硕士学位论文基于zigbee技术的智能家居系统设计

硕士学位论文基于zigbee技术的智能家居系统设计内容摘要：

传输的可靠性不能因为干扰或者信道阻塞而 下降要保证家居主节点与家居设备节点之间安全无差错的数据传输 ZigBee的 MAC 返回给发送方发送方若在规定的时间之内没有接收到返回信息即证明发生了碰撞 数据将会再次重新传输另外 ZigBee 还提供了鉴权和数据校验功能 2 成本在一个家庭中可能有几十甚至上百个家居设备节点对于众多的节点 来说成本是相当可观的目前 ZigBee 芯片的成本大约在 4 美元左右对于大批量应 芯片的体积将会变得越来越小价格也会降得更低 3 可扩展性在家庭中家居设备不会一成不变而在实际应用中经常需要添加 或者删减设备节点当设备节点数目发生变动时系统应当具备一定的机制扩充网络节 点而不需要改变网络的结构 ZigBee 网络中每个 FFD 设备可连接多达 255 个节点 而几个 FFD 之间则可形成一个更大的无线网络 ZigBee 网络 对路由传输的数目则没有 限制 6o 4 安全性家居控制网络中的节点之间的信道不能被非法监听和修改应该是 泄漏其标识或者被其它节点获得 15J 5 信号覆盖率家庭住宅的范围在 10～ 100 米之间且房间之间有墙壁阻隔各 设备网络节点之间必须能够穿透墙壁在一定距离之间进行可靠通信 ZigBee的有效覆盖 范围可达 100 米左右并且该频段对于墙壁有比较好的穿透性具体依据实际发射功率 的大小和各种不同的应用模式而改变一般都能够覆盖办公室或普通的家庭环境 2． 2 远程无线网络 控制技术 ZigBee 网络为家庭内部控制系统提供了较为完善的网络平台在一定程度上完成了 智能家居控制网络中家庭子网的构建由于 ZigBee 网络的范围仅限于家庭住宅之内 用户一旦离开家庭就无法了解家庭状态也无法对家中的设备进行远程控制和管理因 此家庭控制网络必须与外界网络进行连接才能实现远程控制在智能家居系统中用 一 6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 户通过 手机等远程移动终端访问家庭网关服务器通过网络方便地获取家居状态信息实 现主要的管理功能从而提高智能家居系统的实用性 2． 2． 1 常用远程无线网络技术 智能家居系统的远程控制需要远程无线网络技术的支持常用的远程无线网络技术 主要有数传电台 GSM 短消息 SMS CDMA 和 GPRS 等几种 1 数传电台 数传电台出现的时间较早应用广泛数传电台信号传输实时性好运行费用低 是一种便捷的无线数传方式但是建网初期投资巨大传输范围有限而且容易受到空 间无线信号的干扰 2 短消息 短信息传输在 GSM网络的空闲信道里当 GSM网络比较空闲时短消息的实时 性比较好一般能在几秒内到达但如果 GSM 网络繁忙短消息的延时就会达到数分 钟甚至更长实时性很差因此短消息这种通信方式不适合实时监控系统另外短消 息不能直接用于图片声音和视频等数据的传输 3 GSM forMobile GSM Global System 通信网络 GSM 网络的通信 方式为时分多址以电路交换模式进行数据传输在整个 连接期内用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道如要满足家居控制系统的实 时性要求家庭网关与移动终端要一直保持电路上的链接费用较高而且家庭网关只 能保持对系统中的一个远程终端的连接限制了应用范围 7J 4 CDMA Division Access 码分多址 无线通信技术是在扩频通信技 CDMA Code Multiple 术上发展起来的 一种无线通信技术 CDMA 是一个全新的网络系统在技术先进性实 际数据传输速度和使用资费上 CDMA都比 GPRS要胜上一筹但由于运营商的市场策 略等原因目前信号覆盖的范围远不及 GPRS 网络智能家居控制系统要求远程移动终 端能随时随地访问家庭网关从这点看 GPRS 比 CDMA 更具有优势 5 GPRS GPRS GeneralPacketRadio 它传输的是网络协议数据报 基于 ZigBee 技术的智能家居系统设计 2． 2． 2GPRS 无线网络技术的优势 GPRS GeneralPacketRadio Service 通用分组无线业务 是第二代移动通信技术 术 1994 年由美国 BTCell 公司提出是 GSMPhase 2 规范实现内容之一是一种基 于 2G 的移动分组数据传输业务面向用户提供移动分组的 IP 或者 X． 25 的链接 GPRS 是意向高速数据处理的科技它以 分组交换技术为基础在移动用户和数据 网络之间提供端到端的广域的无线 IP 链接和 X． 25 服务在现有的 GSM 网络基础上 在网络上增加了一些硬件设备和软件升级叠加了一个新的网络同时增加网关 GPRS GPRS 支持节点 GGSN GatewaySupporting GPRS Supporting 围了有效利用网络资源同一无线信道又可以由多个用户共享每个用户可同时占用多 降低了运行的成本 GPRS 通信网络在下面几个方面具有明 显的优势 Il 应用 GPRS 对数据传输配置有优先级可靠性时延数据速率等不同的服务质量参 服务质量参数和网络质量根据应用的类型和网络资源的实际情况为用户提供服务 次链接远程移动终端不用频繁建立链接就可以长时间保持这种链接保持链接但不 占用信道时不计费资源利用率高真正体现出实时性用户使用更方便只在数据传 输时才占用信道并被计费不必支付传输间隙时的费用计费更加合理 现有数据网的无线链接接入速度快无需经过 PSTN 等网络的转接接入速度仅几秒 钟就可以直接与 IP 网或 X． 25 网分组数据网互通 4 移动性能好用户无须担心 GPRS 的线路维护导致通信中断并且可以按照需 要随意分布和移动自己的网络节点此外中国移动通信公司的 GPRS 网络很早便开始 商用相应的技术服务较为成熟又为企业构建企业级 VPN 网络的能力可以保证网 络的通信质量和数据交换的安全性 一 8 一 大连理工大学专业学位硕十学位论文 综上所述 GPRS 网络向用户提供了一种低成本高效的无 线分组数据业务特别 适用于家庭控制这种间断的频繁的突发性的少量的数据传输也适用于偶发的大 数据量传输就本系统而言 GPRS 通信方式从成本可靠性性能等方面都可以满足 动终端上进行简单配置即可接入到 Intemet 与家庭网关进行通信这将大大方便对智能 家居系统的远程管理 目前市场上销售的大部分智能手机均带有 GPRS 模块本文将在第 4 章中详细介绍 GPRS 网络的接八方法 2． 3 系统总体结构设计 术 GPRS 无线通信建立起来的一套完整的家居控制系统设训目的是将家庭中的家居 设各连 接到网络之中使传统家居设各具有网络化自动化智能化的新特征本系统 需要在家居设备之上安装与之功能相对应的节点模块这些节点模块包括了传感器执 行器和通信模块各个节点模块将各自采集的信息经过处理之后通过家庭控制子网传输 到家庭控制中心家庭控制中心将信息上传到家庭网关家庭网关响应用户远程提交的 查询指令通过 Intemet 将结果反馈到用户手中的移动终端之上用广的控制指令按照相 同的路径传输给节点模块执行设定操作 从功能层次来分智能家居系统一般由家居设备节点家居主节点家庭网关手 机移 动终端几部分来组成从网络层次上分为家庭外部网络和家庭内部网络两部分分 别对应 Intemet 网和 ZigBee 网络图 2． 1 是本系统设计的总体框图 a 酚 Ⅻ 5 射 鼓 国回 擘 划 ＆ 气 55∞∞ 远程控制目络 家窿控制目镕 圈 2 系统总体框图 2l architecture Fig System 基于 ZigBee 技术的智能家居系统设计 家居设备节点包括以下三部分部件射频收发模块运算和控制单元传感和执行 模块射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口进行网络中各节点设备的网络 无线连接和无线数据或指令的收发节点终端的传感和执行模块主要进行非法闯入或 者有毒气体等意外灾难情况的探测三表数据的采集对各种网络家电的控制这种控 制或者检测功能需要通过运算和控制单元操作完成在本系统中家居设备节点的硬件核 心为基于 CC2430 的 ZigBee 无线收发模块 在家庭子网中网络协调器 FFD设备充当家居主节点 FFD负责监督网络的正常运 行由它主导 ZigBee 无线传感器网络的建立完成网络的初始化设备控制数据采 集等功能子网中精简功能设备充当家居设备节点主要完成传感采集查询响应等功 能家居设备节点相互之间不能进行通信只能与家居主节点进行通信家居主节点与 家庭网关之间使用串口连接可将数据上传到家庭网关中 家庭网关是智能家居控制系统的核心部分主要完成家庭内部网络各种设备之间的 信息交换和信息共享以及同外部通信网 络之间的数据交换功能同时网关一般还负责 家庭家居设备的管理和控制 户可以通过无线通信网络远程登录到家庭网关智能家居管理系统对系统进行管理和控 制对家中的终端节点进行数据访问或者控制 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 ZigBee 无线通信技术 短距离无线通信技术目前已成为无线通信的一个重要分支在现实中环境监测工 业控制汽车电子商业监控家庭数字控制等许多应用场合系统所传输的数据通常 为少量的突发信号以数据量小要求进行实 时传送为数据特征如采用传统的无线通 信技术既是能够满足上述要求也存在着设备成本高体积大和功耗较高的突出问题 针对这类应用场合人们希望出现一种低功耗低成本和较低传输速率的短距离无线通 信技术在这种背景下 ZigBee 技术应用而生。