1、 毕业设计（论文）任务书 题目： 智能家居网络无线传感器节点的硬件设计 系 名 信息工程系 专 业 自动化 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 副教授 一、原始依据 家居智能化系统的概念起源于上世纪 70 年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90 年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人，至今已存在相当数量的智能化小区及住宅。所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。 无线传感器网络是由
2、传感器技术，微机电技术，现代网络技 术和无线通信等技术有机综合后得到的新产物。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的综合性传感器网络 ，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息，从而使用户的操控能力更强 ,更人性化。 二、参考文献 1 王锐化 ,益晓新 .ZigBee 与 Bluetooth 的比较及共存分析 J.测控技术， 2005,12（ 6）：17-19. 2 赵红礼 ,吴昊 ,黄清 .无线局域网 J.科学出版社 ,2004,10(5):9-10. 3 周敬利 ,陈太坤 ,余胜生 ,王有成 .基于 Blucotot
3、hd 的 WAPN 的研究与实现 J.计算机工 程 ,2003,11(6):10-13. 4 龙承志 ,马玉秋 ,沈树群 .基于低速率的短距离无线通信网络新技术一 ZigBeeJ.数据通信 ,2005,12(l):7-8. 5 马祖长 ,孙怡宁 ,梅涛 .无线传感器网络综述 J.通信学报 ,2004,25(10):3-5. 6 崔莉 ,鞠海玲 ,苗勇 ,李天璞 ,刘巍 ,赵泽 .无线传感器网络研究进展 J.计算机研究与发展 ,2005,42(7):15-17. 7 IEEE Std 802.11b-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Hig
4、her speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999. 8 IEEE Std 802.11a-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999. 9 IEEE Std 802.11g-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer
5、 extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,2003. 三、设计（研究）内容和要求 基于研究无线数据采集与传输一体化集成技术在家庭智能化中的应用。采用基于 ZigBee 技术的遵循 IEEE802.15.4 标准的低功耗无线收发器 IP-Linkl000，进行 无线传感器网络节点的开发，实现家庭无线监控网络与小区以太网互联 。具体要求如下： 1、研究 ZigBee 技术的技术标准及技术优势 ,并分析 ZigBee 网络的协议框架结构， 对网络层、数据链接层、 MAC 层和物理层进行说明。 2、熟悉 智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构。 3、分析各节点
6、之间的工作与通信原理 ,设计出传感器节点的核心处理器电路 ,供电电路 ,信号调理电路和通讯电路的设计。 指导教师（签字） 年 月 日 审题小组组长（签字） 年 月 日 天津大学仁爱学院本科生毕业设计（ 论文）开题报告 课题名称 智能家居网络无线传感器节点的硬件设计 系 名 信息工程系 专 业 自动化 学生姓名 指导教师 一、课题来源及意义 智能家居系统真正起源于 1985 年，美国建成了首栋智能化的写字楼，其基本理念就是利用计算机系统的处理能力，来实现对大楼的空调、电梯、照明设备等进行智能的监测和控制，将以前采用人工控制的参数全部改为自动化设置，这便是世界上第一栋智能型建筑，智能家居系统从此步
7、入了实用阶段 1。所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。 无线传感器网 络是由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等技术有机综合后得到的新产物 2。无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的综合性传感器网络 3，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息：如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给用户。从而使用户的操控能力更强 ,更人性化 4。 二、国内外发展现状 随着世界上第一例智能家居应用实例的出现，欧洲，美洲等区域
8、内的 大部分国家都推出了各种智能家居解决方案。目前 ,美国、英国、日本等国的智能家居系统都开始充分的渗透进入居民的日常生活中去。 无线传感器网络的出现是信息感知和数据采集的一场革命 5。美国商业周刊和技术评论杂志在预测未来技术发展的报告中 ,都不约而同的将无线传感器网络视作最具影响的 21项技术和改变世界的 10 大技术之一 6。无线传感器网络与塑料电子学和仿生人体器官并称为全球未来发展的三大高科技产业 7。 无线传感器节点是无线智能家居的基础单元，节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。 目前传感器网络已经引起 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
9、2003 年制定了传感器网络研究计划，投资 3400万美元，支持相关基础理论的研究。美国很多大学都已经开展传感器网络的研究，其中最具代表性的是加州大学伯克利分校和 Intel 公司联合成立的“智能尘埃”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内能自动感知和通信的设备原型的研制 8。节点芯片上，有国际著名的芯片大厂如 IT、 Atmel 公司的处理器芯片、 Chipcon 公司的无线传输芯片等。软件上，很多著名的公司为节点的组网开发了软件 协议栈，加州伯克利大学研发的节点组网专用操作系统TinyOS,为无线传感网的组建和其他方面的测试研究提供了基础。 我国于 2000 年末才开始着
10、手于智能家居技术的研究和开发，由于有其他国家的经验和先例，加上国内企业的重视，经过近十年的研究和发展后正迅速逐步走向成熟 9。比如电子科技大学无线传感器节点的硬件设计，采用自行设计的 8位 RISC 结构低功耗 MCU 作为节点控制核心，使用门控时钟、两相时钟流水和休眠唤醒机制实现 MCU 的低功耗操作，利用 0.18 m CMOS 工艺实现该 MCU；设计并实现了无线传感器网络节点硬件 平台，在该平台上移植 Tinyos 操作系统，实现了多跳路由结构的无线传感网 10。 无线组网技术有 HomeRF 技术、 IEEE802.11 协议族无线局域网技术、IEEE802.15.1蓝牙传输技术以及
11、 IEEE802.15.4/ZigBee技术。早期还使用过 IrDA红外技术，不过因其只能在直线可视范围内通信并且可移动性差等缺点己经近乎被淘汰，使用的范围已基本局限于遥控设备等领域。 HomeRF 技术常用于家居设备语音和数据的传输 11。 IEEE802.11 协议系列包括 802.lla、 802.llb、 802.llg与 802.lln 等众多版本，它们所使用的频段分别为 5GHz、 2.4GHz、 2.4GHz 和2.4GHz，传输速率分别为 54Mbps、 1IMbps、 54MbPs 和 300MbPs 及以上， IEEE802.11协议族多用于家庭数据信息的传输 12-14。
12、蓝牙技术主要在诸如移动电话、笔记本电脑、 PDA(个人数字助理 )和无线耳机等无线个人局域网领域得到了广泛的应用15。 ZigBee 技术是 IEEE802.15.4 的代名词，是一种新兴的技术，以其低功耗的特点己经广泛地应用于智能家居领域 16-18。 一方面，虽然 ZigBee 技术的传输速率要低于其他几种无线组网技术 ,但是智能家居控制网络无需传输很多的数据 ,应该说 25OKbPs 传输速率 (由于 90OMHz 频段被 GSM通信占用，国内只能选择 2.4GHz频段 )对于智能家居领域来说己经够用。另一方面， ZigBee 相对其他几种无线通信技术的最大特点就是支持的网络节点数目大、
13、功耗低以及使用成本低等，方便于智能家居网络的扩展 ,而且符合当前社会绿色、低碳、环保的时代要求。 三、研究目标 完成智能家居传感器节点模块的硬件设计 ,设计 CC2430 的应用电路、供电电路 I/O 与 AD 转换电路、传感器 信号调理电路以及 PC 通讯接口电路。 四、研究内容 1、研究 ZigBee 技术的技术标准及技术优势 ,并分析 ZigBee 网络的协议框架结构， 对网络层、数据链接层、 MAC 层和物理层进行说明。 2、熟悉 智能家居系统整体架构与无线传感器节点结构。 3、分析各节点之间的工作与通信原理 ,设计出传感器节点的核心处理器电路 ,供电电路 ,信号调理电路和通讯电路的设
14、计。 五、 研究方法与手段 1、通过研究参考文献，熟悉设计原理。 2、采用 CC2430 作为无线传感网络节点的核心，对核心电路、电源电路、自充电供电模块、充电自检模块设计等进 行试验。 3、根据试验结果、针对试验过程中出现的问题提出相应的解决方案，写出毕业设计论文 节点硬件体系结构框架图如下图： 传感器模块 处理器模块 通信模块 天线 六、可行性方案分析 采用 CC2430 作为无 线传感网络节点的核心，通过查找资料熟悉 CC2430 的工作原理，阅读相关文献及论文，分析设计要求并合理设计原理，通过现场调试、数据处理，最终完成设计。 传感器 A/D 转换 处理器模块 无线模块 电源模块 七、
15、进度安排 2014.12.16 2015.03.24 课题准备工作，撰写开题报告。 2015.03.25 2015.04.08 收集国内外相关资料整理 ,熟悉设计原理。 2015.04.09 2015.04.24 对设计方案进行模拟实验 。 2015.04.25 2015.05.10 对实验数据进行分析。 2015.05.11 2015.06.01 撰写毕业论文，准备答辩。 八、参考文献 1 王锐化 ,益晓新 .ZigBee 与 Bluetooth 的比较及共存分析 J.测控技术， 2005,12（ 6）：17-19. 2 赵红礼 ,吴昊 ,黄清 .无线局域网 J.科学出版社 ,2004,10
16、(5):9-10. 3 周敬利 ,陈太坤 ,余胜生 ,王有成 .基于 Blucotothd 的 WAPN 的研究与实现 J.计算机工 程 ,2003,11(6):10-13. 4 龙承志 ,马玉秋 ,沈树群 .基于低速率的短距离无线通信网络新技术一 ZigBeeJ.数据通信 ,2005,12(l):7-8. 5 马祖长 ,孙怡宁 ,梅涛 .无线传感器网络综述 J.通信学报 ,2004,25(10):3-5. 6 崔莉 ,鞠海玲 ,苗勇 ,李天璞 ,刘巍 ,赵泽 .无线传感器网络研究进展 J.计算机研究与发展 ,2005,42(7):15-17. 7 刘刚 ,周兴社 ,谷建华 ,李志刚 .自组织
17、、自适应无线传感器网络理论研究 J.计算机应用研究 ,2005,5(5):10-11. 8 李海光 .基于 IEEE+802.15.4-ZigBee 的无线传感器网络研究 R.硕士论文 .20080408. 9 周怡硕 ,凌志浩 ,等 .ZigBee 无线通信技术及其应用探讨 J.自动仪表， 2005， H（ 6）：4-5. 10 周亮 .无线传感器网络节点的硬件设计 J.单片机与嵌入式系统应用 .2007（ 7）： 14-16. 11沈永增 ,杨利亚 .智能家居无线数据的安全传输 J.计算机系统应用， 2010,19（ 8）：221-224. 12 IEEE Std 802.11b-1999
18、.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999. 13 IEEE Std 802.11a-1999.Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,1999. 14 IEEE Std 802.11g-1999.Wireless LAN MAC and
19、PHY specifications:Higher speed Physical Layer extension in the 2.4GhzbandS.IEEE Press,2003. 15沈玉龙 ,王馄 .智能家居控制系统设计 J.电子科技 ,2004,(5):47-50,54. 16 Dongmei Yan,Zhiguang Dan.ZigBee-based Smart Home System DesignC/3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering (ICACTE).Chengdu:I
20、EEE Press,2010 V2:650-653. 17 Xiang Gao,Li Zhao. Research and Design of smart Home System Based On ZigBee TechnologyC/2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence(ICMTMA2010).Sanya:IEEE press,2010:290-293. 18 Dae-Man Han,Jae-Hyun Lim.Smart Home Energy Manag
21、ement System using IEEE802.15.4 and ZigBeeJ IEEE transactions on consumer Electronics.2010,56(3):1403-1410. 19 IEEE Std.802.15.4-2003.IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 15.4.Wireless Medium Access Area Networks (LR-WPANs) S.IEEE Press,2003,26-38. 20 杨佑禄 ,童玲 ,田雨 .基于 CC2430 的无
22、线传感器网络节点的硬件电路设计 J.自动化信息 ,2009,93(l):29-30. 21 郑少仁 ,王海涛 ,赵志峰 .AdHoc 网络技术 M.北京 :人民邮电出版社 ,2005,15-50. 22 王久鹏，尚春阳， ZigBee 和 GPRS 技术在无线监控系统中的应用 J.电讯技术， 2008,45（ 4）： 100-102. 23 Howitt I, Gutierrez JA.IEEE 802.15.4 low rate-wireless personal area network coexistence issues J.Wireless Communications and Ne
23、tworking, 2003.8(3):20-32. 选题是否合适： 是 否 课题能否实现： 能 不能 指导教师（签字） 年 月 日 选题是否合适： 是 否 课题能否实现： 能 不能 审题小组组长（签字） 年 月 日 智能家居网络无线传感器节点的硬件设计 摘 要 随着科技的持续发展以 及人们对于家居环境的不断追求，智能家居得到了飞速发展，具有巨大的市场潜力。相比于其它各种组网方式 ,ZigBee 无线组网方式具有网络规模大、功耗低、使用成本低以及便于扩展等优点；传感器网络技术通过布置各种传感器，能够方便地感知各种家居信息，在智能家居领域有着独特的优越性，同时借由 ZigBee 技术的独特优势 ,以它为核心搭建的无线智能家居系统成为目前最优秀的智能家居解决方案 ,也是几年内智能家居发展的一个重要方向。 在介绍了智能家居的背景与 ZigBee 技术之后，分别对 无线传感器节点的硬件与软件进行设计。硬件部分主要 进行了 CC2430 核心电路、电源电路、晶振、复位电路与 AD 基准电压电路、传感器模块和通信模块等设计。软件部分主要设计了基于 CC2430 的 TinyOS 移植和传感节点通讯功能实现等内容。最后对整篇论文进行了总结与展望。 关键词 ： 智能家居，硬件设计，无线传感器节点， ZigBee， CC2430
