智能家居中的空调与照明系统设计

毕毕 业业 设设 计计 论 论 文 文 题 目 智能家居中的空调与照明系统设计 系 分院 信息学院 专业 计算机网络技术 物联网 姓 名 费炎良 指导教师 洪顺利 年 月 日 费炎良 浙江交通职业技术学院 信息学院125112班 12511219 摘要 智能家居是随着人们对居住环境的要求的提高而逐渐形成发展起来的 相对于传统 家居环境 智能家居能满足人们对家庭设备间互联互通以及家庭环境全方位监控要求 而 空调与照明系统的设计则是对其舒适度方面进行着手 传统的智能家居系统多采用有线方 式组建 如CEBus Ethermet RS485等 它们最大的缺点就是增减设备都需要重新布线 不 二麻烦而且影响美观 另一方面 系统的可扩展性和移动性也差 安装和维护成本高 当 今短距离无线技术已经得到了很到的突破 采用短距离无限通信技术很很好的解决以上问 题 并且能减小能耗 提升可扩展性 本文在设计基于 ZigBee 家庭短距离无线通信技术基础上的智能家居中的空调与照明系 统 详细分析了 ZigBee 协议各个层次在此基础上 选择采用 ZigBee 星型网络拓扑模型实 现智能家居中空调与照明传感器网络系统 并给出了系统方案的设计原理图 做到最舒适 最健康的家居体验 关键词 ZigBee 智能家居 空调照明 1 ZigBee 1 1 了解 ZigBee ZigBee 是基于 IEEE802 15 4 标准的低功耗局域网协议 根据国际标准规定 ZigBee 技术是一种短 距离 低功耗的无线通信技术 这一名称 又称紫蜂协议 来源于蜜蜂的八字舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞 翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞蹈 来与同伴传递花粉所在方位信息 也就是说蜜蜂依靠这样的方 式构成了群体中的通信网络 其特点是近距离 低复杂度 自组织 低功耗 低数据速率 主要适合用 于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各种设备 简而言之 ZigBee 就是一种便宜的 低功耗的近距离 无线组网通讯技术 ZigBee 是一种低速短距离传输的无线网络协议 ZigBee 协议从下到上分别为物理层 PHY 媒体访问控制层 MAC 传输层 TL 网络层 NWK 应用层 APL 等 其中物理层和媒体访问控 制层遵循 IEEE 802 15 4 标准的规定 1 2 ZigBee 协议分析 3 ZigBee 技术的基础就是 IEEE802 15 4 标准 1998 年 3 月 IEEE 标准化协会正式批准成立了 IEEE802 15 工作组 致力于 WPAN 网络的 PHY 层和 MAC 层的标准化工作 目标是为在个人操作空间内相 互通信的无线通信设备提供通信标准 POS 一般是指用户附近 10 米左右的空间范围 这个范围内用户可 以是固定的 也可以是移动的 2000 年 12 月 IEEE 成立了 802 15 4 小组 负责制定物理层与介质接入 控制层 但仅仅定义了物理层 PH 均与介质接入控制层并不足以保证不同设备之间可以对话 于是便有了 ZigBee 联盟 ZigBee 联盟从 IEEE802 15 4 标准开始着手 目前正在定义允许不同厂商制造设备相互对 话的应用纲要 例如 ZigBee 联盟 灯纲要 会确定相关的所有协议 从而能够使 A 公司买的 ZigBee 灯开关与 B 公司的正常工作 同时 ZigBee 联盟对其网络层协议进行了标准化 还开发了安全层 以保 证这种便携设备不会意外泄露其标识 而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得 1 3 ZigBee 协议的应用领域 ZigBee 通信协议虽然是是面向低功耗和低成本的通信技术的 但 ZigBee 协议是能够保证通信的可 靠性的 而且 ZigBee 协议的另一大优势就是使网络的自组织 自愈能力也很强 ZigBee 的自组织功能 无需人工干预 网络节点能够感知其他节点的存在 并确定连接关系 组成结构化的网络 ZigBee 的自 愈功能 增加或者删除一个节点 节点位置发生变动 节点发生故障等等 网络都能够自我修复 并对网 络拓扑结构进行相应地调整 无需人工干预 保证整个系统仍然能正常工作 1 4 ZigBee 协议栈结构和原理 IEEE802 15 4 协议栈由一组子层构成 每层为其上层提供一组特定的服务 一组数据实体提供数据 传输服务 一个管理实体提供全部其他服务 每个服务实体通过一个服务接入点 SAP 为其上层提供服 务接口 并且每个 SAP 提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能 虽然 IEEE802 15 4 协议栈是基 于标准的七层开放式系统互联模型 但只定义了最下面的两层 物理层和介质接入控制层 ZigBee 协议 结构模型如图 1 1 所示 由图 1 1 可知 ZigBee 联盟提供了网络层 应用层框架的设计 其中应用层的 框架包括了应用支持层或应用程序接口 ZigBee 设备对象和由制造商制定的应用对象 网络层负责确定 拓扑结构和维护 以及命名和绑定服务 且完成寻址 路由和安全的任务 这里建立在 IEEE802 15 4 标 准上的网络层被设计成自组织和自维护的形式 应用层负责为网络应用程序提供网络通信的服务 ZigBee 应用层除了提供一些必要的函数以及为网络层提供合适的服务接口外 一个重要的功能就是应用 者可在这层定义自己的应用对象 4 图 1 1 ZigBee 结构模型图 2 智能家居中的空调与照明 2 1 设计方案与 ZigBee 节点布置 图 2 1 信号覆盖示意图 就图 2 1 而设计的智能家居中空调与照明系统我们可以分成俩个板块 空气温湿度和空间光亮进而进行 5 传感器的分布设计 来实现节能 省钱 方便 舒适 2 1 1 空气温湿度 空气温湿度是对已整个居住环境而言 所以就需要全方面的覆盖传感器 对于传感器的选择就为无 线温度湿度传感器主要用于探测室内 室外的温度 湿度 虽然绝大多数空调都有温度探测功能 但由 于空调的体积限制 它只能探测到出风口空调附近的温度 这也正是很多消费者感觉感觉其温度不准的 重要原因 有了无线温湿度探测器 你就可以确切地知道室内准确的温湿度 其现实意义在于当室内温 度过高或过低时能够提前启动空调调节温度 比如当你在回家的路上 家中的无线温度湿度传感器探测 出房间温度过高则会启动空调自动降温 等你回家时 家中已经是一个宜人的温度了 其中空调的调节起到了至关重要的最用 所以空调的开关也成为了实现的关键 就一般家居而言中 央空调的选择微乎其微所以无线红外转发器成了关键 这个产品主要是用于家中可以被红外遥控器控制的 设备 比如空调 电动窗帘 通过无线红外转发器 你可以通过手机远程遥控空调 你也可以不用起床 就关闭窗帘等 它可以将传统的家电立即转换为智能家电 其次便是通过窗户的开关来控制空气流通来 调节用无线自动开窗器 2 1 2 空间光亮 空间光亮只要在于自然光和人造光之间如何做到最优协作则必须要收集屋外光强和屋内光强 内部光 强用无线光照传感器主要用于探测室内光照度 在照度偏低时可联动调光开关 可以联通智能灯具调节 光线强度 自动开启照明 而外部光强则需无线自动窗帘可以根据时间 光照强度 控制命令 情景模 式自动打开 2 2 控制模块 对于联通各大控制器与传感器已经用户端 手机 则需要一个无线网关 WL GW A 物联无线网关 是一款基于 ZigBee 协议的通信设备 提供标准的以太网接口 可以将 ZigBee 无线网络随时联通互联网 通过物联无线网关的连接 可以方便用户使用手机 PAD 等各种移动智能终端 轻松控制任何基于 ZigBee 协议的产品 实现无线数据高速 安全 可靠传输 3 硬件需求 类别型号名称实物图 6 WL TH 01 无线温度湿度 传感器 WL LD 01 无线光照传感 器 传感器 WL AQD A01 无线空气质量 探测器 WL ICS A01 无线智能插座 WL ZRFC 01 无线红外转发 器 控制器 WL ICS B01 无线智能安全 插座 墙面型 7 WL ICS C01 无线竖岛智能 插排 WL WCC 01 无线自动窗帘 WL GW A 无线网关 WL DS A01 无线调光开关 控制器 WL WAC 01 无线自动开窗 器 智能灯具 WL SL TD 03 无线智能灯具 8 扩大网络覆盖 区域 WL R A 无线中继器 以上硬件皆为南京传感器有限公司产品 参考文献参考文献 四号 黑体 顶格 1 瞿雷 刘盛德 胡咸斌 ZigBeeE 技术及应用 北京航空航天大学出版社 2007 9 2 宁焕生 张彦 RFID 与物联网 射频 中间件 解析与服务 电子工业出版社 2008 4 3 金纯 罗祖秋 罗凤 陈前斌 ZigBee 技术基础及案例分析 国防工业出版社 2008 1 4 张瑞武 智能建筑 北京 清华大学出版社 1996 5 赵晨 何波 王睿 基于射频芯片 CC2420 实现的 ZigBee 无线通信设计 J 微计算机信息 2007 6 张维勇 冯琳 魏振春 ZigBee 实现家庭组完技术的研究 合肥工业大学学报 2005 7 7 2 3 致谢 首先 我要感谢我的导师洪顺利 他严谨细致 一丝不苟的作风一直是我工作 学习 中的榜样 给了起到了指明灯的作用 他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启 迪 让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中 其次我要感谢同组同学对我的帮助和指 点 没有他们的帮助和提供资料 没有他的鼓励和加油 这次毕业设计就不会如此的顺利 进行 此次毕业设计历时三个月 是我大学学习中遇到过的时段最长 涉及内容最广 工作 量最大的一次设计 用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把以前的小课程设计 综合在一起的过程 只要把握住每个小课设的精华 环环紧扣 增强逻辑 那么这次的任 务也就不难了 我此次的任务是做一个项目的招标文件 虽说老师说的话