《无线传感器网络》论文

《无线传感器网络》课程论文题目：基于ZigBee的智能家居系统分析学院：信息科学技术学院专业：电子信息工程班级：2009级理科实验班学号：20091613310032姓名：姬晓鹏2011年12月17日1摘要随着生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作、生活日益信息化。信息化社会改变了人们的生活方式与工作习惯，使得家居系统的智能化成为一种消费需求，智能家居系统越来越被重视。因此，将家庭中各种通信设备、家用电器和家庭安保装置通过家居控制系统进行整合，并进行远程控制和管理，已经成为近年来一个热门研究课题。本文结合本学期的《无线传感器网络》课程所学的知识，提出了采用ZigBee无线传感器网络、GPRS通信技术相结合的方式，搭建了一套较为完善的智能家居控制系统。本文结合智能家居控制系统的特点，提出了以ZigBee无线传感器网络为家庭控制子网，以家用PC机作为家庭网关和家居控制中心，在智能手机平台上通过GPRS无线数据通信技术接入家庭子网，实现对家居系统进行远程监控，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。关键词：ZigBee无线网络智能家居1目录摘要..........................................................................................................................1第1章系统需求分析.............................................................................................11.1智能家居系统概述.....................................................................................11.2智能家居系统的现状及发展趋势.............................................................1第2章ZigBee技术介绍.........................................................................................22.1ZigBee的起源............................................................................................22.2ZigBee技术的主要特点.............................................................................22.3ZigBee网络结构.........................................................................................32.4ZigBee与其他几种无线通信技术的比较..................................................4第3章系统功能组成.............................................................................................63.1网关集中控制系统.....................................................................................63.2灯光控制系统............................................................................................73.3电机控制系统............................................................................................73.4智能家电管理系统.....................................................................................73.5无线环境监测系统.....................................................................................73.6智能遥控系统............................................................................................83.7智能安防监控系统.....................................................................................83.8场景管理系统............................................................................................8参考文献..................................................................................................................91第1章系统需求分析1.1智能家居系统概述智能家居系统通常是指利用先进的计算机和网络通讯技术将与家居生活有关的各种各样的子系统，通过特定的网络有机地结合在一起，通过科学管理，让家居生活更加舒适、有效、安全和节能。与传统的家居相比，智能家居不仅仅具有传统的居住和实用功能，还提供了舒适安全、高品位的宜人的家庭生活空间，并且提供全方位的信息交换功能，确保家庭内部与外界之间保持良好的交流与沟通，增强家居生活的安全性，节约能耗，帮助人们有效安排时间，优化人们的生活和工作方式。1.2智能家居系统的现状及发展趋势智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechno1ogiesBuildingSystem)将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford)的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的”智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。从消费者的角度来看，智能家居的需求就是以实用为核心，力求家具设备的实用化、易用化和人性化，这就决定了家居智能控制系统的发展方向：无线化、网络化。对普通用户来说，最为使用方便的应用就是在家庭之外的任何地方通过手机等移动终端在手中可远程控制家庭中的一切电器设备，这正是远程移动通信技术在智能家居领域大受青睐的原因。2第2章ZigBee技术介绍2.1ZigBee的起源ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，在中国被译为”紫蜂”。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和”嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的”舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee技术是由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2002年10月共同提出设计研究开发的具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网(PAN，PersonalAreaNetwork)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。2.2ZigBee技术的主要特点ZigBee技术的主要特点包括以下几个部分：1)数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。2)功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到23年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。3)成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZigBee协议免收专利费。4)时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。5)安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。6)网络容量大：每个ZigBee网络节点最多可支持255个设备，也就是说，每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。7)优良的网络拓扑能力：ZigBee具有星型、树型和网络型等结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔范围。8)有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。9)工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。2.3ZigBee网络结构ZigBee网络一般包含三种装置或节点，其中包括协调器(Coordinator)、路由(Router)与终端设备（EndDevices)。协调器会启动网络，并且控制管理功能及数据路由功能这些功能都需要协调器持续受到供电，依据智能家居特点建议这类节点连接固定电源。路由节点类似TCP/IP网络的路由器，参与网络信息转发和组网，是ZigBee网络不可或缺的组成部分。终端设备作为以电池供电的低功耗装置，能够在大多数时间进行休眠，并且定时唤醒以收集和传输数据。传感器等都应属终端装置，而且可通过路由器加入网络。42.4ZigBee与其他几种无线通信技术的比较目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网WiFi、蓝牙和一些专用标准（如Adhoc网等）的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线USB、超宽带通信UWB和WiMax等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较。蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。WiFi在Intel的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场；采用IEEE802.11b标准，使用2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，并可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽；采用最新的802.11g时，速率可达54Mbps，是目前应用最广的无线网络传输协议。借助USB在PC上的广泛应用，无线USB也受Intel、HP、微软等几家PC领域大公司的力推，已于近期制定了无线US