家居智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)-江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)

1、江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_目錄第 1 章緒 論 .21.1課題背景與研究意義 .21.2智能家居安防系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.31.2.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀 .31.2.2國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 .41.2.3家居安防的發(fā)展趨勢 .41.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 .5第 2 章智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 .62.1傳統(tǒng)家居安防系統(tǒng)的缺點(diǎn) .62.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的因素 .72.3幾種常用的短距離無線通信技術(shù)及其比較.72.3.1紅外技術(shù) .72.3.2家庭無線電射頻技術(shù) .82.3.3藍(lán)牙技術(shù) .82.3.4超寬帶無線通信技術(shù) .92.3.5ZigBee 技術(shù) .92.4系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案 .102.5家庭網(wǎng)

2、絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) .11第 3 章ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與通信程序的設(shè)計(jì) .133.1ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu) .133.2ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) .143.2.1硬件的選型 .141.CO 氣體傳感器 MQ-7 型.163.2.2微處理器與射頻芯片的連接 .233.2.3微控制器與傳感器的連接 .243.3ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) .243.3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) .243.3.2傳感器模塊的軟件設(shè)計(jì) .253.4家庭無線網(wǎng)絡(luò)的通信程序設(shè)計(jì) .263.4.1PHY和 MAC層功能分析 .26第 4 章 主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .284.1主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) .284.2嵌入式

3、開發(fā)平臺的建立和系統(tǒng)移植.284.2.1開發(fā)平臺的建立 .294.2.2Linux 內(nèi)核的移植 .294.3視頻采集的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .294.3.1Video4Linux 編程 .304.3.2圖像采集程序的流程圖 .304.4GPRS功能模塊的設(shè)計(jì) .304.5設(shè)計(jì)總效果圖 .32結(jié) 論 .33_第1頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_參考文獻(xiàn)34致 謝35第1章緒論1.1 課題背景與研究意義隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展， 人民生活水平在不斷地提高； 科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，也讓人民的生活觀念發(fā)生了前所未有的變化。在如今這樣一個電子化、信息化高速發(fā)展的時代， 層出不窮的現(xiàn)代高科技產(chǎn)品，

4、逐步走進(jìn)了千家萬戶， 給人們帶來了在過去的時代無法想象的便利。 但是，在高科技產(chǎn)品不斷地應(yīng)用在不計(jì)其數(shù)的家庭中的同時， 隨之而來的是， 各種不安全因素也伴隨著這些高科技產(chǎn)品進(jìn)入了這些家庭， 比如熱水器，煤氣灶等的使用以及其它一些大功率電器的使用，都會使得火災(zāi)、觸電、煤氣泄漏導(dǎo)致中毒，甚至爆炸的發(fā)生成為可能；同時由于各個城市和地區(qū)的一些不法分子的存在， 導(dǎo)致各種各樣的違法的和犯罪的行為都會經(jīng)常發(fā)生， 比如歹徒作案行兇、 居民區(qū)附近或者鬧市區(qū)搶劫、 入室盜竊等等，這些都給人們的正常生活造成了嚴(yán)重干擾。 現(xiàn)如今，人們需要的不僅僅是生活便利的住宅， 更需要的是一個能夠給人安全感的生活空間。 因此，在現(xiàn)

5、代化的智能小區(qū)和家庭中， 家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)作為其重要組成部分， 其研究意義就不言而喻了。在家庭和小區(qū)的內(nèi)部引入智能化的安防系統(tǒng)， 可以讓人們的生命和財(cái)產(chǎn)的安全得到更可靠的保障。一般的家居安防系統(tǒng)主要由安全對講系統(tǒng)、 防盜報(bào)警系統(tǒng)、防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和防煤氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)等組成， 它可以作為一種可靠且有效的方式讓普通小區(qū)能夠避免外界侵入和自然因素引起的災(zāi)害。這些年隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)等的發(fā)展，為智能小區(qū)和家居安防系統(tǒng)的發(fā)展提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)， 其功能也變愈加豐富和完善， 因此必須確保它的穩(wěn)定性和可靠性， 且其應(yīng)該具有易操作性。 穩(wěn)定性和可靠性是指有_第2頁共3

6、5頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_異常情況發(fā)生的時候， 一定能夠產(chǎn)生報(bào)警， 而沒有異常情況發(fā)生的時候， 也不會產(chǎn)生誤報(bào)。系統(tǒng)具有易操作性是指用戶可以簡單、 快捷和方便地對家庭內(nèi)部的一些存在重要安全隱患的關(guān)鍵點(diǎn)做相應(yīng)的撤銷、布置和防范等具體操作。此外，智能家居安防系統(tǒng)適合我國國情 ，符合我國“未富先老”的社會特點(diǎn)。我國人口老齡化是在經(jīng)濟(jì)還不夠發(fā)達(dá)、物質(zhì)條件尚不充裕的情況下到來的，因此，單靠政府的力量來發(fā)展養(yǎng)老福利事業(yè)是不現(xiàn)實(shí)的。 智能家居系統(tǒng)的老人看護(hù)系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)養(yǎng)老服務(wù)相比，具有方便，現(xiàn)代化，智能，更加快速等優(yōu)點(diǎn)。適應(yīng)我國老年人的生活習(xí)慣和心理特征。 受中華民族傳統(tǒng)的家庭倫理觀念影響，

7、我國大多數(shù)老年人不愿離開自己的家庭和社區(qū)， 到一個新的環(huán)境去養(yǎng)老。 智能家居安防系統(tǒng)采取讓老年人在自己家里和社區(qū)接受生活照料的服務(wù)形式， 適應(yīng)了老年人的生活習(xí)慣，滿足了老年人的心理需求，有助于他們安度晚年。1.2 智能家居安防系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀自從世界上真正意義上的第一幢智能建筑于 1984 年在美國誕生以后，緊接著美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞的一些比較發(fā)達(dá)的國家都陸續(xù)推出了各式各樣的家居安防的方案，并且在很多國家和地區(qū)都有比較普遍的應(yīng)用。美國家居安防行業(yè)的一家名為 PARKS的專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，在對其本國的情況做了大量的統(tǒng)計(jì)之后， 其數(shù)據(jù)給我們提供了這樣一些具體

8、信息： 上世紀(jì)九十年代中期，該國的一個普通用戶如果安裝一套家庭式的智能化系統(tǒng)， 其整體的成本大約在七千至九千美元之間， 但最近幾年其成本費(fèi)用已經(jīng)大大地降低， 并且在今后的四到五年內(nèi)，家庭智能化行業(yè)的市場增長率，平均每年將可達(dá)到百分之八左右。由于家居安防的良好前景和巨大市場， 國外的多家大中型公司都已經(jīng)開始著手相關(guān)的準(zhǔn)備工作，以便在搶占家居安防市場的時候能夠領(lǐng)先。在如今這樣一個互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)日益繁榮的時代， 小區(qū)和家庭智能化的安防建設(shè)已經(jīng)受到越來越多的重視， 國外有很多家企業(yè)已經(jīng)在該行業(yè)里站得一席之地， 比如微軟公司投資了一家 Itran 公司，該公司是專門做家居安防和家庭智能化方面的研發(fā)。IBM

9、公司則選擇與建筑開發(fā)商合作，為用戶提供帶有安防系統(tǒng)的智能化住宅解決方案，為眾多小區(qū)和家庭提供全面的小區(qū)和家庭的安全防護(hù)和信息服_第3頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_務(wù)?，F(xiàn)在，國外的家居安防行業(yè)已經(jīng)處在一個飛速發(fā)展的時期。1.2.2國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀通過多年的大力概念推廣、 普及和發(fā)展，智能家居在國內(nèi)已經(jīng)逐步為人們所認(rèn)可并且接受。 從上世紀(jì)的九八年智能家居這一新的概念在國內(nèi)被推出開始， 同時也經(jīng)過媒體的大力宣傳和熱炒， 大家已經(jīng)對其有了一定程度的認(rèn)識， 但一直沒有相關(guān)的真正適合國內(nèi)市場的產(chǎn)品， 所以其實(shí)際的應(yīng)用并沒有得到有效的推廣和普及，出乎意料的是作為智能家居的核心組成部分的家居安

10、防以及小區(qū)安防倒是得到了快速的發(fā)展，并且是通過在智能防范小區(qū)中嵌入智能防范家居的技術(shù)表現(xiàn)形式，而受到國內(nèi)市場的普遍青睞， 并且其在市場上也表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)氖袌龈偁幜?。目前，家居安防系統(tǒng)已經(jīng)成為民居設(shè)施建設(shè)中的一項(xiàng)極其受歡迎的產(chǎn)品， 它也越來越多地被應(yīng)用于各種各樣的家庭和小區(qū)了。 而且，這些安防系統(tǒng)的使用讓人們真正地體驗(yàn)到生活在時代最前端的快樂與便捷。1.2.3家居安防的發(fā)展趨勢家居安防行業(yè)在近兩年已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展， 越來越多的智能住宅和智能小區(qū)等都是在這種形勢下形成的。 現(xiàn)在家居安防系統(tǒng)開始得到了眾多開發(fā)商和消費(fèi)者的青睞，而可接入因特網(wǎng)的基于嵌入式技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的家居安防系統(tǒng)已經(jīng)成為未來的

11、家居安防系統(tǒng)發(fā)展的一大趨勢， 因?yàn)樗粌H提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口以及基于無線的網(wǎng)絡(luò)連接機(jī)制， 而且還可以實(shí)現(xiàn)專門應(yīng)用于嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這樣系統(tǒng)就不必再依賴于傳統(tǒng)的 PC機(jī)，從而使得家居安防行業(yè)進(jìn)入了嵌入式時代。到目前為止，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種不同的用于家庭設(shè)備互連的無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)促使家居安防行業(yè)控制系統(tǒng)朝著網(wǎng)絡(luò)無線化的方向發(fā)展，并且其接口也朝著國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，通過無線的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的相互連接，不僅給人們的生活帶來了更多的方便， 也讓系統(tǒng)具備了良好的移動性能， 而遵循國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的的無線通信接口， 也使得眾多廠家的產(chǎn)品能夠相互兼容； 現(xiàn)在各種不同的無線通信技術(shù)正迅猛發(fā)展，從

12、先前的廣域網(wǎng)到后來的基于 IEEE802.11 系列的無線局域網(wǎng)、基于藍(lán)牙的無線個域網(wǎng)、再到后來的基于 ZigBee 的低速無線個域網(wǎng)等，這些新型無線通信技術(shù)的陸續(xù)出現(xiàn)， 也給家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了一種有別于傳統(tǒng)家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新理念， 將家庭內(nèi)部的家用電器、 各種傳_第4頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_感器以及各式各樣的數(shù)字設(shè)備進(jìn)行無線方式的互聯(lián)， 將會在不遠(yuǎn)的將來成為活生生的現(xiàn)實(shí)；而嵌入式技術(shù)的出現(xiàn)，使得未來家居安防的發(fā)展徹底擺脫了對傳統(tǒng)PC機(jī)的依賴，生產(chǎn)廠家將能夠以更低的成本來開發(fā)家居安防系統(tǒng)的主控系統(tǒng)部分，并且其各種設(shè)備和主控系統(tǒng)都能夠在功耗極低的狀態(tài)下運(yùn)行， 這使

13、得整個系統(tǒng)的運(yùn)行成本得到有效的降低。無線家居安防控制系統(tǒng)也能夠讓以前的有線系統(tǒng)得到大幅度的拓展， 讓整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加具有靈活性， 讓人們能夠生活在真正無線的方便且舒適的家庭環(huán)境中?；谏鲜龈鞣N原因，本課題采用 ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臒o線家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案， 該方案不僅克服了傳統(tǒng)家庭網(wǎng)絡(luò)采用有線的方式進(jìn)行布線組網(wǎng)的困難，而且系統(tǒng)安裝簡單，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便。1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本論文通過對當(dāng)前智能家居安防中的控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了深入地研究和分析， 并對比了當(dāng)前發(fā)展較快的各種短距離無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)及其性能特點(diǎn)，在深入分析了Zigbee 技術(shù)之后，提出了

14、一個能夠讓室內(nèi)生活環(huán)境更為便利的基于短距離無線通信技術(shù)的家居安防控制網(wǎng)絡(luò)方案，然后結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一個讓用戶能夠通過遠(yuǎn)程終端對自己家庭狀況實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能化的家居安防系統(tǒng)。_第5頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_第 2 章 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案家居安防系統(tǒng)可以看作為一個由各種傳感器和設(shè)備實(shí)現(xiàn)互連的控制網(wǎng)絡(luò)，互連是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)， 控制是家庭智能化的關(guān)鍵所在，所以先從兩個方面對傳統(tǒng)家居安防系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足進(jìn)行了闡述，然后對與本設(shè)計(jì)方案相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信和控制等技術(shù)進(jìn)行了比較和分析，最后提出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。2.1 傳統(tǒng)家居安防系統(tǒng)的缺點(diǎn)傳統(tǒng)

15、的家居安防系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)都是基于有線的方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的，如 CAN 總線、CEBus、LonWorks、X-10、以太網(wǎng)等。在這些技術(shù)中， X-10 與其它技術(shù)相比，其應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)槠涑杀镜土⑶也糠钟脩艨勺孕邪惭b； CEBus 技術(shù)雖然各方面的性能都比 X-10 好，但因其價格昂貴而使得其應(yīng)用受到限制；而LonWorks主要用于工商業(yè)界，而且還需要專門的技術(shù)人員進(jìn)行安裝。 CANBus 用于自動化工業(yè)控制， 技術(shù)發(fā)展比較成熟。 以太網(wǎng)雖然是一種數(shù)據(jù)傳輸速率較高的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，但其在一般家庭的應(yīng)用中， 也因?yàn)樾枰娎|布線而受到限制。 到目前為止，雖然已經(jīng)有些發(fā)展比較不錯的技術(shù)， 在行業(yè)內(nèi)也具備了

16、一定的標(biāo)準(zhǔn)型和通用性，但都還有些共同的缺點(diǎn)：（1）采用有線的方式組網(wǎng)會帶來顯而易見的麻煩：布線繁瑣，撤銷和添加設(shè)備會導(dǎo)致線路的重新布置， 這會影響室內(nèi)環(huán)境的美觀度； 擴(kuò)展系統(tǒng)的性能也會比較麻煩，系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本也較高，且不方便移動。（2）室內(nèi)設(shè)備的信息傳輸和控制不具有國際統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)（3）家庭內(nèi)部設(shè)備間的通信的編碼方式也不盡相同目前的一些家居安防系統(tǒng)的監(jiān)控需要依賴于傳統(tǒng)的 PC機(jī)，這樣的話，PC 機(jī)就要一天 24 小時連續(xù)不停的工作，才能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的正常監(jiān)控，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的_第6頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_升級和維護(hù)都變得很困難，并且系統(tǒng)的運(yùn)行成本也會很高。2.2 系統(tǒng)

17、設(shè)計(jì)需要考慮的因素對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)從技術(shù)發(fā)展的角度來考查系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本原則。與家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)不一樣，家居安防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸和控制，僅僅只是需要以成本和速率都較低的方式來實(shí)現(xiàn)。 雖然傳輸音視頻等數(shù)據(jù)需采用高速的通信接口來實(shí)現(xiàn)， 可家居安防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用這樣的通信技術(shù)會導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，所以是不必要的。 以實(shí)際應(yīng)用為目的的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只需要成本低廉且安裝和使用方便的網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)現(xiàn)家居安防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時，則應(yīng)該遵循下面幾條原則：（1）低成本：家庭安防系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)中的控制目標(biāo)一般是布置在室內(nèi)的眾多傳感器終端節(jié)點(diǎn)， 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)目較多， 所以需要采用成本較低的節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)化：

18、各個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)等之間會進(jìn)行通信，所以標(biāo)準(zhǔn)化也是比較重要。（3）自組織：不能依賴用戶對系統(tǒng)做相關(guān)的繁瑣配置和管理，這就需要網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)之間的自組織和彼此的協(xié)調(diào)。（4）可擴(kuò)展性：系統(tǒng)不用做任何的改動，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級和功能的擴(kuò)展。（5）嵌入式應(yīng)用： 系統(tǒng)采用嵌入式的方式， 是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過嵌入式設(shè)備，而不是 PC機(jī)，來實(shí)現(xiàn)與因特網(wǎng)的信息交互，或者通過移動通信設(shè)備的方法，如GPRS等，接入 GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互。這樣可以讓系統(tǒng)擺脫對 PC機(jī)的依賴而導(dǎo)致的耗電量大的毛病，可以有效地節(jié)約系統(tǒng)的運(yùn)行成本。2.3 幾種常用的短距離無線通信技術(shù)及其比較目前，已經(jīng)出現(xiàn)了許多種適用于不同場合的短距

19、離無線通信技術(shù)，在這里，將一些適用于本設(shè)計(jì)的相關(guān)通信技術(shù)的性能特點(diǎn)進(jìn)行一番簡單的比較，以便挑選出最符合本系統(tǒng)功能需求的無線通信技術(shù)。2.3.1紅外技術(shù)上世紀(jì)九十年代初， 由二十多個大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會，統(tǒng)一了紅_第7頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_外通信標(biāo)準(zhǔn)，即紅外技術(shù)，該技術(shù)一般是在 850nm光波段上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)模档米⒁獾氖牵?在傳輸紅外信號數(shù)據(jù)的時候， 發(fā)送方和接收方之間一定要是沒有任何障礙物的直線型的通信信道，但就算是它們之間沒有任何障礙物的情況下，彼此間的有效通信距離最大一般也不會超過十米， 并且通信的有效方向角度必須小于三十度。但紅外技術(shù)還是具有較高的

20、數(shù)據(jù)傳輸速率的，從最開始的 4Mbps，到現(xiàn)在已經(jīng)能達(dá)到 16Mbps。 現(xiàn)在由于微軟的多種操作系統(tǒng)均支持紅外通信功能，特別是個人電腦對其的支持，已經(jīng)使得紅外通信逐漸趨向于網(wǎng)絡(luò)發(fā)展了。紅外技術(shù)的工作原理很簡單、 功耗也比較小且成本低廉， 但是因其傳輸?shù)挠行Ь嚯x非常短、 在點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方向上其偏離的角度不能太大， 所以它在很多的無線應(yīng)用領(lǐng)域里受到了很多的限制。2.3.2家庭無線電射頻技術(shù)家庭無線電射頻無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由 Proxim、西門子、摩托羅拉、康柏電腦等大型 IT 企業(yè)于上世紀(jì)末發(fā)起組建的 HomeRF工作組專門負(fù)責(zé)研發(fā)的，起初研發(fā)該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的目的在于為家庭設(shè)備間的無線互聯(lián)提供一種組建

21、網(wǎng)絡(luò)方便、容易使用，且成本低廉的通用性標(biāo)準(zhǔn)，它結(jié)合了 IEEE802.11 與數(shù)字增強(qiáng)無繩電話技術(shù)等無線通信技術(shù)的部分優(yōu)點(diǎn)， 可以有效地降低話音和數(shù)據(jù)的傳輸成本， 能夠提供 12Mbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬， 現(xiàn)在的 HomeRF2.x 標(biāo)準(zhǔn)的最高數(shù)據(jù)傳輸帶寬已經(jīng)達(dá)到 10Mbps，該技術(shù)工作頻率為 2.4GHz 的 ISM 頻率段，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域是家庭內(nèi)部的無線網(wǎng)絡(luò)組建。 該無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)剛推出的時候， 便受到了廣泛的關(guān)注，并且占有很高的市場份額。本世紀(jì)初， HomeRF 的市場占有率曾一度達(dá)到百分之四十五，在家庭無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的市場中占據(jù)絕對的優(yōu)勢地位。但是，因?yàn)?HomeRF技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并未公開

22、，只有數(shù)十家公司對其支持，而且其抗干擾的能力等方面與其它技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比要遜色不少， 同時其后續(xù)的研發(fā)以及技術(shù)升級等方面的進(jìn)度非常緩慢，在與其它的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的市場競爭中節(jié)節(jié)敗退，逐漸失去了其技術(shù)的優(yōu)勢地位， 在不久的將來有可能被無線通信技術(shù)的市場所淘汰。2.3.3藍(lán)牙技術(shù)1998 年 5 月，瑞典愛立信、芬蘭諾基亞、日本東芝、美國IBM 和 Intel公司 5 家著名廠商，在聯(lián)合拓展短距離無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動時，提出了藍(lán)牙_第8頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_技術(shù)。隨后，一些大型的的 IT 企業(yè)微軟、摩托羅拉、 3COM、朗訊與藍(lán)牙特別興趣小組 5 家機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起并專門組建了

23、一個旨在推廣藍(lán)牙技術(shù)的組織， 其在世界無線通信領(lǐng)域掀起了一股新的熱潮。 藍(lán)牙技術(shù)是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，能在移動電話、 無線耳機(jī)、筆記本電腦及相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息的交互。 利用該技術(shù)，能夠有效地簡化設(shè)備與設(shè)備之間以及設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的通信。其同樣工作在 2.4GHz的 ISM 頻段上，使用 1600 次/ 秒的擴(kuò)頻調(diào)頻技術(shù)，輸出功率分為 3 種，即 1mw、10mw 和 100mw，通信距離大約在十到一百米之間，數(shù)據(jù)傳輸速率從最開始的 720kbps 發(fā)展到現(xiàn)在的 3Mbps；此外，其在傳輸數(shù)據(jù)信息的同時，還可以外加一路語音信號。2.3.4超寬帶無線通信技術(shù)超寬帶無線

24、通信技術(shù)可以說是一種新型的無線通信技術(shù)， 從信號帶寬的角度來看，UWB信號是指“功率在-10dB 處的相對帶寬大于百分之二十五或射頻的絕對帶寬大于 1.5GHz”的信號。 UWB技術(shù)一般工作在 3.1 10.6GHz 的頻段范圍內(nèi)，工作帶寬極寬，將近 7.5GHz，超寬帶系統(tǒng)容量大，并且可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時工作而互不干擾；數(shù)據(jù)傳輸速率也非常高，接近 1Gbps，其有效的通信距離約十米左右， 在工作帶寬以內(nèi)， 具有極低的輸出功率， 其功率譜密度一般低于-41dbm。 由于該技術(shù)具有較寬的信號帶寬， 較高的數(shù)據(jù)傳輸速率， 而且消耗電能小、保密性好、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此而受到了行業(yè)各界的

25、普遍關(guān)注?，F(xiàn)在，關(guān)于該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)問題各界還有一些不同的意見， 主要是因?yàn)檫@一技術(shù)具有兩種不同的用于發(fā)射的信號調(diào)制方式， 一個是單脈沖直接序列調(diào)制發(fā)射方式，另一個是多載波調(diào)制發(fā)射方式， 其實(shí)這兩種用于信號發(fā)射的調(diào)制方式， 都各有各的優(yōu)點(diǎn)，也各有各的缺點(diǎn)，所以最終這兩種不同的調(diào)制方式可能會長期并存。除此之外，基于超寬帶單脈沖直接序列調(diào)制技術(shù)的低速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)正逐漸為人們所關(guān)注。2.3.5ZigBee 技術(shù)ZigBee 技術(shù)作為一種新型的短距離無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率以及低成本，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備中。該技術(shù)具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，

26、它可以說是IEEE802.15.4 的代名詞，因?yàn)閆igBee 協(xié)議的 PHY層和 MAC層協(xié)議直接引用了IEEE_第9頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_802.15.4 ，而網(wǎng)絡(luò)層則由 ZigBee 技術(shù)聯(lián)盟制定，至于應(yīng)用層，則是根據(jù)用戶本身的具體應(yīng)用需求， 對其進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)， 因此該技術(shù)實(shí)際上為我們提供了更加靈活的組網(wǎng)方式。依據(jù) IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的規(guī)定， ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作在 3 個相距較大的不同頻段內(nèi)， 不同頻段上的信道數(shù)目也不僅相同， 所以，該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中各個頻段所采用的調(diào)制方式和傳輸速率有所差別。 這三個頻段分別為 868MHz、915MHz

27、和 2.4GHz，其中 2.4GHz 頻段有 16 個通信信道， 數(shù)據(jù)的傳輸速率為 250kbps，是全球免費(fèi)且通用的 ISM 頻段；另外兩個頻段即 915/868MHz，其分別有 10 個和 1個通信信道，數(shù)據(jù)的傳輸速率分別為40kbps 和 20kbps。該技術(shù)采用了免沖突多載波信道接入方式， 可以有效地避免無線電載波間的沖突，同時，建立了完善的應(yīng)答通信機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)能夠更可靠的傳輸?；?ZigBee 技術(shù)的設(shè)備可組建星型或者點(diǎn)對點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槠渚哂休^長的地址碼，所以網(wǎng)絡(luò)中可以連接數(shù)目眾多的節(jié)點(diǎn)設(shè)備?；谠摷夹g(shù)的設(shè)備，其發(fā)射功率一般為 03.6dBm，有效通信距離在三十到七十米之間，

28、且具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能， 設(shè)備可以利用這些功能來獲取相應(yīng)的信息，并根據(jù)這些具體的信息來對本設(shè)備的發(fā)射功率進(jìn)行自動的調(diào)整，在確保通信鏈路質(zhì)量的前提下，能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)的能量消耗降到最低的限度。2.4 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案家居安防系統(tǒng)主要由家庭內(nèi)部的控制網(wǎng)絡(luò)和主控系統(tǒng)兩部分組成，并且基于上述對各方面相關(guān)技術(shù)的分析和比較所得出的結(jié)論，我們設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)如圖2.1所示的系統(tǒng)方案：_第10頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_圖 2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖此方案采用了基于ZigBee 的短距離無線通信技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)組建，網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)通過連接各種傳感器的方式實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境信息的采集， 然后將

29、采集到的數(shù)據(jù)通過 ZigBee 協(xié)議與主控系統(tǒng)也即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲。 而主控系統(tǒng)同時又作為該網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)， 則通過程序的設(shè)計(jì)在特定的信道上建立 PAN網(wǎng)絡(luò)，并把從終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)處理后， 再通過GPRS模塊發(fā)送給家庭主人。而在主控系統(tǒng)內(nèi)部建立 Web服務(wù)器功能，可以讓用戶通過遠(yuǎn)程 PC機(jī)的瀏覽器發(fā)送具體的請求以查看居室內(nèi)部的具體狀況，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。該方案不僅成本低、 功耗低和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一， 而且克服了傳統(tǒng)的家居安防系統(tǒng)的不足。2.5 家庭網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在 ZigBee 協(xié)議里定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星型網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和簇樹網(wǎng)絡(luò)，其中簇樹網(wǎng)絡(luò)可歸為點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

30、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.2 所示：_第11頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_圖 2.2三種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中， 其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)必須具有不間斷性， 而終端節(jié)點(diǎn)則可以采用普通的電池對其提供能量。 此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合在比較小的范圍內(nèi)組建。而對于點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 只要雙方的距離小于節(jié)點(diǎn)設(shè)備的最大通信距離，同時通信的基本條件得到滿足， 則雙方就可以實(shí)現(xiàn)彼此間的通信。 點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)， 它主要用于管理鏈路狀態(tài)信息， 認(rèn)證設(shè)備身份等。 此種網(wǎng)絡(luò)與星型網(wǎng)絡(luò)相比，結(jié)構(gòu)要更加復(fù)雜，在節(jié)點(diǎn)分布范圍較廣的場合一般采用這種結(jié)構(gòu)。在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中， 協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)， 它可以和其

31、它任何一個終端節(jié)點(diǎn)通信，但終端節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行通信， 所以要構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)， 首先要確立協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。任意一個全功能設(shè)備即 FFD設(shè)備都可以成為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)， 在一個星型的網(wǎng)絡(luò)中，具體確定哪一個節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是由上層的應(yīng)用程序來設(shè)定的。 一般的形成機(jī)制是： 當(dāng)一個全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)在第一次被激活之后， 會通過廣播查詢的方式來查詢協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的請求信息， 當(dāng)接收到的信息顯示網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)在已經(jīng)有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)了，那么該設(shè)備節(jié)點(diǎn)就必須接受已經(jīng)存在的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證， 一旦認(rèn)證成功，則該節(jié)點(diǎn)就加入該網(wǎng)絡(luò)并成為網(wǎng)絡(luò)中的一般節(jié)點(diǎn)即精簡功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)。 當(dāng)首次激活后并未接收到任何的回復(fù)信息時， 亦或是認(rèn)證失敗時， 該節(jié)點(diǎn)就會

32、自動將自身作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行以自身為中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)組建。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)確立之后， 其將為本星型網(wǎng)絡(luò)確定一個唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符， 在該星型網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都會用這一標(biāo)識符來確定自己是否屬于該網(wǎng)絡(luò)。 在確定了_第12頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符之后， 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就會準(zhǔn)許其他節(jié)點(diǎn)加入到自己的網(wǎng)絡(luò)里來， 并負(fù)責(zé)為加入進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 前面說到，終端節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行通信，實(shí)際是指不能直接進(jìn)行通信， 但可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中轉(zhuǎn)， 以實(shí)現(xiàn)彼此間的間接通信。根據(jù)以上對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究和分析，本系統(tǒng)選擇采用星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方法， 要

33、比其它結(jié)構(gòu)的方法簡單。 從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，由于家居安防系統(tǒng)的家庭控制網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的范圍很小，因此，采用星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就完全可以達(dá)到家庭無線網(wǎng)絡(luò)的功能需求。第 3 章 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與通信程序的設(shè)計(jì)基于 ZigBee 技術(shù)的家庭無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩類， 其中終端節(jié)點(diǎn)通過連接各種各樣的傳感器，并將其安置在居屋內(nèi)的相應(yīng)的重要位置， 以此來探測居屋內(nèi)環(huán)境的相關(guān)信息，一旦發(fā)生異常狀況，終端節(jié)點(diǎn)便把通過傳感器采集到具體的信息數(shù)據(jù)，以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，可以將自身作為中心節(jié)點(diǎn)，建立自己的傳感器網(wǎng)絡(luò)，并為終端節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地

34、址等，同時根據(jù)具體的情況， 對接收到的由終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息做相應(yīng)的處理。3.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)基于 ZigBee 的家居無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。作為家居無線網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元，它的主要功能包括了對家庭環(huán)境信息的數(shù)據(jù)采集、以及對采集到數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送等。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到家庭無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。_第13頁共35頁江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）_ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、信息處理單元、射頻收發(fā)單元和電源組成。傳感器的作用是采集家庭環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，之后將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送給信息處理單元； 信息處理單元用于管理本節(jié)點(diǎn)的其它功能模塊，以保證各模塊之間能夠相互協(xié)調(diào)的工作， 此外，它還會根據(jù)具體的情況對傳感器傳遞過來的數(shù)據(jù)信息做相應(yīng)的處理和保存； 射頻收發(fā)單元則主要用于發(fā)送和