对较少，所以本系统采取星型拓扑结构。它是由一个全功效协调器（FFD），若干个终端节点组建成。FFD 经过串口和家居网关相连，终端节点被部署在环境监测区域，采集到数据经过无线方法发送给 FFD，因为 FFD 和家居网关连接，这时网关上显示出目前环境情况。
3.3 智能家居系统整体构架实现
智能家居系统整体构架实现将基于ZigBee芯片无线网络收发模块嵌入到多种家居设备中，从而构建家居无线控制网络。用户可依据需求不一样选择接入或移除不一样功效终端设备。在无线网络构建过程中可选择因特网或 3G 网络作为数据通信载体。网络中各传感器节点将采集到信息发送到全功效协调器上，然后协调器经过特定接口将信息发送给智能家居网关，随即经过开发人机交互界面进行显示，另外经过 PC 或智能手机能够实现设备控制和状态查询，系统总体架构图图 3.5 所表示。

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
智能家居系统硬件部分关键由智能家居网关、协调器和若干传感器节点组成。智能家居系统关键就是智能家居网关，所以家居网关设计直接影响了家居系统网络建立。
因为智能家居系统受到空间、成本和实时性等条件限制，这里选择嵌入式技术来设计智能家居网关，来提升资源利用率。智能家居网关硬件设计结构图 4.1所表示，智能家居网关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、Zig Bee 无线通信模块、有线网络接口、无线网络模块、输入输出设备、串口等必需外围设备，为软件运行提供通信接口和平台。
智能家居网关每一个模块全部发挥不一样作用，其中家居网关运行离不开电源支撑；Zig Bee 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模块实现智能家居远程监控；LCD 用于显示用户管理界面，协调器经过 RS232 串口和网关主控制器相连。
图4.1 硬件设计结构

4.1.3 Zig Bee 处理器 CC2530
CC2530 芯片使用是一个单周期 8051 兼容内核，它有三个不一样存放器访问总线 SFR、DATA 和 CODE/XDATA，以单周期访问 SFR、DATA 和主 SRAM。Zig Bee 新一代 SOC 芯片 CC2530 支持 IEEE802.15.4 标准应用。现在大多数 Zig Bee 无线通信网络全部使用 CC2530 芯片，该芯片内部集成了 RF 收发器模块，实现信息无线传输。本文中全部传感器节点内部全部集成了 CC2530 芯，所以这些传感器节点既能够作协调器也能够作为终端节点来使用，增加了系统设计灵活性。CC2530 内存容量足够大，许可芯片无线下载，满足设计者开发优异应用程序要求。CC2530 芯片应用电路图图4.2所表示。

图4.2 cc2530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远程监控功效，远程监控功效能够有两种方法来实现，一个是有线联网技术，另一个是无线联网技术。有线联网通常使用接入有线宽带，来达成远程监控目标，所以在家居网关中必需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）来实现有线网络接入。
4.2.3 GPRS入 电路
GPRS(General Packer Radio Service)通用无线分组业务，是在 GSM 系统无线分组交换技术基础上发展起来一项高速数据处理科技。它采取了分组交换技术，能够实现端到端无线数据通信。和 GSM 系统数据通信方法相比，采取了 4 种编码方法，传输速率更高可达成最高理论速率 171.2Kbps。它还能够确保一直处于在线状态，即在无需数据通信状态下仍保持和网络联接。另外，GPRS 关键网络层采取了 IP技术，能够实现和现有网络无缝接入。
在本设计中采取 Q24PLUS 四频段通信模块，该模块内嵌了市场上最小可编程无线 CPU。不仅支持 FR/EFR/AMR 多个语音编码方法，而且还支持 TEXT 和 PDU 模式短信和内嵌 TCP/IP 数据通信。
4.2.4协调器及接口电路设计
协调器是 Zig Bee 组网关键，它由一个功效健全传感器节点来充当 FFD，功效相对精简传感器节点能够充当终端设备。协调器要完成任务有很多，不仅要负责网络组建，还要接收和处理终端节点采集来数据，和家居网关进行串口通信，还要依据用户操作指令向终端节点发送采集数据参数等。协调器主控制器一样也是选择 CC2530 芯片。本文串口电路选择MAX3232 芯片，完成 RS-232 串口数据电平转换，和家居网关连接后，完成数据采集传输。
第五章 智能家居系统软件设计
智能家居系统软件设计关键包含智能家居网关软件设计、Zig Bee 无线网络软件设计和各传感器节点软件设计。
5.1 智能家居网关软件设计
5.1.1 智能家居网关软件结构
智能家居网关关键实现以下功效：完成家居内部各传感器节点通信，并对各节点进行控制；实现内部网络和外部网络信息交互，面对较多通信任务和网络互联，需要选择合适嵌入式操作系统来调试和运行，从而提升系统总体工作效率。本文选择 Win CE 操作系统，完成嵌入式家居网关，智能家居网关软件结构图 5.1 所表示。

图 5.1 智能家居网关软件结构

智家能居网关关键完成以下任务：组建网络、数据采集、外部网络接入。家居网关若要和家居内部其它设备节点进行 Zig Bee 通信，它需要调用应用层通信原语来实现。当用户想要远程取得内部网络信息时，就能够经过智能手机或 PC 机登录家居网关 WEB 服务器进行对应查询。
协调器是全功效设备，是网络关键，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。假如没有协调器整个网络就无法运行，协调器硬件结构比较简单，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候数据查询状态，若触发数据查询事件，查找和该事件对应传感器节点，查询到网络节点后发送查询命令，然后接收传感器节点信息，主控制器若想取得某传感节点信息，就经过此协调器取得对应节点信息并在显示器上显示该信息。协调器软件步骤图 5.2所表示

图5.2 协调器软件步骤图

5.2.3 Zig Bee 终端节点软件设计
Zig Bee 终端节点程序根据各个节点实现功效进行设计，比如温度传感器终端节点，当收到家居网关命令后，接下来就要对接收到信息进行分析和判定，若为温度采集信息则调用对应温度采集程序进行温度采集，然后将温度传感器采集来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。Zig Bee 终端节点程序步骤图见图 5.3。

图5.3 终端节点程序步骤图

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，确定家居内部网络拓扑结构，完成了家居网关整体设计。关键对嵌入式家居网关软硬件设计作了简明说明，包含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简单说明。