1、 课程设计报告 2014 2015 学年第 一 学期 课程名称 综合实训项目 设计题目 智能家居（控制与通信的实现） 2014 年 9 月 3 日 2 基于物联网的智能家居系统设计 摘要 物联网作为朝阳的产业，被列为国家五大新兴战略性产业之一。物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。智能家居是以住宅为平台，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备集成形成智能家居系统的居住环境。物联网智能家居通过家
2、居智能管理系统的设备来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。本文结合了物联网和智能家居的相关技术，将传感器、控制器等设备通过无线技术连接和采集数据信息的处理，实现了使用传感器采集室内温度，光线等数据，在嵌入式终端中进行信息的读取和处理，做出相应的操作。整个过程涉及到基于 ZigBee 的无线传感网络和利用 Java socket 实现双机通信的应用。该设计分为以下几个部分：一、首先分析课题来源 与市场需求，然后对整个系统进行了概述；二、对该系统的框架进行介绍；三、对整个系统的软硬件设计进行详细的介绍。本论文设计是基于物联网和智能家居相结合的背景下，实现了对家居环境中的光线，温度，烟雾等因素
3、的实时监测，并通过利用 Java socket 实现双机通信和管理系统作出相应的控制，以提升家居环境的安全性、舒适性、便利性。 关键词：物联网，智能家居，无线传感网络， Java socket 关键词 3 目录 1 绪论 .1 1.1 物联网智能家居系统概述 .1 1.1.1 物联网智能家居系统开发背景 .1 1.1.2 物联网智能家居系统意义 .2 1.1.3 物联网智能家居系统现状 .2 1.2 论文的结构 .3 2 系统开发工具 .4 2.1ZigBee 技术 .4 2.1.1ZgBee 特点 .5 2.1.2ZigBee 技术的优势 .6 2.2 无线传感器网络 .7 2.3Java
4、socket 双机通信模块 .7 3 需求分析 .9 3.1 实际业务工作流程 .9 3.2 设计目标 .10 3.3 设计特点 .10 3.4 设计原则 .11 3.5 功能需求 .11 4 系统设计 .13 4.1 传感器节点 WSN 网络模块设计 .13 4.2 嵌入式服务器终端模块设计 .15 4 4.3Java socket 双机通信模块 设计 .20 5 结束语 .25 附录 1 绪论 随着人们生活水平的提高和科技的发展，家居智能化已成为一种必然趋势而深入千家万户。家居智能化是利用计算机、通信、网络、电力自动化、信息、结构化布线、无线等技术将所有不同的设备应用和综合功能互连于一体的
5、系统。它以住宅为平台，兼备建筑、网络家电、通信、家电设备自动化、远程医疗、家庭办公、娱乐等功能，集系统、结构、服务、管理为一体的安全、便利、舒适、节能、娱乐、高效、环保的居住环境。 1.1 物联网智能家居系统概述 这个章节主要分三个部分介绍：物联 网智能家居系统的开发背景，开发意义和应用现状。 1.1.1 物联网智能家居系统开发背景 2009 年 1 月， IBM 公司提出了 “智慧地球 ”的理念； 2009 年 8 月，温家宝在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时，提出了 “感知中国 ”。物联网被预言为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，一时间很多人预见到了一
6、场新的技术革命。现代社会努力创造着舒适的环境，空调的出现让人们得到了舒畅的体验。在使用空调时，人们出现了两种心态，有的人怕浪费电，在家里没人的时候把空调关掉，可是回到家时却不得不面对冷冰冰 或热烘烘的情况；也有的人为了舒适一直开着空调，长时间地让空调运转既费电又影响使用寿命。进入新世纪，我国人民的物质文化生活水平不断提高，5 移动通信的飞速发展给人们的生活注入新鲜血液，丰富了人们的生活。众所周知，越来越多的人拥有自己的手机，而我国移动网络的铺建将使我们更好地在移动网络的世界里遨游，如果能够通过手机来远程控制家里的空调，让人们在到家之前把家里的空调打开，当我们迈进家门时，舒适的温度会使我们的心情
7、更加愉悦。在互联网已经普及的今天，互联网已经联系起了每一个人，随着各种消费电子的智能化，还有无线传感器的迅 速发展，人们想到了是否可以用网络将每一个物体都联系起来，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。这样就形成了一种新的网络，被称为物联网。物联网的核心仍然是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。而从 20 世纪 80年代开始，随着大量采用电子技术的家用电器面世，直到现在，经过了 30 年的发展，家用电器已经普及，而且具有了很高的智能化。这时人们便开始追寻一种更加智能的家庭管理方式，希望实现安保，防灾，家电一体化控制，这就是智能家居的原型。对于
8、物联网的出现，大大加快了智能家 居的发展。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是家居行业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于家居设备的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量，物联网是下一个超过万亿的行业。 1.1.2 物联网智能家居系统意义 社会经济的发展，信息化程度的不断提高，人们生活节秦的不断加快，使人们对居家环境智能化的程度也提出了更高的要求。当人们离开自已的居住环境时，如何获取家中的环境信息，已成为一种现实需求，基于 Internet 与 GSM 网6 成为可选择的发展
9、方向。利用互联网传输信息具有信息量大、直观等优势，但目前实现成本相对较高，阻碍其进入普通家庭。近年来，短消息业务（ SMS）作为GSM 的一种增值服务，随着 GSM 网络覆盖范围的不断扩大，得到了迅速发展，它具有传输速度快，费用低，不占用语音通信通道等优点 ,本系统重在研究基于SMS 短信业务，一种操作方便、经济、实用、可扩展性好的智能家居控制系统。 物联网智能家居产品融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体，将各种家庭设备 (如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调 控制、安防系统、数字影院系统、网络家电等 )通过智能家庭网络联网实现自动化，通过宽带和无线网络，可以实现对家庭设备
10、的远程操控。与普通家居相比，智能家居不仅提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间，实现更智能的家庭安防系统 ;还将家居环境由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能。物联网中的无线传感器应用对家庭的智能防灾，灯光控制，以及家电联网都提供了一种很好的解决办法。而且使用 Java socket 双机通信模块 ，可以将家庭中的突发事件信息告知户主，并且进行智能报警。这样就极大降低了家庭意外 灾难的损失。 1.1.3 物联网智能家居系统现状 智能家居是利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统。家庭网络是在家庭范围内（可扩展至邻居、小区）将 PC、家电、安全系统、照
11、明系统和广域网相连接的一种新技术。网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术和智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电是一种价格低廉、操作简便、实用性强、带有 PC 主要功能的家电产品。物联网智能家居现在7 处于起步阶段，由于智能家居受产品生产厂家的限制，在短时间内还没有统一的标准协议，所以一般都是一个厂家单独做系统研发的。 智能家居产品大规模批量化生产还需要时间加之协议不统一，随之带来的就是产品成本相对较高。国内从事智能家居行业的生产厂家鱼龙混杂，良莠不齐，有独立从事智能家居系统的生产企业，有家电行业兼做智能家居系统，有安防企业兼做智能家居系统的，还有运营商也参与到智能家居行业的，各
12、自的出发点不同，所以生产出的产品也就各不相同产品质量参差不齐，影响了消费者对智能家居产品的信任；再者智能家居行业的售后服务水平较低，智能家居系统相对比较复杂，系统之间的关联性较大，出问题的几率相对较高，这时候如果售后服务不能到位的话则会严重影响客户 对智能家居产品的满意度。这些问题严重制约了智能家居行业的发展。所以目前在中国只有少部分用于试点研究安装，真正用于生活的还不多见。 1.2 论文的结构 论文的结构主要分四个部分： 1.绪论。主要介绍物联网智能家居的背景、意义、现状。 2.系统开发工具。主要介绍系统设计需要的技术工具。 3.需求分析。主要介绍系统功能需求性。 4.系统设计。主要介绍系统
13、各个部分设计。 2 系统开发工具 该部分主要介绍系统所采用的技术及开发工具，涉及 ,采用的架构 ZigBee 技术的模块、无线传感器网络（ WSN）、 Java socket 双机通信模 块 等。 2.1ZigBee 技术 8 无线传感器技术是目前无线通信领域内研究的一个热点技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。所谓传感器网络是由大量部署在一定区域内的、具有无线通
14、信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络 的节点间距离很短，一般采用多跳 (multi-hop)的无线通信方式通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户远程访问 4。 ZigBee技术译为紫蜂技术，是一个有关组网、安全和应用软件方面的新型传感器网络，被称作 IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准在标准化方面， IEEE802.15.4 工作组主要负责制定物理层和 MAC 层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由 ZigBee 联盟负责。其结构
15、简单、低功耗、低速率、低成本和可靠性高 的双向无线网络通信技术，主要适合于自动控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。完整的 ZigBee 协议套件由高层应用层、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。其协议如图2-1 所示： 应用层汇聚层网络层 LLC 数据链路层 MAC 物理层 图 2-1IEEE802.15.4 协议架构 物理层分别是 2.4GHz物理层和 868 915MHz物理层，它们都基于DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频 )技术，使用相同的物理层数9 据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长 度和传输速率。其中
16、 2.4GHz波段为全球统一的无需申请的 ISM 频段，有助于 ZigBee 设备的推广和生产成本的降低，该频段的物理层使用了 16 个信道、 250kb/s 的传输速率。数据链路层分为逻辑链路控制子层 (LLC)和介质访问控制子层 (MAC)。 LLC 子层功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输； MAC 层通过SSCS(ServiceSpecificConvergenceSublayer，业务相关的会聚子层 )协议能支持多种 LLC 标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除、确认模式的帧传 送与接收、信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。网络层采用
17、基于 adhoc 技术的网络协议，功能包括拓扑管理、 MAC 管理、路由管理和安全管理根据节点的不同角色，可分为全功能设备 (FullFunctionDevice； FFD)与精简功能设备 (ReducedFunctionDevice； RFD)。前者具备控制器 (Controller)的功能，能够提供数据交换；后者电路较为简单且存储体容量较小，只能传送数据给 FFD或从 FFD 接收数据。应用汇聚层负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络层上，包括安全与鉴权、多 个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。应用层定义了各种类型的应用业务是协议栈的最上层用户。 2.1.1ZgBee 特点 无线传
18、感器网络 (WSN)由大量的节点根据自组织网络的方式构成，一般节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过无线自组织传输网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，可以实现对任意地点的信息在任意时间的采集、处理和分析 5。无线传感器网络结构如图 2-2所示 (虚线表示无线链路，实线表示有线链路 )。 1.无中心。 WSN 没有严格的控制10 中心，所有节点地位平等，是一个 对等式网络 。 节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 2.自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各
19、自的行为 ,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 3.动态拓扑。 WSN 是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其它故障，退出网络运行，也可能由于工作的需要而被添加到网络中。ZigBee 会根据网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。 4.节点数量众多，分布密集。 WSN 节 点数量大、分布范围广。这样的无线传感器网络具备一定的软、硬件健壮性和容错性。 2.1.2ZigBee 技术的优势 1.低功耗。在低耗电待机模式下， 2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 6-24个月，甚至更长。这是 ZigBee 的突出优势。相比较，蓝
20、牙能工作数周、 WiFi可工作数小时。 2.低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的 1/10）降低了对通信控制器的要求 ， 按预测分析，以 8051 的 8 位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB 代码，子功能节点少至 4KB 代码，而且 ZigBee 免协议专利费。 3.低速率。ZigBee 工作在 250kbps 的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。 4.近距离。传输范围一般介于 10 100m之间，在增加 RF 发射功率后，亦可增加到 1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。 5.短时延。 ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点连接进入网络只需 30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要 3-10s、WiFi需要 3s。 6.高容量。 ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主
