0.設(shè)計(jì)摘要
　　與普通的家居相比，智能家居（Smart Home）不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，能夠提供舒適安全、高品位且宜人的生活空間，還把原來(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，甚至為各種能源支出節(jié)約資金家居。無(wú)線監(jiān)控問(wèn)題是當(dāng)今國(guó)際建筑智能化領(lǐng)域的前沿性研究課題。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)克服了家庭中布線的煩瑣，充分體現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的靈活、方便、高效。本項(xiàng)目研究開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)和Internet技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，將Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控與ZigBee短距離控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的家居無(wú)線控制和數(shù)據(jù)采集，避免了綜合布線，可擴(kuò)展性好。
　　整個(gè)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)矣秒娖鞯耐瓿砷_關(guān)量的控制，還能夠?qū)θ恚ㄋ怼㈦姳怼⑷細(xì)獗恚┻M(jìn)行無(wú)線抄表，最重要的是可監(jiān)測(cè)來(lái)自家庭安防傳感器（火警、煤氣泄露）的數(shù)據(jù)，以備物業(yè)等部門監(jiān)控。通過(guò)測(cè)試后，證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的正確性，結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)具有一定的新穎性和實(shí)用性。本項(xiàng)目針對(duì)目前人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高，同時(shí)家用設(shè)施的管理和安全亟待改善的迫切需要，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式無(wú)線通信技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，以便能夠?qū)π^(qū)中各家各戶的各種情況（煤氣泄露、火警等）進(jìn)行監(jiān)控，而且還可以對(duì)家居設(shè)施進(jìn)行控制。此外，物業(yè)管理單位也可以通過(guò)此系統(tǒng)為小區(qū)居民提供更為方便、人性的服務(wù)。
　　1.系統(tǒng)原理
　　本課題首先進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，結(jié)合底層ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求，將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為四部分：無(wú)線傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊、上位機(jī)顯示界面。然后對(duì)ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)做了全面地研究分析，同時(shí)給出了基于CC2430的無(wú)線傳輸模塊的軟硬件設(shè)計(jì)和星型網(wǎng)絡(luò)搭建，并給出了測(cè)試結(jié)果。接著設(shè)計(jì)了基于PIC32的數(shù)據(jù)處理模塊，給出了硬件電路和外圍輔助電路設(shè)計(jì)方案，并為其移植了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II。本設(shè)計(jì)完成了基于DP43848C的以太網(wǎng)傳輸模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從底層ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集最終到監(jiān)控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸并測(cè)試成功。最后在VC++6.0環(huán)境下，應(yīng)用Windows Sockets套件接口開發(fā)顯示界面對(duì)底層采集的數(shù)據(jù)分類顯示。
　　
　　圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
　　如上圖1所示，本設(shè)計(jì)主要分為以下部分：
　　（1）無(wú)線傳輸模塊：基于CC2430芯片（包括無(wú)線收發(fā)及傳感器）設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊，并完成各節(jié)點(diǎn)模塊的軟件編寫和節(jié)點(diǎn)間通信調(diào)試。
　　（2）數(shù)據(jù)處理模塊：基于PIC32芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊，并完成程序編寫，同時(shí)在該系統(tǒng)上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSII。
　　（3）以太網(wǎng)傳輸模塊：利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片DP43848C設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信模塊，并完成通信測(cè)試程序編寫。
　　（4）上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)：利用VC++6.0基于WindowsSockcts編寫上位機(jī)界面程序，使經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到上位機(jī)（PC機(jī)）界面上，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。
　　1.1.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)方案
　　ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。它采用跳頻技術(shù)，。使用的頻段分別為2.4GHz（ ISM ）， 868 MHz（歐洲）及915 MHz（美國(guó)），而且均為免執(zhí)照頻段，有效覆蓋范圍為1075 m。所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率為10Kb/s--250Kb/s。功耗低，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可以6個(gè)月到2年。網(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備。成本低。由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。
　　要從以上這些無(wú)線射頻技術(shù)中選擇一種作為本設(shè)計(jì)的無(wú)線通信方案，需要考慮的是：該方案是否能夠滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的成本要求，還有就是功耗和網(wǎng)絡(luò)容量能否滿足家庭要求。而這些問(wèn)題在ZigBee技術(shù)面前都將不復(fù)存在。在智能家居系統(tǒng)中，將ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)己成為趨勢(shì)。這不僅僅是因?yàn)閆igBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性，省去花在綜合布線上的費(fèi)用和精力，而且更因?yàn)樗霞彝ゾW(wǎng)絡(luò)的通訊特點(diǎn)。所以本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為智能家居中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。
　　本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型連接，主要包括了一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)以及若干個(gè)無(wú)線通信子節(jié)點(diǎn)。家庭網(wǎng)關(guān)上有一個(gè)無(wú)線收發(fā)模塊（主節(jié)點(diǎn)FFD ），而其他的無(wú)線通信子節(jié)點(diǎn)則作為End Device安放在家用電器、三表和安防傳感器上，通過(guò)這些無(wú)線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)就在主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸。智能家居中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。
　　
　　圖2 智能家居中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　1.2.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的有線網(wǎng)絡(luò)方案
　　在單個(gè)家庭中的網(wǎng)絡(luò)連接可以選用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，而如果要對(duì)整個(gè)一棟大樓、一個(gè)小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一化的管理，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)就不那么明顯了，而且對(duì)于整個(gè)小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，它所承載的數(shù)據(jù)流量就很大了，對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)這種低通信速率網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是不合適的。
　　以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它連接方便，可屏蔽干擾，通信速率可達(dá)10/100/1000Mbps以上，而且成本低廉。目前大部分的小區(qū)都要寬帶網(wǎng)，因此集中網(wǎng)絡(luò)管理采用比較流行的而且易于實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)連接具有良好的性價(jià)比。
　　在本課題中，家庭網(wǎng)絡(luò)部分采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控，無(wú)線采集協(xié)調(diào)器再將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，最后經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)將通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。

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