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1、1.绪 论1.1研究背景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。但目前国内的研究尚未建立一个完整的理论体系，对智能家居的理解也存在着种种差异;当前国内的智能家居产品大都功能贫乏，系统设计不规范、扩展性差，对当前的发展形式较难适应，同时智能家居技术在我国处于起步阶段，许多技术标准都未标准化，还有很多工作需要做。因此加强智能家居应用方面的研究，通过选取合适的技术，设计合理的方案，组建一
2、种符合我国国情的、具有自主知识产权的智能家居系统己成为当前智能家居研究领域中极富挑战的课题。1.1.1 智能家居控制系统的应用需求 随着人们生活水平的提高，智能化需求日益旺盛。智能控制器作为智能产品的核心器件应该享有更为旷阔的发展空间，未来成长较好。中国智能控制产品规模与全球智能控制产品规模的增长率走势相接近，但是整体增长速度超过全球增长速度。全球智能控制产品市场规模，逐年稳步增长。 国内智能家居产品多集中在别墅和复式住宅等高端家庭，高端智能化产品在智能家居销售份额中占很大的比重，中低端产品市场普及率较低。并且各地区间发展不平衡，主要集中于东部沿海发达城市，而中西部城市智能家居市场相对空白。另
3、外，上海的智能家居市场的需求量较其他城市需求量大，主要原因就是上海的经济发展更好一些。智能家居发展初期始于安防控制，家庭用户主要采用环境监测、煤气探测、温湿度调节、防火报警等功能保障财产安全。目前，由于城市的安全环境越来越好，人们更注重的则是家居的舒适和便利，而安防的侧重点将会越来越少。为此环境控制和娱乐服务控制日渐成为更多智能家居市场更大的需求点。1.1.2 智能家居控制系统的研究及应用现状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。智能家居是指在小区
4、内部宽带网络己经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统。首先，在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，智能家居的最终实现目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。智能家居从功能上来说，主要分为家庭安防功能、家庭数据采集功能、家电及家庭电子设备控制、家庭信息管理平台和家庭能源控制功能等五大功能。现在，世界各国都在跻身于网
5、络信息服务技术的家庭应用，硅谷目前的投资和研发热点就是这方面的应用。圣保罗风险资本公司、Flatiron合伙公司和松下电子公司已经拨款1.4亿美元，投资于支持智能家居的信息家电公司。诺基亚、摩托罗拉和至少另外五家电话制造商正在开发网络电话。而惠普、IBM、太阳微系统和索尼等公司正准备推出大量新发明的小玩意儿。从巴掌大小的扫描仪到赋予这些装置动力的芯片和软件等不一而足。当前，我国对智能家居的研究刚起步。1994年，国家科委立项资助重大科技项目“2002年小康型城乡住宅科技产业工程项目”其目标是以科技为先导。以示范住宅小区建设为载体，推进我国住宅产业现代化，构建新一代住宅产业，在该项目中，把智能型
6、住宅技术列为重中之重，开展技术、产品与工程的应用研究。2000年9月，长虹、海尔、春兰、TCL、小天鹅、上广电、厦新、电子三所、清华同方、中兴通9讯等数家家电巨头和科研院所参加了国家经贸委2000年国家技术创新重点专项计划“家庭信息化网络技术体系研究及产品开发”项目工作会议会议。此次会议成立了“中国家庭信息网络制标技术委员会”。该委员会将联合开发家庭信息网络中的共性技术和产品互联规范，实现消费类电子、通信和计算机行业间的大范围协作。现在国内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，例如三表抄送子系统(电表、水表和天然气表)
7、、门禁子系统、可对讲子系统、医疗求助子系统和控制子系统等。这些子系统互相独立，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。一个智能家居系统应该将家居的安防系统，家电控制系统，通信系统，网络应用系统等等应用系统进行统一管理，实现互联，系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过电话或者Internet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。1.2课题研究目的及意义1.2.1本课题的研究意义本文针对人们的需求和市场上现有安防产品的不足，提出了一种“系统控制中心ZigBee无线传感器网络的智能家居安防系统
8、解决方案。方案采用了现代先进的技术成果，功能完善、性价比高，能够被广大用户所接受，同时克服了现有安防产品的不足。系统用户可以根据需求来选择不同功能的传感器节点，这样既可以最大化地满足用户的需求，又比较经济实惠。同时，系统将各种报警探测器集成在家庭内部网络中，方便各种报警探测器之间协同工作和集中控制，解决了现有安防产品功能单一的缺陷。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的高频部分采用了直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，D
9、SSS)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。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。1.2.2 本课题的研究目的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、易配置的家居中央控制平台。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
10、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。1.3论文的主要工作和结构(1)概述了智能家居系统的功能及国内外发展现状。(2)阐述了智能家居系统的构架、家庭网络及智能家居控制平台涉及的相关技术。(3)详细介绍了智能家居控制平台实现的功能，并提出了智能家居控制平台的设计方案。(4)详细介绍了智能家居控制平台的硬件选型以及硬件设计。(5)详细介绍了研究及实现智能家居控制系统所必需建立的软件开发环境，软件开发平台的搭建过程以及软件设计开发所采用的原理和方法。(6)最后对全文进行了总结，并提出设计中存在的问题和需要改进的方向
11、。2ZigBee关键技术介绍ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。2.1IEEE802.15.4简介随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内信的需求，这样就出现了个人区域网络（personal area network, PAN）和无线个人区域网络（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方
12、式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作组。这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。 在IEEE 802。15工作组内有四个任务组（task group, TG），分别制定适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。下面是四个任务组各自的主要任务：
13、（1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。 （2）任务组TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与 IEEE 802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。 （3）任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。 （4）任务组TG4：制定IEEE 802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-rate
14、wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。 任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。 LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。 IEEE 80
15、2.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点： （1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率； （2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构； （3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址； （4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）； （5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。2.2 ZigBee协议无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应
16、用层等)，传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。Zigbee的基础是IEEE 802.15.但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络
