基于普适计算的智能家居系统的研究与构建毕业设计论文

基于普适计算的智能家居系统的研究与构建

基于普适计算的智能家居架构研究与构建 The Research and the Framework of Smart

Home Based on Pervasive Computing

摘 要

随着计算机技术不断的提高、无线通信技术的发展和嵌入式技术的发展，智能家居已慢慢的进入到了人们的生活当中，智能家居系统可以提供家电设备的自动控制与家庭安全防范，同时也可以提高人们的生活质量。本文研究的是基于普适计算的智能家居的研究与构建。

普适计算是一种新的计算模式。在它的环境下，计算机技术和无线通信技术将融入到日常生活中，使物理空间与信息空间相互融合，人们可以随时随地的访问环境提供的各种服务。本文主要研究的是普适计算的概念、理论、特性与应用。

智能家居是一个居住环境，是以住宅为中心，利用无线网络技术、综合布线技术、安全防范技术将生活有关的设备联系在一起，最终达到智能控制家电。

本文选用的是Zigbee协议、CC2430芯片以及RF收发模块，在VC++的环境下，进行相关的编译工作，最后实现智能家居的自动控制。

关键词 普适计算，智能家居，Zigbee协议，CC2430

Abstract

As computer technology continues to improve, the development of wireless communication technology and embedded technology, smart home has been slowly into people's daily lives, smart home system can provide automatic control of appliances and home security, but also can improve people's quality of life. This study is based on the ubiquitous computing research and build smart home.

Pervasive computing is a new computing paradigm. In its environment, the computer technology and wireless communication technology will be integrated into daily life, the physical space and the information space of mutual integration, people can access anytime, anywhere environment provides a variety of services. This paper studies the pervasive computing concepts, theories, characteristics and applications.

Smart Home is a living environment based residential center, the use of wireless network technology, integrated wiring technology, security technology will be linked to life-related equipment, and ultimately achieve intelligent control home appliances.

This selection is the Zigbee protocol, CC2430 RF transceiver chips and modules, in vc++environment, the associated compilation and finally realize the automatic control of intelligent home.

Key words Pervasive computing, smart home, Zigbee agreement, CC2430

目 录

摘 要 .............................................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................................ I

第1章 绪 论 ............................................................................................................................. 1

1.1 课题的研究背景与意义 ...................................................................................................... 1

1.2 国内外的发展现状及发展 .................................................................................................. 1

1.3 本文研究的内容 .................................................................................................................. 2

第2章 基于普适计算的智能家居总体设计 ............................................................................. 4

2.1 普适计算的概述 .................................................................................................................. 4

2.1.1 概念与核心思想 ............................................................................................................ 4

2.1.2 结构与环境特性 ............................................................................................................ 4

2.1.3 普适计算环境的关键技术 ............................................................................................ 5

2.2 Zigbee协议 ........................................................................................................................... 6

2.2.1 Zigbee协议的基本概念及优势 ..................................................................................... 6

2.2.2 Zigbee的工作原理 ......................................................................................................... 7

2.2.3 Zigbee网络拓扑结构 ..................................................................................................... 8

2.2.4 Zigbee在智能家居中的应用 ......................................................................................... 8

2.3智能家居系统总体设计 ....................................................................................................... 9

第3章 基于普适计算的智能家居硬件设计 ........................................................................... 10

3.1 智能家居系统的设备选型 ................................................................................................ 10

3.1.1 芯片的选择 .................................................................................................................. 10

3.1.2 CC2430的介绍 ............................................................................................................. 10

3.1.3 CC2430原理图 ............................................................................................................. 12

3.2 温度传感器原理及电路设计 ............................................................................................ 12

3.3 红外线报警器原理及电路设计 ........................................................................................ 14

3.4 灯光的控制原理及电路设计 ............................................................................................ 14

第4章 基于普适计算的智能家居软件设计 ........................................................................... 15

4.1 系统开发环境的介绍 ........................................................................................................ 15

4.2智能家居系统的网络构建 ................................................................................................. 16

4.2.1 网络初始化 .................................................................................................................. 17

4.2.2 节点加入网络 .............................................................................................................. 18

4.3 初始化程序 ........................................................................................................................ 19

4.4 数据发送 ............................................................................................................................ 20

4.5 数据接收 ............................................................................................................................ 22

第5章 结 论 ........................................................................................................................... 25

致 谢 ........................................................................................................................................... 26

参考文献 ....................................................................................................................................... 27

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景与意义

普适计算最早起源于1988年Xerox PARC实验室的一系列研究计划，即无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式。IBM特别强调计算资源普存于环境当中，人们可以随时随地获得需要的信息和服务。在普适计算的环境中，无线传感器网络将广泛普及，在智能家居、交通等领域发挥作用。

随着电子技术在现实生活中的广泛应用，人们越来越感受到电子产品为生活所带来的各种便利，特别是在20世纪80年代，智能家居的出现更为人们享受生活提供了一个广阔的平台。人们可以无时无刻的去享受生活。

普适计算把计算和信息融入人们的生活空间，使我们生活的物理世界与在信息空间中的虚拟世界融合成为一个整体，人们可以随时随地的得到信息访问和计算服务，它使计算的应用有可能拓展到前所未有的宽度和深度。智能家居就是其中的一个应用。

智能家居是一个过程，同时也是一个系统。它是在普适计算的环境下，利用不断提高的电力自动化技术、不断创新的计算机技术、网络通信技术以及被广泛使用的无线电技术，将家庭中的各种电气设备有规则性的结合在一起，通过设置，应用网络化的综合管理，让家庭中的生活更轻松。智能家居不只只是具备了传统家庭的居住功能，也具有智能化的特点，能提供给我们合理的时间安排，节约各种能源，提供优质、高效、舒适、安全的生活空间。

本文设计的基于普适计算的智能家居，是现在一个智能趋势，是人们追求的理想居住环境，能方便对家居系统的统一管理，随时提供家居服务，让人们享受优质的家居生活。

1.2 国内外的发展现状及发展

1.国内现状

当前计算机理论和技术难以完全满足普适计算的要求，需要发展与其相适应的新理论和新技术。鉴于其重要意义，以及它带来的巨大方便，普适计算已成为国际上一个蓬勃发展的研究领域。智能家居在我国的发展是日新月异的，我国的智能家居经历了研究—实验—推广—普及四个阶段：

⑴研究阶段，当中复杂的软/硬件需求是实现的难点，在研发期间，大批的专业人员进行智能家居研究，给他们配备了最先进的设备，他们促进了中国智能家居的发展，为实验打下了坚实的基础；

⑵实验阶段，对我国国内的高中档的住宅进行智能化的改造实验，比如环境温度的控制、家庭设备上网等。家居的网络化是智能家居实现的基础，所以家居总线的概念也就开 始兴起，比如X—10等；

⑶推广阶段，我国的智能家居正逐步的成熟，人们在买房的时候也开始注意是否是家居智能化；

⑷普及阶段，在我国目前还没有普及智能家居，但是这只是时间问题，智能家居是我国住宅发展的必然趋势，智能家居系统目前主要的目的是帮助主人有条理地完成家居设备管理等任务，实用性是首要考虑因素。

2.国外现状

在国外，依托强大的智能技术以及政府的支持，继美国建筑第一栋智能化建筑后，发达国家也都相继的在智能家居方面开始研究并取得了巨大的成功。在国外智能家居已经得到了认可并得到了广泛的使用。

3.课题的发展趋势

从普适计算的历史上来看，现在的普适计算已经能在实际生活中被应用，其中的无线局域网就是利用普适计算无处不在的特性开发出来的，还有就是利用无线传感与自动控制家电的器件。家电的器件是智能家居的基本个体，这些个体在普适计算的环境下通过RF模块连接在一起，通过协议进行控制，最终组成现代的智能家居系统。

自从普适计算被提出以来，人们研究了无线网络等技术来支持普适计算的研究，嵌入式技术的发展，为普适计算的生产部件提供了坚实的基础。移动通信技术、蓝牙等无线网络的发展使得无处不在的普适计算得到了应用实现。

普适计算具有广泛的计算资源和通信功能。它的场景描述了人与人之间的关系，人与环境之间的关系，将环境和人们逐渐融合在一起。普适计算是嵌入在各种类型的电脑设备，建立计算和通信，连接到交互式环境的一种计算模式，这种计算模式大大的提高了我们的工作效率，但现在针对的一般是嵌入式计算机，而不是普通的计算机，随着微电子技术的发展，越来越多的微小型电子设备被人们建设出来，而且它们的价格可越来越低，使它得到了越来越广泛的使用，使它们渐渐的成为了嵌入式设备的核心。

1.3 本文研究的内容

本本主要研究的内容是在普适计算环境下智能家居控制的实现，由于本文是本科论文，上学期间也没有接触过普适计算的知识，对于这一部分完全是新的理解与探索，所以本论文侧重于它的研究，大部分都是在讲述与理解普适计算环境与智能家居控制，只是小

部分对其进行了构建。

1.普适计算的探究

本文描述了普适计算的概念、主要研究内容及其现状、以及普适计算的特征等。

2.智能家居的研究

智能家居是以住宅为狠心，利用不断发展的网络通信技术、日益成熟的综合布线技术、人们日益关注的安全防范技术以及智能化的自动控制技术将家庭中的家电设备连接在一起，构建一个舒适的生活环境。本系统利用的协议为Zigbee协议。Zigbee协议具有低消耗、高可靠性、网络可扩充性、低成本的特性，非常适用于智能家电的传输。

本文的智能家居所能实现的功能如下：

⑴照明设备的控制

功能：对照明设备的自动

要求：灯光逐渐的变化以适应人眼的要求。

⑵防火灾发生

功能：对火灾进行监视

要求：通过感温探测器监视有无火灾发生，如有家庭控制器发出报警信号，通知家人及物业管理部门。

⑶红外线报警

功能：对非法入侵进行报警

要求:当有非法入侵时，通过设备发出报警信号，通知家人及小区物业管理部门。

3.对Zigbee协议的研究

Zigbee协议是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。

本文描述了Zigbee协议的概念、协议的结构、特点以及如何组建网络等。

第2章 基于普适计算的智能家居总体设计

2.1 普适计算的概述

2.1.1 概念与核心思想

普适计算又称普及计算、普存计算（英文中叫做pervasive computing或者Ubiquitous computing），这是普适计算的感念，他强调的是环境与计算成为一体的计算模式。计算机只是一个辅助的工具而已。在普适计算的模式下，人们可以在不同时间、不同地点，通过任意手段进行信息的获取和进一步的处理。

研究表明，普适计算的核心是无处不在的特性，它的特点是体积小、价格便宜、处理设备简单和被广泛的使用在人们的日常生活中。计算机的设备已经不再是只听从命令行的命令进行操作，也可以通过“智能”的方式，使我们更加方便的应用计算机来控制家用电器。

在普适计算的环境下，无线传感器网络被广泛的应用在智能家居领域，人们的安全防范也大大的得到了提高，使我们更加安全的生活在家庭中。

2.1.2 结构与环境特性

1.普适计算的结构

普适计算是由独立的各种子系统模块组成，通过在普适计算的环境下，运用一个协议将它们紧密的连接在一起，构建了普适计算的硬件、软件环境。有人提出了以人类为核心的计算系统模式（I/PC），这个模型将普适计算分为了五层结构，即为人类核心层、普适人机接口层、普适设备层、普适接入层、普适网络层。普适计算的模型结构示意图如图2.1所示。

图2.1 普适计算的模型结构示意图

人类核心层：普适计算是以人类为核心的层次，主要的是服务于人类，人类才是普适计算中最重要的组成部分。

普适人机接口层：在普适计算中，通过核心层与人进行通信连接。

普适设备层：在普适计算中，通过与接口层的连接，使设备连接到普适环境中。 普适接入层：通过它把设备连接入网络层中。

普适网络层：普适计算中，通过网络层连接到计算机中，使我们能通过计算机来控制家居。

2.普适计算的环境特性

普适计算的环境特性如下：

普适性：将大量的家居设备被布置到计算环境当中，用户可以通过它们可以随时随地的使用计算机服务。

透明性：在这个计算环境下，用户的存在是透明的，在使用计算过程中只是通过计算环境就可以，不需要自己的直接操作。

动态性：在计算的环境下，用户在特定的空间内处于移动状态，所以计算环境是动态性的。

永恒性：计算机在非正常操作环境下导致系统关闭，重新启动时计算机自动进入到预设状态。

2.1.3 普适计算环境的关键技术

1.网络互联技术

在普适计算时代，网络互联技术成为了终端计算设备中最重要的一种技术，网络互连技术就是帮助人们将家庭中的大量设备连接到家庭网络中，并在网络中获取服务的一种技术。在家庭网络中我们至少要考虑两种其他的网络技术：家庭内部网络宽带接入技术和内部网络互联技术。宽带接入技术包括：无线接入、光缆接入、混合接入等。而家庭内部网络宽带技术包括：无线技术、电线技术等。

2.家庭服务网关技术

家庭服务网关技术是一种将全部家庭内部网络设备连接的设备嵌入到宽带网络中，使这些设备全部享受高速连接的设备。因为计算机在家庭中的普遍使用，家用电器也慢慢的智能化，使我们可以通过家庭网络来控制，使它们产生智能化的作用，家庭智能化需要的是内部与外部相连的一个接口，而家庭服务网关技术就是这个物理接口的核心部分，其最基本的功能是以下几点：

⑴管理和控制家庭内部的家居，使其具备智能性；

⑵起到承接内部与外部之间端口的作用，实现交换数据的功能。

3.用户接口技术

在普适计算环境中，用户可以使用各种不同的设备(传感器、电脑、笔记本、工作站)访问他们所需的服务，完成计算任务。显然，这些设备的作用和显示屏的区别是非常大的。

从系统设计的角度，为实现普适计算“隐形”和“以人为本”的计算，系统必须要提供一个自然的界面用户。目前，接口技术对普适计算的研究主要集中在以下几个方面：

⑴“不可见”的用户接口，系统除了提供传统的命令行接口，还提供了各种各样的自然人机交互的方式，如语音、手势、书法等，这些应该是系统默认的方式或是暗示的交互性，允许用户使用一种方式将计算机使用的物理世界与真实的物理世界相结合。

⑵接口的自适应性，系统根据用户的设备类型判断接口适合于哪种设备。常用的方法是用一个系统检测当前的设备类型，然后连接到适当的服务器，并生成一个适当的用户界面。

4.系统的组成

普适计算系统可以分为两个部分：基础设施和移动设备。

基础设施是普适计算无处不在特性的基础，其主要功能是在普适计算系统的大量设备，计算实体（如控制和管理）之间进行数据交换、协作、消息传递等。系统支持任务迁移。

移动设备经常出现在用户移动在各种环境中，这将导致在普适计算的环境发生变化。普适计算系统必须满足以下三个需求:

⑴普适计算系统应该让用户感受到环境的变化，然后去适应环境的变化。

⑵将用户期望设备和应用程序绑定在一起，系统应该使用特定的类，而不是动态组建静态计算环境;

⑶系统支持用户的协作和资源共享，为此，计算机系统必须找到解决资源、网络结构、分布式计算和断断续续的连接问题。计算设备发现来自网络上可用的服务，不需要用户帮助进行通信。

2.2 Zigbee协议

在当今智能家居的研究中有很多的协议方式，其中包括GPRS、internet与Zigbee协议等，本文选用的是基于Zigbee协议的智能家居设计，因为在大学期间没有接触过这方面的知识，对这部分完全是新的认识，所以比较侧重的是对其的研究与探索。

2.2.1 Zigbee协议的基本概念及优势

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。

1.Zigbee技术的主要优势

⑴低功耗：因为无线局域网传输数据量相对较小，因此除了少量时间来发送和接收信息此外，无线局域网设备处于睡眠状态，功率、电池寿命可以持续几个月甚至几年的条件下电源功耗是远低于WiFi和蓝牙。

⑵高可靠性：由于多个访问/避免碰撞 (CSMA/CA) 媒体访问控制协议和响应通信机制，当数据发送给收件人，收信人回执确认，避免数据发送重叠，这样可以提高通信的可靠性。

⑶网络的可扩展性： Zigbee设备可以使用 64位的IEEE 的物理地址，并且还可以使用短 l6bit 的网络地址，这样，整个网络规模可以达到甚至超过 65000 节点

⑷架构简单，容易实现。

⑸低成本，芯片目前的价格非常廉价。 2.Zigbee协议栈的结构框架

Zigbee协议是以OSI七层结构为参考建立起来的，为了简单实用，Zigbee协议由4个层结构组成，即物理层、MAC层、网络层和应用层。其结构图如图2.2所示。

图2.2 Zigbee协议栈的结构图

物理层：是Zigbee中最底层，定义了物理端口与MAC层之间的接口，主要功能是启动/关闭无线收发模块，接收和发送数据，实现数据的通信。

MAC层：主要与物理层相连接，负责维护物理层，主要功能是对于协调器产生的信号进行处理，维护设备的安全，实现在MAC内部连接。

网络层：Zigbee网络层是由用户自己定义的，主要功能是负责为无线网络提供网络，进行网络通信、转发等功能。

应用层：根据用户的需求自行开发，简单地说就是应用网路层的数据，主要由应用子层、应用对象组成。主要功能是维持节点功能，维护和管理多个节点之间的通信。

2.2.2 Zigbee的工作原理

Zigbee是一个网络无线传输的平台，它可以包括65000个或以上的无线模块，非常类似于已经被广泛使用的CDMA移动通信网络或是GSM网络，其中每一个Zigbee无线模块都相当是一个基站，保证这个网络范围内的相互沟通，模块之间的距离是可以调节的，不仅仅是标准的75米，还可以延伸到几百米；在整个的网络中的模块还可以去其他的已经应用的网络进行连接，通常情况下，符合下列条件之一的应用，就可以考虑采用 Zigbee 技术做无线传输：

⑴网络需要数据采集或监控的网点较多；

⑵要求网络传输的数据量较小，要求设备成本也偏低；

⑶要求网络数据传输过程中安全性高；

⑷设备的体积较小，不适用于能充电的大型电源或是家庭电源，只能使用电池提供电量。

⑸地理环境复杂，需要检测的地方较多，网络覆盖面积大； ⑹现在移动网络还没有实现通信的区域；

2.2.3 Zigbee网络拓扑结构

Zigbee协议中将Zigee的网络拓扑形式为以下三种，拓扑结构图如图2.3到2.5所示。

图2.3 星状结构 图2.4 簇状结构 图2.5 网状结构

星状结构：是拓扑结构中最简单的，只要有一个网络的协调器和一个模块组成即可，节点之间的数据传输没有经过协议，只是通过协调器转发。这种拓扑结构的缺点是一旦中央的协调器瘫痪，那么整个网络也会瘫痪。

簇状结构：在结构中的每一个节点模块都只能和它相连的节点进行通信，简单的说就是信息的传送是按照结构图的方向。这种拓扑结构的缺点是信息传送的方向是唯一的，不能相互的传送消息。

网状结构：是簇状结构基础上实现的，它能以一种类似于相互传递的方式进行彼此之

间的信息交流，拥有强大的组织性、可靠性。这种拓扑结构的缺点就是在于它使用的资源过大，需要的空间过多。

本次设计选取的是星状结构，其中只有一个协调器和一些家电RF模块组成，其中协调是系统的中心，负责接收信息，进行进一步处理，RF模块发送信息。

2.2.4 Zigbee在智能家居中的应用

Zigbee在智能家居中的应用很广泛，例如：

⑴Zigbee传感器可以用于灯光控制中的设计，使用传感器检测周围的环境，例如当你看电视的时候，灯光将逐渐的变暗。

⑵可以用于家庭的安防系统中，我们把传感器安放在家庭的周围，当有非法入侵时就可以第一时间通过传感器知道发生的一切，有助于进行下一步的操作。

2.3智能家居系统总体设计

智能家居系统是以人为核心思想的设计，它是以家庭为单位进行设计的系统，其中每一个家电设备都拥有多个无线通信的Zigbee节点模块和一个自己独有的唯一的协调器以及一个地址。在这些节点与协调器中都连接一个Zigbee无线通信的收发模块，通过这些收发模块在节点与协调器之间进行传送数据。系统总体结构示意图如2.6所示。

图2.6 系统总体结构意图

RF模块指的是无线通信收发模块，它被广泛的应用在遥控、监测、小型的无线网络、身份识别和安全防护系统中。它具有操作简单，容易实现无线通信；适用性强，能在大多数的环境下使用任意的传输协议的特点。

RF模块的主要是由无线通信收发模块与控制模块组成的。无线通信收发模块的作用是完成节点信息的收发数据。而控制器的作用是通过与其本身芯片接收到的数据进行交换，完成对数据的处理，根据预先设定的数据对外围的设备通过协议传输进行进一步的控制。 每一个家电设备中都有一个预先设定的RF模块（含有唯一地址），经过一个含有协调器和RF模块的终端。对协调器进行一系列操作，协调器通过Zigbee协议传输给家电设备的RF模块当中，家电设备便可以正常运行。

本文侧重于智能家居的研究，只是尝试构建一个小的家庭智能网络，而RF的特性又刚刚好适用于智能家居。所以本文选取的RF模块。

第3章 基于普适计算的智能家居硬件设计

3.1 智能家居系统的设备选型

3.1.1 芯片的选择

系统硬件连接示意图如图3.1所示。

图3.1系统总体的示意图

本次我选用的是CC2430芯片，它是一款符合Zigbee协议的产品，RF的频率为315MHZ/433MHZ。而本芯片因为它的体积小、价格便宜、灵敏度高的基本特点完全符合家电中大规模的使用。

CC2430的优点如下所示： ⑴高性能的微控制器核。

⑵硬件支持CSMA/CA 功能。 ⑶集成AES 安全协处理器。 ⑷有效地开发工具 ⑸具有温度感测功能

⑹较宽的电压范围（2.0～3.6 V）。

⑺数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能。

⑻集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机 ⑼集成了14 位模数转换的ADC。

⑽优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性

3.1.2 CC2430的介绍

CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。 CC2430芯片如图3.2所示。 CC2430引脚功能如表3.3所示。

图3.2 CC2430芯片

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

P1_7 P1_6 P1_5 P1_4 P1_3 P1_2 P1_1 P1_0 P0_7 P0_6 P0_5 P0_4 P0_3 P0_2 P0_1 P0_0 P2_0 P2_1 P2_2

数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O 数字I/O

端口1.7 端口1.6 端口1.5 端口1.4 端口1.3 端口1.2 端口1.1 端口1.0 端口0.7 端口0.6 端口0.5 端口0.4 端口0.3 端口0.2 端口0.1 端口0.0 端口2.0 端口2.1 端口2.2

续表3.3

20 21

P2_3 P2_4

数字I/O 数字I/O

端口2.2 端口2.3

CC2430 有21 个可编译的的I/O 口引脚，P0、P1 口是8 位口，P2 口只有5 个，这5个引脚可以在设定成SFR寄存器的字节和位，将设定好的引脚作为连接计时器、通常使用的I/O 口的外围设备使用。

I/O 口有下面的关键特性：

⑴可作为通常的I/O 口，也可作为外围设备I/O 口使用。 ⑵在输入时有上拉能力和下拉能力。 ⑶全部 21 个数字I/O 口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。

⑷1～6 脚（P1_2～ P1_7）： 具有 4 mA 的输出驱动能力。

3.1.3 CC2430原理图

该系统由CC2430芯片为核心技术，连接到温度传感器、报警传感器等。 CC2430芯片的电路图如图3.4所示。

图3.4中C1，C2为22pF的电容，连接32 MHz的晶振电路，用于正常工作使用。C3，C4为15 pF的电容，连接32,768 kHz的晶振电路，用于休眠时工作，从而降低功耗。C5=0.1μF，用于去除一些杂波干扰，防止单片机错误复位。C6～C8分别为100μF，220μF，220μF，用作滤波，使电压更稳定。C9=5.6μF，电路中非平衡变压器由电容C9和电感L1、L2、L3以及一个PCB微波传输线组成，满足RF输入/输出匹配电阻(50 Ω)的要求，L1、L2、L3分别为8.2μH，22μH，1.8μH。C10、C11、C12、C13、C14为去耦合电容，用于电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。偏置电阻器R1、R2分别为43 kΩ、56 kΩ、R1用于为32 MHz晶体振荡器设置精密偏置电流。

3.2 温度传感器原理及电路设计

CC2430与温度传感器传感器连接的接口为P1_2和P1_3。温度传感器我采用的是SHTll，该温度传感器简单实用，只是占用一个引脚就可以直接输出工作量，不用A/D进行转化。SHTll用于环境温度的测量比较敏感和准确。设计简单明了，占用CC2430的是P1_2和P1_3接口，电路图如3.5所示。

温度传感器端口占用的是CC2430的p1_2口，当温度传感器检测到温度高时，会通过自己的的p1_2口发送到CC2430的的p1_3口中，然后会通过它传送到RF模块当中去，我们就可以通过Zigbee协议的传输将它传送到蜂鸣器中，最终蜂鸣器响起，达到报警的效果。

图3.4 CC2430芯片的电路图

图3.5温度传感器原理图

3.3 红外线报警器原理及电路设计

CC2430与红外线报警传感器连接到P0_1接口，红外线报警器选择的是BS520。在现今的生活中，安全成为了人们最关注的事情，当发生外来人员入侵的时候，危险时，需要报警，才能达到安防的效果，其中报警器就是重要的一个部分，本设计采用了红外线感应对报警器信号进行报警。由于CC2430的驱动原因，所以才能产生较好的报警效果。当检测到外来人员入侵时，报警器会发出声音。

红外线报警电路图如图3.6所示。

图3.6 红外线报警原理图

通过CC2430内部MCU的通用IO引脚P0_1接收，根据预先设定的红外线值，当发生外来人员入侵时，红外线的A/D会发生变化，而随着A/D的变化，电路也会发生变化，那么红外线值就会随之变化，达到报警的效果。

3.4 灯光的控制原理及电路设计

CC2430与灯光传感器连接到P0_0接口，灯光传感器选择的是PGM5506灯光的控制硬件设计电路图如图3.7所示。

灯光控制连接的是CC2430的p0_0接口，灯光控制器具有灯光渐亮渐灭功能，它可以使开灯时不会出现灯光突然变亮对人眼睛的刺激，也可减小开灯时冲击电流对灯泡可能造成的损坏。

图3.7光照传感器原理图

第4章 基于普适计算的智能家居软件设计

4.1 系统开发环境的介绍

本系统采用的是语言，在IAR里面编译模拟实现智能家居的数据传输，实现主控制模块与从控制模块的发送与接收。

1. C语言简介

C语言是美国的Dennis Ritchie研发出来的语言，现在是一种使用非常广泛的计算机编程语言，同时也适用于嵌入式的开发。它的优点如下：

⑴语言简单，实用性强 ⑵运算符种类多，适用性强

⑶数据的类型多，含有字符型、整数型等。 2. IAR介绍

1.IAR Systems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具

IAR 语言开发软件由IAR公司开发的环境，有30天试用版是一个新的专业化集成开发环境，用来编辑，编译和调试Windows 9x/NT/2000/XP环境下的应用程序。

2.IAR的环境配置

1.首先配置它的工程环境，如图4.1所示。

图4.1 工程环境的配置

2.配置它的宏环境，如图4.2所示。

图4.2 宏的配置

3.其它环境的配置，如图4.3所示。

图4.3 其他环境的配置

4.2智能家居系统的网络构建

根据星状拓扑图的研究，系统配置的基本步骤为网络初始化、节点加入网络。

4.2.1 网络初始化

网络初始化是对网络中协调器进行配置，协调器选用的是具有Zigbee协调能力的RF收发模块，在协调器中RF模块只具有数据接收功能，其他嵌入到家电设备中的RF模块兼有数据收发功能。Zigbee网络初始化是简单的，网络初始化过程如图4.2所示。

图4.2 网络初始化过程图

网络初始化的过程如下：

⑴确定网络协调器。首先检测节点是否是Zigbee节点的RF模块，然后检测RF模块是否存在协调器或是家电中，如果存在协调器中，则确定协调器，通过检测，发出一个信道扫描，如果没有检测到冲突，那么就建立Zigbee网络。

⑵设置网络ID。当选择到合适的信道后，将确定网络的标识符（ID），ID必须是唯一的，不能与其他家电的ID相冲突。ID可以通过与其他网络的ID进行比较后，选择一个不会冲突的ID。在一个网络的环境下，每一个设备的地址都是唯一的，它们的ID是由协调器分配的，对于协调器来说，我设计的地址为0x0000。

4.2.2 节点加入网络

当初始化网络成功后，存在于家电中的节点查找网络中的协调器，通过协调器加入到网络中，然后再按照协调器来进行地址的分配。节点加入网络的过程如图4.3所示。

节点加入网络的过程如下：

⑴查找网络中的协调器。首先查找网络中的协调器，如果找到就向协调器发出连接请求，等待连接，连接成功以后，进行下一步操作。

⑵等待协调器的处理。当把请求发送给协调器后，在一定的时间内会收到连接响应，那么就可以分配节点的地址了。那么本次设计的照明设备地址为0x0001、温度传感器设备地址为0x0002以及红外线报警传感器设备地址为0x0003，配置成功后网络将可以进行数据通信。

4.3 初始化程序

初始化程序是组成智能家居系统的前提条件，只有将系统设备初始化后才能实现主控制模块的发送、从控制模块的接收，最后控制家电完成动作。

初始化的目的主要是设置工作方式、数据的发送与接收方式。初始化在复位的时候我们才能进行相应的设定。初始化程序流程图如图4.4所示。

图4.4 初始化程序流程图

4.4 数据发送

@fn sendReport

@brief Send sensor report @param none @return none /

static void sendReport(void) {

uint8 pData[SENSOR_REPORT_LENGTH]; static uint8 reportNr=0; uint8 txOptions;

// Read and report temperature value

pData[SENSOR_TEMP_OFFSET] = readTemp(); //读取温度

// Read and report voltage value / 3/1/2011 ++ by feibit / //#if defined FB2530BB

// pData[SENSOR_VOLTAGE_OFFSET] = LO_UINT16(LsensAdcAvg); //#else

pData[SENSOR_VOLTAGE_OFFSET] = readVoltage(); //#endif

pData[SENSOR_PARENT_OFFSET] = HI_UINT16(parentShortAddr); pData[SENSOR_PARENT_OFFSET + 1] = LO_UINT16(parentShortAddr); #ifdef HUMIDITY pData[SENSOR_HUMIDITY_OFFSET] = iHumidity; #else pData[SENSOR_HUMIDITY_OFFSET] = 0; #endif

pData[SENSOR_TEMP2_OFFSET] = iTemp2; #ifdef XYZ_SENSOR

pData[SENSOR_X_OFFSET] = cXval; pData[SENSOR_Y_OFFSET] = cYval; pData[SENSOR_Z_OFFSET] = cZval; #else

pData[SENSOR_X_OFFSET] = 0; pData[SENSOR_Y_OFFSET] = 0;

pData[SENSOR_Z_OFFSET] = 0; #endif

// Set ACK request on each ACK_INTERVAL report // If a report failed, set ACK request on next report

if ( ++reportNr

txOptions = AF_TX_OPTIONS_NONE; } else {

txOptions = AF_MSG_ACK_REQUEST; reportNr = 0; }

// Destination address 0xFFFE: Destination address is sent to previously // established binding for the commandId.

zb_SendDataRequest(0xFFFE,SENSOR_REPORT_CMD_ID, SENSOR_REPORT_LENGTH, pData, 0, txOptions, 0 ); } /

@fn zb_SendDataRequest

@brief The zb_SendDataRequest function initiates transmission of data to a peer device

@param destination - The destination of the data. The destination can be one of the following:

- 16-Bit short address of device [0-0xfffD]

- ZB_BROADCAST_ADDR sends the data to all devices in the network. - ZB_BINDING_ADDR sends the data to a previously bound device. commandId - The command ID to send with the message. If the

ZB_BINDING_ADDR destination is used, this parameteralso indicates the binding to use.

len - The size of the pData buffer in bytes

handle - A handle used to identify the send data request.

txOptions - TRUE if requesting acknowledgement from the destination. radius - The max number of hops the packet can travel through before it is dropped. @return none

/void zb_SendDataRequest ( uint16 destination, uint16 commandId, uint8 len,

uint8 pData, uint8 handle, uint8 txOptions, uint8 radius ) {

afStatus_t status;

afAddrType_t dstAddr;

txOptions |= AF_DISCV_ROUTE; // Set the destination address

if (destination == ZB_BINDING_ADDR)//绑定发送数据地址 {

// Binding

dstAddr.addrMode = afAddrNotPresent;

} else {

// Use short address

dstAddr.addr.shortAddr = destination;//目的设备号 dstAddr.addrMode = afAddr16Bit;

if ( ADDR_NOT_BCAST != NLME_IsAddressBroadcast( destination ) ) {

txOptions &= ~AF_ACK_REQUEST; }

}

dstAddr.panId = 0; // Not an inter-pan message. dstAddr.endPoint = sapi_epDesc.simpleDesc->EndPoint; // Set the endpoint. // Send the message

status = AF_DataRequest(&dstAddr, &sapi_epDesc, commandId, len,

pData, &handle, txOptions, radius);//返回发送数据的状态 if (status != afStatus_SUCCESS) {

SAPI_SendCback( SAPICB_DATA_CNF, status, handle ); } }

4.5 数据接收

@fn zb_ReceIiveDatandication

@brief The zb_ReceiveDataIndication callback function is called asynchronously by the ZigBee stack to notify the application when data is received from a peer device.

@param source - The short address of the peer device that sent the data command - The commandId associated with the data len - The number of bytes in the pData parameter pData - The data sent by the peer device @return none /

void zb_ReceiveDataIndication( uint16 source, uint16 command, uint16 len, uint8 pData ) {

gtwData.parent=BUILD_UINT16(pData[SENSOR_PARENT_OFFSET+1], pData[SENSOR_PARENT_OFFSET]); //获取父节点地址

gtwData.source=source; //命令识别 gtwData.temp=pData; //数据报地址 gtwData.voltage=(pData+1); if(len>5) {

gtwData.temp_2=(pData+SENSOR_TEMP2_OFFSET);// 获取温度数据 gtwData.Humidity=(pData+SENSOR_HUMIDITY_OFFSET);//获取湿度数据 }

// Flash LED 2 once to indicate data reception

HalLedSet ( HAL_LED_2, HAL_LED_MODE_FLASH );//LED2亮表示接收到数据 // Update the display

#if defined ( LCD_SUPPORTED )

HalLcdWriteScreen(

// Send gateway report

sendGtwReport(&gtwData);//处理接收数据 } /

@fn sendGtwReport

@brief Build and send gateway report @param none @return none /

static void sendGtwReport(gtwData_t gtwData) {

uint8 pFrame[ZB_RECV_LENGTH]; uint8 mytemp;

unsigned char end=0x1a;

uint8 i;

// Start of Frame Delimiter

pFrame[FRAME_SOF_OFFSET] = CPT_SOP; // Start of Frame Delimiter // Length//命令长度

pFrame[FRAME_LENGTH_OFFSET] = 6+SENSOR_REPORT_LENGTH; //15 // Command type//命令类型

pFrame[FRAME_CMD0_OFFSET] = LO_UINT16(ZB_RECEIVE_DATA_INDICATION); pFrame[FRAME_CMD1_OFFSET] = HI_UINT16(ZB_RECEIVE_DATA_INDICATION); // Source address //地址

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_SRC_OFFSET=LO_UINT16(gtwData->source); //4

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_SRC_OFFSET+1]=HI_UINT16(gtwData->source);//5

// Command ID//命令识别ID

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_CMD_OFFSET]=LO_UINT16(SENSOR_REPORT_CMD_ID);

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_CMD_OFFSET+1]=HI_UINT16(SENSOR_REPORT_CMD_ID); // Length

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_LEN_OFFSET]=LO_UINT16(SENSOR_REPORT_LENGTH);

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_LEN_OFFSET+1]=HI_UINT16(SENSOR_REPORT_LENGTH);

// Data接收的数据

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ ZB_RECV_DATA_OFFSET] = gtwData->temp; mytemp=gtwData->temp;

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ ZB_RECV_DATA_OFFSET+ 1] = gtwData->voltage; pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_DATA_OFFSET+2]=LO_UINT16(gtwData->parent);

pFrame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_DATA_OFFSET+3]=HI_UINT16(gtwData->parent);

Frame[FRAME_DATA_OFFSET+ZB_RECV_DATA_OFFSET+SENSOR_TEMP2_OFFSET] = gtwData->temp_2;

// Frame Check Sequence

pFrame[ZB_RECV_LENGTH-1]=calcFCS(&pFrame[FRAME_LENGTH_OFFSET], (ZB_RECV_LENGTH - 2) );

第5章 结 论

本文是针对基于普适计算的智能家居系统进行的研究与构建，主要完成了对普适计算的概念、内容、现状以及完成智能家居系统的总体设计与软件开发。本文完成的智能家居系统是以Zigbee技术作为传输协议，完成对家具的智能化控制。

本文的主要工作

（1）论文阐述了普适计算的概念、内容、特性等相关的知识以及对普适计算的未来进行了研究。

（2）论文阐述了智能家居控制系统研究的选题背景、研究意义以及国内外的现状与发展趋势。

（3）本文选取的是Zigbee协议，详细的介绍了其技术特点，与其他协议相比的优以及如何构建的智能家居系统。

本次的研究过程中还有一些不足与缺憾的地方 （1）系统的可拓展性、适用性还值得提高，特别是添加新的家具设备的时候，我们赢注意适用性。

（2）系统的软件部分还需要改正与研究。 （3）由于自身原因，硬件的相关实验没有完成。

为了使基于普适计算的智能家居系统能被大众所认识与使用，今后应还需要做很多工作：

（1）使用起来简单易懂，能适用于普通家庭当中。

（2）加深对普适计算的研究，在满足用户的基础上，开发出更多的适用于家庭服务的功能，把适计算的“以人为本，无处不在”特性更好的展示出来。

（3）在考虑提高系统性能的同时，考虑其使用时的安全性与稳定性。

（4）加强对数据信息的管理与存数。随时技术的发展和对智能家居功能的需求，网络中传输的信息将会不断地增加，需要我们对这些信息进行存储与保存、

致 谢

毕业论文即将完成，紧张的心情也随之变得轻松起来。仔细想想过去的岁月，人生总是面临着不停的挑战，正是这些挑战使我们变得智慧，使我们变得坚强，使我们不断进步。当然，在我们面临挑战，战胜困难的过程当中，总是有一些人在激励着我们，无私的帮助着我们。因此，我要在这里向那些给予我帮助的人们表示衷心的感谢。

首先要衷心的感谢我的论文导师费雅洁老师对我的耐心指导和细致关怀。本文在从在选题、整体的构思与设计、完成初稿修改的时候，费老师都给予了我很大帮助，在老师耐心的教导下，我才能顺利的完成此次论文的设计。另外，费老师高尚的师德，渊博的知识，严谨的治学态度，扎实的理论功底以及在生活中对我的关心都深深的感动和教育着我，这将会是我受益终生的财富，是一辈子的财富，而我所能做到的就是，在以后的人生道路上，认认真真思索，勤勤恳恳地工作，脚踏实地的干活，不愧对费老师对我的深深教导

其次，我要感谢我的父母，是在他们的教育下，我才能茁长的成长起来，才能拥有良好的身体以及健康的人生价值观。

最后，再次感谢所有的人我关心和帮助。

沈阳工程学院毕业论文 参考文献

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