智能家居系统方案分析.doc

第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛
参赛申明

队伍编号：
作品名称：基于zigbee智能家居控制系统
参赛队员：丁祖科 柯贤伟 杜金航
作为第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛参赛队伍负责人，根据大赛公平、公开、共享精神，我代表参赛队伍作出如下申明：
1、我们理解大赛有关条款并遵守比赛规则。
2、我们参赛作品没有违反有关法律、法规以及社会道德规范。
3、我们参赛作品是原创作品，未曾授权给其他任何机构。
4、我们参赛作品不存在法律纠纷，包括但不限于肖像权、声誉权、隐私权、著作权、商标权等纠纷，否则，我们自愿承担由此而产生所有法律责任。
5、我们将如实提交参赛作品中波及所有源码及资料，并授权北京博创智联科技有限企业拥有使用权。在征得所有人同意后有权将参赛作品及有关资料用于宣传品、有关出版物、指定及授权媒体公布、官方网站浏览及下载、颁奖晚会、展览（含巡展）等活动项目。
6、我们认真遵守此申明内容中所有内容，如有违反，将自动放弃大赛评奖资格。

参赛高校（盖章）
指导教师（签字）
4月19日

第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛
作品设计汇报

智能家居系统
Intelligent Home Furnishing system

设

计

报

告

队伍编号：

参赛学校：中南民族大学

作 者：丁祖科 柯贤伟 杜金航

指导教师：王文涛

组别：√本科组 □高职组

专题奖： □恩智浦专题 □WINDRIVER

摘 要
家居环境智能化己经成为目前社会主流，面对某些人为失误或者不可控原因所导致劫难性事故，一次次惨剧也对家居环境智能化提出了愈加详细规定。同步，伴随人们生活节奏加紧以及生活压力加大，智能家居越来越成为人们追求舒适生活必要途径。本文采用Zigbee无线组网技术，结合j avaweb网络开发技术设计智能家居系统具有低成本、低复杂度、可迅速布署特点，完全满足人们对智能家居系统基本需求。
本文首先结合国内外智能家居系统设计经验和中国国情制定出了一套合适无线智能家居系统处理方案。然后，通过对目前主流无线组网技术进行了研究对比并最终决定采用Zigbee技术作为本系统无线组网技术。本系统采用星型网络拓扑构造，硬件采用CC2530射频芯片构成终端设备和中心协调器，构建智能家居环境内部网络;结合SQL数据库和JAVAWEB网络开发技术搭建家庭网站。 本文设计系统可以实现家居环境内部数据传播和远程监控，系统自身低复杂度、易于布署等特点，对智能家居系统普及具有一定应用价值。
关键词:智能家居系统、Zigbee协议栈、CC2530、家庭网站
Abstract
Today, the intelligent household system has become the mainstream of society. Some human errors and uncontrolled factors cause so many disastrous failures, which request to the intelligent household system for some specific requirements. At the same time, because the society pressure becomes more and more serious, the intelligent household system becomes a necessary choice. This paper presents a new intelligent household system based on the Zigbee wireless network technology and the java web Network development technology. This intelligent household system is less cost, lower complexity, apt to more rapid deployment, which can meet all the requirements. Firstly, this paper presents a solution of the intelligent household system, which based on the domestic and foreign experience of designing the intelligent household system. Secondly, based on the comparison of the current mainstream wireless networking technologies this intelligent household system decides to adopt the Zigbee wireless networking technology. The internal network topology is star topology. The CC2530 RF chip is used to form the device and the coordinator, which is used to form the internal wireless network. Finally the family network station is built the SQL database and the java web Network development technology.
This intelligent household system achieves the data transmission of the family
internal network and the remote monitoring. which has the characteristics of lower
complexity, easy to maintain. This system has great value on the development of the
intelligent household system.
Key words: Intelligent Household System, Zigbee stack, CC2530, Family Station

目 录
第1章 绪 论
伴随电子信息技术和计算机网络技术发展，人们生活水平大幅度提高，对生活环境规定也越来越高，实现家庭信息化、网络化是当今IT产业重要研究对象，随之而提出了一连串新概念:家庭自动化，家庭信息化，智能家居等。智能家居是人类住宅又一场新革命，它可认为人类提供愈加轻松、有序、高效现代生活方式，是未来居住模式必然发展趋势。因此，智能家居系统也在逐渐成为一种新兴研究领域。
1.1.1智能家居系统概述
智能家居可以定义为一种过程或者一种系统。运用先进计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关多种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活愈加舒适、安全、有效f21。与一般家居相比，智能家居不仅具有老式居住功能，提供舒适安全、高端且宜人家庭生活空间;还由本来被动静止构造转变为具有能动智慧工具，提供全方位信息互换功能，协助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们生活方式，协助人们有效安排时间，增强家居生活安全性，甚至为多种能源费用节省资金。
1.1.2国内外智能家居系统发展现实状况
国际上对智能家庭网络研究起于20世纪70年代，重要集中在发达国家。由于这些研究都是各国独立进行，并具有不一样目和市场战略，因此并没有形成统一原则。20世纪80年代初，伴随大量采用电子技术家用电器面市，开始出现了住宅电子化(HE, Home Electronics)概念;80年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备各自独立功能综合为一体，形成了家居自动化概念(HA, Home Automation)o 80年代末，由于通信与信息技术发展，出现了对住宅中多种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理商用系统，这在美国称为智慧屋(WH, Wise Home)，在欧洲称为时髦屋(SH, Smart Home)。
近几年，在各大企业和媒体强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成，可用、靠近现实需求产品不停增长，集成商、开发商以及装修企业已经积累了诸多经验。怎样建立一种高效率、低成本智能家居系统己成为目前社会一种热点问题。而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络原则化制定工作，为中国智能家居发展提供了一种开放原则化平台，指明了智能家居研究领域对发展方向。
第2章 系统方案
2.1 智能家居系统功能需求分析
一种智能家居系统应具有特性重要包括如下几方面：
1、全面细致环境状态监控：系统能实时采集室内和室外温湿度、光照强度、空气质量等数据，让顾客足不出户理解室内外环境状况。
2、可靠安防监控：安防监控应包括门窗防盗、煤气和火灾防止等功能，这些都对系统可靠性有很高规定。
3、便捷人性开关控制：实现家居设备远程开关控制或定期开关，如窗帘可以实目前床上打开，晚上自动关闭；家中保险柜锁只有自己可以使用手持终端打开，其他人均无法打开。
根据上述需求分析成果，从系统功能实现角度，智能家居系统功能可以概括为如下三个方面：对传感器节点环境状态信息精确读取；对安防监控节点报警信息及时获取；对控制节点所连家居设备开关控制。
2.2 智能家居系统构成
智能家居系统可选择网络拓扑构造有三种：星型、树状和网状。在本系统中网络协调器通信距离可以覆盖正常家庭居住环境，所有终端节点均可直接与协调器通信，终端节点与传感器和控制器连接，传播环境数据和控制命令，数据量都很小，采用星型网络拓扑构造完全可以满足系统规定，并且有控制简朴，故障诊断轻易，不波及路由寻址等长处。在 ZigBee 网络中协调器和路由节点规定是全功能设备，信息采集和控制节点则只需是精简功能设备，它们只能与 ZigBee 网络协调器通信，互相之间不能通信。
结合上一节概括智能家居系统功能，一种基于 ZigBee 技术智能家居系统应包括下面几种部分：
1、网络协调器：重要负责建立和管理网络，接受从终端节点获取到数据或向终端节点发送控制命令，以及与智能网关或上位机通信获取网关或上位机发送来控制命令或上传终端节点采集到数据。
2、信息采集节点：网络终端节点分为采集节点和控制节点两种，采集节点负责采集多种传感器或门磁等装置状态变化信息。
3、控制节点：控制节点通过执行接受网络协调器发送来命令实现对所连接家居设备控制。
4、路由节点：路由节点负责扩展网络覆盖范围及数据转发功能，可使更多设备加入网络。
5、PC 机：用于扩展系统功能，PC 机可以显示网络协调器接受到信息或向网络协调器发送控制命令。
6、智能网关：智能网关除实现上位机功能外，还可以接入短信模块，实现 ZigBee网络与广域无线网融合，顾客可以通过手持终端接受信息或发送控制命令。
本系统需要设计功能模块包括 ZigBee 无线通信模块、温湿度采集模块、光照采集模块、可燃气体监测模块、空气质量监测模块、红外入侵监测模块、窗帘无线控制模块。
2.3智能家居系统网络构造图
在本智能家居系统中，由于终端节点数目较多，多种终端节点同步发送数据也许导致数据丢失现象。因此应根据各节点详细任务不一样设置不一样任务优先级，以保证优先级高任务可靠性。波及安防监控节点优先级应当最高，包括红外入侵监测、门磁感应、可燃气体监测等；控制节点优先级次之，包括窗帘无线控制和电子锁无线控制；温湿度采集、光照采集、空气质量监测等环境状态信息采集任务优先级设置为最低。
在本系统中，网络协调器通过电源直接供电，信息采集节点和控制节点大多采用两节干电池供电，因此在设计和使用中应尽量减少使用电池节点工作时间，以延长节点使用寿命。

第3章 功能与指标
3.1实现功能
3.1.1自动报警：包括门禁系统，火灾、煤气报警系统。
3.1.2灯光控制：根据室内光照强度，自动调整室内灯光。
3.1.3自动窗帘：根据室外关照和室内状况，自动控制窗帘开关。
3.1.4自动阳台：根据室外温度、湿度、阳光等状况，自动伸缩阳台，晴天自动晾晒衣服，下雨自动收衣服。
第4章 实现原理
4.1.1功能实现
1.信号接受：智能家居传感器网络在家庭环境中布置传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点负责监视周围一定范围内环境，接受信号，并进行数据处理和通信。它集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织方式构成网络。借助于传感器节点中各类型传感器件，可以测量家庭内部和周围环境温度、湿度、光强度、入侵等。
2.网络通讯：网络信息管理关键部分为物理接口，作为家庭网关和传感器节点之间桥梁，物理层接口完毕家庭网关和传感器节点间通信，并且能使家庭网关和传感器节点之间可以互相理解通信内容。因此家庭网关和传感器节点都配置同样无线收发模块作为物理接口。
3.智能控制：除了无线收发模块之外，传感器节点还包括具有一定处理能力 MCU 芯片，单片机根据预先写入程序，可以采集传感器信息、转发命令和状态信息和控制设备，并能对子网上节点进行统筹管理，维护整个传感器系统运转状况。根据前面分析，传感器节点包括两个模块，如图 4.01 所示：
图 4.01 传感器节点模型体系构造

4.2.1功能模块
应用：负责对传感器节点信号采集功能、通信行为等进行初始化，并根据试验需要建立记录指标。
网络协议栈：负责模拟传感器节点中无线通信各层协议。
传感模块：也称为传感协议栈，负责检测和处理来自传感器信道信号，将其送往上层应用。
4.2.2能耗模块
节点能量产生和能量消耗过程，重要包括电池、无线收发设备、数模转换器和信号采集设备等硬件。
4.3 基于 Z-Stack 终端节点应用层设计实现
4.3.1 基于 CC2530 Z-Stack 研究
Z-Stack 是遵从 ZigBee 规范为 IEEE 802.15.4 产品和平台使用协议栈。它在 CC2530 片上系统、MSP430+2520 和 LM3S9B96+CC2520 上支持ZigBee 和ZigBee-Pro 特性集。Z-Stack 支持 Smart Energy、家庭自动化、楼宇自动化和医疗健康等公共应用。Z-Stack 支持 IAR 工程建立"ZigBee Network Processor" (ZNP)设备。ZigBee 协议采用分层体系构造,其下层为上层提供服务。ZigBee 协议体系构造如下图4.11所示:

图4.11 ZigBee 协议体系构造
执行 Z-Stack 协议栈是从 main 函数开始。首先需要对系统硬件进行初始化,然后初始化系统,最终执行操作系统。操作系统初始化流程如图 4.12 所示。

图 4.12 操作系统初始化流程

在初始化结束后就开始运行操作系统。该操作系统是基于事件定期机制串行执行任务系统。首先系统根据 MAC 定期器更新系统软件时钟,计算相邻两次操作所消耗时间,然后根据这个时间值更新事件被触发剩余时间。在对每个事件任务更新其超时值之后,系统开始查询与否有任务由于超时届时而应当被触发,并根据优先级选择最高优先级事件,调用对应层事件处理函数,最终对该事件做出处理。操作系统执行流程如图 4.13 所示。

图 4.13 操作系统执行流程

4.3.2 基于 CC2530 Z-Stack 应用设计
应用层位于 Z-Stack 协议栈最上层,在 ZigBee 协议和操作系统支持下实现开发者所期望功能。本文在基于 Z-Stack 下,设计实现了基于 ZigBee 协议智能家居系统终端节点。终端节点在完毕硬件初始化和协议栈初始化之后开始启动协议栈。启动协议栈后首要任务是将终端节点与协调器绑定。绑定通过调用协议栈绑定 API 函数进行,接下由协议栈处理绑定过程,这一过程不需要顾客参与。协议栈在绑定结束后会调用绑定回调函数,顾客在回调函数中判断绑定与否成功执行。假如绑定失败顾客需要重新启动绑定操作。假如绑定成功结束后,需要将终端节点与网关先进行一次时间同步。进行时间同步目是维持终端节点时钟精确,这样可以保证上传传感器等数据所带时间戳是精确。在此阐明时间同步操作也是周期性,详细周期值可在实际应用时随时更改。在第一次时间同步之后,开始根据终端节点板上资源设置周期上传网络和节点信息任务、周期传感器采样任务等。接下来就开始等待事件发生,这里边事件包括周期性任务超时触发事件和传感器等外部设备通过中断等方式触发事件。周期性事件在被触发后会将超时值恢复为其周期,并开始等待下次被执行。而由传感器等所触发事件是一次性事件,每被触发一次就执行一次处理函数。终端节点应用层执行流程实际上是对应用层多种事件处理过程,其执行流程

图 4.14 终端节点应用层执行流程

无线接受函数负责处理来自网关传来所有命令。这些命令类型重要包括两类:控制命令、查询命令。控制命令用于对 CC2530 或传感器进行控制。而查询命令用于查询终端节点软硬件信息和传感器采样数据及状态。无线接受处理函数执行流程如图4.15所示。

图 4.15 无线接受处理函数执行流程

4.4 终端节点驱动程序设计实现
4.4.1 温湿度采集驱动设计实现
DHT21 输出数据格式共 40 位,并且高位在前。数据格式如图 4.22 所示。

图 4.22 DHT21 输出数据格式

校验和是湿度值高 8 位、湿度值低 8 位、温度值高 8 位、温度值低 8 位相加成果低 8 位。当温度数据最高位为 1 时,阐明温度低于 0℃。由于 DHT21 采用是单总线串行通信方式。数据传送开始前,MCU 要先向DHT21 发送一种开始信号,开始信号结束后 DHT21 会给出一种响应信号,紧接着送出 40bit 数据。DHT21 只在被主机触发后才会进行温湿度采集,否则将处在低功耗模式下。通讯过程如图 4.23 所示。

图 4.22 DHT21 单总线串行通信过程

静默时总线处在高电平。主机发送开始信号是将总线拉低至少 18ms。在发送完开始信号后,主机要将总线拉高 20-40us,然后读取 DHT21 信号响应。在接受到主机发送开始信号结束后,它将发出 80us 低电平响应信号。当主机检测到总线被拉低后,阐明 DHT21 已经做出了响应。在 80us 低电平响应信号结束后,它会再发出 80us 高电平信号。主机与 DHT21 建立连接时序如图 4.23 所示。

图 4.23 主机与 DHT21 建立连接时序图

在发送一种位数据前都要先发出一种 50us 低电信号,随即其发出高电平长短决定数据位是 0 还是 1。

DHT21 测量辨别率分别为温度 16bit、湿度 16bit。采样周期间隔提议为 2 秒以上。一次完整从 DHT21 读取温湿度数据程序流程如图 4.26 所示。

图 4.26 DHT21 采集数据流程

4.4.2 光照采集驱动设计实现

本智能家居系统中光照采集模块采用 BH1750FVI 芯片。BH1750FVI 通信接口采用 IIC 总线通信方式。IIC 即 Inter-Integrated Circuit(集成电路总线)总线是飞利浦企业在 80 年代开发一种多向控制串行总线。IIC 总线有两根信号线:数据线 SDA 和时钟线 SCL。每个接到 IIC 总线上器件均有唯一地址。IIC 总线上设备分为主机(master)和从机(slave)。一次完整总线通信过程为:总线启动、数据传播、总线停止。IIC 总线数据传播时序如图 4.27。

图 4.27 IIC 总线数据传播
由于 CC2530 没有 IIC 总线接口,因此不能直接对 BH1750FVI 进行控制。通过对IIC 总线时序分析,可以用 CC2530 两个一般 IO 口实现 IIC 总线模拟。与BH1750FVI SCL 引脚相连接 IO 口设置成输出方式,并由软件控制产生串行时钟信号;与 SDA 引脚相连 IO 口根据 IIC 时序规定随时更改其输入输出方式。
4.4.3 人体红外采集驱动设计实现

人体红外监测模块采用 TTL 方式与主机通信。当有人从该模块前走过并被其检测届时,TTL 引脚电平被拉高。与该引脚连接 CC2530 引脚中断使能状况下,CC2530产生中断。在 Z-Stack 中操作系统支持下,中断产生时操作系统会设置一种 HAL 层红外触发事件。HAL 层事件处理函数在检测到该事件时,将该红外触发事件发送到应用层。应用层事件处理函数在检测到该事件发生时,调用应用层红外处理函数。处理完毕后整个触发过程结束。人体红外监测模块触发到被处理程序流程如图 4.28所示。

图 4.28 人体红外触发到处理流程

4.4.4 可燃气体浓度采集驱动设计实现

这里重要通过 CC2530 模数转换器实现对可燃气体浓度采集。浓度采集其实就是对 CC2530 ADC 操作。CC2530 ADC 通用操作如流程图 4.29 所示。

图 4.29 可燃气体浓度采集流程

第5章 硬件框图
5.1

第8章 特 色
8.1 针对智能家居中重要存在布线难，费用高等问题，选择Zigbee技术作为智能家居系统中通信技术，实现智能家居数据传播；
8.2研究Zigbee技术网络协议栈。实现Zigbee网络无线网络节点参数配置、维护智能化；
8.3分析研究Zigbee网络构造，针对家居分布构造等特点，采用簇状网络实现家庭网络构建；
8.4采用PIC18LF4620芯片，运用一款高性价比CC2420 Zigbee模块以及GPRS模块实现了网络协调器功能。搭建无线家庭智能化系统集成技术研究，开发出无线智能家居网络系统，对所提出方案进行验证；
8.5 在实现功能方面，除既有常规需要，新增自动阳台功能，深入完善智能家居功能，满足大众需求。
结 论
本文以家庭智能化为应用背景，重要研究智能家居Zigbee无线通信网络，归纳起来，重要有如下几项工作:
1.首先对智能家居领域进行充足理解和研究，并对目前国内外发展现实状况以及既有几种技术进行分析，选择Zigbee技术作为智能家居系统中通信技术，实现智能家居数据传播;
2.研究Zigbee技术网络协议栈。实现Zigbee网络无线网络节点参数配置、维护智能化;
3.分析研究Zigbee网络构造，针对家居分布构造等特点，采用簇状网络实现家庭网络构建，并提出了一种自适应智能家居网络协调器选择方略。
4. 4.采用PIC18LF4620芯片，运用一款高性价比CC2530 Zigbee模块以及蓝牙模块实现了网络协调器功能。搭建无线家庭智能化系统集成技术研究，开发出无线智能家居网络系统，对所提出方案进行验证:
参照文献
蒋建辉.Zigbe。网络设计与实现:【硕士学位论文】.苏州:苏州大学计算机应用技术专业，,
韩江洪，张建军，张利，魏振春，魏臻.智能家居系统与技术【M].合肥:合肥工业大学出版社，
蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京:北京邮电大学出版社，