传感器网络技术

姓 名：学 号：班 级： 陈造诣 2010213257 0841002

基于 Zigbee无线传感器网络的智能家居系统的设计

摘要：随着人们对居住条件、生活质量、信息获取的需求越来越迫切，社会信

息化脚步的进一步加快，家居信息化成为建设社会信息化过程的一个很重要环节。家庭是社会的细胞，唯有家庭实现了信息化，才可能真正实现社会的信息化。对智能家居系统的研究及开发是实现家庭信息化得必经之路。 关键字：智能家居；控制平台；嵌入式Linux；ZigBee

一、作品设计目标

本课题研究的主要目的是深入研究智能家居涉及的相关理论与技术，将计算机技术及嵌入式控制技术等应用于智能家居控制系统中，基于此基础上，设计一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居控制平台。·本设计选用了价格适中、货源稳定的犯位ARM核的嵌入式微处理器53C2410作为硬件控制核心，选用网络功能强大、开源、并且便于维护的嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台，在此基础上进行嵌入式开发，设计出一个面向家居系统的专用控制系统。

二、相关现状分析

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。随着近年来科学技术的迅速发展和普及，我们的工作、生活观念也发生了巨大的改变，现代家庭生活追求的新方向—智能化生活已经悄然走进我们的生活，“智能家居”已成为家庭信息化和智能化必不可少的需求。现在，世界各国都在跻身于网络信息服务技术的家庭应用，各国都在设立相关的研究机构及项目，并且取得了一定的成果。而我国对智能家居系统的研究还处于起步阶段，现有的智能家居系统通常构建在单片机上，只是对一些分散的智能家庭控制子系统的研究，而且这些子系统互相，不能实现信息共享，使得安装和使用很不方便。目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，

而且网络传输和处理能力较差。

三、总体设计方案

1、智能家居系统的组成

系统主要由智能家居网络控制器，即主节点，与智能家居设备相连的智能家居网络控制器，即分节点，每个房间放置的充当路由器的智能家居网络控制器，功能控制驱动模块和相应的家具设备构成。组成框图如下图所示：

智能家居系统的组成

2、信号检测模块

设计的电路原理是没有物体入侵时，使用一个比较器，检测电路送出低电平，输出端没有反应。当有物体入侵时，检测电路送出高电平，给ZigBee模块送出信号。

信号检测主要有三个子系统，即光照检测模块、温度检测模块、红外报警模块。

3、电源管理模块

3个检测模块的供电是5V的直流电源，可以使用电池供电。原理主要就是利用变压器线圈降压后用桥式电路整流与滤波，从而实现从交流220V到直流5V，为模块稳压供电。 4、控制电路模块

主控ZigBee模块处理之后会送出持续的高电平，从而带动继电器工作以达到弱电控制强电的目的，实现对警报、灯具、空调的控制。

四、技术方案与分析

1、相关技术分析

（1）组网拓扑结构

系统无线网络采用星型结构，有基站和从站两类节点。基站与各从站间进行双向通信，从站互不通信。网络中的每个节点都配有ID地址，有接受、发送两种状态，默认于接受状态。 （2）ZigBee技术

采用一种基于ZigBee传感网的智能控制系统，其特征由分布在家居的无线网络节点组成的ZigBee通信网络和PC机构成，其中这些网络节点包括：协调器节点、路由节点以及终端节点。主控ZigBee模块处理之后会送出持续的高电平，从而带动继电器工作以达到弱电控制强电的目的，实现对警报、灯具、空调的控制。ZigBee的高频部分采用了直接序列扩频技术保证信号传输，避免了在2.4GHz公用频段的干扰，也解决了现有无线安防产品采用ASK调制技术所造成的同频干扰问题。 （3）通信标准

采用一种基于ZigBee传感网的智能控制系统，其特征由分布在家居的无线网络节点组成的ZigBee通信网络和PC机构成，其中这些网络节点包括：协调器节点、路由节点以及终端节点。协调器节点与PC机相连构成系统中的主控制中

心，唯一的协调器节点和所有对应于楼宇中每一个房间的路由节点组成二级网络，对应于每一个部分的路由节点和该房间的终端节点构成控制模式子系统，控制中心控制各个子系统各节点的状态，子系统根据采集的环境信息，自主控制家居中的控制模式。 （4）MAC协议

为避免多个从站同时向基站发送信息导致信道冲突，所以网络MAC层采用非坚持CSMA/CA协议。通信前，节点先利用nRF905的载波检测引脚CD监听信道是否空闲，若空气中有同频信号则CD自动置高。若信道忙碌则节点随机延迟一段时间后再重新监听。信道空闲时，节点并不立即发送，而是采取一定的退避机制，将信道冲突的概率降至最小。因为当某从站与基站通信完毕的瞬间，可能有多个要发送数据的从站同时监听到信道空闲，此时信道冲突的可能性最大，所以节点随机退避一段时间后再进行发送。站点在发送前若检测到信道空闲，就立即启动退避计数器，只要信道空闲，退避计数器就递减，若退避过程中检测到信道被占用则暂停退避计数器并保持计数器值不变，当信道重新空闲时在原有计数值基础上再次启动退避计数器，当计数值减到零时节点发送数据。 2、智能家居控制平台

智能家居控制平台以控制器为核心，利用ZigBee无线网络构建家庭网络连接各种家电以及接收各种传感器信号;利用以太网接口接入广域网，实现用户远程控制。本设计利用宿主机代理网络家电加入家庭网络，并代理实现其网络功能，从而实现家电的网络化。控制平台的基本架构如下图所示：

控制平台的基本架构图

3、远程控制系统的设计

智能家居的远程控制系统采用B/S结构，在嵌入式Linux系统下，主要有3个Web Server: Httpd、Thttpd和BOA。用户利用远程计算机访问Internet，通过浏览器访问嵌入式Web Server，实现对智能家居设备的远程监控。B/S模式与传统的C/S模式相比，具有使用简单，便于维护，扩展性好，无需在客户端安装客户端软件等优点，只需打开客户端浏览器访问即可。远程控制系统如示意图如下所示：

远程监控示意图

五、作品优势与应用前景

本文设计了一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居控制平台方案。并通过对家居控制系统的分析，设计了家居控制系统的软件模型。为了方便用户对家电设备的控制，系统除了本地控制外还设计了嵌入式web Server，为用户提供远程控制功能。系统采用ZigBee技术构建家庭监控网络，将报警信息集中到系统控制中心，再通过GPRS网络实现报警信息和控制信息的远程传输，大大节省了报警信息远程传输的成本。ZigBee芯片是超低功耗的无线收发芯片，采用休眠模式，减少电池使用的成本。系统采用无线传输的通信方式，避免了布线的麻烦，也降低了系统安装的成本。Zigbee 技术与智能家居系统的的结合有着广泛的应用前景，本文主要探讨了基于该技术的家庭无线传感器网络构建与应用。这种方式在现实生活中具有很强的应用性，相信在不久的将来，会有越来越多由Zigbee 技术延伸而出的设备投入应用，并将极大地改善我们的生活方式。

六、总结

本文所作设计由于各种原因，可能在设计的细部上考虑的还不够周到，所

以还需要在这个方面继续加强。可能需要改进的主要有以下几个方面：智能家居监控系统中的无线传输模块要如何能在家庭乃至楼宇的复杂电磁场环境下，保证数据传输的准确和及时，今后要在跳频通讯的研究上下一番功夫。在家居中ZigBee的组网方面，可以考虑其它更多的拓扑结构方案，这西华大学硕士学位论文样有利于保障通信，今后要在无线传感网络中加入路由器，是网络结构更合理。