基于ZigBee无线传感器网络智能家居系统的设计与实现

摘要

现代家居已经较好地解决了最基本的居住问题，但如何让家居更加信息化和现代化也成为了人们日益关心的焦点。随着信息技术的快速发展，提高家庭生活的智能化水平和现代化生活方式必然是未来发展的趋势。
　　本文通过对目前国内外智能家居发展情况的分析，结合ZigBee无线传感器网络、网关技术和手机终端远程控制APP设计了一种智能家居系统。该系统主要采用了嵌入式和无线网络技术，实现了温湿度检测、光照检测、气体检测、人体红外检测、开关电灯控制和手机远程控制功能，具有功能丰富，成本低等优点。论文首先分析了ZigBee技术的优点，然后详细描述了系统硬件和软件部分的设计。网关设备采用了S3C2440A处理器作为核心部件以提高系统的稳定性，ZigBee无线网络收发模块使用CC2530芯片以实现终端数据的发送和接收。软件设计主要包括基于Z-stack协议栈的硬件应用层开发和手机APP开发。硬件设备应用层开发包括ZigBee网络组建和ZigBee终端数据采集;手机客户端App使用了Eclipse和Android SDK开发工具进行开发，并且通过科大讯飞语音识别SDK实现了语音控制电灯开关的功能。
　　在智能家居环境中经常需要设置较多的传感器节点，当某个传感器节点发生故障时，用户需要准确地知道该传感器的位置。因此针对如何准确定位故障传感器的位置，本文在原有的ZigBee技术的定位算法上进行了改进，提出一种基于阈值分段的定位算法。该算法通过目标节点与参考节点距离的大小与阈值距离相比较来确定使用RSSI还是DV-Hop定位算法，将这两种算法进行了有效结合，以提高定位的准确性。最后，在MATLAB软件中使用随机函数生成的点对模型对算法进行了模拟，验证了改进后的算法的定位准确率高于单独使用RSSI和DV-Hop。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 智能家居的发展现状

1．2．1 智能家居国外发展情况

1．2．2 国外智能家居典型案例

1．2．3 智能家居国内发展情况

1．2．4 国内智能家居典型案例

1．3 主要研究内容和安排

1．4 本章小结

2 ZigBee及Socket通信技术

2．1 ZigBee技术简介

2．1．1 常见的无线通信技术

2．2 ZigBee技术基础

2．2．1 网络模型

2．2．2 功能类型模型

2．3 ZigBee网络协议结构

2．3．1 物理层规范

2．3．2 MAC层规范

2．3．3 网络层规范

2．3．4 应用层规范

2．4 Socket技术

2．5 本章小结

3 基于阈值的ZigBee定位算法的设计

3．1 基于测距的定位算法

3．1．1 TOA定位算法

3．1．2 RSSI定位算法

3．2 基于非测距的定位算法

3．2．1 APIT定位算法

3．2．2 DV-Hop算法

3．3 无线定位基本方法

3．3．1 三边测量法

3．3．2 双曲线定位法

3．4 基于阈值的ZigBee定位算法的改进

3．4．1 算法改进思想

3．4．2 算法仿真及结果分析

3．5 本章小结

4 智能家居系统设计

4．1 系统结构设计

4．2 系统的组成与功能

4．2．1 ZigBee无线网络

4．2．2 外部通信网络

4．3 系统ZigBee组网方式

4．3．1 网络拓扑选择

4．4 本章小结

5 系统硬件设计

5．1 网关硬件设计

5．2 ZigBee协调器设计

5．3 终端设备设计

5．3．1 温湿度检测模块

5．3．2 光照强度检测模块

5．3．3 气体传感器模块

5．3．4 人体红外感应模块

5．3．5 开关控制模块

5．4 本章小结

6．1 开发环境介绍

6．3 ZigBee协调器软件设计

6．3．1 ZigBee网络初始化

6．3．2 节点加入网络

6．3．3 ZigBee协调器通信

6．4 终端节点的软件设计

6．4．1 温湿度模块

6．4．2 光照传感器模块

6．4．3 气体传感器模块

6．4．4 人体红外传感器模块

6．4．5 开关控制模块

6．5 本章小结

7 手机远程控制APP设计

7．1 Android开发环境

7．2 Android客户端的设计与实现

7．2．1 客户端界面设计

7．2．2 Socket通信程序设计

7．2．3 数据获取与开关控制设计

7．3 语音识别模块

7．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果