基于物联网的智能家居系统_网关设计
随着现代计算机技术和通信网络技术的飞速发展，智能家居被普遍看作是未来家庭生活的发展方向。而网关在智能家居系统中处于重要地位，利用网关实现家居设备的实时远程监控，会令人们的生活更加方便和舒适。
本文首先介绍了现代智能家居的背景、智能家居网关的研究意义以及国内外相关技术的发展现状。然后在分析和比较了现有的智能家居网关方案的基础上，提出了利用ZigBee技术构建的嵌入式智能家居网关的方案。接着本文对智能家居系统网关进行了设计，包括系统功能、结构的分析和软硬件设计。在硬件设计方面，本设计选用TI公司的CC2530芯片为核心，在此基础上设计了网关的各个模块，并给出详细的系统各个功能模块的硬件设计原理图。在软件设计方面，本文对Z-Stack的应用层进行开发，设计了网关的通信协议，分析了智能家居组网的程序流程，成功组建了无线控制网络，实现了ZigBee各节点收发数据的功能，最后对协调器的串口进行配置和分析，最终实现了协调器和网关之间的数据交互。综合来看，本设计具有较强的实用意义。
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关键字:智能家居；物联网；ZigBee；CC2530
Key words：Smart Home, Internet of Things, ZigBee, CC2530目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 智能家居网关的概念及研究意义 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 1
1.2.1 智能家居研究现状 1
1.2.2 智能家居网关研究现状 4
1.2.3 ZigBee技术概念及发展 5
第二章 智能家居网关总体方案设计 6
2.1 智能家居网关功能分析 6
2.2 智能家居网关设计方案分析 6
2.2.1 组网方案选择 6
2.2.2 网络拓扑结构选择 8
2.3 本章小结 9
第三章 智能家居网关硬件电路设计与实现 10
3.1 智能家居网关硬件方案 10
3.2 底板模块设计 10
3.2.1 底板模块功能 10
3.2.2 底板模块器件选择与电路设计 10
3.3 CC2530核心板模块 12
3.3.1 CC2530芯片介绍 12
3.3.2 CC2530核心板模块电路设计 16
3.3 终端节点模块设计 17
3.4 本章小结 19
第四章 智能家居网关软件设计与分析 20
4.1 Z-Stack介绍及程序运行过程 20
4.1.1 Z-Stack介绍 20
4.1.2 Z-Stack程序运行过程 21
4.2 系统组网过程 23
4.2.1 组建网络 23
4.2.2 节点入网 24
4.3 协调器程序设计 25
4.4 路由器程序设计 27
4.5 绑定机制 28
4.6 网关通信协议 29
4.6.1 帧结构 29
4.6.2 数据发送 31
4.6.3 数据接收 31
4.6.4 串口程序实现 32
4.7 本章小结 33
第五章 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
致 谢 35
参考文献 36
附 录 38
一、英文文献原文 38
二、英文文献翻译 53
第一章 绪论
1.1 智能家居网关的概念及研究意义
智能家居又被称为智能住宅，是以住宅为平台，同时兼具建筑、网络通信、信息家电、设备自动化等功能，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、安全、舒适、环保的家居环境[1]。现代智能家居系统融合了网络通讯系统、计算机网络系统和自动化控制系统。在智能家居的系统中，用户可以对各个终端进行管理和操作，从而使家居生活更加舒适、安全、便利[2]。而所谓的“智能”二字主则要体现为系统能够以本地或远程的形式、以手动或自动的方式来控制和管理家庭内部的环境状态。虽然智能家居的概念起源比较早，但由于其发展需要多门学科、各个行业的协调配合与技术支撑，所以至今尚未形成大规模的产业。
而网关作为智能家居系统的核心部分，它承担着智能家居中内部通信网和外网之间彼此连接的任务， 网关以一种物理接口的形式存在和工作[3]；另外，网关本身还具有对智能家居系统内部的各个终端节点设备进行统一管理、协调的功能。
在系统设计方面，本设计使用了ARM处理器芯片，相较于传统的PC，ARM处理器在成本、功耗、体积等方面优势明显，另外，ARM处理器中使用了较多的寄存器，所以在执行指令时的速率更快，其寻址方法也更加灵活，运行效率较高，具有非常优秀的综合表现。ARM处理器现在已被广泛地应用于各个领域。另外，考虑到短距离的无线通信技术在最近几年取得了快速发展，各种无线技术正在凭借其不可比拟的优势占据传统有线技术的战场，因此，本设计选择使用了无线通信技术。综合来看，采用ARM处理器和ZigBee无线通信技术设计出的智能家居系统，对促进家居智能化与信息化都具有重要意义。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 智能家居研究现状
“智能家居”这个概念最早是由西方发达国家的研究人员提出的[4]，其目标是：“将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制及家庭事务性管理，同时保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致。”
美国一直是世界领先的智能家居系统推广国家。截止目前，美国已经发展了7000多万户安装并长期使用智能家居设备的家庭。最近几年，微软、苹果、德州仪器、谷歌等一大批国际电子与IT企业，也都应势参与智能家居网络的开发。2004年2月，索尼、松下、东芝、NEC、日立、三菱等日本电子厂商和数家通信运营商宣布，成立“泛在开放平台论坛（UOPF）”的业界团体，成为智能家居行业先驱[5]。期间，美国、加拿大、日本等发达国家和地区也先后提出了EHS、BatBUS等智能家居系统的协议标准，同时还组建并兴起了一大批型智能家居方案提供商。
最近几年，日本、韩国、新加坡等亚洲国家的智能家居市场也飞速发展起来。KT（韩国电信）提出4A概念来阐述数字化家庭系统 （HDS） 的特征， 4A分别表示数字化家庭系统必须让用户能够在任何时间、任何地点操作和管理家庭中的任何设备、获得任何所需的服务。比如在客厅中，电视节目等信息可以被智能录像设备按照用户的要求自动录制到硬盘上或上传到云服务器中；用户可以根据电视节目指南，在电视机、PC智能手机等终端上预先录制好节目，以方便随时随地播放欣赏；厨房中，电冰箱始终处在开启的状态并与互联网连接，冰箱上提供有用户操作界面，不仅可以供用户控制家居中的其他智能家电，还可以提供每日食谱，或者集成上网和观看电视节目的功能；在卧室中安装家庭保健与检测系统，系统可以实时监控家人的体温、心率等参数，如果出现异常则自动呼叫医疗系统求救，提供及时的保健与救治服务，另外，这套保健与检测系统还包括卧室中的电视显示器，用户可以通过电视与医生进行“面对面”的视频咨询与诊疗。目前，在韩国新建的住宅项目中，已有80%以上安装了智能家居系统，此举也促进了像三星、LG这样著名的电子公司的发展壮大。
作为传统的电子产业大国，日本的智能家居产业起步较早且技术强大。目前除了传统的智能家居入网技术，日本还发展了生物认证（如指纹、声纹、面部特征等）技术，实现了自动门禁识别系统，来人只需要站立在安装于入口处的摄像机或指纹声纹识别装置前，用几秒钟的时间即可完成检测与配对，如果系统确认来人是公寓居民或户主及家人，监控门就会自动打开。
直到二十世纪90年代末，我国的智能家居行业才逐渐显示其雏形。虽然我国的相关产业起步较晚，但胜在追赶迅速。在过去二十年间的政策支持与行业投入下，国内智能家居产业获得了飞速发展。
在参与智能家居研发的企业中，主力军是一些传统的家电巨头和互联网巨头，如青岛海尔、海信、美的和格力，这些公司充分利用其品牌的优势和研发实力，迅速参与到智能家居行业。其中，国内的著名白色家电厂商海尔的U-home在各厂商中较有特色。海尔U-home[6]系列是海尔集团在信息化时代力推的智能家居解决方案。该系统通过室内通讯网、互联网、广电网和电力网的多网融合形成网络平台，使有线网和无线网联合起来，通过各种传感器把所有家居终端设备和网络连通，从而从“家庭小网”、“社区中网”向“世界大网”演进，将这三网互连互通，并利用网络媒介实现了3C产品、智能化家居系统和安防系统的自动识别、控制和管理，打造了数字信息媒体的共享平台。
此外，更值得关注的是一些特色鲜明的专业化智能家居企业的发展，它们已经发展成为智能家居行业的先锋力量，比如天津瑞朗、上海索博、北京雨读等公司。这类企业成立较晚，但专注于智能家居技术发展，主要业务就是提供智能家居产品解决方案，对该行业掌握全面，对技术更新和产业风向更为敏感，其产品线通常全面覆盖智能家居的各个环节。
时至今日，已经不能把智能家居系统看做是是一套闭环的居住系统，也不能将其理解为传统的狭隘的的“智能化住宅”，而是要将其当做一种以区域为基础的的多层次家居产品的解决方案。智能家居的体系集成了计算机、电气控制、网络通信、布线排线等技术，它是家居终端智能控制、数据的透明传输和小区安全监控等功能的有机结合，基于传统的“智能化住宅”以实现家庭生活的无限延伸与拓展，建设出一个高效、舒适、安全、便捷的个性化生活空间。
但是，目前的智能家居发展还存在着各种电器终端之间的通信标准不统一的问题。不同于国外产业联盟制定了相关行业标准，国内在此方面仍然标准不一，不同的厂家推出的一揽子解决方案也各不相同，互换性和兼容性的缺失，对系统的扩展和升级非常不利。
1.2.2 智能家居网关研究现状
智能家居家庭网关(Residential Gateway)是智能家居中的终端网络部件，也是整个智能家居系统的核心部件，网关的主要任务是实现家庭内部网络与外网之间的互相访问，同时，网关又要负责监控和管理使用者在公共网络上对于内部网络的互访，使系统能够在本地与异地同时使用，体验相同。在目前的行业中，不同的从业人员、不同的厂家对智能家居家庭网关的理解也不尽相同，为了率先抢占市场，各大厂商纷纷成立联盟并制定相应的智能家居网关的标准[7]，其中影响力较大的有以下几种：
开放性服务网关协议(即OSGi——Open Services Gateway Initiative)：该联盟成立于1999年，成立之初包括电信服务商、相关设备商、控制系统供应商等80多个成员。联盟旨在打造一个开放的、可管理的服务规范，拟定家用电子终端设备在提供服务时所用到的外网接口和服务规范，目前联盟已推出了3.0版标准。OSGi最早服务于嵌入式和移动设备厂商。时至今日，OSGi在企业应用领域也已经实现了相当规模的业务，在JAVA的企业级开发中扮演越来越重要的角色。
数字生活网络联盟(DLNA一一Digital Living Network Alliance)：联盟的前身是DHWG(Digital Home Working Group)，于2004年更名为DLNA。由索尼、微软和英特尔等国际巨头发起成立，旨在解决PC、个人和家用消费电器、移动终端等在无线网和有线网之间的互联互通，为实现数字信息媒体和内容服务的自由共享和高速增长提供技术支持。该联盟从未制定过具体的行业标准，而是充分利用已有的成熟标准提供终端设备互操作的技术建议，以此方式促进家庭信息设备的智能化，达到信息自由共享和自动化控制的目标。目前，该联盟的成员企业已有280多家。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/txgc/1815.html
