智能家居设计方案

智能家居设计方案

《无线传感器网络技术》

设计方案

题目：基于ZigBee的智能家居设计

学院：自动化学院

班级： 15级自动化3班

学号： 115110001089 姓名：金威

任课老师：黄成

基于ZigBee的智能家居设计

姓名：金威学号：115110001089

摘要

随着物联网技术的发展，智能家居系统在人们的生活中应用越来越广泛。相对于传统的智能家居系统，基于物联网技术的智能家居系统性能更优越，体现在布线灵活、成本低、可扩展性好等方面。

本设计选用Zig Bee技术构建了智能家居无线通信网络，选定星型网络作为智能家居系统的拓扑结构。其次运用三星公司的S3C2440和Win CE操作系统搭建了嵌入式智能家居网关，并对嵌入式智能家居网关进行了软、硬件设计。最后将嵌入式智能家居网关、智能手机、传感器节点组建了一个智能家居系统模型，经过一系列实验实现了以下功能：

1.智能家居系统内部组网的实现。

2.用户通过家居网关对智能家居系统进行现场监控。

3.用户通过智能手机对智能家居系统进行远程监控。

第一章传感器网络结构

1.1 家居传感网络简介

智能家居传感网络是由分布在居住环境区域内的若干传感器节点组成，这些传感器节点通过无线技术构成自组织网络，其主要功能是感知、采集和处理网络所覆盖家居中感知对象的各种信息，如温度、气体等，并将节点感知的信息传输到智能家居网关，之后通过互联网或GPRS 到达PC 机或智能手机，并通过管理设备界面显示出来。从网络的角度来看无线传感器网络也是一个完备的网络体系，由多个节点组成在一起，不同的节点扮演不同的功能实体。

典型的智能家居传感网络通常由无线传感器节点、智能家居网关和管理设备组成，在本文中管理设备是指PC 机或智能手机，智能家居传感网络体系结构如图1.1所示。

图1.1 智能家居传感网体系结构图无线传感节点部署完毕后，经过自组织方式构成网络。无线传感器节点监测的目标信号经本地简单处理后传输到智能家居网关。用户通过外部网络，比如GPRS 或Internet，与智能家居网关进行交互。智能家居网关也可以向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。

从整个网络功能来分析，传感器节点发挥了路由器和终端节点的双重角色，它主要完成以下功能：

首先完成本地信息采集，其次暂存、处理以及发送其它节点转发来的数据，最后协同其它节点共同完成一些特定的任务。无线传感器节点主要由传感器、处理器、无线通信模块和电源这四个模块组成。其中，传感器完成数据的采集和转换，处理器完成整个节点的控制和数据处理，无线通信模块完成无线通信任务，实现信息的交换，电源为传感器节点提供工作电压。用户通过智能家居网关向网络发送操作命令，对传感器节点进行配置和管理，收集传感器节点采集的信息，然后对信息进行处理和分析，把更为精确的监测结果送到用户手里。智能家居网关比普通传感器节点的电量更加充足、其数据存储空间比较大，运算速度也相对快速，因此它的数据处理能力、存储能力和通信能力相对较强。

此外，智能家居网关还是无线传感器网络与外部网络之间的桥梁，负责实现不同协议之间的转换。

1.2 设计目标

本设计主是一种基于ZigBee技术的智能家居系统，重点工作是对家居网关的软、硬件设计，最后将传感器技术、无线通信技术以及嵌入式技术结合在一起，设计了一套智能家居系统简易模型，通过智能手机登陆智能家居系统，实现对智能家居远程监控的功能。

第二章基于ZigBee的无线组网

智能家居网络的技术基础是组网技术，在进行家居组网时，不但要考虑选取恰当的网络拓扑结构，而且还必须考虑选定合理的组网方式和技术。鉴于家居内部电器设备密集、传感器数量较少、通信距离较短等特点，因此在本系统中选择ZigBee 作为无线组网技术。

ZigBee:ZigBee 一词来源于蜜蜂的传播信息的方式，蜜蜂通过跳ZZ形状的舞蹈向同伴传递发现食物的信息。ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗的无线双向通信技术。在标准化方面，2000年12月成立了IEEE802.15.4工作组，该工作组致力于研究无线通信技术，Zig Bee 正是这种技术的代名词。IEEE802.15.4 工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。

ZigBee 的工作频段为2.4GHz 和868/915MHz，这三个频段的物理层各不相同，所对应的带宽分别为0.6MHz，2MHz 和5MHz。

2.4GHz 采用的是十六相位正交调制技术，定义了16个信道，868/915MHz 都是采用二进制移相键控的直扩序列调制(DSSS)技术，它们之间最主要的区别是工作在不同的频率之上，数据的传输速率也不相同。ZigBee 的实际传输范围一般介于10～100m 之间，相邻节点增加发射功率后，传输范围可增加到1～3Km。作为一种新型的无线通信技术，ZigBee 具有非常显著的特征，这些特征也直接影响了其广泛的应用用范围。

第三章智能家居系统总体设计

智能家居系统是安装在家居场所中的通信系统，通过本地监控和远程监控两种方式实现对家居环境的了解，从而实现家居设备管理的智能化。用户通过PC 或手机登录智能家居监控系统，实时查看家居内部信息，真正实现了“人在路上，家再手中”这一目标。

3.1 技术要求

目前Zig Bee 技术广泛的应用在PC 外设、消费类电子产品、智能家居控制、医疗技术以及工业自动化等领域，由于ZigBee 无线网络是自组织网络，其灵活性较高，因此可将ZigBee技术应用到智能家居系统的内部网络中来，通过对智能家居相关技术和用户需求的分析，结合本论文对智能家居系统模型提出以下设计要求：

1）无线组网，采用ZigBee 技术构建智能家居网络，实现了家居网络从有线到无线的转变，并完成对传感器节点的控制。

2）本地监控，在住宅中用户可以通过家居网关对智能家居系统现场监控。

3）远程监控，在远离住宅的任何地方，用户可以通过PC 机或智能手机快速接入网络，进而实现对智能家居系统的远程监控。

4）降低功耗，充分利用休眠模式来延长传感器的使用寿命，避免了频繁更换电池的麻烦。

本智能家居系统拟实现的主要功能如下：

1）嵌入式系统代替PC 机来构建智能家居网关。

2）构建人机交互界面，方便用户对传感器的控制以及设备状态的查询和修改。3）在智能家居网关上构架Web 服务器，用户通过浏览家居网页即可进行远程实时查看家居环境状况。

4）在实验系统模型中实现了对温度，瓦斯等功能的简单查询。

3.2 智能家居体系结构的选择

3.2.1 智能家居网络的两种常用结构

家居网络从结构上可以分为两种即集中式结构和分布式结构。

1.中式结构：该结构以家居网关为核心，家居网关一端通过小区网络(或宽带接入点)接入Internet，另一端则分别通过三个接口与信息网络、控制网络和多媒体网络连接，如图 3.1所示。