【基于ZigBee技术的智能家居系统设计15000字（论文）】

基于ZigBee技术的智能家居系统设计摘要现如今，随着我国的计算机技术、通信技术和自动化技术的迅猛发展，以及智能家居的概念走进人们的日常，更是在新冠病毒所引发的疫情之后加速了人们对居住环境需求的更新。由于人们愈多时间待在家中，增加了人们对居住环境更为舒适、便捷、高效以及安全的要求，只能提供居住环境的传统居住环境已经不能满足人们的需求。目前智能家居系统的市场需求巨大且应用前景也一片光明，世界上的许多电子公司开始进行了智能家居系统的研究，并且研究在智能家居领域稇载而归。不同电子厂商所生产的智能家居开始了飞速的发展，纷纷投入了生产与市场，人们的居家生活进一步得到了简便。然而有线通信技术在传统智能家居中泛为应用，不能满足低碳以及用户对新技术的要求。考虑到当前室内用电浪费现象严重以及各自家具产品之间并不兼容，且目前大多数智能家居系统成本较高不能覆盖大众市场，对智能家居系统的研究显得举足轻重。而ZigBee技术在众多短距离无线传输技术中，其低功耗、低成本的特点成为解决当前智能家居系统设计的理想方案。本文对IEEE802.15.4/ZigBee协议做了研究分析，介绍ZigBee技术的相关概念和其网络拓扑结构特点，对ZigBee的物理层，MAC层等主要功能和关键技术进行了介绍。面对市场对智能家居系统的要求，本文给出了一个方案来设计基于ZigBee技术的智能家居系统。利用DHT11温湿度传感器、MQ-2气体传感器以及光敏电阻并且在此基础上使用TI的CC2530实现ZigBee节点的硬件设计。由智能家居系统的硬件部分设计，智能家居系统的软件部分设计和智能家居系统的调试这三个部分组成完整设计方案。经过调试后，认为本系统虽有所欠缺，规模不足有很多发展空间，但可以稳定运行且在一定程度上能够完成实际需要。关键词：ZigBee；智能家居；CC2530目录TOC\o"1-3"\h\u19461序言 -1-序言在科技飞速发展，物联网繁荣发展的今天，随着智能化应用的飞速发展，使得人们的思想意识出现了明显的变化，不单单只是对生产的效率和质量的要求有了新的改变，而且对自己生活居住环境有了新的期盼，于是智能家居成为人们的追求。在疫情后的如今社会，随着社会压力、生存压力等各种压力的加大，住宅是否便利，舒服很大程度上影响了人们的生活与工作。与此同时，随着计算机技术、通信技术和自动化技术的快速发展以及趋近成熟，促使智能家具正在慢慢走进我们的身边。但由于目前智能家居不能普及大众，在众多短距离无线传输技术当中，ZigBee技术其成本低，功耗小的特点一定程度上弥补了这个缺点。智能家具系统设计采用ZigBee技术，可以消除网线、电缆、电话线等连接线所带来的消耗高、不便利等缺点，也能更好的室内建筑风格所适应，对居住空间进行最大程度上的优化。智能家居系统采用这种技术可以节省很大一笔在照明和取暖上的费用。本文旨在基于ZigBee技术的基础上，构建一个稳定可靠地控制网络。再从硬件设计，软件设计和系统调试三方面介绍本系统，并提出系统不足和展望。概论1.1课题研究背景及目的智能家居是一个用各种技术，将各个子系统如灯光管控、温湿度测控和烟雾警报等系统进行统一管理并将其有机结合的概念。比较于传统的居住环境，智能家居不但能实现人们对居住环境的需求，还能够进行实时管理和安全防护的功能，一定程度上减轻了人们的生活压力，更合理有效的安排时间。不用在工作后满身乏累的去拉窗帘；也不用在有睡意时再去下床关灯；更不用在工作之余抽出时间打扫家里卫生。当你在出门时可以随时查看家里的情况并进行一些操作进行补救：电器忘关后及时通过远程遥控操作电源；出门前忘记打开窗户通风后及时用门窗管理功能进行补救；也能以免煤气泄漏等安全隐患问题的发生，为人们提供更高质量的生活。目前智能家居市场并没能很好的贴近大众。因为它采用了花费比较高的有线传输方式。为了使智能家居系统更贴近大众、更适用于低端市场，本文提出基于ZigBee技术上的智能家居系统的设计，能够对家庭居住环境进行实时监测和管理。1.2.1国外发展过程在由计算机技术引起的第四次工业革命之后，人们走进了信息时代。国外的智能家居系统和国内相比，发展的速度快得多也早得多。智能家居在1984年首次被世界所公认，美国科技公司把信息化带入了CityPlaceBuilding的老楼改造当中，实现了打电话、发邮件等信息类服务，通过计算机系统对大楼的电梯、照明、空调等设备进行监测和控制，这是智能家居历史上的崭新一章。在这之后，各个发达国家诸如日本、加拿大、欧洲等发达国家也提出了不同关于智能家居领域的方案，并且也取得了实践和应用。近年来，微软公司等知名国际科技企业，也投入于智能家居领域的研发当中。最出名的莫过于微软创始人比尔盖茨的豪宅，通过无线通信技术、人脸识别技术以及计算机系统对门窗、灯光、室内温度以及家中各种设施进行了管理。不用自己亲手动手做饭，也不用去亲自打扫卫生，所有的家具都有智能家居系统进行统筹管理。1.2.2国内智能家居的发展现状我国的智能家居相对于国外发展比较缓慢了，始于上个世纪90年代末，当时只有海尔、海信科龙等公司推出了自己的智能家居产品。在国内企业的重视和其他国家研发经验的基础上，智能家居行业经过多年的发展逐渐走向成熟。十多年前，“智能家居”对大多数人来说还是一个陌生且遥远的概念；而现在随着通信技术的更新替代和老百姓日子变好，广泛的传播智能家居的概念，让智能家居的概念被更多的老百姓开始关注。除了通过整合使其标准化的问题之外，智能家居的发展也应考虑经济问题、存储空间问题和简易便捷化问题，这才是让智能家居走向广大老百姓的制胜之路。再一方面，由于我国自身国情与其他发达国家相较有很大的区别，众多的人口和相对拥挤密集的城市住楼和布局也使我们对智能家居的需求与国外也有着明显的区别。一方面随着“金山银山不如绿水青山”和碳中和概念的深入人心，人们对智能家居也有着低碳发展的需求。通过智能家居系统可以很大程度上节省了电的消耗并且极有效利用了资源，比如说使用灯光管控系统随时管控灯光，使用节能和智能电器，都不失为很好节省资源的方法。1.3课题的主要研究内容本次课题研究主要是通过对ZigBee核心技术进行研究并对智能家居系统进行深层次的分析来设计一个低成本、低消耗以及可以进行无线传输的智能家居系统。家庭网络布线不但可以选择有线连接，还可以选择无线连接，目前市场上大多数智能家居系统都是以有线方式为主要的，但有线相对于无线有着诸多缺点：布线复杂需考虑各个线之间是否冲突且工时长，成本相对无线较高尤其是旧楼翻新时所投入费用更多，后期仍需要定期维修若有线损坏则会影响系统运行。而采用ZigBee技术可以很好解决以上的问题，由于其采用无线连接的方式，并且网络容量较大可以很好避免拥塞，数据交换量比较小，传输速率也要求不是很高，极大程度地减小了消耗和成本。在安全保护方面，它对传输的数据报进行封装加密处理，安全性较高，满足智能家居系统的需求。除此之外，也方便将智能家居产品打入大众低端市场，促进人们生活信息化、便利化。智能家居系统及ZigBee技术2.1智能家居系统智能家居，方便人们生活并为人们构造出一个舒适、便利的居住环境的一种综合性技术。它也被人们叫做数字化家庭、家庭网络、家庭自动化等等，但根本目的还是利用新兴技术优化生活、方便大众。智能家居系统就是对家里面的各种电器、如电话之类的通信工具以及显示屏等进行全方位的监控和统筹管理控制的一个有机整体，可以简化人们的居家生活，节省人们的时间。而主要的办法就是采用传感器网络以及计算机网络技术与各个子系统相结合，管理家中的各个家居和网关。2.1.1智能家居的系统构成智能家居的系统构成主要有三个方面，第一方面就是安防系统，对家中的电器使用安全进行保障和监控；第二方面就是家用电器的自动控制系统，通过网络开关管控家用电器的开关，从而达到有效利用资源的目的；第三方面就是综合布线系统，通过布线实现系统与电器之间的联通，而智能家居系统功能结构主要包括了控制网线（分为有线和无线）、家庭的通信网络（如WIFI）、家庭信息控制和家庭网关。2.1.2智能家居的需求变化及新发展趋势人们曾认为传统的智能家居带来了生活品质上的一定程度上的提升，随着科技的不断蓬勃发展，智能家居正在改变人们对它传统的看法，当中最显而易见的变化就是便利、普及大众、低碳。家居与我们的生活息息相关，我们每个人的家中都会有各种智能化、信息化的电器，比如电视、智能指纹解锁防盗门、温湿调控器、冰箱、扫地机等各种智能电器，但由于其标准并不一样，人们对其进行使用往往要分开进行，这样造成大笔的时间费用和电费。而无线通信网络技术则可以很好地解决这一问题，通过无线连接的方式和智能家居系统，使原本混乱无章的电器共同构成一个有机的整体，给智能家居领域带来了新的曙光，拓展了智能家居的市场。2.2.1有线通信技术下面将介绍有线技术。（IEEE802.3标准）是最常用的局域网组网方式，它不仅技术成熟、成本低、结构简单，而稳定性和可扩充性好更是它最大的优势。对于智能家庭系统所需的网络，该网络的不足之处是必须将所有的电、电脑和集群连接起来。另外，为了网络的流畅性，必须保持连接。这是在不知不觉中增加布线的费用。相反，homepnA虽然和上面提到的以太网相似，但是对于路径的端口，电缆类型和网络拓扑没有特别的要求，homepna可以共享传输媒体，不需要物理交换机或香草，此外homepna也需要新的即使不建立生产线，费用也比它低。但是，目前在国内，由于质量下降的布线导致的可靠性问题也越来越暴露出该技术的缺点REF_Ref4590\r\h[14]。跟以上两个网络相比PLC的优势是不用铺设专用电缆，可节省成本，信号也相对来说比较稳定。然而HomePlug哪怕电力线网布置比较下较广，但是HomePlug1.0的速率却比较慢仅有14Mbps。并且，电力线组网在市场方面还有安全问题上也有不少问题。2.2.2短距离的无线通信技术跟有线通信技术相比，无线通信技术更适合智能家居系统，不但成本低、功耗小而且也省去了布线带来的麻烦，也有着较好的可靠性和安全性。本文介绍的短距离无线通信技术主要分为以下几种：红外线技术（IrDA，InfraedDataAssociation），一种包括了红外线的转化、传播以及产生三个方面，而且面向人群更广而且科研深度更深的点对点技术。它无需接收器接收，比如说我们在家中用遥控器控制电视时采用的便是红外线技术。红外线技术通常用近红外线来传输数据息，而它的传输速率达到4Mbps，工作的频率为38KHz。如今，在软件、硬件方面这项技术已经趋近成熟，研究范围也比较广并且成本比较低，但却不能自己能组建自己的网络、传输时也不能有遮挡物只能实现短距离通信。蓝牙（Bluetooth）技术是短距离实现免费通信的无线通信技术，能够在蓝牙设备直接进行数据的传输，一般可以在半径十米内进行通信。蓝牙技术采取分散式网络结构等技术，但是覆盖范围不大，造价不便宜，因此蓝牙技术市场并不是很好。Wi-Fi（WirelessFidelity）技术是当今人们最常使用的无线通信技术，也就是我们平时所说的无线相容认证，是IEE802.11b的正式名称。Wi-Fi技术使用较灵活，广泛应用于大众生活之中，同时对某些对安全性要求高的部门，通过Wifi传输数据时可以通过加密达到安全保障的目的。但是Wi-Fi技术的缺点在于耗能较高而且穿越障碍物能力也差，Wi-Fi装置要一直供电才能保证其运行，从节能低碳的角度来讲Wi-Fi技术的推广受到一定的质疑。2.3ZigBee技术2.3.1ZigBee技术简介虽然近些年来随着科技的发展，无线通信技术发展愈来愈快，但大多数应用于农业、工业、传感器等方面的技术数据传输速率低，功率消耗比现在低碳要求下还是较高。而且，如果想要在日常生活中随便使用便利的无线技术，就需要大量无线装置放在人们的生活环境中，基于上述技术在智能家居系统设计中的缺陷，ZigBee技术其近距离传输、成本低、功率消耗低、高效率性以及数据传输量大的特点可以很好地适用于智能家居系统的开发当中。ZigBee技术，这一双向无线传输技术多数使用在工程控制和远程控制方面，目前正在逐渐走向大众市场。ZigBee又可以翻译成“紫蜂”，其名字由来是借鉴蜜粉族群的舞蹈，是以蜜蜂之间相互联系的方式为启发研发而成的一种与蓝牙相似的短距离无线网络。ZigBee的有效传输范围为十米到一百米之间，其三个频段如图2.1所示。为了达到安全传输数据的目的，ZigBee的安全性被人们分为三个不同的级别，这样使人们使用时根据自身需求所选取，在IEEE820.15.4标准和ZigBee联盟打的制定下，完整的ZigBee协议结构类似于TCP/IP的五层结构，IEE协议主要负责物理层和数据链路层，负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议则由ZigBee所规定REF_Ref14681\r\h[4]。IEE802.15.4协议架构如图2.2所示。图2.1三个频段的比较图2.2IEE802.15.4协议架构2.3.2ZigBee技术特性以及用于家庭组网的可行性分析ZigBee技术是一个新型无线通信技术。与其它无线技术相比，ZigBee技术一方面很好地降低了成本，虽然其数据传输速率不高，但ZigBee技术可减少能源消耗满足低碳要求，可实现短距离操作且数据传输安全牢靠、兼容性、好网络容量大。毋庸置疑，ZigBee技术更加地简便。ZigBee技术的特点主要表现在：首先，ZigBee技术的能源动力的耗费明显比其他无线网络通信技术低，其数据传输过程中发射功率为1MW，且ZigBee在休眠时要消耗的功率更低。再者，利用ZigBee技术进行研发，使用需要投入的成本不高。现在，因为利用ZigBee技术基本上说不用去交专利费，所以许多用户都能够接受ZigBee技术的研发和使用的成本。而且，ZigBee技术可以实现较齐备的检验功能，在运用ZigBee的时候需要反复地进行测验，因此，ZigBee技术具有很高的安全性。另外，数据传输空间可以通过ZigBee技术变得更大更广。由于本系统采用的是家庭网络，ZigBee技术可以满足其工作需求。可以从以下几个方面来说：低成本。ZigBee模块的初始成本很低，一块CC2530芯片的价格低于其他技术所需要的市面上很多芯片。ZigBee技术极大地简化了协定，而且还不用承担专利费。2.低碳。由于工作周期相对来说较短，ZigBee非常省电，并且还有休眠模式，和蓝牙、Wifi等其他设备相比较具有十分突出的优势。3.通信好。总的来说，ZigBee技术通过进行一定的优化，从设备搜索时延到休眠激活时延再到活动设备信道接入时延，时延的范围在15至30毫秒。与其他的技术相比较，ZigBee响应的速度很快，也更能省电。另一方面ZigBee的工作速率在10kb/s~250kb/s传输，ZigBee网络内相邻两节点间一般在10m~100m内完全满足了一个家庭的需求。4.安全可靠。ZigBee安全性来自编号多安全防护级别高。ZigBee采用偏移正交相移键控技术和直接序列展频并且利用了载波侦听多路访问/碰撞检测技术，节点间可以自动进行动态组网5.自由灵活。ZigBee网络可以包含65535个设备。一个ZigBee网络的每个主节点都被其上层节点管理，可以随时增删节点，十分灵活。。2.4ZigBee网络分析与研究2.4.1ZigBee网络的设备类型ZigBee网络主要包括三种类型的设备：调整器，调整器用于启动和控制网络。调整器是网络的存储空间。在某种意义上，认证中心和安全钥匙的仓库。共享设备、共享设备扩展了网络的覆盖面，并在故障周围提供了动态路径，防止网络堵塞或设备启动。这些设备可以连接到调节器和其他共享设备，支持终端设备，终端设备可以发送或接受一个信息，但无法执行任何路径操，这些设备必须连接到调节器或一个路径设备，并且不支持子设备REF_Ref26412\r\h[10]。2.4.2ZigBee网络拓扑结构网络拓扑结构，是一个点到点的网状结构，由互联的路由和终端组成的。ZigBee网络拓扑结构主要有三种模式：REF_Ref26830\r\h[16]。星形拓扑结构用于节点较少的情况，一个PAN主协调节点连接任意个终端节点构成了该结构，其终端节点除了协调器节点不能和其他节点相连且两个终端节点想要通信握手、通话以及信息的传递必须经过一个协调器节点。树形的拓扑结构形状好像是大树，故称之为树型网络。在Tripopologe结构网络上通信的节点将信息根据路径只传送到最近的父母节点，从父母节点根据路径传送到其他节点，但是在传达信息的过程中有一定的延迟REF_Ref26856\r\h[17]。网状拓扑结构在形式方面比较类似于树状，但是他可以像网一样，点对网进行互相通信。网状网络拓扑结构还能够自己修复网络，哪怕连接时路由网络出现了问题，每个节点也可以进行其他路线传输。网络拓扑结构如图2.3所示。图2.3网络拓扑结构图2.5ZigBee网络协议栈ZigBee也是与TCP/IP类似的可分层逻辑，下一层为上层提供服务。数据实体提供数据传输服务。管理实体提供一切不同的服务。所有服务实体都通过服务接入点向上层提供接口。所有SAP支持一定数量的服务源，实现必要的功能，ZigBee标准堆栈结构是基于OSI7层模型根据市场和实际需求定义的，主要由4层构成，物理层（PHY）、媒体访问层（MAC）层、有网络层（NWK）和应用层（APL）REF_Ref21448\r\h[1]。2.5.1物理层ZigBee的物理层最“平易近比特流”。物理层选择没有被其他网络使用的无线信道，主要负责完成收发数据信息等功能。物理层的协议数据信息模块（PPDU）从左至右是由容许机器设备同步还能锁住比特流的同步头、存在帧长数据信息的物理层帧头和带有MAC层帧信息内容的物理层有效载荷构成，在物理层的协议数据信息模块数据包构造中，优先处理最左侧的字段，多字段中则最低有效字节优先REF_Ref32672\r\h[9]。物理层参考模型如图2.4所示。图2.4物理层参考模型2.5.2MAC层全部需要连入物理层无线信道的访问都由MAC层处理，它负责包括六个方面：参与构建安全性网络为防止碰冲突和使用广泛的CSMA/CD.提供通信两端的数据链路通过协信标帧来保持两端同步双工通信有机制保护通信时的时隙间隔可以连接网络设备并且使其离开。其模型如图2.5所示REF_Ref26830\r\h。图2.5MAC层模型2.5.3网络层网络层是最上面的协议层，可以进行通信数据传送，也就是加入和离开节点。而在其内容当中，网络层作为应用层下层，具有不同非常的意义。网络层功能：对网络路由器提供初始化服务；搜索网络并入一个网络以及断开网络连接；3.构建和验证一个网络；4.分配地址和加入新设备；5.同步信息接收并且保证后期的信息维护能够顺利进行。ZigBee网络层的功能是保障上下层的正常工作，作为上下两层中间的传输带，也可以实现逻辑上的通信。其网络层参考模型如图2.6所示。图2.6ZigBee网络层参考模型2.5.4应用层ZigBee的应用层相对于其他协议来说没有明确的格式，它是根据需要自行设定的，应用层可根据设计目标和需求定义应用。分以下三部分：1.应用支持层。可维持绑定表并且提供有效的数据服务，为应用的对象提供了活动环境和数据支持，可以组成新的数据单元，支持绑定的设备间进行通信以及数据的传递。2.设备对象。可以在网络中发现设备并采集信息来定义设备在网络中的类型以及对安全服务文档等进行初始化设置。为设备提供合适的服务并为它们建立安全机制和自动发现周围的节点。3.应用对象。是用户定义地在协议栈上运行的应用程序，有主值对服务和通用信息服务两张，它们都按照profile的规范在1~240端点上运行。应用层参考模型如图2.7所示。图2.7应用层参考模型基于ZigBee技术的智能家居系统的总体设计以及硬件设计3.1智能家居系统的总体设计3.1.1智能家居系统的网络结构本文基于Zigee技术设计了智能家居系统。其网络结构如图3.1所示。有三个部分：1.外部网络2.家庭网关3.家庭内部网络。图3.1智能家居系统网络结构3.1.2智能家居系统的整体设计要求智能家居系统的设计过程当中需要满足的要求主要有以下几个方面：首先由于使用系统的大部分用户都是非专业的大众人群，我们必须要使家居网络具有自主性以及自适用性；除此之外，我们还应当满足传输家居网络数据过程中的可靠性以及网络的安全性来保证家庭的私密性；还有一方面，由于面对不断更新的电子设备我们的家居系统也应当随之更新升级，因此必须满足系统的可扩展性；最后一方面，为了实现低碳要求以及方便智能家居系统市场更贴近大众，我们也当保证其成本和消耗价格的低廉。3.2智能家居系统的硬件整体架构智能家居系统包括信息采集模块和数据传输模块，以CC2530为核心芯片，利用传感器作为终端设备采集室内环境信息，将信息传送至终端后，终端设备经ZigBee将各数据信息传输给协调器，协调器再通过IO串口将数据发送给PC端，采集到的各项数据由PC端人机交互、管理、储存，并在分析数据后决定是否报警。系统总体结构如图3.1所示。图3.1系统结构图3.3智能家居系统的硬件模块系统的硬件模块分为：1.CC2530核心片。2.传感器模块。3.ESP8266透传网关模块，3.天线、电源、DS1302实时时钟模块、信息采集显示模块、报警模块。3.2.1核心板硬件芯片CC2530有越来越多的电子芯片随着ZigBee技术的发展而被人们采用。如CC2420、CC2430、CC2530、AT86RF210/230等来自T1公司的芯片和MC13191/13192/13193系列、MC13211/13222系列等来自Freescale公司的核心芯片。其中CC2530系列如图3.2所示。图3.2CC2530系列概览图CC2530是具有很高集成度而且是符合802.15.4标准，ZigBee协议要求的芯片。CC2530芯片结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其他强大的功能只要连接非常少的电阻，电容和电感等外部元件就能够工作，同样只需要非常少量的外围资源就能组成网络完成数据传输等功能REF_Ref16670\r\h[8]。其引脚图如图3.3所示：图3.3CC2530芯片功能引脚图CC2530体积小且需要外接元件少、成本很低、消耗功率低且功能强大，该芯片具有的主要特性如下：1.提供IEEE802.15.4兼容无线收发器，并且在RF方面符合2.4GHz频段的要求。2.有强大的抗干扰能力和良好的接收灵敏度。3.采用8051的单周期CPU内核，优越的可编程输出功率可至4.5dBm。它有SFR、DATA和CODE/XDATA三个不同的存储器访问总线，提供了18个中断源的中断控制器以保障设备从空闲模式回到工作模式，也可以从睡眠模式中苏醒。4.有着时钟管理和电源功能，电源管理功能可使芯片3μs唤醒、外部中断、睡眠定时器运行三种供电模式下都能低功耗运行，能有效保持电池使用时间。5.CC2530有着许多不同的外设：可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的调试接口，负责所有通用I/O引脚以确保在不同应用程序中的灵活性I/O控制器，进行数据传输，获得高效率操作的多功能五通道DMA控制器，具有定时器/计数器/PWM功能的16位定时器、支持IEEE802.15.4MAC的MAC定时器和两个八位定时器以及一个睡眠定时器，使用一个16位LFSR来产生伪随机数的随机数发生器，允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据AES的协处理器等等REF_Ref16820\r\h[13]。3.2.2ESP8266透传网关模块ESP8266网关使用一个ZigBee节点和一个ESP8266wifi模块组成，ZigBee和Wifi之间基于串口通信，ESP8266模块内置TCP/IP协议栈，使得手机或者其他的通信设备可以直接连接到ESP8266上，相当于直接连接到了ZigBee上REF_Ref26856\r\h[17]。网关分为两种模式，AP模式和STA模式，在实际的应用中取决于使用的环境中，如果在有路由器可以上网的环境中，一般可以设置为STA模式，这样可以不会影响手机上网进行其他操作。它可以实现三种功能：通过WiFi串口连接到USB口实现“网关—PC”两端通信。通过WiFi串口连接到ZigBee来实现网关到终端的通信3.通过zigbee串口接到底板上来当做普通的zigbee节点使用。其电路图如图3.5所示。图3.5ESP8266WiFi网关电路ESP8266网关的WIFI模块可以分为两种工作模式：无线接入点AP，也就是像我们家里的无线路由器一样，相当于一个无线网关，带WiFi的手机一般可以直接连接这个WiFi模块上。其次是STA工作模式。它的作用类似于端口。WiFi透传网关系统模型如图3.5所示。图3.5WiFi透传网管系统模型3.2.3YL-47DHT11温湿度模块对家中居住环境温湿度做实时监控是设计智能家居系统必须要去实现的一个要求，通过ZigBee节点模块之间的无线网络实时将温湿度数据传输给控制中心，再从控制中心传输给控制终端，最后告诉用户。DDHT11具有工作性能良好、价格合理、质量好、响应速度快、不错的信号抗干扰能力等长处。其工作原理图如图3.6所示。图3.6DHT11模块原理图DHT11温度湿度传感器用于检测家内范围为0度到50度空气温度和测量20%-95%的相对湿度，其测量误差分别为+-2度和+-5%。它采用数字信号。而且元件小巧好安装。本文直接将DHT11模块外接在CC2530核心板上，其连接方式如图3.7所示。图3.7DHT11与CC2530连线图3.2.4MQ-2烟雾传感器检测模块当我们出门在外不在家时，可能会由于自己的疏忽或者设备的损坏造成一些安全隐患，而煤气的泄露将对人体造成极大的伤害。因此，煤气检测模块的设计在整个智能家居系统中显得至关重要。在煤气检测模块中，本文重要采用了MQ-2烟雾传感器，其电路图如图3.8所示。图3.8MQ-2烟雾传感器电路图MQ-2烟雾传感器是电阻型的气敏元件，MQ-2烟雾传感器其灵敏度是可调的，往往根据不同种类、不同浓度的气体有着不同的电阻值，当进行精准测量时与湿度温度传感器可共同工作，MQ-2烟雾传感器可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于烟雾探测，其灵敏度特性如图3.9。其工作电压为家用电压阈值。每次用之前得先预热一会儿，之后元件会有微微发烫的情况。MQ-2烟雾传感器的输出形式分为两种：模拟量电压输出和数字开关量输出，除此之外它还有着安装方便、尺寸小巧等优点REF_Ref4345\r\h[20]。图3.9MQ-2烟雾传感器的灵敏度特性本文将本文直接将MQ-2烟雾传感器模块外接在CC2530核心板上，其连接方式如图3.10所示。图3.10烟雾传感器硬件连接方式3.2.5DS1302实时时钟模块除以上之外，本文还有时钟模块。DS1302实时时钟模块电路图如图3.11所示。图3.11DS1302实时时钟模块电路原理图3.2.6光敏电阻传感器模块光敏模块同样含在设计之中。在这个充斥着焦虑和压抑的情绪的社会下，失眠已经是困扰大部分当代打工人的一大问题。当人们进行繁重疲惫的一天工作之后回到家中酝酿一番睡意躺在床上之后往往会因为起身关灯而导致睡意全无。但如果在智能家居系统中考虑这一需求设计这一环节，会使得智能家居市场更好的面向大众。这一模块主要通过AO和DO口工作。并且通过高低电平的转换和光敏器件的特性来实现功能。其电路原理图如图3.12所示REF_Ref4590\r\h。图3.12光敏电阻传感器模块的电路原理图3.2.7信息采集显示模块本系统利用TFT彩色显示屏幕作为信息显示模块。它可以自主地控制屏幕上的每一个像素块，因此缩短了反应时间。下图为TFT屏幕与CC2530的连接方式如图3.13所示。图3.5TFT屏幕与CC2530的连线图3.2.8报警模块智能家居系统为了家居环境的安全性，当以上传感器模块测量数据出现异常时，报警模块会通过蜂鸣器对用户进行报警。智能家居系统的软件设计4.1智能家居系统的软件开发环境本文主要是在CC2530核心硬件上进行ZigBee网络的组建和软件的开发，瑞典公司推出的IARfor80517.6的C语言集成开发环境和Z-Stack协议栈构成了本系统的软件开发环境。4.1.1Z-Stack协议栈TIZ-Stack装在基于IAR的工程中定义了软件和通信硬件在不同级间工作要怎么和谐配合，可以完成复杂的网络连接。协议栈采用分层结构使栈中每一层都能相对独立地提供由协议定义的服务，这样，只需要关注与问题直接相干的层的协议就好，这样的结构极大的简便了我们的工作。Z-Stack类似于TCP/IP协议也使用分层的结构，一共分为五层：与协议栈相互独立、串联各个层的操作系统抽象层（OSAL）、提供任务调度的任务调度主循环层、定义外围设备接口函数的外围设备层、为上下层通信提供服务的ZigBee板级支持层以及负责各种硬件设备的驱动程序的硬件抽象层（HAL）。上层与下层之间可以通过服务和借口点来进行交互，并且可以通过层层传递数据来进行工作。Z-Stack的流程图如图4.1所示。图4.1Z-Stack流程图4.1.2ZigBee的软件开发环境IAR本文采用IAR进行设计。而IAR优化编译器可以极大的优化代码程序并且运作十分高效，这可以节俭硬件资源达到简洁化的目的以及达到减少产品成本的目的，更可以有效拓宽了市场。除此之外，IAR的工程有着路径支持而且有着高效浮点支持。在内存模式上，可以有着不同模式的选择从而获得目标特性的扩充；内部通过大小优化器和优化程序速度的芯片，从而进行中断处理操作和模拟操作十分便捷，还能对自己的瓶颈能力进行分析，在支持版本控制和工具拓展方面也十分良好。图4.2为其主要工作功能。图4.2IAR的主要功能4.2智能家居系统的系统终端节点软件设计终端节点都可以被视为是传感器的节点，一个合格的软件设计必须基于硬件设计之上，因此本文在硬件设计的基础之上设计了智能家居系统的系统终端节点设计，对提升系统的性能有着很大的好处。4.2.1终端节点的软件设计本文设计主要采用了网状型网络拓扑结构，终端节点可以视为传感器的节点，且其是ZigBee网络结构中最为简单的一部分。由于终端节点并不支持路由功能，只是简单的FFD或者RFD，所以终端设备也可以在无网络的情况下工作，并不会影响整个网络。系统中，烟雾传感器、空气温湿度传感器以及光敏电阻传感器来采集数据，这三个传感器再与终端节点即核心芯片CC2530连接。以下是部分程序：1.温湿度传感器模块实验中用到了串口和P0_7,DHT11程序采用模块化编程思想，只需调用温度读取函数即可因此相当方便。在dht11.c里，以下代码与IO口密切相关，如果修改传感器IO口，修改这几行即可，我们默认是接在P07上：#defineDATA_PINP0_7#defineDATA_PIN_INPUT(P0DIR&=~0x80)#defineDATA_PIN_OUTPUT(P0DIR|=0x80)同时dht11.c里提供了一个函数接口，用于读取当前的温度和湿度,voidDHT11(void);系统周期调用ht11()函数，就会周期读取温湿度数据，读取的时间要3秒以上一次。编译之后，传感器会自动测量温湿度数据，并将分别保存在变量wendu和变量Shidu中。之后数据传输到控制端，由控制端读取并判断，并串口输出和LCD显示。部分程序截图如图4.3所示。图4.3温湿度传感器模块的部分程序截图2.烟雾传感器模块在这一模块，IO接口连接报警模块的蜂鸣器，触发条件为为空气中的烟雾浓度大于阀值。此时连接的LED1灯闪烁。同时传感器上的DD-LED会闪烁。在HAL目录下找到hal_adc.c文件，每个函数都有“#if(HAL_ADC==TRUE)”定义，这时候将hal_board_cfg.h把HAL_ADC定义为TRUE。再通过使文件hal_adc.c，ADC电压值显示在屏幕上。uint16HalAdcRead为此函数模型。之后在终端联网后启动定时器，当终端定时器超时，启动采样，再对采样的数据进行分析。其中函数GetMq2()把MQ-2传感器的AO口输出的电压转换成数。最后协调器接到数据后，显示在显示屏上同时串口输出，还可以根据AO口的值对蜂鸣器进行报警。首先双击打开代码工程，通过仿真器把开发板接到电脑上。然后开始编绎下载。当程序已下载完成，可以运行的时候，接上传感器并且上电运行程序，此时的USB口可以直接供电。然后在MQ-2传感器探头处用火柴点燃气体试试。达到报警条件时，LED1会闪烁,传感器上的DD-LED也会长亮。部分程序截图如图4.4所示。图4.4烟雾传感器模块部分程序截图3.光敏传感器模块首先打开工程，然后配置终端光敏传感器用到的IO引脚以及协调器的蜂鸣器IO口。其次，终端隔一段时间就检验引脚的电平。屏幕把结果显示出来。再给协调器传过去。然后协调器接收数据，判断要不要报警。报警的话蜂鸣器会响。最后终端隔一段时间就看看时间。时间间隔在sampleApp.h里定义，一般零点五秒一次。部分程序截图如图4.5所示。图4.5光敏传感器模块部分程序截图4.3智能家居系统的协调器节点软件设计协调器节点可以说是本系统的网络核心，是整个智能家居系统ZigBee网络的管理员，其任务是将终端节点发送的各项数据进行储存和管理并且还需要与PC端连接以来实现数据的相互传输。其组网流程图如图4.6所示。图4.6协调器的组网流程图本文主要采用ESP8266网关模块来实现终端和控制端的数据传输。终端传递数据至Wifi网关模块过程和终端接收WIfi网关模块数据内容如图4.7所示。图4.7终端传输数据至Wifi网关模块协调器Wifi网关可以实现与电脑端的数据收发过程，其内容如图4.8所示。图4.8Wifi网关电脑端的数据收发过程Wifi网关模块接收数据的程序截图如图4.9所示：图4.9Wifi网关模块接收数据的程序截图系统调试及分析当在进行智能家居系统的调试之前，要先确认本系统内硬件设备的情况，如无短路、断路、供电电压不稳等现象。然后调试。本系统的调试过程：先进行组建网络测试，后对各传感器节点进行测试，再对蜂鸣器和进行测试，最后测试系统整体运行情况。5.1SmartRF04EB仿真器SmartRF04EB仿真器在IAR开发环境下用于对CC2530芯片进行开发和编程的软件，在CC2530的开发之中必不可少。SmartRF04EB仿真器每个节点的物理地址都是不同的，并且有电源供电功能的红灯和目标板寻找功能的绿灯。SmartRF04E仿真器PC端操作界面如图5.1所示。图5.1SmartRF04E仿真器PC端操作界面5.2ZigBee网络组建测试在测试系统的硬件情况之后，经测试无短路等异常现象后，可进行测试ZigBee网络组建过程，本系统通过Wifi网关模块进行组网，结构为星形网络。首先用SmartRF04EB软件把程序烧入板子里，然后将Wifi拨码网关打开至“open”。选择合适的串口和参数，测试AP和STA。AP模式:首先打开配置工具。然后将左边网络参数一栏的协议设置为TCP服务器。并且把本地端口设置为8080。再把右边无线参数栏中的工作模式设置为AP。并且设置一个网络，选择加密方式，并设置密码。配置IP为。网关配置界面如图5.2所示。图5.2AP模式下的网关配置界面2.STA模式：首先打开配置工具。然后将左边网络参数一栏的协议设置为TCP服务器。并且把本地端口设置为8080。再把右边无线参数栏中的工作模式设置为STA。并且设置一个网络，选择加密方式，并设置密码。配置IP为。网关配置模块如图5.3所示。图5.3STA模式下的网关配置界面5.3传感器调试5.3.1温湿度传感器调试首先选择先将采集温湿度数据的程序烧入终端。再通电让A板也就是协调器接上LCD。然后给B板也就是终端接上DHT11传感器并上电，如果联网成功后D1常亮，如果联网不成功D1灭，最后观察协调器的LCD显示屏显示，经测试温湿度传感器可以正常工作。5.3.2烟雾传感器调试首先先将采集气体浓度数据的程序烧入终端。其次给终端插上传感器。然后插上显示屏并且通电。再用火柴在传感器上空点燃空气。可以显示屏上AO和DO变化。当测量浓度大于阈值时，终端的灯会闪烁。满足条件后此时传感器的DD-LED也会长亮。最后观察协调器的LCD显示屏显示，经测试烟雾传感器可以正常工作。5.3.3光敏电阻传感器调试首先先将采集光敏数据的程序烧入终端。再通电让A板也就是协调器接上LCD。然后给B板也就是终端接上光敏电阻传感器并上电，如果联网成功后D1常亮，如果联网不成功D1灭，最后观察协调器的LCD显示屏显示，经测试光敏电阻传感器可以正常工作。5.4蜂鸣器调试首先预先设置好阈值，将程序写入终端，将协调器和PC端用USB线相连并为协调器上电；将传感器放在待测位置；给所有传感器上电；改变传感器所置环境，使其环境参数异于阈值，测试蜂鸣器能否自动发出声音。经测试蜂鸣器可正常工作。第6章总结及展望6.1课题总结在疫情影响下，居家办公成为一种工作方式，居家环境慢慢趋向智能化、数字化。智能家居是未来家居发展的主流方向，更是在经历疫情之后正处于百年未有之大变局的时代中智能化、数字化我们的居住环境显得尤为重要。但目前的智能家居市场由于成本高、消耗大的问题大多数只面向高端市场而不是低端市场。为了能够充分解决这一问题，本文基于ZigBee技术的基础上设计了智能家居系统，利用ZigBee技术短距离无线传输、成本小容量大且安全性和可靠性都较高等优点，设计了一款符合大众要求的智能家居系统。本系统在TI的CC2530核心电子板的基础上，添加了烟雾传感、温度湿度传感以及光敏传感模块，并采用ESP8266透传网关进行终端与电脑端的数据传输。主要完成了以下工作：学习了智能家居在国内外的发展历史和现状，分析国内智能家居不足和发展趋势。从而确定了利用无线通信技术的系统设计方案。介绍了ZigBee的发展过程，大体的工作流程和主要特性，通过对比其他技术总结其优势并分析其技术前景。详细阐述了ZigBee技术的功能和原理。主要从网络拓扑结构、设备类型、各层协议规范等方面。通过对智能家居系统实际情况的分析和对ZigBee技术的理解设计出本系统的硬件框架，选出合适本系统的硬件：CC2530芯片、MQ-2烟雾传感器、ESP8266透传网关、光敏电阻模块和YL-47DHT11传感器等，并对它们的功用特性进行介绍。比较详细地介绍了IAR以及Z-Stack，搭建出系统的软件设计，完成了终端和协调器的程序设计。设计完成后进行了一系列的调试。6.2存在不足及展望1.信息无线传输距离限制较大。2.系统的稳定性还可以提高。3.智能家居考虑的因素较多，本文只对其中的几个方面做了检测，并且也需要一定的人工部分不能做到很高的智能性。4.本系统可提供的简便性还有所欠缺。针对这些问题，为了将系统进一步完善，还可以展开许多工作：可以除了电脑端之外可以增加手机端，进一步的方便了人们的日常生活。应当多研究传感器以来增加系统的传感器部分，增加创新性如人脸识别、人体红外等功能，是系统更加贴近人们的生活。对ZigBee的深入研究有所匮乏，应当深入研究后采用合适的路由和网关，进一步提升网络的稳定性和传输距离。可以对ZigBee技术的干扰检测和干扰避免算法两个方面进行深入研究，进一步提高系统的抗干扰能力。另外由于居住环境的隐私性，系统的安全性也有待提高。参考文献吴旭霞．基于ZigBee的智能家居系统的研究与开发［D］江苏:扬州大