智能家居环境控制子系统的设计与实现

摘要

为了满足人们生活现代化、智能化、舒适化、便利化的需求，智能家居理念渐渐开始流行。本文针对智能家居环境控制子系统的特点，根据合作方提出的实际要求，基于传感器技术和执行器机构，选取智能家居系统中ZigBee无线网络的构建、家庭环境信息采集为研究对象，采用网状网络拓扑，设计并实现了一种实用的智能家居环境控制子系统。允许用户能够随时随地监测到家中的环境，为人们的生活提供了便利。
　　本文通过阐述本课题的研究背景及其意义，介绍了国内外的智能家居系统研究和发展现状，概述了智能家居环境控制子系统的关键技术。通过对各种组网技术的比较分析，确定了本系统家庭内部网的ZigBee无线组网方案，提出了本课题智能家居环境控制子系统的总体架构及设计思路。
　　本文着重从系统的硬件设计和软件设计两方面，对本课题的智能家居环境控制子系统的设计与实现进行了详细阐述。首先，基于硬件的总体设计方案将硬件划分为CC2530无线核心模块和扩展板模块两大部分，其中，扩展板根据功能可分为传感器模块和执行器模块。针对这两大模块，分别从功能实现、电路原理图等几个方面对本系统中各个终端节点进行了硬件部分的电路设计;其次，在Z-Stack协议栈的基础上，对本系统中不同功能的网络节点模块进行了软件设计，完成了智能家居环境控制子系统的组网、数据采集、控制设备间通信的软件实现。
　　最后，通过对系统的硬件和软件的验证结果表明，本文设计的智能家居环境控制子系统运行稳定，安全可靠，各个终端节点功能模块能够准确、实时的检测家居环境数据信息，能够控制相应的家电设备完成期望操作，达到了系统运行的预期目标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 智能家居系统国外发展现状

1．2．2 智能家居系统国内发展现状

1．3 环境控制子系统需求分析

1．3．1 系统功能需求

1．3．2 主要性能指标

1．4 本文研究内容及章节安排

第二章 智能家居环境控制子系统总体方案设计

2．1 环境控制子系统关键技术介绍

2．1．1 常见组网技术

2．1．2 ZigBee技术

2．1．3 系统网络拓扑

2．2 环境控制子系统总体架构及设计方案

2．3 本章小结

第三章 智能家居环境控制子系统硬件设计

3．1 ZigBee硬件选型

3．1．1 ZigBee实现方案比较

3．1．2 CC2530芯片介绍

3．2 终端节点设计

3．2．1 电源及电源管理模块

3．2．2 复位与JTAG调试接口

3．2．3 串口通信模块

3．2．4 传感器模块

3．2．5 执行器模块

3．3 本章小结

第四章 智能家居环境控制子系统软件设计

4．1 开发环境介绍

4．1．1 软件开发环境IAR EW及编程语言

4．1．2 Z-Stack协议栈简介

4．1．3 Z-Stack的运行机制

4．2 ZigBee节点功能的实现

4．2．1 协调器节点建网程序设计

4．2．2 路由器节点和终端节点入网程序设计

4．2．3 协调器节点工作流程

4．3 数据采集和控制终端节点设计

4．3．1 窗磁／门磁检测节点设计

4．3．2 光强检测、可燃气体检测节点设计

4．3．3 温湿度检测节点设计

4．3．4 阀门控制机械手节点

4．3．5 无线插座控制节点设计

4．3．6 电动窗帘控制节点设计

4．4 通信程序设计

4．4．1 CC2530数据帧格式

4．4．2 通信协议的制定

4．4．3 数据收发的实现

4．4．4 串口通信

4．5 本章小结

第五章 系统测试及运行效果

5．1 硬件平台测试

5．2 网络性能测试

5．2．1 ZigBee网络组建

5．2．2 数据收发距离

5．2．3 节点重入网测试

5．2．4 数据传输时间

5．3 终端节点功能测试

5．3．1 窗磁／门磁检测模块测试

5．3．2 光强检测模块测试

5．3．3 可燃气体检测模块测试

5．3．4 温湿度检测模块测试

5．3．5 阀门控制机械手模块测试

5．3．6 无线插座控制模块测试

5．3．7 电动窗帘控制模块测试

5．4 系统整体测试

5．5 本章小结

结束语

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文