基于某ZigBee与GPRS地报警系统

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1、word某某工业高等专科学校 毕业设计论文 题目基于ZigBee与GPRS的报警系统系 别 电子信息工程系专 业 通 信 技 术班 级 通 信09-1班姓 名 X 喜 彩 学 号 200910103134指导教师职称 周彬讲师 日 期 2012年03月某某工业高等专科学校毕业设计论文任务书电子信息工程系2012届通信技术专业毕业设计论文任务书毕业设计论文题目基于ZigBee与GPRS的报警系统课题内容性质工程设计课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题设计/论文校内指导教师职 称工作单位与部门联系方式周彬讲师电信系一、题目说明目的和意义：随着现代无线通讯技术的开展和普与,作为无线传感器网络中的

2、一种协议标准,ZigBee技术日渐成熟,以其优良的性能为众多的近距离无线通信应用领域提供了低本钱、低功耗、高可靠性的解决方案。GPRS技术逐步完善,它的覆盖区域也日益增大,几乎可以分布到所有人类居住的地方。它的维护费用比拟低,安装方便,易于实现远程数据的采集和设备的控制。该设计拟采用ZigBee组成的无线传感器网络和GPRS无线通信技术构成的大X围远程数据采集系统,结合各类传感器对环境中多路状态如温度、火警、气体浓度、非法入侵等进展监控和预警，一旦出现警情可通过GPRS系统向绑定的手机实时发送短消息，实现特定环境的监测和报警。通过对本课题的设计，让学生掌握如下内容：1学习无线通信协议ZigBe

3、e与其典型应用；2熟练掌握单片机组成原理和各种接口技术，能利用单片机应用系统的知识完成软件、硬件设计；3能够熟练应用Protel绘制所设计的电路图；二、设计论文要求工作量、内容：1为本设计题目找到适宜的应用领域；2为本设计选取适宜的数据采集、控制处理等器件；3采用单片机进展系统控制；4数据采集模块、数据传输模块、报警模块的设计；5软件设计：软件流程图和通信协议；6认真做好学习笔记，按时完成设计任务三、进度表日 期内 容第十五周第十六至十七周第十八周第十九周第二十周下学期第一、二周查阅资料写出开题报告；ZigBee通信协议根本原理与单片机接口电路具体应用；数据采集、处理模块电路设计；报警系统的软

4、件设计撰写并完成论文；修改论文准备辩论；完成日期辩论日期 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点与翻译工作量：1李广弟，朱月秀等。单片机根底M。航空航天大学,2007。2 胡汉才。单片机原理与其接口技术。：清华大学，2001。113李文仲，段朝玉。ZigBee无线网络技术入门与实战M。航空航天大学,2007。4钟永锋，X永俊编著。 ZigBee无线传感器网络M,邮电大学,2011。5金纯 等编著。 ZigBee技术根底与案例分析M,国防工业,2008。6美里吉斯 著，朱洪波等译。通用分组无线业务GPRS技术与应用M。人民邮电,2004。o指导教师签字教研室主任签字主管系领导签字周彬2011年1

5、0 月14 日年 月 日年 月 日注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。40 / 47摘 要随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛开展与提高,家居智能化也在这种形势下应运而生。Intemet、电信、电视网三种网络的合而为一，是未来网络媒体开展的趋势，是当前竞相开发的热点，它实现了三网中移动网与家庭无线网络的结合，提出了一种采用GPRS技术与ZigBee的无线技术来完成对智能家居系统的设计，该系统全部采用无线通信技术来完成，省去了重新布线的问题，而且把GPRS远程通信技术参加到智能家居的系统中，从而使用户千里之外可以随时了

6、解家中的情况提供一种解决方法。此文首先分析了智能家居系统的构成以与控制系统在智能家居的地位，并对传统智能家居进展分析，提出了基于短距离无线网络传输的现代智能家居系统，接着对智能家居控制系统的构架以与相关关键技术进展了分析和比拟，指出基于IEEE802154的ZigBee技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准，并对ZigBee无线技术的协议框架进了分析，对终端节点通信物理层、MAC层、网络层进展了研究，论述了物理层、MAC层的节能制并在MAC层选用SMAC协议，网络层选用SPIN路由协议以便更好地达到节约能耗的目的。然后从系统和应用的角度来研究智能家居控制网络，设计了一个基于近距离无线技术的

7、智能家居控制演示系统，主要完成了采用GPRS无线通信模块与新一代无线网络通信技术ZigBee相结合，实现了通过手机短信对家庭电器与安防设备进展控制与监控的系统。关键词:GPRS；ZigBee；智能家居；无线通信ABSTRACTAs the national economy and to raise the level of science and technology, especially the puter technology, munication technology, network technology, control TechnologyThe rapid developme

8、nt and the enhancement, prompted the family to realize the modernization of life, living environment fortable change, safety is changed. It was also in living in intelligenceThis situation arises.Tele, Intemet, three kinds of television network in unity, is the development trend of future network me

9、dia, is the current development of petingHot, and this paper is in this context, realized the three net YiDongWang and family wireless networks was proposed by usingGPRS technologies and ZigBee wireless technology to acplish intelligent household system design, this system adopt wireless munication

10、technology to finishCheng, saves the some rewiring problems, but also to GPRS remote munication technology to join intelligent household system, thus the user in.Distance can understand the home circumstance to provide a solution.This paper first analyzes the intelligence lives in the structure of t

11、he system and control system in intelligent household position and features of traditional intelligent householdSome analysis is proposed based on short range wireless network modern intelligent household system is the future development trends.Then the intelligent household control system architect

12、ure and related key technology are analyzed and pared, and points out that based on the coincidence. IEEE802.The ZigBee technology is the most suitable for wireless home control system of wireless standards, and toZigBee wireless technology agreement frameworkThe analysis of terminal node munication

13、 physical layer, the MAC layer, network layer were studied, and discusses the physical layer, the MAC layer of energy-saving machineSystem and in MAC layer, network layer SMAC agreement selects chooses SPIN routing protocol to better achieve the purpose of saving energy consumption. Then from the An

14、gle of system and application to research intelligent household control network, design of a close wireless technology based on the intelligent homeR control demo system, mainly finished using GPRS wireless munication module and a new generation of wireless network munication technology ZigBee unifi

15、es.Realized through SMS to household appliances and security system to control and monitoring.Keywords: GPRS；ZigBee；intelligent household； wireless munications目 录摘要IABSTRACTII第一章绪论- 1 -1.1 研究背景- 1 -1.2 系统的总体方案- 1 -1.3 家庭网关- 2 -1.4 研究目的和意义- 4 -1.5 课题的研究内容和论文结构安排- 5 -1.6 本文主要工作与组织结构- 5 -1.6.1 本文主要研究内容

16、- 5 -1.6.2 本文组织结构- 5 -第二章关键技术和主要器件的介绍- 7 -2.1 几种无线通信技术的比照- 7 -2.2 GPRS网络技术- 10 -2.3 ZIGBEE无线技术- 11 -2.4 CC2420芯片的介绍- 12 -2.4.1 性能特点- 12 -2.4.2 芯片内部结构- 13 -2.4.3 典型应用电路- 13 -2.4.4 优势- 13 -2.4.5 其他- 13 -传感器原理与应用- 14 -2.5.1 传感器的分类- 14 -2.5.2 常用传感器原理与应用- 15 -第三章智能家居硬件系统设计- 19 -3.1 引言- 19 -3.2 系统根本工作原理-

17、19 -3.3 系统组成与工作原理- 19 -3.4 系统硬件设计与调试- 20 -第四章智能家居软件系统设计- 32 -4.1 系统的软件设计- 32 -4.2 系统软件调试与设计局部- 33 -总结和展望- 37 -致谢- 39 -参考文献- 40 -第一章绪论1.1 研究背景在信息、通讯、智能不断开展的今天，随着计算机网络技术和电子信息技术的高速蓬勃开展与国内消费者生活水平的不断提高，人们更加注重生活质量，对住宅的要求也越来越高，已不满足于单纯的居住功能，还希望能得到高品质的生活。已经上升到了对整个家居智能化、自动化、安全、高效、舒适等更高层面的要求，这些都直接促成了智能家居的诞生。无线

18、传感器网络是计算技术、通信技术和传感器技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术。它是计算机科学技术的一个新的研究分支，得到了学术界和工业界的高度重视。它的根本组成单位是无线传感器节点，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。一定数量的无线传感器节点共同组成了无线传感器网络，每一个无线传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同以达到完成特定任务的目的。无线传感器节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。ZigBee是由ZigBee联盟所制定的无线网络协议，此联盟是由50多家公司联合发起的，目

19、前参加的公司已有大约200家，他们来自半导体业、软件开发商、终端产品制造商和服务供货商，其中一些来自电信业。会员中虽然有很多国际知名的厂商，但目前并没有真正能主导市场或技术开展的厂商。ZigBee协议的第一个公开版本ZigBee V10于2005年6月底公布了；在2006年12月，ZigBee联盟又制定并公布了ZigBee V11的新版本，此版本又称为ZigBee 2006；下一个新版本ZigBee V12也已如火如荼的制定完，己在2007年年中公布，此版本又称为ZigBee Pro或ZigBee 2007。ZigBee协议的通信层，加上IEEE8021542003标准的物理层和媒体访问控制层

20、，就形成了一个完整的低速率数据传输网络协议标准，即IEEE802154ZigBee协议，它使得数千个微小的无线传感器节点之间相互协调从而实现通信。这些传感器节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个传感器节点，所以它们的通信效率非常高。1.2 系统的总体方案课题所设计的智能家居系统的总体功能模块图如图1-1所示。从图中可以看出，智能家居整体系统主要由上位机的人机界面、家庭网关、主节点以与家庭内部的家电网络和传感器网络几局部组成。网络总体上分为家庭外部网络和家庭内部网络两局部，分别对应因特网和ZigBee网络。家庭网关是系统的灵魂和核心控制所在，它是带嵌入式系

21、统平台的专用主机，并且外接一个ZigBee短程无线收发模块，以实现对家庭区域网内的各种信息家电和传感器的控制。家庭网关对外可以提供各种远程智能控制接口，操作者可以通过任何一台连接到Internet的PC机访问Web页，对家中的终端节点进展数据访问或者控制。 图1-1智能家居系统的功能模块图终端节点单元包括以下两局部部件:射频收发模块、传感器或受控终端以与两者之间的接口控制模块。射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进展网络中各节点设备的网络无线连接和无线数据或指令的收发。系统的终端传感或受控单元，主要进展环中温度、湿度等各种数据的采集或者进展有人闯入或者有毒气体等意外灾难情况的探测以与对

22、各种网络家电的控制。这种控制或者检测功能需要通过接口控制模块来直接操作并完成。1.3 家庭网关ZigBee无线网络为家庭内部各个终端设备之间的信息沟通提供了一个统一网络平台，使智能化的X围由单个设备扩大到整个家庭，在一定程度上解决了“信息孤岛问题。但单个家庭网络系统仍然是一个大的“信息孤岛，因为它还无法实现与外界的信息沟通，这就限制了它的具体应用，如：通过因特网，手机等对家庭内部设备进展远程监控与配置等。因此，家庭网络必须与外界全球化的信息平台即Internet连接，才能达到信息随时、随地沟通和共享。由于家庭内部网络采用的是轻量级网络协议，要实现它与Internet等外部TCP/PI网络之间的

23、互联，必须有一个用来完成协议转换的设备或功能部件，作为这两种网络连接的桥梁，这个桥梁便是家庭网关。家庭网关是一种简单的、智能的、标准化的、灵活的数字家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个终端设备。从结构上看，家庭网关是家庭外部TCP/PI网络和局部家庭网络之间的连接点。所以，家庭网关应具备两个主要功能 ：1作为外部接入网(如Internet接入)连接到家庭内部，同时将家庭内部网络连接到外部的一种物理接口，家庭网关应能同时处理多种类型的接入网技术，即完成不同网络间的协议转换和路由选择功能。“协议转换，这一功能描述只是原理概念上的一个总体定位，实际设计和实

24、现时决不是将一种协议对应转换成另一种协议那么简单。从信息流动和变换的观点来看，可以将家庭网关视为如图1-2所示模型。在图1-2中，有两条双向的信息流通过家庭网关，家庭网关在其中起着信息格式变换的作用。图1-2 家庭网关模型图1-3 家庭网关的结构图2使用户可以获得各种家庭服务(包括现有的服务和未来可能出现的服务)的平台。包括：实现远程的控制与浏览平台。如远程通讯，远程教育、远程医疗、远程抄表、家电管理和集成、安全系统管理、家庭能源调节和管理、在线和电子公告等。同时，作为家庭与媒体的中心，实现音频和视频信息的综合预处理等。如可视、视频传送和分配、虚拟VCR和视频点播、视频交互通讯、CD点唱机。传

25、统的家庭网关多采用PC机模式，这样为了使网络能够正常运行，首先要保证PG始终保持在开机状态并且稳定无故障，这样势必造成了整个网络的可靠性降低。为了防止系统对传统PG机的依赖问题，课题采用嵌入式技术设计家庭网关，设备通过嵌入式模块，直接接入Internet实现信息交互的过程。课题采用飞利浦的LPC2200系列ARM7嵌入式芯片设计此网关。课题所设计家庭网关的结构图如图1-3所示。1.4 研究目的和意义在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且更符合家庭网络的通讯特点。同时随着无线网络技

26、术的进一步开展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。目前，无线网络技术主要可分为射频(I强)技术、IRDA红外线技术、IEEE80211b和IEEE80211a协议技术、Home RF协议、蓝牙技术、ZigBee技术。其中射频(RF)技术已很成熟。它的本钱低廉，穿透性较好，但抗干扰能力差，安全性差，最致命的缺陷是它没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样。红外IRDA技术也比拟成熟，但必须直线视距连接，限制太大，并不适合我们通常意义上的家庭网络；IEEE8021l是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域网和校园网。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组

27、又相继推出了IEEE8021lb和IEEE8021la两个新标准，但无论是IEEE80211b还是IEEE8021la都是一种高速率传输协议，用在家居系统上有些大材小用，而且价格昂贵。它更适于办公室的无线网络；Home RF无线标准是由Home RF工作组开发的，旨在使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业准，由于Home RF网络没有密码因而它的安全性较差，且它的抗干扰能力很差；而ZigBee技术和蓝牙技术都属于IEEE80215协议，在一定的X围内有重叠，但其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。蓝牙更适合于语音业务与需要更高数据量的业务，如移动，耳机等。ZigBee

28、作为一种低功耗、低数据速率、低本钱的技术更适合于家庭自动化，安全保障系统与进展低数据率传输的低本钱设备之间。一般家庭网络通讯有以下几个特点：l、传输的数据量比拟小，因而无需太大的传输速度；2、信息的实时性要好，时延要短，尤其在安防信息上；3、网络的容量要大，因家庭中各种设备、电器很多；4、无论采用何种方式建立家庭网络，都必须保证数据传送过程中的安全性和可靠性，不易被人窃取和破坏。1.5 课题的研究内容和论文结构安排本文在分析智能家居的开展方向，研究的必要性与意义后，把外部网络(移动网)和家庭内部控制网络相结合，完成了智能家居控制系统的设计。智能家居系统设计的目的：只需要手机发送短信，就可以实现

29、控制家里的安防、三表、灯的明暗，家电的开关。基于GPRS和ZigBee技术的智能家居解决方案采用以单户家庭为单元的通信控制模式，在每一个家庭中都安装一个主控中心(负责用户控制信号与家电反响信息的接收和转发)，与假设干个与家电设备相连的分控终端(控制该家庭的所有电器)。主控和分控装置由家庭总线相连，家庭总线采用ZigBee无线通信方式。此装置便于家庭独自管理，安全性、可靠性高。1.6 本文主要工作与组织结构1.6.1 本文主要研究内容针对传统的智能家居控制系统的特点，提出一款新颖的基于ZigBee无线传感网络的智能家居远程控制系统设计方案。针对智能家居的特点，用ZigBee无线传感网络技术来搭建

30、智能家居中的家庭网络局部。将传感器和控制器连接到ZigBee网络中的节点上，实现了传感器和控制器的无布线的散列摆放，用户无需重新布线，就能轻松实现对家用电器的远程控制、电脑控制等多种智能控制。用户可以通过人机交互界面方便的设定重要的参数，当采集信息的参数超过用户设定的X围时，系统会自动的以发短信或打的方式通知用户，并且用户可以随时随地的通过手机或网络了解家里各种对象的信息和实现对各个电器的控制。1.6.2 本文组织结构本文的组织结构安排如下：第一章 绪论。首先引入了课题的研究背景，然后介绍了系统的工作原理与无线传感器网络和智能家居的开展概况，最后指出课题的研究目的和意义以与本文的研究内容。第二

31、章 关键技术和主要器件的介绍。介绍了无线传感器网络的体系结构以与特点，基于ZigBee技术的无线传感器网络和它的性能与其GPRS的特点，相关传感器的种类与应用方法。第三章 智能家居硬件系统设计。介绍了系统的工作原理与硬件调试。 第四章 智能家居软件系统设计。介绍了系统的软件调试与设计局部。最后为总结与展望。总结了本文的工作，并提出课题和系统尚待深入和研究的内容。第二章 关键技术和主要器件的介绍2.1 几种无线通信技术的比照目前，各种无线传输技术林立，应用广泛。每个技术都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩大性；或符合某些单一应用的特别要求；各种短距离无线通信

32、技术都在争取成为市场标准。这里我们重点介绍与控制网络有关的无线通信技术。1、红外线技术IRDA红外线技术是家庭无线控制网络的一个选择，它设备简单，价格低廉，很容易推广。而且现有的家电通常具有红外线遥控接口，很容易融入到这样的网络中。但是，红外线控制方式的作用距离短，而且要求控制器与接收器之间必须具有目视接触，属于点对点的通信方式。因此，红外使用不很方便。特别是对于家庭组网方式，红外方式明显是不适合的。2、家庭射频技术的Home RFHome RF工作组是由美国家用射频委员会领导于1997年成立的，其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。Home RF的普与率高达45%，在

33、家庭无线联网市场独占鳌头。但由于Home RF技术标准得到的支持程度、抗干扰能力等方面的欠缺，加上市场营销策略失当、后续研发与技术升级进展缓慢，市场优势逐渐丧失，导致最终Home RF工作组不得不宣布黯然退出无线联网市场的角逐。3、蓝牙技术蓝牙技术由爱立信、东芝、IBM和英特尔五家公司于1998年提出。主要用来打破以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，2000年做到使移动等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进展数据交换。蓝牙技术是实现话音和数据无线传输的开放性规X，是一种低本钱、短距离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信技术，蓝牙最

34、早是作为电缆的替代的一种低功耗短距离无线接口，实现在移动、便携式电脑和其他电子装置之间的无缝连接，进而形成一个个局域网，使得其X围内的各种信息化的移动和便携设备都能实现资源共享。虽然用途上与红外类似，其标准中也考虑到了与红外系统的兼容性，但是由于无线电波比红外线有固有的优势，蓝牙技术具有更广泛的应用。但是未来的家居网络中设备节点的数量将会越来越多，蓝牙有限的网络容量将会限制其在低速控制网络中的应用。另外，蓝牙的本钱始终高居不下，也就导致其无法适用于未来的大规模家居控制网络的应用。目前己经有基于蓝牙的智能家居系统，但是因为系统造价高，所以无法推广开来。蓝牙技术具有强大数据通讯优势，用于抄表领域在

35、技术上是完全可行的。目前市场上早已有蓝牙技术的抄表模块。但由蓝牙技术主要针对的是数据交换与语音信号传输，同其它专有的抄表技术相比，有协议过于复杂、芯片本钱较高的缺点。4、ZigBee技术ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网(PAN)或802.llx 无线局域网更简单实用。ZigBee技术的主要特点包括以下几个局部：(1)数据传输速率低，只有IOkbPs-250kbPs，专注于低传输应用；(2)功耗低在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上；(3)本钱低，因为ZigBee数据传输速

36、率低，协议简单，所以大大降低了本钱；(4)网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接;有效X围小有效覆盖X围10 75m之间，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；(5)工作频段灵活；(6)可靠采取了碰撞防止策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方确实认信息。如果传输过程中出现问题可以进展重发；(7)安全ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-12

37、8的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性；ZigBee是一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术，具有低本钱、低耗电、双向传输的特性，而且朝开放性工业标准方向努力。产品开展初期会以工商业市场为主，透过一些感应器提供如大楼自动化、保全、照明与医疗照顾等功能，初步估计在2004年至2005年间会进入一般家庭市场。至于在家庭内可提供之应用领域如此包括:家庭保全系统、空调系统之自动温控、照明、窗帘之远程控制、高龄者与残障者之紧急呼叫器、电视与音响之万用遥控器、无线键盘、鼠标与摇杆、烟雾侦测器、电子宠物与玩具等等。 5、GSM/GPRSGPRS是通用分组无线业务 (General Packet

38、Radio Service)的英文简称，是在GSM系统上开展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规如此以与同样的TDM流帧结构GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低本钱的无线分组数据业务。和现有的通信网络相比，GPRS有几个新特点。GPRS一个最“招人的特点就是“永远在线，GPRS采用的是分组交换技术，不需要像Modem那样拨号连接，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。GPRS手机以传输资料量计费，这种计费方式对

39、消费者来说更合理。GPRS具有以下几方面的技术优势：1资源利用率高GPRS引入了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，表现了“得到多少，支付多少的原如此。2传输速率高GPRS的高传输速率，意味着通过便携式电脑，GPRS用户能快速地上网浏览，同时也使移动多媒体应用成为可能。3接入时间短分组交换接入时间短，能提供快速即时的连接，可使已有的Intemet应用(如、网页浏览等)操作更加便捷、流畅。GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和X.25协议。而且由于GSM网络覆

40、盖面广，使得GPRS能提供Intemet和其它分组网络的全球性无线接入。由于单个模块本钱较高，目前GSM/GRPS技术还不能用于民用用户，主要用于对民用用户室内表具以其它低本钱的方式集中采集后，管理单位以此方式与小区集中器间交换信息。6、几种无线通信标准的性能比拟考虑到控制家居的无线网络小数据流量、对适时性要求不高的特征，选用任何无线通信技术必须考虑以下几点：低本钱：户用计量仪表是低本钱的。因此这些用来联网的元件也必须是低本钱的。低功耗：内置电池正常使用时间，热量表应不低于五年、水表与燃气表不应低于六年。性能可靠：无须大量维护:这些应用需要在无人照料的情况下运转。伸缩性能好：需要联网几百至几千

41、个设备。ZigBeeBluetoothWI-fiGPRS/GSM应用X围监事与控制短距离的有线的替代品Web、视频、WAN、声音与数据系统资源4KB-32KB250KB+1MB+16MB+电池寿命100-1000+1-71-51-7网络节点数255/65KB7301000带宽Kbps20-250100011000+64-128通信距离m1-75+1-10+1-1001000+优点可靠、低成效、低本钱、安全低本钱、易操作高速、适应性强传输质量好、分布地域广表2-1 对几种主要无线通信技术的比拟2.2 GPRS网络技术1、GPRS网络总体结构GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN(GPRS网

42、关支持节点)和SGSN(GPRS服务支持节点)来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图2-1所示。计算机手机机机SGSNGGSNBTS其他GPRS网络图2-1 GPRS系统结构2、GPRS协议 移动台和SGSN之间的GPRS分层协议模型如图2-2所示Um接口是GSM的空中接口。U接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC(MdiumAeeeSS Control)层、LLC层、SNDC层和网络层。图2-2 GPRS协议Um接口的物理层为射频接口局部，而物理链路层如此负责提供空中接口的各种逻辑信道。MAC为媒质接入控制层。MAC的主要作用是定义和分配空中接口

43、的GPRS逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。LLC层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程层LLC的无线链路协议。LLC层负责在高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。SNDC被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP皿地址和加密方式。网络层的协议目前主要是Phasel阶段提供的TCP/IP和X.25协议，这些协议对于传统的GSM网络设备(如BSS和NSS等设备)是透明的。2.3 ZIGBEE无线技术ZigBee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低本钱的双向无线通信技术，主要适用于自动

44、控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。在正网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备FFD和精简功能设备(RFD)。FFD之间以与FFD和RFD之间都可以相互通信；但RFD只能与FFD通信，而不能与其他RFD通信。RFD主要用于简单的控制应用，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，可以采用非常廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端。FFD一般需要功能相比照拟强大的MCU，一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能。在网络中，有一个称为RPAN网络协调者(RPAN coordinator)的FFD设备，是LR-WRPAN的网络中的主控制器。E

45、AN网络协调者除直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以与分组转发等任务。无线通信信道的特性是动态变化的，节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖X围是不确定的，在进展网络协议的设计时必须要考虑到无线信道的这个特点。 在智能家居系统设计中，采用星型网络，这种星型结构的特点是对中心节点(这里是无线数字家居服务器或网关)的依赖性很大，中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪。家庭内部无线网络连接距离较短，一般在100米以内，家用电器位置容易改变，家庭电器等的数量也容易变化，网络中的信息传送主要在无线数字家居服

46、务器和其它室内终端之间。根据家庭网络的这些特点以与以上介绍的无线网络拓扑结构，本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭网络。ZigBee技术最大传输距离150米，完全满足家庭网络需要。通过实用证明，星形家庭网络组网简单，实用可靠。2.4 CC2420芯片的介绍 CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了

47、IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。2.CC2420的主要性能参数如下： 1工作频带X围：2.4002.4835GHz； 2采用IEEE802.15.4规X要求的直接序列扩频方式； 3数据速率达250kbps码片速率达2MChip/s； 4采用o-QPSK调制方式； 5超低电流消耗RX：19.7mA,TX:17.4mA高接收灵敏度-99dBm； 6抗邻频道干扰能力强(39dB)； 7内部集成有VCO、LNA、PA以与电源整流器采用低电压供电(2.13.6V)； 8输出功率

48、编程可控； 9IEEE802.15.4 MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBCMAC,CCM)； 10与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)； 11开发工具齐全提供有开发套件和演示套件； 2.4.2 芯片内部结构天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2 MHZ，此混合I/O信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。 发射机局部基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据I

49、EEE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4 GHZ，并经放大后送到天线发射出去。 2.4.3 典型应用电路CC2420只需要极少的外围元器件。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个局部。 芯片本振信号既可由外部有源晶体提供， 也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率与输入容抗等参数。例如当采用16MHz晶振时其电容值约为22pF。 射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其

50、输入输出阻抗为50，同时为芯片内部的PA与LNA提供直流偏置。 CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据读/写状态存放器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。注意：在SPI总线接口上进展的地址和数据传输大多是MSB优先的。CC2420片内有33个16比特状态设置存放器，在每个存放器的读/写周期中，SI总线上共有24比特数据,分别为:1比特RAM/存放器选择位(0：存放器，1:RAM)，1比特读/写控制位(0:写，1：读)，6比特地址选择位、16比特数据位。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。

51、2.4.4 优势利用此芯片开发的短距离射频传输系统本钱低、功耗小,适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为家庭自动控制、工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等提供了理想的解决方案。 2.4.5 其他另外,通过CCA管脚状态的设置可以控制去除通道估计通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。 CC2420是首款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规X,工作于免授权的2.4GHz频段。2.5传感器原理与应用 传感器的分类由于监控系

52、统中各种要测量的电量和非电量种类繁多，相应的传感器和变送器也各种各样，但根据它们转换后的输出信号性质，可分为模拟和数字两种。在我公司的监控系统中，各类传感器、变送器有如下几种：数字信号传感器变送器：1离子感烟探测器，用于探测烟雾浓度。当烟雾达到一定的浓度时，给出对应的数字量报警信号。2微波双鉴被动式红外探测器XC-1、单红外探测器XP-5，当其探测X围内，有人体侵入时，提供对应的继电器触点信号输出，给出对应的数字量报警信号。3玻璃破碎传感器，当玻璃被击碎时，提供对应的继电器触点信号输出，给出对应的数字量报警信号。4水淹传感器，当传感器被水淹住时，输出一个标准的TTL低电平信号。5门磁开关，当门

53、被打开时提供对应的继电器触点信号输出，给出对应的数字量报警信号。6手动报警开关，串接入供电电源，可给出对应手动报警信号类似继电器触点信号输出。模拟信号传感器变送器有如下几种：1TRHU温湿度变送器单元，可测量环境温湿度，输出与环境温湿度呈线性关系的直流电压信号。2改良型TRHU温湿度变送器单元，测量环境温湿度，输出与环境温湿度呈线性关系的直流电流信号。3诺金温湿度变送器，测试环境温湿度，输出与环境温湿度呈线性关系的直流电流信号。4电量变送器，监测动力设备的各种运行参数，通常可测量上下压配电屏、油机的交流电压、交流电流、交流频率、功率、功率因素等信号，直流电压、直流电流等信号。通过电量变送器进展

54、转换，可将电压、电流等强电信号转换成标准的420mA直流信号输出。其中，我们现在采用的电量变送器有西南自动化公司的、某某海盐公司的、某某雅达公司的。5直流电流互感器，采用霍尔原理对直流电流进展非接触测量，输出04V/5V直流信号。6HC6000表，是用来测量交流电压、交流电流、频率、功率、功率因素的智能表，可以通过PCU、MISU直接纳入到我们的系统中来，以省去传感器、变送器与采集模块。上述各类变送器、探测器、互感器的输出信号，可以用以下监控模块采集：多功能一体化监控设备MISU、通用采集模块CMU、环境量采集模块EMU、电池监测模块BMU、传感器供电模块TPU。分别简称为MISU 、CMU、

55、EMU、BMU、TPU。此外，在使用、安装传感器、变送器时，需要特别注意它们的特性，否如此，可能导致设备损坏或危害人身安全。这些特性包括：1是否需要外接电源，电源电压大小，交流还是直流。2输入电量的性质与量程X围。3输出信号类型与量程X围。2.5.2 常用传感器原理与应用1感烟传感器火灾传感器分感烟传感器，温度传感器和火焰传感器，感烟传感器别离子感烟型和光电感烟型；温度传感器分定温温度型和差温温度型。火焰传感器主要用在探测无烟火灾场合，价格高，一般情况下不采用。下面我们主要介绍在监控系统中应用最多的感烟型传感器的工作原理。离子感烟传感器利用放射性元素产生的射线，使空气电离产生微电流来检测。目前

56、大局部离子感烟传感器采用单源双室工作，即采用一个放射源，2个工作室，一个为参考室，一个为探测室。没有烟进入探测室时，两室的微电流保持平衡，当烟雾进入探测室时，探测室电流发生变化，破坏平衡，传感器将检测到的信号送到一个正反响电路，产生报警输出。离子感烟传感器使用须知事项：只有垂直烟才能使其报警，因此烟感应装在房屋的最顶部。灰尘会使感应头的零敏度降低，因此应注意防尘。离子感烟传感器使用放射性元素Csl37，应防止拆卸传感器，以免危害安全。光电感烟传感器利用烟粒子对光的散射作用来探测烟的存在。在光电感烟传感器的探测室内有一个发光管和一个接收管，发光管发射的光被接收管接收；当烟雾进入探测室时，由于烟粒

57、子对光的散射作用，使得接收管接收的光减弱，从而检测到烟雾的存在。光电感烟传感器的电路与电气特性与离子感烟传感器相似。2红外传感器包括被动式红外传感器和微波、红双鉴传感器。被动式红外传感器工作原理：目前安全防X领域普遍采用热释电传感器制造的被动式红外传感器。热释电材料包括钻钛酸铅等，当其外表的温度上升或下降，如此该外表产生电荷，这种效应称热释电效应。用热释电材料制成的敏感元件上，涂上一层黑色外表，有良好的吸热性，当红外线照射时，热电体温度变化，极片发生变化，电极上产生电荷；当极片重新达到平衡时，电极上电压消失；当红外线撤降时，热电体温度下降，极片向相反方向转化。爱在制作敏感元件时，把两个极性相反

58、的热释电敏感元件做在同一晶片上，这样由于环境的影响而使整个晶片产生温度变化时，两个传感元产生的热释电信号相互抵消，起到补偿作用。热释电传感器在实际使用时，前面要安装透镜，通过透镜的外来红外外线只会聚在一个传感元上，产生的电信号不会被抵消。热释电红外传感器作用的透镜采用菲涅尔透镜，实际上是一个透镜组，它上面的每一个单元透镜一般部只有一个不大的视场角。而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，更不交叠，却都相隔一个盲区，这些透镜形成一个总的监视区域，当人体在这一监视区域中运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一透镜的视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，也就是说

59、，热释电传感器对人体散发的红外线一会儿接收到，一会儿又接收不到，引起热释电传感器的温度不断变化，使它输出一个又一个相应的信号。根据热释电传感器工作原理，只要热释电元件的温度发生变化，就会产生信号输出，因此，任何会导致热释电元件温度变化的困素，都会引起传感器报警，为了提高报警的可靠性，人们采取了多种措施，比如，为了降低环境度变化的影响，白光干扰，采用双层滤光片等。采用双元或四元热释电传感器，使环境温度变化产生的输出互相抵消，为了提高。根据热释电传感器特点，为了减少传感器的误报警，在安装热释电被动红外传感器时应注意以下问题：传感器应防止安装在诸如空调出风口附近、暖气片附近等环境温度正常变化的场所。

60、传感器监视区域内应防止有热源。传感器尽量防止对着有强光的窗口。传感器监视区域内应防止出现小动物，如不可防止，应选用防小动物透镜。3微波、红外双鉴传感器微波、红外双鉴传感器是被动式红外传感器和微波传感器的组合，微波传感器根据多普勒效应原理来探测移动物体。传感器发射微波，微波遇到障碍物时被反射回传感器，当障碍物相对传感器运动时，如此传感器接收到的反射波频率发生变化：当障碍物朝着传感器运动时，传感器接收到的反射波频率比发射波高，当障碍物远离传感器运动时，传感器接收到的反射波频率比发射波低，因此，传感器通过比拟反射波和发射波的频率来探测是否有移动物体进入。微波只对移动物体响应，红外只对引起红外温度变化

61、的物体响应，微波和红外双鉴传感器只有两者同时响应才会做出报警。因此，大大提高报警可靠性。4门磁开关传感器门磁开关传感器实际上是一个干簧管，干簧管由两个靠得很近的金属弹簧片构成。两个金属片为软磁性材料，当干簧管靠近磁场时，金属片被磁化，相互吸引、接触，当干簧管远离磁场时弹簧片失去磁性，由于弹力的作用两个金属片分开。5玻璃破碎传感器玻璃破碎时会发出特定的声波，玻璃破碎探测器主要根据这点做出报警判断。6温度传感器温度是表示物体冷热程度的物理量。温度传感器是通过一些物体温度变化而改变某种特性来间接测量的。常用的温度传感器有热电阻，热敏电阻温度传感器，热电偶与集成对管温度传感器等。热电阻是利用物质在温度

62、变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的，主要材料有铂、铜和镍。一般热电阻测温精度高，但测温X围比拟小。它们常加上绝缘套管，保护套管和接线盒等组成测温传感器。热电偶测量X围较宽，一般为-100+2000。热电偶根本上作原理来自物体的热电效应。两种不同的导体A与B组成两个接点，形成闭合回路，当两个接点温度不同时，回路将产生电势，该电势的方向和大小取决于两导体的材料与两接点的温度差，而与两导体的粗细、长短无关，由上述两导体组成的回路称为热电偶。集成温度传感器，它的线性度好，灵敏度高、体积小、使用简便。该传感器输出形式分为电压型和电流型两种。一般电压型的灵敏度为10mV/，电流型的灵敏度为Lu A。 注意：温度传感器的输出反响传感器本身的温度，要测量被测物体的温度，必须使传感器与被测物体接触，使之与被测物体的温度一样如测量蓄电池单体电池的温度时。为了正确测量被测对象的温度，要求：传感器本身热容量要小，不会因安装温度传感器而改变被测对象的温。传感器与被测对象之间要有良好的导热性。第三章 智能家居硬件系统设计3.1