一种智能家居网关系统的设计与实现毕业设计(编辑修改稿)

一种智能家居网关系统的设计与实现毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的有线通信系统 都可以用本课题所研究的模式所替代 ，而且系统 还可以 应用到 更广的范围内。 所以 本论文结构 安排 如下 : 第 1 章 :绪论。 主要讲解本课题所 研究背景 和 意义，阐述本课题的国内外 发展 现状、研究的目的和意义 以及本文所 要去 完成的主要工作。 第 2 章： ZigBee 技术介绍。 通过和其他短距离通信方式对比 详细的介绍 了 ZigBee技术的特点以及 ZigBee 协议栈结构和原理，简 单 介绍了 ZigBee 应用在物联网优势所在。 第 3 章 : 智能家居总体设计方案。 本章主要 制作了 智能家居的总体设计流程图，并简要介绍了该系统各部分主要功能 和作用。 第 4 章 : 智能家居系统的硬件设计。 主要完成了 智能 家庭网关的 设立 ， 设计智能家居的无线传输模块，选择数据在采集端 端无线收发芯片及其外围 所需 电路的设计数据，对 ZigBee 节点、 ZigBee 终端采集节点和 其 相应的接口电路的硬件电路的详细设计 和介绍。 第 5 章 : 智能家居的软件设计与调试。 建立 智能家居 ARM 的 网关平台，完成了数据采集端的软件设计 (包括 ZigBee 协调器、路由器和终端节点的设计 )，对相应的程序进行调试。 第 6 章：实验结论与展望： 通过这次实验的出理想的结论 ，从而总结 出本 课题研究的成果及不足，以及对 以后 研究的展望 和憧憬。 5 第 2 章 嵌入式及 ZigBee 技术 嵌入式系统概述 嵌入式系统定义 嵌入式系统是为一种特定的应用而专门设计的计算机系统，又称之为“嵌入式计算机系统”。 嵌入式系统很难给它下一个准确的定义，根据英国电气工程师协会的定义，嵌入式系统通常执行的是带有特殊要求的事先定义好的任务，而国内认同的嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专业性，必须结合实际系统特定需求进行合理的裁剪利用。 嵌入式系统存在生活中的各个地方，如交通管理、工业控制、家电信息、家庭智能管理系统、电子商务、环境工程与自然等。 物联网嵌入式系统 随着医疗电子、智能家居 、物流管理和电力控制等方面的不断风靡，嵌入式系统利用自身积累的底蕴经验，重视和把握这个机会，想办法在已经成熟的平台和产品基础上与应用传感单元的结合，扩展物联和感知的支持能力，发掘某种领域物联网应用。 作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统的视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。 物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制，这就是我们嵌入式系统所能做到的。 诚然，物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。 从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据 [15]，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。 嵌入式系统的特点 嵌入式系统在开发和设计方面都得根据具体的应用任务的，虽然说不同的应用所对应的嵌入式系统差距很大，但它的基本要素都是一样的，由于现在的人们对产品成本、功耗、可靠性等要求逐渐提高，嵌入式系统慢慢的通过计算机走进了人们的视线，被人熟知。 从定义中我们总结了几个嵌入式系统的重要特征： （ 1）内核比较小。 目前的嵌入式系统的核心通常是一个只有几 K 或几十 K 的内核，所以它一般用在小型的 电子设备中，资源也相对的比较有限。 它和 windows 的内核简直没有可比性。 （ 2）专用性强。 嵌入式系统的个性化较强，它通常针对一项特殊的任务。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，所以它必须与具体的应用结合在一起才能发挥它的最大优势。 （ 3）系统简单。 嵌入式系统一般在软件方面没有什么明显的区分，不需要对它的设计 6 太过于复杂，从而还减少了成本。 （ 4）高实时性。 嵌入式软件基本上都是固态存储，来提高速度；同时也要求有高 可靠 性和高质量的软件代码。 （ 5）嵌入式系统是与应用结合在一起的，更新换代也是同时进行的。 所以嵌入式系统还是有比较长的生命周期的。 （ 6）嵌入式系统由于自身限制没有开发能力，用户在它被设计完成后也不能对程序进行修改，所以嵌入式系统开发需要开发工具和环境。 短距离无线通信系统的工作范围一般从几厘米到几百米，大多数都工作在高频段，无线发射功率一般比较小。 迄今为止，已经得到广泛应用的短距离无线通信技术主要有以下几种： 蓝牙技术（ Bluetooth Technology） ： 蓝牙技术在 1994 年问世，在被大家所关注一些近距离的无线连接的技术中，它则是一个语音通信与无 线数据开放性的全球典范，并且它以其低成本短距离的无线连接为基础，可以为固定或者移动终端的设备带来一些廉价接入的服务。 在 1998 年的时候，该蓝牙技术的协议则由多家的公司最后达成共识。 它传输频段则为全球公众的通用 赫兹 ISM 频段，它传输的速率为 1Mpbs，传输的距离则为 10 米。 本蓝牙协议标准版本则是 ，则由蓝牙小组 (SIG)负责进行开发。 最初的标准是蓝牙 ，而后来已经构建到现在很多的蓝牙技术设备中 [7]。 WiFi 技术（ Wireless Fidelity）： 它是通过 1999版 协议的修改并加以补充。 也被称作为。 和蓝牙技术一样，它也工作在 频段，不同的是，它的数据传输率最大可以达到 54Mbit/s。 但在数据传输的安全性方面，它比Bluetooth 技术稍微差一些。 不过它的电波覆盖范围达到了 100m 左右，相对于蓝牙技术略胜一筹。 WiFi 技术 最主要的优势在于 它 不需要 现场 布线，可以不受 到 布线条件所带来的缺点。 所以它 非常 满足那些 移动办公 的 用户， 此外 由于 它的 发射信号功率低于 100mw， 比 手机发射功率 还低 ，所以 选择 WiFi 上网相对也是 最安全 最 健康的。 红外技术（ IrDA 技术）： IrDA 在 1993 年成立。 IrDA 技术是一种利用波长在 到 25um 之间的近红外线进行无线通信的技术。 目前有 SIR、 FIR、 UFIR 等几个协议版本，它的通信距离是从 5cm~1m 之间。 不过 IrDA 技术对于方向性的要求很高，它的核心部件（红外线 LED）的使用寿命也是十分有限的。 超宽带（ UWB）技术： 它是一种不用载波，而采用时间间隔极端的脉冲进行通信的技术，也称作脉冲无线电、时域或无载波通信。 UWB 使用的中心频率为 ，带宽为，频谱范 围有点宽但是发射功率低。 通信速度在 250Kbit 到 10Mbit 之间。 超宽带技术最初是用来雷达开发的，认为它属于一种无载波通信技术。 和蓝牙相比，它的抗干扰能力强，传输速率高，最高可达到蓝牙的 100 倍。 带宽极宽， UWB 使用的宽带 7 在 1GHz 以上，它可以和通信系统同时工作而互不干扰。 消耗电能小， UWB 不使用载波，只需要发出瞬间脉冲电波，并且在需要的时候才发送，所以消耗点能小。 ZigBee 技术 ： 是一种新型的技术，其目标是实现低能耗，低成本短距离的双喜双向通信。 它的标准是由 委员会负责制定的，因而被 称作 技术标准。 它有 3 种可供选择的频段，即 、 868MHZ（欧洲）及 915MHZ（美国），传输速率在 10kbps 到 250kbps，有效的覆盖范围为 10M~75M。 每个 ZigBee 网络设备的数量最多可以达到 65536 个。 ZigBee 和其他几种短距离无线通信技术的比较如下图 21 所示： 表 21 ZigBee 和其他几种短距离无线通信技术的比较 ZigBee 技术 ZigBee 的特点 （ 1）低功耗。 在低耗电待机模式状态下， 2 节 5 号的干电池就可以支持 1 个节点工作长达 24 个月，甚至更长时间。 这是 ZigBee 相比较蓝牙和 WiFi 的优势所在。 （ 2）低成本。 通过大幅度的简化协议，具体点就是不到 Bluetooth 的 1/10，极大降低了其对通信控制器的要求，按照预测值来分析，用 8051 的 8 位微控制器进行计算， 8 它的全功能主节点需要 32Kb 代码，而其子功能节点少至 4KB 代码，而且 ZigBee 免去协议专利费。 它的每一块芯片价格在 2 美元左右。 （ 3）低速率。 ZigBee 一般工作在 20~250kbps 速率，分别提供 250kbps、 40kbps和 20kbps的原始数据吞吐率，满足其低速率传输数据的应用要求。 （ 4）短距离。 其传输范围一般在 10~100m 间，在增加了发射功率之后，也可以增加到1~3km。 如果其能通过路由器和节点间通信接力，传输距离将可以达到更远。 （ 5）短时延。 ZigBee 响应的速度比较快，一般的从睡眠转入到工作状态只需要短短的 15ms，节点连接网络需要 30ms，进一步的节省了其电能。 相比较而言，蓝牙则需要3~10s， WiFi 则需要 3s。 （ 6）比较高的容量。 ZigBee 可以采用 3 种网络结构，它由一个主节点控制着若干个子节点，最多的一个主节点甚至可以控制多达 254 个子节点；与此同时，主节点还可以由上一层的网络节点管理，最多可形成 65000 个节点的大型网络。 （ 7）免执照频段。 其使用工业科学医疗频段， 915MHZ（美国）， （全球）， 868MHZ（欧洲）。 协议结构 ZigBee/ 标准架构是在 OSI 七层模型的最下面两层：物理层 PHY和介质访问控制子层 MAC， ZigBee 联盟在它的基础上定义了网络层 NWK 和应用层APL 这两层。 其结构如图 所示。 图 OSI七层模型 ZigBee标准架构 协议的详解 ZigBee 的堆栈是建立在 标准上的。 ZigBee 设备包括了 9 的物理层（ PHY）和控制层（ MAC），以及 ZigBee 堆栈层： APL、 NWK 和安全服务提供层。 应用层还包括了应用支持子层，应用框架， ZigBee 的设备对象以及用户定义的众多应用对象，图 给出了这些组件之间的关系。 图 ZigBee 堆 栈框架 网络层 网络层需要和 标准的功能要相互兼容，要保证 ZigBee 的介质访问控制层能平稳正常的工作，而且还要为上面的应用层提供合格的接口。 下面是网络层主要功能： （ 1）产生网络层的数据包：网络层会接受来自应用子层的数据包，此时网络层就对数据包进行解析，然后再加上适当的网络层包头向 MAC 传输； （ 2）网络拓扑的路由功能：网络层会提供路由数据包的功能，如果包的目的节点就是本节点，则将该数据包发送到应用子层。 反之，则将数据 包转发给路由表下一节点 [16]； （ 3）配置新的器件参数：网络层可以给网络配置合适的协议； （ 4）建立有效的 PAN 网络； （ 5）接入或脱离 PAN 网络：网络层可以提供接入或脱离网络的功能，如果此节点是协调器或者路由器的话，还能够要求它的子节点从网络中脱离； 分配网络地址：若本节点是协调器或者路由器的话，则接入该节点的子节点的网络地 10 址就由网络层控制； （ 6）发现相邻节点：网络层可以发现和维护网络邻居信息； （ 7）建立路由线路：网络层能够提供路由功能； （ 8）控制接收：网络层可以控制着接收器的接收时间。 应用层 ZigBee 的应用层主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚、设备发现、业务发现等功能。 应用层由应用支持子层 (APS)、 ZigBee 设备对象（ ZOD）及厂商定义的应用对象。 同时在本系统中附加了一层应用层协议完成数据的通讯和控制的业务。 物理层 （ PHY）： 物理层和 868/915MHz 物理层，两个物理层存在着区别，他们的通频不同。 的物理层运作在 工业、科学、医学（ ISM）频带上，它在世界各个地方 都可以得到，但是次频带在信号上会互相干扰，不能共存。 868/915MHz 物理层能运作在不同的频带上，在欧洲能运行在 868MHz频带上，在美国能运行在 915MHz 频带上，但和 物理层不同的是，该物理层不会受到其他标准的干扰，并且在运行的消耗上也比较低的。 PHY 层还主要负责数据的调制与解调、发送和接收，向下直接操作物理传输介质，向上为 MAC 层提供服务。 控制层 （ MAC）：它可以解决在局域网中如果一个信道被多个使用产生竞争时，如何分配好信道的 使用权问题。 MAC 帧结构的子层通过两个服务接入点为高层提供两种服务：分别是 MAC 的数据服务通过通用接口子层接入和MAC 管理服务通过管理实体接入。 同时还合理定义了同一区域同时工作的多个，还可以共享空中通道。 它还支持几种结构，包括星状拓扑结构、树状拓扑结构和网络拓扑结构， MAC 层还负责为一个节点提供舒畅的通信线路，为了避免他和直接邻居发生冲突，这样可以提高通信的效率。 网络拓扑结构 ZigBee 它支持多种不同的网络拓扑结构，典型的结构有：星型，树状型，网状型。 如图 21所示。 星型网络是由一个协调器周围连接多个终端节点而组合成的网络结构，通过终端点的所有信息都通过协调器来转发。 像这样的网络结构，协调器的性能要求非常的重要，正是因为所有的通信信息都得通过协调器来转发，所以系统的延时是不可避免的，而且当单个的节点在遭到破坏时就会让整个网络不能正常运行，甚至会变成瘫痪的状态。 树状型和网状型在等对等的网络中，也存在一个 PAN 协调器，但 11 是它起到的作用主要是发起网络个组网，还有就是和星型不同的是，它也不需要转发它的所有信息。 在这点上还是比星型简便的。 图 21 ZigBee网络拓扑图 12 第 3 章 本系统的总体设计方案 本系统解决方案 智能家居是以其住宅为载体的，它把许多有关的设备集合在一起，包括：音视频的技术、安全防范的技术、网络通信的技术、自动控制的技术、综合布线的技术，构建了比较丰富的住 宅设施和家庭内部管理系统，从而进一步地提高了家居的安全性、艺术性和便利性，更重要的是智能家居还能给用户带来一个即环保又节能的舒适环境。 根据智能家居的最新定义，再参考 ZigBee 一些独特的技术特点，从而设计出了该系统。 该系统在一些智能家居所必要的系统 (家庭安全防护系统、家居照明灯控制系统和智能家居中央控制管理系统 )的基础上，再加入家庭环境的控制系统、背景音乐控制系统、家庭网络控制系统与家居布线控制系统。 所谓的智能家居系统，是指只有完整地安装了所有家居必备的系统，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。 要想建立一个合理的无线网络系统，需要一个合适的网络拓扑结构来作为基础。 一个合适的网络拓扑结构需要的是速度、成本、特点和实现功能。 本文的智能家居设计情况如下： 传感器用电池供电，而家庭网关是用电源供电，这样的话就可以节约相应传感器节点所带来的不必要的电。