基于物联网的智能家居演示系统(4)

物联网综合应用课程设计

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传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数据传输模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

ZigBee 技术主要用于低数据传输速率并且传输距离要求不是很远的各种通信设备之间。ZigBee的名字主要来源于蜜蜂通过跳 ZigZag形状的舞蹈来传递所发现的食物的位置、距离和方向等信息，一只一只的传递下去，此种技术与蜜蜂的这种通信方式相类似。ZigBee联盟则于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半导体公司共同宣布加盟ZigBee技术联盟，以研发名为“ZigBee”的新一代无线通信标准，而在2006年作为中国通信行业龙头的华为公司亦加入了此联盟。截至目前，该联盟大约已有约27家成员企业，所有这些公司都参加了负责开发ZigBee协议物理层和媒体控制层技术标准的工作组。ZigBee联盟负责开发网络层及以上的协议。ZigBee协议则比蓝牙技术、高速率个人区域网或 802.11x无线局域网等技术更简单而实用。ZigBee使用的是 波段，采用了跳频技术，这和蓝牙技术相似，可以说是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee协议比蓝牙更简单、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee的基本速率是，传输半径可扩大到400米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，单个ZigBee无线模块就可与254个节点互联，若网络中加入路由节点，则网络最大承载量可支持65535个节点设备互联。由于它的低延迟和低功耗性能优越性，所以在支持鼠标、键盘等电脑周边产品和家庭自动化仪器等低速率应用时可以比蓝牙做地更好，人们更希望能在无线玩具、传感器网络、家庭监控、工业监控和安全系统等众多领域拓展ZigBee的应用。

ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术，与蜜蜂的通信类似，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。网络节点则以ZigBee协议为基础进行通信，与各种传统无线网络相比，其主要优点有以下几个方面。

(1) 网络稳定性好。其设计的网络自己组织性能使网络各个节点在无需人工干预的情况下自己组网并实现数据传输的任务，当添加或去除网络中某个节点时，其余节点可以自行寻找其他节点替代中转信息，具有较强网络自愈能力。

(2)成本低。由于ZigBee联盟已经有二十多家，他们的研发实力都很强，好多公司均已

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在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，竞争较大，近年来应用于主机端的芯片成本将会比蓝牙等模块更具价格上的优势。

(3)功耗低。它的超低功耗也使得在应用中两节普通AAA干电池即可使用6个月至2年的时间，这也是ZigBee的最大的一个优势。

(4)网络容量大。每个ZigBee设备可以与另外254台节点设备相连接，而加入路由节点的ZigBee网络最多可容纳多达65000多个节点的网络。

(5) 数据传输速率低。只有10kb/s—250kb/s，符合本设计需求。

(6)工作频段灵活。使用的频段中2.4GHz全世界通用，欧洲使用868MHz，美国则使用915MHz频段，但这些均是免申请频段，可以直接使用。

(7)网络延迟时间短。活动设备信道接入延时和休眠激活延时均仅为15ms，而搜索设备延时时间达到30ms。

根据ZigBee联盟所设定的技术标准，按功能分其网络设备划分为三种：ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端设备。他们的功能分别如下。

（1）ZigBee协调器：它是个全功能的设备，包含所有的网络功能，是3种设备中功能最全面亦最复杂的一种，特点是计算能力强、存储量大。它的作用是发送网络信标、建立并且管理一个网络及网络节点、存储节点信息并且不断地接收下级节点所发来的信息。 （2）ZigBee路由器：它也是全功能设备在加入网络后，协调器就会分配给它一定量的十六位地址空间，再由其分别分配给下级节点使用，方便每个节点接入或离开网络，具有数据转发及路由之功能。

（3）ZigBee终端设备：其一般的简化的功能设备。只能自己的与上一级如协调器或路由器之间通信，包括获取网络地址等。在ZigBee协议规范中，组网时有三种网络拓扑结构可供选择：星型结构，网状结构和簇树型结构，图 3 所示。

图 3 ZigBee网络拓扑结构图

在星状结构中无论是路由器或终端设备都是直接与协调器进行通信，在ZigBee协调器

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则负责运作与维护着整个网络；在簇状和网状网络结构中，协调器负责初始化和建立网络的操作，而路由器则对网络进行扩展，终端设备的信息由路由器进行转发,只不过在簇状结构中终端间的信息交换只能通过一级级向上传递到协调器，再由协调器将信息分发下去。

ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议基础之上，规定了ZigBee协议的网络层与应用层协议规范。下面就网络层与应用层作简要介绍。

ZigBee网络层的主要功能就是确保正常工作，同时定义了一些必须的函数，并且为应用层提供适合的服务接口。网络层提供了两个必须的功能服务实体来向应用层提供服务接口，它们分别是管理服务实体和数据服务实体。

应用层主要由用户根据具体的应用进行自我开发，用以维持节点的各种功能，发现此节点工作空间范围内其他节点的工作，再根据服务的需求为各个不同的节点提供通信服务。ZigBee应用层有三个不同的部分分别是：应用支持子层、ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象

第三章 智能家居系统方案设计

3.1 系统的需求分析

智能家居系统为住户提供全方位的信息交换功能，帮助家庭和外部、使用者与家庭环境之间保持信息交流畅通，优化人们的生活方式。一个完整的智能家居系统需要解决的问题包括：家电的远程控制即随时随地实现对家电的控制，方便用户不在家时对家电进行操作；智能照明即能对灯光进行集中和远程控制，提供舒适的照明体验；电动门窗即对电动锁、电动窗帘的远程控制，确保家庭环境的安全，随时调节家庭的光照；安防报警即通过视频监控和报警器随时监视家庭的安全状况；环境信息采集即对温度和湿度采集，随时随地的感知家庭的环境信息。

目前智能家居系统虽然大部分都能解决以上的问题，但是存在的问题有：需要专业人员施工，专门公司维护，施工周期长，施工费用高，系统灵活性差，功能华而不实，维护维修难，扩展能力低，很多项目建成后用户根本无法更新升级。

物联网一个基本特征就是无处不在、无所不知。物联网的目标是发展绿色全无线技术，包括感知、通讯等等不仅要求极低功耗，而且要求全无线覆盖、高可靠连接、强安全通讯、大规模组网、会自我修复。基于物联网的智能家居系统的特点：安装简单，使用方便，维护

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不用操心，具有较强的灵活性和实用性、扩展随心所欲，移植性好。设计原则为以下几点：

1. 满足人们在方便性和舒适度方面的要求。

2. 高性价比。要充分考虑系统的性能和价格的要求，尽量降低成本。 3. 通用性。要选择兼容性好，符合国际通用协议的技术。

4. 可扩展性。每个家庭的设备类型和个数不同，同样的家庭内的设备会更行换代，必须保证系统能方便的进行增加和删除，设备识别。

5. 可移动性。必须保证设备在家庭内部的移动不受距离的限制，实现无盲区的数据传输。

6. 安全性。包括系统运行过程的安全性和耐久性。

3.2 系统的硬件设计

本系统主要由终端子节点、ZigBee 路由节点和协调器节点、中央控制单元、GSM/GPRS 和以太网通信单元等部分组成。中央控制器是该系统的核心，采用高性能、低成本、低功耗的 32 位ARM Cortex-M3 内核增强型处理器 STM32F103R6 芯片。智能家居系统总体设计如图 4所示。

图 4 系统结构框图

根据物联网的结构，本系统由三层构架组成。第一层数据感知层，由各类传感器搭载 ZigBee 无线通信模块组成终端子节点，终端子节点将采集到的信息通过 ZigBee 无线通信模块传送给路由节点，由路由节点再将信息传递给 ZigBee 协调器 ；同样，当工作站或者运行平台发出命令时也是通过路由节点传递到各个终端设备。第二层网络层，在该层中央控

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制器是核心，在系统中承担网络中继的作用，主要实现协调器融合的内部网络信息与外部网络之间通信构建物联网。在该层通过 ZigBee 收发模块实现采集终端的数据和前端设备通信，通过 GSM 或者网络形式实现与用户通信，从而实现人与物之间的互联。第三层应用服务层，借助GSM/ GPRS 网络可以将采集信息传送至手持设备、PC 客户端，实现用户的远程监测和控制，为用户提供一个人机交互平台。

3.2.1 家居检测模块

该模块由 ZigBee 无线通信模块和传感器组成，传感器主要

完成数据的采集。将温湿度传感器 SHT11、烟雾传感器 MQ-6、气敏传感器 TGS813 和开关型可见光照强度传感器 ON9668 连接到CC2530 的 P2.0- P2.4 口上，实现家居环境检测。

3.2.2 红外监测模块

该模块采用豪恩公司的普通双源被动红外传感器 LH-912E安装在室内，当有人员入侵时进行判断报警。该探测器采用红外融合微波技术，可以准确无误的判断并实现报警。

3.2.3 家居控制模块

家居控制模块主要完成灯光、空调和门窗的远程控制。灯光控制可以使用户通过控制移动设备完成对各灯具的开关、调光等操作。该模块由 AT89C52 和光敏电阻、热释电传感器和继电器驱动构成。ZigBee 无线收发模块通过串口方式与灯具控制器相连，可将采集到的信息传送到用户手机，用户通过手机即可控制灯光系统。

空调远程控制模块实现用户通过手机即可远程控制空调。但是在现今空调采用 HBS 总线方式，利用 HBS 总线通信模块MM1192 将空调控制器进行改进 , 进而实现对空调系统的远程控制。

3.2.4 无线通信模块

本设计采用美国 TI 公司生产的 CC2530 射频芯片来完成ZigBee 组网通信。CC2530 是一款内部具有增强型 8051 微控制器内核的无线微型控制器，它兼容 2.4GHz、

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