智能家居设计方案

NanJing University of Science & Technology

《无线传感器网络技术》

设计方案

题 目： 基于ZigBee的智能家居设计 学 院： _______________ 自动化学院 __________________

班 级: ________________ 15级自动化3班 ______________

学 号: __________________ 1 1 5 1 1 0 001 0 89 _______________

姓 名： _____________________ 金威 _____________________

任课老师： _________________ 黄成 _______________________

基于ZigBee的智能家居设计

姓名：金威学号：115110001089

摘要随着物联网技术的发展，智能家居系统在人们的生活中应用越来越广泛。 相对于传统的智能家居系统，基于物联网技术的智能家居系统性能更优越，体 现在布线灵活、成本低、可扩展性好等方面.

本设计选用z i g Bee技术构建了智能家居无线通信网络，选定星型网 络作为智能家居系统的拓扑结构。其次运用三星公司的S3C 2440和Win CE 操作系统搭建了嵌入式智能家居网关，并对嵌入式智能家居网关进行了软、硬 件设计.最后将嵌入式智能家居网关、智能手机、传感器节点组建了一个智能家 居系统模型,经过一系列实验实现了以下功能：

I .智能家居系统内部组网的实现。

2。 用户通过家居网关对智能家居系统进行现场监控。

3。 用户通过智能手机对智能家居系统进行远程监控。

第一章传感器网络结构

1。1家居传感网络简介

智能家居传感网络是山分布在居住环境区域内的若干传感器节点组成，这 些传感器节点通过无线技术构成自组织网络，其主要功能是感知、采集和处理 网络所覆盖家居中感知对象的各种信息，如温度、气体等，并将节点感知的信息 传输到智能家居网关，之后通过互联网或GPRS到达PC机或智能手机，并通 过管理设备界面显示出来。从网络的角度来看无线传感器网络也是一个完备的 网络体系，由多个节点组成在一起，不同的节点扮演不同的功能实体.

典型的智能家居传感网络通常山无线传感器节点、智能家居网关和管理设 备组成，在本文中管理设备是指PC机或智能手机，智能家居传感网络体系结构 如图1.1所示。 无线传感节点部署完毕后,经过自组织方式构成网络。无线传感器节点监测 的LI标信号经本地简单处理后传输到智能家居网关。用户通过外部网络，比如 GP RS或Internet,与智能家居网关进行交互。智能家居网关也可以向网络 发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的LI标信息。

从整个网络功能来分析，传感器节点发挥了路由器和终端节点的双重角色, 它主要完成以下功能：

首先完成本地信息釆集，其次暂存、处理以及发送其它节点转发来的数据, 最后协同其它节点共同完成一些特定的任务。无线传感器节点主要山传感器、 处理器、无线通信模块和电源这四个模块组成。其中，传感器完成数据的采集和 转换，处理器完成整个节点的控制和数据处理，无线通信模块完成无线通信任 务，实现信息的交换,电源为传感器节点提供工作电压。用户通过智能家居网关向 网络发送操作命令，对传感器节点进行配置和管理，收集传感器节点采集的信息, 然后对信息进行处理和分析，把更为精确的监测结果送到用户手里。智能家居 网关比普通传感器节点的电量更加充足、其数据存储空间比较大，运算速度也 相对快速，因此它的数据处理能力、存储能力和通信能力相对较强。

此外，智能家居网关还是无线传感器网络与外部网络之间的桥梁，负责实现 不同协议之间的转换。

1。2设计目标

本设计主是一种基于Zi g Bee技术的智能家居系统，重点工作是对家居网 关的软、硬件设计,最后将传感器技术、无线通信技术以及嵌入式技术结合在一 起，设计了一套智能家居系统简易模型，通过智能手机登陆智能家居系统，实 现对智能家居远程监控的功能.

第二章基于Z i gBee的无线组网

智能家居网络的技术基础是组网技术，在进行家居组网时，不但要考虑选 取恰当的网络拓扑结构，而且还必须考虑选定合理的组网方式和技术。鉴于家 居内部电器设备密集、传感器数量较少、通信距离较短等特点，因此在本系统 中选择ZigBee作为无线组网技术.

ZigBee： Zig Bee -词来源于蜜蜂的传播信息的方式，蜜蜂通过跳ZZ形 状的舞蹈向同伴传递发现食物的信息。Zi gBee是一种近距离、低复杂度、低 功耗的无线双向通信技术。在标准化方面，2 0 0 0年1 2月成立了 IEE E 80 2」5.4工作组，该工作组致力于研究无线通信技术,Zig Bee正是这种技术的代 名词。IEEE8O2。1 5o 4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议,其余协 议主要参照和采用现有的标准。

ZigBee的工作频段为2.4GHz和8 6 8 /915MHz,这三个频段的物理层各不 相同，所对应的带宽分别为0.6MHz,2MH z和5 MHz。

2。4 GHz采用的是十六相位正交调制技术，定义了 16个信道,868/ 9 1 5 MHz都是釆用二进制移相键控的直扩序列调制(DSSS)技术，它们之间最主要 的区别是工作在不同的频率之上，数据的传输速率也不相同。ZigBee的 实际传输范围一般介于10~lOOm之间,相邻节点增加发射功率后，传输范围 可增加到l~3Km.作为一种新型的无线通信技术,ZigBee具有非常显著的特征， 这些特征也直接影响了其广泛的应用用范围.

第三章智能家居系统总体设计

智能家居系统是安装在家居场所中的通信系统,通过本地监控和远程监控两 种方式实现对家居环境的了解,从而实现家居设备管理的智能化。用户通过PC 或手机登录智能家居监控系统，实时查看家居内部信息，真正实现了“人在路上, 家再手中”这一 H标。

3。1技术要求

目前 Z i g B ee技术广泛的应用在PC外设、消费类电子产品、 智能家居控制、医疗技术以及工业自动化等领域，山于Z igBe e无线网络是自 组织网络，其灵活性较高，因此可将ZigBee技术应用到智能家居系统的内部网 络中来，通过对智能家居相关技术和用户需求的分析，结合本论文对智能家居系 统模型提出以下设计要求：

1） 无线组网，釆用ZigBee技术构建智能家居网络，实现了家居网络从有 线到无线的转变，并完成对传感器节点的控制.

2） 本地监控，在住宅中用户可以通过家居网关对智能家居系统现场监控。

3） 远程监控，在远离住宅的任何地方,用户可以通过PC机或智能手机快速接入 网络，进而实现对智能家居系统的远程监控。

4） 降低功耗，充分利用休眠模式来延长传感器的使用寿命，避免了频繁更换电 池的麻烦。

本智能家居系统拟实现的主要功能如下：

1 ）嵌入式系统代替PC机来构建智能家居网关.

2） 构建人机交互界面，方便用户对传感器的控制以及设备状态的查询和修改.

3） 在智能家居网关上构架Web服务器，用户通过浏览家居网页即可进行远程 实时查看家居环境状况。

4） 在实验系统模型中实现了对温度，瓦斯等功能的简单查询.

3.2智能家居体系结构的选择

3. 2.1智能家居网络的两种常用结构

家居网络从结构上可以分为两种即集中式结构和分布式结构.

1 .中式结构：该结构以家居网关为核心，家居网关一端通过小区网络（或宽 带接入点）接入Intern et ,另一端则分别通过三个接口与信息网络、控制 网络和多媒体网络连接，如图3.1所示。

图3。1中式家居网络结构 可见如果家居网关出现故障将会导致整个系统瘫痪.

2. 分布式结构:该结构以信息网络（通常指TCP/IP计算机网络）为核心，信息 网络一端通过家居网关接入小区网络（或宽带接入点），另一端通过子网关连接 控制网络和多媒体网络，如图3。2所示.

图3.2分布式家居网络结构

在整个网络结构中,各节点处于同级状态，任意两节点之间都可实现通信，从 而形成各节点间的信息共享，此外，某一节点进入或退出网络都不会对其它节 点造成影响。考虑到以后家用电器的添置或移动，要满足即插即用性，因此设讣 家居网络时常采用分布式结构.

3. 2O 2分布式家居网络结构简介

分布式家居网络釆用分层次的网络体系结构，该结构分为两个网段：家居 主网和家居控制子网。其中，家居主网通过家居主网关与外部网络相连接,家居控 制子网通过子网关与家居主网相连接。家居主网中的设备可以互相通信，并通 过家居主网关访问外部网络。家居控制子网中的设备通过子网关、家居主网关 与外部网络通信。图3.2为分布式家居网络体系结构。

图3。2分布式家居网络体系结构

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『・网仗备| j LriMJtJtffrnin 外潑网 在家居网络中家居主网通常包括家居主网关、信息设备、娱乐设备、通信 设备、家居控制子网关等设备的网段。家居控制子网一般包含家居控制子网关、 移动控制终端、照明设备、传感器设备等.家居主网关是家居主网中的一种设备。 家居主网关能够与家居主网中的设备实现互联，为各种加入设备提供外部网络 接口，实现对家居主网的配置和管理，同时作为家居服务器被内部设备和外部网 络访问.

家居控制子网关是家居控制子网中的一种设备。家居控制子网关能够与家 居控制子网中的设备实现互联，同时为家居控制子网内的各种设备提供与家居 主网的接口，为各子网设备提供各种服务，并实现对家居网络控制子网的配置 和管理。

3. 2.3 ZlgBe e网络拓扑结构的选择

Zig B ee网络层(N e t work W i zard K d e )支持星型、树型和网型网 络拓扑结构，如图3.4所示。

•协调器

O全功能设备(FED)

0精简功能(RFD)

图3.4 Z igBee网络拓扑结构

山于在本系统模型中用到的传感器节点数LI相对较少，因此本系统采用星 型拓扑结构。它是山一个全功能协调器(FFD)，若干个终端节点组建成的。 FFD通过审口与家居网关相连,终端节点被布置在环境监测区域，采集到的数据星型结构

网型结构