基于无线传感器的智能家居系统——毕业论文.doc

1、基于无线传感器的智能家居系统中文摘要随着无线传感器网络的随着生活水平的日益提高，人们对环境的要求越来越高，尤其是家庭环境。如何改善家居环境，使它更舒适，更安全是工程师目前面临的一个大问题。在这样的背景下，智能家居是在国外几年前和一些著名的建筑师首先提出的，他们都采用了这一理念。这种思想的核心是利用计算机技术和通信技术来改善家居环境，使其更方便、更舒适。在我国，这种想法是最近推出的，所以应用技术与国外相比差距。但不可否认，在我国具有很大的发展空间。目前，我们缺少的是成熟的产品，形成一套完整的解决方案。本文主要是针对 ZigBee 系统和应用上的环境的搭建。本文主要完成了以下工作：（1）对智能家居

2、系统的进一步的了解。（2）对 ZigBee 协议栈的整体架构及各层功能的了解与掌握。（3）对一些传感器的工作原理及数据的操作的认识。关键字：智能家居；ZigBee；cc2530 ；z-stackSmart home system based on wireless sensorAbstractWith the living standards rising, people are increasingly demanding on the environment, especially the family environment. How to improve the Home Furnis

3、hing environment, the truth that make the environment more comfortable, more security is a big problem facing the engineer. Under such a background, the smart home is in abroad a few years ago and some famous architects first proposed, they have adopted the concept. The core of this idea is to impro

4、ve the Home Furnishing environment using computer technology and communication technology, the main idea is making it more convenient, more comfortable. In our country, this idea was recently launched, so the application of the technology gap compared with foreign. But it is undeniable, it has great

5、 development space in china. At present, we are lack of mature products, forming a complete set of solutions. This paper is mainly aimed at building the ZigBee system and application environment. This paper mainly completed the following work:(1)To understand the intelligent Smart Home system.(2)To

6、understand The overall architecture of the Z-Stack and the functions (3)To understand the working principle and the operation of some sensor data.Key Words：Smart Home；ZigBee；cc2530；z-stack目 录第一章 绪论 11.1 基于智能家居系统的研究背景 11.2 本课题发展现状与意义 11.3 论文主要研究的内容及结构 2第二章 ZIGBEE 协议栈及网络结构 32.1 ZIGBEE 协议栈构架 42.1.1 物理层

7、 42.1.2 MAC 层 52.1.3 网络层 NWK52.1.4 应用层 52.1.5 ZIGBEE 的分类及功能作用 62.2 ZIGBEE 的网络拓扑结构 62.2.1 星形结构 62.2.2 树形结构 72.2.3 网状结构 82.3 ZIGBEE 的通信方式 82.3.1 广播通讯 122.3.2 组播通讯 142.3.3 点播通讯 15第三章 智能家居系统设计 163.1 智能家居系统方案设计 163.1.1 传感器数据传输方式 163.1.2 应用场景 163.1.3 本次设计环境的介绍 163.2 节点传感器的介绍 163.2.1 DHT22 温湿度传感器 163. 2.2

8、热释电人体红外传感器 193.3 基于 ZIGBEE 的红外学习 203.3.1 红外遥控介绍 203.3.2 方案设计 233.4 ZIGBEE 的硬件绘制 243.4.1 ZIGBEE 芯片 243.4.2 ZIGBEE2530 原理图的绘制 243.4.3 ZIGBEE2530PCB 图 的绘制 25第四章 实验测试结果 274.1 串口上位机与 ZIGBEE 的通信协议 274.1.1 DHT22 温湿度数据传输协议 274.1.2 人体红外传输协议 274.1.3 串口节能灯的控制 274.1.4 红外对节能灯的控制 274.2 传感器数据的采集 274.2.1 ZIGBEE 节点网

9、络配置 274.2.2 温湿度数据采集 284.1.3 人体红外数据的采集 274.1.4 红外控制 274.1.2 灯控 27第四章 总结 33参考文献 34附 录 36致 谢 40天津理工大学本科毕业设计说明书1第一章 绪论1.1 智能家居系统的研究背景智能家居系统的概念最开始上个世纪 70 年代的美国传播，然后，流传到了欧洲、日本等比较发达的国家，并且取得了很大的进步。在我们国家，智能家居这个概念相对其他国家推广的就较晚一些了，大约在 90 年代末智能家居这个系统才慢慢的走进中国，但是智能家居的发展速度非常的快，迄今已经有了一定数量的智能化小区和住宅。我们常常说的的智能家居系统其实是现代

10、的电子技术、智能化技术及电子通信技术相结合的一个结晶。它的功能就是自动控制和管理家电设备，对生活环境进行监控，所谓的报警系统，并且能够为住户提供安全舒服、效率高并且便利的学习、生活及工作环境。智能家居系进行远程或者现场的监控、管理，使得住户们的家庭住宅环境舒适、协调。与一般的家居相比，智能化的家居不仅具备传统的居住功能，提供高效便利，温馨的高品位生活环境。许多专家们都先后提出了不同种类的智能家居方案，比如，早期新加坡模式的智能化家居系统包括：宽带网络接入、可使对讲、安防报警、家居控制、三表抄送、监控、智能布线箱等。而现在的智能家居系统也在不断的完善，例如，远程报警、网上购物、紧急求助等一些新颖

11、的思想就是根据现在科技和社会的发展，人们日益增长的需求而设计开发的。1.2 本课题发展现状与意义发展现状：现场或远程调节家居环境中空调的风速，温湿度，光照度，热水器的温度等，同时还可以通过传感器节点检查空气成分，从而提高空气质量；调节音响，投影仪，游戏机电视等娱乐设施；我们不能只注重方便快捷，更要注意能源的节省与利用，我们更应该本着同过智能家居的平台为社会做更多的贡献的心态给住户们提供现代化的通信、信息服务。说到发展现状，由于国外的智能家居思想要比我们的早些，那就先说说国外的发展现状，1984 年在美国的一个城市出现了起一座意义非凡的大厦，这座大厦虽然是一座旧楼改造的，但里面的设施确是相当智能

12、化的，它采用了当时的的计算机系统，用它来对大楼的照明设施，电梯空调等诸多设施进行了比较好的监控，而且还可以通过语音系统来进行通讯，这么美好的智能系统对于住户门来说成为了一个渴望，不过随着发展很快安装智能家居系统的用户越来越多，2000 年美国的用户就已经达到了 4 万，而且不止美国住户会使用这个系统，其他国家也越来越多的使用，但是这样高端智能的系统在当时肯定不会便宜，天津理工大学本科毕业设计说明书2所以越来越多的公司都纷纷踊跃去继续研究开发，比如当时赫赫有名的比尔盖茨，还有摩托罗拉公司，IMB 等公司都参与其中，并且各自有了不菲的成果，“居门之所”、“家庭主任”、“梦幻之家”都日趋占领市场。

13、接着来说说国内发展现状，我国的智能化建设最早其实起源于广州深圳一些比较靠海岸的城市，之后才慢慢发展到内陆，最著名的要属上海中皇广场，这个工程后来被评为全国“智能住宅示范工程”，从而拉开了全国社区智能化的序幕。随着科技和信息化的发展，智能家居的思想慢慢涌入千家万户的眼里。课题意义：根据调查数据显示，现在的基于智能家居平台推出的智能化产品种类越来越多，也越来越完善，最后主要的是成本也越来越低，只就促进了智能家居的大众化，也是的住户们的生活水准有了一定的提高，所以智能家居的正真意义在于让越来越多的用户可以体验到智能家居带给生活的方便与高效，使我们的生活更健康，相信在未来，智能家居的开发和建设是国家经

14、济发展的一大体系。不只是通过对用户的需求来开发，更要去设想更多的场景，这样我们的生活才会更加美好。1.3 主要研究的内容本篇不仅要对理论的有一定的理解，并且对实际操作有更多的要求：（1）通过对协议栈的了解要完成 ZigBee 之间的通讯，从而达到远程监控的效果。（2）是对红外转发与学习原理的了解，并且通过程序的调节来完成红外的学习和转发。（3）因为还涉及到其他传感器，所以要对用到的传感器工作原理有一点的了解，并且能使其正常工作。（4）通过原理图和 PCB 图的绘制对 ZigBee 硬件更加深刻的了解与掌握。最终要的是所以本次的论文需要理论和实践相结合，这样才能更好的对智能家居系统的进一步的了解

15、。结构：本篇主要是对 ZigBee 无线传输系统的介绍与应用，对周围信息的采集和处理，并发送自己采集的数据转发给协调节点或更靠近协调节点的节点。本课题为基于 CC2530 的 ZigBee无线网络节点的设计，用来实现实时接收上位机的控制命令和下位机的传感器数据的发送与接收，依据各自的地址信息进行实时转发，保证整个无线网络系统运行顺利通畅。论文总共分为 5 章内容： 第 1 章介绍了智能家居的背景以及国内外发展现状，接着对智能家居网络技术进行了详细介绍，最后给出了本文研究的主要内容和主要创新点； 第 2 章对Zigbee 技术及其协议进行了详细的介绍，然后对基于 Zigbee 的智能家居网络进行

16、了研究，介绍了 Zigbee 网络设备类型、目前三种网络拓扑结构以及 ZigBee 之间的通讯方式； 第 3章首先给出了系统总体设计方案，对系统组成和设计原则进行了介绍以及对节点传感器的介绍。 第 4 章主要介绍了智能家居网络系统中传感器节点与 ZigBee 协调器的通信协议。 第 5 章为智能家居网络系统的实验环境的搭建与测试结果的分析。 最后是对参考文献资料的介绍，以及对这段时间大家的鼎力帮助的感谢。天津理工大学本科毕业设计说明书3第二章 zigbee 协议栈及网络结构2.1 zigbee 协议栈构架Z-stack 是由现在的 TI 公司，也就是以前的挪威半导体公司在推出他的 CC2430

17、 开发平台的同时，推出的软件，这个协议栈软件的出现，使用户可以很容易地开发出想要的应用程序，这个协议栈其实只需要掌握 10 个函数就能使用 ZigBee 通讯。它使用 IAR Embedded Workbench for MCS-51 作为开发环境。但是对于用户来说，其实里面还有一部分基层的协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。应用程序支持子层（APS）网络层（NWK ）介质访问控制层（MAC）应用层（APL）ZDO应用程序对象Zigbee 协议定义的安全服务ZIGBEE无线网络图 2.1zigbee 协议栈框Fig 2.1 Z-stack Frame物理层（ PHY）射频收发机IEEE

18、802.15.4规范定义的天津理工大学本科毕业设计说明书4图 2.2 TI 的协议栈 2.3.0 版本Fig 2.2 TI Z-stack TI Z-Stack-CC2530-2.3.0协议栈其实就是协议和用户之间的一个接口，而协议栈与 API 层之间其实没有什么联系，也就是说他们之间是相互独立的，开发人员通过使用协议栈里的应用层来实现无线数据收发。2.1.1 物理层物理层就是无线信道和 MAC 层之间的一个接口。物理层内容：（1）激活 zigbee。（2 对当前信道能量的检测。（3）接入 Zigbee 信道。（4）接收来自链路服务层质量的消息。（5）选择信道的频率。（6）传输和接收无线数据。

19、2.1.2 MAC 层MAC 层的作用处理全部的物理无线信道访问，并且产生网络信号、同步信号；保证 MAC天津理工大学本科毕业设计说明书5协议数据单元在物理层数据服务中正确收发 MAC 层管理服务：MAC 层功能:（1）网络协调器产生信标；（2）与信标同步（3）支持 PAN 链路的建立和断开（4）为设备的安全性提供支持2.1.2 网络层Zigbee 协议栈的核心部分在网络层，网络层的作用在于实现节点加入或离开网络等功能。网络层功能（1）网络发现(2) 网络形成（3）容许设备连接(4) 路由器初始化（5）设备网络连接（6）直接将设备同网络连接（7）断开网络连接（8）重新复位设备（9）接收机同步（

20、10）信息库维护2.1.3 应用层Zigbee 应用层框架包括应用 zigbee 设备对象（ADO）、支持层（ASP）和制造商定义的支持层的功能包括：在绑定的设备之间传送消息和维持绑定表的信息。Zigbee 设备的功能主要包括某个设备在组件的网络中所担任的角色，开发人员主要开发的程序部分就是这一层。2.1.4zigbee 的分类及功能作用Zigbee 组成的网络中包括三种设备类型：协调器（coordinate），路由器（root），终端节点（device）。（1）协调器协调器是每个独立的 Zigbee 网络中的最重要的设备，也是唯一的一个协调器设备，因为协调器工作之一就是组建网络。在组建网络中首先要做的是信道的扫描，一般来说，zigbee 协调器默认的信道就是 11，具体的设置程序在 f8wConfig.cfg 这个文件中可以找到，f8wConfig.cfg 中还有一个跟网络组建有关的参数：ZDAPP_CONFIG_PAN_ID，这个参数是用