无线传感器网络在智能家居系统中的应用研究.doc

分类号：TN92 单位代码：10220
UDC： 密 级：

大庆石油学院
硕士研究生学位论文

论文题目： 无线传感器网络在智能家居系统中的应用研究
硕 士 生： 刘 传 家
指导教师： 董德发 教授
学科专业： 控制理论与控制工程

2008年 3 月 15 日

Thesis for the Master Degree in Engineering

Application and Research of Wireless Sensor Network to Intelligent Home System

Candidate: Liu Chuanjia
Tutor: Dong Defa
Specialty: Control Theory and Control Engineering
Date of oral examination: 29th March.2008
University: Daqing Petroleum Institute

学位论文独创性声明

本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名： 日期：

学位论文使用授权声明

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学位论文作者签名： 导师签名：
日期： 日期：

III

无线传感器网络在智能家居系统中的应用研究
摘 要
微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。
本论文以智能家居系统为背景，研究将无线传感器网络技术应用在智能家居中来实现室内温度和人体热释红外信息的检测。首先介绍了无线传感器网络和智能家居的起源与发展，具体分析了目前智能家居系统的不足和智能家居与无线传感器网络技术结合的难点。接着根据无线传感器网络节点的定义，本文对其四个组成部分的硬件进行设计，详细介绍了各部分器件的特点及相应的电路原理图。随后介绍了通信协议的设计，主要包括MAC层协议和路由协议的设计。本文在比较几种流行的拓扑结构的基础上设计了最适合智能家居网络的拓扑结构，同时设计了节点的硬件驱动程序以及实现通信协议的程序，接着组建了一个小型的网络来实现室内温度和人体红外信息的采集及多跳传输。最后总结了本论文的设计工作并展望了基于无线传感器网络的智能家居系统的美好前景。

关键词：无线传感器网络，智能家居，温度，人体热释红外

大庆石油学院硕士研究生学位论文
Application and Research of Wireless Sensor Network
to Intelligent Home System
ABSTRACT
The progress of micro-electronics technology, computer technology and wireless communication promotes the fast development of low-power consumption and multi-function sensor and makes the sensor integrate many functions as information collection, data processing and wireless communication in its small volume. Wireless sensor network is composed of many cheap micro-sensor nodes which are placed in the watch area. It’s a network system of multi-hop and self-organization formed by wireless communication. Its aim is that it can feel, collect and process information of object within the net and send the information to observer. Sensor, object and observer are three important points of wireless sensor network.
This paper takes intelligent home system as its background, mainly studies watching temperature and human pyroelectric infrared in the house by putting the technology of wireless sensor network into intelligent home system. Firstly, the paper introduces the source and development of wireless sensor network and intelligent home, and analyses deficiency of intelligent home system at present and difficulty of putting the technology of wireless sensor network into intelligent home system. The paper designs the four parts of nodes according to the definition of wireless sensor network nodes, particularly introduces character and circuit principle of every elements. Then the paper introduces the design of the communication protocol, mainly introduces the design of MAC layer protocol and route protocol. The paper designs the topology which is best fitted into intelligent home network on the basis of comparing several popular topology, and also designs the driver of nodes and the program which makes the communication protocol come ture, then forms a little network to make the information collecting of temperature and human pyroelectric infrared and multi-hop transmitting come true. At last, the paper summarizes design work, then expects the bright prospect of intelligent home system which is on the basis of wireless sensor network.
Keywords: wireless sensor network, intelligent home, temperature, human pyroelectric infrared

创新点摘要
本文主要研究无线传感器网络在智能家居系统中的应用，其创新点如下：
1. 根据传感器节点的定义和原理框图自行设计了用于检测温度和人体热释红外信息的节点模块。
2. 本文在DSDV协议和DSR协议的基础上改进并设计了一种混合的路由协议。该混合路由协议综合了主动路由和按需路由的特点：当网络结构不发生变化时，数据传输时延较小；当网络动态变化时，可以按需发现新的路由。

目 录
学位论文独创性声明 I
学位论文使用授权声明 I
摘 要 II
ABSTRACT III
创新点摘要 IV
引 言 1
第一章 绪论 2
1.1 无线传感器网络的起源和发展现状 2
1.1.1 军事领域的研究进展情况 3
1.1.2 民用领域的研究进展情况 4
1.1.3 学术界的研究进展情况 4
1.2 无线传感器网络的关键技术 4
1.2.1 无线通信技术 5
1.2.2 无线通信的网络协议 5
1.2.3 无线通信的数据融合 6
1.3 智能家居的起源和发展现状 6
1.3.1 智能家居的概念 6
1.3.2 智能家居的发展现状 7
1.3.3 传统的智能家居网络的不足 7
1.4 无线传感器网络技术与智能家居结合的难点 7
1.5 本论文的工作与论文内容安排 8
第二章 无线传感器网络节点的硬件设计 10
2.1 传感器节点的定义 10
2.2 传感器节点的硬件设计 10
2.2.1 传感器单元的设计 11
2.2.2 处理器单元的设计 13
2.2.3 无线通信单元的设计 15
2.2.4 能量供应单元的设计 18
2.3 本章小结 18
第三章 通信协议的设计 20
3.1 MAC层协议的设计 20
3.1.1 MAC层协议的设计要求 20
3.1.2 信道接入方式的设计 20
3.1.3 差错控制算法的设计 23
3.1.4 MAC层数据帧格式的设计 24
3.2 路由协议的设计 24
3.2.1 主动路由协议 24
3.2.2 按需路由协议 25
3.2.3 路由协议的设计 26
3.3 本章小结 28
第四章 智能家居网络的设计及综合调试 29
4.1智能家居网络拓扑结构的设计 29
4.1.1 几种常见的拓扑结构 29
4.1.2 智能家居网络拓扑的设计 30
4.2程序的综合设计 31
4.2.1 温度传感器DS18B20驱动程序的设计 31
4.2.2 无线收发芯片NRF905驱动程序的设计 35
4.2.3 传感器节点整体程序的设计 39
4.3系统的综合调试 42
4.4本章小结 42
第五章 结论 44
参考文献 46
附录1 49
附录2 50
发表文章目录 72
致 谢 73

引 言
无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源严格受限的全分布系统，采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自治、自适应等智能属性。
无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域，本文主要研究无线传感器网络技术在智能家居系统中的应用。目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，而且网络传输和处理能力较差。一个智能家居系统应该将家居的安防系统、家电的控制系统、通信系统和网络应用系统等等应用系统进行统一管理，实现互联，系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过电话或者Internet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。将无线传感器网络技术应用在智能家居中，在一定意义上它已经突破了传统意义上的无线传感器网络，主要面临的困难是节点的异构化和网络结构的动态变化。因此，设计合适的传感器节点和通信协议是一个关键，但目前无线传感器网络的研究还不成熟，还有许多问题有待解决和研究。
第一章 绪论
本章主要介绍无线传感器网络和智能家居的起源、发展现状以及其涉及到的相关技术。
1.1 无线传感器网络的起源和发展现状
传感器技术、微电机系统（Micro Electro Mechanism System，MEMS）、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发展。而随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络（Wireless Sensor Network 简称WSN）引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作的实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。例如，传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息，如丛林地带的地面坚硬度、干湿度等，为制定作战方案提供可靠的信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、工农业控制、城市管理、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域[1]。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。美国商业周刊和MIT《技术评论》杂志（《Technology Review》）在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为最具影响的21项技术和改变世界的10大技术之一[2, 3]。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。
由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资34000000美元，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视[4]，在C4ISR（command，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissance）的基础上提出了C4KISR计划[5]，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。
传感器网络的研究起步于20世纪90年代末。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究结果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。我国在传感器网络方面的研究工作还很少。首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2001年以后，我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，2004年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。
1.1.1 军事领域的研究进展情况
美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，在2001-2005财政年度期间批准实施。其基本思路是：在战场上布置大量的传感器以收集和传输信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，将大量的信息集成为一幅战场全景图。当参战人员需要时可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。
美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是使基层部队指挥员根据需要能够将传感器灵活部署到任何区域。该项目是支持陆军“更广阔视野”的三个项目之一。美国陆军还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽准确地探测到精确信息。例如登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息，丛林地带的地面坚硬度和干湿度等信息，为更准确的制定战斗行动方案提供情报依据。它通过“数字化路标”作为传输工具，为各作战平台与单位提供各自所需的情报服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。
美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目。传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统，利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理，管理工作只需一台专用的商用便携机，无需其他专用设备。该系统以现有的带宽进行通信，并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息。该系统能够部署到各级指挥单位。
美国海军最近开展的协同交战能力（cooperative engagement capability,CEC）是一项革命性的技术。CEC的实质就是把高性能传感器网络与高性能交战网络有机的结合起来。高效的传感器网络能快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这一态势信息转化成更高的作战能力。CEC传感器网络的感知数据来源于雷达，通过舰船或飞机战斗群携带的处理器进行感知数据的处理。每艘战船不但通过自己的雷达，而且还从其他的战船或者装载CEC的战机来获取数据。例如，一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外，还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据，也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据。空中传感器负责侦察更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的一部分。CEC可以从多方面探测目标，极大的提高测量精度和击中目标的概率。CEC还可以快速而准确跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹，使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标[6]。
2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统集检测有毒气的化学传感器和网络技术于一体。安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外，还可以通过Internet进行远程监视。
1.1.2 民用领域的研究进展情况
美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。由于该系统将应用大量传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量、发动机调速时间等。根据具体情况自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系。
英特尔公司在2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。计划宣称，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测[7]、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要三个阶段，包括物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器，该传感器也称做尘粒（Mote）或智能微尘（Smart dust）。实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据。应用阶段将传感器网络应用于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。
1.1.3 学术界的研究进展情况
在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克力分校（University of California, Berkeley）、麻省理工学院（MIT）、康奈尔大学（Connell University）、加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究[8]。
学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。目前的研究工作还处于起步阶段，大量的问题还没有涉及到。未来的研究工作任重而道远。
1.2 无线传感器网络的关键技术
无线传感器网络是信息感知与采集和计算模式的一场革命。它涉及到多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究，向研究者提出了大量挑战性课题。
1.2.1 无线通信技术
无线传感器网络是需要低功耗短距离的无线通信技术，由于无线传感器的高度自组织和多跳路由使适用于无线通信软硬件技术尤其是无线通信软件技术成为一个全新的研究领域。超宽带技术（UWB）是一种极具潜力的无线通信技术[9]，具有对信号衰减不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应用在无线传感器网络中。
IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/915 MHz的无线通信技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee[10]应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙[11]之间的技术，主要用于近距离的无线连接。它根据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
1.2.2 无线通信的网络协议
由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。
在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。同时，无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现得最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。目前提出了多种类型的传感器网络路由协议[12, 13, 14]，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议，GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议，SPEED和ReInForM等支持QoS的路由协议。
传感器网络的MAC协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。在MAC层的能量浪费主要体现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。为了减少能量的消耗，MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道侦听机制，传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道，没有数据需要收发时就尽量进入睡眠状态。近期提出了S-MAC[15]、T-MAC[16]和Sift等基于竞争的MAC协议，DEANA、TRAMA、DMAC和周期性调度等时分复用的MAC协议[17]，以及CSMA/CA[18]与CDMA相结合、TDMA和FDMA相结合的MAC协议。由于传感器网络是与应用相关的网络，应用需求不同时，网络协议往往需要根据应用类型或应用目标环境特征定制。
1.2.3 无线通信的数据融合
传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。
数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量；此外，还有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少MAC层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。在传感器网络的设计中，只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度的获益。
数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价。首先是延迟的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其他数据的到来，这三方面都可能增加网络的平均延迟。其次是鲁棒性的代价，传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。
1.3 智能家居的起源和发展现状
随着近年来科学技术的迅速发展和普及，我们的工作、生活观念也发生了巨大的改变，现代家庭生活追求的新方向—智能化生活已经悄然走进我们的生活，“智能家居”已成为家庭信息化和智能化必不可少的需求。
1.3.1 智能家居的概念
智能家居是指在小区内部宽带网络已经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统，其目的是为住户提供以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务管理于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境。智能家居是个复杂的综合体。首先，在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的道路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，智能家居的最终实现目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。智能家居从功能上说，主要分为家庭安防功能、家庭数据采集功能、家电及家庭电子设备控制、家庭信息管理平台和家庭能源控制功能等五大功能[19]。
1.3.2 智能家居的发展现状
现在，世界各国都在跻身于网络信息服务技术的家庭应用，硅谷目前的投资和研发热点就是这方面的应用。圣保罗风险资本公司、Flatiron合伙公司和松下电子公司已经拨款1.4亿美元，投资于支持智能的信息家电公司。诺基亚、摩托罗拉和至少另外五家电话制造商正在开发网络电话。而惠普、IBM、太阳微系统和索尼等公司正准备推出大量新发明的小玩意儿。从巴掌大小的扫描仪到赋予这些装置动力的芯片和软件等不一而足。
当前，我国对智能家居的研究刚起步。1994年，国家科委立项资助重大科技项目“2002年小康型城乡住宅科技产业工程项目”其目标是以科技为先导。以示范住宅小区建设为载体，推进我国住宅产业现代化，构建新一代住宅产业，在该项目中，把智能型住宅技术列为重中之重，开展技术、产品与工程的应用研究。2000年9月，长虹、海尔、春兰、TCL、小天鹅、上广电、厦新、电子三所、清华同方、中兴通讯等数家家电巨头和科研院所参加了国家经贸委2000年国家技术创新重点专项计划“家庭信息化网络技术体系研究及产品开发”项目工作会议。此次会议成立了“中国家庭信息网络制标技术委员会”。该委员会将联合开发家庭信息网络中的共性技术和产品互联规范，实现消费类电子、通信和计算机行业间的大范围协作。
1.3.3 传统的智能家居网络的不足
现在国内智能家居系统的研究还处于起步阶段，现有的智能家居系统通常只是对一些分散的智能家庭控制子系统的研究，例如三表抄送子系统（电表、水表和天然气表）、门禁子系统、可对讲子系统、医疗求助子系统和安防子系统等。这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使得安装和使用很不方便。目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，而且网络传输和处理能力较差。一个智能家居系统应该将家居的安防系统、家电的控制系统、通信系统和网络应用系统等等应用系统进行统一管理，实现互联，系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过电话或者Internet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。
1.4 无线传感器网络技术与智能家居结合的难点
将无线传感器网络技术应用在智能家居中，在一定意义上它已经突破了传统意义上的无线传感器网络：
首先节点异构化，网络不再完全由同类的节点组成，无线传感器网络节点可以分为功能单一的传感器节点、执行器节点和兼具传感与执行功能可独立工作的电器设备节点以及具有计算与存储功能的通用处理平台节点（PC机）等几大节点，因此这种由形态结构和功能各异的节点构成的家庭无线传感器网络是一个异构网络。
其次网络节点不再是完全静止的，一方面由于某些办公电器或家电产品在环境中的位置并不固定，另一方面室内环境中存在移动节点。例如，可以控制室内环境中所有电器的中央遥控器。这个也是传感器网络的重要特点，动态性网络[20]，拓扑结构可能改变。这就要求传感器系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。
因此，将无线传感器网络技术应用在智能家居中面临的主要挑战来自于理论层面的对移动节点的管理与相应的高效的路由算法的设计[21]，其次是工程应用层面的实施问题，即如何才能让来自不同电器厂商的各种电器设备以及传感器执行器系统方便的互联。例如，在家居环境中的室内无线传感器网络：由于现代家居系统中包括的家电种类繁多，而目前的各大家电生产商的产品只能是各有侧重，例如Philips的家用照明系统产品是同类产品中最好的，然而其洗衣机产品确未必有伊莱克斯公司的产品好，此外再考虑价格等其它因素，消费者很少会一次性将电器购置齐全并且不太可能选用同一电器厂商的产品，因此如何实现这些来自不同厂商的不同类型的电器产品之间的互联就成了未来的室内无线传感器网络系统实用化要面临的主要挑战。随着电器系统的智能化、协同化以及远程监控系统等应用的发展，在提供传统的人机界面的同时提供一个可供其它电器设备使用本电器的某些功能的机器间互操作的接口。此接口的出现实现了家电系统的互联，同时可以通过一个便携式家电主控制器控制这个家居系统中的各种电器设备。
1.5 本论文的工作与论文内容安排
本论文主要研究无线传感器网络技术及其在智能家居系统中的应用。首先根据无线传感器网络节点的定义自行设计了节点模块，同时参考现有的无线传感器网络协议设计了一套适合本文的网络协议，最后将节点模块组成网络来检测室内温度和人体热释红外信息。智能家居包括家电的控制和室内参数检测两部分，本文的研究偏重于室内温度和人体热释红外信息的检测，对家电的控制部分涉及较少。
论文的第一章介绍了无线传感器网络的起源、发展与现状，然后介绍了无线传感器网络中涉及的技术重点与难点，重点阐述了无线通信技术和网络协议技术为后面无线传感器网络的设计奠定坚实的基础。接着介绍了智能家居系统的发展以及现今传统家居网络的不足。最后介绍了无线传感器网络技术与智能家居结合的难点。
第二章主要介绍了传感器节点的硬件设计。首先介绍了传感器节点的定义，然后进行了硬件设计。节点的硬件设计主要包括四个部分：传感器单元、处理器单元、无线通信单元和能量供应单元，最后还设计了节点与控制中心计算机的接口。
第三章主要介绍了通信协议的设计，其中包括MAC层协议、网络层的路由协议和路由发现算法的设计。MAC层协议的设计主要包括三个部分：信道接入技术、退避算法和差错控制算法的设计。
第四章主要介绍智能家居网络的组建及综合调试。在这一章中首先设计了智能家居网络的拓扑结构，然后介绍传感器节点的程序的设计，这部分主要包括硬件的驱动程序设计和通信协议的程序实现，最后搭建一个小型网络来实现室内温度和人体热释红外信息的检测，测试系统的性能。
最后是结论，总结一下本论文所做的研究，并在此基础上总结出了一些本论文的设计的不足之处，最后是对无线传感器网络发展的展望。

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大庆石油学院硕士研究生学位论文
第二章 无线传感器网络节点的硬件设计
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，由这些微型传感器构成的无线传感器网络引起人们的极大关注。传感器网络是信息感知和采集的一场革命，作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。本章主要介绍无线传感器网络节点模块的硬件设计，包括各部分器件的选取以及相应的电路原理图的设计等内容。
2.1 传感器节点的定义
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，通常由传感器单元（数据采集单元）、处理器单元（数据处理单元）、无线通信单元（数据传输单元）和能量供应单元四个部分组成[22]，如图2.1所示：

传感器单元
传感器
A/D
处理器存储器
网络
MAC
收发设备
处理器单元
无线通信单元
能量供应单元

图2.1传感器节点系统结构

传感器单元负责监测区域内信息的采集和数据交换；处理器单元包括CPU、