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基于ZigBee的无线智能家居系统设计.pdf

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.78M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    声明
    中文摘要
    英文摘要
    目录
    第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 研究现状
    1.3 研究内容
    1.4 论文结构安排
    第二章 相关技术简介
    2.1 ZigBee技术简介
    2.2 ZigBee协议架构
    2.3 嵌入式技术简介
    2.4 本章小结
    第三章 系统硬件设计
    3.1系统总体结构设计
    3.2 家庭网关硬件设计
    3.3 终端节点硬件设计
    3.4 本章小结
    第四章 系统软件设计
    4.1 开发环境搭建
    4.2 家庭网关控制软件设计
    4.3 终端节点软件设计
    4.4 数据传输设计
    4.5 本章小结
    第五章 系统测试
    5.1 ZigBee网络组建
    5.2 新型智能家居系统演示平台的创建
    5.3 网络性能测试
    5.4 功耗测试
    5.5 本章小结
    第六章 总结与展望
    6.1 工作小结
    6.2 工作展望
    参考文献
    致谢
    天津大学硕士学位论文 基于 ZigBee 的无线智能家居系统设计 Design of Wireless Intelligent Home System Based on ZigBee 领 域：电子与通信工程 研 究 生：杨卓跃 指导教师：杨晋生 副教授 企业导师：杨 红 高级工程师 天津大学电子信息工程学院 二零一四年五月 ˝ • ‰ ˚
    独创性说明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 ˝ • ‰ ˚
    中文摘要 ZigBee 无线通信技术，国内称之为紫峰技术，具有低功耗、低成本、近距 离、短延时、高容量、高度全性等优势。本文所研究的新型智能家居系统就是采 用的这种可以提高系统灵活性的技术。 本文所研究的新型智能家居系统分为硬件模块和软件模块。其中的硬件模块 包括充当 ZigBee 网络协调器的家庭网关和充当 ZigBee 网络设备节点的传感器、 自动化控制设备两个部分。家庭网关采用 CC2591 芯片，温度采集传感器采用 DB18B20 进行温度采集、湿度采集传感器采用 SHT11 进行湿度采集以及采用光 电耦合器 MOC3041 来实现灯光控制。其中的软件模块部分，是在 IAR 开发环境 中，结合 C++语言和 Z-Stack 协议栈，来实现新型智能家居系统的软件设计。在 测试中，利用了串口调试助手等工具，对新型无线智能家居系统从网络组网、功 能、性能和功耗等方面进行测试。测试的结果表明本文所设计的基于 ZigBee 技 术的新型智能家居系统能够很好的实现用户对智能家居系统的需求，同时具备无 线快速组网、抗干扰性强、功耗较低等特点。 所研究的基于 ZigBee 技术的新型智能家居系统有着成本低廉的硬件，以及 具有较高的部署灵活性和功能可扩展性。 关键字：无线传输；嵌入式；紫蜂技术；智能家居系统； I ˝ • ‰ ˚
    ABSTRACT ZigBee is a competitive technology. It has a lot of advantages like low power consumption, low cost, short distance, short time delay, large capacity, high security. The new intelligent home system researched in this paper selected this technology in order to improve the flexibility of system. The new type of intelligent home system described in this paper is divided into hardware module and software module. The hardware module has 2 parts which include a home gateway which acts as ZigBee network coordinator and a sensor and automatic equipment which act as ZigBee network node. The temperature sensor to collect the temperature by used DB18B20, humidity sensor collects the humidity by used SHT11 and using a photoelectric coupler MOC3041 to realize lighting control. In the software module, inside of IAR development environment, combination of C++ language and Z-Stack protocol stack, to achieve the software design of a new intelligent home system. Finally, to test the network, function, performance and power consumption of the model by used serial debugging assistant tools. The test results showed that the intelligent home system by used ZigBee can reach to requirements of the users very well. And also it has a lot of advantages like wireless, fast network creation, good performance, and low power consumption. The research of a new intelligent home system based on ZigBee with low cost of hardware and has high deployment flexibility and expansibility. Keyword: Wireless Transmission; Embedded; ZigBee; Intelligent Home System; II ˝ • ‰ ˚
    目录 第一章 绪论 ..................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ............................................................................................................................. 1 1.2 研究现状 ............................................................................................................................. 1 1.3 研究内容 ............................................................................................................................. 3 1.4 论文结构安排 ..................................................................................................................... 4 第二章 相关技术简介 ..................................................................................................................... 6 2.1 ZigBee 技术简介 ................................................................................................................ 6 2.2 ZigBee 协议架构 ................................................................................................................ 7 2.3 嵌入式技术简介 .............................................................................................................. 10 2.3.1 嵌入式系统组成 ................................................................................................... 11 2.3.2 嵌入式操作系统 ................................................................................................... 12 2.3.3 嵌入式 SDRM 存储器 ......................................................................................... 13 2.4 本章小结 .......................................................................................................................... 17 第三章 系统硬件设计 ................................................................................................................... 18 3.1 系统总体结构设计 ........................................................................................................... 18 3.2 家庭网关硬件设计 .......................................................................................................... 18 3.2.1 家庭网关主要功能 ............................................................................................... 18 3.2.2 家庭网关主电路 ................................................................................................... 19 3.2.3 家庭网关外围电路 ............................................................................................... 21 3.3 终端节点硬件设计 .......................................................................................................... 22 3.3.1 温度采集节点设计 ............................................................................................... 23 3.3.2 湿度采集节点设计 ............................................................................................... 23 3.3.3 灯光控制节点设计 ............................................................................................... 24 3.4 本章小结 .......................................................................................................................... 25 第四章 系统软件设计 ................................................................................................................... 26 4.1 开发环境搭建 .................................................................................................................. 26 4.1.1 IAR ......................................................................................................................... 26 4.1.2 Z-Stack ................................................................................................................... 26 4.1.3 VC++ ...................................................................................................................... 29 4.2 家庭网关控制软件设计 .................................................................................................. 29 4.2.1 控制功能 ............................................................................................................... 30 4.2.2 家庭网关建网 ....................................................................................................... 31 4.2.3 终端节点入网 ....................................................................................................... 33 4.3 终端节点软件设计 .......................................................................................................... 35 4.3.1 温度采集 ............................................................................................................... 35 4.3.2 湿度采集 ............................................................................................................... 36 4.3.3 灯光控制 ............................................................................................................... 39 4.4 数据传输设计 .................................................................................................................. 40 4.4.1 数据收发 ................................................................................................................ 40 4.4.2 串口通信 ................................................................................................................ 41 4.5 本章小结 .......................................................................................................................... 41 第五章 系统测试 ........................................................................................................................... 42 III ˝ • ‰ ˚
    5.1 ZigBee 网络组建 .............................................................................................................. 42 5.2 新型智能家居系统演示平台的创建 .............................................................................. 44 5.3 网络性能测试 .................................................................................................................. 47 5.4 功耗测试 .......................................................................................................................... 49 5.5 本章小结 .......................................................................................................................... 50 第六章 总结与展望 ....................................................................................................................... 51 6.1 工作小结 .......................................................................................................................... 51 6.2 工作展望 .......................................................................................................................... 52 参考文献......................................................................................................................................... 53 致谢 ................................................................................................................................................ 56 IV ˝ • ‰ ˚
    第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 研究背景 伴随着信息化科学技术的快速发展，以及人们居住理念的变化，在生活中， 人们追求生活的智能化和简单化的意愿与日俱增，人们已经越来越迫切的希望能 够在日常居家生活中采用智能化手段，来享受一键式简单生活操作。 自从 1980 年起，人们就开始关注住宅电子化，到 1985 年，随着家用电器、 安全防护设备、通讯信息设备等家居系统的面世，使得住宅自动化的概念得到了 很大程度的普及。近四十年来，伴随着信息技术的不断发展，新型智能家居系统 的范围不断扩充，功能不断加强，越来越多的人性化服务被运用到智能家居系统 中[1]。一般而言，智能家居系统包括的服务和功能如下所示[2-5] （1）在线网络服务，方便用户通过网络对住宅加点进行控制。 （2）智能安防，对住宅内的煤气泄露、火险或者非法入侵进行实时监控， 并且通过网络即时通知房主。 （3）提供加点智能控制接口，利于房主对智能家电进行综合控制。 （4）自动化控制。 智能家居系统为人们提供了前所未有的生活体验，和极大的方便。在国内， 智能家居只有在一些高级宾馆等场所能看到其影子，并没有在百姓家庭普及，究 其原因，主要包括如下几个方面[6,7] （1）家居系统的建设成本高昂，价格不菲。 （2）灵活性较差，难以满足用户对智能家居系统的个性化需求。 （3）目前传统的智能家居系统还主要以总线连接为主要布线方式，复杂的 布线，在用户升级或者更换智能家电时，传统智能家居系统就会面临升级困难的 问题。 为了解决上述问题，本文主要采用一种低功耗、低速率、近距离、低成本的 无线通信技术——ZigBee 来实现新型智能家居系统。 1.2 研究现状 1. 国际 从智能家居系统的概念提出至今已经有三十多年的历史，但是由于受到智能 家居系统建设和维护成本的制约，所以在这三十多年来的发展并不快。如今，国 际上的也有一些较为典型的智能家居系统。 （1）美国 1 ˝ • ‰ ˚
    第一章 绪论 在 1984 年美国康涅狄格州通过对一个旧式大楼的改造，建设了世界上第一 栋智能建筑，在该建筑中，采用计算机系统对整个大楼的照明、电梯、空调进行 监控，并且还采用电子邮件和语音通信的方式提供情报资料[8]。 在 1997 年，比尔·盖茨在西雅图所建设的“未来之屋”也是一个典型的智 能家居系统，在这个住宅的大门上安装有气象传感器，用来采集住宅外的温度， 并且通过计算机的处理来调节住宅内的温度，同时地板也是一个巨大的传感器， 当在感知到有人经过时，就会自动开启照明，以及播放背景音乐，在这个智能家 居系统中的防盗、消防、音响、温湿度和照明都可以采用计算机远程调控[9]。 （2）新加坡 新加坡在 1998 年推出了智能家居系统，这个系统为住户提供智能布线箱、 监控者红心、可视对讲、安防报警、、住户信息留言、宽带接入、家电控制、三 表抄送、有线电视接入、电话接入和系统软件配置等功能。并且已经在数千户人 家中使用，在美国该系统也有数千的用户[10]。 （3）日本 日本非常重视智能家居系统的研究，早在 1988 年 9 月，日本政府就提出了 家庭总线的概念，制定了 HBS 标准。在 1990 年，建立了第一个智能化住宅，作 为智能小区的示范；在监控中心计算机的配合下，智能住宅内的各种家电和一起 相互协调，并且根据外部的自然环境，自动进行各种操作，例如在有电话进来时， 控制中心就会自动调低正在播放的电视音量，当电话结束之后，又会自动将电视 机音量恢复到正常大小；当遇到刮风下雨的天气时，监控中心会自动关闭阳台的 门窗等。目前，日本所新建设的大楼都或多或少的实现了智能化管理，很多大城 市都建设有智能化城市或智能化小区[11]。 （3）欧洲 在智能家居系统设计领域，欧洲的研究起步较晚，但是在利用智能化有效利 用能源方面做得比较突出。例如，在西班牙一些建筑物中，安装有光强传感器的 日光灯在白天阳关充足时会自动熄灭室内的日光灯；屋顶上所安装的天气感应器 能够采集室外的温度、湿度数据，从而判断气候现状，并且根据气候现状对屋顶 进行相应的控制；草地上的洒水喷头在下雨天会自动柜员机关闭；在阳光充足时， 院子里的遮阳棚会自动打开；只需要轻松按下遥控器，地板上分布的不均匀黑空 就会瞬间清楚地板上的垃圾和灰尘等，虽然这些并没有实现统一控制，但是无一 不体现了智能家居系统的思想[12]。 2. 国内 在二十世纪末我国开始引入智能家居系统，经过一段时的发展，特别是在 2003 年之后房地产市场走向繁荣，智能家居系统已经表现出在国内迅猛发展的 2 ˝ • ‰ ˚
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