基于ZigBee技术的智能家居控制网络的研究与设计

论文摘要

随着信息技术和网络技术的高速发展以及人们居住理念的变化与提升,家居智能化和家电网络化逐渐成为热门话题,开始形成了智能家居网络化。智能家居是指将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来,从而构建舒适、安全、方便的信息化居住空间。本文应用ZigBee无线技术(紫蜂技术)构建的家庭控制网络具有无需布线、扩展性能好、成本低、功耗低等优点,在智能家居系统的应用上有不可替代的优势。首先,本文通过对智能家居系统中使用的相关技术进行比较和分析,指出ZigBee无线技术是目前最适合用在智能家居系统中的技术之一,并对ZigBee无线技术的协议框架进行了分析,研究了各个通信协议层的具体功能与作用,采用遵循IEEE802.15.4标准的Chipcon公司的低功耗无线收发器CC2430,进行无线网络节点的开发。接着提出了智能家居系统的整体设计方案,开发了家庭网关和终端节点的硬件电路,并定义了主节点与家庭网关的通信协议,在ZigBee协议的MAC层,对带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)协议做了改进,提出使用周期性侦听和睡眠机制,改进后的协议在有效解决信道碰撞问题的基础上,具有良好的扩展性,也降低了节点能量的消耗。然后针对ZigBee网络与家庭控制网络的特点,设计能有效工作的协议,该协议支持自组织组网,支持网络拓扑动态变化,并具有自愈功能。能够自动进行路由发现及维护,家庭网络的建立、增加和删除节点及节点位置发生变动,不需要人工干预,系统可以自动完成。另外本系统无论在硬件设计还是在软件实现上,都对低功耗做了考虑,硬件上选用低功耗芯片,软件上采用工作／休眠交替的无线信道使用机制。最后对系统进行了相关测试,测试结果显示系统运行状态良好,基本实现了智能家居系统的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 智能家居描述
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 智能家居系统研究现状
• 1.4 本文的研究内容与结构安排
• 第2章 智能家居系统构架及无线实现方式
• 2.1 智能家居控制系统的基本组成
• 2.2 智能家居系统的特点与设计中考虑因素
• 2.3 家庭控制网络的互联技术
• 2.3.1 无线组网和有线组网的对比
• 2.3.2 几种主流无线技术的比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 家庭组网技术ZigBee
• 3.1 ZigBee技术
• 3.2 ZigBee网络协议栈结构
• 3.2.1 IEEE802.15.4物理层规范
• 3.2.2 IEEE802.15.4 MAC层规范
• 3.2.3 网络层规范
• 3.2.4 应用层规范
• 3.3 Zigbee网络构成及其网络的拓扑结构
• 3.4 Zigbee网络的建立过程
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ZigBee的智能家居系统的硬件设计
• 4.1 智能家居系统的总体结构
• 4.2 家庭网关总体方案设计
• 4.2.1 嵌入式家庭网关的功能与结构
• 4.2.2 电源、晶振及复位电路设计
• 4.2.3 存储器电路设计
• 4.2.4 以太网络接口设计
• 4.3 无线通信模块选择—CC2430
• 4.4 主节点的硬件结构设计
• 4.5 终端节点的设计
• 4.5.1 PIR安防节点设计
• 4.5.2 照明灯与自动窗帘节点设计
• 4.5.3 室内温度控制节点设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 家庭网络的组建及系统的软件实现
• 5.1 家庭网络的组建
• 5.2 系统的软件设计平台
• 5.2.1 CC2430平台软件结构
• 5.2.2 CC2430开发环境
• 5.3 主节点的软件设计
• 5.4 终端节点软件设计
• 5.4.1 终端节点的功能及要求
• 5.4.2 终端节点的软件设计
• 5.4.3 MAC层协议改进及系统节能机制
• 5.5 系统的主程序设计与实现
• 5.6 系统测试及结果分析
• 5.6.1 组网测试
• 5.6.2 星形网络数据传输测试
• 5.6.3 网络性能分析和计算
• 5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文研究工作总结
• 6.2 进一步的研究工作和展望
• 参考文献
• 致谢