智能家居系统方案

2014第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛

参赛声明

队伍编号：

作品名称：基于zigbee的智能家居控制系统 参赛队员：丁祖科 柯贤伟 杜金航

作为第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛的参赛队伍负责人，根据大赛公平、公开、共享精神，我代表参赛队伍作出如下声明：

1、我们了解大赛相关条款并遵守比赛规则。

2、我们的参赛作品没有违反有关法律、法规以及社会的道德规范。 3、我们的参赛作品是原创作品，未曾授权给其他任何机构。

4、我们的参赛作品不存在法律纠纷，包括但不限于肖像权、名誉权、隐私权、著作权、商标权等纠纷，否则，我们自愿承担由此而产生的全部法律责任。

5、我们将如实提交参赛作品中涉及的全部源码及资料，并授权北京博创智联科技有限公司拥有使用权。在征得所有人同意后有权将参赛作品及相关资料用于宣传品、相关出版物、指定及授权媒体发布、官方网站浏览及下载、颁奖晚会、展览（含巡展）等活动项目。

6、我们认真遵守此声明内容中的所有内容，如有违反，将自动放弃大赛的评奖资格。

参赛高校（盖章） 指导教师（签字）

2014年4月19日

2014第十届“博创杯”全国大学生嵌入式物联网设计大赛

作品设计报告

智能家居系统

Intelligent Home Furnishing system

设 计 报 告

队伍编号：

参赛学校：中南民族大学

作 者：丁祖科 柯贤伟 杜金航

指导教师：王文涛

组别：√本科组 □高职组

专项奖： □恩智浦专项 □WINDRIVER

摘 要

家居环境智能化己经成为当前的社会主流，面对一些人为的失误或者不可控的因素所造成的灾难性事故，一次次的惨剧也对家居环境智能化提出了更加具体的要求。同时，随着人们生活节奏的加快以及生活压力的加大，智能家居越来越成为人们追求舒适生活的必要途径。本文采用Zigbee无线组网技术，结合j avaweb网络开发技术设计的智能家居系统具有低成本、低复杂度、可快速部署的特点，完全满足人们对智能家居系统的基本需求。

本文首先结合国内外智能家居系统的设计经验和中国国情制定出了一套合适的无线智能家居系统解决方案。然后，通过对当前主流的无线组网技术进行了研究对比并最终决定采用Zigbee技术作为本系统的无线组网技术。本系统采用星型网络拓扑结构，硬件采用CC2530射频芯片构成终端设备和

中心协调器，构建智能家居环境内部网络;结合SQL数据库和JAVAWEB网络开发技术搭建家庭网站。 本文设计的系统可以实现家居环境内部数据传输和远程监控，系统本身的低复杂度、易于部署等特点，对智能家居系统的普及具有一定的应用价值。

关键词:智能家居系统、Zigbee协议栈、CC2530、家庭网站

Abstract

Today, the intelligent household system has become the mainstream of society. Some human errors and uncontrolled factors cause so many disastrous failures, which request to the intelligent household system for some specific requirements. At the same time, because the society pressure becomes more and more serious, the intelligent household system becomes a necessary choice. This paper presents a new intelligent household system based on the Zigbee wireless network technology and the java web Network development technology. This intelligent household system is less cost, lower complexity, apt to more rapid deployment, which can meet all the requirements. Firstly, this paper presents a solution of the intelligent household system, which based on the domestic and foreign experience of designing the intelligent household system. Secondly, based on the comparison of the current mainstream wireless networking technologies this intelligent household system decides to adopt the Zigbee wireless networking technology. The internal network topology is star topology. The CC2530 RF chip is used to form the device and the coordinator, which is used to form the internal wireless network. Finally the family network station is built the SQL database and the java web Network development technology.

This intelligent household system achieves the data transmission of the family internal network and the remote monitoring. which has the characteristics of lower complexity, easy to maintain. This system has great value on the development of the intelligent household system.

Key words: Intelligent Household System, Zigbee stack, CC2530, Family Station

目 录

第1章 绪 论

随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，人们的生活水平大幅度提高，对生活环境的要求也越来越高，实现家庭信息化、网络化是当今IT产业的重要研究对象，随之而提出了一连串的新概念:家庭自动化，家庭信息化，智能家居等。智能家居是人类住宅的又一场新的革命，它能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统也在逐渐成为一个新兴的研究领域。 1.1.1智能家居系统概述

智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安

全、有效f21。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间;还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 1.1.2国内外智能家居系统发展现状

国际上对智能家庭网络的研究起于20世纪70年代，主要集中在发达国家。由于这些研究都是各国独立进行，并具有不同的目标和市场战略，因此并没有形成统一的标准。20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现了住宅电子化(HE, Home Electronics)的概念;80年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体，形成了家居自动化概念(HA, Home Automation)o 80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为智慧屋(WH, Wise Home)，在欧洲称为时髦屋(SH, Smart Home)。

近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修公司已经积累了很多经验。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统己成为当前社会一个热点问题。而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居研究领域正确的发展方向。

第2章 系统方案

2.1 智能家居系统功能需求分析

一个智能家居系统应具备的特征主要包括以下几方面：

1、全面细致的环境状态监控：系统能实时采集室内和室外温湿度、光照强度、空气质量等数据，让用户足不出户了解室内外环境状况。

2、可靠的安防监控：安防监控应包括门窗防盗、煤气和火灾的预防等功能，这些都对系统可靠性有很高要求。

3、便捷人性的开关控制：实现家居设备的远程开关控制或定时开关，如窗帘可以实现在床上打开，晚上自动关闭；家中的保险柜锁只有自己可以使用手持终端打开，其他人均无法打开。 根据上述需求分析的结果，从系统功能实现的角度，智能家居系统的功能可以概括为以下三个方面：对传感器节点环境状态信息的准确读取；对安防监控节点报警信息的及时获取；对控制节点所连家居设备的开关控制。 2.2 智能家居系统组成

智能家居系统可选择的网络拓扑结构有三种：星型、树状和网状。在本系统中网络协调器的通信距离可以覆盖正常的家庭居住环境，所有终端节点均可直接与协调器通信，终端节点与传感器和控制器连接，传输环境数据和控制命令，数据量都很小，采用星型网络拓扑结构完全可以满足系统要求，并且有控制简单，故障诊断容易，不涉及路由寻址等优点。在 ZigBee 网络中协调器和路由节点要求是全功能设备，信息采集和控制节点则只需是精简功能设备，它们只能与 ZigBee 网络协调器通信，相互之间不能通信。

结合上一节概括的智能家居系统的功能，一个基于 ZigBee 技术的智能家居系统应包括下面几个部分： 1、网络协调器：主要负责建立和管理网络，接收从终端节点获取到的数据或向终端节点发送控制命令，以及与智能网关或上位机通信获取网关或上位机发送来的控制命令或上传终端节点采集到的数据。

2、信息采集节点：网络终端节点分为采集节点和控制节点两种，采集节点负责采集各种传感器或门磁等装置的状态变化信息。

3、控制节点：控制节点通过执行接收网络协调器发送来的命令实现对所连接的家居设备的控制。 4、路由节点：路由节点负责扩展网络覆盖范围及数据转发功能，可使更多的设备加入网络。 5、PC 机：用于扩展系统功能，PC 机可以显示网络协调器接收到的信息或向网络协调器发送控制

命令。

6、智能网关：智能网关除实现上位机功能外，还可以接入短信模块，实现 ZigBee网络与广域的无线网的融合，用户可以通过手持终端接收信息或发送控制命令。

本系统需要设计的功能模块包括 ZigBee 无线通信模块、温湿度采集模块、光照采集模块、可燃气体监测模块、空气质量监测模块、红外入侵监测模块、窗帘无线控制模块。 2.3智能家居系统的网络结构图

在本智能家居系统中，由于终端节点数目较多，多个终端节点同时发送数据可能造成数据丢失现象。所以应根据各节点具体任务的不同设置不同的任务优先级，以保证优先级高的任务的可靠性。涉及安防监控的节点的优先级应该最高，包括红外入侵监测、门磁感应、可燃气体监测等；控制节点的优先级次之，包括窗帘无线控制和电子锁无线控制；温湿度采集、光照采集、空气质量监测等环境状态信息采集任务的优先级设置为最低。

在本系统中，网络协调器通过电源直接供电，信息采集节点和控制节点大多采用两节干电池供电，所以在设计和使用中应尽量减少使用电池的节点的工作时间，以延长节点的使用寿命。

第3章 功能与指标

3.1实现功能

3.1.1自动报警：包括门禁系统，火灾、煤气报警系统。 3.1.2灯光控制：根据室内光照强度，自动调节室内灯光。

3.1.3自动窗帘：根据室外关照和室内情况，自动控制窗帘开关。

3.1.4自动阳台：根据室外温度、湿度、阳光等情况，自动伸缩阳台，晴天自动晾晒衣服，下雨自动收衣服。

第4章 实现原理

4.1.1功能实现

1.信号接收：智能家居传感器网络在家庭环境中布置传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点负责监视周围一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。它集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中各类型的传感器件，可以测量家庭内部和周边环境的温度、湿度、光强度、入侵等。

2.网络通讯：网络的信息管理的核心部分为物理接口，作为家庭网关和传感器节点之间的桥梁，物理层接口完成家庭网关和传感器节点间通信，并且能使家庭网关和传感器节点之间能够相互理解通信的内容。所以家庭网关和传感器节点都配置同样的无线收发模块作为物理接口。

3.智能控制：除了无线收发模块之外，传感器节点还包括具有一定处理能力的 MCU 芯片，单片机根据预先写入的程序，能够采集传感器信息、转发命令和状态信息和控制设备，并能对子网上的节点进行统筹管理，维护整个传感器系统的运转状况。根据前面的分析，传感器节点包括两个模块，如图 4.01 所示：

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