本科毕业论文-基于zigbee的智能家居系统设计

本科毕业论文-基于zigbee的智能家居系统设计内容摘要：

感控制应用。 Zigbee 是基于 标准的低功耗个人区域网协议。 根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 Zigbee 这个字，从英语的角度来分析，它是由“ Zig”和“ bee”两个字组成。 前者“ Zig”中文的意思是“之“字形的路径，后面一个英文单词“ bee”就是蜜蜂的意思 .Zigbee 网络技术，就是模仿蜜蜂通过跳舞来传递信息的方式，通过网络节点之间信息的相互互传，来将一个信息从一个节点传输到远处的另 外一个节点。 总的来说， ZigBee 是一种基于 的低功耗、低传输速率、架构简单的短距离无线通信技术，它在自动控制领域的应用正越来越引起业界的瞩目。 ZigBee 网络拓扑结构 Zigbee 网络有三种网络拓扑结构：星型拓扑结构，树状拓扑结构和网状拓扑结构， 而 中所支持的对等结构就是树状结构和网状结构。 三种网络拓扑 结构如图 22所示： 星状网络 （ Star） 树状网络 （ cluster tree） 铜陵学院毕业设计 7 协调器 、 路由器 终端节点 网络网状 （ mesh） 图 22 Zigbee三种网络拓扑结构 Zigbee 技术的特点 ZigBee 是近年来兴起的一种短距离，低功耗，低成本，灵活的组网，无线通信技术，适用于数据传输量小，功率有更高的要求，网络节点需要更多的场合。 具有以下特点： （ 1）低功耗：由于工作时间比较短、接受和发送信息功能消耗比较低并且多数情况下采用了休眠模式，使得 ZigBee 节点很省电。 （ 2）低成本：目前低速率低功率的 UWB 芯片组的价格不低于 20 美元，而 ZigBee 的价格 目前只有几美分，并且 ZigBee 协议是不收专利费的。 （ 3）数据传输速率低： ZigBee 工作在 20～ 250kbps 的较低速率，分别提供250kbps()、 40kbps(915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。 （ 4）时延短： ZigBee 针对时延敏感的应用做了改进，通信时延和休眠状态激活的时延都很的短。 （ 5）网络容量大：每个 Zigbee 网络最多可支持 255 个设备，也就是说，每个 Zigbee设备可以与另外 254 台设备相连接。 （ 6）优良的网络拓扑能力 :ZigBee 具有星、树和丛网络结构的能力。 ZigBee 设备实际上具有 无线网路自愈能力 ,能简单地覆盖广阔围。 （ 7）安全性： Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES128，同时可以灵活确定其安全属性。 8 第 三 章 智能家居系统总体设计方案 智能家居系统需求分析 智能家居系统采用 ZigBee 技术以及无线传感网络相结合，智能家居系统对于广大消费者而言必须实用、简单，在此基础上可以根据个人爱好进行多样化和个性化，智能家居系统可细分为如下几个分系统：灯光照明系统、门窗控制系统、家电控制系统、安防监控系统、远程控制系统。 智能家居可以简单概括出以下一些特点： (1) 使用方便： 智能化系统提供远程控制接口，当您外出时，您可以通过电话或互联网查看和控制家里的设备。 (2) 信息服务：通过互联网或在任何时间，任何地点获得和交换消息的通信网络，它们通过多种形式，从静态文本，图形，到动态的音频和视频信息。 (3) 安全性能高：家庭智能家居系统可以实时监控状态，预防火灾，煤气中毒， 防御入侵者并及时报警，有效地保证您的居家安全。 (4) 节约成本：智能系统可以帮你自动关闭家中的临时需要的耗能设备，降低您的生活成本。 当某些设备因为用户的需要而发生位置改变时，那么等同于网络 的拓扑结构也要进行一定的改善。 在最开始的智能家居网络建设初期规划时就得先考虑到系统的自适应性和兼容性，满足家庭网络智能化、自动化的要求。 如果说网络拓扑结构不得不进行调整时，我们可以采取自适应调整措施，保证家庭网络正常使用。 另外还有一种情况就是由于业务的需要可能要对网络进行升级改造，之所以要升级也无非是为了改善原本的某一些缺陷，提供出更适合的网络来满足客户的需求。 智能家居系统功能描述 智能家居系统旨在实现的以下主要功能： (1)可以控制和相应的状态查询，如查询室内和室外的温度，可用于家用电器，如灯一键 全开，一键全关，更方便。 (2)在光线方面我们可以依照家庭装修环境背景或者用户的其他层次的需要，对光线先进行自动调节，指在给用户带来良好的感知度和舒适程度。 (3)制定人机交互界面，这样用户就可以根据自己的需要自行调节各个用电器之间的参数，使操作简单化； (4)在智能家庭网关的 Web 服务器，网络视频服务器的框架，可以通过 PC 客户端 Web进行查看实时状态和远程控制家用设备的家庭。 网络视频服务器端的 Web 框架，在智能家居网关的 Web 服务器，您可以查看 PC 和家庭设备的远程控制家庭的实时状态。 (5)在家庭网关集 成 3G 模块，通过 WCDMA 网络远程访问 智能家居系统结构 将基于 ZigBee 芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中去，组成基于。 基于铜陵学院毕业设计 9 ZigBee的无线家庭控制网络技术。 根据自己的需要用户可以接入或者移除不同的设备。 通过这些无线网络收发器模块在各子网络之间的数据传输的节点，使在家庭内的无线设备的网络互连，使他们能够协作，自动运行。 在设计中既能利用现有的无线通信网络也可以通过 Inter 网络进行数据传输，如 3G 网络，以便用户可以随时随地接入家庭网络。 在家庭网络内网中，只需与一个具有无 线接口管理功能的 ZigBee模块相连，通过开发的人机交互界面，便可通过 PC或手持终端进 行设备控制与状态查询，系统总体架构图如图 31所示 ： 家居网关 手机 图 31智能家居系统结构图 本系统主要由三大模块组成： ZigBee技术在家庭内部通过网络构成了一个家庭内部网络的设备实现互联互通。 家庭网关在家庭内部网络，互联网或移动网络 ，使用户能够远程控制家庭内的家用设备或实时监控的情况； 用户可以通过一台家用电脑，对智能家居进行现场控制也可以登录智能家居设备网络的 进行远程远程控制和监测。 温度监测 煤气、烟雾探测 开关控制 光线调节 无线接口管理模块 视频监控 其他zigbee 终端节点 PC 机 PC 机 10 第 四 章 系统硬件设计 ZigBee 通信模块硬件设计 . CC2430 芯片 简介 CC2430 是芯片巨人 TI 公司收购无线单片机公司 CHIPCON 后推出的全新概念新一代ZigBee 无线单片机系列芯片。 CC2430 是一款真正符合 标准的片上SOC ZigBee 产品。 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。 CC2430 和 CC2420 射频参数相同， CC2430 具有 51 单片机核；发射功率 0dbm；接收灵敏度小于 110dbm 左右；工作 频点： ；支持 zigbee2020， ,2020 协议。 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了 ZigBee 射频 (RF)前端、内存和微控制器。 它使用 1 个 8 位 MCU（ 8051），具有 128 KB 可编程闪存和 8 KB的 RAM，还包含模拟数字转换器 (ADC)、几个定时器（ Timer）、 AES128 协同处理器、看门狗定时器（ Watchdog timer）、 32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路 (Power On Reset)、掉电检测电路 (Brown out detection)，以及 21 个可编程 I/O 引脚。 CC2430 芯片采用 μ m CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于 27 mA 或 25 mA。 CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 CC2430 就是相当于一个增强型 8051+zigbee 射频模块。 ZigBee 网络协调器硬件 结构图 网络协调器负责无线网络的建立和网络状态管理．网络协调器通过串口与 PC 机相连，将采集到的脉搏信号传输到计算机，以便对脉搏信号进行 实时分析；其他无线节点可以连接家用设备，实现对它们的控制；将监护信息传输到网络监护服务器。 可实现监护信息的共享，具体结构如图 41 所示。 网络协调器和终端设备的一个明显差别在于后者缺少智能家电和信号调制模块，为侦听串口接收中断，在中心协调器硬件平台上扩展了 RS232 串口。 图 41网络协调器硬件结构图 PC机 时钟 模块 LCD模块 天线模块 RS23 串口模块 DMA单元 8051微控制器 ZigBe 数据传输模块 调试单元 电源模块 铜陵学院毕业设计 11 ZigBee 终端设备 结构设计 智能居家最后一个设备也就是终端设备，它可以直接获取家庭环境第一手数据，并且它是命令执行单元的关键。 终端设备结构包括电源模块、 8051 微控制器、 ZigBee 数据传输模块、调试模块、调制模块、时钟模块、 LCD 模块、天线模块等，构造如图 42 所示。 一方面，通过的智能传感器单元设备模块的内部数据收集家里的环境信息的终端装置获得通过的信号调制模块有用信号，然后与无线模块将信息上传；另一方面，终端可以被连接通过无线数据传输模块接收控制命令，并传达到智能家电模块命令执行单元，执行命令。 图 42终端设备结构图 智能家电 传感器单元 命令执行单元 信号调制 ADC 模块 DMA模块 8051 微控制器 ZigBee 数据传输模块 调试模块 电源模块 时钟模块 LCD 模块 天线模块 12 第 五 章 系统软件设计 ZigBee 网络设备软件 ZStack 简介 ZStack 是 TI 公司开发的符合 ZigBee2020 规范的 ZigBee 协议栈， ZigBee 无线网络的实现，是建立在 ZigBee 协议栈的基础上的，协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，服务由协议定义，程序员只需关心与他的工作直接相关的那些 层的协议，它们向高层提供服务，并由低层提供服务。 TI 公司的ZStack 协议栈，其主要特点就是其兼容性，完全支持 IEEE 802. 15. 4/ZigBee 的 CC2430片上系统解决方案。 ZStack 还支持丰富的新特性，如无线下载，可通过 ZigBee 网状网络（ Mesh Network）下载节点更新。 ZigBee 网络的建立 组建一个完整的 Zigbee 网络分为两步：第一步是协调器初始化一个网络；第二步是路由器或终端加入网络。 加入网络又有两种方法，一种是子设备通过使用 MAC 层的连接进程加入网络，另一种是子设备通过与一个先前指定的父设备直接加入网络。 ZigBee 中，只有 PAN 协调点可以建立一个新的 ZigBee 网络。 当 ZigBeePAN 协调点希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。 如果找到了合适的信道， ZigBee 协调点会为新网络选择一个 PAN 标识符（ PAN 标识符是用来标识整个网络的，因此所选的 PAN 标识符必须在信道中是唯一的）。 一旦选定了 PAN 标识符，就说明已经建立了网络，此后，如果另一个 ZigBee 协调点扫描该信道，这个网络的协调点 就会响应并声明它的存在。 ZigBee 协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。