论文总字数：30297字

摘 要

现如今，家居智能化已经获得了长足的发展。世界各国的企业都已经在积极地进行家居互联、智能交互等尝试，并且其中有不少的企业获得了不错的成果。而智能家居的兴起与最近的几年，物联网技术的不断发展为智能家居带来了新的发展方向分不开。有众多的技术标准以及协议应用到智能家居之中，如：Zig bee、Z-Wave、Wi-Fi、Bluetooth等。由于不同企业都有着自己独立的技术标准，导致市场上技术标准难以统一，不同企业之间的产品难以兼容，给智能家居发展带来了困难。在这众多的协议中，ZigBee技术以其极低的耗电、低廉的造价、所能容纳的网络节点多、架构简单、稳定并且安全性能高等优点已经日益趋向于众多企业的首选。

本文提出了一个使用ZigBee技术基于CC2530的智能家居系统。该系统拥有一个多路开关，其被用于控制电源的开启与关闭；一个具有红外信号学习功能的红外信号发射器，在进行信号学习之后，其可用于控制正在运行的具有红外遥控功能的家用电器的控制；一个温湿度传感器，其在接收到温湿度查询信号之后，会返回室内的温度、湿度值，可用以了解室内环境情况；一个通过Wi-Fi连接到互联网的网关，其作为系统的核心与各个节点相连，实现通过互联网控制整个系统的功能。该系统是一个具有基本功能的、较为典型的智能家居系统。

关键词：物联网；ZigBee；智能家居；CC2530；

Design of Smart Home Environment System Based on IoT

ABSTRACT

Nowadays, the household is getting smarter and smarter. Many enterprises around the world are trying hard in the area of household interconnection and intelligent interaction. And quite a few of them got an excellent harvest from it. In the last few years, the development of Internet of things (IoT) provided smart home with a new chance. There are many technology standards and protocols that are applied into smart home, such as: ZigBee、Z-Wave、Wi-Fi、Bluetooth and so on. For the reason that every enterprise has its own protocols and technology standards, it’s hard to come up with a common technology standard. Therefore, there is incompatibility among the products of different company which retard the development of smart home. Amongst many kinds of protocols, ZigBee is one of the most popular protocol because of the low energy consumption, low cost, the support of a large quantity of network node and many kinds of topology, low complexity, high speed, security and reliability.

This paper come up with a smart home system based on ZigBee protocol. This system have a multiway switch that is used to control power source, an infrared ray emitter with infrared signal learning function that can control household appliances after signal learning, a temperature and humidity sensor that can send back the temperature and humidity of home after receiving inquiry signal, a gateway that connected to the internet with Wi-Fi. The gateway is the core of this system, it make user able to control the system through the internet. This system is a typical smart home system with basic function.

KEY WORDS: IoT; ZigBee; Smart Home；CC2530；

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1智能家居研究的背景与意义 1

1.1.1 智能家居的产生与发展 1

1.1.2 基于物联网智能家居与传统智能家居 2

1.2 ZigBee在智能家居的应用实例 2

1.2.1 安全系统 2

1.2.2 水电用量读取系统 3

1.2.3 照明控制系统 3

1.3 本文的主要研究工作 4

1.4 本文的组织结构 4

第二章 相关知识综述 5

2.1 ZigBee概述 5

2.2 短距离无线网络的介绍 6

2.3 ZigBee与蓝牙以及WLAN的对比 6

2.4 ZigBee的特点 7

2.5 802.15.4协议 8

2.5.1 802.15.4协议概述 8

2.5.2 网络的拓扑结构 9

2.5.3 物理层(PHY) 10

2.5.4 介质访问控制层(MAC) 11

2.6 ZigBee协议 12

2.6.1网络层(NWK) 12

2.6.2应用层(APL) 15

2.7 ZigBee网络的建立过程 15

2.8本章小结 16

第三章 系统设计方案 17

3.1系统总体设计 17

3.2 方案选择 18

3.2.1单片机的选择 18

3.2.2网关设计思路 18

3.2.3温度和湿度传感器的选择 19

3.2.4红外信号接收发射装置的实现 19

3.3 系统各部分运行流程 20

3.3.1网关 20

3.3.2 红外信号发射装置 20

3.3.3 温湿度传感器 21

3.3.4 多路开关 21

3.4 指令设计 21

3.5本章小结 22

第四章 系统硬件介绍 23

4.1 CC2530 23

4.2 温湿度传感器 25

4.3 红外信号发射模块 26

4.4 多路开关 27

4.5 本章小结 28

第五章 系统测试 29

5.1测试方案 29

5.1.1软件使用 29

5.1.2多路开关测试方案 32

5.1.3红外信号发射装置测试方案 33

5.1.4温湿度传感器测试方案 34

5.2系统测试 35

5.2.1 多路开关测试 35

5.2.2 红外信号发射器测试 36

5.2.3 温湿度传感器 37

5.3本章小结 38

第六章 总结与展望 39

致 谢 40

参考文献 41

绪论

1.1智能家居研究的背景与意义

智能家居的产生与发展

随着人们生活质量以及当代科学技术水平的不断提升，电子技术和网络被迅速引入家庭环境之中，人们开始对家居环境的要求越来越高。仅仅具备基本功能的家庭设备已经不能令人满意。人们需要更加便捷、更加安全、更加节能环保同时功能更加强大的家庭设备。很显然，我们的家居生活需要改变。而“智能家居”的概念也因此应运而生。智能家居算是智能建筑在家庭方面的一个延伸。它包含了照明、加热、空气循环、家电还有家庭安全装置的控制和自动化。现在主流的智能家居一般都会有一个连接所有设备、传感器以及开关并对它们进行统一管理的网关。而这一网关又会与用户的智能终端相连接，作为控制平台。这样的控制平台有手机的软件和可以通过web浏览器进行访问的网络接口等等。[1] “智能家居”这一概念的起源，可以追溯到很早以前。1975年，发展出了第一代住宅自动化网络技术X10，它是一种电子设备之间通信的协议。X10主要被用于电力传输线进行信号传输和控制。上世纪八十年代的开端，家电开始使用新的电子技术，家庭设备的电子化由此而开始。[2]但此时家庭中的设备还是相互之间完全独立的。数年之后，人们开始将家居以及新的通信技术还有各种监控监测设备相结合。这一阶段我们称之为自动化家庭。美国的“都市大厦”是最早的应用此技术的智能建筑。这座建筑中的照明、空气循环系统以及电梯都统一由计算机来控制。[3]而在上世纪90年代，思科和微软这样的巨头对这一行业的投入了许多的经费和努力，使得这一行业逐渐地成型。思科作为一个通信设备行业的巨头，其产品的思想也与通信紧密相连。微软由于有着制定行业标准的想法，因此在这这一行业也投入了重金。微软在1999年进行了一个名为“维纳斯”的计划，该计划耗资巨大但是收效甚微。不过，微软一直没有放弃智能家居这一领域，其先后推出了Xbox以及Kinect等家庭设备，也属于家庭智能设备的一部分。Kinect可以进行人体位置的判定以及人体动作的识别，只需伸手做出点击动作就可以完成控制操作，提供了家庭遥控的一种全新方式。最近几年以来，许多优秀的科技公司也成为智能家居先行者，在这其中就有美国的谷歌公司以及苹果公司。谷歌于2014年1月花费数十亿美金收购了智能家居制造公司NEST，这一事件曾在科技界造成了极大的轰动。 [4]Google的NEST实验室正在开发下一代智能控制器。NEST的第一次尝试集中在一种智能的恒温器的开发。它通过大数据技术分析传感器和天气信息来控制交流电和加热器，以达到减少20%电费的目的。同时，NEST也能够通过移动应用远程控制家用电器。霍尼韦尔的智能家居产品也已经在中国大陆以MoMas的名字正式注册。[5]在电子技术和移动控制变得越来越主流的今天，在MoMas创造的智能生活空间中，人们能够享受多种个性化的终端控制应用。无论何时何地，只需要轻按一下支持Wi-Fi功能的智能终端，比如：iphone、ipad，你就能轻易地控制电灯、窗帘、空调、加热器和内部对讲机等等。[6]

基于物联网智能家居与传统智能家居

现在市场上存在两种不同的智能家居：一种是加入了微控制器但完全独立的家居微控制器只是对该家居进行更加智能的控制，但是并不存在与其他设备的通信，我们可以称之为传统智能家居；[7]而现在，另一种基于物联网的智能家居则更显得主流。这样的智能家居并不只是一个个独立的个体。它是由许多相互连接的家庭设备共同构成的相互辅助、协同工作的体系。相较于前一种智能家居，其有着许多优势。它容易扩展，在现有功能上能够不断地加入新的功能。[8]在管理方面，所有的设备仅仅需要一个管理界面就可以进行管理，大大提高了管理家庭设备的效率。而且通过统一的管理，可以更方便的对家庭设备的消耗使用情况进行统计、监测。比如对家庭中每一台家庭设备的工作时间，消耗电量进行监测和记录，并最终统计每周、每月的使用数据。通过统计数据可以更好地了解使用的问题，再有目的性的改变使用策略，可以最终使得家庭设备的使用策略效率增加，能耗降低，更为绿色环保。

ZigBee在智能家居的应用实例

安全系统

一个安全系统可以包含几个传感器，包括动作探测器、玻璃损坏传感器和安全摄像机。这些设备需要通过有线或者无线的方式通过一个中心安全面板交流。基于ZigBee的安全系统简化了安装以及升级了安全系统。虽然ZigBee的通信速率低，它仍然能够通过无线的传输方式传输质量可接受的图片。比如，ZigBee现在已经被应用到用于记录家庭前门访客并将影像传输到房间内的监控设备的无线摄像系统中。

水电用量读取系统

电表水表等上面的用量信息需要读取来计算使用的费用。我们生活中最常用的办法是在户主的允许进入的情况之下人工进行的记录，并录入数据库。一个基于ZigBee的自动用量读取系统能够通过将家庭中的水电表与水电供应公司相连接建立一个自成型的无线多跳网络。自动用量读取系统提供了远程监控住户的电量、煤气和用水量的方案，减少了每月进行人工读取的必要性。

自动用量读取系统所能做的还不仅仅是将月度使用量发送出去。它还能够收集详细的使用信息、自动检测泄漏问题和设备故障并在用量篡改发生时帮助即时的发现。基于ZigBee协议的无线设备还不仅仅只能执行监测的任务，除此之外它们还能够通过与家庭中的设备通信而调整使用的高峰期。例如，当电量的使用突然增加的时候，一个ZigBee使能的电子热水器能够自动关闭一小段时间来减少用电高峰期的电量使用。

照明控制系统

照明控制是ZigBee在家庭中最为典型的一个应用。在传统的照明系统安装中，将电灯处的电线引至开关处是很重要的一步。如果要安装新的电灯，那么要引新的电线到开关处。但是，如果电灯和开关配备了ZigBee设备，那么就不需要灯和开关之间的直接连接。通过这种方法，任何处于这个房间的开关都可以获得控制特定电灯的能力。一个基于ZigBee的电灯或许价格会比通常的电灯更高，但是其安装费用却会更低，因为它不需要额外的电线连接到墙上的开关。使用无线远程遥控电灯本来并不是一个新的概念，但是ZigBee提供了一个大范围应用的机会。因为ZigBee使得电池的使用时间很长并且和多种多样的低成本网络兼容。

1.3 本文的主要研究工作

基于物联网的智能家居系统是当前较为热门的方向。本文应用了物联网技术中的ZigBee进行智能家居环境系统设计，提出了一个可以监测周围环境状况以及对家庭设备进行控制的智能家居系统。该系统中包含：温湿度测量功能、红外信号学习和发射进行电视机以及空调等可以通过红外信号控制的家庭设备的统一遥控功能、远程电源开关的开断功能。最终实现该智能家居系统，并且对其功能进行实际的测试。

1.4 本文的组织结构

第一章为绪论部分，简要概述了智能家居的发展历史和基于物联网智能家居与传统智能家居相比的优势，并阐述了智能家居研究的意义。最后交代了本人在毕业设计过程中所完成的工作。

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