基于物联网的智能家居演示系统.docx

*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2023年春季学期物联网综合应用实践课程设计题目：基于物联网的智能家居演示系统专业班级：姓名：学号：指导教师:成绩:目录摘要1前言1第一章物联网的背景及开展历程21.1 物联网介绍21.2 物联网的开展历程3第二章基于物联网的智能家居系统关键技术42.1 物联网技术42.2 智能家居关键技术82.3 Zigbee技术12第三章智能家居系统方案设计153.1 系统的需求分析153.2 系统的硬件设计153.3 系统的软件设计173.4 系统的网络拓扑结构18第四章远程控制客户端的设计与实现184.1 客户端的功能与结构184.2 客户端网络通信的设计与实现194.3 数据库的设计与实现194.4 各功能模块的设计与实现20总结21致谢21参考文献22摘要近年来，物联网成为全球关注的热点领域，被认为是继互联网之后最重大的科技创新。物联网的开展为智能家居引入了新的概念和开展空间，而智能家居是物联网的-个重要的应用本文将物联网的关键技术引入智能家居系统中，设计并实现一套完善、实用、可移植性好、方便易用、本钱低廉的智能家居系统。本文在充分研究物联网的体系结构、关键技术及应用领域的根底之上，针对物联网的重要应用-智能家居，采用ZigBee无线传感器网络技术和计算机网络通信技术，提出了基于物联网的智能家居系统的总体功能结构和网络拓扑结构；依据家庭内部网络的功能需求，采用Tl公司的CC2530设计并实现了协调器、路由器和终端节点的硬件部分；采用ZigBee2007协议栈设计并实现了家庭内部网络的组网程序：在充分研究和分析ZigBee路由算法的根底上，采用了ADOV路由算法设计并实现了路由程序；依据各个终端节点不同的控制方式和功能，设计并实现了终端节点的控制程序；对远程控制端的需求和功能进行了深入的分析，利用VC+6.0设计并实现了具有友好的人机交互界面、简单的操作方式和较强适应性的远程控制端。经过家庭内部网络的组网测试和系统整体测试，本次设计的家庭内部网络能进行正常的网络的组建和维护，路由选择功能正常，各个终端节点工作稳定，可以通过远程控制端对微波炉、电动窗帘、智能插座进行远程控制，能通过报警器节点和环境信息采集节点实时的采集家庭的报警信息和温湿度信息，通过不同的情节模式对家电及传感器进行及集中控制。总体而言，本系统根本满足了智能家居的功能需求，工作稳定可靠。关健词：物联网，智能家居，ZigBee,CC2530,远程控制端前言人类自身对日常生活舒适化和智能化需求永无止境地追求，一次次地推动着信息产业的开展和革新。物联网在智能家居领域的应用也正是伴fi着新兴技术的不断涌现应运而生。物联网是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次革命，是一种全新的计算模式的革命。如果说计算机、互联网停留在信息世界，那么物联网将实现信息世界与物理世界的融合。物联网将公带来巨大的产业开展机遇，引发信息技术的重:大变革。基于物联网环境的智能家居系统是大量先进技术融合的结果，其目的是将具有无线通信能力，处理能力和感知能力的微型芯片嵌入到日常的生活用品中去，从而建立一个对用户透明的普适计算环境。通过感知、计算和无线通信无时无刻地为用户提供效劳：通过自主学习用户的行为习惯，智能地为用户控制各种电器，创造更为舒适的环境；同时提供各电器耗能的实时反应机制，在不影响用户使用的前提下，帮助实现节能减排的目标，使得智能家居系统在智能化的同时也成为一个能源节约型系统。在用户体验方面，智能家居系统也应提供多种不同方式、不同平台来迎合不同用户的需要。智能家居系统相较之传统的家居系统，更加强调用户的使用体验，旨在提供应用户能够随时随地乂随心所欲地调节家居环境的使用体验。因此，物联网的开展为智能家居引入了新的概念和开展空间，而智能家居是物联网的一个重要的应用。智能家居是通过计算机技术、布线技术、网络通信技术将家庭中零碎的、无序的子系统组织在一起，通过网络化技术对家居环境进行管理和控制。但是目前大多数智能家居产品采用有线通信方式，存在布线麻烦、安装困难等缺点。随着新一代信息技术物联网技术的兴起,可以将物联网技术融入智能家居系统，解决了传统智能家居系统的弊端。本文以STM32为核心处理器，基于ZigBee无线通信技术组建无线传感网络，与GSM/GPRS和以太网技术融为一体，实现用户对智能家居的远程监控。第一章物联网的背景及开展历程1.1 物联网介绍物联网是顾名思义是物与物之间相互联系的互联网。物联网将传感器技术、网络通信技术、识别技术融为一体，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，这意味着人与物之间、物与物之间都可以通过网络进行信息的交换和处理。物联网具有三层构架：第一层是用来识别和采集信息的感知层；第二层是网络信息会聚层：第三层是应用效劳层。物联网是实现物物相连的互联网络。但需要声明的是，虽然物联网由传统意义中以人为网络主题转换为以物为网络主题，但物联网的核心根底仍然是互联网，可以说是某种意义上互联网的进一步延展。在数据感知方面，打破了物体完全被动感知的固有思维，它们被赋予了感知官能，可以主动与任何其他物体实现信息交换和数据传输。物联网与计算机之间有较大的联系，其中，在计算机中的一些框架跟协议，同样适用于物联网，因此，物联网在某种程度上来说，也被定义为能够自主进行网络结构框架配置的一种新型技术。由于其与计算机的渊源，该协议能够与标签、识别码、智能卡、一卡通等进行一些互动，而往往这种互动是通过空间的电磁波实现的。由物联网的特殊属性不难发现，所谓的物联，就是传统意义上的物体之间的连接，包含数据、信息、以及其他的以物质或者物体存在的参与者之间的通信，这类通信过程往往以非接触的方式来进行。也正是这种非接触的通信方式，能够使物联网不受外在环境的影响，而仅仅通过空问上的"耦合"或者电磁波的传递、接收而连接起来，因此如果物联网物体间通信的平安性能够得到保障，那么，可以预计，不久的将来，物联网的应用将使人类的生活方式发生质的改变，比方安装了智能家居系统的房屋能够提供更为符合现代人生活节奏的平安、舒适等智能化效劳，因此，研究基于物联网技术的智能家居系统，具有一定前瞻性。1.2 物联网的开展历程随着计算机技术、芯片技术以及网络技术的开展，物联网也正在逐步壮大，由于物体的连接都是通过非接触的空间连接，加之人工智能的开展，在物联网中，物品能够自主地进行数据交换、信息传递和资源共享，但其核心，仍是射频识别技术。通过阅读文献以及一些前瞻性文章，很容易推断出，物联网将在人工智能、距离感知等方面进行模块整合，其最终的开展趋势，是实现人与物、物与物之问的交流对话，并由此而连接成一个"包含"地球的网络a“智慧地球的概念是奥巴马担任美国总统时首次提出的，其初衷，是用-种：智能的方式来改变现代生活的交流方式，通过对信息技术的革新，满足社会、政府以及个人之间的交互方式，其最大的特点是高效、灵活、平安、便利。目前，美国对"智慧地球高度重视,并提升至国家战略高度，与国家经济振兴、确立本国竞争优势息息相关。同样，在欧洲和东亚，物联网技术同样得到十足的开展，很多兴旺国家也加快第二代网络的构建。总而言之，信息化的趋势已经普及全球主要国家，信息化所带来的巨大影响，也给经济低迷的世界经济带来一剂强心针。与此同时，在我国，物联网技术虽然起步较晚，但是政府对信息化的开展高度重视，2023年温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心的视察以及重要讲话，开启了中国物联网产业开展的新篇章。随后，我国三大运营商的物联网业务先后揭开神秘面纱，-一公之于众，主要表现在物流信息化、校讯通、企业管理、公交视频等诸多民生息息相关的领域。第二章基于物联网的智能家居系统关键技术2.1 物联网技术2.1.1 物联网的定义2005年11月17日，国际电信联盟（ITU）发布了ITU以特网报告2005：物联网,报告认为，物联网是一种全新的动态网络，能够随时随地实现人与人（通过PC和非PC）、人与物、物与物之间的交互。根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。目前，不同领域的研究者对物联网思考所基于的起点各异，对物联网的描述侧重于不同的方面，至今仍没有提出一个权威、完整和精确的物联网定义。就物联网概念而言，目前较为公认的物联网的定义是：通过射频识别（RFlD）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的-种网络。通俗地说，通过装置在物体上的传感器、电子标签和全球定位系统等设备，网络将赋予物体智能，即可以实现人与物体的沟通与对话，也可以实现物体与物体之间的沟通与对话。2.1.2 物联网的体系结构物联网应用覆盖的范围小到家庭网络，大到工业控制系统、智能交通系统，甚至国家级、世界级的应用，这种覆盖并不是物与物的简单互联，而是要催生很多具有"计算、通信、控制、协同和自治"特点的智能设备与智能信息系统。物联网的目标就是要帮助人类对物理世界具有"透彻的感知能力、全面的任职能力和智慧的处理能力"。目前在业界物联网体系架构被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面那么是内容应用层。物联网体系结构模型如图1所示。图1物联网的体系结构图1 .感知层物联网感知层解决的是人类世界与物理世界的数据获取问题，包括各类物理量、标识、吾频、视频数据。感知层位于三层架构的最底层，是物联网开展和应用的根底，具有物联网全面感知的核心能力。感知层运用智能传感器技术、身份识别以及其他信息采集技术，对物品进行根底信息采集，同时接受上层网络送来的控制信息，完成相应执行动作。2 .网络层物联网要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高平安性地进行传递,所以网络层要解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，尤其是远距寓地传输问题，同时,物联网网络层将承当比现有网络更大的数据量和面临更高的效劳质量要求，所以现有网络尚不能满足物联网的需求，这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩张，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。3 .应用层应用是物联网开展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化管理、应用和效劳，这一层解决的是信息处理和人机界面的问题。2.1.3 物联网的关键技术物联网的多样化、规模化与行业化的特点，使得物联网设计的技术种类非常多。具体而言，物联网的关键技术包括自动感知技术、移动通信技术、计算机网络技术、云计算技术、信息平安技术等。下面将对本次设计主要用到的自动感知技术和计算机网络技术进行介绍。1 .自动感知技术自动感知技术是物联网的根底，能实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，实现外部世界信息的感知。传感器是物联网感知层的主要器件，是物联网中获得信息的唯一手段和途径，传感器采集信息的准确、可靠、实时将克接影响到控制节点对信息的处理和传输。传感器的热性、可靠性、实时性、抗干扰性等性能，对物联网应用系统的性能起到举足轻重的作用。自动传感技术的开展表现在智能传感器与无线传感器两个方向。智能传感器作为传感网的根底与感知终端，其技术水平直接决定了传感网的整体技术性能。智能传感网是用嵌入式技术将传感器与微处理器集成为一体，具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信功能的智能数据终端设备.无线传感器网络(WirlessSensorNetworksWSNs)的定义如f：无线传感器网络是由众多传感器节点构成的无线网络，其目的是感知、采集和转发网络覆盖的感知对象的各种信息,并发送给观测者。根据以上定义，传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的3个组成局部：无线网络是传感器之间、传感器节点与观测者之间的通信根底，用于在传感器与观测者之间建立通信路径；感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的根本功能。传感器网络中的局部或全部节点可以移动。传感器网络的分布形状也会随着节点的移动而不断地动态变化。与传统的数据采集技术相比，无线传感器网络系统的优势主要表达在：感知范围的扩大：单个人型传感设备虽然能力较强，但感知范围有限。而无线传感器网络通过将大量能力较弱的传感器散布于整个物理区域可以获得较大的感知空间；容错性能提高：无线传感器网络中的节点密集分布，单位区域内的多个传感器在功能上是冗余的。这使无线传感器网络比单个大型传感设备具有更强的容错能力。网络中局部节点的损坏不会影响系统的正常运行，大量的冗余节点可以接替这些损坏节点的工作，为用户提供可靠的数据；测量的准确性提高：单个传感器由于能力较弱，测量的准确性低于传统的大型传感设备。但多个传感器通过数据融合可以提高测量的准确性。尤其是位置接近的传感器在对同一个物理量进行测量时，数据融合可以增强同种信号（正确）的强度，弱化不相关的噪音：本钱降低：虽然用大量的传感器替代了一个大型传感设备,但由于大型传感设备在体积、可靠性、测量精度方面有严格的限制。无线传感器网络的设备本钱仍然远远低于传统的大型传感设备。此外，由于无线传感器网络具有很高的智能性，部署方便，可以长期在无人干预的环境中自主工作，大大降低了使用和维护的本钱。无线传感器网络的上述优势使其在军事、环境、医疗、家庭和其它的商用领域有着很高的应用价值和广阔的应用前景。2 .计算机网络技术计算机网络是计算机技术与通信技术高速开展、密切结合的产物，而互联网是计算机网络技术的成功应用。互联网的应用已经对人类社会生活、政治、经济与科技的开展产生了重大影响，并且将继续发挥重要的作用。物联网是在互联网的根底上形成与开展的，它将使互联网从实验室、办公室与家庭扩展到更为广阔的应用领域。计算机网络是“以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合"。计算机网络具有以下几个主要特征：组建计算机网络的主要目的是实现计算机资源共享，互联的计算机系统是自治的系统，联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为广域网、城域网、局域网与个人区域网四类。2.1.4 物联网的应用应用是物联网存在的理由，是推动物联网开展的原动力。物联网是基于感知技术，融合各种应用的效劳性网络系统.物联网"十二五"开展规划确定了智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗与智能家居九个应用领域。目前全球范围内电能需求的不断增加，地球环境的不断恶化，电网的复杂程度不断增加以及电力平安的要求不断提高，电力行业面临着前所未有的挑战。智能电网的建设升级任务摆到了各国政府面前。智能电网是以发电、输电、变电、配电、用电、调度、效劳与信息等电力系统多个环节为对象，不断研究新型电网控制技术与管理技术，优化电力生产、输变电与使用的全过程，到达“资源、效劳、效益、环境"协调开展的目的。交通是支持一个国家与地区经济、社会开展的命脉，也是涉及每个人日常生活的重要问题。随着我国经济的快速开展，四通八达的公路网、立交桥四处可见，但是交通拥堵、交通事故频发，已经成为出行时最让人头疼的问题。智能交通系统是指通过在交通根底设施、交通工具中广泛应用信息技术与通信技术，从而提高交通运输系统的平安性、可管理性、运输效能，同时能够降低能源消耗和对环境的负面影响。智能交通系统（ITS）研究的目标是实现"公路交通智能化"。智能医疗是将物联网应用于医疗领域，借助数字化、可视化、自动感知、智能处理技术,实现感知技术、计算机技术、通信技术、智能技术与医疗技术的融合，患者与医生的融合,大型医院、专科医院与社区医院的融合，将有限的医疗资源提供应更多的人共享，把医院的作用向社会、家庭以及偏远农村延伸和辐射，提升全社会的疾病预防、疾病治疗、医疗保健与健康管理水平。随着经济与社会的开展，以及欧洲、美国、日本和我国都先后步入老龄化社会，医疗卫生社区化、保健化的趋势日趋明显，智能医疗必将成为物联网中实用性强，贴近名声、市场需求旺盛的重点开展领域。随着计算机技术、通信技术及网络技术的迅猛开展，以及人们居住理念的改变，人们更为关注的是一个高度平安、便捷、舒适的家居环境，随之而提出了一连串的新概念：家庭自动化、家庭数字化、家庭网络化和家庭智能化等。物联网智能家居基于家居内实体（包括设备、人和环境）间的信息互联，一方面可以实现对客观环境以及用户主动行为更加全面、准确、智能的感知和判断，并通过各类设备的协同和联动，相互配合地主动为用户提供适用信息及效劳，从而真正构建出"以人为中心"的智能家居环境：另一方面家庭的各个子系统与网络也不再是独立的孤岛，可以与社区等外界信息和效劳相衔接，从而更加智能地满足用户在家庭中的多种需求，形成更加丰富、方便和更高品质的生活模式。2.2 智能家居关键技术2.2.1 智能家居的定义智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统，将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居平安性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居的目标是：将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，同时保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调-致。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适平安、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间,增强家居生活的平安性，甚至为各种能源费用节约资金2.2.2 智能家居的功能需求人们对智能家居的功能需求主要表达在完善的平安保障、舒适的居住环境和便利的生活条件上。其中完善的平安保障包括家庭周界平安、出入平安、访客控制和家庭防盗、防灾和求助的需求，是否有足够的技术和人力上的支持保障，进一步的需求还包括车辆平安、老人小孩起居的平安。舒适的居住环境主要是对家庭和家庭中的空气、光线、色彩、音乐、温湿度、纯洁水以及能源利用方面舒适程度的需求，注重家庭环境的改善，包括持续的通风、充足的光线、空调的合理利用、控制和家庭节能等。便利的生活条件包括住户对家庭智能化（如信息家电、家庭办公和家庭自动化控制）需求的增加，以及住户如何利用家庭网络资源享受到各种与生活密切相关的社会效劳，这里的网络资源将主要表达在宽带网络上，而宽带网络上的内容效劳（包括智能家居内的和外部公共网络上的）将成为提高智能家居生活便利条件的关键因素。2.2.3 智能家居系统的功能结构为了满足人们对智能家居的功能需求，典型的智能家居系统的组成有：信息处理中心、家电智能控制系统、电动门窗系统、家庭智能照明系统、安防报警系统、环境温度控制系统等。1 .信息处理中心信息处理中心是智能家居系统的核心，既是家庭信息的交通枢纽，又是家庭信息平安的保护神。信息处理中心主要功能是：实现家中不同的家电的互联信息处理：家庭内部网络与外网的数据交流：处理远程操控命令、采集传感器信息，处理监控采集的视频信息：解析报警信息并实时上报给用户；实现对用户的权限认证，确保家庭信息的平安性。信息处理中心相当于智能家居网络的效劳器，是-个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单元，它通过各种途径从多种多样的外部网络接收通信信号，然后通过家庭内部网络信号传送到特定的用户设备匕并将相应信号反应给外部通信节点，实现整个远程交互过程。信息处理中心的实现，PC机完全可以满足要求，但以PC机为载体存在着-些映点，如本钱昂贵，体积较大，不易移动等，所以用其作为硬件载体性价比太低。目前在智能家居系统中，一般采用嵌入式开发平台作为信息处理中心。2 .家电智能控制系统家电智能控制系统主要通过弱电控制强电的方式，来实现对家电定时、开关、功能选择和状态监测等功能。家电智能控制系统主要实现的功能：家电的自动和手动控制，与其他设备之间的联动控制；家电状态的实时上传：通过互联网的远程控制，用户可以在任何地方通过互联网对家电进行控制和状态查询。家电智能控制的优点是：能方便的实现就地控制、场景控制、远程控制等；通过红外或者协议信号控制方式，实现方便互不干扰:通过智能检测器，可以对家里的温度、湿度、亮度进行检测，并驱动电器设备自开工作：系统可以根据生活节奏自动开启和关闭电路，防止不必要的浪费和电气老化引起的火灾。3 .电动门窗系统电动门窗系统主要包括门窗上的电动锁和电动窗帘，主要功能是：对门窗的自动上锁,以防止忘带钥起、忘记锁门窗的麻烦：对电动窗帘的自动控制、远程控制和场景控制，实现对家庭内明亮度的控制，提供应用户舒适的居家环境。4 .家庭智能照明系统家庭智能照明系统主要实现对家庭内所有灯光的智能管理，可以用遥控、电脑、等多种智能控制方式实现对灯光的开关、调光、全开全光及多种灯光效果的实现，从而到达智能照明的节能、环保、舒适、方便的功能。5 .安防报警系统安防报警系统主要实现实时监控非法入侵、火警和煤气泄漏等的发生。主要实现功能是:对室内煤气、烟雾的检测及预警：家中无人时，自动布防；布防后，实时监测非法入侵行为;监测到非法入侵后，通过网络传送给远程控制端，提示用户有报警信息。6 .环境温度控制系统主要实现对室内环境信息的实时监测，包括温度和湿度信息。该系统主要实现的功能：对室内温度和湿度信息的采集；当用户需要套询环境信息的时候，通过网络传送温度和湿度信息。2.2.4 智能家居网络的通信技术智能家居系统的外部网络通信技术一般采用现有成熟的技术,包括互联网、有线电视网、网等。智能家居内部网络的通信技术分为有线技术和无线技术。事实上，有线智能家居的控制信号稳定，但问题也非常突出，除了布线繁杂、工作量大、维护困难以外，本钱高、不易组网也是不小的难题。例如，主人想再添加点智能设备，就要重新扒开墙体，埋入线路，确实麻烦。这些缺点最终导致有线方式的智能家居只停留在概念和试点阶段,无法大规模推广。很显然，这种通过有线方式连接控制信号的智能家居，不具有较强的市场前途和开展潜力。相较之下，无线智能家居那么逐渐占据市场主流地位。主要原因在于，这种智能家居无需纷繁复杂的网络布线；自动组网、设备扩展性强；功耗低，本钱低，符合现代绿色生活理念；维修效劳及时，能够准确地检测故障并修复。下面将重点概述几种比拟通用的短距离低功率的无线通信技术，对各种技术进行分析和比拟1 .红外技术是一种点对点的数据通信技术，通讯距离一般在1米以内。由于红外线的传输不受无线电干扰，本钱低，因此应用范围很广，家庭内部主要表达在家用电器的红外遥控、以及电子产品提供的红外传输接口等。但是要对准方向，且中间不能有障碍物，无法控制信息传输的进度.2 .蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般IOm内）的无线电技术，能在包括移动、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用"蓝牙"技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。由于蓝牙的本钱比拟昂贵，使得其在大规模家居控制中的应用受到很大的限制。3 .RFID技术，即射频识别技术，可通过无线电讯号识别特定R标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID技术可以用于家庭内部的移动物体的感应、静态物体的信息获取等，通信距离最远可达30米，数据传输速率和RFlD标签信息长度、编码方式及每秒钟要求读取标签次数有美。我国为RFlD使用频率划分了双频段:920MHZ925MHz、840MHz845MHz<,但由于目前制造技术复杂、生产本钱高、标准尚未统一等原因，RFID技术在智能家居应用中大规模使用的环境不很成熟。4 .ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议规定的一种短距离、低功耗无线通信技术。其突出特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低本钱，具有自组网和自恢复能力基于ZigBee的无线网络使用的工作频段为868MHZ、915MHZ和2.4GHZ,最大数据传输速率为250kbps,通信距离在10米100米。ZigBee技术是一种比拟完善的近距离低速率双向无线通信技术，适合控制信息的发送和接收。按照ISO模型，ZigBee网络分为4层从上向下分别为物理层（PHL）、网络层（NWK）,媒体访问控制层（MAC）和应用层（APL）.如图2所示。应用层ZigBee联盟击一种一JII/j,*r/、"xa*a<.5.超*网络层一它采用纳秒级的非正弦波窄脉7MAC层:围很费小工'""'Ch以利用低功耗、低复杂度发射/接物理层之内IlJ>.»I-A-K，IM.速无线接入。但是从目前实际情况下，UWI图2ZigBee网络分层，该技术在智能家居方向的应用也有待考量。2.2.5 物联网与智能家居近年来，物联网成为全球关注的热点领域，被认为是继互联网之后最重大的科技创新。物联网通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网的开展也为智能家居引入了新的概念及开展空间，智能家居可以被看作是物联网的一种重要应用。物联网为家居智能化提供了技术条件，使智能家居成为可能，表现在：物联网所包括的自动感知技术、传感器技术、计算机技术、网络通讯技术、信息协议交换、嵌入式技术等，使得物品具有数据化的身份标识，借助家庭网关，数据可以电信网、互联网、广电网上对内和对外的流动。智能家居是物联网技术应用生活的具体表现，使一个抽象概念转变成现实应用。物联网的技术推广成为推动智能家居开展的催化剂，智能家居系统逐步朝着网络化、信息化、智能化方向开展，智能终端设备的产品也逐步走向成熟，尤其以ZigBee为代表的先进技术应用，使得物联网通信技术往无线方向开展，也从一定程度上降低了产品的本钱，更容易推广和接受。传统的智能家居虽然也具备一定的系统性，提供了诸多应用，但是没有突出与互联网技术、感知技术的有机融合。把物联网技术应用于家庭环境，实现对智能家居系统的全面提升。智能家居在我国己经开展十多年的时间，但是智能家居行业还没有开展到一定的规模，物联网作为一个新的经济增长点，受到各兴旺国家和新兴经济体国家的大力推崇，智能家居行业作为物联网的一个重要组成局部将会受到了社会各界前所未有的关注，对智能家居行业的厂商来说将迎来难得的开展机遇。2.2.6 Zigbee技术Zigbee是无线通信技术的一种典型代表，它在检测和控制方面有广阔空间，而且本身具有近距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、低本钱的绝对优势，这些与智能家居系统对家庭网络技术的要求不谋而合，已经确定了其取代有线组网，成为无线组网的最正确选择的地位:另一方面，市场上存在很多能够支持ZigBee技术的芯片，例如TI公司的CC2430、CC2530、CCllOl,飞思卡尔公司的MCl3XX系列等，廉价的价格，能大大地降低得智能家居系统的本钱，因此高额的性价比最有可能被百姓接受。ZigBee是一个由可多到65000个无线数据传输模块组成的-个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每-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-个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承当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联盟那么于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参加了此联盟。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协议那么比蓝牙技术、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的根本速率是，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，假设网络中参加路由节点，那么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、工业监控和平安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。网络节点那么以ZigBee协议为根底进行通信，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)本钱低。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本钱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，而参加路由节点的ZigBee网络最多可容纳多达650多个节点的网络。数据传输速率低。只有Iokb/S250kb/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,美国那么使用915MHZ频段，但这些均是免申请频段，可以宜接使用。(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到达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参加网络后，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协议标准中，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3ZigBee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协调器那么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，而路由器那么对网络进行扩展，终端设备的信息由路山器进行转发,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联盟在协议根底之上，规定了ZigBee协议的网络层与应用层协议标准。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效劳接口。网络层提供了两个必须的功能效劳实体来向应用层提供效劳接口，它们分别是管理效劳实体和数据效劳实体。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，再根据效劳的需求为各个不同的节点提供通信效劳。ZigBee应用层有三个不同的局部分别是：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，确保家庭环境的平安，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平安状况；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局部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，很多工程建成后用户根本无法更新升级。物联网一个根本特征就是无处不在、无所不知。物联网的目标是开展绿色全无线技术，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、强平安通讯、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。设计原那么为以下几点: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，尽量降低本钱。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 .平安性。包括系统运行过程的平安性和耐久性。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