无线网络技术大作业.doc

得分安阳工学院无线网络技术课程大作业课题名称 Zigbee技术的智能家居无线传感网络应用专业 姓名 学号 日期 2013年12月12号Zigbee技术的智能家居无线传感网络应用一：前言随着21世纪的到来，特别是近年来现代高科技和信息技术正在由智能大厦走向智能化住宅小区，进而走进家庭。人们对家居生活环境的要求也越来越高，并将注意力越来越多的放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上。家居无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。无线传感网络的出现克服了家庭中布线的烦琐，充分体现了智能家居系统的灵活、方便、高效。本项目研究开发了基于ZigBee技术和hitemet技术的智能家居监控系统，将hitemet的远程监控与ZigBee短距离控制相结合，实现系统的家居无线控制和数据采集，避免了综合布线，可扩展性好。本文首先进行系统总体设计，结合底层ZigBee无线传感网络的特点和系统总体网络监控的要求，将该系统设计分为四部分:无线传输模块、数据处理模块、以太网传输模块、上位机显示界面。然后对ZigBee协议标准做了全面地研究分析，同时给出了基于CC2430的无线传输模块的软硬件设计和星型网络搭建，并给出了测试结果。接着设计了基于TMS320F2812的数据处理模块，给出了硬件电路和外围辅助电路设计方案，并为其移植了实时操作系统。本设计实现了从底层ZigBee无线传感网络的数据采集最终到监控机的数据传输并测试成功。最后在VC6.0环境下，应用 WindowsSockets套件接口开发显示界面对底层采集的数据分类显示。整个智能家居监控系统能够对家用电器的完成开关量的控制，还能够对三表进行无线抄表最重要的是可监测来自家庭安防传感器的数据，以备物业等部门监控。测试后，证实了设计方案的正确性，结果满足系统设计要求，该设计具有一定的新颖性和实用性二：ZigBee协议简介无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应用层等)，传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。Zigbee的基础是IEEE 802.15.但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高； 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。值得注意的是，在已经发布的ZIGBEE V1.0中并没有规定具体的路由协议，具体协议由协议栈实现。三：zigBee无线传感网络的组建Zigbee 采用的是自组网通信方式，因而模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这就是自组织网。该架构被称为无基础构 架的无线局域网，这种架构对网络 内部的设备数量不加限制，并可随时建起无线通信链路首先设置ZigBee主无线模块为协调器，其它节点模块为终端器件。然后协调器应用层发出原语给协调器网络层来启动新的网络建立。建网过程开始后，协调器网络层将首先请求MAC层对物理层所定义的有效信道进行能量检测扫描，以排除可能占用的信道。为实现能量检测扫描，协调器网络层通过发送扫描类型参数设置为能量检测扫描的原语到MAC层进行信道能量检测扫描，扫描结果通过原语返回给网络层。网络层的管理实体收到能量检测扫描的结果后，将对那些在允许能量范围内的信道进行进一步处理。协调器网络层管理实体将发送原语执行主动扫描，该原语的ScanType参数设置为主动扫描，ChannelList参数设置为那些已经通过能量检测允许的信道列表，同时在这些信道内搜索其它终端节点模块。而这一点对工业现 场控制而言非常重要。而在 Zigbee 技术中采用了动态路由 的方式，所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预 先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有 路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其 中的一条路径进行数据传输。为了决定建立网络的最佳信道，网络层管理实体还将检查PAN标识符，并且将所查找到的第一个信道设为新网络的最小编号。当协调器网络层管理实体查找不到与其它节点模块通信的合适信道，将终止建网过程，并且向协调器应用层发出建网失败信息，即通过发送参数状态为Startup-failure的原给应用层知道。如果协调器网络层的管理实体找到合适的信道，将为这个新网络选择一个PAN标识符。为了选择一个PAN标识符，需要检查PANID参数是否在原语中己指定。四：智能家居控制子系统中央控制平台总体设计随着家用电器的不断数字化与智能化，新的家电产品在为人们提供更加强大的功能的同时，也面临着新的挑战，比如，产品的造价高，开发时间长，维护、升级费用昂贵等等。事实上，单个家电在不断增加功能的同时，也形成了彼此相互隔离的信息孤岛，因而造成了资源浪费，成为信息家电发展中的瓶颈。为了解决这一个问题，人们通过先进的网络技术，将单个家电通过统一的接口与协议相互连接，并形成独立的功能模块以协同工作，实现资源共享。学术界对智能家居系统的组成没有定论，综合各种观点，一个完整的智能家居系统除了具有各种功能的信息家电外，还必须包括以下几个模块:(1)信息处理模块:为了使相互独立的信息家电可以实现信息共享与协同工作，智能家居系统中必须具有专门的信息处理模块。它的功能主要是收集家庭中各个家电的工作状态和服务请求，对各种数据进行实时处理，并将结果送入功能驱动模块。现阶段，无论是基于家庭网关的智能家居系统还是基于家居服务器的智能家居系统，多采用了集中式信息处理模块。由于家庭网络的拓扑结构比较简单，集中式的信息处理设计实现都较为简单，控制的效率也较高，因而得到了广泛的应用。但是随着家庭中信息家电的数量不断增加，采用分布式的控制方式将具有更高的灵活性，这是未来智能家居系统的发展趋势。(2)通信模块:如果说信息处理模块是智能家居系统的大脑，那么通信模块就是实现信息传导的神经。根据家庭组网的特点，通信模块常利用已有的布线或者采用无线传输(如蓝牙、红外)等。由于不同的信息电器对传输时的带宽要求不同，实际中的通信模块常采用多种方式混合组网。(3)功能驱动模块:功能驱动模块是信息流入、流出各个信息电器的接口。由于各电器生产厂商的产品在功能和实现上都有很大的不同，所以必须通过功能驱动模块将信息处理模块的指令翻译成电器可以执行的电平信号，以及将电器的各种状态信息转换成信息处理模块可以理解的二进制信息。(4)外界信息接口模块:该模块可以看成是一个家庭通向外界(如Internet)的网关。它在家庭内部各种电器信息共享的基础上，进一步实现了基于Internet的资源共享，从而更进一步实现了共享的深度和广度，也将是外来智能家居系统的热点。由于家庭内部网络通常不使用TCP/IP协议，所以外界的信息接口模块中最基本的功能就是从TCP/IP协议到各种家庭内部网络协议的转换。根据上述分析，一个具有集中式信息处理模块的智能家居系统的组成可以下图所示： 集中式信息处理模块的智能家居系统的组成图五：智能家居控制子系统详细设计智能家庭控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。 智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。 系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。 六：总结与展望本文通过分析国内外智能家居研究的发展状况，结合国内智能家居未来发展的广阔前景以及实际需求，提出了一种智能家居监控系统设计方案。一方面，主要是利用ZigBee无线传感网络在家居监控中不受家居布局影响的独到的传输优势，设计了比较符合日常家用的ZigBee无线模块，负责数据采集和基本的电器电源开关，并由此搭建了星型无线传感网络。文章中从ZigBee.技术中最核心的协议栈入手，最后实现了通信。此外，以后zigbee技术的研究领域还有：智能家居监控系统中的无线传输模块要如何能在家庭乃至楼宇的复杂电磁场环境下，保证数据传输的准确和及时，今后要在跳频通讯的研究上下一番功夫。在家居中ZigBee