无线传感器网络在智能家居中的应用

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1、xx电子工程职业学院 系毕业设计（论文）、毕业实习报告任 务 书学生姓名班级学号联系电话电子邮箱课题题目型式毕业设计毕业论文总结报告 任务来源指导教师命题，学生带课题实习后完成 指导教师结合学生就业岗位命题 学生从实习岗位提炼，指导教师确认 完成时间任务下达 月 日开题报告月 日 定稿交卷 月 日毕业答辩 月 日指导教师姓名电子邮箱联系电话(办)(移动)要求完成的主要任务内容：课题目的意义和主要技术指标：主要文献、资料和参考书：本任务书一式三份。由指导教师认真填写，经教研室主任审查报系主任批准后，下达给学生，学生填写联系方式后返回两份，一份留系备查，一份由指导教师保存。审批: 教研室主任 系主

2、任 二 年 月 日10xx电子工程职业学院 毕业设计（论文）开题报告 系 别 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 论文（设计）题目： 无线传感器网络在智能家居中的应用 一、毕业设计的内容和意义： 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN，wirelesssensornetworks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监

3、测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。随着无线传感器技术的发展，人们将更多的注意力放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，从而出现了智能家居的概念。智能家居控制系统使人们可以对家居内的任意电器进行数字化控制，利用计算机技术、网络通讯技术将与家居生活有关的各种设备有机地结合在一起，进行集中管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。二、文献综述： 传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代化传感器技术，是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术以及模糊控制理论等多种学科的综合性

4、技术，而该技术也广泛应用到了军事、太空探索、智能家居、农业、医疗等领域。在伴随着“信息时代”的到来，作为获取信息的重要手段传感器技术得到飞速发展，其应用领域越来越广，人们对其要求越来越高，需求也越来越迫切。但传感器技术的广泛应用以及飞速发展并不代表着该技术已经成熟，相反在很多方面它还是一项新兴的技术，依然存在着很多问题等待我们去解决。如何能够让我们的传感器装置很快的适应周围的环境，迅速准确的处理传输客户所需求的信号，并可以根据客户的要求作出相应的反应以及如何可以尽量的延长传感器装置的生存时间等等。这些问题都是我们在研究传感器技术的过程中所应该解决的问题。三、工作计划及方案论证： 序号时间内容1

5、2012-3-15 -2012- 3-18理解课题内容22012- 3-18 -2012- 3-24收集资料，准备开题报告，构造思路32012- 3-24 -2012- 3-28书写开题报告42012- 3-28-2012- 4-8整理资料，书写毕业论文52012- 4-8-2012- 5-10打印、装订毕业论文，完成毕业答辩四、参考文献：（不少于10篇，期刊类文献不少于7篇）1 王汝传，孙力娟.无线传感器网络技术及其应用.北京：人民邮电出版社，2011.42 孙利明，李建中，陈渝等.无线传感器网络.北京：清华大学出版社，2005.3 于海斌，曾鹏，梁韦华.智能无线传感器网络体系.北京：科学出

6、版社，2006.4 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2007.5 李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展.软件学报，2003,14:1717-1727.6 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2007.7 吴光荣，章剑雄. 基于 CC2430 的无线传感器网络的实现. 现代电子技术，2008,31(12):121124.8 纪晴，段培永，李连防，张绪伟. 基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统J. 计算机工程与设计，2008，29(12) ：3064-3067.9 杨灿，彭

7、立艮，赵旭伟. 基于Zigbee技术的传感器网络的应用研究J. 机电技术, 2010, 33(1): 36-38.五、指导教师意见： 指导教师（签字） 日期：六、审查意见： 教研室负责人（签字） 日期：系部负责人：（签字） 日期：注：内容为四号仿宋体摘要11前言12无线传感器网络22.1 网络的体系结构22.2传感器节点32.3 组网流程32.4网络协议43 智能家居的ZIGBEE实现53.1 家用电器和网络节点63.2网络结构63.3网络组成74 需要解决的问题85 结束语9致谢9参考文献9无线传感器网络在智能家居中的应用摘要文章的目的是实现一种智能化，人性化的家居生活。通过对无线传感器网络

8、的介绍。提出了以星型网络结构为主体嵌入点对点网络结构为辅的ZIGBEE网络结构来实现智能家居生活，并提出控制节点对智能家电和非智能家电的区别。最后提出ZIGBEE网络在实现家居智能化中，有着广阔的前景。关键字：智能家居；传感器节点；数据收集器；控制节点1前言科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN, wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌

9、人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施（如照明、安防、家电等）通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活。传统的智能家居系统一般是通过有线线路布线和进行各种控制来通信的，它有弊端：重新布局的话太费事费力，系统的可扩展性能差。随着现代近距离通信技术的发展，使得人们能够冲破这有线的束缚，营造更舒适的家居生活。本文主要是对无线传感器网络的基本介绍，然后通过ZigBee设备来实

10、现家居生活的智能化、人性化、科技化。2无线传感器网络无线传感器网络综合了传感器技术，嵌入式计算机技术，分布式信息处理技术以及通信技术，能够协作实时监测，感知和采集网络分布区域的各种环境或监测对象的信息，并对信息进行处理从而获得详尽而准确的信息，传送到需要信息的用户。2.1 网络的体系结构网络体系结构由传感器节点，数据收集器和 管理单元组成。传感器节点负责数据的采集和节点间信息的传送；数据收集器负责通过中继方式传送数据和指令；管理节点是对所采集的数据进行处理并发布新的任务，结构如图1所示。2.2传感器节点无线传感器网络节点是无线传感器网络中部署到研究区域中用于收集和转发信息、协作完成指定任务的对

11、象。传感器节点由定位发现模块，处理器模块，移动通信模块和电源模块四部分组成，整个结构如图2所示。定位发现模块通过传感器来获取所设定的外界的信息（如温度，亮度等），并对其进行模数转换；处理模块是协调各项工作并对从外界获取的信息进行基本的处理和保存。移动通信模块是通过收发器在两个节点间进行无线通信和从外界获取信息的传递；电源模块为节点提供工作所需要的能量，一般多为直流电。2.3 组网流程 无线传感器网络是一个自组织的网络，如果一个全功能节点被激活，它就可能建立一个网络并把自己设为网络协调器，其它的普通节点可以申请加入该网络。这样就可以建成一个具有星型拓扑结构的无线传感器网络。本文中的无线传感器网络

12、支持超帧结构，网络协调器经过能量扫描、主动信道扫描后，按照设定的参数周期性的发送信标帧。普通节点首先经过能量扫描和被动信道扫描后，获取信标帧中包含网络特征的参数，如信标序号、超帧序号和网络标号等。通过同步请求与网络协调器同步，再通过匹配请求与网络协调器关联。在与网络协调器关联的过程中，网络协调器为每个请求关联的普通节点分配16位的短地址。这样在以后的数据传送中就可以用短地址进行通信，提高通信效率、降低发射中的能量消耗，从而延长网络的使用寿命。2.4网络协议无线传感器网络协议栈如图3所示。物理层处于最底层，是整个开放系统的基础，提供信号调制和信号的无线接收和发送技术；数据链路层要为终端设备间的数

13、据通信提供传输媒介及其连接。主要责任是让数据成帧，帧检测，媒体访问和差错控制；网络层主要完成路由的生成和选择；为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，控制数据流的传输，保证通信服务质量；应用层是开放系统的最高层，直接为应用程序提供服务的，包括一系列基于监测任务的应用层软件；能量管理平台主要管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能源；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。3 智能家居的ZIGBEE实现ZigBee技术是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线

14、网络技术，采用了IEEE820.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格。它专注于低速率传输控制，网络容量大，时延短，提供数据完整性检查，加密算法采用AES-128，网络扩充性强，有效覆盖范围为1075 m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭环境，通信频率采用24 GHz免执照频段。 ZigBee是一组基于IEEE802154无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅定义了MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟则对其网络层和应用层进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层，以

15、保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。在ZIGBEE网络中，支持两种类型的物理设备：全功能设备和精简功能设备。全功能设备的特点：支持任何拓扑结构；可以成为网络协调器；能和任何设备 通信。精简功能设备的特点：只用在星型拓扑中；不能成为网络协调器；只能和网络协调器通信；实现非常简单。ZigBee网络要求至少一个全功能设备作为网络协调器。ZigBee网络协调器：建立网络；传输网络信标；管理网络节点；存储网络节点信息；在关联节点之间路由信息。在家庭无线传感网络中我们选用一个全功能的网络协调器来作为控制家电的点，并通过这个点来转换网络指令以便把从外网中得到的

16、指令转换为自身的指令来控制网络中的节点3.1 家用电器和网络节点在智能家居中我们实现的是对家用电器的智能化，就是通过嵌入电器中的控制节点来实现这些功能，但是家用电器根据其功能和作用可以分为智能家电和非智能家电。智能家电就像空调，它可以在温度达到其设定的温度是转换为睡眠状态。非智能家电就像电视，我们不仅仅实现开关机，还要加入一些复杂的指令来实现选台等一些别的功能。因此我们把节点分为简单的控制节点和复杂的控制节点两类。简单的控制节点就是实现开关功能，复杂的控制节点不仅要实现开关功能，还要实现电器的一些复杂功能。区别了简单的控制节点和复杂的控制节点，可以减少成本和提高网络的效率。3.2网络结构无线传

17、感器提供两种网络结构：星型网络结构和点对点网络结构。在家庭网络中，我们是通过网络协调器来实现家用电器的控制，所以我们主体上是选用星型网络结构，但是在一些家电中，由于它们之间的特殊关系，像电视机和录像机，因为如果人在户外又想回到家里就可以看到错过的比赛或新闻，这时就需要用录像机把比赛或新闻的情况录下来，这个时候电视机和录像机之间就有一种必然的联系，因此我们就在一些这样的家电中采用点对点的网络控制，这个节点开启了，不再发别的指令去开启录像机，通过电视的节点就可以控制录像机中的节点。3.3网络组成完整的智能家居系统包括：网关是实现家庭网络和外网的连接口，这样我们可以通过INTERNET来对家庭网络中

18、的网络协调器进行指令传输。GPRS系统，有了该系统我们可以通过移动通信网络用手机实时的对家庭网络进行监控。网络协调器，实现对嵌入在家用电器中的控制节点进行指令控制，从而实现对家用电器的远程无线控制，同时它还需要多种通讯协议转换功能。在ZIGBEE实现的智能家居中我们应用Getway设备，因为它集成了网关、GPRS和控制功能。如图4所示。4 需要解决的问题就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题： 1）网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。 2）成本问题。在一个

19、无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。 3）系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。 4）高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。5 结束语无线传感器网络在智能家居中的应用，虽然现在还没有在国内真正的开始普及，但是许多传感器公司已经在这方面投入不少的精力去研究这种更加人

20、性化的家居系统，相信随着人们生活水平的不断提高、通信技术、网络技术的快速发展和通行成本的不断降低，在不久的将来我们都能拥有这种高质量的生活。致谢论文总算完成了，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师#老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的

21、同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版等过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！参考文献1 王汝传，孙力娟.无线传感器网络技术及其应用.北京：人民邮电出版社，2011.42 孙利明，李建中，陈渝等.无线传感器网络.北京：清华大学出版社，2005.3 于海斌，曾鹏，梁韦华.智能无线传感器网络体系.北京：科学出版社，2006.4 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2007.5 李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展.软件学报，2003,14:1717-1727.6 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践.北京：北京航空航天大学出版社，2007.7 吴光荣，章剑雄. 基于 CC2430 的无线传感器网络的实现. 现代电子技术，2008,31(12):121124.8 纪晴，段培永，李连防，张绪伟. 基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统J. 计算机工程与设计，2008，29(12) ：3064-3067.9 杨灿，彭立艮，赵旭伟. 基于Zigbee技术的传感器网络的应用研究J. 机电技术, 2010, 33(1): 36-38.