基于zigbee的智能家居物联网系统设计-学位论文.doc

密 级桂林电子科技大学硕 士 学 位 论 文（全日制专业学位硕士）题目 基于 ZigBee 的智能家居物联网系统设计（英文） The Design of IoT System forSmart Home Based on ZigBee研 究 生 学 号:1108520824研 究 生 姓 名:田仲明指导教师姓名、职务:覃远年（副教授）申 请 学 位 门 类:工程硕士学 科、专 业 名 称:电子与通信工程提 交 论 文 日 期:2014 年 4月论 文 答 辩 日 期:2014 年 6月摘要摘要智能家居是一种利用先进的计算机技术、嵌入式系统和网络通信技术将家庭中的 各种设备通过网络连接到一起的物联网系统。当前市面已经出现的智能家居产品中， 存在组网复杂、成本高、便捷性差、受众人群有限等诸多问题。本课题应用 ZigBee 无线通信技术和电视机 Android 平台，以 CC2530 作为终端模 块来实现智能家居的局域网组建。随着智能电视、云电视的普及，用户无需在电脑上 进行复杂的操作，就可以让家庭生活的变得更加舒适、安全和便捷。本文的研究工作包括：1） 对智能家居需要实现的功能进行分析，设计智能家居的整体方案，并对ZigBee 芯片进行选型。2） 智能家居硬件模块的设计和测试。其中协调器以 CC2531 为核心，实现中枢 传输的作用；终端模块以 CC2530 为核心，实现监控家庭的安全，控制家用电器，以 及统计家庭电量的等功能。3） 通过对 ZigBee 标准协议的分析，选用 TI 公司的 Z-Stack 协议栈，制定出一套 符合智能家居性能要求的通讯协议，编写了系统的驱动代码和应用层代码，同时根据 智能家居的特点对终端节点的软件进行优化和调整。经测试，本课题所设计的智能家居系统可以保证软硬件长时间持续稳定的工作， 能够准确采集数据并可实时调整家居环境。本设计在电视机 Android 界面上进行智能 家居的控制操作，在国内尚属首次，具有创新性和实用性。经过实际的开发和市场调 研，已经可以达到预期的效果。关键词： 智能家居， ZigBee， CC2530， 电视机IAbstractAbstractSmart Home is one of the IoT system which use advanced computer technology, embedded system and network communication technology to connect various house applications via a network. There are many problems among the Smart home products exists in the current market, such as network complexity, high cost, convenience poor, limited audience crowd and other shortcomings.This system adopt ZigBee wireless technology and TV Android platform, using CC2530 as the terminal module to achieve smart home LAN, the user use TV as the operating platform, through three terminal modules to monitor home security environment, control appliances, accounting electricity statistics household use. With the popular of the Smart TV and Cloud TV, there is no need of a complex operations on the computer, which is convenient for those who are not familiar to the computer like older people and others, then a more comfortable, safer, more convenient house life could realized.Researches in this paper:(1) Scrutinize relevant documents to analyze and verify the feasibility of the system, and carried out the selection ZigBee chip. (2) Implement all functions of the system, we conduct a design of coordinator, intelligent control module, security monitoring module and power statistics module, in which CC2531 as the core of the coordinator, to achieve a central role in transmission. CC2530 as the core of the terminator to monitoring home security, to change family living environments, control household appliances and count power statistics. (3) After a deep research on the topology structure of ZigBee wireless communication network, and in-depth analysis of the ZigBee standard protocol, we choose Z-Stack protocol stack of TI Corporation and compile sensor and controller driver code and application layer code, meanwhile according to the characteristics of the system we optimize the software of terminal nodes. After the test and validation, the entire structural framework and communication protocols of IoT TV has been erected in this paper, The Smart Home system designed could ensure the continued stability of hardware and software for a long time, and could accurately capture sensor data and real-time adjusts home environment. The design of Smart home is the first time on TV Android operating interface, but also the first time in the country, with innovative and practical. The effect demonstrated can be achieved through development and market research. Key words: Smart Home, ZigBee, CC2530, TVII目录目录摘要 .IAbstract.II目录 .III第一章 绪论 .1§1.1 课题的研究背景及意义.1§1.1.1 研究背景.1§1.1.2 课题研究的意义.2§1.2 智能家居国内外发展现状.3§1.2.1 国外发展现状.3§1.2.2 国内发展现状.3§1.3 课题的研究内容和论文结构.4第二章 ZigBee 技术介绍.6§2.1 几种短距离无线通信技术.7§2.1.1 几种短距离无线技术.7§2.1.2 短距离无线技术对比.8§2.2 ZigBee 协议标准.10§2.3 IEEE802.15.4 协议标准.11§2.3.1 物理层（PHY）.11§2.3.2 介质接入控制子层（MAC）.12§2.4 ZigBee Pro 协议标准.13§2.4.1 网络层（NWK）.13§2.4.2 应用层（APL）.14§2.5 ZigBee 的设备与网络.15§2.5.1 ZigBee 设备类型.15§2.5.2 ZigBee 网络拓扑结构.16§2.6 ZigBee 技术的应用.16§2.7 本章小结 .18第三章 智能家居系统总体框架和硬件设计.19§3.1 智能家居的特点.19§3.2智能家居功能需求分析.20§3.3ZigBee 用于家庭组网的可行性分析.21§3.4 智能家居系统总体框架.21§3.5 智能家居控制节点硬件部分设计.22§3.5.1 ZigBee 芯片的选型.22§3.5.2 CC2530 特性及外部电路设计 .23§3.5.3 CC2531 处理器模块设计 .26§3.5.4 CC2591 射频电路.28§3.6 硬件测试 .29§3.7 本章小结 .31第四章 智能家居系统模块的软件设计与实现.32§4.1 软件开发环境.32III目录§4.2 Z-Stack 协议栈33§4.2.1 Z-Stack 协议栈设计33§4.2.2 OSAL 调度机制35§4.2.3 任务处理36§4.2.4 时间管理38§4.3 ZigBee 节点的程序设计38§4.3.1 协调器程序设计38§4.3.2 路由节点软件设计41§4.3.3 终端节点程序设计43§4.4 模块的初始化及整个网络的建立45§4.4.1 通用的 ZigBee 模块初始化45§4.4.2 整个网络的建立46§4.4.3 协调器在网络中的作用48§4.5 终端模块的设计与软件实现48§4.5.1 红外智能控制模块48§4.5.2 安防监控模块(即红外人体检测模块)52§4.5.3 电能计量统计模块55§4.6 本章小结59第五章 总结与展望60§5.1 总结60§5.2 研究展望60参考文献62致谢65作者在攻读硕士期间主要科研成果66附录 I 智能家居物联网电视 Zigbee 通讯协议 I67附录 II 智能家居物联网电视 ZigBee 通讯协议 II73IV第一章 绪论第一章 绪论§1.1 课题的研究背景及意义§1.1.1 研究背景随着我国社会主义经济的迅速发展，科技发展越来越快，信息化建设又在不断 深入，人们越来越追求一种快捷、方便、实用、智能、舒适的生产生活方式，对居住 环境的要求也越来越高。与此同时，随着智能通信技术的迅速普及，在我们平时的生 活工作学习中，智能家居相关产品已经得到了广泛的使用。这些产品通过与计算机、 通信技术的结合，给人们的家居生活带来了全新的、与众不同的生活体验。换句话说， 智能家居正在蓬勃的发展，家居的智能化正成为一种社会趋势。当今数字化、信息化 发展迅猛，随着信息领域的飞速发展,移动通信和互联网技术已经成为的两大重要的 技术产业，最新的信息、通信、电子、计算机方面的一切新技术都被这两个产业采纳 和吸收，这两个产业相互结合、取长补短，其网络覆盖面也越来越大，包括安防、监 控、数据采集和传输等各方面都釆纳了这些技术，以求达到行业的更便捷与高端。智 能家居就是将家中的各种设备（照明系统、安防系统、智能家电、环境控制系统等） 有机的结合起来，人们通过智能家居系统可以很好的监控家里的状况，远程操控家里 的电器同时它还可以根据不同的状态自动调节，从而给用户带来极大的便利、舒适与 安全8。目前市面上已经出现了很多智能家居产品9，但是也面临很多问题： 1）网络组件技术问题目前市场上智能家居厂商使用到的技术主要包括X-10电力载波技术11、无线射频 技术、集中布线技术。其中X-10电力载波技术存在着信号干扰问题，在用电高峰对控 制信号产生较大干扰，影响设备正常使用；集中布线施工麻烦，造价较高。无线布线 简单、方便得到业内人士的认可，所以各种短距离无线通信技术不断的涌现，如：红 外技术、蓝牙技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术等。2）成本高、便捷性差： 家庭内部控制网络方式可以分为有线和无线两种。目前，已经有很多成熟的有线通信技术应用于智能家居系统中，如LonWorks，X-10，RS485，CAN-Bus等。其中以 其X-10价格便宜、安装较为简单而被广泛采用，仅在美国就有超过400万的用户。而 LonWorks虽然品质及性能都较X-10好，但价格昂贵，因此未能大规模的普及。RS485 主要用于自动化工业控制场合，CAN-Bus则主要应用于汽车工业领域。以上技术成熟， 应用广泛，但它们都是有线形式的，安装或者增减设备时需重新布线，系统安装和维 护成本高，系统可扩展性和移动性能较差。1基于 ZigBee 系统的智能家居物联网系统设计3）缺乏统一的、规范的行业标准 由于发达国家在智能家居这个领域起步比较早，从一开始就有了智能家居的概念和标准，并伴随着通信技术和网络技术一块成长，使传统建筑业和IT行业有了很深的 融合。而中国与发达国家不同，住宅的定位从一开始就不同，存在很大的差异，建筑 业和IT行业这两个行业各自发展，交集的机会很少，导致现在很难整合一套让大家都 满意的标准，虽然推出了上百个产品，但是这些产品互不兼容，造成了很大的资源浪 费。4）功能华而不实 目前市场上的智能家居产品为了追求功能强，花样多，在稳定性和可靠性上面却表现的差强人意。用户使用智能家居系统最关心的是安防、家电控制等功能，如果在 这些简单的功能都不能表现的很稳定，其产品必定会成为废品。5）受众人群有限现在市面上出现的很多智能家居系统，都是依靠个人电脑 PC 来控制的，随着现 在中国慢慢的进入老龄化社会，上了年纪的老人们对电脑的操作不熟练，而且看电脑 屏幕的字太小而“眼花”，所以生产出一款适合各年龄层的用户的智能家居系统势在 必行。§1.1.2 课题研究的意义随着人们生活水平的提高，伴随着第四代移动通信技术（4G）、无线网络技术的 逐渐普及和形成规模，人们对生活质量提出更高的要求，人们开始期盼一个智能化、 信息化的家居环境，虽然目前智能家居系统有了一定的发展，市面上使用的无线技术 有很多，如蓝牙，Wi-Fi 技术等，但从总体发展来看，没有统一的标准，协议复杂、 成本高、耗电量多等诸多问题，严重影响了智能化的发展，所以在家用系统控制方面 推广是有较大困难的。而本文提出的无线智能家居的设计是基于 ZigBee 技术的，因 为 ZigBee 技术具有低功耗，低成本，易于组网和维护，采用簇状网络的同时会具有 自愈性的独特优点，能够克服意外导致的网络瘫痪的弊端等，可以很大程度上解决上 述问题。本课题使用电视机 Android 作为智能家居的上位机，包括用户登录界面、环境状 态信息界面、家电控制界面、视频监控界面，在国内尚属首次。而且现在电视机越做 越大，42 寸、53 寸，目前世界上最大的电视机已经有 110 寸，这些不仅解决了老人 对电脑不熟悉的问题，也解决了老人们因电脑或平板电脑字太小而“眼花”的烦恼， 可以让不同的用户只要打开电视机就可以即时地观察到家居内部环境信息和控制智 能家电。2第一章 绪论§1.2 智能家居国内外发展现状§1.2.1 国外发展现状自从 1984 年美国出现首个智能建筑以来，由于它的优势以及广阔的发展前景世 界各国相继推出自己独具特色的智能家居方案，尤其是一些经济发达国家和地区，如： 加拿大、欧洲、澳大利亚、新加坡、日本等，智能家居在这些国家得到了广泛的应用。 1998 年 5 月新加坡举办的“98 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，推出了 适用于新加坡本土特色的家庭智能化操作系统。该系统通过模拟“未来之家”的方式， 将智能家居和软件配置等有机的结合起来，打造了这样一个独具特色的智能家居模 式。美国在家庭智能化系统起步比较早，并在这方面处于领先地位。近些年美国推出 的 X-10 产品11，从一出现就受到一致的好评，其市场的占有率非常高，销售已超 1亿个，仅在美国就有 400 万个家庭在使用。X-10 这种智能家居模式主要为单体别墅 设计，广泛应用于旧房的改造。正是由于 X-10 的成功，让全球电子相关行业的大公 司眼红，其中包括 Intel、Motorola、IBM、三星和松下等，这些企业为了能够分到一 块蛋糕，陆续推出了自己的智能家居方案。三星公司嗅觉最敏锐，第一个推出了自主 研发的智能系统。该系统通过机顶盒和因特网，将自动控制、信息电器、安防设备以 及娱乐和信息中心集合在一起，组成的一个面向无线互联网的家居控制网络，可以通 过多种方式（如：手机、英特网等）进行状态查询和控制，是定位为高端的新型智能 化系统。§1.2.2 国内发展现状我国从2000年初起才开始着手智能家居技术的研究和开发，介于其他国家的经验 和先例，国内一些大型企业，如海尔、科龙、海信、清华同方等企业也相继推出了各 自的产品，经过十几年的发展后正迅速走向成熟。并且推出了自主研发的智能家居产品9：1) 科龙集团的“智能网络安居系统”：智能网络安居系统主要由家庭网关、安 防控制器、抄表控制器、灯控制器、家庭控制器及家庭总线等部分组成。可以通过互 联网进行远程连接，实现家庭设备的异地控制。该系统特别之处还在于充分运用了现 有的电视机遥控器的衍生功能：通过电视机遥控器对关灯、空调、冰箱等家电设备进 行控制，具有自适应能力很强的特点。2) Haier U-Home家电：海尔的U-home家电应用产品，实现了可以通过各自方式（发短信、发邮件、电视遥控等）对空调、灯光等家用电器的自动控制。它向客户提3基于 ZigBee 系统的智能家居物联网系统设计供高质量、高可靠性的整体解决方案，为用户带来全面家居体验。U-home提供了整套的产品模式（包括智能家庭模式、智能小区模式、智能酒店模式）。海尔还对其相关的U-home家电应用数字技术和网络技术产品，提出“成套家电”的营销模式，提出针对单一家庭定制个性化成套家电的整体设计、整体服务”营销理念。3) 清华同方推出的e-Home数字家园：在“城市·社区·楼宇”智能与安防科技展览 会上，清华同方基于各种现有技术（家庭自动化和建筑自动化技术、网络技术、计算 机技术以及控制技术等）上推出了“e-home”的各种解决方案（如：智能小区整体方 案、公共监控解决方案以及智能大楼解决方案等），“e-home数字家园”为家庭及小 区提供全面的数字服务。“e-home数字家园”的主要目的是使人们的生活与工作实现 网络化、家居智能化、社区智能化。总而言之，智能家居的发展方兴未艾，它是二十一世纪住宅科技发展的重要标志。§1.3 课题的研究内容和论文结构本课题来源于作者在实习期间的在研项目，是实现网络与信息家电产业化，构建 现代化智能家居的重要组成部分。本课题综合了ZigBee无线通信技术在智能家居控制系统中的应用进行了研究，设 计了一套简便、高效、成本低、可扩展性好的以电视机Android为上位机的控制平台 智能家居应用系统，用于实现用户远程监控家居内部环境和控制家居内的智能家电， 解决了以往的智能家居系统只能在PC机上完成的局限性。本课题中，作为上位机的 电视机Android控制平台的研发工作、电视机的UI界面的设计工作，由其他项目组同 事来完成。本文的研究内容主要包括以下几个方面：1) 为了设计出更合理的智能家居系统，对智能家居需要实现的功能进行了详细的 分析，按照不同需求、不同功能的实现进行了整体方案设计，对系统方案可行性进行 分析，并对 ZigBee 芯片的进行选型。2) 为了达到智能家居整体方案设计的要求，制定一套符合智能家居，具有安全、 节能、便捷性能的通讯协议，通过对 ZigBee 无线网络的拓扑结构的研究，深入分析 了 ZigBee 标准协议，选用了 TI 公司的 Z-Stack 协议栈，编写了传感器和控制器的驱 动代码和应用层代码，同时根据智能家居的特点对终端节点的软件进行优化和调整。3) 为了实现智能家居系统各个模块的功能，进行协调器、智能控制模块、安防监 控模块和电量统计模块的设计。其中协调器以 CC2531 为核心，实现中枢传输的作用； 终端模块以 CC2530 为核心，实现监控家庭安全，控制家用电器以及统计家庭电量的 功能。4第一章 绪论本文组织结构安排如下：0 1 章：绪论。主要介绍了本课题的选题背景、研究意义及国内外家居智能控制 技术的研究现状及其发展趋势。 0 2 章：ZigBee 技术介绍。比较几种常见的无线通信技术，重点阐述了 ZigBee 技术的优点，ZigBee 的协议标准、网络的构成，以及 ZigBee 技术的应用。 0 3 章：智能家居系统的总体框架和硬件设计。通过对智能家居功能需求的分析， 系统方案可行性分析，对 ZigBee 芯片进行选型，并对协调器、智能控制模块、安防 监控模块和电量统计模块等模块进行硬件设计。 0 4 章：智能家居模块系统模块软件设计与实现。介绍软件开发环境，根据智能 家居控制系统的功能要求，给出基于 ZigBee 技术的智能家居控制的软件实现方案， 对终端节点的软件进行优化和调整，并给出软件设计的具体流程和实现效果。 0 5 章：总结与展望。对本课题的研究工作进行总结，并提出继续研究和改进的 方向。 5基于 ZigBee 的智能家居物联网系统设计第二章 ZigBee 技术介绍ZigBee 是 IEEE802.15.4 的扩展集，通过在开放系统互连 OSI(Open System Interconnection)模型的各层中采用适当的协议进行优化组合,以期待达到高可靠性和 低功耗的设计要求。IEEE802.15.4 工作组主要负责制订物理层及 MAC 层的协议， ZigBee 在此基础上定义了系统的高层，包括可采用的网络结构、通信安全、应用会 聚层和高层应用规范，使得来自不同厂商的设备可以协同工作。ZigBee技术是主要应用于自动控制领域的一种距离短、功耗低、复杂度小、低数 据速率、低成本的双向无线通信技术15。该技术并不是完全独有、全新的标准，而是 在标准规范制订方面，由IEEE802.15.4小组16与ZigBee联盟分别制订：IEEE802.15.4小组制