基于物联网的智能家居系统设计.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 毕 业 论 文基于物联网的智能家居系统设计（硬件设计）Design and realization of the management information system about the electric apparatus（Hardware Design）学院名称： 电气学院 专业班级： 电信0902班 学生姓名： 陈悦飞 指导教师姓名： 李正明 指导教师职称： 教授 2013年6月 江苏大学毕业论文 基于物联网的智能家居系统设计专业班级：电信0902 学生姓名： 陈悦飞指导教师：李正明 职 称 ： 教授 摘要 现代科技的飞速发展，智能科技的概念也应运而生，随着人们对生活生活品质的要求逐渐提高，传统的家居配置已经远远不能满足人们的需求，因此，基于物联网的智能家居控制正慢慢地走进人们的生活中来。这种新型的智能家居控制系统是在已有的家居条件的基础上，把舒适、安全家居生活很好的融进人性化的高科技管理模式，不仅能实现设备与设备之间的控制，还能实现人为的远程控制、通讯的功能，其最终目标是实现家电设备、安防设备以及通信设备通过无线网络连接到智能控制系统中，由控制系统对家电及安防等设备进行异地监视与控制，从而为人们营造出更美好的生活环境。智能家居产品在中国有着相当广阔的市场前景，同时也面临着很大的挑战，目前智能家居控制系统受到价格偏高以及技术的局限性限制了它的推广。本文将以安防、智能、通信控制为研究对象，在无线传感网的基础上进行全面。深入的研究，并以ZigBee技术作为智能家居控制系统的组网核心技术，利用CC2430作为传感器节点的核心处理器的设计思想。经过查阅研究后完成了智能家居传感器节点模块软硬件设计，并做了具体的硬件设施的相关设计工作，设计了CC2430的应用电路、供电电路、AD转换电路、传输电路、传感器信号调理电路以及通讯接口电路。最后，对所设计的各部分功能模块进行仿真试验和测试，测试结果显该系统基本实现智能家居的要求，符合当今社会对提升家居生活质量的要求，具有一定的市场应用的前景。关键词：无线传感器节点、ZigBee、物联网、智能家居、CC2430Design of intelligent home furnishing system based on Internet of thingsAbstract: The rapid development of modern technology.The concept of intelligent technology also emerge as the times require.As peoples demands on quality of life gradually improve.The traditional home furnishing configuration has been far cant satisfy peoples needs, therefore, intelligent home furnishing network control is slowly into peoples life on the basis of. The intelligent home furnishing model of the control system is based on the existing home furnishing conditions, comfort, safety management mode of the high-tech home furnishing life well into the humanization, not only can realize the control between devices and equipment, also can realize remote control, communication and artificial function, its ultimate goal is to achieve the electrical home appliances, security equipment and communication equipment through a communication end connected to the intelligent control system for household appliances and security, equipment remote monitoring and control by the control system, so as to create a more wonderful life environment for people. Intelligent home furnishing products have a broad market prospect in China, also faces great challenge, the intelligent home furnishing control system by the high price and technical limitations restricted its application. This paper will take the security, intelligence, communication control as the research object, carries on the comprehensive based on wireless sensor network. In-depth study, taking ZigBee technology as the core technology of intelligent home furnishing network control system, using CC2430 as the core processor design idea of sensor nodes. After inspection of the hardware and software of the intelligent home furnishing sensor node module design, and make the relevant design of specific hardware facilities, the application circuit, the CC2430 power supply circuit, AD conversion circuit, transmitting circuit, sensor signal conditioning circuit and communication interface circuit design. Finally, the simulation test and the test of each function module design, test results show the system realizes intelligent home furnishing requirements, meet the requirements of the society for promoting life quality of home furnishing, has certain market application prospect.Keywords: wireless sensor nodes、ZigBee、Internet of things、Intelligent home furnishing、CC2430目 录第一章 绪 论11.1智能家居概述11.2 选题的目的和意义21.3 其他国家智能家居发展情况31.4 智能家居系统的特点及发展趋势51.5 论文的研究内容与文章结构61.5.1 论文的研究内容61.5.2 论文的文章结构8第二章 ZigBee技术研究92.1 总体思路92.2 ZigBee技术概述92.2.1 ZigBee的技术标准92.2.2 ZigBee的技术优势102.3 网络拓扑结构102.4 ZigBee技术体系结构122.4.1 物理层132.4.2 媒体介入控制层（MAC层）132.4.3 网络层142.4.4 应用层152.5 ZigBee的应用范围152.5.1 ZigBee的应用条件152.5.2 ZigBee的应用实例152.6 本章小结16第三章 智能家居系统硬件设计173.1 智能家居系统总体框图设想173.2 CC2430核心电路设计193.3 电源电路设计223.4 窗帘控制节点硬件设计243.5 温湿度传感器电路设计253.6 GSM模块电路设计263.7 万能遥控器控制节点硬件设计273.8 LCD液晶屏接口电路273.9 本章小结29第四章 智能家居系统软件设计304.1 智能家居系统软件开发304.1.1 系统软件简介304.1.2 系统软件架构304.1.3 网络协议算法介绍314.2 ZigBee协调器模块314.3 系统应用子功能模块33第五章 总结和展望355.1 全文总结355.2 本文后续工作的展望35致谢37参考文献38V第一章 绪 论1.1智能家居概述 智能家居的系统结构可以大致划分为内网、网关和外网三个部分1。内网是负责连接各种家用电器的局域网，由于其需要连接的终端设备种类繁多数量庞大,相应的组网形式也多种多样，需要具体对象具体分析。家庭内网按照不同的任务分配可以大致划分为三类：控制家用电器及相关设备的控制网络，采集信息并对其进行交换和分析的数据网络以及传输音频或者视频数据的多媒体网络2。 家庭网关的作用是负责连接家庭内网和外网,通过家庭内外网络的互联，实现外网控制内网的操作；同时家庭网还负责桥接各种不同的内网规格，使子网内的各个联网设备之间可以实现相互通信。外网则是小区局域网、Internet等，一般采用比较成熟的通讯方式来达到远距离信息传输的目的。 本文研究对象是家庭内部通讯网络,其中包括负责内外网互联的家庭网关和负责采集数据和执行操作的传感器节点。家庭网关的实际作用是充当家庭信息资源处理中心，是家庭内部网络的核心，肩负着组网和对节点进行控制的任务3。家庭网关的任务是利用组网技术连接家庭网络中安装的传感关节点，再通过标准的通信协议实现智能家居对内网的检测和管理，并且作为家庭内网与外部网络信息互连的纽带4。智能家居发展到现在，能实现多种常用且实用的功能，如：无线红外监测、温湿度监测、瓦斯泄漏监测、无线门禁控制等，但是实现这些功能都需要智能家居网关来作为系统的支撑，没有家庭网关，就无法实现智能家居系统的构建5。本文主要关注的对象是智能家居中的无线传感器监测网络，所以，网关上主要实现的是家庭内部各数据监测网络和传感器网络之间的数据通信功能6。图1-1 智能家居结构示意图智能家居系统需要实现的功能大概有以下几个方面： 1)家庭安防功能：目前家庭安防系统主要功能是监控非法闯入、火警和煤气泄漏的发生。一旦出现问题事件，传感器采集的数据返回到处理终端，终端向网关发出报警信号,家庭网关接受报警信号后向物业保安心发出报警信息，并且启动相关设备进入应急状态,及时处理事件，降低用户损失。 2)家电智能控制：对家电实行智能控制,如定时开关电器，或者根据动态采集的室内温湿度数据，智能控制空调工作状态。 3)灯光智能控制：根据不同的室内自然光强度，智能控制灯管的发光强度，并且通过红外感测机构智能控制照明设备的开关及其照明强度。目前智能家居系统主要应用于家庭安防、智能抄表、无线监测等领域7，目前技术能力和成本要求来说，由于受到传输技术、网络平台、家庭实际消费能力的限制，完全意义上的全智能家居系统还无法称为现实，但是利用无线传感器技术的强大的自适应与自由扩展的能力，只要在设计系统时预留一些相应的扩展物理接口，当需要添加设备或是技术更新时不需要对现有系统进行改造，只需通过FIRMWARE升级和传感器节点的扩充即可实现升级8。1.2 选题的目的和意义 在国家2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案文件中，明确表达“将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向”这一目标。对此，在智能化住宅小区建设的基础上，智能家居的建设将蓬勃发展。同时，国家建设部也作出明确要求：“到2010年，大中城市中60%的住宅要实现智能化”。目前，根据国家建设部科技委智能建筑技术开发推广中心的报告称：随着环保、健康、安全、舒适的智能家居逐步普及，家居智能化的比例会大幅增加，目前已达到20%左右；按照智能家居每年500多万套的速度发展，智能家居市场对智能产品的需求量将大幅度的增长。另外，随着我国居民生活水平的提高，人们对家居生活的水平、品位有了更高的要求，这使得智能家居逐渐走进老百姓的视野。最近,国家住房和城乡建设部政策研究中心主任陈淮在某论坛上表示，截止到2008年末,中国城镇实有住房总量以达124亿平方米，若要在100平方米的房子里选择安防和家电控制两大基本简易型配置，目前按照国内厂家主流产品的所提供的配置方案，整套产品最便宜其价格要5000元。若需高配置，价格可达数万元。按照每平方米50元计算，124亿平方米的城镇住宅面积，除去已达到智能家居水平的20%住宅面积，如按40%实现智能化计算，单就这部分智能化系统的投资就可达2480亿元，若加上对智能家居进行设备的完善与升级，其投资额度还会继续上升，如果考虑设备的维护等因素，其经济社会效益均不可低估。 从互连网搜索到的智能家居产品报价单，我们了解到，一个网络开关最少也要300元，最普通的遥控器也要近200元，从消费者心理角度考虑，目前的智能家居大部分产品价格还是偏贵的。从以上分析我们看到,智能家居系统在中国这样一个大市场里有着非常广阔的前景，我们同时也看到目前的智能家居系统受到价格等因素的限制在推广上出现一定困难。本文以安防、智能、通信控制系统为研究对象，在无线传感网的基础上进行全面、深入研究，最后提供出一套性价比高的智能家居系统解决方案，促进智能家居的全面推广。1.3 其他国家智能家居发展情况 智能家居的概念要追溯到上世纪 90 年，美国建成了全世界第一栋智能建筑，但之后的很长一段时间，由于相关技术发展不成熟，智能家居发展非常缓慢1011。进入 21 世纪以来,现代微电子技术的发展带动了智能住宅的发展，使计算机技术与建筑融为一体，让人们的工作和生活更加舒适，安全和便捷。但由于智能家居装饰的发展受技术和经济两个因素的制约，长期以来使家庭难以接受，国内仅在办公楼宇、宾馆、酒店和少数特殊场合中有些应用。近几年随着科技的发展。人们的购买力不断提高，产品成本不断降低，使智能产品走向家庭成为可能。如近年出现了一些智能化小区，一些高档住宅和别墅也安装了智能系统1213；一些家庭在进行家庭装饰中已经考虑预埋线路组建网络，有的已经安装可视门铃，有的安装了家庭影院等。预计 2020 年智能家居产品将大量进入家庭。随着智能家居市场的迅速发展，国内外许多计算机领域、通信领域、电子和家电行业的巨头都认识到智能家居具有巨大市场潜力，纷纷进入了这个领域，都开始建立自己在智能家居领域的公司，投入大量的资金和人才，准备在智能信息家电领域大展拳脚，确立自己公司在该领域的地位。目前市场上的智能家居产品已经非常丰富，相关智能家居方面的技术也日新月异。但是智能家居毕竟是个新的领域，缺乏统一的行业标准，市场上的产品普遍存在兼容性差，不符合用户需要，运行稳定性难以保证等弱点。目前智能家居系统技术在美国、英国、日本、新加坡等国比较发达，有许多的智能家居产品在实际生活中广泛使用。在新加坡有将近 30 个社区(住宅小区)近 5000 户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”,相信到了不久的将来会普及1415。比较具有代表性的国外智能家居系统有：1.NEYWELL 公司的智能家居系统。它包含照明控制系统,安防系统,情景控制模块,智能家电系统等。用户可以通过室内的控制面板,通过电话或计算机来远程监控智能家居的实时情况,对灯光,智能家电等进行控制,系统可以设定时间使设备自动运行。2.HAL 公司生产的 NI 智能家居系统。它包括家居安防、家庭影院、远程控制、场景设备、家电设备控制、温度控制等模块。用户可以在任意时间任意地点通过互联网对室内进行实时监控。3.Vantage 公司推出的自动化智能家居系统。Vantage 公司是唯一一家与微软，惠普等智能家居公司。它在智能家居这一领域已有长达 30 多年的历史，是全世界最早大规模批量生产智能家居产品的一家巨头公司。该公司生产的产品功能强大，性价比高，易升级，易扩展。4.LG 公司生产的“LG Home Net”智能家居系统。该系统在 2008 年获得“智能家居突出贡献奖”。LG 公司自主研发了基于智能家居的通讯接口标准 LNCP，适用于智能家居安防系统,照明系统,远程监控等。该产品功能强大，易升级，系统扩展简便。5.三星 Home Vita 家居系统。它包含安防系统、远程抄表系统、家电产品控制系统等。和国外智能家居技术相比，国内研究相对较晚，技术也较落后。直到最近几年，中国市场上才出现了一些小规模的自主研发的智能家居产品，以下是目前国内市场上几种具有代表意义的智能家居系统：1. 海尔推出了 U.Home 智能家居系统。该系统包括智能社区、智能家居、智能酒店三个方面。2.快思聪生产的智能家居系统。它包括会议室控制方案和灯光控制方案。灯光涉及商业领域，可以远程管理，控制整栋商业楼的灯。3.GKB 数码屋智能家居解决系统。它具有无需布线，即装即用的特点，主要控制方式有手机控制、互联网控制、面板控制、主机控制、电话控制等。具有双向显示、远程监控等核心技术。4.清华同方公司生产的 E-Home 智能家居系统。它采用国际技术标准，包括电话遥控、自动计费、安全防范及一卡通,家电集中控制等现代智能家居要素，实现日常家居生活自动化、数字化、智能化管理。未来智能家居发展趋势：1.价格平民化，功能单一实用化，协议标准化。2.智能家居产品更加科技化、智能化、人性化，实现个人定制功能，让系统按照用户的生活习惯来主动给用户提供服务，真正提高人们的生活品质，体现智能家居的价值。3.完善平台，实现与运营商(电信，移动，联通)的融合。4.无线技术和有线控制相无缝自适应切换，创建一个节能、环保、智能的生活环境。1.4 智能家居系统的特点及发展趋势 智能家居是要在一个家庭中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对接入家庭网络的所有家电和设备的控制和监测。以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制、监测和交换信息的需求，进而满足人们在家庭中对安全、舒适、方便地工作和生活的需求。 智能家居网关最早被工业论坛组织定义过，它代表一个集中式智能接口，将外部的网络接入家庭，和家庭内部网络联系起来。事实上，它是一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络的接口单元。它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。 要实现对家居状况的远程监测和对家庭信息终端的互操作，家庭网络的组网和接入是需要解决的关键问题16。 从网络连接的角度看，家庭网络是指在家庭和社会的信息网络相连之前，将家庭内部所有的终端设备连接起来而形成的网络。家庭网络技术的最终目标是使家居环境中的所有电子设备互联，电子设备之间、电子设备与外部环境之间能够相互通信17。 传统的智能家居控制系统一般是有线的方式来组建的,如LONWORKS,CEBUS，X一10，Rs485，CANBUS，Ethernet等。其中X一10是智能型家庭网络系统中被广泛采用的技术。有线的方案的明显缺点是布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观；另一方面系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差。智能家居内部设备的通信和控制没有一个国际上统一的通信接口标准，家居设备在家庭内部的编码方式随便混乱。从消费者的角度来看，家居智能的需求就是以实用为核心，力求操控简单、人性化，家居智能控制系统的发展方向为：无线化、网络化、不依靠PC的独立存在。未来的家庭将充满用各种无线技术连接起来的数字设备，使用无线技术以形成自己独立的网络，所有家电使用统一的通信协议相连接，再连接到Internet上，从而可以通过手机和计算机来控制和监测家庭中的各种设备，真正实现家电信息化、网络化；脱离PC意味着，可以采用更低的功耗，更小的体积，以及更便宜的价格实现我们的控制器的实现，使普通百姓家庭能够买的起以及使用的起。1.5 论文的研究内容与文章结构1.5.1 论文的研究内容随着生活水平的提高，智能家居不再是个遥远的概念，它的身影已经慢慢的进入大众的视野，目前的智能家居系统大部分任然采用的是传统的有线连接方式，使得系统先天就存在诸多缺陷，易用性大打折扣。目前无线传感网络飞速的发展，给智能家居的无线化提供了一个良好的技术基础，而近几年兴起的ZigBee技术，无疑是推动智能家居系统无线化的中坚力量。通过GSM网络和ZigBee网络的结合，以低端的嵌入式处理器，实现了具有基本功能的智能家居控制系统：1、实现主人在异地通过电话网络对家中的用电设备进行无线控制。2、实现在近距离通过手持ZigBee遥控器控制家用电器设备的工作状态。3、实现安全、防盗报警，通过拨打手机和短信方式通知主人。4、在电脑端可以对家中各种用电设备进行查询、控制。智能家居控制系统以增强型单片机为核心，进行智能控制。远程控制功能的实现是利用已有的电话网络进行信号传输，达到控制目的;本地控制是通过系统设置的键盘，进行人机交互，实现本地控制目的。系统通过主控MCU检侧异常情况及指令，及时处理。 ZigBee是一种新兴的无线通信技术标准，虽然其数据交换量小，传输速率较低，但是它的低成本、低功耗以及网络容量大则是最能满足家庭组网需求的特性在数据通信工作状态下，它具备较短的连接时间，大大降低通讯数据碰撞的几率。而在网络安全方面，它具备对传输数据信息的智能加密处理能力，信息安全性较高。经过以上分析，可以确认ZigBee符合家庭传感器组网的特性需求。 本文通过对无线传感器网络和智能家居功能的研究，将ZigBee技术与智能家居相结合，设计出具备实用性的无线智能家居系统。本文研究的重点和难点有以下几点： (1)对无线传感器网络以及基于物联网的智能家居进行调研，掌握它们的理论知识和实际功能； (2)经过比较各种近距离无线通讯技术的特点，确认ZigBee技术在家用领域的可行性； (3)研究CC2430的参数规格和技术特性，设计出相应的外围电路，选择合适的网络协议，编写CC2430的收发程序。以CC2430为核心设计出智能家居中的传感器节点。(4) 根据智能家居发展情况和发展趋势，设计出完善的无线智能家居系统。1.5.2 论文的文章结构 本文分为七章,各章内容安排如下： 第一章绪论简要介绍了视频监控的发展历程、研究与应用现状和发展方向，课题的提出，论文的主要研究内容及结构安排。 第二章ZigBee技术研究研究了协议内容,通过对ZigBee体系结构、网络拓扑结构、数据帧结构的分析，明确了信息的传递机制，同时对软硬件开发平台和开发流程进行介绍。 第三章系统硬件设计根据系统功能，将硬件电路分成如下几个部分进行调试,分别是电源管理模块、液晶屏接口电路、窗帘控制电路、温湿度检测电路、ZigBee无线传输电路、GPRS无线传输电路分。同时针对各个部分所需原件，查找器件说明书，进行可行性分析，进行电路设计，在实验板上进行实际电路调试，用protel软件进行相关模块的硬件电路设计，画出电气原理图。 第四章系统软件设计从系统硬件和软件架构的基础上进行展开，引入了嵌入式操作系统概念，对协进行研究并移植到单片机上进行测试，同时对主要模块软件程序的实现进行阐述，分别论述了GPRS模块M22和ZigBee模块的软件设计思路和过程。 第五章总结与展望首先对本文进行概括性总结，然后对基于物联网智能家居控制系统的技术优势作及其发展前景进行了相关的展望。 第二章 ZigBee技术研究2.1 总体思路 本系统主要有以下几个模块组成，分别是传感器信号采集传送模块、家电端的控制模块、基于单片机的总控制器、上位机端的软件部分。传感信号采集发送模块通过对传感器送来的信号进行分析，确定是否达到预定报警值，如果达到了预定值，就会发出警情信号给总控制器，总控制器判断是哪个传感器节点传来的报警信息，并将通过相应算法进行选择相应操作，以达到智能处理目的，并同时通过总控制器通过短信的方式通知主人，同时会将报警信息发送到主人所在电脑上，这样主人可以同时通过电脑来查看家中状况，并且也可以通过电话来控制家中设备，当主人在回家的路上，可以通过手机拨打主控制器的号码,主控制器自动摘机，建立连接后，通过手机按键来控制家电，比如提前打开空调或热水器等。2.2 ZigBee技术概述2.2.1 ZigBee的技术标准ZigBee是一个协议的名称，这一协议的核心基于工EEE802.15.4标准,其目的是为了适用于低功耗，无线连接的监测和控制系统，这一协议标准由ZigBee联盟推出。ZigBee的基础是IEEE无线个域网工作组所制定的IEEE802.15.4技术标准.IEEE802.15.4是ZigBee协议的底层标准，它主要规范了无线网络的物理层和MAC层的协议,其标准是由国际电工学协会IEEE组织制定并推广。ZigBee和IEEE802.15.4标准都适用于低速率数据传输，最大传输速率为250kbpS，与目前其他成熟的无线技术比较,ZigBee的缺点在于理论传输距离相对较近18，但是对于数据采集和控制信号的传输来说，首要考虑的是成本、功耗，距离和速率参数则是次要因素。所以目前ZigBee技术的主要应用定位在低速率、复杂网络、低功耗和低成本的应用。另外，基于ZigBee技术可以实现数千个微小的传感器之间实现相互协调的通信,采用接力的方式通过无线电波信号将数据从一个传感器传到另一个传感器，这使得网络间通信效率非常高。对于无线网络来说，节点间通信距离越大，相应的电气设备结构越复杂、系统功耗以及成本就越难控制19。所以如何采取高效的短距离传输才是比较理想的无线网络解决方案，相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术的短距离、低功耗、低速率、低成本是最适合作为传感器网络的标准。2.2.2 ZigBee的技术优势 如今无线传输技术已经相当成熟，各种无线技术的技术特点都十分突出，因此具体到实际应用用，必须根据实际需求和工作环境选择最合适的技术标准。表1是目前各种无线网络标准参数的比较： 表2-1 无线网络标准参数网络标准系统资源电池寿命（天）网络大小带宽（KB/s）传输距离（m）特点GPRS16MB171641281000覆盖面积，信号质量Wi-Fi1MB0.5532110001100带宽Bluetooth256KB177720110便携ZigBee4KB32KB101000255/65000202501100功耗ZigBee的技术特点表现在如下几个方面： (l)数据传输率低:10KBpS一256KBpS，专门针对低数据量传输； (2)低功耗工作模式：在低功耗状态下,系统使用两节普通5号电池理论上维持6一24个月的工作时间； (3)低成本：ZigBee协议结构简单,并且可以使用免费的2.4Ghz频段，整体成本低廉； 作为智能家居应用领域的无线传输技术，首要考虑的重点因素是功耗问题、 成本问题、网络容量问题和安全保密问题，经过以上技术特点的比较和总结，可以看出，ZigBee无疑是搭建智能家居网络的最理想的选择。虽然ZigBee的传输距离和带宽有一定限制，但是1100米的距离足够满足普通家庭的需要，20250KBPs的带宽也足以应付安防、温湿度等家居相关信息容量的需要。2.3 网络拓扑结构 ZigBee协议规定的网络层的任务是识别进入网络的设备并建立各个网络设备间的无线通讯，其网络层支持三种拓扑结构，分别是星型、簇状和网状等三种拓扑结构网络。(1)星型拓扑结构网络 星型拓扑结构的特点是采用一个协调器与其他的节点设备通信，各个节点只与协调器进行数据交换，所有需要分析的数据和指令都由协调器来处理，星型拓扑结构通常采用64位的扩展地址。同时，协调器负责给新加入网络中的设备分配唯一的16位地址，以节省频宽。该网路的特点是，协调器不能断电，必须采用不间断供电方式工作，而其他节点设备则可以使用普通电池工作，任何一个节点停止工作都不会对整个网络造成影响。星型网络结构特别适合于家居自动化、PC机外设以及个人健康护理等工作范围小的的室内应用。其结构图如图所示。(2)对等拓扑结构 对等拓扑结构也是由协调器和从设备组成,协调器可以是全功能节点中的任意一个，一般可将通信中的第一通信设备定义为PAN主协调器。从设备可以是全功能节点，也可以是半功能节点，但是半功能节点只能做终端设备，并且只与最近的全功能节点通信，全功能节点只要在其通信范围内就可以与其它设备通信。 图2-1网络拓扑结构(3)网状拓扑结构网络网状网络如图2-2所示，此网络的结构特点是网络中的任何路由设备都可以和它的通信范围内的其他路由设备进行相互通信。设备之间传送信息时可以通过区域内的路由器转发，即多跳的传输方式，以增大无线网络的覆盖范围。网状拓扑可搭建高可靠性通信网络，但网络复杂性也大大增加。对路由设备的信息处理能力和储存能力有较高的要求。图2-2 网状网络 通过对以上三种结构的比较，可以分析出，其中最适合搭建家庭网络的无疑是星型拓扑结构网络。因此本论文设计的无线家庭网络便是采用星型拓扑结构。2.4 ZigBee技术体系结构在ZigBee技术中，其体系结构是通过层来定义的，每一层完成自己的任务，并给予上层提供服务，各层通过接口进行相互通信。此技术的基础是IEEE802.15.4，是建立在IEEE802.15.4标准之上的IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，其物理层和介质访问控制层协议为IEEE802.巧.4协议标准，IEEE处理低层的MAC层和物理层，而ZigBee联盟对网络层协议和应用框架进行了标准化，主要分为以下四层:应用层、网络层、媒体接入控制层、物理层组成，如图2一3所示。应用层 ZigBee联盟定制网络层媒体接入控制层 ZigBee协议 868MHZ/915MHZ物理层2.4GHZ物理层 基于IEEE 802.15.4技术图2-3 ZigBee协议体系结构2.4.1 物理层 ZigBee技术的物理层分2.4GHz物理层和868MHz物理层，科学、医学频带上,欧洲是采用868MHz物理层美国采两者均采用直扩序列调制方式。物理层的主要功能包括：眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估，激活和休收发数据。2.4.2 媒体介入控制层（MAC层）MAC子层的任务是提供MAC层数据服务和MAC层管理服务两种不同的服务。MAC层数据服务主要负责MAC层协议数据在屋里层数据服务中能正确的收发；MAC层管理服务则负责维护专门用来储存MAC子层协议状态相关信息的数据库。根据IEEE802.15.4规范的定义，MAC层应具备以下六个方面的功能：通过协调器生成信标帧并发送给节点设备，节点设备依据接收到的信标帧与协调器同步；支持PAN网络的关联及取消操作；对无线信道的数据提供安全保障；采用CS以机制共享物理通信通道；支持时隙保障技术；为对等的MAC实体提供稳定可靠的数据通路。在WPAN网络中,各个独立的设备随时都有可能从一个网络切换至另外一个网络，或者根据需求脱离网络，关联和取消关联操作即是对切换和脱离进行控制的动作。时隙保障技术则类似于分时复用机制，不同点在于它可以自动的为发出申请的设备分配时隙。采用时隙保障机制的前提条件是要确认系统中各设备的内部时钟完全保持一致，GBEE协议中定义的时间同步时通过超级帧(SUPERFRAME)技术实现的。ZigBee的帧结构的设计理念是利用最简单的网络结构来实现消除信号干扰的数据传输，每一个协议层都是在其前一个协议层的基础上，修改帧头或者帧尾形成的。MAC层的帧结构是低复杂度，高抗干扰能力的体现，MAC层的帧内容包括帧头、负载信息和帧尾。帧头包含有帧序列号、帧控制信息以及地址信息等。负载信息为长度可变式，负载的具体信息内容由帧类型决定。帧尾包含的信息为CRC校验序列，即数据传输时，将帧头和负载的信息根据一定算法转化成16位校验编码，以便接收端校验帧内容是否接收正确。MAC层中的帧结构可以分为数据帧、信标帧!响应帧和命令帧四种，各帧的具体功能如下：数据帧：包含所有的数据。 信标帧：专门由协调器生成和使用。 响应帧：确认帧数据是否正确传送。 MAC命令帧：负责MAC对等实体之间的命令传送。MAC子层中，设备的地址主要采用采用两种格式：16位的短地址和64位的扩展地址。16位短地址是网络设备与PAN网络协调器进行关联操作时，网络协调器自动生成的内部地址；而64位长地址则是全球唯一的识别地址，在设备出厂时就已设计好，无法更改，16位短地址只需要保证在内网中具有唯一性即可，同时，使用短地址通讯必须配合PAN网络的16位网络标识符才有意义。两种不同长度的地址的主要差异体在于：地址信息长度不同，所以数据帧采用哪种地址须由帧控制字节的内容指定。同时，由于MAC帧负载长度可以通过帧头和负载信息的长度计算出来,所以在帧结构中,没有专门负责表示帧长度的字段。图2-4 MAC层帧结构示意图2.4.3 网络层 ZigBee网络层的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法，树路由和网状网路由。树状路由是它把整个网络看作是以协调器为根,整个网络由协调器建立，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点,而末端节点没有子节点。网状网路由是应用比较广泛的一种路由算法，可靠性很好，其主要依赖于多跳技术)多跳是指数据不断从一个节点跳到另一个节点。因为数据从一个节点不断传送到另一个节点，又因为网状网络有好多节点，所以任何一个节点到另一个节点之间的路径总是不止一个。节点加入网络后，这些节点和目的地节点之间就会自动生成路径，节点本身就能够建立路由，只要发送信息、邻近信一号收到信息后，转发出去。这个转发过程会逐个节点地重复下去，直到信息到达目的地。日的地节点提供的确认信号告诉始发节点，完全路径已建成，信息己成功抵达。ZigBee网络层的功能主要包括组建网络、加入网络、离开网络、路由建立、数据传输等。2.4.4 应用层应用层是ZigBee技术为实际的应用提供一些应用框架模型，该层为用户应用进程间的数据通信提供接口，应用进程在调用应用层服务时，应该提供所有服务所需要的参数，然后由应用层服务将数据经过编码后，传给网络接口层对象，调用网络层数据传输服务把数据发送出去。当应用层收到来自通信端口的数据后，上传给应用层服务，由应用层服务根据服务报文中的目的应用进程标识ID，将接收到的数据传送到应用层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步处理。应用层的主要功能是包括定义设备在网络中的角色(如协调器和终端设备)、组建网络、发起和响应绑定请求、在绑定设备间传递消息等。2.5 ZigBee的应用范围2.5.1 ZigBee的应用条件目前ZigBee无线技术主要应用于消费电子产品、通信设备、家庭自动化设备、工控设备、医用传感器等设备以及支持各种小范围自动控制领域。通常，如果设计的对象网络有符合以下几点要求的，就可以采用ZigBee技术作为无线传输解决方案： (1)要求系统整体成本低，系统内部数据传输量少；(2)设备体积要求有限制，不能配备大型电池模块； (3)不便于提供持续外接电源供应，只能采用电池作为供电方案的设备； (4)避免经常更换电池，并能长时间工作；(5)大规模的检测和控制网络。2.5.2 ZigBee的应用实例 按照数据流的传输特征,ZigBee的应用可以分成持续性数据传输、周期性数据传输和间断性数据传输三种应用模式。持续性数据传输应用于低延时数据传输业务，例如键盘、鼠标等需要持续数据通信的设备都采用该模式。周期性数据传输则是在固定时间间隔内传输数据的低速率工作模式，传感器网络是典型的周期性数据传输应用。间歇性数据传输则是根据不同的启动规则触发的离散式的数据传输模式，室内照明开关控制和电器智能控制需要采用该模式。 在工业领域中，通过ZigBee网络和传感器搭配使用，可以使采集数据、分析数据和处理数据的工作变得更加方便快捷，可以考虑作为决策系统的重要辅助部分。特别是在高危环境作业中，例如对危险化学物品的分析检测，对火灾隐患的早期预报，以及对高速旋转机的检测和维护。在这些领域中，系统的重点问题不在于庞大的数据吞吐量，而是需要低功耗的配件来保证系统长期稳定的运行，最大程度的延长电池电源寿命，减少整体系统的维护成本。在医学领域，可以借助于各种微型传感器和ZigBee技术共同组成无线传感网络，精确且完全实时的监测每个病人的体温、血压和心跳频率等重要生命特征信息，从而完全代替人工的查房，提高数据信息采集的效率，并协助医生迅速对病人出现的紧急症状做出分析和响应，特别适合用于对重症监护室内的病患进行全天候生命体征观察。相比较其他领域,消费电子产品及家庭无线网络无疑是ZigBee技术最具发展潜力的领域。根据推算，一套完整的无线家居系统需要约100一150个ZigBee设备。目前电视、PC外设、游戏机、楼宇门禁系统、家庭采光系统、照明系统、空气调节系统和其他相关设备等都已经步入数字化时代，如果将ZigBee技术与数字化家电结合，将极大的改善生活环境，提高居住的舒适度，经过特殊设计还可以为儿童、老年人和残障人士提供帮助。同时，由于传输原理的优势，若将ZigBee技术作为遥控器的无线控制方案，可以用一个可遥控器控制多个电器且遥控信号不受障碍物的干扰，将比现有的红外遥控具备更便利的控制性。2.6 本章小结 本章主要介绍了ZigBee标准的技术优势和协议框架。通过分析ZigBee标准网络相对于其他近距离网络的指标差异，论证ZigBee网络作为最理想家庭无线网络组网技术的理论依据。而针对ZigBee标准的框架协议分析，则是本文后面的软、硬件设计提供理论依据基础。第三章 智能家居系统硬件设计3.1 智能家居系统总体框图设想 在无线智能家居系统中，系统能智能监测与控制的基础在于对相关参数的采集、分析与处理。而其中，最基础的是参数采集工作，没有实时准确的参数作为依据，再智能的系统也无法做出准确的分析与处理。因此，无线智能家居的重点实际在于其基本的传感器单元一智能家居传感器节点。本章重点介绍了无线传感节点的核心硬件设计。本文设计的方案是采用CHIPCON公司的CC2430芯片，它是一款集成了8051MCU处理核心的SOC芯片20，在集成度和成本以及研发难度上,都具备相当的优势。 智能家居的基本目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境。智能家居系统的硬件和软件应具有先进性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。同时，应立足于用户对整个系统的具体需求，具有实用性。无论是系统中的设备、软件还是网络拓扑结构，都应具有良好的开放性。网络化的目的在于要实现设备资源和信息资源的共享，因此，计算机网络本身应具有开放性，并应提供标准接口。用户可根据其需求，对系统进行拓展或升级21。本系统采用GSM数据业务接入Internet和短消息的方式来实现电脑终端查看控制,并且手机操控的方式来实现家居监控。在有网络的地方，主人可以通过电脑终端来查看家中各设备、环境状况。用GSM接入Internet的好处是可以满足部分Internet普及率较高的现状，同时用手机对家庭进行监控弥补了通常智能家居控制器的操作距离短、地域限制等问题，并且在电脑端可以用短消息的方式对系统进行控制，同时本系统可以扩展应用于多种无人职守地区的监控安防等场所。 如图3-1所示。电源模块窗帘控制传动电机万能