基于无线传感器网络的智能家居系统的设计毕业论文设计(编辑修改稿)

基于无线传感器网络的智能家居系统的设计毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

0 年的研究历史，而国内在这方面的研究相对较晚，从 2020 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安全、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设成为 21 世纪科技发展的必然趋势。 随着全 11 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。 研究主要内容 基本问题： （ 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。 本章小结 首先对智能家居系统进行了简要概述，包括智能家居的定义和国内外智能家居系统的发展，接着对智能家居网络技术进行了介绍，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结构，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。 12 第二章 智能家居系统的任务设计（硬件部分） 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合适的总线或者无线技术并设计主控器已成为智能家居建设的首要问题。 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，结构复杂，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 21 所示。 13 图 21 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行通信，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、节点之间进行通信。 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）随后加入该网络，他们共同组成一个星状的 ZigBee无限家居网络。 当需要对某一个家具设备 进行控制或者检测时，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行相应的操作，从而完成智能家居的控制。 ZigBee 节点类型 14 ZigBee 网络包含三种类型的节点，即协调器 ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和终端设备 ZE(ZigBee End Deviee)，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(Personal Area Network)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 拓扑结构 ZigBee 的网络支持星状网 (Star Network)，树状网 (Cluster tree Network)和网状网 (Mesh Network)三种网络拓扑结构。 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 协调器的覆盖范围内，直接与 ZigBee 协调器进行通信。 星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。 树状网络 (Clustertree)由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，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行点对点直接通讯外，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范围较大，但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。 网状网络 (Mesh 网 )一般是由若干个 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范围内的其它节点通信，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基础上实现的，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 15 时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销 [12]。 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 22 为 CC2430 的最小系统原理图。 图 22 CC2430 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 为基础的 ISM 波段应用，及对低成本，低功耗的要求。 它结合一个高性能 DSSS(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 来优化复杂度与成本的组合。 16 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。 红外报警模块： 一开始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，使用一个比较器，检测电路送出低电平，输出端没有反应。 当有物体入侵时，检测电路送出高电平，给 ZigBee 模块送出信号。 光照检测模块： 与红外报警模块类似，使用一个比较器，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。 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达到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 控制芯片 CC2430 （ 1） CC2430 的尺寸与组成 17 CC2430 的尺寸只有 7 7mm 48pin 的封装，采用具有内嵌闪存的 amp。 microm CMOS 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 微控制器内核，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 内核，具有 8 倍的标准 8051 内核的性能。 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 字节的片内 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 16MHz RC振荡器，一个可选的 晶体振荡器和一个可选的 RC 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 MAC 安全所需的（ 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 个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予 4 个中断优先级中的某一个。 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 的CSMACA 算法提供定时以及为 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、比较输出和 PWM功能。 CC2430 内集成的其他外设有 :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 MAC 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 * CRC16 校验 * CCA * 信号强度检测 /数字 RSSI 18 * 连接品质指示 (LQI) * CSMA/CA 协处理器 CC2430 的 射频及模拟收发器 CC2430 的接收器是基于低 中频结构之上的，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精确度及空间利用率。 集成的模拟通道滤。