基于zigbee的智能家居系统设计.docx

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1、中文摘要基于ZigBee的智能家居系统设计摘要：随着无线通信技术和物联网技术的发展，作为物联网主要应用领域的智能家居将获得更加广阔的应用空间。课题首先分析并对比zigbee技术与其他无线通信技术的区别，并在此基础上设计了智能家居系统方案，建立了包括网络协调器、路由器和终端设备的星形网，并进行了相应的硬件电路设计，主要包括网络协调器的主要模块以及家用电器控制电路等。其次，在ZigBee协议栈软件Z-Stack基础上对网络协调器和终端设备进行了软件设计，实现了节点参数采集、数据路由与传输等功能。最后，对系统进行了测试，对室内多个地点的温度进行分布式采集，汇总至PC机进行显示，实验结果表明基于zig

2、bee技术的智能家居系统布线便捷灵活，系统扩展性强。关键词：物联网，智能家居，ZigBee技术1绪论11.1 课题背景11.2 国内外智能家居发展概况11.3 智能家居系统的不足31.4 本文研究的主要内容和论文内容安排32智能家居系统主要技术基础52.1 智能家居系统各种组网技术52.2 ZigBee 技术63智能家居系统设计方案83.1 智能家居系统功能83.2 系统结构和系统组成83.3 智能家居系统网络拓扑94系统硬件设计114.1 CC2530 简介114.2 ZigBee网络协调器硬件电路设计114.3 ZigBee网络路由器硬件电路设计155系统软件设计195.1 系统软件简介1

3、95.2 ZigBee网络协调器设计205.3 ZigBee网络路由器设计225.4 ZigBee网络终端节点设计226实验结果与论证24结论26参考文献错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。1绪论1.1 课题背景随着科技进步和生活物质结构的发展，人们更加追求舒适的生活与便捷的服务，因此继计算机、互联网之后，物联网被称为下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，被视为互联网的应用扩展，而智能家居是物联网的应用领域之一。作为人类生活的一个重要组成，家居生活体现了人类最基本的要求，它舒适科学的构成是人们对自己生活方式的追求。智能家居使得人们整体远程控制家庭电器，降低入室盗窃案件的发生，增加医疗健康

4、的高效性，以一种全新的动态的全方位的方式来管理家庭事务，不仅在最基本的家居生活方面提出要求，还从提高精神享受方面进行了提升，满足了人们对生活质量日益增加的需求，使得家居生活更加便捷、安全、科学。智能家居，即SmartHome,又名智能家庭、家庭自动化、网络家居，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。它使得家居生活有关的各种设备有机的结合在一起，集中管理，使家居电器设备等由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的信息交换功能，使家居生活更加的便捷、舒适、安全、有效、个性。1.2 国内外智能家居发展概况智能家居系统是随着电子技术，通

5、信与信息技术的发展而发展的，呈现出发展时间短发展速度快的形式。其概念起源于20世纪80年代，从80年代初的住宅电子化，到中期的住宅自动化概念，从而在80年代末形成对住宅中各种家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome。随着IT技术、无线技术、控制技术、网络技术向家庭设施、传统家电产业得渗透与发展，家居智能化已成为必然趋势，特别是近年来计算机技术的快速发展以及电子通讯信息技术的飞速成长，通讯更加信息化、自由化并且更加高层次化，并且由于人类对家居环境更高的要求，希望家居系统更加安全、舒适、方便，迫切需要智能化的家居来与现在经济条件和精神文明匹配。1.2

6、.1 国外智能家居发展现状1984年，美国联合科技公司在美国康涅迪格州，首栋“智能型建筑”出现，从此在全世界范围内的智能家居建造风开始；21世纪初，美国有近4万户家庭安装了这一类的家庭智能化系统，新加坡也有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统。在智能家居系统研发方面，由于国外对智能家居的研究较早，技术比较成熟，并且ZigBee联盟的成立也推动了技术的交流与进步，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。目前市场上出现得智能家居控制系统主要有：X-10系统（美国），EIB系统（德国），8X系统（新加坡）；近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业均开始智能家居的研发

7、；例如：微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等；此外，日韩新等国也纷纷致力于家居智能化的开发。1.2.2 国内智能家居发展现状我国于2000年末开始着手于智能家居技术的研究和开发，智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展虽然智能家居的发展时间不长，但由于其他国家的经验和先例以及国内社会经济发展，在研发设计上，开始进入到务实阶段，迅猛发展并开始慢慢得渗透到人们的日常生活中，并开始改变人们的生活习惯。于2012年2月14日火热出炉的物联网“十二五”规划，圈定了重点发展的九大应用，智能家居被列入本次重点发展的九大应用领域之

8、一，这将对此产业的规模化发展起到显著的推动作用。在市场方面，我国智能家居的品牌也开始有比较大的效应和进步：全球智能化产品的研发制造基地海尔u-home,国内最具知名度的智能家居品牌安居宝，国际智能家居专业生产企业索博智智能家居等。在功能应用方面，智能化硬件产品的不断成熟，集成服务的范围也在不断扩大，开始依托当前3G网络，结合家庭智能网关系统的特点，实现3G门口机和室内机，通过3G手机来通过无线方式来控制家庭照明，安防报警等。此外，在低碳节约上,明确了节能减排，绿色建筑的目标，使住宅智能化合理规划，最大限度的节约能源。但是，我国现在市场仍在雏形阶段，客户认知度低，难以形成大规模的客户群，集成商合

9、作模式还有待改，资金相对薄弱以及现地域发展不均的现状。1.3 智能家居系统的不足虽然目前智能家居系统有了一定的发展，并且市场上的产品丰富多样，日趋繁盛,但从总体的发展来看，不容乐观，特别是统一标准的缺乏严重影响了家居智能化的发展。其主要不足如下：（1）缺乏统一明确的国际标准：许多公司开发出的产品都是基于自己组的网络和信息交换协议，不同的接口标准与协议生产设备，需要运行于特定的组网环境，造成不同设备之间的互联互通困难，导致了使用范围的局限。从而，整个智能家居功能虽然强大，但各系统之间没有一个标准的、统一的通讯协议，缺乏协调性；（2）系统缺乏兼容性：缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，

10、互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展；（3）系统操作复杂：虽然目前智能家居系统发展迅速，但由于技术发展水平没有完全成熟，市场调查不深入，使得系统操作复杂，与需求脱节，导致其系统功能实用性差，缺乏人性化，稳定性低；（4）缺乏普及性：由于经济发展不平衡，技术的引进与创新发展不同，并且由于资金缺乏，没有能力持续创新，使得难以形成规模生产等，导致现在家居系统产品的成本较高，使得各国、各地区之间，智能家居系统难以普及；因此设计一个符合国家国情和规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统是非常具有现实意义的。在智能家居系统的研发应用中，联系深层需求，应尽量朝着实用化、模块化方向

11、发展，在产品开发过程中还应具有规模化生产。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。而且在现在这个注重绿色环保的世界里，智能的为住户控制好空气的湿度、温度等，处理好防盗报警、全面医疗健康支持系统,更加贴近实用、易用和人性化的智能家居概念，提高人们的生活品质。1.4 本文研究的主要内容和论文内容安排第1章：绪论。本章简单介绍智能家居系统的研究的背影，智能家居系统的概念，分析了智能家居系统国内外的发展状况以及现阶段的不足，从而得出本文在实际中的研究意义，最后简单介绍了本课题的主要研究内容和论文内容的安排。第2章：智能家居系统主要技术

12、的介绍，主要是对现在的各种组网技术进行比较，特别是ZigBee概念和技术特点进行介绍。第3章：智能家居系统的总体设计结构第4章：智能家居系统的硬件电路设计，包括协调器，路由器，终端节点等。第5章：智能家居系统的软件电路设计，对协调器、路由器和终端节点中的测试控制软件程序进行设计。第6章：调试结果和结论，主要对温度测试系统进行验证。-14 -2智能家居系统主要技术基础目前实现智能家居控制的网络技术包括：总线技术，电力载波技术，ZigBee无线技术。由于总线技术重新布线麻烦而且成本较高，电力载波技术存在本身固有脉冲干扰，容易造成传输不稳定，使得ZigBee无线技术适合用于组建智能家居系统的家庭内部

13、局域网口瞑智能家居控制器，作为家庭网关连接家庭内外部网络，并提供远程监控的功能，是一个嵌入式的Web服务器，对内采用ZigBee无线通信，对外采用以太网和GPRS通信；控制器硬件包括处理器，存储，通讯等模块以及丰富的扩展接口，如A/D接 , USB 接口等一。1.1 智能家居系统各种组网技术由于现在通信技术的发展和需求的不同，特别是在智能家居中使用的通信中，并不适合大规模的进行有线通信的组建，因此现在产生了许多无线通信协议。下面是几种主流无线技术的简单比较，如表1所示。表1几种主流无线技术的比较技术名称标准或频段特点使用范围WLAN遵守 IEEE802.11传输速率可高达11Mbps,传输距离

14、可rWj 达 100m；主要用于解决办公室局域网或校园网中，用户终端之间的无线接入HomeRF支持 IEEE802.il 以及DECT （无绳电话）数据和语音的传输使用不同的协议，降低语音数据的传输成本，但比较复杂主要用于家庭住宅HiperLAN5.155.35GHz 和17.117.3GHz传输速率高达23.5Mbps,传输距离高达50m,且吞吐量可高达54Mbps主要用于视频话音实时应用Wi-Fi(Wireless Fidelity)2.4GHz最大数据传输速率为1Mbps,非常复杂且功耗高，覆盖距离50m主要为用户提供无线管带互联网访问蓝牙2.4GHzISM 频段传输速率高达2Mbps,

15、且具有身宽主要用于蓝牙耳机，蓝牙鼠标等蓝牙产品带性，覆盖距离10m在对智能家居系统的设计中，要充分考虑成本，传输距离，传输速率，复杂度等问题，在比较对比后，WLAN主要适用于局域网的无线接入，HomeRF适用于家庭住宅，但比较复杂，WiFi非常复杂且功耗高，蓝牙覆盖距离短，只有10m。因此从表内的组网技术在成本和实用性上，ZigBee更适合于智能家居中应用，其特点介绍将于下面ZigBee技术中介绍。1.2 ZigBee 技术2 . 2.1概念与发展过程ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的短距离双向无线组网通讯技术，采用的自组织网通信方式，主要用于自动和远程控制领域。2000 年 12 月起草 IEEE 802.15.4 标准;2