智能家居无线传输技术研究及系统设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.2MB 56 页 15积分

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摘要

近十几年，人们一直追求着便利、安全的智能家居系统以及它所带来的高品

质生活。物联网技术的不断进步为智能家居技术的发展提供了契机[1]。无线传感网

络在智能家居领域延伸为家居传感网络。因此智能家居系统的功能更完善，操作

方式更友好并更节能低耗。本文以无线传感网络技术为基础，研究了主要无线传

输技术，并以此设计智能家居系统。

首先，本文比较分析了行业中成熟的无线传输技术，结合其优势与缺点分析

其合适的应用场合以及适合担当智能家居系统无线通信框架重任的无线传输技

术。经过分析后选定以 ZigBee 技术作为框架设计智能家居系统，但同时不能摒弃

红外线技术、蓝牙等其它无线技术。

其次，分析 ZigBee 无线传输协议标准 IEEE802.15.4。研究无线路由算法：树

路由算法 AODVjr 路由算法。在此基础上将两种路由算法结合并改进从而优化路

由寻址功能。并且在协调器节点发送查找指令时添加片选步骤，从而达到降低路

由算法总体功耗的目的[2]。

再次，选用德州仪器公司的 CC2530 作为 ZigBee 核心硬件设计智能家居系统

节点。为系统总体设计了四大类主要功能：照明控制功能、环境监测功能、医保

监护功能、安防功能。其中涉及了最重要的当前智能家居热门的生理参数监护功

能，并且选用相应硬件支持功能设计[3]，如温湿度传感器 DHT11、脉搏传感器

HK-2000A、体温传感器 DS18B20 等。随后设计了电源控制模块为各类芯片提供

不同需求的电源。在此硬件系统上运行改进优化的路由算法，并为各种功能设计

了各自的软件流程，实现智能家居各项功能。

最后，通过硬件调试搭建模拟测试系统。利用测试系统不仅测试了优化算法

是否达到降低运行功耗的性能效果，而且测试了系统照明控制、温湿度监测、脉

搏体温监测、红外线安防功能是否正常工作。经过测试，路由算法得到改进，智

能家居系统达到预期设计目标。

关键词：无线传输 ZigBee 路由算法智能家居系统

ABSTRACT

People always keep pursuing high quality of life and smart home system these

years. Internet of things’ development provides a great opportunity for the discovery of

smart home technology. The technology of Wireless Sensor Network promote the

development of smart home sensor network so that the smart home system could be

more functional，more friendly and cost lower at the same time. This thesis designs a

smart home system based on wireless transmission technology.

First of all，a comparative analysis of main wireless transmission technology

starts this thesis. Combined with the analysis of each strength and weakness，the

ZigBee technology is chose as the main wireless transmission framework of smart home

system.

Secondly，we analyze standard wireless protocol of ZigBee，IEEE802.15.4. The

research refers to routing algorithms，which include Cluster-Tree，and AODVjr

routing algorithm. We optimize addressing routing algorithm which reduce the overall

power consumption based on the combination of the two algorithm above.

The system includes four major functions: light control，environment detective，

medical monitoring[4] and home security. CC2530 of TI Company and relevant sensor

support the hardware of the smart home system. The four major functions can be

realized by temperature and air humidity sensor DHT11，heart pulse sensor HK-2000A

etc. The designed power module could supply all different level of power for the system.

Each function has its own software flow design.

Finally，test system simulates all the function after hardware debugging. The test

system proves not only the optimized algorithm could reduce the power consumption，

but also all function working great which include light control，environment detective，

medical detective and infrared security.

Key Words: Wireless transmission, ZigBee, Routing algorithm,

Smart-home System

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 课题来源及意义 ................................................... 1

1.2 国内外研究现状及趋势 ............................................. 2

1.3 本文研究的主要内容 ............................................... 4

1.3.1 本文主要研究内容 ............................................. 4

1.3.2 主要关键技术 ................................................. 5

第二章无线传输技术比较及方案论证 .................................... 6

2.1 引言 ............................................................. 6

2.2 各种无线传输技术 ................................................. 6

2.2.1 红外传输技术 ................................................. 6

2.2.2 蓝牙技术 ..................................................... 7

2.2.3 超带宽无线通信技术 ........................................... 8

2.2.4 射频识别技术 ................................................. 8

2.2.5 近场无线通信技术 ............................................. 9

2.2.6 Z-wave 无线通信技术 ......................................... 10

2.2.7 ZigBee 无线传输技术 ......................................... 12

2.3 无线技术优劣分析及方案论证 ...................................... 15

2.3.1 无线技术优劣分析 ............................................ 15

2.3.2 智能家居技术选择方案论证 .................................... 16

2.4 本章小结 ........................................................ 17

第三章 ZigBee 无线通信协议研究 ...................................... 18

3.1 路由协议 ........................................................ 18

3.1.1 树路由算法 .................................................. 18

3.1.2 AODVjr 路由算法 ............................................. 19

3.2 路由算法优化 .................................................... 21

3.2.1 Tree-AODVjr 算法 ............................................ 22

3.2.2 片选优化路由协议 ............................................ 24

3.3 本章小结 ........................................................ 24

第四章智能家居系统方案设计 ......................................... 25

4.1 网络拓扑结构 .................................................... 25

4.1.1 星型拓扑结构 ................................................ 25

4.1.2 树型拓扑结构 ................................................ 26

4.1.3 网状拓扑结构 ................................................ 26

4.2 系统总体框架设计 ................................................ 27

4.3 系统硬件功能选择设计 ............................................ 28

4.3.1 主芯片选择 .................................................. 28

4.3.2 外围电路设计 ................................................ 29

4.4 功能模块设计 .................................................... 30

4.4.1 照明功能模块设计 ............................................ 30

4.4.2 环境监测功能模块设计 ........................................ 31

4.4.3 医保监护模块设计 ............................................ 32

4.4.4 安防功能模块设计 ............................................ 33

4.4.5 电源模块设计 ................................................ 34

4.5 本章小结 ........................................................ 35

第五章系统软件设计 ................................................. 36

5.1 软件开发环境 .................................................... 36

5.2 节点软件设计 .................................................... 37

5.2.1 信息节点软件设计 ............................................ 37

5.2.2 协调器节点软件设计 .......................................... 39

5.3 本章小结 ........................................................ 41

第六章性能测试及系统仿真 ........................................... 42

6.1 性能测试 ........................................................ 42

6.1.1 硬件调试 .................................................... 42

6.1.2 通信协议优化性能测试 ........................................ 43

6.2 系统功能仿真 .................................................... 44

6.2.1 照明功能测试 ................................................ 44

6.2.2 信息采集节点功能测试 ........................................ 45

6.2.3 安防功能测试 ................................................ 46

6.3 本章小结 ........................................................ 46

第七章总结与展望 ................................................... 47

参考文献 ............................................................ 49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 52

致谢 .............................................................. 53

第一章绪论

1.1 课题来源及意义

智能家居，是现代人们在日常生活中随着科技水平提升对自身生活品质的不

断追求而催生的与生活息息相关的课题。智能家居是物联网的一种体现形式，也

是物联网技术概念在军用以及工业应用往民用方向的延伸[5]。

美国联合科技公司（United Technologies Building System）于1984年在美国康

涅狄格州（Connecticut）哈特佛市（Hartford）的City Place Building中的建筑设备

上应用了信息化、集成化的理念，从而出现了真正意义上的智能性建筑。自此拉

开了各研究机构、公司甚至国家对智能家居研究、发展的激烈争战。

上世纪八十年代开始，电子产业蓬勃发展，相关电子技术在家用电器上的应

用越来越广泛，因此出现了住宅电子化的概念。随后将家用电器、通信设备与安

防设备这些独立功能系统一体化后则出现了住宅自动化。随着通信技术以及信息

技术的发展，总线技术日趋成熟并与之结合的监控管理的商用系统随后出现，当

时称为Smart Home，即最初的智能家居[6]。

现在通常将智能家居定义为利用家庭信息管理平台，将与家居生活有关的各

子系统有机结合的的一个系统。换而言之，首先信息的通信极为重要，在各功能

间有良好的通信回路，数据的畅通才能保障检测及控制动作的顺利；其次，平台

并不是封闭的闭环系统，通过传感器或机械装置与外界的良好沟通交流才能保证

系统的智能化；最后，系统的最终目的是为了人类对于品质生活的追求，因此友

好、绿色、便利、舒适、安全自然而然称为了智能家居的关键词。

总而言之，智能家居类似物联网技术在军事以及工业上的应用，将军用环境

或者工厂厂房等应用环境替换成民用住宅。基于民宅的平台，同时结合计算机技

术、网络通信技术、安防技术、自动控制技术、音视频技术、综合布线技术等，

将民宅平台信息化、智能化。使得日常生活中环境能够得到检测、设施能够得到

控制，从而令家居生活更加安全、方便、舒适、智能现代化，让当代人更加舒适

便利得居住[7]。

在智能家居系统中最为重要的信息通信技术直接决定了智能家居的友好性、

舒适性以及便利性等的优秀程度。而在智能家居数据传输技术的市场上主要分为

两大派，即无线技术与有线技术[8]。传统智能家居所应用的有线传输技术尽管有很

多缺点，但是可靠性高等优点依旧不能忽视。新兴智能家居系统的不断崛起也得

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摘要近十几年，人们一直追求着便利、安全的智能家居系统以及它所带来的高品质生活。物联网技术的不断进步为智能家居技术的发展提供了契机[1]。无线传感网络在智能家居领域延伸为家居传感网络。因此智能家居系统的功能更完善，操作方式更友好并更节能低耗。本文以无线传感网络技术为基础，研究了主要无线传输技术，并以此设计智能家居系统。首先，本文比较分析了行业中成熟的无线传输技术，结合其优势与缺点分析其合适的应用场合以及适合担当智能家居系统无线通信框架重任的无线传输技术。经过分析后选定以ZigBee技术作为框架设计智能家居系统，但同时不能摒弃红外线技术、蓝牙等其它无线技术。其次，分析ZigBee无线传输协议标准I...

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