Zigbee无线通信技术在智能家居中的应用研究

摘要

随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。智能家居系统能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统逐渐成为一个新兴的研究领域。 本文在分析了国内外智能家居系统技术现状的基础上，针对智能家居系统存在的布线难、造价高、结构复杂等问题，将Zigbee无线通信技术应用于智能家居中，并提出一种采用Zigbee无线通信技术的智能家居系统设计方案。与传统智能家居系统相比，具有免布线，维护方便，运行费用低，实时在线监控，对家居内部各种数据进行无线采集和传输等特点。 针对智能家居网络特点，本文通过对智能家居网络分析、对比和研究，采用簇状网络组建智能家居内部网，并提出一种自适应智能家居网络协调器选择策略，可克服因意外导致网络瘫痪的弊端；对智能家居网络进行了设计与实现，利用CC2420 Zigbee模块和PIC18F4620单片机设计并实现了一种低成本，高灵活性、通用的Zigbee无线智能家居网络控制器。该控制器同时具有GPRS远程访问接口，用户可以通过GPRS网络远程对家居进行远程监控。 论文总共分为7章，各章具体介绍如下： 第1章首先给出了智能家居的定义以及国内外发展现状，接着对智能家居网络技术进行了详细介绍，最后给出了本文研究的主要内容和主要创新点； 第2章对Zigbee技术及其协议进行了介绍； 第3章首先给出了系统总体设计方案，对系统组成和设计原则进行了介绍。接着对基于Zigbee的智能家居网络进行了研究，介绍了Zigbee网络设备类型以及目前三种网络拓扑结构。针对智能家居网络特点，采用簇状网络组建智能家居内部网，并提出一种自适应智能家居网络协调器选择策略； 第4章主要介绍了智能家居网络控制器的硬件设计。首先给出了硬件总体设计，再分别具体介绍了硬件处理器部分、Zigbee无线收发模块部分和GPRS模块电路实现； 第5章为智能家居网络控制器软件设计实现。首先对Zigbee协议栈的实现进行了阐述，接着介绍了GPRS软件设计，为系统调试方便，开发了上位机软件。 第6章是工作总结，并给出了未来展望。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1智能家居系统概述

1.1.1智能家居的定义

1.1.2国内外智能家居系统发展现状

1.2智能家居网络技术

1.2.1家庭有线网络技术

1.2.2家庭无线网络技术

1.3本文研究的主要内容与现实意义

1.4本文的主要创新点

1.5本章小结

第2章Zigbee技术研究

2.1 Zigbee技术简介

2.1.1 Zigbee技术的起源

2.1.2 Zigbee技术特点

2.1.3 IEEE 802.15.4

2.1.4 Zigbee技术的体系结构

2.2 Zigbee物理层协议规范

2.2.1物理层架构

2.2.2物理层协议数据单元的结构

2.2.3物理层的载波调制

2.3 Zigbee技术MAC层协议规范

2.3.1 MAC层结构

2.3.2 MAC层功能描述

2.3.3 MAC层超帧

2.3.4 MAC层帧结构和分类

2.4 Zigbee网络层

2.4.1网络层概况

2.4.2网络层结构

2.4.3网络层帧格式

2.5 Zigbee应用层

2.6本章小结

第3章Zigbee智能家居网络研究

3.1系统总体设计方案

3.1.1系统组成

3.1.2设计原则

3.2 Zigbee网络组网

3.2.1 Zigbee网络设备类型

3.2.2星型网络形成

3.2.3对等网络拓扑结构

3.3基于Zigbee的智能家居网络的组建

3.3.1家居网络结构

3.3.2系统网络协调器选择策略

3.4本章小结

第4章智能家居网络控制器硬件设计

4.1硬件总体设计

4.2硬件处理器部分实现

4.2.1晶振电路

4.2.2通信接口电路

4.3 Zigbee无线收发模块电路的实现

4.3.1 CC2420芯片主要性能特点

4.3.2 CC2420内部结构

4.3.3 CC2420外围电路

4.3.4与微处理器的接口

4.4 GPRS电路实现

4.4.1 GPRS介绍

4.4.2 GPRS电路设计

4.5本章小结

第5章智能家居网络控制器软件设计实现

5.1 Zigbee协议栈实现

5.1.1协议栈结构

6.1.2三种设备对应源程序

5.2重要的源程序

5.2.1应用程序框架

5.2.2创建和加入网络

5.2.3接收信息

5.2.4发送消息

5.3 GPRS软件设计

5.3.1软件总体设计

5.3.2 AT命令

5.4上位机软件设计

5.4.1 Visual Basic的特点

5.4.2 MSComm通讯控件

5.4.3编程与数据接收的实现

5.4.3上位机软件实现

5.5本章小结

第6章工作总结

6.1工作总结

6.2未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文