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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。
物联网智能家居-zigbee无线传感器网络及应用分析编辑：史先生南京物联传感技术自人类踏入信息时代，自然界的信息通过传感器源源而来。
而随着技术的发展，人们已不满足于原有单一的、独立的传感器系统。
很多时候，我们需要将来自不同区域的信息联合汇总，从而实现对现场状况的综合判断。
在农场里，我们需要了解各处作物的灌溉情况，土壤空气质量，以确保农作物健康生长；在矿区，我们需要知道瓦斯浓度，矿工位置以及地下矿场温湿度，粉尘浓度以保证工人人身安全；在大型建筑中，我们又需要了解建筑各个位置受环境湿度，风速的影响以及自身老化程度，以及时维护建筑的结构健康。
通常，在这些情况下，用来采集数据的传感器被放置在相距上千米的位置，并且需要在长达几个月甚至几年的时间内进行连续数据检测工作，工作人员无法经常进行维护。
这时，长距离布线，数据的汇总，传感器的远程配置，系统长期供电以及信号的安全性等都是工程师需要考虑的问题。
而随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network)技术的发展，这些瓶颈被一一化解。
在无线传感器网络中，每一个节点都能够独立采集，并将数据汇总。
根据应用规模的不同，节点的数目可以达到上万，监测超过几十平方公里范围内的各类信号。
那么，究竟什么是无线传感器网络呢？无线传感器网络技术无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。
安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息，如温度、声音、震动等。
相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。
无线传感器网络的每个节点都能够实现采集，数据的简单处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到网关。
工程师可以从网关获取数据，查看历史数据记录或进行分析。
通常，一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括：传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置。
无线传感器网络诞生于上世纪70年代，最早被应用于美国军方资助项目。
经过近30年的发展，无线传感器网络的应用逐渐转向民用，在森林、河流的环境监测中、在建筑环境的智能化应用中，以及一些无法放置有线传感器的工业环境中都已经出现了它的身影。
基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点①章伟聪，俞新武，李忠成(浙江万里学院智能控制研究所，宁波 315101)摘 要：针对智能家居、环境监测等的实际要求，设计了一种远距离通讯的无线传感器节点。
该系统采用集射频与控制器于一体的第二代片上系统CC2530为核心模块，外接CC2591射频前端功放模块；软件上基于ZigBee2006协议栈，在ZStack通用模块基础上实现应用层各项功能。
介绍了基于ZigBee协议构建无线数据采集网络，给出了传感器节点、协调器节点的硬件设计原理图及软件流程图。
实验证明节点性能良好、通讯可靠,通讯距离较TI第一代产品有明显增大。
关键词：传感器节点；CC2530；ZigBee；CC2591；无线传感器网络Wireless Network Sensor Node Design Based on CC2530 and ZigBee Protocol StackZHANG Wei-Cong, YU Xin-Wu, LI Zhong-Cheng(Intelligent Control Research Institute, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315101, China)Abstract: According to the actual needs of intelligent household, environmental monitoring etc, this paper designed a wireless sensor node of long-distance communication system. This system used the second SoC CC2530 set in RF and controller chips as the core module and externally connected with CC2591 RF front-end power amplifier module. Based on ZigBee2006 in software agreement stack, it realized each application layer function based on ZStack. It also introduced wireless data acquisition networks based on the ZigBee agreement construction, and has given the hardware design schematic diagram and the software flow chart of sensor node, synchronizer node. The experiment proved that the node is good in performance and the communication is reliable. The communication distance has increased obviously compared with the first generation TI product.Key words: sensor node; CC2530; CC2591; wireless sensor networksZigBee[1]是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的,关于组网、安全和应用软件的技术标准。
技术创新《微计算机信息》2012年第28卷第10期120元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》网络与通信基于GSM 网络和无线传感网络的智能家居系统的设计与实现The Design and Realization of Intelligent Home Controlling System Based on GSM Networkand Wireless Sensor Network(湘潭大学)杨鹏杨穗钟建新YANG Peng YANG Sui ZHONG Jian-xin摘要:设计并实现了一种基于GSM 通讯网络和无线传感通信网络的智能家居控制系统。
该系统以GSM 网络为平台,采用GSM 模块TC35i 实现用户对家居信息的远程监控,基于无线传感模块CC1100实现家居信息采集及对家用电器的控制。
当家居环境异常时,系统会自动向预存的手机号码发出报警消息。
同时,用户可以在异地通过手机短信查询和控制家居情况的状态。
系统通过GSM 网络实现对家居系统的远程实时监控,操作方便、灵活,易于组网和维护。
关键词:GSM 网络;无线传感器网络;CC1100模块;智能家居系统中图分类号:TP277文献标识码:BAbstract:An intelligent home controlling system based on GSM network and wireless sensor network was designed and realized.Based on GSM network,the GSM module TC35i is utilized to monitor the home information.The wireless transmission module CC1100is used for collecting the home information and controlling the household appliances.When home information is abnormal,a warning message will be sent automatically to the mobile phone which number has been pre-existed in the system.Meanwhile,users can query and control the status of home environment via GMS.The system can achieve remote monitoring and control of the home system through GSM network.It is convenient to operate and flexible to construct.Key words:GSM network;Wireless sensor network;CC1100model;Intelligent home system文章编号:1008-0570(2012)10-0324-021引言随着社会经济的发展,人们对住宅的智能化需求程度越来越高,迫切需要住宅的智能化程度更高,环境更舒适,安全更可靠,智能家居系统应运而生。
5G通信技术下的无线传感器网络设计与应用随着5G技术的快速发展，人们对无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的应用场景愈发广泛。
WSN是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络，其主要用于感知实时数据、控制环境和执行某些应用程序。
本文将介绍5G通信技术下的无线传感器网络设计与应用。
一、5G通信技术下的无线传感器网络设计在5G时代，WSN将会面临诸多挑战和机遇。
首先，基于5G技术的通信网络将提供更高的带宽、更快的传输速度和更低的延迟。
其次，智能设备和传感器的数量将以指数级增长。
最后，WSN在应用场景上将更加广泛和深入，例如智能家居、智能工厂和智能城市等。
在5G通信技术下，WSN需要考虑以下几个方面的设计：1. 网络拓扑WSN的网络拓扑决定了其信道利用率和能耗等性能指标。
网络拓扑种类繁多，包括星型、树形和网状等。
在5G时代，因为数据量大，色度低，树状网络在多信道情况下有更好的性能表现。
2. 路由策略路由策略是指在WSN中节点之间进行数据通信时选择的路径。
5G通信技术的高带宽和低延迟，为WSN提供了更多优化路由策略的机会，例如利用分布式算法和机器学习等技术。
3. 能量管理WSN的节点往往是由微型电池供电，充足的能量是确保WSN运行的关键。
在5G时代，能源分散问题将会更加严峻，因此需要寻找低功耗的设备和协议来实现能量管理。
二、5G通信技术下的无线传感器网络应用WSN的应用场景广泛，它可以用于环保检测、农业监控、智能交通、智能家居等领域。
本文将主要介绍WSN在智能工厂和智能城市的应用。
1. 智能工厂智能工厂依托于WSN技术，可以实现生产和物流的数字化转型，以提高生产线的效率和生产质量。
WSN可以用于生产线的物联网连接、物流监控和质检等环节，以实现数字化管理和数据分析，并在此基础上优化生产线。
2. 智能城市智能城市是指利用信息技术和物联网技术实现城市智能调度和管理。
WSN在智能城市中发挥着重要的作用，可以用于环境监测、交通监管和智能安防等领域。
无线传感器网络(WSN)的发展及其在智能家居中的前景摘要：随着时代的发展，无线传感器网络技术也在不断地发展,目前已经极大地提高了生产便利性，在各式各样的行业被广泛应用。
当下,无线传感器系统已然是一种重要的技术手段。
未来,无线传感器系统的开发也将会大幅度促进智能家居的开发。
关键词：无线传感器网络,缺陷,智能家居,发展1 无线传感器网络的发展历史随着时代的飞速发展，许多便利的科学技术在人们的生活中飞速普及，其对人们的生活的影响导致人们的生活手段和习惯都产生了显著变化。
在大量技术飞快普及的同时，人们也开始追求更加简洁化的操作、便利化的生活。
网络对人类的生存方式的重要影响会不断在未来的各个方面显示它的作用,而无线传感器网络科技便被看做是网络由虚幻向真实物理社会世界的一个延续。
它继承了传统传感器工艺技术、微机系统技术、无线通信技术以及分布式数据处理技术,把逻辑上的大数据分析世界纳入到物理学世界[1]。
可以说，互联网改变了民众之间的交互手段，而无线传感器网络则在人与自然交互的方面做出了变革。
无线传感器网络,是指一种由总量巨大的感应器节点利用无线通信方法,自然的互相排列结合而组成的网络系统类型。
其技术领域已经由最初时候着重的节点设计、网络协议设计发展到了智能群体的研发过程,并成为了一种新奇的热点科技。
2 无线传感器网络的应用方面无线传感器系统主要完成信息搜罗、管理与传送的三项职能,而这三项职能又正好对标于现代的信息中,被称之为三种基础信息的感应器科技、计算机和网络通信技术三领域。
无线传感器网络恰是这三个方面的综合体,确实组成一种不太受外界影响的现代网络系统。
在无线网络传感器中,负责数据搜罗的单位向来都是先搜罗所监测范围内的一些数值然后再对其加以换算,包括大气压力、光照强度和周围空气的温湿度等;如果负责电能供给的单位需要减少传感器节点所占用的空间面积时,它就会倾向微型电池的结构型式;负责信息处理的单位,便经常负责每个节点之间的路由协议和管理任务,还有一些定位设备等;而负责数据的单元集中,以无线通信和交流信息还有发出接收部分收集于此的数据类信息为主。
基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统苏李果;朱燕【摘要】随着电子、计算机和通信技术的发展以及人们生活水平的提高，人们对每日息息相关的家居功能有了更高的期望。
为了改进现有大多数现场总线式系统布线和维护难的局面，提出了一种基于 ZigBee 无线传感器网络的智能家居系统实现方案。
该系统包括ZigBee无线传感器网络、智能家居网关和移动手机终端三个部分，可以通过智能家居网关直观地掌握所有节点上各种传感器的工作状态，集中对各种电器进行控制，并可通过移动手机终端实现远程控制。
经测试该系统运行良好，达到了预期的设计目标。
%With the rapid development of electronic, computer and communication technology and the improvement ofpeople's living standard, people have higher expectations for the home furnishing function. To improve the difficult situation of wiring and maintenance in the most fieldbus system, this paper provides a smart home system solution based on ZigBee Wireless Sensor network. This System includes ZigBee Wireless Sensor network, smart home system gateway and mobile phone end device. Users can master the working state of all the sensors in the nodes intuitively, and they can centralize control the Electrical appliances. And the remote control mode can be realized through a mobile terminal, too. After the test, this system works well and reaches the desired design goal.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P66-70)【关键词】ZigBee;无线传感器网络;智能家居;协调器节点;终端节点【作者】苏李果;朱燕【作者单位】闽西职业技术学院电气工程系，龙岩 364021;娄底职业技术学院电子信息工程系，娄底 417000【正文语种】中文21世纪是信息化的时代, 随着电子、计算机和通信技术的发展以及人们生活水平的提高, 人们对每日息息相关的家居功能有了更高的期望. 不仅要求住宅能满足一般的居住需求, 还越来越多地注重家庭生活中每个成员的安全、舒适与便利程度. 这样的需求促进了智能家居产品诞生, 它的基础平台是住宅, 集合了建筑布线、互联通信、家居安防、系统自控及音视频技术, 创建了一个高效的日常生活事务的管理系统, 有效地提升了家庭生活的安全、方便和舒适性, 并满足人们对于环保的需求. 自20世纪末智能家居的理念引入到国内, 经过了十多年的发展, 我国的智能家居的发展进入了融合演变期, 呈现快速增长的势头. 但目前大多数系统还是采用现场总线式的连接方式, 给布线安装和维护方面带来了不便[1]. 基于上述原因, 本文提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统实现方案.1 系统架构与工作原理本系统主要由三部分构成: ZigBee无线传感器网络、智能家居网关和移动手机终端.ZigBee无线传感器网络由多个终端节点和一个协调器组成, 每个终端节点根据实际的监测需求连接多种传感器或受控设备——如温度、湿度、有毒气体、光敏、窗帘电机、红外遥控转发器等. 它将采集到的传感器数据汇聚至协调器, 并接收协调器发来的命令. 协调器通过UART串口连接智能家居网关, 负责与上位机控制软件进行交互.智能家居网关是整个系统的控制核心, 它是内部ZigBee无线传感器网络与外部互联网连接的中转站. 它具备可视化的界面, 在其上可对各终端节点的实时状态进行监控. 对内可通过ZigBee协调器转发各种查询和控制命令, 对外可提供TCP/IP Socket连接Server服务, 供移动手机终端连接, 实现无线远程监控[2].图1 系统构成2 系统硬件设计本系统中智能家居网关采用PC机作为运行环境, 因此主要对ZigBee无线传感器网络的硬件进行了设计. 系统选用了美国TI公司的CC2530作为无线通信的主控芯片, CC2530内部包含一个8051内核MCU, 拥有ADC、UART等丰富的外设资源, 同时还集成了高性能的射频收发器, 是一个典型的SOC片上系统. 它功耗极低, 数据传输响应时间短, 可满足本系统的设计需求.2.1 终端节点硬件设计终端节点需要完成传感器数据的采集, 定时发送至协调器, 并接受协调器发来的控制命令. 因此终端节点的硬件设计主要包括数据采集与控制模块、数据处理与无线通信模块和电源模块的设计.(1) 数据采集与控制模块该模块根据终端节点的需求选择各种不同的传感器或控制装置, 由于CC2530内部带A/D转换的外设功能, 因此对于输出为模拟量的传感器可以直连该芯片. 对于窗帘控制节点, 其上需连接光照强度检测传感器和控制电机的继电器. 前者选择光敏电阻, 采用分压电路的接法, 利用光照强度不同时其阻值改变导致两端电压值改变的特性, 可实现光照等级的采集, 用于窗帘自动开闭的控制. 继电器的选择应考虑其驱动电压, 由于CC2530的供电电源典型值为3.3V, 因此选择输入兼容3.3V的继电器.温湿度采集节点选择奥松电子的AM2301数字温湿度传感器, 它内部包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件, 并与一个高性能8位单片机相连, 采用单总线接口, 硬件电路上直连CC2530的P0.7端口, 可直接读出温湿度数据.有毒气体检测节点选择MQ-2气体传感器, 它的电导率随着空气中可燃气体浓度的增加而增大, 其输出的模拟电压值也随之变化. 本系统中将它的输出连接LM393电压比较器, 通过电位器改变比较参考电压值可进行气体报警灵敏度的调节.(2) 数据处理与无线通信模块本系统数据处理和无线通信功能分别使用CC2530内部的8051内核和射频收发器, CC2530为SOC片上系统, 具有很高的集成度, 所以其周边只需连接晶振和少量负载电容即可. 该模块连接了XTAL1和XTAL2两个晶振, 分别为32MHz和32.768KHz. 无线通信方面主要设计了天线电路, CC2530的射频输出为差分信号, 为了与天线的单端输出相连, 两者之间利用电感和电容设计了巴伦电路[3]. 在天线的选择上, 经过综合对比各种天线的性能, 选用SMA连接端子的鞭状天线. 数据处理和无线通信模块的电路原理图如图2所示.图2 数据处理与无线通信模块电路原理图(3) 电源模块本系统主要应用于家庭内部, 各个终端节点均能得到较为稳定的供电, 因此在供电方面选择电源供电. 使用5V直流电压输入, 选用AMS1117-3.3 DC/DC稳压芯片完成5V转3.3V, 为系统各个模块供电.2.2 协调器节点硬件设计协调器节点与智能家居网关连接, 它把从各终端节点汇聚的传感器数据转发到网关, 同时向各终端节点分发网关下达的控制命令. 协调器节点上无需连接传感器, 它在数据处理与无线通信模块和电源模块的硬件电路设计上与终端节点相同. 由于协调器与智能家居网关之间的连接端口为UART串口, 而且两者串口数据的电平标准不同——协调器上为RS232 TTL电平标准, PC端为USB接口标准, 因此系统选用PL2303芯片设计了USB与RS232 TTL电平互相转换的电路. PL2303芯片内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART, 具有较高的集成度, 在其周边只需连接12MHz晶振与两只电容即可构建最小系统. 协调器节点的USB转RS232接口的电路原理图如图3所示.图3 协调器节点的USB转RS232电路原理图3 系统软件设计系统软件设计包括ZigBee无线传感器网络中各个节点的程序设计、智能家居网关的监控软件的设计和移动手机终端软件的设计.3.1 数据通信协议由于ZigBee网络通信涉及查询和控制命令, 需要传输多种不同的传感器数据, 因此需要先对数据通信的协议进行设计. 数据以字节为单位, 系统规定了协调器节点的查询和控制命令的数据帧格式, 并对终端节点的响应帧格式进行了定义, 如表1所示. 其中“地址”为2个字节的短地址, “功能码”在Modbus协议的基础上针对实际应用进行扩展, “数据段”根据命令功能的不同和传感器数据位数的需求进行调整, “校验码”为前述内容的异或值.表1 ZigBee通信数据帧格式格式组成开始符地址功能码数据段校验码结束符字节数1 Byte2 Byte1 Byte0-N Byte1 Byte1 Byte 缩写STADDRFCDAXORED“功能码”的详细定义如表2所示, 查询命令所对应的“数据段”长度为0, 控制命令所对应的“数据段”长度为1.表2 功能码描述功能码FC描述数据长度 01查询所有终端节点的传感器数据002查询单个终端节点的传感器数据0 0A控制终端节点灯的亮灭1 Byte 0B控制终端节点窗帘开合1 Byte 0C外出模式, 关闭所有设备1 Byte3.2 终端节点程序设计终端节点的程序设计开发环境为IAR, 基于TI公司的Z-Stack 2007pro协议栈进行开发.终端节点在启动后先搜索协调器建立的网络并加入, 在传感器数据采集与上报的机制方面, 设计了两种模式, 一是定时采集自动上报; 二是只有接收到协调器发来的查询命令, 才唤醒节点采集并上报. 为了降低功耗, 系统设计以上两种形式当终端节点没有采集传感器数据时, 进入休眠状态[4]. 具体的程序工作流程如图4所示.图4 终端节点程序流程图3.3 协调器节点程序设计协调器在上电初始化后建立ZigBee网络, 收到终端节点的加入请求后, 允许其加入, 然后监听OSAL中串口接收事件或无线接收数据事件是否发生. 若收到智能家居网关通过串口发来的查询或控制命令, 则将其广播出去或单播给目标终端, 等待终端发回响应数据并通过串口发给网关, 然后再次进入监听状态. 若收到终端节点定时发来的传感器数据, 则直接通过串口发给网关, 最终也是再次进入监听状态. 具体的程序工作流程如图5所示.图5 协调器节点程序流程图3.4 智能家居网关软件设计本系统中智能家居网关以PC机Windows操作系统作为运行环境, 使用C++语言, 在Visual Studio 2005和数据库开发环境下, 设计了监控管理软件. 智能家居网关和ZigBee协调器节点之间采用UART串口连接, 使用MSComm控件实现了两者之间的串口通信[5]. 软件使用可视化控件直观地展示了终端节点上各种传感器的工作状态, 记录了温湿度的变化曲线. 同时为了扩展系统的远程控制的功能, 使用VC++中的Socket编程实现了TCP服务器端, 提供给远程移动手机终端连接. 通过该监控管理软件, 用户可直观地掌握所有传感器节点的工作情况, 并可集中对各种电器进行控制. 该监控管理软件的界面如图6所示.图6 智能家居网关监控管理软件界面3.5 移动手机终端软件设计移动手机终端选择Android系统作为运行平台. 终端软件的设计主要包括3个方面的内容: 一是与智能家居网关之间基于TCP/IP协议的socket通信; 二是各种传感器实时信息的更新与控制命令的传送; 三是人机界面的设计.Socket通信模块的程序设计使用了Android系统的进程间通信的机制 , 并加入了Service、Broadcast Receiver和Activity组件实现相关功能, 该模块的程序架构如图7所示.图7 移动手机终端socket通信模块程序架构从上图中可以看到, 用户在UI界面中启动连接socket服务的请求, 然后连入智能家居网关的socket服务器. 连接建立以后, 启动一个新线程, 用于发送控制命令以及接收返回的传感器实时信息. 同时该进程将传感器实时信息以广播的形式发给UI 界面的Receiver进行刷新显示.人机界面的设计主要包括socket服务器连接界面和主功能界面的设计. 主功能界面实现ZigBee各终端节点的传感器信息的实时显示, 如: 温度、湿度、可燃气体泄漏和光照度等, 同时设计了针对家中电器控制的功能模块, 如: 照明灯、风扇等, 情景模式页面设计了离家模式和在家模式, 可根据需要统一对各种传感器和电器进行控制. 设计好的人机界面如图8所示.图8 移动手机终端人机界面4 系统的连接实现与测评系统设计完成后, 为了验证方案的可行性, 对其进行了连接实现与测评. 取五个节点,其中一个为协调器, 通过UART串口连接智能家居网关, 其余四个为终端, 分别连接温度、湿度、可燃气体检测等传感器和照明灯等家用电器.系统测试主要包括组网的速度与稳定性、传感器数据采集的准确性、数据传输的响应速度以及各个情境模式的工作情况. 经过测试, 所有节点上电后, 协调器组建ZigBee网络, 所有终端可正常入网, 整个过程在3秒完成并稳定长时间工作. 各终端节点的传感器数据采集准确, 温湿度传感器的误差控制在±0.5℃, 可燃气体检测传感器不存在误报现象. 当终端节点采集到的传感器数据发生变化时, 智能家居网关与移动手机终端上可以接近实时地刷新显示, 响应速度较高, 可以达到设计的要求. 在“离家模式”下, 断开所有电器的电源和关闭窗帘, 并保持光照、温湿度和可燃气体检测传感器的运行, 以提供报警功能; “在家模式”下, 关闭光照检测传感器, 由人工控制窗帘的开闭, 同时打开电器的电源便于控制.综上所述, 该系统中智能家居网关监控管理软件工作正常, 可以实时显示ZigBee网络中各节点的状态, 可集中对照明灯等设备进行控制, 并可提供移动手机终端连接实现远程控制, 达到了设计目标. 该系统发挥了ZigBee无线传感器网络组网简单、自组织性强、适合小数据远程传输的特点, 可适应智能家居系统的工作环境, 具有很强的实用性.参考文献1 黄文凤.智慧家庭中的智能家居产业发展现状及趋势.集成电路应用,2013(10):16–18.2 方志忠.基于ZigBee的智能家居系统的设计与实现.电子制作,2014(10):33–34.3 南忠良,孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计.电子设计工程,2010(7):117–119.4 王小强,欧阳骏,黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现.北京:化学工业出版社,2012.5 李景峰,杨丽娜,潘恒.Visual C++串口通信技术详解.北京: 机械工业出版社,2010. Smart Home System Based on ZigBee Wireless Sensor NetworkSU Li-Guo1, ZHU Yan21(Electrical Engineering Department of Minxi Vocational and Technical College, Longyan 364021, China)2(Telecom Department, Loudi Vocational and Technical College, Loudi 417000, China)Abstract：With the rapid development of electronic, computer and communication technology and the improvement of people's living standard, people have higher expectations for the home furnishing function. To improve the difficult situation of wiring and maintenance in the most fieldbus system, this paper provides a smart home system solution based on ZigBee Wireless Sensor network. This System includes ZigBee Wireless Sensor network, smart home system gateway and mobile phone end device. Users can master the working state of all the sensors in the nodes intuitively, and they can centralize control the Electrical appliances. And the remote control mode can be realized through a mobile terminal, too. After the test, this system works well and reaches the desired design goal.Key words：ZigBee; wireless sensor network; smart home; coordinator node; end device node①基金项目：湖南省教育厅科学研究青年项目(12B106)收稿时间：2014-11-19;收到修改稿时间:2014-12-29本系统主要由三部分构成: ZigBee无线传感器网络、智能家居网关和移动手机终端.ZigBee无线传感器网络由多个终端节点和一个协调器组成, 每个终端节点根据实际的监测需求连接多种传感器或受控设备——如温度、湿度、有毒气体、光敏、窗帘电机、红外遥控转发器等. 它将采集到的传感器数据汇聚至协调器, 并接收协调器发来的命令. 协调器通过UART串口连接智能家居网关, 负责与上位机控制软件进行交互.智能家居网关是整个系统的控制核心, 它是内部ZigBee无线传感器网络与外部互联网连接的中转站. 它具备可视化的界面, 在其上可对各终端节点的实时状态进行监控. 对内可通过ZigBee协调器转发各种查询和控制命令, 对外可提供TCP/IP Socket连接Server服务, 供移动手机终端连接, 实现无线远程监控[2].本系统中智能家居网关采用PC机作为运行环境, 因此主要对ZigBee无线传感器网络的硬件进行了设计. 系统选用了美国TI公司的CC2530作为无线通信的主控芯片, CC2530内部包含一个8051内核MCU, 拥有ADC、UART等丰富的外设资源, 同时还集成了高性能的射频收发器, 是一个典型的SOC片上系统. 它功耗极低, 数据传输响应时间短, 可满足本系统的设计需求.2.1 终端节点硬件设计终端节点需要完成传感器数据的采集, 定时发送至协调器, 并接受协调器发来的控制命令. 因此终端节点的硬件设计主要包括数据采集与控制模块、数据处理与无线通信模块和电源模块的设计.(1) 数据采集与控制模块该模块根据终端节点的需求选择各种不同的传感器或控制装置, 由于CC2530内部带A/D转换的外设功能, 因此对于输出为模拟量的传感器可以直连该芯片. 对于窗帘控制节点, 其上需连接光照强度检测传感器和控制电机的继电器. 前者选择光敏电阻, 采用分压电路的接法, 利用光照强度不同时其阻值改变导致两端电压值改变的特性, 可实现光照等级的采集, 用于窗帘自动开闭的控制. 继电器的选择应考虑其驱动电压, 由于CC2530的供电电源典型值为3.3V, 因此选择输入兼容3.3V的继电器.温湿度采集节点选择奥松电子的AM2301数字温湿度传感器, 它内部包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件, 并与一个高性能8位单片机相连, 采用单总线接口, 硬件电路上直连CC2530的P0.7端口, 可直接读出温湿度数据.有毒气体检测节点选择MQ-2气体传感器, 它的电导率随着空气中可燃气体浓度的增加而增大, 其输出的模拟电压值也随之变化. 本系统中将它的输出连接LM393电压比较器, 通过电位器改变比较参考电压值可进行气体报警灵敏度的调节.(2) 数据处理与无线通信模块本系统数据处理和无线通信功能分别使用CC2530内部的8051内核和射频收发器, CC2530为SOC片上系统, 具有很高的集成度, 所以其周边只需连接晶振和少量负载电容即可. 该模块连接了XTAL1和XTAL2两个晶振, 分别为32MHz和32.768KHz. 无线通信方面主要设计了天线电路, CC2530的射频输出为差分信号, 为了与天线的单端输出相连, 两者之间利用电感和电容设计了巴伦电路[3]. 在天线的选择上, 经过综合对比各种天线的性能, 选用SMA连接端子的鞭状天线. 数据处理和无线通信模块的电路原理图如图2所示.(3) 电源模块本系统主要应用于家庭内部, 各个终端节点均能得到较为稳定的供电, 因此在供电方面选择电源供电. 使用5V直流电压输入, 选用AMS1117-3.3 DC/DC稳压芯片完成5V转3.3V, 为系统各个模块供电.2.2 协调器节点硬件设计协调器节点与智能家居网关连接, 它把从各终端节点汇聚的传感器数据转发到网关, 同时向各终端节点分发网关下达的控制命令. 协调器节点上无需连接传感器, 它在数据处理与无线通信模块和电源模块的硬件电路设计上与终端节点相同. 由于协调器与智能家居网关之间的连接端口为UART串口, 而且两者串口数据的电平标准不同——协调器上为RS232 TTL电平标准, PC端为USB接口标准, 因此系统选用PL2303芯片设计了USB与RS232 TTL电平互相转换的电路. PL2303芯片内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART, 具有较高的集成度, 在其周边只需连接12MHz晶振与两只电容即可构建最小系统. 协调器节点的USB转RS232接口的电路原理图如图3所示.系统软件设计包括ZigBee无线传感器网络中各个节点的程序设计、智能家居网关的监控软件的设计和移动手机终端软件的设计.3.1 数据通信协议由于ZigBee网络通信涉及查询和控制命令, 需要传输多种不同的传感器数据, 因此需要先对数据通信的协议进行设计. 数据以字节为单位, 系统规定了协调器节点的查询和控制命令的数据帧格式, 并对终端节点的响应帧格式进行了定义, 如表1所示. 其中“地址”为2个字节的短地址, “功能码”在Modbus协议的基础上针对实际应用进行扩展, “数据段”根据命令功能的不同和传感器数据位数的需求进行调整, “校验码”为前述内容的异或值.“功能码”的详细定义如表2所示, 查询命令所对应的“数据段”长度为0, 控制命令所对应的“数据段”长度为1.3.2 终端节点程序设计终端节点的程序设计开发环境为IAR, 基于TI公司的Z-Stack 2007pro协议栈进行开发.终端节点在启动后先搜索协调器建立的网络并加入, 在传感器数据采集与上报的机制方面, 设计了两种模式, 一是定时采集自动上报; 二是只有接收到协调器发来的查询命令, 才唤醒节点采集并上报. 为了降低功耗, 系统设计以上两种形式当终端节点没有采集传感器数据时, 进入休眠状态[4]. 具体的程序工作流程如图4所示.3.3 协调器节点程序设计协调器在上电初始化后建立ZigBee网络, 收到终端节点的加入请求后, 允许其加入, 然后监听OSAL中串口接收事件或无线接收数据事件是否发生. 若收到智能家居网关通过串口发来的查询或控制命令, 则将其广播出去或单播给目标终端, 等待终端发回响应数据并通过串口发给网关, 然后再次进入监听状态. 若收到终端节点定时发来的传感器数据, 则直接通过串口发给网关, 最终也是再次进入监听状态. 具体的程序工作流程如图5所示.3.4 智能家居网关软件设计本系统中智能家居网关以PC机Windows操作系统作为运行环境, 使用C++语言, 在Visual Studio 2005和数据库开发环境下, 设计了监控管理软件. 智能家居网关和ZigBee协调器节点之间采用UART串口连接, 使用MSComm控件实现了两者之间的串口通信[5]. 软件使用可视化控件直观地展示了终端节点上各种传感器的工作状态, 记录了温湿度的变化曲线. 同时为了扩展系统的远程控制的功能, 使用VC++中的Socket编程实现了TCP服务器端, 提供给远程移动手机终端连接. 通过该监控管理软件, 用户可直观地掌握所有传感器节点的工作情况, 并可集中对各种电器进行控制. 该监控管理软件的界面如图6所示.3.5 移动手机终端软件设计移动手机终端选择Android系统作为运行平台. 终端软件的设计主要包括3个方面的内容: 一是与智能家居网关之间基于TCP/IP协议的socket通信; 二是各种传感器实时信息的更新与控制命令的传送; 三是人机界面的设计.Socket通信模块的程序设计使用了Android系统的进程间通信的机制 , 并加入了Service、Broadcast Receiver和Activity组件实现相关功能, 该模块的程序架构如图7所示.从上图中可以看到, 用户在UI界面中启动连接socket服务的请求, 然后连入智能家居网关的socket服务器. 连接建立以后, 启动一个新线程, 用于发送控制命令以及接收返回的传感器实时信息. 同时该进程将传感器实时信息以广播的形式发给UI 界面的Receiver进行刷新显示.人机界面的设计主要包括socket服务器连接界面和主功能界面的设计. 主功能界面实现ZigBee各终端节点的传感器信息的实时显示, 如: 温度、湿度、可燃气体泄漏和光照度等, 同时设计了针对家中电器控制的功能模块, 如: 照明灯、风扇等, 情景模式页面设计了离家模式和在家模式, 可根据需要统一对各种传感器和电器进行控制. 设计好的人机界面如图8所示.系统设计完成后, 为了验证方案的可行性, 对其进行了连接实现与测评. 取五个节点, 其中一个为协调器, 通过UART串口连接智能家居网关, 其余四个为终端, 分别连接温度、湿度、可燃气体检测等传感器和照明灯等家用电器.系统测试主要包括组网的速度与稳定性、传感器数据采集的准确性、数据传输的响应速度以及各个情境模式的工作情况. 经过测试, 所有节点上电后, 协调器组建ZigBee网络, 所有终端可正常入网, 整个过程在3秒完成并稳定长时间工作. 各终端节点的传感器数据采集准确, 温湿度传感器的误差控制在±0.5℃, 可燃气体检测传感器不存在误报现象. 当终端节点采集到的传感器数据发生变化时, 智能家居网关与移动手机终端上可以接近实时地刷新显示, 响应速度较高, 可以达到设计的要求. 在“离家模式”下, 断开所有电器的电源和关闭窗帘, 并保持光照、温湿度和可燃气体检测传感器的运行, 以提供报警功能; “在家模式”下, 关闭光照检测传感器, 由人工控制窗帘的开闭, 同时打开电器的电源便于控制.综上所述, 该系统中智能家居网关监控管理软件工作正常, 可以实时显示ZigBee网络中各节点的状态, 可集中对照明灯等设备进行控制, 并可提供移动手机终端连接实现远程控制, 达到了设计目标. 该系统发挥了ZigBee无线传感器网络组网简单、。
