基于ZIGBEE网络的智能家居无线网络课程设计论文.docx
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基于ZIGBEE网络的智能家居无线网络课程设计论文
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
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
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、通信设备和安全防范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，并涉及生态、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，是住宅内部的神经系统，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国内外研究现状
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相同。
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以及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，产品的可靠性以及性能都经历了验证。
国外的智能家居产品比较注重家庭内部功能的实现，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，国内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·盖茨的深圳之行又推出了“维纳斯”计划，使国内的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，智能家居在国内的发展已全面展开，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，中国国内的品牌有：
上海索博、广州安居宝、青岛海尔、天津瑞朗、深圳波创、深圳普力特、上海慧居、深圳松本先天下、厦门振威安全。
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本文研究的主要内容
本文研究的主要内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范。
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及915MHz，而且均为免执照频段，有效覆盖范围为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及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内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米左右的空间范围，这个范围内用户可以是固定的，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，以及命名和绑定服务，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及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是德州仪器公司于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
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