智能家居系统方案分析

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1、2014第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛参赛声明队伍编号：作品名称：基于zigbee的智能家居控制系统参赛队员：丁祖科 柯贤伟 杜金航作为第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛的参赛队伍负责人，根据大赛公平、公开、共享精神，我代表参赛队伍作出如下声明：1、我们了解大赛相关条款并遵守比赛规则。2、我们的参赛作品没有违反有关法律、法规以及社会的道德规范。3、我们的参赛作品是原创作品，未曾授权给其他任何机构。4、我们的参赛作品不存在法律纠纷，包括但不限于肖像权、名誉权、隐私权、著作权、商标权等纠纷，否则，我们自愿承担由此而产生的全部法律责任。5、我们将如实提交参赛作品中涉及的全

2、部源码及资料，并授权北京博创智联科技有限公司拥有使用权。在征得所有人同意后有权将参赛作品及相关资料用于宣传品、相关出版物、指定及授权媒体发布、官方网站浏览及下载、颁奖晚会、展览（含巡展）等活动项目。 6、我们认真遵守此声明内容中的所有内容，如有违反，将自动放弃大赛的评奖资格。参赛高校（盖章）指导教师（签字） 2014年4月19日2014第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛作品设计报告智能家居系统Intelligent Home Furnishing system设计报告队伍编号：参赛学校：中南民族大学作 者：丁祖科 柯贤伟 杜金航 指导教师：王文涛组别：本科组 高职组 专项奖： 恩智

3、浦专项 WINDRIVER 摘 要家居环境智能化己经成为当前的社会主流，面对一些人为的失误或者不可控的因素所造成的灾难性事故，一次次的惨剧也对家居环境智能化提出了更加具体的要求。同时，随着人们生活节奏的加快以及生活压力的加大，智能家居越来越成为人们追求舒适生活的必要途径。本文采用Zigbee无线组网技术，结合j avaweb网络开发技术设计的智能家居系统具有低成本、低复杂度、可快速部署的特点，完全满足人们对智能家居系统的基本需求。 本文首先结合国内外智能家居系统的设计经验和中国国情制定出了一套合适的无线智能家居系统解决方案。然后，通过对当前主流的无线组网技术进行了研究对比并最终决定采用Zigb

4、ee技术作为本系统的无线组网技术。本系统采用星型网络拓扑结构，硬件采用CC2530射频芯片构成终端设备和中心协调器，构建智能家居环境内部网络;结合SQL数据库和JAVAWEB网络开发技术搭建家庭网站。 本文设计的系统可以实现家居环境内部数据传输和远程监控，系统本身的低复杂度、易于部署等特点，对智能家居系统的普及具有一定的应用价值。关键词:智能家居系统、Zigbee协议栈、CC2530、家庭网站AbstractToday, the intelligent household system has become the mainstream of society. Some human error

5、s and uncontrolled factors cause so many disastrous failures, which request to the intelligent household system for some specific requirements. At the same time, because the society pressure becomes more and more serious, the intelligent household system becomes a necessary choice. This paper presen

6、ts a new intelligent household system based on the Zigbee wireless network technology and the java web Network development technology. This intelligent household system is less cost, lower complexity, apt to more rapid deployment, which can meet all the requirements. Firstly, this paper presents a s

7、olution of the intelligent household system, which based on the domestic and foreign experience of designing the intelligent household system. Secondly, based on the comparison of the current mainstream wireless networking technologies this intelligent household system decides to adopt the Zigbee wi

8、reless networking technology. The internal network topology is star topology. The CC2530 RF chip is used to form the device and the coordinator, which is used to form the internal wireless network. Finally the family network station is built the SQL database and the java web Network development tech

9、nology. This intelligent household system achieves the data transmission of the familyinternal network and the remote monitoring. which has the characteristics of lowercomplexity, easy to maintain. This system has great value on the development of theintelligent household system.Key words: Intellige

10、nt Household System, Zigbee stack, CC2530, Family Station目 录第1章 绪 论随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，人们的生活水平大幅度提高，对生活环境的要求也越来越高，实现家庭信息化、网络化是当今IT产业的重要研究对象，随之而提出了一连串的新概念:家庭自动化，家庭信息化，智能家居等。智能家居是人类住宅的又一场新的革命，它能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统也在逐渐成为一个新兴的研究领域。1.1.1智能家居系统概述 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术

11、、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，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f21。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间;还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。1.1.2国内外智能家居系统发展现状 国际上对智能家庭网络的研究起于20世纪70年代，主要集中在发达国家。由于这些研究都是各国独立进行，并具有不同的目标和市场战略，因此并没有形成统一

12、的标准。20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现了住宅电子化(HE, Home Electronics)的概念;80年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体，形成了家居自动化概念(HA, Home Automation)o 80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为智慧屋(WH, Wise Home)，在欧洲称为时髦屋(SH, Smart Home)。 近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断

13、增加，集成商、开发商以及装修公司已经积累了很多经验。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统己成为当前社会一个热点问题。而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居研究领域正确的发展方向。第2章 系统方案2.1智能家居系统功能需求分析 一个智能家居系统应具备的特征主要包括以下几方面： 1、全面细致的环境状态监控：系统能实时采集室内和室外温湿度、光照强度、空气质量等数据，让用户足不出户了解室内外环境状况。 2、可靠的安防监控：安防监控应包括门窗防盗、煤气和火灾的预防等功能，这些都对系统可靠性有

14、很高要求。 3、便捷人性的开关控制：实现家居设备的远程开关控制或定时开关，如窗帘可以实现在床上打开，晚上自动关闭；家中的保险柜锁只有自己可以使用手持终端打开，其他人均无法打开。 根据上述需求分析的结果，从系统功能实现的角度，智能家居系统的功能可以概括为以下三个方面：对传感器节点环境状态信息的准确读取；对安防监控节点报警信息的及时获取；对控制节点所连家居设备的开关控制。2.2智能家居系统组成 智能家居系统可选择的网络拓扑结构有三种：星型、树状和网状。在本系统中网络协调器的通信距离可以覆盖正常的家庭居住环境，所有终端节点均可直接与协调器通信，终端节点与传感器和控制器连接，传输环境数据和控制命令，数

15、据量都很小，采用星型网络拓扑结构完全可以满足系统要求，并且有控制简单，故障诊断容易，不涉及路由寻址等优点。在 ZigBee 网络中协调器和路由节点要求是全功能设备，信息采集和控制节点则只需是精简功能设备，它们只能与 ZigBee 网络协调器通信，相互之间不能通信。结合上一节概括的智能家居系统的功能，一个基于 ZigBee 技术的智能家居系统应包括下面几个部分： 1、网络协调器：主要负责建立和管理网络，接收从终端节点获取到的数据或向终端节点发送控制命令，以及与智能网关或上位机通信获取网关或上位机发送来的控制命令或上传终端节点采集到的数据。 2、信息采集节点：网络终端节点分为采集节点和控制节点两种

16、，采集节点负责采集各种传感器或门磁等装置的状态变化信息。 3、控制节点：控制节点通过执行接收网络协调器发送来的命令实现对所连接的家居设备的控制。 4、路由节点：路由节点负责扩展网络覆盖范围及数据转发功能，可使更多的设备加入网络。 5、PC 机：用于扩展系统功能，PC 机可以显示网络协调器接收到的信息或向网络协调器发送控制命令。 6、智能网关：智能网关除实现上位机功能外，还可以接入短信模块，实现 ZigBee网络与广域的无线网的融合，用户可以通过手持终端接收信息或发送控制命令。本系统需要设计的功能模块包括 ZigBee 无线通信模块、温湿度采集模块、光照采集模块、可燃气体监测模块、空气质量监测模

17、块、红外入侵监测模块、窗帘无线控制模块。2.3智能家居系统的网络结构图在本智能家居系统中，由于终端节点数目较多，多个终端节点同时发送数据可能造成数据丢失现象。所以应根据各节点具体任务的不同设置不同的任务优先级，以保证优先级高的任务的可靠性。涉及安防监控的节点的优先级应该最高，包括红外入侵监测、门磁感应、可燃气体监测等；控制节点的优先级次之，包括窗帘无线控制和电子锁无线控制；温湿度采集、光照采集、空气质量监测等环境状态信息采集任务的优先级设置为最低。 在本系统中，网络协调器通过电源直接供电，信息采集节点和控制节点大多采用两节干电池供电，所以在设计和使用中应尽量减少使用电池的节点的工作时间，以延长

18、节点的使用寿命。第3章 功能与指标3.1实现功能3.1.1自动报警：包括门禁系统，火灾、煤气报警系统。3.1.2灯光控制：根据室内光照强度，自动调节室内灯光。3.1.3自动窗帘：根据室外关照和室内情况，自动控制窗帘开关。3.1.4自动阳台：根据室外温度、湿度、阳光等情况，自动伸缩阳台，晴天自动晾晒衣服，下雨自动收衣服。第4章 实现原理4.1.1功能实现 1.信号接收：智能家居传感器网络在家庭环境中布置传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点负责监视周围一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。它集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中各

19、类型的传感器件，可以测量家庭内部和周边环境的温度、湿度、光强度、入侵等。2.网络通讯：网络的信息管理的核心部分为物理接口，作为家庭网关和传感器节点之间的桥梁，物理层接口完成家庭网关和传感器节点间通信，并且能使家庭网关和传感器节点之间能够相互理解通信的内容。所以家庭网关和传感器节点都配置同样的无线收发模块作为物理接口。 3.智能控制：除了无线收发模块之外，传感器节点还包括具有一定处理能力的 MCU 芯片，单片机根据预先写入的程序，能够采集传感器信息、转发命令和状态信息和控制设备，并能对子网上的节点进行统筹管理，维护整个传感器系统的运转状况。根据前面的分析，传感器节点包括两个模块，如图 4.01

20、所示： 图 4.01 传感器节点模型体系结构4.2.1功能模块应用：负责对传感器节点的信号采集功能、通信行为等进行初始化，并根据实验需要建立统计指标。网络协议栈：负责模拟传感器节点中无线通信的各层协议。传感模块：也称为传感协议栈，负责检测和处理来自传感器信道的信号，将其送往上层应用。 4.2.2能耗模块节点的能量产生和能量消耗过程，主要包括电池、无线收发设备、数模转换器和信号采集设备等硬件。4.3 基于 Z-Stack 的终端节点应用层设计实现4.3.1 基于 CC2530 的 Z-Stack 研究 Z-Stack 是遵从 ZigBee2007 规范的为 IEEE 802.15.4 产品和平台

21、使用的协议栈。它在 CC2530 片上系统、MSP430+2520 和 LM3S9B96+CC2520 上支持ZigBee 和ZigBee-Pro 特征集。Z-Stack 支持 Smart Energy、家庭自动化、楼宇自动化和医疗健康等公共应用。Z-Stack 支持 IAR 工程建立ZigBee Network Processor (ZNP)设备。ZigBee 协议采用分层的体系结构,其下层为上层提供服务。ZigBee 协议的体系结构如下图4.11所示: 图4.11 ZigBee 协议体系结构执行 Z-Stack 协议栈是从 main 函数开始的。首先需要对系统的硬件进行初始化,然后初始化系

22、统,最后执行操作系统。操作系统的初始化流程如图 4.12 所示。 图 4.12 操作系统初始化流程在初始化结束后就开始运行操作系统。该操作系统是基于事件定时机制的串行执行任务的系统。首先系统根据 MAC 定时器更新系统软件时钟,计算相邻两次操作所消耗时间,然后根据这个时间值更新事件被触发剩余时间。在对每个事件任务更新其超时值之后,系统开始查询是否有任务由于超时到时而应该被触发,并根据优先级选择最高优先级的事件,调用相应层的事件处理函数,最终对该事件做出处理。操作系统的执行流程如图 4.13 所示。 图 4.13 操作系统执行流程4.3.2 基于 CC2530 的 Z-Stack 应用设计 应用

23、层位于 Z-Stack 协议栈的最上层,在 ZigBee 协议和操作系统的支持下实现开发者所期望的功能。本文在基于 Z-Stack 下,设计实现了基于 ZigBee 协议的智能家居系统终端节点。终端节点在完成硬件初始化和协议栈初始化之后开始启动协议栈。启动协议栈后的首要任务是将终端节点与协调器绑定。绑定通过调用协议栈绑定 API 函数进行,接下由协议栈处理绑定过程,这一过程不需要用户参与。协议栈在绑定结束后会调用绑定回调函数,用户在回调函数中判断绑定是否成功执行。如果绑定失败用户需要重新启动绑定操作。如果绑定成功结束后,需要将终端节点与网关先进行一次时间同步。进行时间同步的目的是维持终端节点的

24、时钟准确,这样能够保证上传的传感器等数据所带的时间戳是准确的。在此说明时间同步操作也是周期性的,具体周期值可在实际应用时随时更改。在第一次时间同步之后,开始根据终端节点的板上资源设置周期上传网络和节点信息任务、周期传感器采样任务等。接下来就开始等待事件的发生,这里边的事件包括周期性任务超时触发的事件和传感器等外部设备通过中断等方式触发的事件。周期性事件在被触发后会将超时值恢复为其周期,并开始等待下次被执行。而由传感器等所触发的事件是一次性事件,每被触发一次就执行一次处理函数。终端节点的应用层执行流程实际上是对应用层各种事件的处理过程,其执行流程 图 4.14 终端节点应用层执行流程无线接收函数

25、负责处理来自网关传来的所有命令。这些命令类型主要包括两类:控制命令、查询命令。控制命令用于对 CC2530 或传感器进行控制。而查询命令用于查询终端节点的软硬件信息和传感器采样数据及状态。无线接收处理函数执行流程如图4.15所示。 图 4.15 无线接收处理函数执行流程4.4 终端节点驱动程序设计实现 4.4.1 温湿度采集驱动设计实现 DHT21 输出的数据格式共 40 位,并且高位在前。数据格式如图 4.22 所示。 图 4.22 DHT21 输出数据格式校验和是湿度值的高 8 位、湿度值的低 8 位、温度值高 8 位、温度值低 8 位相加结果的低 8 位。当温度数据的最高位为 1 时,说

26、明温度低于 0。由于 DHT21 采用的是单总线串行通信方式。数据传送开始前,MCU 要先向DHT21 发送一个开始信号,开始信号结束后 DHT21 会给出一个响应信号,紧接着送出 40bit 的数据。DHT21 只在被主机触发后才会进行温湿度采集,否则将处于低功耗模式下。通讯过程如图 4.23 所示。 图 4.22 DHT21 单总线串行通信过程静默时总线处于高电平。主机发送的开始信号是将总线拉低至少 18ms。在发送完开始信号后,主机要将总线拉高 20-40us,然后读取 DHT21 的信号响应。在接收到主机发送的开始信号结束后,它将发出 80us 低电平响应信号。当主机检测到总线被拉低后

27、,说明 DHT21 已经做出了响应。在 80us 的低电平响应信号结束后,它会再发出 80us 的高电平信号。主机与 DHT21 建立连接的时序如图 4.23 所示。 图 4.23 主机与 DHT21 建立连接时序图在发送一个位数据前都要先发出一个 50us 的低电信号,随后其发出的高电平的长短决定数据位是 0 还是 1。DHT21 的测量分辨率分别为温度 16bit、湿度 16bit。采样周期间隔建议为 2 秒以上。一次完整的从 DHT21 读取温湿度数据的程序流程如图 4.26 所示。 图 4.26 DHT21 采集数据流程4.4.2 光照采集驱动设计实现 本智能家居系统中光照采集模块采用

28、 BH1750FVI 芯片。BH1750FVI 通信接口采用 IIC 总线通信方式。IIC 即 Inter-Integrated Circuit(集成电路总线)总线是飞利浦公司在 80 年代开发的一种多向控制串行总线。IIC 总线有两根信号线:数据线 SDA 和时钟线 SCL。每个接到 IIC 总线上的器件都有唯一的地址。IIC 总线上的设备分为主机(master)和从机(slave)。一次完整的总线通信过程为:总线启动、数据传输、总线停止。IIC 总线的数据传输时序如图 4.27。 图 4.27 IIC 总线的数据传输由于 CC2530 没有 IIC 总线接口,所以不能直接对 BH1750F

29、VI 进行控制。通过对IIC 总线的时序分析,可以用 CC2530 的两个普通的 IO 口实现 IIC 总线的模拟。与BH1750FVI 的 SCL 引脚相连接的 IO 口设置成输出方式,并由软件控制产生串行时钟信号;与 SDA 引脚相连的 IO 口根据 IIC 时序的要求随时更改其输入输出方式。4.4.3 人体红外采集驱动设计实现 人体红外监测模块采用 TTL 方式与主机通信。当有人从该模块前走过并被其检测到时,TTL 引脚电平被拉高。与该引脚连接的 CC2530 引脚中断使能情况下,CC2530产生中断。在 Z-Stack 中操作系统的支持下,中断产生时操作系统会设置一个 HAL 层的红外

30、触发事件。HAL 层事件处理函数在检测到该事件时,将该红外触发事件发送到应用层。应用层事件处理函数在检测到该事件发生时,调用应用层的红外处理函数。处理完成后整个触发过程结束。人体红外监测模块触发到被处理的程序流程如图 4.28所示。 图 4.28 人体红外触发到处理流程4.4.4 可燃气体浓度采集驱动设计实现这里主要通过 CC2530 模数转换器实现对可燃气体浓度的采集。浓度采集其实就是对 CC2530 的 ADC 操作。CC2530 的 ADC 通用操作如流程图 4.29 所示。 图 4.29 可燃气体浓度采集流程第5章 硬件框图5.1第8章 特 色8.1针对智能家居中主要存在的布线难，费用

31、高等问题，选择Zigbee技术作为智能家居系统中的通信技术，实现智能家居的数据传输；8.2研究Zigbee技术网络协议栈。实现Zigbee网络无线网络节点参数配置、维护的智能化；8.3分析研究Zigbee网络结构，针对家居分布构造等特点，采用簇状网络实现家庭网络的构建；8.4采用PIC18LF4620芯片，利用一款高性价比的CC2420 Zigbee模块以及GPRS模块实现了网络协调器的功能。搭建无线家庭智能化系统的集成技术研究，开发出无线智能家居网络系统，对所提出的方案进行验证；8.5 在实现的功能方面，除现有的常规需要，新增自动阳台功能，进一步完善智能家居的功能，满足大众需求。结 论 本文

32、以家庭智能化为应用背景，主要研究智能家居Zigbee无线通信网络，归纳起来，主要有以下几项工作: 1.首先对智能家居领域进行充分了解和研究，并对目前国内外的发展现状以及现有的几种技术进行分析，选择Zigbee技术作为智能家居系统中的通信技术，实现智能家居的数据传输; 2.研究Zigbee技术网络协议栈。实现Zigbee网络无线网络节点参数配置、维护的智能化;3.分析研究Zigbee网络结构，针对家居分布构造等特点，采用簇状网络实现家庭网络的构建，并提出了一种自适应智能家居网络协调器选择策略。4. 4.采用PIC18LF4620芯片，利用一款高性价比的CC2530 Zigbee模块以及蓝牙模块实现了网络协调器的功能。搭建无线家庭智能化系统的集成技术研究，开发出无线智能家居网络系统，对所提出的方案进行验证:参考文献蒋建辉.Zigbe。网络的设计与实现:【硕士学位论文】.苏州:苏州大学计算机应用技术专业，,2006韩江洪，张建军，张利，魏振春，魏臻.智能家居系统与技术【M.合肥:合肥工业大学出版社，2005蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用M.北京:北京邮电大学出版社，200616 / 16