黄万平毕业论文4-答辩.ppt

ZigBee技术在智能家居中 的应用研究,答辩学生：黄万平 专 业：通信工程 指导老师：熊爱民,物电学院2007级本科毕业论文答辩,做了什么？ 分析和探讨了ZigBee技术在智能家居系统中的设计和应用，设计出ZigBee无线终端节点和协调器，编写了一套“一对二的星型网络”的三端无线传输程序，并连接各种传感器。 做的怎样？ 成功地组建了无线智能家居网络；并通过软件编程完成了一个智能家居系统的初步应用和测试。,我的毕业设计、论文主要工作,作品展示,中心协调器（主控制器）,温度、亮度采集节点,灯光、鸣警自动控制节点,主要作品展示,三端函数,一、ZigBee技术概述（简） 二、智能家居系统的实现 1.硬件设计（简） 2.无线软件的实现 三、系统测试方法与结果分析 四、系统的不足与改进设想（简）,汇报内容,一、ZigBee技术概述 （简）,ZigBee技术简介,（1） ZigBee的出现,一、ZigBee技术概述,IEEE802.15.4-2003标准 定义了最下面的两层： 物理层 + 介质接入控制子层 ZigBee联盟的出现： 从805.15.4标准着手，定义了允许不同厂商制造的设备相互对话的应用纲要 增加定义：网络层 + 应用层,二、智能家居系统的实现,1.硬件设计（简） 2.无线软件的实现,无线硬件模块设计,二、智能家居系统的实现,1.设计方案： 3个无线终端节点 + 1个中心协调器 = 星型网络,二、智能家居系统的实现 1、硬件设计（简）,ZigBee无线模块：芯片巨人TI公司的CC2430 液晶显示模块： LCD1602点阵字符液晶 辅助控制器： 熟悉的STC-51单片机 人机对话接口： 5个按键控制 温度传感器： 单总线DS18B20温度传感器 亮度传感器： 响应率快的CDS光敏电阻 灯光 控制 ： 廉价的9个发光二极管LED模拟控制 鸣警 器件 ： 常见的蜂鸣器报警,2.硬件传感器：,（1）用到的ZigBee协议栈,精简版协议- Baisic RF 研发者：Robert Reese教授（美国密西西比州立大学） 研发目的：方便教学、科研目的开发的 功能：只有4KB却能实现正常的组网的全部功能,并具备一定的安全性。 优点：适合初学者掌握和使用，使得在程序编写不是十分自信的我，也能胜任这个工作。,二、智能家居系统的实现 2、ZigBee软件的实现,较简单 较易调用,（2）无线组网的实现：,如果节点作为协调器( coordinator ) ,那么需要定义LRWPAN_ COORDINATOR ; 如果节点作为路由器( router)则需要定义LRWPAN_ROUTER ; 如果两者都没有定义,将作为 RFD 节点。,路由器节点通过调用 aplJoinNetwork ( ) 运行协议栈。 代码如下: main() Hal_Init() ; /初始化 HAL 层 evbInit() ; /初始化无线模块 Apl_Init() ; /初始化协议栈 ENABL_E_ GLOBAL_INTERRUPT(); /开中断/尝试接入网络直至成功 do aplJoinNetwork();/接入网络 while(apsBusy()/等待完成 apsFSM(); while(apl_GetStatus()!=LRWPAN_SUCCESS); while(1)apsFSM();/运行协议栈 ,协调器节点形成网络,然后进入一个无限循环并调用 apsFSM( ) 运行协议栈。调用 aplFormNetwork ( ) 服务后调用函数 aplGetStatus ( ) , 如果返回了 LRWPAN_ SUC2CESS则表示服务调用成功。 代码如下: main () hal_Init(); /初始化 HAL 层 evbInit(); /初始化无线模块 apl_Init(); /初始化协议栈 ENABL_E_ GLOBAL_INTERRUPT();/开中断 aplFormNetwork();/建立网络 while(apsBusy()/等待完成 apsFSM(); while(1)apsFSM(); /运行协议栈栈 ,1.协调器建立网络,2.节点加入网络,二、智能家居系统的实现 2、ZigBee软件的实现,中心协调器流程图,组建网络,无线控制,接收信号,无线信息采集节点流程图,无线智能控制节点流程图,无线温度、亮度采集发送,无线灯光、鸣警控制,距离测试实验 障碍物穿透实验 无线组网实验,三、系统测试方法与结果分析,系统测试实验一： 点对点的无线传输距离实验,三、系统测试方法与结果分析,实验目的： 测试该智能家居系统节点间的有效传输距离,实验显示效果：,实验结果分析： 距离： 准确率： 在70米内保证有86%的准确率 该模组理论传输距离为65米，从实验的数据中也可看到，在此距离范围内，可以保证数据的高效传输。 现实中：以100家居为例，房屋对角线约在14.4米20米之间，所以在65米这个距离内能保证实现智能的家居控制数据无线传输。按此方法，房屋面积达200时，最长对角线在20米45米，也能满足有效的通信要求，符合智能家居的控制系统要求。,实验记录数据：,实验说明和准备： 实验地：学校足球场； 节点1：发射；节点2：接收； 节点1每间隔5ms发送一个数据包。,系统测试实验二： 对于障碍物的穿透实验,实验显示效果：,实验目的： 测试该智能家居系统在有障碍物时的无线穿透能力 实验说明和准备： 试验地：同一平面宿舍楼，墙厚约23cm，墙上有门窗,实验结果分析： 在相隔墙数 准确率 穿过两堵墙仍然有89.3%的准确率 现实中： 协调器置于房屋中间的客厅中，这样无论离门外的节点还是窗外的无线节点，都是在2堵墙以内，所以在这种环境内可以保证有效的数据传输，满足智能家居的控制系统要求，在实际家居中有更多的门窗等缝隙，那么这个准确率就更高了。,实验记录数据：,三、系统测试方法与结果分析,上：发送端 右：接收端,实 验 中 收 发 节 点 程 序 流 程 图,实验二中的“穿透实验”示意图：,其次开电源， 加入网络,实验三中的无线组网实验示意图：,先上电， 建立网络,最后开电源， 加入网络,系统测试实验三： 无线组网测试实验与过程,实验目的：验证该智能家居系统组网的可靠性； 具体实施步骤： （1）中心协调器和终端节点分别烧写入编译好的程序； （2）上电复位中心协调器，待建立好网络 （见液晶显示图1字样）后进行下面的操作； （3）上电复位无线节点1，可看到液晶显示图2字样； （4）上电复位无线节点2； （5）多次重复操作步骤中的2、3、4，观测试验现象。,实验结果分析： 组建一个“一对二”的星型网络。 格式化一个新的网络和节点加入几乎可以同步进行，从多次的实验可知，与预期试验现象一致。 实验表明，这种组网方式的快速而且有效。由于节点数量有限，在一个中心节点组网能力内，可以组建一个拥有254个节点的网络，而且在节点接力模式下，最大可以组建一个拥有65000个无线节点的大网络。,实验现象：,三、系统测试方法与结果分析,上面的三个无线通信实验都突出地表现了ZigBee的优点，也测试了该智能家居在实际应用中的稳定和可靠。 另外该CC2430的ZigBee方案电流损耗很低，在休眠和待机时分别小于0.9u和0.6uA，特别适合要求电池寿命非常长的应用，如智能家居系统。 注：从模块反复调试到实验测试过程，一直都没有更换过电池。,系统测试实验结论,三、系统测试方法与结果分析,一、系统不足 1.尚存在成本高的难题： 现阶段ZigBee的研发成本、设备购置成本较高。 （一块芯片约30元左右，批量购买也不低于15元。） 2.ZigBee主从式组网的不足： 如果协调器掉电或被损坏，就必须重上电或更换设备以及再次建立网络，否则整个网络无法正常工作；而且有些ZigBee芯片只能有单独属性的，不能有一个以上的协调器，这样的话网络情况就更具有风险性。,二、针对于该智能家居系统提出的改进方案设想： 增加上位机、连接互联网远程控制功能 在节点较多时，增加编码