智能家居中的环境监测系统毕业论文docWord格式文档下载.docx

智能家居中的环境监测系统毕业论文docWord格式文档下载.docx

《智能家居中的环境监测系统毕业论文docWord格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能家居中的环境监测系统毕业论文docWord格式文档下载.docx（58页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

目前,国内的这些智能家居系统还处于萌芽的阶段。

近些年来在各个大公司和媒体的大力宣传下,我国的家居环境监测行业开始起步,已经有一些前瞻性很强的公司在从事此类系统的开发。

另外,国内亦有些电器厂家也在市场上推出了自主的智能家居系统，类似的系统在家居环境的监测中均可以实现各种功能。

虽然现在的各种有线技术亦能够对环境信息进行监测与处理,让各种监测设备之间进行连接通信。

但当采用有线技术方案时,根据智能家居环境监测系统的特点,它存在一些缺点,如下面几项所示:

（1）系统布线麻烦。

采用有线技术时,对各个监测点分别进行布线将是一份复杂庞大的工作,特别是当系统监测对象的数量较多时更是如此,又容易破坏家庭之前装修的完整性。

（2）安装与维护成本高。

在安装系统时,需要安装大量的线缆,家居装修建材等,特别是当用户要需要增加节点以增加系统功能时,更是要重新对其进行布线。

1.3本文主要研究

随着我国经济和科技的迅猛发展,人们的生活水准越来提高,日常家居的环境更受到了人们的关注。

近年来随着家庭装修时工业板材及其他有毒气体释放源的使用，室内的环境不容乐观。

这就要求有各种有害气体监测功能的家居环境监测系统介入,为我们营造一个安全健康的家居环境。

此课题旨在设计出一款能够快速、实时、准确连续地测出空气中温湿度、一氧化碳、光照强度等的环境监测系统,使用基于ZigBee短距无线通讯技术,环境信息采集模块与显示终端实现无线通信,省去了传统布线的麻烦。

主要研究了ZigBee协议中各个部分的组成和数据结构,并对各层中的重点内容进行了详细的分析。

本文以无线传感网络为基础,以ZigBee技术纽带,详细设计出的家居环境监测系统中的几种节点--路由器节点,控制中心,和传感器节点。

在路由器节点中,本文实现了电源、串口通信、PCB天线等主要电路的设计,而在传感器节点中,由于其与协调器类似,故仅针对不同的环境信息,设计出了不同的传感模块。

本论文还设计了串口调试操作界面，可以方便用户的调试和使用,由此用户就可以实时的了解到家庭中环境参数的信息。

第2章ZigBee技术

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,根据此协议的规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

ZigBee技术的研究也主要是在低速率、低功耗通信领域进行应用,亦可以低成本地嵌入各种设备中组成庞大的网络。

2.1ZigBee技术介绍

ZigBee技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。

ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳ZigBee形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息,一只一只的传递下去,此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。

ZigBee联盟则于2001年成立,而2002年下半年,Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟,以研发名为“ZigBee”的新一代无线通信标准,ZigBee联盟负责开发网络层及以上的协议。

ZigBee的基本速率是250kb/s,而若当其速率降到28kb/s时,传输半径可扩大到134米,并可得到更低的功耗和更高的可靠性。

此外,单个ZigBee无线模块就可与254个节点互联,若网络中加入路由节点，则网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。

由于它的低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、建盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好,人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee的应用。

2.2ZigBee技术特点

ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术,与蜜蜂的通信类似,网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。

网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信,与各种传统无线网络相比,其主要优点有以下几个方面:

（1）网络稳定性好。

其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务,当添加或去除网络中某个节点时,其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息,具有较强网络自愈能力；

（2）成本低。

由于ZigBee联盟已经有二十多家,他们的研发实力都很强,好多公司均已在二零零三年正式推出自己的ZigBee芯片,竞争较大,近年来应用于主机端的芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上的优势;

另外,因为ZigBee技术的速率要求低,协议内容简单,从而节省了开发的成本；

（3）功耗低。

它的超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年的时间,这也是ZigBee的最大的一个优势；

（4）网络容量大。

每个ZigBee设备可以与另外254台节点设备相连接,而加入路由节点的ZigBee网络最多可容纳多达65000多个节点的网络；

（5）数据传输速率低。

只有10kb/s～250kb/s,符合本设计需求；

（6）工作频段灵活。

使用的频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国则使用915MHz频段,但这些均是免申请频段,可以直接使用；

（7）网络延迟时间短。

2.3ZigBee网络设备组成和网络结构

根据ZigBee联盟所设定的技术标准,按功能分其网络设备划分为三种:

ZigBee协调器（ZigBeeCoordinator）,ZigBee路由器（ZigBeeRouter）,Zig,Bee终端设备（ZigBeeEndDevice）。

他们的功能分别如下：

（1）ZigBee协调器（ZigBeeCoordinator）:

它是个全功能的设备,包含所有的网络功能,是3种设备中功能最全面最复杂的一种,特点是计算能力强、存储量大。

ZigBee路由器（ZigBeeRouter）:

它也是全功能设备在加入网络后,协调器就会分配给它一定量的十六位地址空间,再由其分别分配给下级节点使用,方便每个节点接入或离开网络,具有数据转发及路由之功能。

（2）ZigBee终端设备（ZigBeeEndDevice）:

其一般的简化的功能设备。

只能自己的与上一级如协调器或路由器之间通信,包括获取网络地址等。

在ZigBee协议规范中,组网时有三种网络拓扑结构可供选择:

星型结构（Star）,网状结构（Mesh）和簇树型结构（ClusterTree）。

在星状结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信,而ZigBee协调器则负责运作与维护着整个网络:

在簇状和网状网络结构中,协调器负责初始化和建立网络的操作,而路由器则对网络进行扩展,终端设备的信息由路由器进行转发,只不过在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器,再由协调器将信息分发下去。

2.4IEEE802.15.4协议分析

IEEE802.15.4网络协议栈是基于开放的系统互连模型（OSI）发展出来的,每一层在实现一部分通信功能的同时也向着更高的层级提供着支持等服务。

IEEE802.15.4标准定义了物理（PHY）层和介质访问控制（MAC）层，其中PHY层由射频收发器以及一些底层的控制模块构成,而MAC层则为高层级访问物理信道提供了点到点通信服务接口。

但是MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的链路控制子层（logicallinkcontrol,LLC）,聚合子层（ServiceSpecificConvergenceSublayer,SSCS）等,即ZigBee标准的上层协议则不在IEEE802.15.4标准所定义的范围内。

SSCS为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。

LLC子层则可以通过使用SSCS的服务接口来访问IEEE802.15.4网络为其应用层提供链路层服务。

2.4.1物理层（PHY）

物理层为物理层管理物理层和数据服务提供服务而定义了MAC子层和物理无线信道之间的接口。

物理层管理服务维护由物理层相关数据组成的一个数据库,物理层数据服务则是从无线物理信道上实现数据的收发。

物理层数据服务提供了以下5个方面的服务：

（1）激活或休眠射频收发器；

（2）检测接收数据包的链路质量指示（linkqualityindication,LQI）；

（3）信道能量检测（energydetect）；

（4）收发数据；

（5）空闲信道评估（clearchannelassessment,CCA）。

信道的能量检测主要测量目标信道中接收信号的功率强度,从而为网络层提供信道选择依据,由于这个检测不进行任何的解码操作,故检测的结果则是有效信号功率与噪声信号功率的和。

链路质量指示为应用层或网络层提供接收数据帧时无线信号的质量和强度信息,它要对信号进行解码,最后生成一个信噪比的指标,这一点是与信道能量检测不同的地方。

最后得到的这个信噪比指标是和物理层数据单元一起上交给上层级进行处理。

空闲信道评估（CCA）则是来判断信道是否空闲的。

IEEE802.15.4标准则定义了三种空闲信道评估模式,它们分别为：

（1）通过判断无线信号的特征来评估信道空闲判断。

这主要包括载波频率和扩频信号两种特征；

（2）判断信号能量是否低于某一阀值,如果低于阀值则认为是是信道空闲,即简单地判断信道的能量来判断信道是否空闲；

（3）此模式是结合了上两种模式来运用,即同时检测信号强度和信号特征,给出信道空闲判断。

物理层定义了三个载波频段以用于收发数据,但在这三个频段上,在发送数据使用的速率、信号的调制方式以及处理过程等方面存在有不同的地方。

三个频段共为用户提供了27个信道（channel）。

其中2.4GHz频段提供16个信道；

915MHz的频段提供了10个信道,868MHz频段则只有1个信道。

在868MHz和915MHz这两个频段上,数据传输速率不同,但信号处理的过程是相同的。

处理过程首先是将物理层协议数据单元（PHYprotocoldataunit）的二制数据差分编码,然后再将差分编码后的每一位转换为长度15的片序列（chipsequence）,最后BPSK调制到信道上。

差分编码是将数据的前后差分编码所产生的不同的比特进行异或运算；

（2.1）

其中Rn是要编码的原始比特,而En则是差分编码的结果,En-1则是上一次差分编码的结果。

对于每个发送出去的数据包,R1是第一个原始比特,计算E1时则设E0=0。

差分解码过程则正好编码过程相反:

对于每个接收到的数据包,E1是第一个需要解码的比特,计算R1时则设E0=0。

差分编码后,紧接着就是直接序列的扩频,每个比特则被转换为长度15的片序列。

扩频按一定的规律进行,扩频后的序列则使用BPSK调制的方法调制到载波上。

而2.4GHz频段的处理过程则先将PPDU的二进制数据中的每4位转换为一个符号（symbol）,后将其分别都转成长度为三十二的片序列。

在把符号转换为片序列时候,用符号在十六个近似正交的伪随便噪声序列的映射表,这个过程则是一直接序列扩频的过程。

于是扩频后，信号则通过O-QPSK调制方式调制到载波上。

2.4.2介质访问控制层（MAC）

信道接入的方式有两种:

基于竞争接入和基于无竞争接入。

在802.15.4MAC协议中同时包含了这两种信道接入方式。

基于竞争的信道接入方式采用了CSMA/CA信道竞争机制,而对于一些有特殊要求的数据传送,则采用的是分配固定有保证时隙（GTS）的方式接入信道。

在IEEE802.15.4MAC协议定义的超帧结构中,则包括了以上两种信道接入的方式。

所谓的超帧（superframe）是由一组帧群构成,在帧群中存在两个部分:

活跃期与非活跃期（即休眠期）,在活跃期开放信道接入,休眠期关闭信道,进入休眠状态以节省能耗。

信道接入开放的活跃期由竞争信道接入周期（CAP-contentionaccessperiod）和信道固定分配周期（CFP-contentionfreeperiod）两个部分组成,在信道竞争接入周期中,网络中的节点采用CSMA/CA机制共享信道,在无竞争周期由网络协调器来给有特定数据发送需求的节点分配固定时隙。

在802.15.4MAC协议中,通过基于竞争的信道接入的方式,则大大提高了信道的利用率,增大了网络的效能,而固定时隙的分配,满足了有特殊需求和一些重要的数据传送。

其利用周期性进入休眠期关闭信道接入从而达到节省网络耗能的目的。

超帧结构中同时包含了以上三种不同的信道接入周期,使得信道接入方式多样化,这样一来提高了网络的灵活性。

在超帧零时隙中则定义了一个信标帧（beacon）,beacon除了信标的意思外,还能作灯塔解。

其实不难理解,信标帧在整个超帧结构中的地位就好比灯塔的导航作用一样,不仅界定了超帧的起始,通过信标帧可以设定固定分配时隙周期的有无及其长度,这实际上决定超帧的构架,如果不存在信道固定分配周期的话,所有的数据传送完全通过CSMA/CA竞争机制来接入信道。

2.4.3CSMA/CA工作机制

ZigBee网络的工作方式为非信标网络和信标网络,即对于不一样的工作方式采用了不同的信道接入方式。

非时隙CSMA-CA信道接入方式:

等待一个任意的退避时间。

有时隙CSMA-CA信道接入方式：

退避时隙与信标传输的起始时间对准,以退避时隙为基准单位。

详细如下:

在非信标网络的工作方式下,采用基于非时隙的CSMA-CA信道接入方式，采用该方式的设备则在每次发送MAC层命令或数据桢时,需要去等待一个随机周期,在这个随机的周期时间之后,若设备发现了信道的空闲,就会发送出MAC层命令及数据桢;

反之,若设备发现信道正忙,即信道非空闲,则将继续在等待随机时长的周期后,再次试着接入信道,由此循环往复。

而对于确认桢,在发送时是不采用CSMA-CA接入方式的,而是在接受到数据桢后,设备无需等待直接发送确认桢,而不管当前的信道是否存在着冲突，发送设备则是根据是否接收到了正确的确认桢来判断数据的成功发送与否。

在信标网络的工作方式下,采用了有时隙的CSMA-CA信道接入机制,这个网络中,有信标传输的起始时间正好和退避时隙对准。

在CAP期间发送数据桢时,首先设备要锁定下一个退避时隙的边界位置,然后在等待随机个退避时隙后,若检测到信道处于忙的状态,则需要再等待随机个退避时隙,再次试着接入信道。

如果信道是空闲的,则设备就会在下个空闲退避时隙发送数据。

对于确认帧和信标桢的发送,同前一种一样,不采用CSMA-CA机制。

2.5ZigBee协议介绍与分析

ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议基础之上,规定了ZigBee协议的网络层（NetworkLayer）与应用层（ApplicationLayer）协议规范。

下面就对ZigBee协议的网络层与应用层作简要介绍。

2.5.1网络层（NWK）

ZigBee网络层的主要功能就是确保ZigBee协议的MAC层（IEEE802.15.4）正常工作，同时定义了一些必须的函数,并且为应用层提供适合的服务接口。

网络层提供了两个必须的功能服务实体来向应用层提供服务接口,它们分别是管理服务实体和数据服务实体。

通过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP）,网络层的数据实体（NLDE）得以提供数据传输服务;

网络层管理实体（NLME）与之不同,它是通过网络层管理实体服务接入点（NLME-SAP）来提供网络管理服务的。

网络层管理实体则是利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作,并且网络信息库（NLB）的维护和管理是网络层管理实体完成的。

（1）网络层数据实体（NLDE）

网络层数据实体为数据提供服务，在两个或多的设备之间进行数据传送任务时，则是按照应用协议数据单元（APDU）的格式进行传送的,并且所有的这些设备必须是在同一个网络中，即要求在同一个个域网中。

网络层数据实体提供的服务如下三项：

1.指定拓扑传输路由,网络层数据实体发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的接受设备,此设备可能是一个在通信链路中的中间通信设备,也可能是最终的目的通信设备。

生成网络层的协议数据单元（NPDU）；

2.通过增加一个适当的协议头，网络层数据实体从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元；

3.安全:

确保通信的机密性和真实性。

（2）网络层管理实体（NLME）

络层管理实体允许应用与堆栈相互作用,并且提供网络管理服务。

网络层管理实体提供了以下的几种服务：

1.配置一个新的设备:

设备应具有足够的堆栈来保证其正常工作的需要,并且满足配置的需要。

配置选项包括对连接一个现有网络设备或一个ZigBee协调器的初始化的操作；

2.初始化一个网络:

使设备有能力建立一个新的网络；

3.连接和断开网络。

要求设备具有断开网络的能力和具有连接一个新的网络的能力,以建立一个ZigBee协调器或者路由器；

4.邻居设备发现:

需要具有发现、汇报和记录相邻设备信息的能力；

5.寻址:

ZigBee协调器和路由器具有分配地址给新加入网络的设备的能力；

6.路由发现:

具有发现并且记录传送信息的网络路由的能力；

7.接收控制:

具有控制设备是否处于接收状态的能力,即控制接收机接收信息时间的长短和什么时候来接收信息,以此来保证MAC层的正常接收和同步等。

2.5.2应用层（APP）

应用层主要由用户根据具体的应用进行自我开发,用以维持节点的各种功能,发现此节点工作空间范围内其他节点的工作,再根据服务的需求为各个不同的节点提供通信服务。

ZigBee应用层有三个不同的部分分别是:

应用支持（ApplicationSupportSub1ayer）,简称APS子层、ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject,简称ZDO）和制造商定义的应用对象。

（1）应用支持子层

APS层提供了这样的接口:

在NWK层和APL层间,从设备对象到供应商的应用对象的通用服务集。

这服务由两个实体得以实现:

APS管理实体（APSME）和APS数据实体（APSDE）。

1.APSME通过APSME服务接入点（APSME-SAP）；

2.APSDE通过APSDE服务接入点（APSDE-SAP）。

APSME提供了多种服务给应用对象,维护管理对象的数据库,也就是我们常说的AIB,同时这些服务包括绑定设备和安全服务。

APSDE则提供在同一个网络中的两个或多个应用实体间进行数据通信的服务。

（2）应用层框架

为存在ZigBee设备中的应用对象提供活动的环境的是ZigBee中的应用框架。

其最多可以定义240个较为独立的应用程序对象,任意一个对象的端点编号都是从1到240。

另外还有两个附加的节点终端为了APSDE-SAP的使用:

端点号0专门应用于ZDO数据接口;

而另外一端的端点号255则专门应用于所有应用对象广播数据的数据接口;

最后,端点241-254则是要保留给有需要扩展的时候使用的。

（3）ZigBee设备对象

ZigBee设备对象（ZDO）,描述了一个基本的功能函数,这个函数为在应用对象、设备profile和APS之间提供了一个接口。

ZDO位于应用支持子层和应用框架之间,在ZigBee协议栈中应用操作的一般需求它有所满足。

ZDO还有以下作用：

●初始化安全服务规范（SSS）,应用支持子层（APS）和网络层（NWK）。

●从终端的应用中集合配置的信息来执行和确定发现、网络管理、绑定管理,以及安全管理等作用。

ZDO描述了应用框架层的应用对象的网络功能和应用对象的公用接口用以控制设备。

在终端节点0处,ZDO则提供了与协议栈中低一层进行连接的接口，若接受的是数据,则通过接入点,而若是控制信息则通过APSME-SAP的接入点。

ZDO公用接口则在ZigBee协议栈的应用框架中提供设备发现、绑定、以及安全等各种功能的地址管理服务。

ZigBee设备对象的主要功能如下：

●初始化网络层、应用支持子层和安全服务层；

●发起或响应绑定请求；

●在网络内部发现设备,并且确定为此发现的设备提供的应用服务种类；

●定义设备在网络中的各种角色,如,终端设备、路由器或协调器；

●从终端的应用来收集各个配置信息来确定和执行发现管理、网络管理、安全管理和绑定管理等；

●在网内各个设备之间建立起安全又可靠的关系。

本章小结

本章对ZigBee技术进行了主要讨论。

首先对ZigBee技术进行综述,其次分别简单地介绍了ZigBee技术的各种特点和网络的拓扑节,最后对Zigbee的PHY协议，MAC层，还有网络层和应用层的各主要功能都进行了介绍，为下面的研究工作提供了有力基础。

特别对最后在程序设计时起很大的作用。

第3章家居环境监测系统设计

本文的家居环境监测系统,通过对传感器技术、ZigBee无线网络技术和计算机等技术的综合运用,得以实现对家庭环境的实时监测,从而间接地为用户创造一个健康的,舒适适宜的居住环境。

3.1系统方案设计

在基于ZigBee技术的家庭环境监测系统中,数据采集终端包括温度传感器,湿度传感器和烟雾传感器等。

其中温度传感器可测量室内温度,将测量的温度发送给MCU,MCU将数据通过SPI总线传递给无线收发芯片,无线收发芯片将数据以无线的方式发送给数据接收端。

湿度传感器类似。

数据接收端接到数据后由MCU处理数据:

如果温度,湿度正常,液晶显示该温度和湿度;

如果温度值超过指定范围长达某个设定时间长度,报警。

且液晶显示该温度,湿度类似。

实时时钟显示数据采集的时间。

（1）硬件平台设计。

系统主要由数据采集端和数据接收端构成。

数据采集端由传感器。

MCU和无线收发芯片组成。

MCU与无线收发芯片通过SPI总线连接,二者构成无线传输模块