基于ZigBee技术的智能家居网关节点的设计与实现

摘要

随着近年来物联网的兴起，智能家居作为物联网技术的一部分再次成为关注和研究的热点。ZigBee技术以其自组网、低功耗、低成本等特点在智能家居系统里得到了广泛的运用，实验室团队根据这一趋势，设计了一套基于ZigBee技术的智能家居内部网络，此外还要需要设计一种集成多种通信方式的网关节点作为ZigBee网络对外的窗口。网关节点它不仅要负责内部ZigBee网络与多种外部异构网络的无缝连接，而且还要采集、处理家居现场信息。
　　 本文根据以上需求，设计了一种多种接入方式的网关方案，用户可使用手机、电脑通过远程或室内多种通信手段访问智能家居网络，方便用户灵活监控家居现场，从而提高智能家居便捷性和实用性。以太网作为一种使用广泛的有线通信技术被应用到智能家居中既能达到ZigBee网络速率要求也无需用户添加额外设备节约了成本。考虑到某些场合没有以太网接入设备选用覆盖广、资费低的GPRS作为弥补。用户在室内可使用Wi-Fi、ZigBee、蓝牙与网关节点连接，ZigBee需要专门设备，而大部分手机和笔记本自带有Wi-Fi、蓝牙功能，其中Wi-Fi相比有蓝牙速率高、传输远的优势。因此，基于以上因素考虑，本文选择以太网、GPRS、Wi-Fi作为网关节点的对外通信手段。为了实现这三种通信方式与ZigBee网络的无缝连接，本文重点研究了网关节点的设计与实现，并采用嵌入式芯片作为硬件平台，在满足性能的同时降低了成本和功耗，而软件设计方案则以嵌入式实时操作系统为基础，以求合理利用各种硬件资源。并以其为核心器件设计外围电路和接口电路，其次根据软件总体设计思想，搭建基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的软件平台，编写串口驱动程序和以太网、Wi-Fi、GPRS三个数据传输任务，并对三个任务进行协调管理，以提高网关节点的灵活性和实时响应能力。功能验证表明网关能成功发送并接受不同网络数据;主控制芯片可及时处理需要传输的数据，满足智能家居实时性的要求。该网关节点设计方案基于Cortex-M3芯片和ZigBee无线通信技术，成功融合了以太网、Wi-Fi和GPRS三种通信技术，具有通信方式灵活、稳定可靠、成本低等特点，有助于智能家居系统的运用推广。

目录

声明

摘要

插图和附表清单

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 智能家居介绍

1．1．2 家居网关发展现状

1．2 课题研究的内容和意义

1．2．1 课题研究内容

1．2．2 课题研究的意义

1．3 论文章节安排

第二章 网关节点设计方案

2．1 网关节点需求分析

2．1．1 网关节点功能分析

2．1．2 网关节点性能分析

2．2 ZigBee技术简介

2．2．1 ZigBee优势

2．2．2 ZigBee和Wi-Fi的共存

2．3 网关节点总体结构

2．4 网关节点总体设计

2．4．1 硬件总体设计

2．4．2 软件总体设计

2．5 本章小结

第三章 系统硬件设计

3．1 微控制器单元设计

3．1．1 LM3S系列芯片

3．1．2 LM3S8962特性

3．1．3 电源电路

3．1．5 CPU最小系统电路

3．2 功能接口设计

3．2．1 RS-232接口

3．2．2 独立键盘接口

3．3 功能模块设计

3．3．1 ZigBee协调器

3．3．2 GPRS模块

3．3．3 Wi-Fi模块

3．4 以太网接口模块设计

3．4．1 嵌入式以太网方案调研

3．4．2 LM3S8962以太网控制器

3．4．3 以太网接口电路设计

3．5 本章小结

第四章 系统软件设计

4．1 嵌入式操作系统选择

4．1．1 嵌入式操作介绍

4．1．2 嵌入式操作系统选择

4．1．3 μC/OS-Ⅱ在Cortex-M3上的移植

4．2 软件开发环境介绍

4．3 系统软件框架

4．4 接口驱动设计

4．4．1 串口驱动程序

4．4．2 独立按键

4．5 ZigBee协调器建网和数据通信

4．5．1 ZigBee协调器建网

4．5．2 ZigBee数据通信

4．6 GPRS数据传输任务

4．6．1 EM310 AT命令简介

4．6．2 GPRS任务软件设计

4．7 Wi-Fi数据传输任务

4．7．1 Wi-Fi模块初始化

4．7．2 Wi-Fi数据传输

4．8 以太网数据传输任务

4．8．1 以太网控制器初始化

4．8．2 套接字编程

4．8．3 以太网数据传输

4．9 本章小结

第五章 系统性能测试

5．1 测试环境

5．1．1 测试软件

5．1．2 智能家居Zigbee网络

5．1．3 网关节点

5．2 功能测试

5．2．1 GPRS任务测试

5．2．2 以太网任务测试

5．2．3 Wi-Fi任务测试

5．2．5 联网测试

5．2．6 功能测试结果

5．3 性能测试

5．4 测试结果分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的研究成果