基于物联网的智能家居系统_传感终端节点的设计
随着物联网技术的发展应用，智能家居也正在成为新兴的产业。智能家居是通过物联网实现家居设施的联网管理，以实现远程控制等功能，从而提供更加便利、舒适、安全的生活环境。智能家居将满足人们对于更高生活质量的需求，发展前景不言而喻。本文中使用ZigBee技术实现了智能家居传感终端节点的功能。
本文中传感终端节点的设计上采用TI公司的CC2530芯片作为核心部件，另外使用DS18B20以及光敏电阻等材料组成数据测量模块，从而完成传感终端节点硬件部分。在软件方面，本文使用IAR公司的IAR for 8051开发工具进行传感终端节点的软件开发，在ZStack协议栈的基础上完成应用层的功能编辑，使传感终端节点数据测量以及无线传输得以实现，从而完成传感终端节点的软件部分。通过最终调试，本文很好地完成了传感终端节点的设计。
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关键字:物联网；智能家居；ZigBee；传感终端节点
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 智能家居 1
1.2.1 智能家居概述 1
1.2.2 智能家居现状以及趋势 2
1.2.3 智能家居系统设计因素 3
1.3 无线传感器网络简介 4
1.3.1 无线传感器网络起源与发展 4
1.3.2 无线传感器网络特点 4
1.3.3 常用短距离无线通信技术 5
1.4 本文主要研究内容以及结构 7
1.5 本章小结 8
第2章 需求分析以及设计方案 9
2.1 系统总体框架 9
2.2 系统主要模块 10
2.3 需求分析 10
2.4 软件技术选择及介绍 11
2.4.1 ZigBee技术的选择 11
2.4.2 ZigBee协议的概念及特点 11
2.2.4 ZigBee协议体系结构及拓扑结构 13
2.4 硬件芯片选择及介绍 15
2.4 总体设计方案 18
2.5 本章小结 18
第3章 传感终端节点硬件设计 19
3.1 传感终端节点硬件简介 19
3.2 CC2530射频模块 19
3.3 电源模块 20
3.4 温度传感器模块 21
3.5 光强传感器模块 22
3.6 本章小结 23
第4章 传感终端节点软件设计 24
4.1传感终端节点软件简介 24
4.2 ZStack协议栈 24
4.2.1 ZStack协议栈简介 24
4.2.2 ZStack协议栈工作流程 25
4.2.3 OSAL操作系统抽象层 26
4.2.4 软件设计中ZStack的应用 26
4.3 无线网络建立 27
4.4 数据测量 29
4.5 数据传输 31
4.6 本章小结 32
第5章 传感终端节点的调试与结果 33
第6章 总结与展望 35
7.1 工作总结 35
7.2 研究展望 36
致谢 37
参考文献 38
附录A 外文文献原文 41
附录B 外文文献翻译 55
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着微机系统、片上系统、无线通信技术和嵌入式技术的开发，无线传感器网络得到了飞速发展，并以其低功耗、低成本以及自组织的特点而引起了广泛的重视。无线传感网络是在制定地区内利用低成本的传感器组成无线通信网络的方式来达成数据的实时采集等功能。无线传感器网络被广泛接受并应用入多个领域之中。
物联网技术是利用传感器等设备，通过有线或者无线的方式实现物物相连，从而实现远程操控等功能。由于自身的特点，物联网技术被认为是世界信息产业的第三次发展浪潮。其将能够实现现实世界的数字化，应用领域十分广泛，能够极大地改变人类的生活方式。在其应用领域中，智能家居作为一个新兴的产业正蓬勃发展着。
伴随经济社会的不断发展，科技改变着人们的生活方式与生活理念，人们对住宅的要求正在不断提高。智能家居比起传统家居环境，不仅能够提供传统的家居生活功能，还能够提供一个更加方便、舒适、安全、健康的生活环境。因此，智能家居的发展脚步会变得更迅速。其中，无线智能家居也必定会作为一个重要的发展方向。
在这种情况下，使用无线传感器网络进行智能家居的研究，不仅可以丰富自己的知识面，还可以加深对新时代生活方式的全面了解，更对研究无线传感器网络和智能家居有着重要意义。
1.2 智能家居
1.2.1 智能家居概述
物联网的概念首次出现是在1991年，由美国麻省理工学院的一名教授提出；1995年在比尔盖茨于的《未来之路》一书中出现了物物相连的概念；1998年麻省理工学院提出了一个物联网构想——EPC系统；1999年，在物品编码技术的基础上Auto-ID公司提出了物联网的相关概念；2005年11月17日在信息世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，指出物联网时代到来；2009年， IBM公司公布了名为“智慧的地球”的理念；2009年8月；温家宝发表了“感知中国”的讲话。
物联网（The Internet of Things，缩写IOT）的定义是一个基于互联网以及其他信息载体，使所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，简单解释是物物相连的网络。物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网由于其特点正被用于多个领域中，包括智能物流、智能家居、数字化医疗、智能城市等。其发展前景十分关阔，是一颗正在兴起的新星。
智能家居（Smart Home）是以住宅为平台，利用传感器技术、网络通信技术、自动控制技术等多中技术将家居设施集成管理，提供更符合现代生活所需的生活环境。智能家居是物联网技术运用的一个领域，同时也是正在快速发展的一个领域。智能家居比传统家居提供更加便利，是对人们生活环境的优化。智能家居更加符合人们对于新时代生活方式的需求。
智能家居的概念早在上世纪就已经提出，从最早的“住宅电子化”到“住宅自动化”，再到“住宅智能化”，这也是智能家居的原型。直到1994年，美国才出现了首栋的“智能型建筑”，从此，全世界开始进行智能家居产品的研究以及生产。
智能家居的最终目的是创造一个自动化程度高、安全度高、高环保、高效率、个性化的生活环境，这也是信息技术发展的必然结果。智能家居因其优点正被越来越多的人所关注和期待。无论国内外，智能家居的需求正在快速增长，越来越多的产品正被开发推广出来。智能家居的实现方式包括有限以及无线两种方式，由于有线方式布线难度大、维护修理困难等原因，正被无线方式所超越。可以预见，在未来智能家居的发展中，无线组网方式必定会成为主流。
1.2.2 智能家居现状以及趋势
智能家居行业是一个新兴产业,正被越来越多的人所接受，正逐渐变为社会的主流,其必将成为下一轮经济的增长点。智能家居最早流行于欧美等国家，早在上世纪80年代，西方就出现了第一代的智能家居产品，而后更是不断发展。而到了上世纪90年代，随着科技的不断进步，智能家居产品已经开始进入普通家庭。在智能家居的研发方面，美国、德国、新加坡等一直处于领先地位，其产品更是犹如雨后春笋般不断涌现出来，这些年来，随着微软、IBM等大型公司进入智能家居行业，智能家居得到了更快的发展并取得了很多的成就，包括“梦幻之家”等等[1]。
相比于在国外的发展，智能家居进入中国的时间较晚，但其在中国的发展速度很快。中国智能家居市场潜藏着巨大的潜力，经过十多年的发展，也已经有了一定的成果，安居宝、海尔家居等公司已经开发出了相应的产品。目前我国的智能家居产品包括GKB的单户型智能家居以及长城的智能家居产品等等。现在，越来越多的家电企业、家具制造业等也纷纷加入智能家居的发展中，智能家居的发展会越来越迅速。
不过，随着越来越多企业加入智能家居行业，各家标准的不同成为了智能家居进一步发展的制约因素。现今，智能家居系统的标准统一化正在慢慢推进中，这需要更多的时间以及协商。
可以预见，在社会不断发展的未来，智能家居必将作为人类生活所必不可缺的一部分，它的发展方向会更加符合社会与人们的需求。在愈加追求便利与舒适的这个时代，更完善的智能化是必须的；个性化的智能家居也将更符合不同人的不同需求；降低成本从而能让更多的人能够使用智能家居；总而言之，智能家居的发展趋势是智能化、个性化、高效化、低成本。
1.2.3 智能家居系统设计因素
对于智能家居系统的设计，要考虑很多的因素，包括智能化系统的程度、系统的集成度、系统的成本、系统的实用性等等，其可以概括为以下几个方面：
（1）实用性
不管对于什么产业而言，产品的实用性都是最基本的要求，智能家居系统的目标是为人们提供一个更好的生活环境，其产品的实用性要求是不言而喻的，只有实用的智能家居系统才能改善生活的质量。
（2）简便性
智能家居系统的操作方式多种多样，而其根本目的是减轻人们的负担，使生活更加便利，如果其操作过于繁琐，反而会降低人们的效率，引起使用者的反感。所以，智能家居的设计要考虑用户的感受，降低系统操作上的复杂程度。
（3）成本
智能家居是以降低人们的负担为目标，如果其成本过高，反而会加大用户的负担；另外，降低成本才能被更广大的人群所接受。所以，如何降低生产成本也是智能家居系统设计的重要问题。
除了以上主要因素，另外还要考虑系统的可扩展性、便于维护、标准性、系统的人性化程度等等诸多因素。
1.3 无线传感器网络简介
1.3.1 无线传感器网络起源与发展
传感器是一种能将目标数据按规律准换成电信号或其他所需形式的信息输出装置，从其诞生开始，其已得到了人们的重视，并在诸多领域被应用。而在微机电系统、片上系统、无线通信以及嵌入式技术十分发达的今天，传感器技术被重新开放利用，其适用范围大大地增强并进一步衍生出了无线传感网络技术（Wireless Sensor Networks，WSN）。所谓无线传感网络，就是由目标区域内的大量传感器通过无线组网的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其能方便快捷地监测目标区域内的特定数据，并能迅速将数据上传给收信者。
传感器网络起源于20世纪，最早应用于军事战场上的信息采集[2]。到了21世纪，传感器网络引起了多方面的关注，并在多个领域得到了很好的应用。在1999年，商业周刊评出的21世纪最具影响的21项技术之中就有传感器技术。2003年美国《技术评论》杂志评选出了对未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络技术就在其中并且处于第一位。现今，无线传感器网络技术已经取得了广泛的发展和应用。
无线传感器网络的发展经历了很多的步骤，但其可以概括为四个阶段：第一个阶段是传感器网络刚刚形成的阶段，这个阶段中人们使用单独的传感器去进行一对一的数据连接，这个最初的传感器网络也是现代无线传感器网络的基础；第二各阶段是第一阶段的发展，这个阶段中传感器不再是单独一对一的连接，传感器被用来与一些信息处理设备相连接，这使得传感器网络不仅仅具有数据传输的功能，还具备了一定的数据处理能力；第三个阶段是随着通信技术的发展而出现的，这一阶段传感器网络已经不再是一个单独的小型网络，其可以与因特网进行相连进行数据的传输；第四个阶段是随着科技的进一步发展而出现的，低成本、低功耗的微型传感器的出现以及无线通信技术的发展推进了传感器网络的前进。由大量传感器采用无线通信方式进行数据的处理传输，从而构成了现代意义上的无线传感器网络。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/txgc/1814.html
