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基于ZIGBEE网络的智能家居无线网络论文
无线传感网络课程设计
—基于Zigbee技术的智能家居无线传感网络
专业：
电子信息班级：
0742
学生：
昆鹏学号：
07
指导教师：
吴丹君玲
信息工程学院
前言
随着21世纪的到来，特别是近年来现代高科技和信息技术正在由智能大厦走向智能化住宅小区，进而走进家庭。
人们对家居生活环境的要求也越来越高，并将注意力越来越多的放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上。
家居无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。
无线传感网络的出现克服了家庭中布线的烦琐，充分体现了智能家居系统的灵活、方便、高效。
本项目研究开发了基于ZigBee技术和hitemet技术的智能家居监控系统，将hitemet的远程监控与ZigBee短距离控制相结合，实现系统的家居无线控制和数据采集，避免了综合布线，可扩展性好。
本文首先进行系统总体设计，结合底层ZigBee无线传感网络的特点和系统总体网络监控的要求，将该系统设计分为四部分:
无线传输模块、数据处理模块、以太网传输模块、上位机显示界面。
然后对ZigBee协议标准做了全面地研究分析，同时给出了基于CC2430的无线传输模块的软硬件设计和星型网络搭建，并给出了测试结果。
接着设计了基于TMS320F2812的数据处理模块，给出了硬件电路和外围辅助电路设计方案，并为其移植了实时操作系统。
本设计实现了从底层ZigBee无线传感网络的数据采集最终到监控机的数据传输并测试成功。
最后在VC6.0环境下，应用WindowsSockets套件接口开发显示界面对底层采集的数据分类显示。
整个智能家居监控系统能够对家用电器的完成开关量的控制，还能够对三表进行无线抄表最重要的是可监测来自家庭安防传感器的数据，以备物业等部门监控。
测试后，证实了设计方案的正确性，结果满足系统设计要求，该设计具有一定的新颖性和实用性。
参考文献
第一章绪论
1.1课题研究的背景
智能家居或称智能住宅，与智能家居的含义近似的还有家庭自动化、电子家庭、数字家园、家庭网络、网络家居，智能家庭/建筑。
智能家居概念的起源很早，但一直没有具体的建筑案例出现。
世界上第一套智能建筑系统于1984年在美国的康涅狄格州哈特福德市出现，当时是由美国联合科技公司改造了一座旧式大楼，对大楼的空调、电梯、照明等设备采用计算机进行监测控制。
从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。
随着大量采用先进电子技术的家用电器的面市，住宅电子化出现。
上世纪80年代中期，将家用电器、通信设备和安全防设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化的概念。
到了80年代末，通信技术的飞速发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统，也就是智能家居的原型。
1997年，比尔.盖茨的智能豪宅历时七年终于建成，这幢建筑完全按照智能住宅的概念建造，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制。
1998年5月在新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，推出了新加坡模式的家庭智能化系统一“未来之家”，从而开启了智能家居走向大众的先河，时至近日，在新加坡约有近30个住宅小区、近5000户的家庭采用了这一系统。
进入新世纪后，美国出现了一种X-10技术，即通过X-10通信协议，网络系统中的各个设备便可以实现资源的共享这种技术布线简单，功能灵活，扩展容易，该技术已经应用于美国约400万家庭。
与普通的家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，能够提供舒适安全、高品位且宜人的生活空间，还把原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各种能源支出节约资金。
建筑智能化的重要特征就是:
网络化、智能化、人性化、个性化。
人们接受智能化产品融入自己的工作和生活，不再是为了好奇，而是需求。
智能化系统、宽带综合布线系统带给人们的不仅是产品，更重要的是体现了一种服务模式和服务理念。
基于这些突出优势，住宅的信息化、智能化将是一个不可避免的趋势。
从技术角度看，智能家居是融合了计算机、网络、自动控制、传感等多种技术，并涉与生态、环境、能源等多个领域的综合性系统性工程，其实现归根到底是基于策略的自动控制和信息交换，所以，智能家居系统也就是一个综合了信息流和控制流的网络系统。
智能家居的发展离不开相关技术的进步，相关技术的飞跃也必然改变智能家居的面貌。
由此可见，智能家居行业需要改变目前“各自为政”的情况，使不同厂家的产品可以互相兼容，方便在解决方案中采取适合质量等级的产品，组建开放性更好的系统进行模块化，所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成不同功能的组件，可以根据用户的实际需求任意搭配。
这样不仅可满足不同层次用户的需要，而且可以节约成本，也可以节约不必要的端口模块，增强系统的可维护性、可扩展性，简化系统集成的过程。
绿色智能化建筑的绿色生态发展，主要包括节能、无污染、低功耗多功能的无线传感网络正好顺应了这一发展要求。
由于智能家居是一个多行业交叉覆盖的系统工程，各个设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备，其结果是:
不同设备之间的互连、互通变得非常困难。
这种问题实际上就是由家居设备的通信协议标准没有统一造成的。
在整个智能家居控制系统中，家庭网络是智能家居实现通信的基础，是住宅部的神经系统，而通信协议又是其精髓所在，因此在智能居家系统的设计中，采用具有良好发展前景的通信协议具有重要的意义。
1.2国外研究现状
自从世界上第一幢智能建筑在美国出现后，国外的智能家居已经获得了长足的发展。
一些知名企业如IBM、CISCO、Siemens、Samsung、Mierosoft、Panasonic很早就投身到这一领域，最初他们的产品种类繁多，各自采用的技术标准也不尽一样。
发展至今，已经形成了比较统一的通信协议标准，这些协议标准在国际智能家居和家庭网络中占据主导地位。
国外目前比较流行的智能家居品牌AMX、Crestron、ELAN、HA以与已经打入中国市西华大学硕士学位论文场的Honeywell、LG。
国外厂家大多数都是专业生产家庭智能化设备的，历史悠久，产品的可靠性以与性能都经历了验证。
国外的智能家居产品比较注重家庭部功能的实现，不足之处在于其价格比较高和联网的能力方面比较差。
我国在智能家居研究领域起步较晚。
最初，国较有实力的家电厂商涉足了这一领域，比如，康佳、创维、厦华、美的、春兰等推出了系统改进的信息家电，为智能家居的实施提供了功能终端设备;然后到了1999年3月10日，微软的比尔·盖茨的之行又推出了“维纳斯”计划，使国的IT厂家对智能家居有了更加清晰的认识，他们将研究注意力主要集中在系统构成上，从而从根本上解决了目前智能家居存在的弊端和问题;目前，智能家居在国的发展已全面展开，不论是技术还是市场方面都出现了可喜的局面。
2008年12月4日，由千家网、千家品牌实验室共同主办的第九届中国国际建筑智能化峰会上，揭晓了“2008年中国智能家居十大品牌”，其中，中国国的品牌有：
索博、安居宝、海尔、瑞朗、波创、普力特、慧居、松本先天下、振威安全。
就智能家居解决方案而言，主要的困难就是系统通信，而最核心的问题还是通信协议的选择。
1.3本文研究的主要容
本文研究的主要容是智能家居监控系统。
在未来，智能家居监控系统将作为住宅的一部分，直接关系到住宅用户的满意度和舒适度。
它监控着家中的一些安全隐患，如煤气泄露、火灾等，同时还可以控制家中的一应电器设施，另外三表抄送也融入其中。
传统的智能监控系统往往利用了网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活的各个监控节点有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。
但是传统的电缆有线连接已经渐渐退出家庭网络的舞台，因为现实中，很多房屋已经完成了装修，但没有专门为以后的智能家居系统预布线。
而无线网络技术则可以在没有布线的情况下完成家庭局域网的搭建，而且无线智能模块的最大优点是安装非常方便，可拆分性特别强，能更好的适应各种应用环境的需要。
楼宇监控系统如下图所示：
图1-1楼宇监控系统
第二章方案选择和结构设计
无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线通信技术，这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的射频技术，实现对家电、安防设备等家庭电器设备的控制。
目前，家居中常用的无线射频技术主要有UWB、蓝牙、ZigBee等，可以实现针对不同数据传输速率和距离的多种环境需求。
UWB是一种高效的低功耗宽带无载波通信技术，与传统无线电技术的显著区别在于，后者通过变化正弦波的功率水平、频率或相位等传递信息而UWB不使用载波，其在特定的时间点产生脉冲式无线电能量，并占据较大的带宽进行脉冲定位或时域调制，从而使耗电量显著减小。
UWB早在1960年就开始开发了，但仅仅限于军事领域，主要用于军用雷达、定位等。
美国联邦通信委员会于2002年2月准许该技术进入民用领域，并且开放了3.IG-10.6GHz频段给UWB，UWB主要用于对数据传输速率要求很高的无线传感网络。
无线高保真是一种无线通信协议，采用IEEE802.llb标准，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，它工作在.2.4GHz的频段，所支持的速度最高达54M。
目前，IEEE802.llb标准还没有被工业界广泛接受。
Wi-Fi规定了协议的物理层和媒体接入控制层，并依赖TCPIP作为网络层，通信距离在100米左右。
.由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。
这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。
蓝牙取自公元10世纪统一了丹麦的国王哈拉德二世的名字，寓意是期望统一。
它是一种短距离无线通信技术，它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规。
蓝牙的传输距离为10厘米到10米，如果增加功率或是加上某些外设可达到100米的传输距离。
它采用2.4GHzISM频段，采用IEEE802.15.1标准，且规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。
蓝牙对每个微微网限制其只能配置7个节点，制约了蓝牙技术在大型传感网络开发中的应用。
ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。
IEEE无线个人区域网工作组的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。
它采用跳频技术，.使用的频段分别为2.4GHz、868MHz5与915MHz，而且均为免执照频段，有效覆盖围为10-75m。
所支持的数据传输速率为10KB/S-250KB/S。
功耗低，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可以6个月到2年。
网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
成本低。
由于ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
要从以上这些无线射频技术中选择一种作为本设计的无线通信方案，需要考虑的是该方案是否能够满足家庭网络的成本要求，还有就是功耗和网络容量能否满足家庭要求。
而这些问题在ZigBee技术面前都将不复存在。
在智能家居系统中，将ZigBee无线传感网络技术应用于家庭网络己成为趋势。
这不仅仅是因为ZigBee无线传感网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。
所以本智能家居监控系统采用ZigBee技术作为智能家居中无线传感网络的设计方案。
本智能家居监控系统中的无线传感网络采用星型连接，主要包括了一个家庭网关以与若干个无线通信子节点。
家庭网关上有一个无线收发模块，而其他的无线通信子节点则作为终端设备安放在家用电器、三表和安防传感器上，通过这些无线收发模块，数据就在主节点和子节点之间进行传输。
智能家居中的无线传感网络结构如图所示：
图2-1智能家居中的无线传感网络结构图
第三章Zigbee协议的应用
3.1ZigBee协议分析
ZigBee技术的基础就是IEEE802.15.4标准。
1998年3月，IEEE标准化协会正式批准成立了IEEE802.15工作组，致力于WPAN网络的PHY层和MAC层的标准化工作，目标是为在个人操作空间相互通信的无线通信设备提供通信标准。
POS一般是指用户附近10米左右的空间围，这个围用户可以是固定的，也可以是移动的。
2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制定物理层与介质接入控制层。
但仅仅定义了物理层PH均与介质接入控制层并不足以保证不同设备之间可以对话，于是便有了ZigBee联盟，ZigBee联盟从IEEE802.15.4标准开始着手，目前正在定义允许不同厂商制造设备相互对话的应用纲要。
例如，ZigBee联盟“灯纲要”会确定相关的所有协议，从而能够使A公司买的ZigBee灯开关与B公司的正常工作。
同时，ZigBee联盟对其网络层协议进行了标准化，还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。
3.2ZigBee协议的应用领域
ZigBee通信协议虽然是是面向低功耗和低成本的通信技术的，但ZigBee协议是能够保证通信的可靠性的，而且ZigBee协议的另一大优势就是使网络的自组织、自愈能力也很强。
ZigBee的自组织功能:
无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。
ZigBee的自愈功能:
增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
3.3ZigBee协议栈结构和原理
IEEE802.15.4协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务:
一组数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。
每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。
虽然IEEE802.15.4协议栈是基于标准的七层开放式系统互联模型，但只定义了最下面的两层:
物理层和介质接入控制层。
ZigBee协议结构模型如图3.1所示。
由图3.1可知，ZigBee联盟提供了网络层、应用层框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持层或应用程序接口、ZigBee设备对象和由制造商制定的应用对象。
网络层负责确定拓扑结构和维护，以与命名和绑定服务，且完成寻址、路由和安全的任务。
这里建立在IEEE802.15.4标准上的网络层被设计成自组织和自维护的形式。
应用层负责为网络应用程序提供网络通信的服务。
ZigBee应用层除了提供一些必要的函数以与为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能就是应用者可在这层定义自己的应用对象。
图3-1Zigbee结构模型图
3.4ZigBee网络节点配置
在IEEE802.15.4中定义了14个物理层基本参数和35个介质接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的三分之一。
这使它非常适用于存储能力和计算能力都有限的简单器件。
在802.15.4中定义了两种器件:
全功能器件和简化功能器件对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数，它可以承担网络协调器的功能，可以同网络中的任何设备通信;而对于简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数，它不能作为网络协调器，只能与FFD通信，两个RFD之间不能直接通信。
一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，即用作路由器、协调器或终端器件。
而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。
ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。
ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器。
ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。
西华大学硕士学位论文ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。
协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。
第四章系统硬件设计
在日常家居监控系统中，由于底层ZigBee无线传感网络节点非常丰富，需要对来自这些节点的信息进行处理，所以数据处理模块承担了网络协调器的数据处理作用，而且由于多个无线传感网络采集不同的数据量传送到网络协调器，数据处理模块需要对不同数据进行分类和打包，同时通过对数据处理模块上的以太网接口把数据通过以太网通信接口传输到监控机上。
整个硬件设计的思想是希望能够将底层的无线传感网络与以太网连通，实现居家的无线监控，小区的集中监控与管理。
4.1数据处理模块的结构设计
本数据处理模块采用TMS320F2812作为主处理器，这是一种结构简单、功能强大的高速数据处理芯片，它具有数据采集和处理功能。
数据处理模块的硬件电路设计如下图所示：
图4-1数据处理模块电路图
4.2DSP芯片TMS32OF2812的介绍
TMS320F2812是仪器公司于2003年推出的一款高性能、多资源的DSP数据处理芯片。
本文采用TMS320F2812作为数据处理模块的主处理器，它功能强大、成本低、适应性强、实时性好、精度高、扩展性好，可以嵌入到设备中，同时接入以太网控制芯片后，可以对整个家居电器设备进行远程监测。
TMS32OF2812的功能模块方框图如下图：
图4-2TMS32OF2812功能模块方框图
4.3数据处理模块外围电路设计
TMS320F2812采用+3.3V的外设供电和+1.8V的核供电，芯片采用这种分离式供电方式，可以大大降低DSP芯片功耗。
电源电路如图4-3所示：
图4-3供电电路原理图
4.4数据处理模块辅助电路设计
考虑到以后调试工作的需要，所以为数据处理模块设计了串行接口。
RS一232接口标准是美国电气协会（EIA）正式公布并广泛实用的一种串行总线标准。
完整的RS-232通信接口有25条信号线，常用的是9针RS-232接口。
对于一般双工通信，仅需三条信号线就可以实现。
在串行通信电路的设计中，只用到9根信号线中的接收、发送和地。
本设计采用MAX232芯片实现TTL电平和RS-232电平间的转换，硬件电路图如下图所示：
图4-4数据处理模块的硬件电路
第五章系统软件设计
由上面的介绍可知，ZigBee支持三种网络拓扑结构:
星型网、树型网和网状网。
其中星型网络是最省电的，且造价最低，结构简单，从节点设备直接与协调器通信，便于设备维护和检修。
本设计选择星型结构作为底层无线传感网络的拓扑结构，来实现监控系统的数据采集以与简单控制。
5.1zigBee无线传感网络的组建
Zigbee采用的是自组网通信方式，因而模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这就是自组织网。
该架构被称为无基础构架的无线局域网，这种架构对网络部的设备数量不加限制，并可随时建起无线通信链路
首先设置ZigBee主无线模块为协调器，其它节点模块为终端器件。
然后协调器应用层发出原语给协调器网络层来启动新的网络建立。
建网过程开始后，协调器网络层将首先请求MAC层对物理层所定义的有效信道进行能量检测扫描，以排除可能占用的信道。
为实现能量检测扫描，协调器网络层通过发送扫描类型参数设置为能量检测扫描的原语到MAC层进行信道能量检测扫描，扫描结果通过原语返回给网络层。
网络层的管理实体收到能量检测扫描的结果后，将对那些在允许能量围的信道进行进一步处理。
协调器网络层管理实体将发送原语执行主动扫描，该原语的ScanType参数设置为主动扫描，ChannelList参数设置为那些已经通过能量检测允许的信道列表，同时在这些信道搜索其它终端节点模块。
而这一点对工业现场控制而言非常重要。
而在Zigbee技术中采用了动态路由的方式，所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以与远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。
为了决定建立网络的最佳信道，网络层管理实体还将检查PAN标识符，并且将所查找到的第一个信道设为新网络的最小编号。
当协调器网络层管理实体查找不到与其它节点模块通信的合适信道，将终止建网过程，并且向协调器应用层发出建网失败信息，即通过发送参数状态为Startup-failure的原给应用层知道。
如果协调器网络层的管理实体找到合适的信道，将为这个新网络选择一个PAN标识符。
为了选择一个PAN标识符，需要检查PANID参数是否在原语中己指定。
本系统采用IAR编译软件设计通信程序，首先实现网络协调器与单个从节点的通信。
如下图所示：
图5-1编译软件环境
如果选定PANID与已存在的PANID不发生冲突，则这个ID值就将成为新网络的PANID否则，将为这个协调器模块选择一个随机的PANID，只要不使它为广播地址，同时小于0X3FFF，并且它在所选择的信道中所存在的网络是唯一的。
网络层还要通过发出原语给MAC层来设置MACPAN属性。
用编译软件进行节点设备选择如下图：
图5-2节点选择界面
用VC++6.0编写上位机显示界面，采用的是VC++6.0中的套接字WindowsSockets网络接口控件，简化了软件接口设计。
上位机显示界面如下图所示：
图5-3上位机界面
总结与展望
本文通过分析国外智能家居研究的发展状况，结合国智能家居未来发展的广阔前景以与实际需求，提出了一种智能家居监控系统设计方案。
一方面，主要是利用ZigBee无线传感网络在家居监控中不受家居布局影响的独到的传输优势，设计了比较符合日常家用的ZigBee无线模块，负责数据采集和基本的电器电源开关，并由此搭建了星型无线传感网络。
文章中从ZigBee.技术中最核心的协议栈入手，最后实现了通信。
另一方面，基于DSPTMS320F2812设计了数据处理模块，负责对ZigBee络协调器采集的数据进行处理，并完成数据通过以太网控制器传输到以太网上，为后续应用程序开发做准备。
这部分中，主要工作是硬件设计和在CCS2.0编译环境下完成RTLSO19AS网卡驱动程序编写，并最终实现TCPIP通信。
最后在VC++6.0中基于WindowsSockets设计上位机监控界面，方便监控人员查看。
本文所作设计由于时间和本人水平有限，以与对于智能家居监控系统市场的实际调查不够充分，因此可能在设计的细部上考虑的还不够周到，所以还有很多后续的研究需要继续开展下去。
以后继续研究的部分主要有以下几个方面：
智能家居监控系统中的无线传输模块要如何能在家庭乃至楼宇的复杂电磁场环境下，保证数据传输的准确和与时，今后要在跳频通讯的研究上下一番功夫。
在家居中ZigBee的组网方面，可以考虑其它更多的拓扑结构方案，这西华大学硕士学位论文样有利于保障通信，今后要在无线传感网络中加入路由器（Router），是网络结构更合理。
Zigbee技术与智能家居系统的的结合有着广泛的应用前景，本文主要探讨了基于该技术的家庭无线传感器网络构建与应用。
这种方式在现实生活中具有很强的应用性，相信在不久的将来，会有越来越多由Zigbee技术延伸而出的设备投入应用，并将极改善我们的生活方式。
参考文献
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