基于ZigBee的智能家居控制节点设计与实现

摘要

近年来，随着物联网概念的广泛传播，社会信息化、家庭智能化和工业自动化等领域的迅猛发展，对无线通信和数据传输需求的增长越发激烈，众多无线通信协议在这里得到了广泛应用。ZigBee的出现标志着崭新的短距离无线传感器网络的诞生，它的出现牵动了着广泛的关注，并且此技术运用推广到了智能家居的设计当中。本设计选定以智能家居为研究对象，以ZigBee和嵌入式技术相结合的方式，完成协调器节点和终端控制节点的局域网组网功能的实现，并通过中心控制节点作为数据访问的桥接，实现远程访问控制功能。
　　首先，本文结合智能家居控制系统的特点，分析ZigBee无线传感器网络作为智能家庭组网的可行性。并以 STM32嵌入式系统和 ZigBee协调器构成智能家居中心控制节点，通过以太网技术接入家庭子网，实现对智能家居节点的远程控制总体设计方案的建立。
　　其次，本文对IEEE802.15.4/ZigBee协议标准做了研究分析，介绍ZigBee网络应用开发的相关概念，研究了网络拓扑结构、网络配置等技术知识。在此基础上使用TI的CC2530实现ZigBee节点的硬件设计。另外设计中心节点的主控电路，使用STM32作为主控芯片构建嵌入式最小系统的电路设计，另外还包括其他外围电路设计分别是：以太网卡DM9000AEP、串行通信RS232、JTAG等电路。
　　再次，本文结合已经设计好的硬件部分，对应的进行软件设计。先对Z-Stack协议栈ZigBee2007/PRO进行研究，移植到各功能ZigBee节点上，实现家庭控制子网的组建和控制。本文还实现了在智能家居控制中心节点电路上移μC/OS-II操作系统，并在此操作系统上使用LWIP构建嵌入式WEB服务器，配合硬件设计的以太网卡，实现远程访问控制的功能。
　　最后，本文对ZigBee的家居智能控制节点各个部分进行测试，保证各部分设计能达到本次论文的要求。经过与其他部分联合调试后，能够满足用户的需求，该设计合理可行，基本达到了预期的设计目标。

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注释表

第一章 引言

1.1 课题研究的背景

1.2 本课题国内外现状及发展趋势

1.3 课题研究的目的及意义

1.4 本次课题研究的创新点

1.5 本次论文结构介绍

1.6 本章内容小结

第二章 智能家居控制节点总体方案论证

2.1 家庭组网技术的选择

2.2 智能家居控制节点的总体结构设计方案

2.3 本章内容小节

第三章 ZigBee无线通信技术

3.1 ZigBee技术的简要介绍

3.2 ZigBee通信标准协议的基础

3.3 ZigBee协议体系结构

3.4 ZigBee的网络配置

3.5 ZigBee的网路拓扑结构

3.6 本章内容小节

第四章 智能家居控制节点硬件部分设计

4.1 ZigBee控制节点的硬件设计

4.2 中心控制节点主控电路的设计

4.3 本章内容小节

第五章 智能家居控制节点软件部分设计

5.1 ZigBee控制节点的软件设计

5.2 智能家居中心控制电路的软件设计

5.3 本章内容的小结

第六章 智能家居控制节点实现和测试

6.1 ZigBee控制节点的串口通信实现

6.2 ZigBee控制节点的无线通信实现和测试

6.3 中心主控电路与PC通信的实现和测试

6.4 PC访问中心主控电路WEB服务器测试

6.5 本章内容的小结

第七章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

附录