物联网技术课程设计报告说明

课程设计说明书题目名称基于ZigBee的智能家居系统设计与实现系部：计算机工程系专业班级：通信13-1班学生：邝鑫鑫学号：2013232020指导教师：德群完成日期：2015年12月31日**工程学院课程设计评定意见设计题目基于ZigBee的智能家居系统设计与实现系部计算机工程系专业班级通信13-1班学生邝鑫鑫学生**201323200评定意见：评定成绩：指导教师〔签名〕：年月日〔此页背书〕评定意见参考提纲：1、学生完成的工作量与容是否符合任务书的要求。2、学生的勤勉态度。3、设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。**工程学院计算机工程系课程设计任务书2015-2016学年1学期201专业通信技术班级13-1课程名称物联网技术设计题目基于ZigBee的智能家居系统设计与实现指导教师德群起止时间周数5设计地点路校区2号机房设计目的：理解无线传感网络的特点；学习无线传感网络的组网方法。设计任务或主要技术指标：设计一个模拟智能家居系统，将温度、湿度、光敏、煤气和火焰等5个传感器分别与5个ZigBee模块相连接，构成一个自组织无线网络，并将各传感器数据会聚至协调器模块，再通过无线网关平台远距离传输至互联网。设计进度与要求：第一周：熟悉传感器、个ZigBee模块以及网关平台的软硬件组成体系，开发环境等；第二周：了解传感器、个ZigBee模块以及网关平台的配置方法，并组成WSN;第三周：完善设计方案，并撰写说明书；第四周：修改说明书;第五周：辩论主要参考书及参考资料：[1]无线龙.ZiBee无线网络原理.冶金工业[2]钟永锋、永俊.ZiBee无线传感器网络.邮电大学[3]逊学、湛、王成.无线传感网络的领域应用与设计技术.国防工业教研室主任〔签名〕系〔部〕主任〔签名〕目录摘要随着电子信息技术和计算机网络技术的开展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统开展的新趋势。智能家居系统能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代化生活方式，是未来居住模式的必然开展趋势。因此，智能家居系统逐渐成为一个新兴的研究领域。本文针对智能家居网络特点通过对智能家居网络分析、比照和研究，采用星状网络组建智能家居网络，对智能家居网络进展了设计与实现。利用CC2430的ZigBee模块与各种传感器设计了一种低本钱、高灵活性、通用的ZigBee无线智能家居网络控制，并最后完成了实现。主要容如下：采用Zigbee技术，构建无线传感器网络，研究无线传感器网络的通信机理。以及设计微处理器控制模块，通信模块、检测模块等硬件。关键词：ZigBee；智能家居；无线网络；CC2430第一章前言1.1智能家居简介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、智能家居-系统设计方案平安防技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居平安性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，不管哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。平安防技术是智能家居系统中必不可少的技术，在小区及户可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术，广泛应用在智能家居控制中心、家居设备自动控制模块中，对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。音视频技术是实现家庭环境舒适性、艺术性的重要技术，表达在音视频集中分配、背景音乐、家庭影院等方面，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世界产生巨大影响力的技术之一[2]。通俗地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比方，通过家触摸屏、无线遥控器、、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与平安。1.2智能家居系统组成智能家居系统包含的主要子系统有：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居〔中央〕控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统〔如TVC平板音响〕、家庭影院与、多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。其中，智能家居〔中央〕控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统为可选系统。在智能家居环境的认定上，只有完整地安装了所有的必备系统，并且至少选装了一种及以上的可选系统的智能家居才能称为智能家居[3]。1、家居布线系统对于一个智能住宅需要有一个能支持语音、数据、多媒体、家庭自动化、保安等多种应用的布线系统，这个系统也就是智能化住宅布线系统。2、家庭安防系统家庭安防系统包括如下几个方面的容：门磁开关、紧急求助、烟雾检测报警、燃气泄露报警、碎玻探测报警、红外微波探测报警等。1.3智能家居系统的起源和开展20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化〔HE，HomeElectronics〕出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念〔HA，HomeAutomation〕。80年代末，由于通信与信息技术的开展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进展监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司〔UnitedTechno1ogiesBuildingSystem〕将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州〔Conneticut)哈特佛市〔Hartford〕的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑〞,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。1979年，美国的斯坦福研究所提出了将家电及电气设备的控制线集成在一起的家庭总线〔HOMEBUS〕，并成立了相应的研究会进展研究，1983年美国电子工业协会组织专门机构开场制定家庭电气设计标准，并于1988年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即："家庭自动化系统与通讯标准"，也有称之为家庭总线系统标准(HBS，HomeBusSystem)。在其制定的设计规与标准中，智能住宅的电气设计要求必须满足以下三个条件，即：1、具有家庭总线系统；2、通过家庭总线系统提供各种效劳功能；3、能和住宅以外的外部世界相连接。物联传感技术是全球第一个利用物联网来控制灯饰及电子电器产品〔我们现在通称为ZigBee产品〕，并将其作为智能家居主流产品走向了商业化。ZigBee最初预计的应用领域主要包括消费电子、能源管理、卫生保健、家庭自动化、建筑自动化和工业自动化。随着物联网的兴起，ZigBee又获得了新的应用时机。物联网的网络边缘应用最多的就是传感器或控制单元，这些是构成物联网的最根底最核心最广泛的单元细胞，而ZigBee能够在数千个微小的传感传动单元之间相互协调实现通信，并且这些单元只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它的通信效率非常高。这种技术低功耗、抗干扰、高可靠、易组网、易扩容，易使用，易维护、便于快速大规模部署等特点顺应了物联网开展的要求和趋势。目前来看，物联网和ZigBee技术在智能家居、工业监测和安康保健等方面的应用有很大的融合性。1.4智能家居系统的国外开展新趋势随着智能家居的迅猛开展，越来越多的家居开场引进智能化系统和设备。智能化系统涵盖的容也从单纯的方式向多种方式相结合的方向开展。但较之于欧美兴旺国家，我国的我国智能家居系统起步稍晚，所以目前市场主流的产品〔系统〕还无法很好地解决产品本身与市场需求的矛盾，使得智能家居市场的僵冰还没有被完全打破，所以很大程度上阻碍了智能家居产业的开展。在此情形之下，从产品〔系统〕的技术角度上看什么才是解决这个难题的方法？据市场调研显示，只有智能家居交互平台才是最好的手段之一。智能家居交互平台是一个具有交互能力平台，并且通过平台能够把各种不同的系统、协议、信息、容、控制在不同的子系统中进展交互、交换[4]。它具有如下特点：1、每个子系统都可以脱离交互平台独立运行智能家居交互平台中，各个子系统在脱离交互平台时能够独立运行，如果楼寓对讲、家庭报警、各种电器控制、门禁、家庭娱乐等等。个子系统在交互平台管理下运行，平台能采集各子系统的运行数据，系统的联动。2、不同品牌的产品、不同的控制传输协议能通过这个平台进展交互由于有了交互平台，不同子系统在交户平台的统一管理下，可以协同工作和运行数据额交换、共享，给用户最大限度的选择权，充分表达智能家居的个性化。同时，它还具有网关的功能，通过交互平台，能与广域网连接，实现远程控制、远程管理。具有多种主流的控制接口，如RS485、RS232、TCP、IP等，同时可以扩大添加国外流行的控制接口，如EIB、lonwork、CE-bus、Canbus，以及无线网络如：WiFi、GPRS、蓝牙等。根据客户及市场的变化不断增加各种总线、系统的驱动软件和硬件接口，丰富多样的通讯、控制接口，为子系统的多样选择提供的根底保障，智能家居有了最大限度包容性，用户有了更大的选择余地。3、智能终端〔触摸屏〕仅做为各子系统的显示、操作界面整个系统在平台的控制、管理下运行，智能终端〔触摸屏〕仅做为各子系统的显示、操作界面，多智能终端配置容易可行。同时，可以记录各子系统的运行数据、为系统运行优化、自学习提供依据。交互平台，平台可以记录存储各系统的运行数据，对系统的运行可以提供有效的历史数据，同时可以根据历史的运行数据，总结出主人的使用习惯和*种规律，让系统能够自学习。4、控制软件可编程〔DIY〕，提供信息效劳此系统方便用户改变控制逻辑、控制方式、操作界面，用户的控制逻辑、操作界面可以自定义、可以DIY。在现代的智能家居系统中，信息效劳是非常重要的不可或缺的局部，有了信息效劳，它给智能家居更多的“智慧〞、给我们的生活提供更多的信息和资讯、给智能家居赋予更生动的生命，它是智能家居更高的境界。信息效劳容包括：安康、烹饪、交通信息、生活常识、婴幼儿哺育、儿童教育、日常购物、社区信息、家居控制专家等等，智能家居已不仅仅是面向控制的系统而是信息效劳与控制有机结合的系统。5、多种控制手段在日常家居生活中，为了使我们对家庭的控制系统能随时掌控、需要的信息随时获取，操作终端的形式非常重要，多种形式的智能操作终端是必不可少如：智能遥控器、移动触摸屏、电脑、手机、PDA等。智能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗。随着科技的提高，经济的开展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心局部——智能家居控制系统也越发显得重要[5]。1.5无线网络技术所谓无线网络，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进展优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份[6]。无线技术也分不同种类，通常以产生无线信号的方式来区分，目前主要的方式有调频无线技术、红外无线技术和蓝牙无线技术三种，其本钱和特点也不尽一样。广泛应用于音响键鼠等各项容，有很好的开展前景。无线网络的标准常见标准有以下几种：IEEE802.11a：使用5GHz频段，传输速度54Mbps，与802.11b不兼容。IEEE802.11b：使用2.4GHz频段，传输速度11Mbps。IEEE802.11g：使用2.4GHz频段，传输速度主要有54Mbps、108Mbps，可向下兼容802.11b。IEEE802.11n草案：使用2.4GHz频段，传输速度可达300Mbps，目前标准尚为草案，但产品已层出不穷。目前IEEE802.11b最常用，但IEEE802.11g更具下一代标准的实力，802.11n也在快速开展中。IEEE802.11b标准含有确保访问控制和加密的两个局部，这两个局部必须在无线LAN中的每个设备上配置。拥有成百上千台无线LAN用户的公司需要可靠的平安解决方案，可以从一个控制中心进展有效的管理。缺乏集中的平安控制是无线LAN只在一些相对较的小公司和特定应用中得到使用的根本原因。IEEE802.11b标准定义了两种机理来提供无线LAN的访问控制和：效劳配置标识符〔SSID〕和有线等效〔WEP〕。还有一种加密的机制是通过透明运行在无线LAN上的虚拟专网〔VPN〕来进展的。SSID，无线LAN中经常用到的一个特性是称为SSID的命名编号，它提供低级别上的访问控制。SSID通常是无线LAN子系统中设备的网络名称；它用于在本地分割子系统。WEP，IEEE802.11b标准规定了一种称为有线等效〔或称为WEP〕的可选加密方案，提供了确保无线LAN数据流的机制。WEP利用一个对称的方案，在数据的加密和解密过程中使用一样的密钥和算法[7]。1.6ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低本钱的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进展数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反响时间数据传输的应用。ZigBee技术简介蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRFLite〞、“RF-EasyLink〞或“fireFly〞无线电技术，目前统称为ZigBee[8]。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。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，在整个网络围，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站〞却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进展数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的围，和多个不承当网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。ZigBee协议栈各层构造ZigBee协议栈各层的主要功能模块主要包括PHY层功能、MAC层功能、NWK层功能、APS子层功能，应用框架AF(APhcationFram，ork)功能及各类应用对象。PDU(ProtocolDataUnit)表示协议数据单元。PHY层主要通过无线信道进展收发数据包PPDU(PHYProtcoloDataUin)t，以及检测接收包的链路质量LQI(Linkalitylndication)值，信道选择，信道能量检测ED(EnergyDetect)和空闲信道评估CCA(ClearChannelAssessment)。AMC层对从即DU中提取的淤DU进展进一步的处理，同时，还提供AMC层数据传输机制，ED、ACTIVE和ORPN三种扫描机制，和关联/退出关联功能。AMC层的ED扫描调用PHY层的ED检测实现。NwK层负责NPDU收发，组网管理及信息路由的实现。其中组网管理主要包括网络建立、地址分配、节点入网及节点离网。信息路由则包括路径发现、路径维护、信息单播及信息播送[9]。ZigBee的技术特点ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的围,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：1、低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。2、本钱低：ZigBee模块的初始本钱在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低本钱对于ZigBee也是一个关键的因素。3、时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。4、网络容量大：一个星型构造的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。5、可靠：采取了碰撞防止策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方确实认信息。如果传输过程中出现问题可以进展重发。6、平安：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其平安属性。ZigBee联盟及标准制定ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee联盟的主要目标是以通过参加无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、廉价又节省电力的各种产品来。ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网络、平安和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注，管理技术的开展。ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进展了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的根本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了平安层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网络、平安和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注，管理技术的开展[10]。1.7课题研究的目的和意义课题目的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、平安防技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居平安性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。基于智能家居的最新定义，参考ZigBee技术的特点，设计出的本系统，在包含了智能家居必备系统(智能家居(中央)控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统)的根底上，参加了家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统和家庭环境控制系统。在智能家居的认定上，只有完整地安装了所有的必备系统，并且至少选装了一种及以上的可选系统的家居系统才能称为智能家居。课题意义智能家居是利用先进的计算机技术、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中的各种设备〔如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电〕通过家庭网络连接到一起的，自从美国在1984真正的智能建筑出现以来，国外已经有将近30年的研究历史，而国在这方面的研究相对较晚，从2003年才逐步应用于高端市场，而且标准不统一。由于智能家居系统具有平安、方便、高效、快捷、智能化和个性化的独特魅力，使得智能家居的开发与建立成为21世纪科技开展的必然趋势。随着全球对能源和环境的要求越来越高，而智能家居在节能方面的效果优势非常明显，因此具有非常广阔的市场前景。研究主要容根本问题：〔1〕报警模块的设计与实现。〔2〕智能光控灯具模块的设计与实现。〔3〕智能温控空调模块的设计与实现。重点注意：软件与硬件的联合调试。1.8本章小结首先对智能家居系统进展了简要概述，包括智能家居的定义和国外智能家居系统的开展，接着对智能家居网络技术进展了介绍，对于智能家居系统来说，采用无线网络不仅为家居智能化提供灵活简便的网络构造，省去了浪费在布线上的人力和物力，并且更符合家庭网络通讯的特点。第二章智能家居系统的任务设计2.1系统设计总体方案在智能家居系统设计中，在尽可能保持统一标准的前提下，针对各种信号类型选择适宜的总线或者无线技术并设计主控器已成为智能家居建立的首要问题。在有线方式中，各类传感器和控制器的连接通过总线，它的优点是可以简化各功能单元的设计，缺点就是布线多，构造复杂，也存在总线协议设计选择的问题。针对智能家居中采用有线方式存在的问题，本文提出了一种采用ZigBee无线通信技术的新型智能家居系统设计方案，设计并实现了该系统中的检测、中央处理、控制等各个模块。智能家居系统的组成系统主要由智能家居网络控制器，即主节点，与智能家居设备相连的智能家居网络控制器，即分节点，每个房间放置的充当路由器的智能家居网络控制器，功能控制驱动模块和相应的家具设备构成。组成框图如图2-1所示。图2-1智能家居系统的组成方案实现的过程本文任务提出的功能控制驱动模块实现与各种家居设备的接口。并为家居设备的功能执行机构，其与相应的智能家居网络控制器分节点进展通信，智能家居网络控制器分节点，每个房间放置的充当路由器功能的分节点和智能家居网络控制器主节点组成ZigBee无线通信网络，是整个智能家居系统的通信网络。每个智能家居网络控制器包括一个ZigBee无线收发模块，与各个设备、节点之间进展通信。此方案的设计灵活性好，扩展性好。系统的工作流程是：首先智能家居网络控制器〔主节点〕建立ZigBee智能网络，各个网络控制器〔分节点〕随后参加该网络，他们共同组成一个星状的ZigBee无限家居网络。当需要对*一个家具设备进展控制或者检测时，主节点找到与该家具设备相连的分节点的ID信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的路由器，路由器再将信息转发给对应的分节点，分节点收到信息后，切入功能驱动模块，功能驱动模块对该家居设备进展相应的操作，从而完成智能家居的控制。ZigBee节点类型ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器ZC(ZigBeeCoordinator)、路由器ZR(ZigBeeRoute)和终端设备ZE(ZigBeeEndDeviee)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。协调器：一个ZigBee网络PAN(PersonalAreaNetwork)有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力；路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在；终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成[11]。ZigBee的拓扑构造ZigBee的网络支持星状网(StarNetwork)，树状网(ClustertreeNetwork)和网状网(MeshNetwork)三种网络拓扑构造。星形网(Star)是由一个ZigBee协调器和一个或多个ZigBee终端节点组成的。ZigBee协调器必须是FFD，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点(终端节点)一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调器的覆盖围，直接与ZigBee协调器进展通信。星形网的控制和同步都比拟简单，通常用于节点数量较少的场合。树状网络(Cluster-tree)由一个协调器和一个或多个星状构造连接而成，枝干末端的叶子节点一般为RFD，设备除了能与自己的父节点或子节点进展点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成数据和控制信息的传输。协调器比网络中的其它路由器具有更强人的处理能力和存储空间。树状网络的一个显著优点就是它的网络覆盖围较大，但随着覆盖围的增加，信息的传输时延也会增大。网状网络(Mesh网)一般是由假设干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信围的其它节点通信，即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连，但它们中也有一个会被推荐为ZigBee协调器。网状网络是树状网络根底上实现的，与树状网络不同的是，它是由路由器中的路由表配合来实现数据的网状路由的。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复〞能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余〞的网络。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销[12]。2.2设计方案的总体分析本着模块化的设计思想，本文提到的设计方案被分为三个模块，即中央控制模块、信息检测模块，以及家电控制模块。中央控制器CC2430基于无线网络的智能家居的设计，我们选择了技术成熟、低耗高能的ZigBee技术组建无线网络，硬件上面，我们选择了被广泛应用于ZigBee模块的控制芯片CC2430。图2-2为CC2430的最小系统原理图。图2-2CC2430最小系统原理图CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为根底的2.4GHzISM波段应用，及对低本钱，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与本钱的组合。信号检测模块信号检测模块，按照需求，我们设计了三个子模块，即红外报警模块，光照监测模块以及温度检测模块。1、红外报警模块：一开场的设计思路是围绕着激光技术来做，鉴于价格过高，且实用性不好，放弃了使用激光技术的想法。后来发现使用廉价的红外线对管也可以做到，便着手设计红外对管相关的红外检测电路。设计的电路原理是没有物体入侵时，使用一个比拟器，检测电路送出低电平，输出端没有反响。当有物体入侵时，检测电路送出高电平，给ZigBee模块送出信号。2、光照检测模块：与红外报警模块类似，使用一个比拟器，当光线充足的时候，光敏电阻阻值很小，输出端送出低电平，当光线变暗的时候，光敏电阻阻值很大，输出端送出高电平，给ZigBee模块送出信号。3、温度检测模块：使用广泛被采纳的DS18B20，温度传感器，使得检测电路十分简单，仅仅由这个传感器构成即可，监测到的温度会时事发送数据到主控中心。电源管理模块3个检测模块的供电是5V的直流电源，可以使用电池供电。为了方便，本文设计了一块给检测模块和控制模块供电的电源管理模块。原理主要就是利用变压器线圈降压后用桥式电路整流与滤波，从而实现从交流220V到直流5V，为模块稳压供电。控制电路模块主控ZigBee模块处理之后会送出持续的高电平，从而带动继电器工作以到达弱电控制强电的目的，实现对警报、灯具、空调的控制。涉及到的主要芯片的介绍1、控制芯片CC2430〔1〕CC2430的尺寸与组成CC2430的尺寸只有7×7mm48-pin的封装，采用具有嵌闪存的0.18µmCMOS标准技术。这可实现数字基带处理器，RF、模拟电路及系统存储器整合在同一个硅晶片上。针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器核，运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051核，具有8倍的标准8051核的性能。CC2430包含一个DMA控制器。8k字节静态RAM，其中的4k字节是超低功耗SRAM。32k，64k或128k字节的片Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430，以支持IEEE802.15.4MAC平安所需的〔128位关键字〕AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供效劳，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的*一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。CC2430包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比拟输出和PWM功能。CC2430集成的其他外设有:实时时钟；上电复位；8通道，8－14位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括：*自动前导帧发生器*同步字插入/检测*CRC-16校验*CCA*信号强度检测/数字RSSI*连接品质指示(LQI)*CSMA/CA协处理器2、CC2430的射频及模拟收发器CC2430的接收器是基于低-中频构造之上的，从天线接收的RF信号经低噪声放大器放大并经下变频变为2MHz的中频信号。中频信号经滤波、放大，在通过A/D转换器变为数字信号。自动增益控制，信道过滤，解调在数字域完成以获得高准确度及空间利用率。集成的模拟通道滤波器可以使工作在2.4GHzISM波段的不同系统良好的共存。在发射模式下，位映射和调制是根据IEEE802.15.4的规来完成的。调制(和扩频)通过数字方式完成。被调制的基带信号经过D/A转换器再由单边带调制器进展低通滤波和直接上变频变为射频信号。最终，高频信号经过片功率放大器放大以到达可设计的水平。射频的输入输出端口是独立的，他们分享两个普通的PIN引脚。CC2430不需要外部T*/R*开关，其开关已集成在芯片部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感所组成。可替代的，一个平衡式天线，如对折式偶极天线也是可以实现上述功能的。集成在部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的需要。晶片置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率围，另搭配了二分频电路，以提供四相本地振荡信号给上、下变频综合混频器使用。3、芯片主要特点：CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、存和微控制器。它使用1个8位MCU〔8051〕，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器〔Timer〕、AES128协同处理器、看门狗定时器〔Watchdogtimer〕、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(Brownoutdetection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。◆高性能和低功耗的8051微控制器核。◆集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。◆在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统。◆硬件支持CSMA/CA功能。◆较宽的电压围〔2.0～3.6V〕。◆数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。◆具有电池监测和温度感测功能。◆集成了14位模数转换的ADC。◆集成AES平安协处理器。◆带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。◆强大和灵活的开发工具。4、CC2430的引脚与I/O端口CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装,共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。I/O端口线引脚功能：CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR存放器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。I/O口有下面的关键特性：◆可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。◆在输入时有上拉和下拉能力。◆全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。1～6〔P1_2～P1_7〕：具有4mA输出驱动能力。8，9〔P1_0，P1_1〕：有20mA的驱动能力。11～18脚〔P0_0～P0_7〕：具有4mA输出驱动能力。43，44，45，46，48脚〔P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0〕：具有4mA输出驱动能力。电源线引脚功能：7脚〔DVDD〕：为I/O提供2.0～3.6V工作电压。20脚〔AVDD_SOC〕：为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。23脚〔AVDD_RREG〕：为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。24脚〔RREG_OUT〕：为25，27～31，35～40引脚端口提供1.8V的稳定电压。25脚(AVDD_IF1)：为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一局部电路提供1.8V电压。27脚〔AVDD_CHP〕：为环状滤波器的第一局部电路和充电泵提供1.8V电压。28脚〔VCO_GUARD〕：VCO屏蔽电路的报警连接端口。29脚〔AVDD_VCO〕:为VCO和PLL环滤波器最后局部电路提供1.8V电压。30脚〔AVDD_PRE〕:为预定标器、Div2和LO缓冲器提供1.8V的电压。31脚〔AVDD_RF1〕：LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压。33脚〔T*R*_SWITCH〕:为PA提供调整电压。35脚〔AVDD_SW〕:为LNA/PA交换电路提供1.8V电压。36脚〔AVDD_RF2〕:为接收和发射混频器提供1.8V电压。37脚〔AVDD_IF2〕:为低通滤波器和VGA的最后局部电路提供1.8V电压。38脚〔AVDD_ADC〕:为ADC和DAC的模拟电路局部提供1.8V电压。39脚〔DVDD_ADC〕:为ADC的数字电路局部提供1.8V电压。40脚〔AVDD_DGUARD〕:为隔离数字噪声电路连接电压。41脚〔AVDD_DREG〕:向电压调节器核心提供2.0～3.6V电压。42脚〔DCOUPL〕：提供1.8V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。47脚〔DVDD〕：I/O端口提供2.0～3.6V的电压。控制线引脚功能：10脚〔RESET_N〕:复位引脚，低电平有效。19脚〔*OSC_Q2〕:32MHz的晶振引脚2。21脚〔*OSC_Q1〕:32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。22脚〔RBIAS1〕:为参考电流提供准确的偏置电阻。26脚〔RBIAS2〕:提供准确电阻，3kΩ，±1%。32脚〔RF_P〕:在R*期间向LNA输入正向射频信号；在T*期间接收来自PA的输入正向射频信号。34脚〔RF_N〕:在R*期间向LNA输入负向射频信号；在T*期间接收来自PA的输入负向射频信号。43脚(P2_4/*OSC_Q2):32.768kHz*OSC的2.3端口。44脚(P2_4/*OSC_Q1):32.768kHz*OSC的2.4端口[13]。2、温度传感器DS18B20数字温度传感器，接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，干净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域[14]。特点：1、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。2、测温围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。3、多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。4、作电源:3~5V/DC。5、在使用中不需要任何外围元件。6、测量结果以9~12位数字量方式串行传送。7、不锈钢保护管直径Φ6。8、适用于DN15~25，DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。9、标准安装螺纹M10*1，M12*1.5，G1/2任选。10、VC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。图2-3DS18B20温度传感器封装图DS18B20工作原理：DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820一样，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度存放器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度存放器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开场对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停顿温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B20温度数据表：DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和构造存放器。如表2-1所示。表2-1DS18B20温度传感器数据表3、集成放大器LM324LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用符号来表示，它有5个引出脚，其中“+〞、“-〞为两个信号输入端，“V+〞、“V-〞为正、负电源端，“Vo〞为输出端。两个信号输入端中，Vi-〔-〕为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+〔+〕为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位一样[15]。LM324的特点1、短路保护输出。2、真差动输入级。3、可单电源工作：3V-32V。4、低偏置电流：最大100nA。5、每封装含四个运算放大器。6、具有部补偿的功能。7、共模围扩展到负电源。8、行业标准的引脚排列。9、输入端具有静电保护功能这个是最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6，7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13，14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7，8，14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。至于使用地方，那就是你需要比拟器和运算放大器的所有地方你都可以用，我们提到的设计就是把它当做简单的比拟器来使用。构造引脚如图2-4所示。图2-4LM324构造引脚图2.3本章小结针对智能家居系统的特点和开展趋势，本章首先介绍了系统组成，并对系统各个局部进展了简要的介绍，随后给出了系统设计原则。接着主要对基于Zigbee的智能家居网络进展了研究，介绍了Zigbee网络设备类型以及目前三种网络拓扑构造。最后给出了硬件局部的设计思路，并且分析了所用到的主要芯片。第三章硬件设计硬件设计包括了上文提到的信息检测模块、家居控制模块和电源管理模块，以搭配ZigBee模块举起智能家居的硬件网络，并要有硬件方面单独的检测。3.1硬件原理图红外检测模块原理图如图3-1所示。图3-1红外检测电路原理图工作原理：如图3-2所示，当红外对管发射并接收红外线的时候，电路接通，比拟器＋端相当于直接接地，即0V电压，－端输出为调整好的２.５V电压，故比拟器OUT端输出低电平。当有物体阻隔红外线的时候，红外对管的接收管阻隔断开，比拟器＋端接入VCC，即５V电压，故比拟器OUT端输出高电平，产生检测信号。接入ZigBee红外检测模块的P1.4口。实物图如图3-2所示。图3-2红外检测模块实物图光照检测模块原理图如图3-3所示。图3-3光照检测电路原理图工作原理：光敏电阻在有光照的情况下，呈现极小的的电阻，可以看做没有电阻。电路在白天工作的时候，光照在光敏电阻上，如下图比拟器的－端的电压会是５V，而＋端显示固定的2.5V，故比拟器输出低电平。当电路在黑暗的情况下工作时，与上面相反，－端的电压这个时候由于光敏电阻的阻值近似无限大，所以输出近似0V的电压，＋端依旧是2.5V，所以电路的OUT端输出高电平，产生检测信号。正常工作的时候是在无光照的情况下产生并发送一个高电平。实物图如图3-4所示。图3-4光照检测模块实物图温度检测模块原理图如图3-5所示。图3-5温度检测电路原理图工作原理：DS18B20作为应用很广的温度传感器，设计电路的时候不需要外加其他的元器件，以串行通信的方式将采集到的温度信息传送到ZigBee模块上，接入模块的P1.1口。实物图如图3-6所示。图3-6温度检测模块实物图电源管理模块原理图如图3-7所示。图3-75V电源原理图工作原理：220V的交流电先经过线圈的变压作用，把其转变为5V左右的交流电，在经过桥式整流电路，使其转变为5V的直流电。后续电路经过滤波，稳压，最后在输出端输出稳定的5V电压，可作为设计需求的电源使用。实物图如图3-８所示。图3-８5V电源实物图电器控制模块原理图如图3-9所示。图3-9电器控制电路原理图工作原理：利用简单的继电器来控制居家电器。两个继电器的直流端，一端接入固定的3.3V电压，另一端接在输出端口上。电路正常工作的时候，两个输出端口都是3.3V，故不会产生电压差，没有信号输出。满足条件以后，输出端口产生持续的低电平，控制电路即产生压降，形成回路，启动继电器以及警报灯工作。实物图如图3-10所示。图3-10电器控制模块实物图3.2本章小结本段主要给出了硬件的几个模块的设计，电路原理图，电路实物图还有其工作原理，都是硬件设计相当重要的工作。第四章联调测试本章对于做出来的实物电路进展测试，也对软硬件进展联合调试，是设计的最关键步骤。4.1硬件独立测试电源模块的测试经过万用表的测试，输出的直流电压稳定在5V左右，到达预期要求，检测合格。红外检测电路的测试按照原理图，有物体阻挡住红外线的时候会往输出端产生一个高电平，我在输出口并联了一个发光管，以方便检测，发光管亮即说明有高电平输出。有物体阻挡时的工作电路如图4-1所示。图4-1红外检测模块检测图光照检测电路的测试按照电路原理，在光线不是很强的情况下，光照检测电路会产生一个高电平。同上也采用了一个发光管方便检测。光线暗时的工作电路如图4-2所示。图4-2光照检测电路的测试温度检测电路的测试此步骤放在联合调试中执行。电器控制电路的测试按照电路原理，输出的一个持续的高电平会启动继电器工作，从而接通工作段的家居电器。同上安装了检测使用的发光管，当有持续的高电平的输入时，发光管发亮，同时继电器发出“吧嗒〞的声音，表示线圈吸合断开。工作电路的测试图如图4-3所示。图4-3电器控制电路的测试4.2智能家居系统的软硬件联合测试连接好外部电路，DS18B20的三个引脚，对应接到一个终端模块P2区的VDD，GND和P00引脚上，红外报警模块信号脚接到另一个终端模块P2区的P07口。检测模块接到协调器模块的P1区的P11口和P14口，如图4-4所示。图4-4检测模块实物连接图通