智能家居——甘肃省“挑战杯”作品申报材料

1、序号： 编码： 附件4：第九届“挑战杯”甘肃省大学生课外学术科技作品竞赛作 品 申 报 书作 品 名 称： “避风港”计划 学 校 全 称： 兰州理工大学技术工程学院 申报者姓名（集体名称）： 李建毅 孔维豪 张娇 田吉星类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作a类 科技发明制作b类a2. 申报者情况（集体项目）说明：1、必须由申报者本人按要求填写； 2、申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3、本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者情况姓 名李建毅性别男出生年月1993年4月学校全称兰州理工大学技术工程学院 专 业物联

2、网工程现 学 历本科在读年级14学制4年入学时间2014年9 月作品全称智能家居控制系统毕业论文题目通讯地址兰州市七里河区龚家坪北路211号邮政编码730050单位电 住 地联系地址兰州市七里河区龚家坪北路211号邮政编码730050单位电他作者情况姓 名性 别年 龄学 历所 在 单 位孔维豪男19本科兰州理工大学技术工程学院 张娇女21本科兰州理工大学技术工程学院 田吉星男20本科兰州理工大学技术工程学院 资格认定学校学籍管理部门意 见 是否为2015年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生和硕士研究

3、生或博士研究生。 是 否 （部门盖章） 年 月 日指导教师意 见（1-2名）本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果 是 否指导教师签名： 年 月 日b3.申报作品情况（科技发明制作）说明：1、必须由申报者本人填写；2、本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3、本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；4、作品分类请按作品发明点或创新点所在类别填。作品全称智能灯控制系统作品分类（ a、b ） a、机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）b、信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） c、数理

4、（包括数学、物理、地球与空间科学等）d、生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等） e、能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标目的：在我们的家居中装有很多背景灯（筒灯、射灯、吊灯、壁灯等），要是将这些灯的开、关、明、暗进行组合形成多种模式，这样，就餐有就餐的灯光效果，会客有会客的灯光效果，家庭影院（看电视、影碟）有影院的灯光效果，甚至季节和情绪的变化都有不同的灯光效果相适应。基本思路：智能照明控制系统贯穿着住宅的每一个地方，客厅、卧室、餐厅、过道的所有灯光都可以通过zigbee节点与网关连接。你可

5、以在住宅的一个房间a集中进行控制、实现一键操控。 通过智能照明系统的集中控制，你的家居里的灯具可以实现在移动终端一键全开和一键全关的功能，你也可以设置多种模式，实现一键体验，您只需按下一个键，就可以控制家居内所有灯的开关。技术关键：本装置的技术关键是zigbee无线组网技术和传感检测技术，无线组网是关键，我们主要应用zigbee，zigbee技术是一组基于ieee802.15.4无线标准研制开发的涉及到组网、安全和应用软件方面的通信技术，它是短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术，它使用的频段是全球通用的2.4ghz(同时也定义了868hz/915hz两个频段)。zee

6、bee技术有如下优点：功耗低，成本低、网络容量大、迟延短、高安全性、有效范围小。作品的科学性、先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）先进性及特点：整个建筑的智能家居灯光控制系统应能二十四小时运转，系统的安全性、可靠性和容错能力是我们关注的重点。以电源、系统备份等方面采取相应的容错措施，保证系统正常安全使用、质量、性能良好，具备应付各种复杂环境变化的能力。 智能家居灯光控制系统最主要特点是“简单”、“实用”、“灵巧”，这也是其与传统智能家居系统最大的区别。我们应用于了先进的zigbee无线组网技术实现了在多种移动终端进行

7、控制，所以一般无需施工部署，安装简单、操作简单，且功能可自由搭配组合。通过互联网络，用户能够实现家居灯光智能化的系统远程控制功能,作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定 结 果无作品所处阶 段（ a ） a实验室阶段 b 中试阶段 c 生产阶段d （自填）技术转让方 式作品可展示的形 式实物、产品 模型 图纸 磁盘现场演示 图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测使用说明：本系统安装简单，操作方便,不用进行铺线工作。移动终端操作界面是通过上位软件编写的人性化操作界面，更易于大人小孩操作

8、。断电以后系统将启动备用电源，此时系统会自动启动断电模式，整个家居中只有部分照明灯会开启。技术特点和优势：本设备技术先进，采用zigbee无线组网技术，zigbee是一种崭新的,专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。也是嵌入式应用的一个大热点。适应范围及推广前景：适宜家居、学校、事业单位会议室及室内公众活动场所等人员聚集较多的场所，的智能灯光控制系统。市场分析和经济效益：家在人的生活中起着无可替代的作用，在外辛劳一天，回到家中，舒适、温馨的家庭环境能让人们绷紧一天的神经得以放松，并带来愉悦的心情。除此之外，当今社会人们的生活水平日益提高，需求和品位也随之提高；人们在追求

9、时尚的同时也追求个性的张扬。家居智能化，也已成为人们新的追求。目前市场上的家具与灯饰也日趋多样化，灯饰品种及款式的的日益丰富，也为顾客提供了更多选择。而顾客爱好取向的个性化，又对家具与灯饰的发展提出了更多、更新、更高的要求，促使家具与灯饰不断更新，并在更新中更多地考虑如何让两者更好地结合起来。 但实际上在我们的生活中灯具只起到了照明作用，没有实现各种灯光的效果。这无疑是一种单调，更是对资源的浪费。而我们的智能家居灯光控制系统，应用多种模式，让你家居所有灯都能发挥其自己特有的功能，这不仅给你带来生活的乐趣，也让你感受到家的温馨，更是实现了资源的充分利用。专利申请情况 提出专利申请 申 报 号 申

10、报日期 年 月 日 已获专利权批准 批 准 号 批准日期 年 月 日未提出专利申请科研管理部门签章 年 月 日c当前国内外同类课题研究水平概述说明：1、申报者可根据作品类别和情况填写；2、填写此栏有助于评审。 zigbee技术在国外已经非常成熟，相关的应用已经应用于工业控制和智能化建筑等。zigbee是一个与家庭网络自动化功能的无线数据阐述解决方案。韩国的korwin和orange逻辑共享其信贷的发展 - 家庭网络和基于位置的服务（lbs）。d推荐者情况及对作品的说明说明：1、由推荐者本人填写； 2、推荐者必须具有中级专业技术职称，其中一名必须具有高级以上专业技术职称，并是与申报作品相同或相关

11、领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）； 3、推荐者填写此部分，既视为同意推荐； 4、推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓 名性别年 龄职称工作单位通讯地址邮政编码单位电话住宅电话推荐者所在单位签章（签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐 述请对作品的 意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价其它说明推荐者情况姓 名李阳性别男年 龄职称工作单位兰州理工大学技术工程学院通讯地址兰州市七里河区龚家坪北路211号邮政编码730050单位电话住宅电话推荐者所在单位签章（签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述请对作品的 意义、技术水平、适

12、用范围及推广前景作出您的评价其它说明学校组织协调机构确认并盖章（团委代章） 年 月 日校主管领导或校主管部门确认盖章 （盖 章）年 月 日e组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛科技发明制作类说明书课题名称：“避风港”计划 院校名称：兰州理工大学技术工程学学院 团队名称：李建毅 田吉星 孔维豪 张娇 指导老师：朱明敏 李阳 联系电话联系邮箱：zhangzh8914

13、摘 要 通常，在人们的传统意识认知里灯都是以照明为主，随着科技的快速发展，灯的种类和变化也越来越多；但有没有想过把灯光不仅作为一种照明方式，还把作为它一种装饰、作为一种艺术展示引入到家庭装饰当中。一个灯泡、一支光管照亮居室，这种单调、乏味的灯光设计模式已经逐渐淡出人们的居室。现在的人们在装修家居时不但追求简单，而且更加注重细节，而智能家居灯光控制控制系统是以住宅为平台，基于zigbee无线组网技术，以协调器、路由器、和终端节点三种网络节点进行控制家居所有灯光。在你的客厅会有多种灯光组合模式，只要你一键操作就可以让你尽情体验。客人来临时，您通过“一键式”控制进入会客模式。这时，客厅吊灯亮度为80

14、%、壁灯为60%、筒灯为80%；而当与客人进餐完毕，休息片刻后准备一起观看电影。这时，吊灯关闭、壁灯为80%、射灯为70%、窗帘关闭、电视及音响打开，进入家庭影院模式。因为采用了调光控制，灯光的亮度可以有一个渐变的过程。通过随心所欲地变换场景，给客人营造一个温馨、浪漫、优雅的灯光环境。除此之外，还有离家模式、回家模式、休息模式、起夜模式、阅读模式、小息模式、全关模式,等等，随心所欲，完全个性化的选择。 智能家居使您的家为您服务,节约您的时间,简化您的生活，并为您带来无限生活乐趣，让您爱上您的“避风港”。 关键字： 物联网技术 智能家居 一键操作 模式化 zigbee 节能 pick to us

15、ually, in the awareness of traditional cognitive lamp is lighting is given priority to, with the rapid development of science and technology, and change more and more types of lamp; but have you ever thought the lights not only as a way of lighting, also as a decoration, it as an art show is introdu

16、ced into the domestic adornment. a bulb, smooth canal enlightens bedroom, the monotonous, boring lighting design pattern has gradually faded out of people's bedroom. when people is decorating household now, not only the pursuit of simple, and pay more attention to detail, and the smart home cont

17、rol system based on residential lighting control platform, based on zigbee wireless network technology, to the coordinator, routers, and all three network terminal node to control household lights. in your living room will have a variety of light combination pattern, as long as you can let you enjoy

18、 a key operation. the guest comes, you through "one-click" control into the visitor pattern. at this time, the sitting room lamp brightness is 80%, tube lamp, wall lamp, 60% and 80%; when finished with the guests dining, ready to watch movie together after a short rest. at that moment, the

19、 closed droplight and wall lamp, shoot the lamp to 80% 80%, the curtain closed, open tv and acoustics, enter home theater mode. because dimming control is adopted, the brightness of the light can be a gradual process. through changing scene follow one's inclinationsly, give a guest to build a wa

20、rmth, romantic, elegant lighting environment. besides, there are away from home, go home and rest mode, night mode, reading mode, recess, barrier, etc., follow one's inclinations, completely personalized options. smart home to make your home service for you, save you time and simplifying your li

21、fe, and to bring you unlimited fun, let you fall in love with you "safe haven". key words: internet of things smart home one-touch operation softwaremodularity zigbee energy conservation目 录摘要.11. 概述.2 1.1创作背景.2 1.2方案设计.2 1.3方案实现.22.技术说明.2 2.1无线传输技术.2 2.1.1无线单片机.4 2.2zigbee网络技术.5 2.2.1zigbe

22、e无线传感网络.5 2.2.2低功耗，低速技术特点.5 2.2.3网络拓扑和路由.6 2.3安全和加密.73.系统组成.8 3.1硬件部分.8 3.1.1移动终端.8 3.1.2zigbee网关.9 3.1.3zigbee节点.9 3.1.4感知节点.10 3.2软件部分.11 3.2.1定位节点.11 3.2.2终端节点系统流程图.12 3.2.3开发环境.12 3.2.4路由器代码.134.系统分析.13 4.1技术指标.13 4.1.1使用环境温度、湿度、传输速率.13 4.1.2产品功耗及使用电压.13 4.2稳定性分析.13 4.3系统安全性分析.13 4.4作品特点和优势.14 4

23、.3.1技术特.14 4.3.2优势.14 结论.16参考文献.1731.概述1.1创作背景家庭，是每个人心灵的港湾。无论你是在什么地方，心里都会对家庭有所牵挂。家在人的生活中起着无可替代的作用，在外辛劳一天，回到家中，舒适、美观的家庭环境能给人们放松绷紧一天的神经，带来愉悦的心情。当今社会，人们的生活水平日益提高，需求和品位也随之提高；人们在追求时尚的同时也最求个性的张扬。 家庭居住环境设计的宗旨是以创建一个温暖舒适的室内生活环境为目的，所以营造气氛在室内家居空间照明设计扮演一个非常重要角色。科技改变生活。智能家居控制系统的应用将对我们的家庭生活和生活方式带来深远影响。智能家居最终目的就是让

24、人们在家中能够享受到舒适、方便、安全的生活,并且生活的方式更加符合环保、节能的要求。1.2方案设计 对于固定模式的场景您无需逐一地开关灯和调光，只需在电脑控制终端或手机控制终端进行一次设置，就可以按一个键模式化控制一组灯，这就是智能家居场景设置功能。同时，还可以在房间加装亮度感应探测仪，通过设定的时段的光的强度值，自动调节灯光亮度。这样既符合住户舒适的感觉，又能起节能的作用。系统还可对家居所有灯进行电流监测，当有灯出现故障时，马上通知管理人员，及时处理故障；杜绝到需要用时才发现问题所引起的不便现象。 客厅：安装人体感应系统，做到有人时开灯，无人时自动关灯、做到节能效果。 影视模式：进入放映模式

25、，灯光自动调暗、窗帘放下、功放/dvd自动开 启。 音乐模式：窗帘自动放下,照明灯光调暗，开启背景音乐或功放/dvd，欣 赏灯光开启，并随音乐节奏的变化而变化出不同的效果。 会客模式：灯光自动调节到比较柔和的状态，营造和谐气氛。 无人模式：灯光熄灭，所有设备关闭。 卧室：总体灯光设计比较柔和温馨。 休息模式：室内所以灯光都将熄灭。 起夜模式：你只需一键操作，从主卧到洗手间的灯光就柔和的亮了起来， 既没有摸黑寻墙找开关的烦恼，也不会惊醒其他人。 餐厅：灯光颜色以淡黄色为主。 就餐模式：灯光会营造一种清新舒适的感觉。 书房：灯具设计简单，灯光来源于多角度，适宜于阅读工作。 阅读模式：在房间加装亮度

26、感应探测仪，可根据房间的亮度调节灯光 的亮度，使你拥有一个最适合阅读的亮度。 小息模式：灯光将由明亮渐渐的转入昏暗，您就可以舒舒服服的眯一 会了。 楼道：走道结合人体感应，自动控制楼道的照明灯，做到有人开灯， 无人关灯。 感应器可设定为自然光较暗时起作用，自然光较亮时不起作用，最大限度节能。1.3方案实现 根据以上设计分析，我们采用集主控单元、zigbee无线组网技术、单片机控制和环境监测为一体的方案。核心主要是无线单片机处理模块，负责传感器数据的收集、处理和打包发送数据，接收控制命令等。 图1.1 收发处理示意图附注1： 光检测模块 红外检测模块 动作终端 图1.无线智能照明系统三维图书房客

27、卧餐厅客厅路由器协调器图1.2 无线智能照明系统网络结构2. 技术说明2.1无线传输技术2.1.1无线单片机技术无线单片机是一种新型的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“homerf”或“firefly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高。最后这些数据就可以进入计算机用于分析或是被另外一种无线技术（如wimax）收集。zigbee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层，网络层

28、、数据链路层和物理层组成。相对于常见的无线通信标准，zigbee协议栈经凑简单，具体实现要求低。只要8位处理器再配上4kb rom和64kb ram，就可以满足其最低需求，从而大大降低了成本。 应用层1 应用层n应用汇聚层网络层ieee 802.2逻辑链路控制类型1其他逻辑链路控制标准 业务汇聚特定子层ieee 802.15.4介质访问控制868mhz/915mhz物理层2.4ghz物理层图2.1 zigbee协议栈结构图zigbee是一个由可多到65000个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输网络平台，类似于现有的移动通信的cdma网或gsm网。每一个zigbee网络传输模块相当于移动网络

29、的一个基站，它们之间可以在整个网络范围内进行相互通信；每个网络节点的距离可以从标准的75米到扩展后的几百米甚至几千米；另为整个zigbee网络还可以与现有的其他设各种网络连接。2.2zigbee网络技术2.2.1zigbee无线传感网络zigbee无线传感器网络主要应用于温度/湿度控制、压力过程控制数据收集、流量过程控制数据采集、工业监控、楼宇自动化、数据中心、制冷监控、设备监控、社区安防、环境数据检测、仓库货物监控。系统特点如下：支持zigbee网络协议。无线传感器网络支持zigbee网络协议，数据传输中采用多层次握手方式，保证数据传输的准确、可靠。采用2.4ghz，功率小，灵活度高，符合环

30、保要求，符合国际通用无需批准的规范。组网灵活，配置快捷。无线传感器网络系统非常容易快捷配置，组网接入灵活、方便，几台、几十台或几百台均可，最多可达6万台。可以在需要安装传感器的地方任意布置，无需电源和数据线，增加和减少数据点非常容易。由于没有数据线而省去了综合布线的成本，传感器无线网络更容易应用，安装成本非常低。节点耗电低。系统节点耗电低，电池使用时间长，支持各种类型传感器和执行器件。1、 双向传送数据和控制命令。不但可以从网络节点传出数据，而且双向通信功能可以将控制命令传到无线终端相连的传感器、无线路由器，也可将数据送入到网络显示或控制远程设备。2、 迅速简单的自动配置。无线传感器网络终端自

31、动配置，当终端设备上的led变绿色时，说明该终端在网络系统中。3、 全系统可靠性自动恢复功能。内置冗余保证，万一某个节点不在网络中，节点数据将自动路由到一个替换节点以保证系统的可靠稳定。2.2.2低功耗、低速技术特点 1、低功耗：工作模式下，zigbee技术传输速率低，传输数据量小，因此信号的收发时间很短；在非工作模式下，zigbee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms,休眠激活时延为15ms，活动设置信道接入时延为15ms。由于工作时间短、收/发性息功耗较低且采用了休眠模式，使得zigbee节点非常省电。 2、可靠性：zigbee的媒体接入控制层（mac层）采用talk-when-r

32、eady的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传输需求是则立刻发送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认性息，并进行确认信息回复；若没有得到确认性息的回复就表示表示发生了碰撞将在传送一次。 3、高度扩展性：一个zigbee网路最多包括255个zigbee网路节点，其中一个是主设备，其余则是从设备。若通过network coordinator，则整体网路最多可达到6500个zigbee网路节点；再加上各个network coordinator可互相连接，整体zigbee网路节点数目将十分可观。2.2.3网络拓扑和路由zigbee以一个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状

33、、串（树）状和网状网络，因此每个节点的功能并非都相同。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上来说，它只是其功能的一个子集，称为半工能设备（rfd）；而另为一些节点负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备（ffd）。图2.3 串（树）状网络拓扑图2.2 星状网络拓扑图2.4 网状网络拓扑附注2：协调点 全功能点 半功能点无论哪一种网络拓扑结构，每个独立的网络都有一个唯一的标识符即网路号（pan标识符）。利用pan标识符采用16位的短地址码进行网络设倍间的通信，并可激活网络设备之间的通信。2.3安全和加密在zigbee技术中，采用对称密钥的

34、安全机制。密钥要网络层和应用层根据实际应用需要生成，并对其进行管理、存储、传送和更新等。zigbee技术规定的安全方案将使用以下几种方法:位顺序、串接、整数编码合计时器增加、技术模式（ctr）加密、密码链块-信息鉴权码（cbc-mac）验证、计数模式和密码链块-信息鉴权码（ccm）的加密和验证、高级加密标准（aes）加密、个域网信息库（pib）的安全要素。aes的全称是adavnced encryption standard,即高级加密标准。aes采用的是rijndael算法的设计者是joan daemen(proton world int.)和vincent rijmen(katholiek

35、e universiteit leuven，esat-cosic)，算法的名字来自两人名字中字母的组合。rijndael是一个对称的分组加密算法，分组长度和密钥长度都可变，可分别单独指定为128位、192位和256位。但aes重的数据分组长度自采用了128位；密钥长度和rijndale的一致，也分别为128位、192位和256位，并被分别称为aes-128,aes-192,aes-256。aes和传统的分组密码算法不同的是它不采用feistel结构（比如des中采用的），而是采用了3个不同的可逆一致变换层：线性混合层、非线性层、密钥加层。3. 系统组成3.1硬件部分3.1.1移动控制终端 图3

36、.1 移动控制终端3.1.2 zigbee网关分析以上zigbee网络以及实现的方法，以ti公司提供的zigbee解决方案cc2430为基础，设计了实现方案：在控制核心cc2430中运行z-stack,通过串口转以太网模块完成zigbee报文和internet报文交换的功能，然后通过网线与rf射频芯片分别接入以太网和zigbee网络。整个网关系统框图如图3.2电源模块 zigbee射频模块串口以太网模块 按键复位电路mcu时钟模块 图3.1网管系统结构框图 3.1.3zigbee节点zigbee节点是可以组建mesh网络的，设置一个zigbee节点为网络协调器，其他每个zigbee节点都可以当

37、做路由节点来使用。 图3.2网关 zigbee 模块采用 ti 最新一代 zigbee 芯片 cc2530 支持基于 ieee802.15.4 的 zigbee2007/pro 协议。图 3.3 zigbee 模块图3.4zigbee调光器 3.1.4感知节点 光敏电阻，是一种特殊的电阻，简称光电阻，又名光导管。它的电阻和光线的强弱有直接关系。光强度增加，则电阻减小；光强度减小，则电阻增大。如图3.6 如图3.5光敏电阻zigbee节点 为了降低设计难度，本设计直接采用人体红外检测开关型模块 hc-sr501。hc-sr501 是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口 lhi778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。 附：关键代码 if(p0_0 = 1) lcdputstring16_8(0, 0, (void*)" <alarm> ", 12 , 1); else lcdputstring16_8(0, 0, (void*)" <noalarm> ", 12 , 1); 图3.6红外感应zigbee节点3.2软件部分 3.2.1定位节点（blind node）是一类可移动的节点