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1、西华大学硕士学位论文基于ZigBee无线传感网络的嵌入式智能家居监控系统研究姓名：雷梁申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：郑萍20090501西华大学硕士学位论文基于Z i g B e e 无线传感网络的嵌入式智能家居监控系统研究电力电子与电力传动研究生雷梁指导教师郑萍随着2 1 世纪的到来，特别是近年来现代高科技和信息技术正在由智能大厦走向智能化住宅小区，进而走进家庭。人们对家居生活环境的要求也越来越高，并将注意力越来越多的放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上。家居无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。无线传感网络的出现克服了家庭中布线的烦琐，充分体现了智
2、能家居系统的灵活、方便、高效。本项目研究开发了基于Z i g B e e 技术和I n t e m e t 技术的智能家居监控系统，将I n t e m e t 的远程监控与Z i g B e e 短距离控制相结合，实现系统的家居无线控制和数据采集，避免了综合布线，可扩展性好。本文首先进行系统总体设计，结合底层Z i g B e e 无线传感网络的特点和系统总体网络监控的要求，将该系统设计分为四部分：无线传输模块、数据处理模块、以太网传输模块、上位机显示界面。然后对Z i g B e e 协议标准做了全面地研究分析，同时给出了基于C C 2 4 3 0 的无线传输模块的软硬件设计和星型网络搭建
3、，并给出了测试结果。接着设计了基于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的数据处理模块，给出了硬件电路和外围辅助电路设计方案，并为其移植了实时操作系统p c o s I I。本设计完成了基于R T L 8 0 1 9 A S 的以太网传输模块设计和系统的以太网通信程序的设计，实现了从底层Z i g B e e 无线传感网络的数据采集最终到监控机的数据传输并测试成功。最后在V C+6 0 环境下，应用W m d o w sS o c k e t s 套件接口开发显示界面对底层采集的数据分类显示。整个智能家居监控系统能够对家用电器的完成开关量的控制，还能够对三西华大学硕士学位论文表(水表、电
4、表、燃气表)进行无线抄表，最重要的是可监测来自家庭安防传感器(火警、煤气泄露)的数据，以备物业等部门监控。通过测试后，证实了设计方案的正确性，结果满足系统设计要求，该设计具有一定的新颖性和实用性。关键词：智能家居，Z i g B e e，数据处理，l x C O S I I，W i n d o w sS o c k e t s西华大学硕士学位论文R e s e a r c ho fM o n i t o r i n gS y s t e mo fE m b e d d e dI n t e l l i g e n th o m eB a s e do nZ i g B e ew i r e l
5、 e s ss e n s o rn e t w o r kT h es p e c i a l t yo fp o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e sP o s t g r a d u a t e：L e iL i a n gS u p e r v i s o r：Z h e n gP i n gW i t ht h ea d v e n to ft h e21s tc e n t u r y,e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s，m o d e mh i g h-t e c
6、ha n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya r ef r o mi n t e l l i g e n tb u i l d i n gt o w a r d si n t e l l i g e n tr e s i d e n t i a lq u a r t e r s，a n dt h e nw a l k e di n t ot h ef a m i l y P e o p l e Sr e q u e s tt ot h el i v i n ge n v i r o n m e n ta th o m ei sa l s og
7、e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r A n dp e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h el i v i n ge n v i r o n m e n to fs a f e t y,c o m f o r ta n dt h ec o n v e n i e n c e T h ep r o b l e ma b o u tW i r e l e s sh o m em o n i t o r i n gi st h ei n t e r n a t i o n a lp r
8、 e c e d i n gr e s e a r c hs u b j e c to nt h ef i e l do ft h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n gn o w a d a y s T h ee m e r g e n c eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko v e r c o m e st h ec u m b e r s o m eo fw i r i n ga th o m ea n df u l l ye m b o d i e st h ei n t e l l i g e
9、n th o m es y s t e m，f l e x i b l e，c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t T h i sp r o j e c td e s i g n sa ni n t e l l i g e n th o m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h eZ i g B e et e c h n o l o g ya n dI n t e m e tt e c h n o l o g y,c o m b i n i n gw i t hr e m o t eI n t
10、e m e tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o la n dZ i g B e es h o r t-d i s t a n c ec o n t r 0 1 I tr e a l i z e st h ew i r e l e s sc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o na th o m e，a v o i d st h ei n t e g r a t e dw i r i n g，w i t hg o o ds c a l a b i l i t y T h ep a p e rd e s i g
11、 n st h es y s t e mf i r s t l y,c o m b i n i n gw i t ht h eZ i g B e ew i r e l e s s se n s o rn e t w o r k Sc h a r a c t e r i s t i c sa tb o t t o ma n dr e q u i r e m e n t so ft h eo v e r a l ln e t w o r km o n i t o r i n g A tt h es a n et i m e，t h ed e s i g no ft h es y s t e mi
12、sd i v i d e di n t of o u rp a r t s：t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e，E t h e m e tm o d u l e，P Cd i s p l a yi n t e r f a c e S e c o n d l y,t h ep a p e rd o e sar e s e a r c hI I I西华大学硕士学位论文a n da n a l y s i si nZ i g B e ep r o t
13、o c o ls t a n d a r d sa n dg i v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na b o u tw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l eb a s e do nC C 2 4 30，t h es t r u c t u r eo fs t a rn e t w o r ka n dt h et e s tr e s u l t s T h i r d l y,i td e s i g n st h ed a t ap r o c e s
14、s i n gm o d u l eb a s e do nT M S 3 2 0 F 2 812，g i v i n gt h es c h e m ea b o u th a r d w a r ec i r c u i ta n de x t e r n a lc i r c u i td e s i g n,a n dt r a n s p l a n t i n gr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e ml IC O S-I If o rT M S 3 2 0 F 2 812 T h ed e s i g nc o m p l e t e
15、 st h ed e s i g no fE t h e r n e t-b a s e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d u l eb a s e do nR T L 8 019 A Sa n dt h ed e s i g no fE t h e m e tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m I tr e a l i z e st h eC O U r S eo fa c h i e v i n gd a t af r o mZ i g B e ew i r e l e s ss e n s o rn
16、 e t w o r ka tb o t t o mt h e nt r a n s f e r r i n gt h ed a t at ot h em o n i t o rf i n a l l ya n dt e s t ss u c c e s s f u l l y A tl a s t，t h ed e s i g nd e v e l o p st h ei n t e r f a c ei na p p l i c a t i o no fW i n d o w sS o c k e t sw h i c hc o u l dd i s p l a yt h ec l a s
17、 s i f i e dd a t ai nV C+6 0e n v i r o n m e n t T h eM o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ei n t e l l i g e n th o m ec o u l df i n i s ht h ec o n t r o l。o ft h eh o u s e h o l da p p l i c a t i o n s s w i t c h i n gv a l u e A l s oc o u l df i n i s ht h ew i r e l e s sm e t e rr e a d
18、 啦i n c l u d i n gt h r e em e t e r s(w a t e rm e t e r s，e l e c t r i c i t ym e t e r s，g a sm e t e r)T h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st om o n i t o rh o m es e c u r i t yt h r o u g hm o n i t o r i n gt h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h es e n s o r s(f i r e，g a sl e a k)a th
19、 o m e，w h i c hi sa c c o m p l i s h e db yt h ed e p a r t m e n to fp r o p e r t ym a n a g e m e n t T h et e s tc o n f m n st h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n,a n dt h er e s u l t sm e e tt h er e q u i r e m e n t s T h ed e s i g nh a sac e r t a i nn o v e l t ya n dp r a c t
20、i c a l i t y K e yw o r d s：I n t e l l i g e n th o m e，Z i g B e e，D a t ap r o c e s s i n g，l aC O S-I I，W i n d o w sS o c k e t sI V西华大学硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或者其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表明谢
21、意。一一本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名：导师签名：嚣才蜀黜詈断膨璐钼帅西华大学硕士学位论文授权书西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书；2、不保密耐，适用本授权书。(请在以上口内划4)学位论文作者签名：唐粱日期：聊要，g指导教师签名：日
22、期：砩s。7 2 f1 2 1匆虏西华大学硕士学位论文1 绪论1 1 课题研究的背景智能家居或称智能住宅，在英文中常用S m a r tH o m e。与智能家居的含义近似的还有家庭自动化(H o m e A u t o m a t i o n)、电子家庭(E l e c t r o n i c H o m e、E h o m e)、数字家园(D i g i t a lf a m i l y)、家庭网络(H o m en e t N e t w o r k sf o rH o m e)、网络家居(N e t w o r kH o m e)，智能家庭建筑(I n t e l l i g e n
23、th o m e b u i l d i n g)。智能家居概念的起源很早，但一直没有具体的建筑案例出现。世界上第一套智能建筑系统于1 9 8 4 年在美国的康涅狄格州哈特福德市出现，当时是由美国联合科技公司改造了一座旧式大楼，对大楼的空调、电梯、照明等设备采用计算机进行监测控制。从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。随着大量采用先进电子技术的家用电器的面市；住宅电子化出现。上世纪8 0 年代中期，将家用电器、通信设备和安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化的概念。到了8 0 年代末，通信技术的飞速发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用
24、系统，也就是智能家居的原型。1 9 9 7 年，比尔盖茨的智能豪宅历时七年终于建成，这幢建筑完全按照智能住宅的概念建造，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制。1 9 9 8 年5 月在新加坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会 上，推出了新加坡模式的家庭智能化系统一“未来之家，从而开启了智能家居走向大众的先河，时至近日，在新加坡约有近3 0 个住宅小区、近5 0 0 0户的家庭采用了这一系统。进入新世纪后，美国出现了一种X 1 0 技术，即通过x 1 0 通信协议，网络系统中的各个设备便可以实现资源的共享，这种技术布线简单，功能灵活，扩展容易，该技术已经应用于美国约4 0
25、0 万家庭。与普通的家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，能够提供舒适安全、高品位且宜人的生活空间，还把原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各种能源支出节约资金。建筑智能化的重要特征就是：网络化、智能化、人性化、个性化。人们接受智能化产品融入自己的工作和生活，不再是为了好奇，而是西华大学硕士学位论文需求。智能化系统、宽带综合布线系统带给人们的不仅是产品，更重要的是体现了一种服务模式和服务理念。其基本目标是将家庭中各种与信息相关的通信设备，家用电器和家庭安保装置，通过有线或无线的方式，连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异
26、地的监视、控制和家庭事物性管理，保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。基于这些突出优势，住宅的信息化、智能化将是一个不可避免的趋势。从技术角度看，智能家居是融合了计算机、网络、自动控制、传感等多种技术，并涉及生态、环境、能源等多个领域的综合性系统性工程，其实现归根到底是基于策略的自动控制和信息交换，所以，智能家居系统也就是一个综合了信息流和控制流的网络系统。智能家居的发展离不开相关技术的进步，相关技术的飞跃也必然改变智能家居的面貌。不难看出智能家居的主要发展趋势有一下几点：。信息化：信息技术，尤其是网络技术的发展，不仅是一场技术革命，也极大地改变了人们的思维模式和行为模式。利用现代信息技术，
27、住户可以做到足不出户，享受到更多精彩丰富的信息化生活，诸如网上购物、家庭医疗监护等。网络化：家居网络是在家庭范围内基于网络环境的综合应用，包括物业管理、安防等。网络化在简化管理流程的同时，也方便了人们的日常生活。当前在家居网络所采用的连接技术可以分为“有线 和“无线两大类。有线方案主要包括一总线制、电力载波等；无线方案主要包括红外线连接、无线电连接、基于R F 技术的连接和基于P C 的无线连接等。目前，智能家居是通过统一的网络总线和控制平台将家庭的电器设备、灯光控制系统、安全控制系统、能源管理系统等连成一体的，这是一种集中控制，如果有任意一个小的控制系统出现故障，将导致整体系统的瘫痪。解决这
28、一弊端的有效途径是采用无线方案，无线方案为用户提供了灵活性和可移动性，由于红外通信受到带宽和障碍物的限制，目前主要采用无线射频技术。标准化：关于智能家居的通信协议标准问题，到目前为止在国际上还没有统一的规范，现有的只是一些局部的或在某一领域内的规范。例如C E A(C o n s u m e rE l e c t r o n i c sA s s o c i a t i o n)是美国消费电子的行业标准；L o n W o r k s 是美国工业控制网络标准；E I B(E u r o p e a nI n s t a l l a t i o nB u s)是欧洲的低压电气安装2西华大学硕士学
29、位论文标准等，这些标准都适用于家庭控制系统的标准。国内智能家居兴起时间较晚，多数只是国外相关标准的延伸，而且所使用的设备都具有独立功能的产品，所以大多数在各自的小体系内拥有自定义的标准。由此可见，智能家居行业需要改变目前“各自为政 的情况，使不同厂家的产品可以互相兼容，方便在解决方案中采取适合质量等级的产品，组建开放性更好的系统。模块化：所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成不同功能的组件，可以根据用户的实际需求任意搭配。这样不仅可满足不同层次用户的需要，而且可以节约成本，也可以节约不必要的端口模块，增强系统的可维护性、可扩展性，简化系统集成的过程。绿色：智能化建筑的绿色生态发展，主要包括
30、节能、无污染(空气污染、噪声污染、电磁污染等)。低功耗多功能的无线传感网络正好顺应了这一发展要求。由于智能家居是一个多行业交叉覆盖的系统工程，各个设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备，其结果是：不同设备之间的互连、互通变得非常困难。这种问题实际上就是由家居设备的通信协议标准没有统一造成的。在整个智能家居控制系统中，家庭网络是智能家居实现通信的基础，是住宅内部的神经系统，而通信协议又是其精髓所在，因此在智能居家系统的设计中，采用具有良好发展前景的通信协议具有重要的意义。1 2 智能家居系统的国内外研究现状1 2 1 智能家居系统的国外研究现状自从世界上第一幢智能建筑在美国出现后，国外的智能家
31、居已经获得了长足的发展。一些知名企业如I B M、C I S C O、S i e m e n s、S a m s u n g、M i c r o s o i t、S o n y、P a n a s o n i c 很早就投身到这一领域，最初他们的产品种类繁多，各自采用的技术标准也不尽相同。发展至今，已经形成了比较统一的通信协议标准，这些协议标准在国际智能家居和家庭网络中占据主导地位。国外目前比较流行的智能家居品牌有：A M X、C r e s t r o n、E L A N、H A I(美国海益)【l】以及已经打入中国市3西华大学硕士学位论文场的H o n e y w e l l(霍尼韦尔)、
32、L G。国外这些智能家居品牌主要采用的通信协议标准有：1)L o n W o r k s 协议L o n W o r k s 协议是由美国E c h e l o n 公司与M o t o r o l a 和东芝公司共同倡导的，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了I S O O S I 模型的全部七层通行协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b s 至1 5 M b s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m，支持多种通信介质。其最大特点是在总线上挂接具有神经元(N e u r o n)芯片的控制节点，而这些芯片内已经固化有
33、标准的网络通信协议、内嵌式网络操作系统和运作的时间数据库。可以说L o n W o r k s 协议最大的应用领域就是在楼宇自动化方面，它包括建筑物监控系统的几乎所有领域，即能源管理、消防、救生、供暖通风、测量、安保等。L o n W o r k s 协议中的介质访问控制层，即I S O O S I 模型中的第1、2 层，已经被接纳为建筑自动化控制网络(B A C n e t)的标准，同时也被美国国家标准协会(A N S I)制定的有关标准所采纳。2)C E B u s 协议C E B u s(C o n s u m e rE l e c t r o n i C SB u s，消费电子总线)是
34、美国于1 9 8 4 年4 月开始组织开发的一种智能家庭网络系统的标准，经过多年研究，于1 9 9 2 年正式推出，并正式命名为C E B u s。C E B u s 采用的传输介质可以是多种多样的：电力线、双绞线等。它在电力线载波模式工作时最具有优势。C E B u s 协议是一种开放式标准，在通信协议上遵循I S O O S I 七层协议框架。C E B U S 省略了I S O O S I七层协议中的传输层(T r a n s p o r tL a y e r)、会话层(S e s s i o nL a y e r)和表达层(P r e s e n t a t i o nL a y e
35、r)，仅保留物理层(P h y s i c a lL a y e r)、链路层(L i n kL a y e r)、网络层(N e t w o r kL a y e r)和应用层(A p p l i c a t i o nL a y e r)。C E B U S 协议具有两个典型特点：一是，在介质访问控制子层(M A C)采用总线结构的C S M A C D C R(C a r r i e r-s e n s i n gM u l t i p l eA c c e s sw i t hC o l l i s i o nD e t e c t i o na n dc o l l i s i o
36、nr e s o l u t i o n，即载波侦听多路访问冲突检测协调协议)，即一个网络节点在需要通过总线来发送数据时，它首先要检测总线上是否有数据在传输，只有确认总线上没有数据在传输时，它才向总线发送数据，以确保任何两个节点不会同时占用总线而4西华大学硕士学位论文产生冲突；二是C E B u s 总线专门配置了专用的应用语言系统C A L(C o m m o nA p p l i c a t i o nL a n g u a g e)，利用C A L 系统可方便地对网络上的各种家电设备进行逻辑控制关系的设定，同时也可以以文件的模式来描述一个家电设备的功能。1 2 3)X-l O 协议X 1
37、 0 协议是由美国R a d i o s h a r eC h a i n 公司于1 9 7 8 年研制成功的，是国际通用的智能家居电力载波协议。目前己广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制和住宅仪表数字读取等方面。它是以5 0 H z 或(6 0 H z)为载波，再以1 2 0 K H z的脉冲为调变波，发展出来的数位控制技术，并采用电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通信协议。X 1 0 的兼容产品可以通过电力线互相通讯，不需要重新铺设控制线路，电力线在提供电流的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。国外厂家大多数都是专业生产家庭智能化设备的，历史悠久，产品的可靠性以及
38、性能都经历了验证。国外的智能家居产品比较注重家庭内部功能的实现，不足之处在于其价格比较高和联网的能力方面比较差。1 2 2 智能家居系统的国内研究现状我国在智能家居研究领域起步较晚。最初，国内较有实力的家电厂商涉足了这一领域，比如，康佳、创维、厦华、美的、春兰等推出了系统改进的信息家电，为智能家居的实施提供了功能终端设备；然后到了1 9 9 9 年3 月1 0 日，微软的比尔盖茨的深圳之行又推出了“维纳斯 计划，使国内的I T 厂家对智能家居有了更加清晰的认识，他们将研究注意力主要集中在系统构成上，从而从根本上解决了目前智能家居存在的弊端和问题；目前，智能家居在国内的发展已全面展开，不论是技术
39、还是市场方面都出现了可喜的局面。2 0 0 8 年1 2 月4日，由千家网、千家品牌实验室共同主办的第九届中国国际建筑智能化峰会上，揭晓了“2 0 0 8 年中国智能家居十大品牌，其中，中国国内的品牌有：上海索博、广州安居宝、青岛海尔、天津瑞朗、深圳波创、深圳普力特、上海慧居、深圳松本先天下、厦门振威安全。就智能家居解决方案而言，主要的困难就是系统通信，而最核心的问题还5西华大学硕士学位论文是通信协议的选择。上述中国智能家居十大品牌以及其它一些厂商的解决方案中，除了引进国外主流的一些通信协议外，还采取以下几种系统通信方案：1)荷兰P L C B U S 技术上海索博就采用的是P L C B U
40、 S 技术。P L C B U S 技术是一种高稳定性及较高性价比的双向电力线通信总线技术，它主要利用已有的电力线来实现对灯光、家用电器及办公设备的智能控制。P L C B U S 系统主要由三部分组成，即发射器、接收器和系统配套设备。发射器主要作用是通过电力线发射P L C-B U S 控制信号给接收器，通过对接收器的控制，从而达到间接控制灯及电器设备的目的；接收器主要作用是接收来自电力线的P L C B U S 控制信号，并执行相关控制命令，从而达到灯及电器控制的目的；系统配套设备主要是为了配合发射器及接收器设备，辅助实现控制目的，例如：三相耦合器、信号转换器、信号强度分析仪、吸波器等。P
41、 L C B U S 技术的解决方案包括如下领域的应用：灯光控制，电器控制，H V A C 控制以及网络与电器设备间的通信。【3】2)H B u s 总线协议深圳普利特智能家居系统采用的就是H B u s 总线。H B u s 分布式总线是一种适合于中国家庭自动化及小型工业控制环境的简单、可靠、易用而又低成本的新型现场总线控制系统，可实现家庭电气设备及小型工业设备的现场互连与控制；方便构建一个统一的底层网络。它采用双向数字通信，无冲撞通信协议设计，系统容量大。同时采用了U T P 5 作为系统总线，布线简便。通讯速率为9 6 K B S，总线电压为+1 2 V，系统总线传输距离大于1 0 0
42、0 m。3)A p B u s 总线(网络)技术深圳汇创智能家居系统采用的就是A p B u s 总线技术。A p B u s 总线(网络)技术是具有专利产权的总线技术。A p B u s 采用的是一种电源信号混合传输的技术，是一种家庭自动化网络总线技术。该总线技术主要用于网络化控制系统，特别是智能家居网络、住宅小区网络方面。该总线系统主要由电源供应器、双绞线和功能模块三个基本部分组成。每个功能模块都是串联在双绞线上，互相的连接不分极性。：4 1 该总线技术采用+2 4 V 直流电源，信号传输速率为1 0 K B S，以双绞线作为传输媒体。6西华大学硕士学位论文总的来说，A p B u s 是
43、一种新型的智能控制总线，在欧洲标准E I B 总线及L o n W o r k s 总线技术上作了创造性的改进，其防通信冲撞协议设计很好的解决了总线上各节点收发指令的冲撞问题，大大提高了系统的通信效率与稳定性。国内的智能家居厂商的构成较为复杂，有科研院校，也有以前的家电厂商，技术实力也相差悬殊。他们目前设计的系统中主要采用的是有线方案(总线)，也有部分系统中包含了无线接口的应用。从目前的发展来看，在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且它更符合于家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络
44、技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。无线网络技术主要可分为射频(R F)技术、I r D A 红外线技术、I E E E 8 0 2 1 l a和I E E E 8 0 2 1 l b 协议技术、H o m e R F 协议、Z i g b e e 技术，其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。本设计采用了无线传感网络来构成智能居家系统，下一节中将要详细讨论其系统的构成和协议的选择。1 3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容是智能家居监控系统。在未来，智能家居监控系统将作为住宅的一部分，直接关系到住宅用户的满意度和舒适度。它监控着家中的一些安全隐患，如煤气泄
45、露、火灾等，同时还可以控制家中的一应电器设施，另外三表(水表、电表、煤气表)抄送也融入其中。传统的智能监控系统往往利用了网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活的各个监控节点有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。但是传统的电缆有线连接已经渐渐退出家庭网络的舞台，因为现实中，很多房屋已经完成了装修，但没有专门为以后的智能家居系统预布线。而无线网络技术则可以在没有布线的情况下完成家庭局域网的搭建，而且无线智能模块的最大优点是安装非常方便，可拆分性特别强，能更好的适应各种应用环境的需要。本文正是基于这一点，提出了一种有线和无线网络相结合的解决方案，将7西华大学硕士学位论文“
46、家庭无线网络”联向“楼宇以太网”，实现了整个社区或楼宇的智能家居系统互联和管理。本文研究的智能家居监控系统将由三大部分组成：无线传感网络模块，数据处理模块，以太网传输模块。如图1 1 所示。m 十g 女目馆s蓑够F i g u r e1 1M o n i t o rs y s t e mo f b u i l d i n g图1 1 楼字监控系统1 3 1 本智能家居监控系统中的无线传感网络方案选择和结构设计无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线通信技术，这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的射频技术，实现对家电、安防设备等家庭电器设备的控制。目前
47、，家居中常用的无线射频技术主要有U W B、W i-F i、蓝牙、z i g B c e 等，可以实现针对不同数百i 百i 旦西华大学硕士学位论文据传输速率和距离的多种环境需求。U W B 是一种高效的低功耗宽带无载波通信技术，与传统无线电技术的显著区别在于，后者通过变化正弦波的功率水平、频率或相位等传递信息；而U W B不使用载波，其在特定的时间点产生脉冲式无线电能量，并占据较大的带宽进行脉冲定位(P u l S e P o s i t i o n)或时域调制(T i m e M o d u l a t i o n)，从而使耗电量显著减小。U W B 早在1 9 6 0 年就开始开发了，但仅
48、仅限于军事领域，主要用于军用雷达、定位等。美国F C C(联邦通信委员会)于2 0 0 2 年2 月准许该技术进入民用领域，并且开放了3 1 G-1 0 6 G H z 频段给U W B，U W B 主要用于对数据传输速率要求很高的无线传感网络。W i F i(W i r e l e s sF i d e l i t y，无线高保真)是一种无线通信协议，采用I E E E8 0 2 1 l b 标准，主要目的是提供W L A N 接入，也是目前W L A N 的主要技术标准，它工作在2 4 G H z 的I S M 频段，所支持的速度最高达5 4 M b p s。目前，I E E E8 0 2
49、 1 1 b标准还没有被工业界广泛接受。W i F i 规定了协议的物理层(P H Y)和媒体接入控制层(M A C)，并依赖T C P I P 作为网络层，通信距离在1 0 0 m 左右。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携晰F i 装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。【5】蓝牙(B l u e t o o t h)取自公元1 0 世纪统一了丹麦的国王哈拉德二世的名字，寓意是期望统一。它是一种短距离无线通信技术，它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。蓝牙的传输距离为l O c m-l O m，如果增加功率或是加上某些外设可达到1 0 0 m 的传
50、输距离。它采用2 4 G H zI S M 频段，采用I E E E8 0 2 1 5 1标准，且规定了包括P H Y、M A C、网络和应用层等集成协议栈。B l u e t o o t h 对每个“P i c o n e t”(微微网)限制其只能配置7 个节点，制约了蓝牙技术在大型传感网络开发中的应用。Z i g B e e 是一组基于I E E E 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。I E E E 无线个人区域网工作组的I E E E8 0 2 1 5 4技术标准是Z i g B e e 技术的基础。它采用跳频技术，使用的频段分别为