《無線感測器網路技術》
設計方案
題目： 基於zigbee的智慧型家居設計
學院自動化學院
班級15級自動化3班
學號115110001089
姓名金威
任課老師黃成
基於zigbee的智慧型家居設計
姓名：金威學號：115110001089
摘要隨著物聯網技術的發展，智慧型家居系統在人們的生活中應用越來越廣泛。相對於傳統的智慧型家居系統，基於物聯網技術的智慧型家居系統效能更優越，體現在佈線靈活、成本低、可擴充套件性好等方面。
本設計選用zig bee技術構建了智慧型家居無線通訊網路，選定星型網路作為智慧型家居系統的拓撲結構。其次運用三星公司的s3c2440和win ce作業系統搭建了嵌入式智慧型家居閘道器，並對嵌入式智慧型家居閘道器進行了軟、硬體設計。最後將嵌入式智慧型家居閘道器、智慧型手機、感測器節點組建了乙個智慧型家居系統模型，經過一系列實驗實現了以下功能：
1.智慧型家居系統內部組網的實現。
2.使用者通過家居網關對智慧型家居系統進行現場監控。
3.使用者通過智慧型手機對智慧型家居系統進行遠端監控。
第一章感測器網路結構
1.1 家居感測網路簡介
智慧型家居感測網路是由分布在居住環境區域內的若干感測器節點組成，這些感測器節點通過無線技術構成自組織網路，其主要功能是感知、採集和處理網路所覆蓋家居中感知物件的各種資訊，如溫度、氣體等，並將節點感知的資訊傳輸到智慧型家居閘道器，之後通過網際網路或 gprs 到達 pc 機或智慧型手機，並通過管理裝置介面顯示出來。從網路的角度來看無線感測器網路也是乙個完備的網路體系，由多個節點組成在一起，不同的節點扮演不同的功能實體。
典型的智慧型家居感測網路通常由無線感測器節點、智慧型家居閘道器和管理裝置組成，在本文中管理裝置是指 pc 機或智慧型手機，智慧型家居感測網路體系結構如圖1.1所示。
圖1.1 智慧型家居感測網體系結構圖
無線感測節點部署完畢後，經過自組織方式構成網路。無線感測器節點監測的目標訊號經本地簡單處理後傳輸到智慧型家居閘道器。使用者通過外部網路，比如 gprs 或internet，與智慧型家居閘道器進行互動。
智慧型家居閘道器也可以向網路發布查詢請求和控制指令，接收感測節點返回的目標資訊。
從整個網路功能來分析，感測器節點發揮了路由器和終端節點的雙重角色，它主要完成以下功能：
首先完成本地資訊採集，其次暫存、處理以及傳送其它節點**來的資料，最後協同其它節點共同完成一些特定的任務。無線感測器節點主要由感測器、處理器、無線通訊模組和電源這四個模組組成。其中，感測器完成資料的採集和轉換，處理器完成整個節點的控制和資料處理，無線通訊模組完成無線通訊任務，實現資訊的交換，電源為感測器節點提供工作電壓。
使用者通過智慧型家居閘道器向網路傳送操作命令，對感測器節點進行配置和管理，收集感測器節點採集的資訊，然後對資訊進行處理和分析，把更為精確的監測結果送到使用者手裡。智慧型家居閘道器比普通感測器節點的電量更加充足、其資料儲存空間比較大，運算速度也相對快速，因此它的資料處理能力、儲存能力和通訊能力相對較強。
此外，智慧型家居閘道器還是無線感測器網路與外部網路之間的橋梁，負責實現不同協議之間的轉換。
1.2 設計目標
本設計主是一種基於zigbee技術的智慧型家居系統，重點工作是對家居網關的軟、硬體設計，最後將感測器技術、無線通訊技術以及嵌入式技術結合在一起，設計了一套智慧型家居系統簡易模型，通過智慧型手機登陸智慧型家居系統，實現對智慧型家居遠端監控的功能。
第二章基於zigbee的無線組網
智慧型家居網路的技術基礎是組網技術，在進行家居組網時，不但要考慮選取恰當的網路拓撲結構，而且還必須考慮選定合理的組網方式和技術。鑑於家居內部電器裝置密集、感測器數量較少、通訊距離較短等特點，因此在本系統中選擇 zigbee 作為無線組網技術。
zigbee:zigbee 一詞**於蜜蜂的傳播資訊的方式，蜜蜂通過跳zz形狀的舞蹈向同伴傳遞發現食物的資訊。zigbee 是一種近距離、低複雜度、低功耗的無線雙向通訊技術。
在標準化方面，2023年12月成立了ieee802.15.4工作組，該工作組致力於研究無線通訊技術，zig bee 正是這種技術的代名詞。
ieee802.15.4 工作組主要負責制定物理層和mac層的協議，其餘協議主要參照和採用現有的標準。
zigbee 的工作頻段為2.4ghz 和868/915mhz，這三個頻段的物理層各不相同，所對應的頻寬分別為 0.6mhz，2mhz 和 5mhz。
2.4ghz 採用的是十六相位正交調製技術，定義了16個通道，868/915mhz都是採用二進位制移相鍵控的直擴序列調製(dsss)技術，它們之間最主要的區別是工作在不同的頻率之上，資料的傳輸速率也不相同。zigbee 的實際傳輸範圍一般介於 10～100m 之間，相鄰節點增加發射功率後，傳輸範圍可增加到1～3km。
作為一種新型的無線通訊技術，zigbee 具有非常顯著的特徵，這些特徵也直接影響了其廣泛的應用用範圍。
第三章智慧型家居系統總體設計
智慧型家居系統是安裝在家居場所中的通訊系統，通過本地監控和遠端監控兩種方式實現對家居環境的了解，從而實現家居裝置管理的智慧型化。使用者通過 pc 或手機登入智慧型家居監控系統，實時檢視家居內部資訊，真正實現了「人在路上，家再手中」這一目標。
3.1 技術要求
目前 zig bee 技術廣泛的應用在 pc 外設、消費類電子產品、智慧型家居控制、醫療技術以及工業自動化等領域，由於zigbee 無線網路是自組織網路，其靈活性較高，因此可將zigbee技術應用到智慧型家居系統的內部網路中來，通過對智慧型家居相關技術和使用者需求的分析，結合本**對智慧型家居系統模型提出以下設計要求：
1）無線組網，採用 zigbee 技術構建智慧型家居網路，實現了家居網路從有線到無線的轉變，並完成對感測器節點的控制。
2）本地監控，在住宅中使用者可以通過家居網關對智慧型家居系統現場監控。
3）遠端監控，在遠離住宅的任何地方，使用者可以通過 pc 機或智慧型手機快速接入網路，進而實現對智慧型家居系統的遠端監控。
4）降低功耗，充分利用休眠模式來延長感測器的使用壽命，避免了頻繁更換電池的麻煩。
本智慧型家居系統擬實現的主要功能如下：
1）嵌入式系統代替 pc 機來構建智慧型家居閘道器。
2）構建人機互動介面，方便使用者對感測器的控制以及裝置狀態的查詢和修改。 3）在智慧型家居閘道器上構架 web 伺服器，使用者通過瀏覽家居網頁即可進行遠端實時檢視家居環境狀況。
4）在實驗系統模型中實現了對溫度，瓦斯等功能的簡單查詢。
3.2 智慧型家居體系結構的選擇
3.2.1 智慧型家居網路的兩種常用結構
家居網路從結構上可以分為兩種即集中式結構和分布式結構。
1.中式結構：該結構以家居網關為核心，家居網關一端通過小區網路(或寬頻接入點)接入 internet，另一端則分別通過三個介面與資訊網路、控制網路和多**網路連線，如圖 3.
1所示。
圖3.1 中式家居網路結構
可見如果家居網關出現故障將會導致整個系統癱瘓。
2.分布式結構：該結構以資訊網路(通常指 tcp/ip 計算機網路)為核心，資訊網路一端通過家居網關接入小區網路(或寬頻接入點)，另一端通過子閘道器連線控制網路和多**網路，如圖 3.
2 所示。
圖3.2 分布式家居網路結構
在整個網路結構中，各節點處於同級狀態，任意兩節點之間都可實現通訊，從而形成各節點間的資訊共享，此外，某一節點進入或退出網路都不會對其它節點造成影響。考慮到以後家用電器的添置或移動，要滿足即插即用性，因此設計家居網路時常採用分布式結構。
3.2.2 分布式家居網路結構簡介
分布式家居網路採用分層次的網路體系結構，該結構分為兩個網段：家居主網和家居控制子網。其中，家居主網通過家居主閘道器與外部網路相連線，家居控制子網通過子閘道器與家居主網相連線。
家居主網中的裝置可以互相通訊，並通過家居主閘道器訪問外部網路。家居控制子網中的裝置通過子閘道器、家居主閘道器與外部網路通訊。圖3.
2為分布式家居網路體系結構。
圖3.2 分布式家居網路體系結構
在家居網路中家居主網通常包括家居主閘道器、資訊裝置、娛樂裝置、通訊裝置、家居控制子閘道器等裝置的網段。家居控制子網一般包含家居控制子閘道器、移動控制終端、照明裝置、感測器裝置等。 家居主閘道器是家居主網中的一種裝置。
家居主閘道器能夠與家居主網中的裝置實現互聯，為各種加入裝置提供外部網路介面，實現對家居主網的配置和管理，同時作為家居伺服器被內部裝置和外部網路訪問。
家居控制子閘道器是家居控制子網中的一種裝置。家居控制子閘道器能夠與家居控制子網中的裝置實現互聯，同時為家居控制子網內的各種裝置提供與家居主網的介面，為各子網裝置提供各種服務，並實現對家居網路控制子網的配置和管理。
3.2.3 zigbee 網路拓撲結構的選擇
zigbee網路層（network wizard kde）支援星型、樹型和網型網路拓撲結構，如圖3.4 所示。
圖3.4 zigbee網路拓撲結構
由於在本系統模型中用到的感測器節點數目相對較少，因此本系統採用星型拓撲結構。它是由乙個全功能協調器（ffd），若干個終端節點組建成的。ffd 通過串列埠與家居網關相連，終端節點被布置在環境監測區域，採集到的資料通過無線的方式傳送給 ffd，由於 ffd 和家居網關連線，這時閘道器上顯示出當前的環境狀況。
3.3 智慧型家居系統整體構架的實現
智慧型家居系統整體構架的實現將基於zigbee晶元的無線網路收發模組嵌入到各種家居裝置中，從而構建家居無線控制網路。使用者可根據需求的不同選擇接入或移除不同功能的終端裝置。在無線網路構建過程中可選擇網際網路或者 3g 網路作為資料通訊的載體。
網路中的各感測器節點將採集到的資訊傳送到全功能協調器上，然後協調器通過特定的介面將資訊傳送給智慧型家居閘道器，隨後通過開發的人機互動介面進行顯示，另外通過 pc 或智慧型手機可以實現裝置控制與狀態查詢，系統總體架構圖如圖 3.5 所示。
圖3.5 系統總體架構圖
智慧型家居設計方案
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專案一智慧型家居設計方案
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