（电力电子与电力传动专业论文）基于zigbee无线传感网络的嵌入式智能家居监控系统研究.pdf

西华大学硕士学位论文 表( 水表、电表、燃气表) 进行无线抄表，最重要的是可监测来自家庭安防传 感器( 火警、煤气泄露) 的数据，以备物业等部门监控。通过测试后，证实了 设计方案的正确性，结果满足系统设计要求，该设计具有一定的新颖性和实用 性。 关键词：智能家居，z i g b e e ，数据处理，l x c o s i i ，w i n d o w ss o c k e t s 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fm o n i t o r i n gs y s t e mo fe m b e d d e d i n t e l l i g e n th o m e b a s e do nz i g b e ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k t h es p e c i a l t yo fp o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s p o s t g r a d u a t e ：l e il i a n gs u p e r v i s o r ：z h e n gp i n g w i t ht h ea d v e n to ft h e21s tc e n t u r y , e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，m o d e mh i g h - t e c h a n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya r ef r o mi n t e l l i g e n tb u i l d i n gt o w a r d s i n t e l l i g e n t r e s i d e n t i a lq u a r t e r s ，a n dt h e nw a l k e di n t ot h ef a m i l y p e o p l e sr e q u e s tt ot h el i v i n g e n v i r o n m e n ta th o m ei sa l s og e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r a n dp e o p l ep a ym o r ea n d m o r ea t t e n t i o no nt h el i v i n ge n v i r o n m e n to fs a f e t y , c o m f o r ta n dt h ec o n v e n i e n c e t h ep r o b l e ma b o u tw i r e l e s sh o m em o n i t o r i n gi st h ei n t e r n a t i o n a lp r e c e d i n g r e s e a r c hs u b j e c to nt h ef i e l do ft h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n gn o w a d a y s t h ee m e r g e n c eo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko v e r c o m e st h ec u m b e r s o m eo fw i r i n ga th o m ea n df u l l y e m b o d i e st h ei n t e l l i g e n th o m es y s t e m ，f l e x i b l e ，c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t t h i sp r o j e c t d e s i g n sa ni n t e l l i g e n th o m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h ez i g b e et e c h n o l o g ya n d i n t e m e tt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gw i t hr e m o t ei n t e m e tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o la n d z i g b e es h o r t - d i s t a n c ec o n t r 0 1 i tr e a l i z e st h ew i r e l e s sc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o na t h o m e ，a v o i d st h ei n t e g r a t e dw i r i n g ，w i t hg o o ds c a l a b i l i t y t h ep a p e rd e s i g n st h es y s t e mf i r s t l y , c o m b i n i n gw i t ht h ez i g b e ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sc h a r a c t e r i s t i c sa tb o t t o ma n dr e q u i r e m e n t so ft h eo v e r a l l n e t w o r km o n i t o r i n g a tt h es a n et i m e ，t h ed e s i g no ft h es y s t e mi sd i v i d e d i n t of o u rp a r t s ：t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ， e t h e m e tm o d u l e ，p cd i s p l a yi n t e r f a c e s e c o n d l y , t h ep a p e rd o e sar e s e a r c h i i i 西华大学硕士学位论文 a n da n a l y s i si nz i g b e ep r o t o c o ls t a n d a r d sa n dg i v e st h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g na b o u tw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l eb a s e do nc c 2 4 30 ，t h e s t r u c t u r eo fs t a rn e t w o r ka n dt h et e s tr e s u l t s t h i r d l y , i td e s i g n st h ed a t a p r o c e s s i n gm o d u l eb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12 ，g i v i n gt h es c h e m ea b o u th a r d w a r e c i r c u i ta n de x t e r n a lc i r c u i td e s i g n , a n dt r a n s p l a n t i n gr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m l ic o s - i if o rt m s 3 2 0 f 2 812 t h ed e s i g nc o m p l e t e st h ed e s i g no fe t h e r n e t - b a s e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d u l eb a s e do nr t l 8 019 a sa n dt h ed e s i g no f e t h e m e tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m i tr e a l i z e st h ec o u r s eo fa c h i e v i n gd a t af r o m z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka tb o t t o mt h e nt r a n s f e r r i n gt h ed a t at ot h e m o n i t o rf i n a l l ya n dt e s t ss u c c e s s f u l l y a tl a s t ，t h ed e s i g nd e v e l o p st h e i n t e r f a c ei na p p l i c a t i o no fw i n d o w ss o c k e t sw h i c hc o u l dd i s p l a yt h ec l a s s i f i e d d a t ai nv c + + 6 0e n v i r o n m e n t t h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ei n t e l l i g e n th o m ec o u l df i n i s ht h ec o n t r o l 。o ft h e h o u s e h o l da p p l i c a t i o n s s w i t c h i n gv a l u e a l s oc o u l df i n i s ht h ew i r e l e s sm e t e rr e a d 啦 i n c l u d i n gt h r e em e t e r s ( w a t e rm e t e r s ，e l e c t r i c i t ym e t e r s ，g a sm e t e r ) t h em o s t i m p o r t a n tt h i n gi st om o n i t o rh o m es e c u r i t yt h r o u g hm o n i t o r i n gt h ed a t ac o l l e c t e d f r o mt h es e n s o r s ( f i r e ，g a sl e a k ) a th o m e ，w h i c hi sa c c o m p l i s h e db yt h ed e p a r t m e n t o fp r o p e r t ym a n a g e m e n t t h et e s tc o n f m n st h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n , a n dt h er e s u l t s m e e tt h er e q u i r e m e n t s t h ed e s i g nh a sac e r t a i n n o v e l t ya n dp r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n th o m e ，z i g b e e ，d a t ap r o c e s s i n g ，l ac o s - i i ，w i n d o w s s o c k e t s i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或者其他教育机构的学 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 在论文中作了明确的说明并表明谢意。 一一本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 嚣才蜀黜詈 断膨璐钼帅 西华大学硕士学位论文 授权书 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密耐，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：唐粱 日期：聊要，g 指导教师签名： 日期：砩s 。7 2 f 1 2 1 匆虏 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景 智能家居或称智能住宅，在英文中常用s m a r th o m e 。与智能家居的含义近 似的还有家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) 、电子家庭( e l e c t r o n i c h o m e 、e h o m e ) 、 数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭网络( h o m en e t n e t w o r k sf o rh o m e ) 、网络家 居( n e t w o r kh o m e ) ，智能家庭建筑( i n t e l l i g e n th o m e b u i l d i n g ) 。智能家居概 念的起源很早，但一直没有具体的建筑案例出现。世界上第一套智能建筑系统 于1 9 8 4 年在美国的康涅狄格州哈特福德市出现，当时是由美国联合科技公司改 造了一座旧式大楼，对大楼的空调、电梯、照明等设备采用计算机进行监测控 制。从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。 随着大量采用先进电子技术的家用电器的面市；住宅电子化出现。上世纪 8 0 年代中期，将家用电器、通信设备和安全防范设备各自独立的功能综合为一 体后，形成了住宅自动化的概念。到了8 0 年代末，通信技术的飞速发展，出现 了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系 统，也就是智能家居的原型。1 9 9 7 年，比尔盖茨的智能豪宅历时七年终于建成， 这幢建筑完全按照智能住宅的概念建造，所有的门窗、灯具、电器都能够通过 计算机控制。1 9 9 8 年5 月在新加坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际 展览会 上，推出了新加坡模式的家庭智能化系统一“未来之家，从而开启 了智能家居走向大众的先河，时至近日，在新加坡约有近3 0 个住宅小区、近5 0 0 0 户的家庭采用了这一系统。进入新世纪后，美国出现了一种x 1 0 技术，即通过 x 1 0 通信协议，网络系统中的各个设备便可以实现资源的共享，这种技术布线 简单，功能灵活，扩展容易，该技术已经应用于美国约4 0 0 万家庭。 与普通的家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，能够提供舒适安 全、高品位且宜人的生活空间，还把原来的被动静止结构转变为具有能动智慧 的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各 种能源支出节约资金。建筑智能化的重要特征就是：网络化、智能化、人性化、 个性化。人们接受智能化产品融入自己的工作和生活，不再是为了好奇，而是 西华大学硕士学位论文 需求。智能化系统、宽带综合布线系统带给人们的不仅是产品，更重要的是体 现了一种服务模式和服务理念。其基本目标是将家庭中各种与信息相关的通信 设备，家用电器和家庭安保装置，通过有线或无线的方式，连接到一个家庭智 能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事物性管理，保持这些家 庭设施与住宅环境的和谐与协调。基于这些突出优势，住宅的信息化、智能化 将是一个不可避免的趋势。 从技术角度看，智能家居是融合了计算机、网络、自动控制、传感等多种 技术，并涉及生态、环境、能源等多个领域的综合性系统性工程，其实现归根 到底是基于策略的自动控制和信息交换，所以，智能家居系统也就是一个综合 了信息流和控制流的网络系统。智能家居的发展离不开相关技术的进步，相关 技术的飞跃也必然改变智能家居的面貌。不难看出智能家居的主要发展趋势有 一下几点： 。信息化：信息技术，尤其是网络技术的发展，不仅是一场技术革命，也极 大地改变了人们的思维模式和行为模式。利用现代信息技术，住户可以做到足 不出户，享受到更多精彩丰富的信息化生活，诸如网上购物、家庭医疗监护等。 网络化：家居网络是在家庭范围内基于网络环境的综合应用，包括物业管 理、安防等。网络化在简化管理流程的同时，也方便了人们的日常生活。当前 在家居网络所采用的连接技术可以分为“有线 和“无线两大类。有线方案 主要包括一总线制、电力载波等；无线方案主要包括红外线连接、无线电 连接、基于r f 技术的连接和基于p c 的无线连接等。目前，智能家居是通过统 一的网络总线和控制平台将家庭的电器设备、灯光控制系统、安全控制系统、 能源管理系统等连成一体的，这是一种集中控制，如果有任意一个小的控制系 统出现故障，将导致整体系统的瘫痪。解决这一弊端的有效途径是采用无线方 案，无线方案为用户提供了灵活性和可移动性，由于红外通信受到带宽和障碍 物的限制，目前主要采用无线射频技术。 标准化：关于智能家居的通信协议标准问题，到目前为止在国际上还没有 统一的规范，现有的只是一些局部的或在某一领域内的规范。例如c e a ( c o n s u m e re l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ) 是美国消费电子的行业标准；l o n w o r k s 是 美国工业控制网络标准；e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 是欧洲的低压电气安装 2 西华大学硕士学位论文 标准等，这些标准都适用于家庭控制系统的标准。国内智能家居兴起时间较晚， 多数只是国外相关标准的延伸，而且所使用的设备都具有独立功能的产品，所 以大多数在各自的小体系内拥有自定义的标准。由此可见，智能家居行业需要 改变目前“各自为政 的情况，使不同厂家的产品可以互相兼容，方便在解决 方案中采取适合质量等级的产品，组建开放性更好的系统。 模块化：所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成不同功能的组件， 可以根据用户的实际需求任意搭配。这样不仅可满足不同层次用户的需要，而且 可以节约成本，也可以节约不必要的端口模块，增强系统的可维护性、可扩展 性，简化系统集成的过程。 绿色：智能化建筑的绿色生态发展，主要包括节能、无污染( 空气污染、 噪声污染、电磁污染等) 。低功耗多功能的无线传感网络正好顺应了这一发展要 求。 由于智能家居是一个多行业交叉覆盖的系统工程，各个设备厂商按照不同 的接口标准与协议生产设备，其结果是：不同设备之间的互连、互通变得非常 困难。这种问题实际上就是由家居设备的通信协议标准没有统一造成的。在整 个智能家居控制系统中，家庭网络是智能家居实现通信的基础，是住宅内部的 神经系统，而通信协议又是其精髓所在，因此在智能居家系统的设计中，采用 具有良好发展前景的通信协议具有重要的意义。 1 2 智能家居系统的国内外研究现状 1 2 1 智能家居系统的国外研究现状 自从世界上第一幢智能建筑在美国出现后，国外的智能家居已经获得了长 足的发展。一些知名企业如i b m 、c i s c o 、s i e m e n s 、s a m s u n g 、m i c r o s o i t 、s o n y 、 p a n a s o n i c 很早就投身到这一领域，最初他们的产品种类繁多，各自采用的技术 标准也不尽相同。发展至今，已经形成了比较统一的通信协议标准，这些协议 标准在国际智能家居和家庭网络中占据主导地位。国外目前比较流行的智能家 居品牌有：a m x 、c r e s t r o n 、e l a n 、h a i ( 美国海益) 【l 】以及已经打入中国市 3 西华大学硕士学位论文 场的h o n e y w e l l ( 霍尼韦尔) 、l g 。 国外这些智能家居品牌主要采用的通信协议标准有： 1 ) l o n w o r k s 协议 l o n w o r k s 协议是由美国e c h e l o n 公司与m o t o r o l a 和东芝公司共同倡导的， 于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通行协议，采 用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其 通信速率从3 0 0 b s 至1 5 m b s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ，支持多种通信 介质。其最大特点是在总线上挂接具有神经元( n e u r o n ) 芯片的控制节点，而 这些芯片内已经固化有标准的网络通信协议、内嵌式网络操作系统和运作的时 间数据库。 可以说l o n w o r k s 协议最大的应用领域就是在楼宇自动化方面，它包括建筑 物监控系统的几乎所有领域，即能源管理、消防、救生、供暖通风、测量、安 保等。l o n w o r k s 协议中的介质访问控制层，即i s o o s i 模型中的第1 、2 层， 已经被接纳为建筑自动化控制网络( b a c n e t ) 的标准，同时也被美国国家标准 协会( a n s i ) 制定的有关标准所采纳。 2 ) c e b u s 协议 c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s ，消费电子总线) 是美国于1 9 8 4 年4 月 开始组织开发的一种智能家庭网络系统的标准，经过多年研究，于1 9 9 2 年正式 推出，并正式命名为c e b u s 。c e b u s 采用的传输介质可以是多种多样的：电力 线、双绞线等。它在电力线载波模式工作时最具有优势。c e b u s 协议是一种开 放式标准，在通信协议上遵循i s o o s i 七层协议框架。c e b u s 省略了i s o o s i 七层协议中的传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 、会话层( s e s s i o nl a y e r ) 和表达层 ( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) ，仅保留物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 、链路层( l i n kl a y e r ) 、 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 和应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。c e b u s 协议具有两个 典型特点：一是，在介质访问控制子层( m a c ) 采用总线结构的c s m a c d c r ( c a r r i e r - s e n s i n gm u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o na n dc o l l i s i o nr e s o l u t i o n ， 即载波侦听多路访问冲突检测协调协议) ，即一个网络节点在需要通过总线来 发送数据时，它首先要检测总线上是否有数据在传输，只有确认总线上没有数 据在传输时，它才向总线发送数据，以确保任何两个节点不会同时占用总线而 4 西华大学硕士学位论文 产生冲突；二是c e b u s 总线专门配置了专用的应用语言系统c a l ( c o m m o n a p p l i c a t i o nl a n g u a g e ) ，利用c a l 系统可方便地对网络上的各种家电设备进行 逻辑控制关系的设定，同时也可以以文件的模式来描述一个家电设备的功能。1 2 3 ) x - l o 协议 x 1 0 协议是由美国r a d i o s h a r ec h a i n 公司于1 9 7 8 年研制成功的，是国际通 用的智能家居电力载波协议。目前己广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制 和住宅仪表数字读取等方面。它是以5 0 h z 或( 6 0 h z ) 为载波，再以1 2 0 k h z 的脉冲为调变波，发展出来的数位控制技术，并采用电力线为连接介质对电子 设备进行远程控制的通信协议。x 1 0 的兼容产品可以通过电力线互相通讯，不 需要重新铺设控制线路，电力线在提供电流的同时又可以像网线一样传送控制 指令，从而实现网络化的控制。 国外厂家大多数都是专业生产家庭智能化设备的，历史悠久，产品的可靠 性以及性能都经历了验证。国外的智能家居产品比较注重家庭内部功能的实现， 不足之处在于其价格比较高和联网的能力方面比较差。 1 2 2 智能家居系统的国内研究现状 我国在智能家居研究领域起步较晚。最初，国内较有实力的家电厂商涉足 了这一领域，比如，康佳、创维、厦华、美的、春兰等推出了系统改进的信息 家电，为智能家居的实施提供了功能终端设备；然后到了1 9 9 9 年3 月1 0 日， 微软的比尔盖茨的深圳之行又推出了“维纳斯 计划，使国内的i t 厂家对智 能家居有了更加清晰的认识，他们将研究注意力主要集中在系统构成上，从而 从根本上解决了目前智能家居存在的弊端和问题；目前，智能家居在国内的发 展已全面展开，不论是技术还是市场方面都出现了可喜的局面。2 0 0 8 年1 2 月4 日，由千家网、千家品牌实验室共同主办的第九届中国国际建筑智能化峰会上， 揭晓了“2 0 0 8 年中国智能家居十大品牌 ，其中，中国国内的品牌有：上海索博、 广州安居宝、青岛海尔、天津瑞朗、深圳波创、深圳普力特、上海慧居、深圳 松本先天下、厦门振威安全。 就智能家居解决方案而言，主要的困难就是系统通信，而最核心的问题还 5 西华大学硕士学位论文 是通信协议的选择。上述中国智能家居十大品牌以及其它一些厂商的解决方案 中，除了引进国外主流的一些通信协议外，还采取以下几种系统通信方案： 1 ) 荷兰p l c b u s 技术 上海索博就采用的是p l c b u s 技术。p l c b u s 技术是一种高稳定性及较 高性价比的双向电力线通信总线技术，它主要利用已有的电力线来实现对灯光、 家用电器及办公设备的智能控制。p l c b u s 系统主要由三部分组成，即发射器、 接收器和系统配套设备。发射器主要作用是通过电力线发射p l c - b u s 控制信号 给接收器，通过对接收器的控制，从而达到间接控制灯及电器设备的目的；接 收器主要作用是接收来自电力线的p l c b u s 控制信号，并执行相关控制命令， 从而达到灯及电器控制的目的；系统配套设备主要是为了配合发射器及接收器 设备，辅助实现控制目的，例如：三相耦合器、信号转换器、信号强度分析仪、 吸波器等。 p l c b u s 技术的解决方案包括如下领域的应用：灯光控制，电器控制， h v a c 控制以及网络与电器设备间的通信。【3 】 2 ) h b u s 总线协议 深圳普利特智能家居系统采用的就是h b u s 总线。h b u s 分布式总线是一 种适合于中国家庭自动化及小型工业控制环境的简单、可靠、易用而又低成本 的新型现场总线控制系统，可实现家庭电气设备及小型工业设备的现场互连与 控制；方便构建一个统一的底层网络。它采用双向数字通信，无冲撞通信协议 设计，系统容量大。同时采用了u t p 5 作为系统总线，布线简便。通讯速率为 9 6 k b s ，总线电压为+ 1 2 v ，系统总线传输距离大于1 0 0 0 m 。 3 ) a p b u s 总线( 网络) 技术 深圳汇创智能家居系统采用的就是a p b u s 总线技术。a p b u s 总线( 网络) 技术是具有专利产权的总线技术。a p b u s 采用的是一种电源信号混合传输的技 术，是一种家庭自动化网络总线技术。该总线技术主要用于网络化控制系统， 特别是智能家居网络、住宅小区网络方面。该总线系统主要由电源供应器、双 绞线和功能模块三个基本部分组成。每个功能模块都是串联在双绞线上，互相 的连接不分极性。： 4 1 该总线技术采用+ 2 4 v 直流电源，信号传输速率为1 0 k b s ， 以双绞线作为传输媒体。 6 西华大学硕士学位论文 总的来说，a p b u s 是一种新型的智能控制总线，在欧洲标准e i b 总线及 l o n w o r k s 总线技术上作了创造性的改进，其防通信冲撞协议设计很好的解决 了总线上各节点收发指令的冲撞问题，大大提高了系统的通信效率与稳定性。 国内的智能家居厂商的构成较为复杂，有科研院校，也有以前的家电厂商， 技术实力也相差悬殊。他们目前设计的系统中主要采用的是有线方案( 总线) ， 也有部分系统中包含了无线接口的应用。 从目前的发展来看，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，而且它更符合于家庭网络的通讯特点， 同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的 进程。 无线网络技术主要可分为射频( r f ) 技术、i r d a 红外线技术、i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 l b 协议技术、h o m e r f 协议、z i g b e e 技术，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。本设计采用了无线传感网络来构成智能 居家系统，下一节中将要详细讨论其系统的构成和协议的选择。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是智能家居监控系统。在未来，智能家居监控系统将 作为住宅的一部分，直接关系到住宅用户的满意度和舒适度。它监控着家中的 一些安全隐患，如煤气泄露、火灾等，同时还可以控制家中的一应电器设施， 另外三表( 水表、电表、煤气表) 抄送也融入其中。传统的智能监控系统往往 利用了网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活的各个监控节点有机地结 合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。但是传统的电 缆有线连接已经渐渐退出家庭网络的舞台，因为现实中，很多房屋已经完成了 装修，但没有专门为以后的智能家居系统预布线。而无线网络技术则可以在没 有布线的情况下完成家庭局域网的搭建，而且无线智能模块的最大优点是安装 非常方便，可拆分性特别强，能更好的适应各种应用环境的需要。 本文正是基于这一点，提出了一种有线和无线网络相结合的解决方案，将 7 西华大学硕士学位论文 “家庭无线网络”联向“楼宇以太网”，实现了整个社区或楼宇的智能家居系统 互联和管理。 本文研究的智能家居监控系统将由三大部分组成：无线传感网络模块，数 据处理模块，以太网传输模块。如图1 1 所示。 m 十g 女目 馆s 蓑 够 f i g u r e1 1m o n i t o rs y s t e mo f b u i l d i n g 图1 1 楼字监控系统 1 3 1 本智能家居监控系统中的无线传感网络方案选择和结构设计 无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成 本的无线通信技术，这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的 射频技术，实现对家电、安防设备等家庭电器设备的控制。目前，家居中常用 的无线射频技术主要有u w b 、w i - f i 、蓝牙、z i g b c e 等，可以实现针对不同数 百i 百i 旦 西华大学硕士学位论文 据传输速率和距离的多种环境需求。 u w b 是一种高效的低功耗宽带无载波通信技术，与传统无线电技术的显著 区别在于，后者通过变化正弦波的功率水平、频率或相位等传递信息；而u w b 不使用载波，其在特定的时间点产生脉冲式无线电能量，并占据较大的带宽进 行脉冲定位( p u l s e p o s i t i o n ) 或时域调制( t i m e m o d u l a t i o n ) ，从而使耗电量显 著减小。u w b 早在1 9 6 0 年就开始开发了，但仅仅限于军事领域，主要用于军 用雷达、定位等。美国f c c ( 联邦通信委员会) 于2 0 0 2 年2 月准许该技术进入 民用领域，并且开放了3 1 g - 1 0 6 g h z 频段给u w b ，u w b 主要用于对数据传 输速率要求很高的无线传感网络。 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 是一种无线通信协议，采用i e e e 8 0 2 1 l b 标准，主要目的是提供w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技术标准， 它工作在2 4 g h z 的i s m 频段，所支持的速度最高达5 4 m b p s 。目前，i e e e8 0 2 1 1 b 标准还没有被工业界广泛接受。w i f i 规定了协议的物理层( p h y ) 和媒体接入 控制层( m a c ) ，并依赖t c p i p 作为网络层，通信距离在1 0 0 m 左右。由于其 优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携晰f i 装置都需要常规充 电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。【5 】 蓝牙( b l u e t o o t h ) 取自公元1 0 世纪统一了丹麦的国王哈拉德二世的名字， 寓意是期望统一。它是一种短距离无线通信技术，它是一种无线数据与语音通 信的开放性全球规范。蓝牙的传输距离为l o c m - l o m ，如果增加功率或是加上 某些外设可达到1 0 0 m 的传输距离。它采用2 4 g h zi s m 频段，采用i e e e8 0 2 1 5 1 标准，且规定了包括p h y 、m a c 、网络和应用层等集成协议栈。b l u e t o o t h 对每 个“p i c o n e t ”( 微微网) 限制其只能配置7 个节点，制约了蓝牙技术在大型传感网 络开发中的应用。 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研发的，有关组网、 安全和应用软件方面的技术标准。i e e e 无线个人区域网工作组的i e e e8 0 2 1 5 4 技术标准是z i g b e e 技术的基础。它采用跳频技术，使用的频段分别为2 4 g h z ( i s m ) 、8 6 8m h z ( 欧洲) 及9 1 5m h z ( 美国) ，而且均为免执照频段，有效覆 盖范围为1 0 - 7 5m 。所支持的数据传输速率为1 0 k b s 2 5 0 k b s 。功耗低，在低 耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可以6 个月到2 年。网络容量大，每个 9 西华大学硕士学位论文 z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备。成本低。由于z i g b e e 数据传输速率低，协 议简单，所以大大降低了成本。【6 】 要从以上这些无线射频技术中选择一种作为本设计的无线通信方案，需要 考虑的是：该方案是否能够满足家庭网络的成本要求，还有就是功耗和网络容 量能否满足家庭要求。而这些问题在z i g b e e 技术面前都将不复存在。在智能家 居系统中，将z i g b e e 无线传感网络技术应用于家庭网络已成为趋势。这不仅仅 是因为z i g b e e 无线传感网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布 线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。所以本智能家居 监控系统采用z i g b e e 技术作为智能家居中无线传感网络的设计方案。 本智能家居监控系统中的无线传感网络采用星型连接，主要包括了一个家 庭网关以及若干个无线通信子节点。家庭网关上有一个无线收发模块( 主节点 f f d ) ，而其他的无线通信子节点则作为e n dd e v i c e 安放在家用电器、三表和安 防传感器上，通过这些无线收发模块，数据就在主节点和子节点之间进行传输。 智能家居中的无线传感网络结构如图1 2 所示。 f i g u r e1 2t h ew i r e l e s ss c l l s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fs m a r th o m e 图1 2 智能家居中的无线传感网络结构 1 0 西华大学硕士学位论文 1 3 2 本智能家居监控系统中的有线网络方案选择 在单个家庭中的网络连接可以选用无线传感网络，而如果要对整个一栋大 楼、一个小区进行统一化的管理，无线传感网络的优势就不那么明显了，而且 对于整个小区的网络来说，它所承载的数据流量就很大了，对于无线传感网络 这种低通信速率网络来说是不合适的。目前解决这一问题的手段有电力线( 载 波通信) 连接、g p r s 连接、以太网连接。 电力线连接，由于电力网覆盖广泛，无需重新布线，且是永久连接，避免 了挖沟和穿墙打洞，节省了资金、人力、时间，且不存在射频电磁污染。问题 是电力线低压通信需要克服噪音干扰和信号衰减等问题，特别是对于家庭中的 电力线而言，频繁的拨动电器电源开关，会对电力线上的供电电流产生影响， 从而导致电力线产生电磁辐射，这样的话，是很难保证可靠的数据通信的。 g p r s 连接，g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是在g s m 基础上发展 起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。由于g p r s 通信网络实现了广泛 联网和漫游，这样利用它来传输数据，无需再组建专门的通信网络。缺点是如 果应用于家居统一化管理，它的通信费用就太高了，不太合适。 以太网连接，以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。它 连接方便，可屏蔽干扰，通信速率可达1 0 m b p s 以上，而且成本低廉。目前大 部分的小区都要宽带网，因此集中网络管理采用比较流行的而且易于实现的以 太网连接具有良好的性价比。 本设计中，家庭网络部分采用无线传感网络来监控，无线采集协调器再将 采集的数据发送到数据处理模块，最后经过处理后的数据将通过以太网传输到 监控p c 机上。如图1 1 所示。 1 4 本设计中的关键问题和解决方案 本文针对目前人们对居住环境的要求越来越高，同时家用设施的管理和安 全亟待改善的迫切需要，设计了一种基于嵌入式无线通信技术的智能家居监控 系统，以便能够对小区中各家各户的各种情况( 煤气泄露、火警等) 进行监控， 西华大学硕士学位论文 而且还可以对家居设施进行控制。物业单位就可以通过这套系统更有效的管理 整个小区。系统设计结构图如图1 - 3 所示。 z j g b e e ：无线模块l l 划扒 z j 班e e 无线模块lr j ( e n dd e v i c e )i 叫 匮墓圈多 f i g u r e1 3t h ec h a r to fs y s t e md e s i g n 图1 3 系统设计结构图 基于以上要求，本设计主要分为以下部分： ( 1 ) 无线传输模块：基于c c 2 4 3 0 芯片( 包括无线收发及传感器) 设计无线 传感网络模块，并完成各节点模块的软件编写和节点间通信调试。 ( 2 ) 数据处理模块：基于d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片设计数据处理模块，并完成 程序编写，同时在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上移植嵌入式实时操作系统r t c o s i i 。 ( 3 ) 以太网传输模块：利用网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 设计以太网通信模块， 并完成通信测试程序编写。 ( 4 ) 上位机显示界面设计：利用v c + + 6 0 基于w i n d o w ss o c k e t s 编写上位机 界面程序，使经过数据处理模块处理后的数据通过以太网上传到上位机 ( p c 监控机) 界面上，实现统一管理。 1 5 本章小结 本章介绍了智能家居系统的发展过程和国内外研究现状以及课题研究背 景。然后主要介绍了本课题的主要研究内容，包括了方案选择以及针对方案需 要解决的问题。 1 2 西华大学硕士学位论文 2 短距离无线通信技术z i g b e e 2 1z i g b e e 技术概述川【8 】 z i g b e e 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳z i g z a g 型舞蹈来告知同 伴，达到交换信息的目的，是一种通过简捷方式实现“无线”沟通的方式。人 们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络 通信技术，也包含了这种寓意。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 2 年8 月，由英国i v e m y s 公司、日本三菱电气公司、 美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体等公司组成，迄今已吸引了上百家芯片 公司、无线设备公司及产品开发商。z i g b e e 联盟的主要工作在：定义网络、 安全以及应用软件层的协议；提供不同的协调性及互通性测试规格；促进 z i g b e e 技术在全球的推广；有效管理该技术的发展。 z i g b e e 技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设 备之间，所以非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的 传输数据类型有周期性数据( 如传感器) 、间歇性数据( 如照明控制) 和重复低 反应时间数据( 鼠标) 。其目标功能是自动化控制。其主要特点包括以下几个方 面： ( 1 ) 省电。两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。 ( 2 ) 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用 时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功 能，信息在整