基于WSN的智能家居节点的设计与实现

单位代码：10293密级：公开专业学位硕士论文论文题目：基于WSN的智能家居节点的设计与实现1210012401李刚吴蒙教授/博导工程硕士申请全日制申请电子与通信工程二零一三年四月学号姓名导师专业学位类别类型专业（领域）论文提交日期DesignandImplementationofSmartHomeNodesBasedonWSNThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByLiGangSupervisor:Prof.WuMengApril2013南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它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示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：_____________日期：____________研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________I摘要随着人们生活水平的提高，家居生活从过去的追求装修豪华发展成为追求家居的智能化。Zigbee具有低功耗、低成本、高可靠性等显著优点，能很好的解决家居智能化中遇到的问题。通过Zigbee技术将家庭中的家用电器、仪器仪表和安防设备等接入无线传感器网络，能够对这些设备实时监控，统一管理。一旦出现故障可以立刻向监控中心预警。还可以根据室内温度，自动调节空调的温度，提高人们的生活质量。Zigbee技术将是智能家居发展的一个重要方向。本文提出了一种无线传感器网络节点解决方案，很适合应用在智能家居的领域。该方案扩展性强，能够方便的扩展不同种类的传感器功能；节点尺寸小，采用SOC解决方案，外围电路较少；节点发射距离远，增加高性能射频前端CC2591，可以灵活控制发射功率，提高发射距离。通过软件实现了CC2531节点的USB虚拟串口，可以方便的用虚拟出的串口与管理节点进行通信。根据提出的方案，对不同功能节点的硬件进行了详细设计，并绘制了PCB图。在搭建的硬件平台上，根据软件的需求，设计了软件的流程图，在此基础上实现了基于Zigbee协议的节点之间无线收发程序。最后对系统软硬件做了调试并验证了程序功能的正确性。实验表明，无线收发的距离可达300米以上，可靠性高。关键词:无线传感器网络，Zigbee，无线收发，CC2531，智能家居IIAbstractWiththeimprovementofpeople'slivingstandards,homelifebecomesthepursuitofintelligenthomesincethepursuitofluxurioushomeinthepast.Zigbeehassosignificantadvantagesoflowpowerconsumption,lowcostaswellashighreliabilitythatitcanbeagoodsolutiontotheproblemsencounteredintheintelligenthome.ByusingZigbee,householdappliances,instrumentsandsecurityequipmentcanaccesstotheWSN.Sotheycanbereal-timemonitoredandmanaged.Oncetheyhaveerrors,warningtothemonitoringcenterimmediately.Itimprovesthequalityofpeople'slivesthatair-conditioncanautomaticallyadjustthetemperatureaccordingtotheindoortemperature.TheZigbeetechnologywillbeanimportantdirectionforthedevelopmentofsmarthome.Thisthesispresentsasolutionofwirelesssensornodesanditissuitableforapplicationsinthefieldofintelligenthome.Thesolutionishighlyscalablethatitisconvenienttoexpanddifferenttypesofsensors.ByusingSOCsolutions,nodesizeissmallwithfewperipheralcircuits.Throughtheincreaseofhigh-performanceRFfront-endoftheCC2591,itisveryflexibletocontrolthetransmitpowertoincreasethetransmissiondistance.Atthesametime,USBvirtualserialfirmwareprogramofCC2531nodeisdevelopedtoeasilycommunicatewiththemanagementnode.Basedontheproposedsolution,thehardwareofthenodesisdesignedindetailandthePCBisgiven.Onthishardwareplatform,thesoftwareflowchartisdesignedbasedontherequirementsofthesoftware.Inaccordancewiththeflowchart,thewirelesstransceiverprogramwhichisbasedonZigbeeprotocolbetweendifferentnodesisdeveloped.Finally,thesoftwarewasdebuggedtoverifythecorrectnessoftheprogramfunctions.Theresultsofexperimentsshowthatthewirelesstransceiverdistancecanreachupto300meterswithhighreliability.Keywords:WSN,Zigbee,WirelessTransceiver,CC2531,SmartHomeIII目录摘要........................................................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................................................II第一章绪论..........................................................................................................................................11.1课题研究的背景和意义.............................................................................................................11.2智能家居系统研究现状及发展趋势............................................................................................21.2.1国内外智能家居的研究现状.............................................................................................21.2.2发展趋势.........................................................................................................................31.3论文研究内容及章节安排..........................................................................................................4第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术.........................................................................................62.1短距离无线通信技术.................................................................................................................62.2智能家居无线组网技术比较与选择............................................................................................92.3Zigbee协议栈分析.....................................................................................................................92.3.1物理层（PHY）.............................................................................................................102.3.2介质访问控制层（MAC）..............................................................................................112.3.3网络层（NWK）............................................................................................................112.3.4应用层（AP）...........................................................................