基于zigbee技术的智能家居系统大学本科毕业论文.doc

毕业设计（论文） 题 目：基于ZigBee技术的智能家居系统设计分 院： 信息学院 专 业：计算机专业（物联网方向）指导教师： 陈超颖 报 告 人： 田翰 2015年03月31日 本课题研究的 智能家居是物联网的主要应用之一，它以家庭住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，将各种家用设备进行集中的管理和控制，从而创造出舒适、高效、便利、安全、环保的居住环境。目前通常把智能家居定义为利用网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活相关的各种子系统进行有机结合的一个系统。随着人们对生活品质的不断追求和住宅智能化技术的发展，智能家居的概念越来越多的出现在人们的生活之中，而这一切发展都是为人类提供一个搞笑、舒适、便利的生活环境。物联网的兴起为智能家居引入了新的概念和发展空间，随着RFID技术的兴起，家居设备的存储和智能组网能力大大提高，必将促进基于物联网技术的智能家居系统的快速发展。随着智能家居系统的快速发展，系统配置的提高。智能家居系统包含的范围也越来越大。包括智能照明，智能门锁，智能家电控制，电控窗帘，消防报警.越来越多的新词逐渐成为智能家居的重要组成部分。而智能化的家居生活可以提供以下便利。如：（1） 家电控制：对灯具，窗帘，冰箱，空调，电视等家用设备可以进行现场控制，也可以通过手机，平板等远程终端进行远程控制。（2） 安全监控：对各种报警探测器的信息进行采集并做出适当处理，比如煤气泄漏检测，烟雾报警，入侵警告等。将与预设信息不符的信息传送给主人，或者直接进行报警。随着科技的进步，家居智能化也在逐渐成为现实。然而，现在的智能家居体系中缺乏严格的标准和通用接口，并且受到技术和成本的制约。智能家居并未能普及，因此如何设计一套更高效简便、成本低廉的智能家居系统，对于智能家居的推广具有一定的积极作用和意义。本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的研究手段（途径）本课题的基本内容： 1、利用ZigBee技术实现智能家居内部组网，配置灵活。节点可自动加入或离开，无需重新布线就可对家用设备进行控制。 2、在智能家居网关上构建嵌入式web服务器，方便用于利用网页进行远程查看室内情况以及对家电的操控。 3、开发人机交互界面，方便用户设定参数，进行各类设备的配置与控制。 重点和难点：1、系统结构的设计2、设备型号的选择以及布线的方案。3、单片机的设置 拟采用的研究手段：引用已成的案例内容，查阅相关的书籍和资料。课题进度计划12015年3月4日3月17日 收集课题相关资料、阅读参考文献；42015年4月15日5月8日 撰写论文，上交论文初稿，交指导教师审阅；52015年5月9日5月30日 根据指导教师意见修改论文，最后定稿；62015年5月31日6月3日 准备论文答辩PPT参考文献资料参考文献：1. 百度文库 2. 周洪只能家具控制系统M中国电力出版社.2006 3 .金彩虹程大章智能家居研究-家庭组网技术（一）J只能建筑与城市信息.2005.指导教师意见（对本课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师（签名）： 年 月 日系（分院）毕业设计（论文）工作小组意见组长（签名）：年 月 日前言：ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术,为实现对家庭安全的实时监控，提出了智能家居远程安全监控系统设计方案。系统基于ZigBee技术和GSM/GPRS网络进行设计，能够通过彩信和短信发出监控图像和报警信息，接收远程指令；同时引入了多种传感器，实现了对家用电器的远程控制，实现了智能家居远程监控。重点阐述了系统的硬件、软件设计以及系统的性能测试，实现了多个监控装置的无线联网。实验结果表明，所设计的系统能够实现安全、便捷的智能家居远程监控，并具有较高的可用性和可靠性,验证了ZigBee技术应用于低速个域网具有低功耗、可扩展性以及较高的实用性等特点。1.1什么是物联网：物联网的定义:简单来说,物联网就是物物相连的网络。这其中包含了两层含义:1、物联网和核心和基础仍然是互联网,是以互联网架构的基础上的拓展和延伸的网络。2、其涵盖的范围更加宽广,包含了任何物品与物品之间,能够进行物物之间的信息交互和传递,也就是物物相息。1.2什么是ZigBeeZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee1.2.1技术说明：蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，统称为ZigBee。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数据模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。1.2.2技术特点ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。(2) 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4) 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校检(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。1.3什么是智能家居？智能家居（英文：smart home, home automation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。目前，应用于智能家居的无线通信技术主要包括： Ir2DA红外线技术、蓝牙技术和ZigBee技术等。IrDA属于短距离、点对点的半双工通信方式，使用不便且失误率高，不适用于家庭的组网方式；蓝牙技术则因为网络容量有限，成本较高，不适于节点较多的家居网络应用。1.3.1智能家居发展现状和趋势（一）国内智能家居现状 目前，国内智能家居行业结构较为复杂，主流智能家居厂家主要由安防类、传统家电类和网络通信类厂家发展而来，也有专业从事智能家居生产的厂家，各类厂家结合自身特色，推出的智能家居产品在功能上各有侧重点。专业智能家居生产厂家对控制功能单一的智能家居产品进行组合功能，把发展的主要目标放在智能控制系统的研发上。对传统家电类企业在其家电产品中置入通信接口，使其成为网络家电，此类智能家居产品的推广极易受到家电品牌选择的影响。 近几年来，国内的智能家居行业取得了长足的进步，发展迅速。从小范围的尝试到智能小区的建设，从纷繁芜杂的技术规范建设到有意识的制定行业标准和规范。然而，在快速发展的同时也不可避免的暴露出许多问题 （1）高定位造成市场狭小：国内的智能家居市场基本都定位在新建住宅小区和高档新兴市场，主要面对的是高档消费人群，动辄几十万的投入与中国国内的消费现状不符，使得消费市场不可避免的狭小。 （2）没有统一的技术标准和行业规范：在智能家居行业，国内的厂家使用的标准基本都不一样，这样对用户的使用和后期的维修造成很大的困扰。（二）国外智能家居现状 自1984年世界第一幢智能建筑在美国落成以来，欧洲和东南亚发达国家以及日韩等国家先后提出各种智能家居方案。在智能家居的发展过程中，美国一直处于领先位置。 近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后跻身于智能家居的研发中。例如微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成熟得占领家居市场。此外，日韩等新兴国家的龙头企业也纷纷致力于智能家居的开发，对家居市场也是跃跃欲试。（三）智能家居的发展趋势 物联网的建设将大大推进智能家居产业化的进程，物联网的概念于1999年正式提出，英文名是The Internet of things，其意为物物相连的互联网，其中智能家居的应用将以最快的速度拓展开。现在国内大部分城市都在积极建设物联网项目，其中北京。上海等地的发展比较快。基于智能家居的现状进行分析和总结，智能家居今后的发展趋势将体现在以下几个方面。 （1）组网技术从有线到无线。现有的比较成熟的有线组网技术存在着布线繁琐，扩展性差，影响美观等缺点。而无线组网技术却可以有效的避免以上的问题。 （2）系统综合化和功能模块化。在现在的智能家居系统中，用户往往需要安装几个独立的子系统来完善功能，这就增加了安装和使用的复杂性。所以，系统地综合化和电路设计的模块化便于系统功能的便捷，有利于提高系统的兼容性和扩展性。 （3）远程控制的多样化。现在的远程控制方式多为手机或是电话，方式单一。随着移动网络和互联网的发展，实现远程的手段将不仅仅局限于手机和电话，只能手表、车载网络、智能眼镜等将大大完善远程控制的方式。 （4）节能与智能将引领家居消费新趋势。现代人们消费更注重节能和智能。而智能化的家居设计可以很好的满足人们的消费需求，通过智能家居的应用不但可以实现智能化，同样也可以起到节能的效果。随着经济的发展，人们对对生活质量要求的提高，智能家居将逐渐引领装修时尚潮流，成为新的消费趋势。 1.3.2智能家居系统结构?智能家居系统以家庭为单位进行设计,?每个单位都拥有一个独立的协调器、多个无线通讯ZigBee节点模块。在协调器和每个子节点上都接有一个ZigBee无线通信收发模块,?数据通过这些模块在协调器和子节点之间进行传送。系统组成。 由于生活质量的日益改善，各种家电设备的高度自动化和智能化已经成为一种消费需求，同时科学技术的飞速发展，让这种需求的达到已经不再遥远。新的ZigBee协议在无线传感器网络和各种无线终端控制方面有良好的前景，为传感器网络和控制器设备提出了新的方案。基于ZigBee的网络控制系统就可以实现对各种家电设备的控制和调节，只需要对旧式家电进行改装或加入必要的驱动电路，便可以实现小信号对交流电器的控制。同样室内的各种环境参数直接影响生活质量，同样也可以通过ZigBee控制调节。1.3.3系统结构和各部分功能在整个系统中，以C8051F020为核心，作为数据处理器和设备控制器。 图2（1）湿度传感器模块：把传感器信号做滤波处理，并送入单片机模拟通道。（2）L6203电机驱动模块：当单片机的提供信号满足时，输出电压驱动电机正转或反转。（3）晶闸管电扇控制模块：单片机选择驱动不同的晶闸管，以实现对交流电器的控制。（4）独立式按键：对四个按键的组合运用，设置适度报警的上限和下限，操作控制电扇、窗帘等。（5）声光报警模块：当湿度值超出人为设定的报警线时，自动报警。（6）数码管显示：三位数码管显示湿度相对百分比，精确到小数后一位。1.3.4部分软件流程1、湿度检测设备主流程C8051F020单片机各种资源丰富，功能强大。先必须对单片机进行初始化，然后进入A/D，依次报警线检测，湿度百分比显示，执行按键功能等。 图31.3.5 A/D转换流程C8051F020的内嵌12位A/DC，可以通过AD0BUSY写“1”启动转换，应查询AD0INT位以确定转换何时结束。步骤如下：1：写“0”到AD0INT2、向AD0BUSY写“1”3、查询并等待AD0INT变“1”4、处理ADC0数据。 图41.3.6串口中断服务流程在整个通信过程中，家居设备始终处于被动状态，只需要不断检测接收中断，一旦中断标志置位，进入中断服务程序，接收数据，解析数据，判断属于执行命令还是查询命令，如果为后者，需要设备立即反馈数据，并判断是否发送成功。若没有成功，则再次发送。 图51.3.7 ZigBee控制器流程ZigBee手持是整个系统的核心，我们在已有的手持硬件中嵌入了自己的操作流程和显示界面。作为命令的发出源，必须不断的扫描按键接口，一旦有按键，则之形相应规定命令或发送特定数据。 图61.3.8 设备操作规则湿度检测设备按键设置四个按键负责设置报警上限和下限的增加或减少，每次击键上限或下限都增加或减少百分之2，并同时显示报警线。 图71.3.9 电扇、窗帘控制设备按键设置同样，用四个按键负责窗帘的开关，拉开的速度快慢，窗帘拉开成都与击键的时间有关：控制交流电电器电扇的开关。 图8基于ZigBee的家具智能系统，具有通信功能强，功耗低等特点，家庭应用时无线通信有效距离适中，具有良好的应用前景。结言ZigBee技术已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。随着我国物联网正进入发展的快车道，ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智能传感器场景中进行了应用。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBee，ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询，提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中，基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器，遇到险情时，可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决，而且，使用简单方便，可靠性高。