1、課程設計說明書題目名稱無線傳感網絡的組網設計系部:計算機工程系專業(yè)班級：通信13-1班學生姓名：邙鑫鑫學號：2013232020指導教師:趙德群完成日期：2016年1月13日新疆工程學院課程設計評定意見設計題目無線傳感網絡的組網設計系部計算機工程系專業(yè)班級通信13-1班學生姓名鄺鑫鑫學生學號201323200評定意見：評定成績：指導教師（簽名）：年月日（此頁背書）評定意見參考提綱：1、學生完成的工作量與內容是否符合任務書的要求。2、學生的勤勉態(tài)度。3、設計或說明書的優(yōu)缺點，包括：學生對理論知識的掌握程度、實踐工作能力表現出的創(chuàng)造性和綜合應用能力等。新疆工程學院計算機工程系課程設計任務書2015

2、-2016學年1學期2016年1月10日專業(yè)通信技術班級13-1課程名稱物聯網技術設計題目無線傳感網絡的組網設計指導教師趙德群起止時間2016.1.102016.1.15周數5設計地點北京路校區(qū)2號機房設計目的：理解無線傳感網絡的特點；學習無線傳感網絡的組網方法。設計任務或主要技術指標：設計個模擬智能家居系統(tǒng)，將溫度、濕度、光敏、煤氣和火焰等5個傳感器分別與5個ZigBee模塊相連接，構成一個自組織無線網絡，并將各傳感器數據匯聚至協調器模塊，再通過無線網關平臺遠距離傳輸至互聯網。設計進度與要第一周:第二周:第三周:第四周:第五周:更求：熟悉傳感器、ZigBee模塊以及網關平臺的軟硬件組成體系，

3、開發(fā)環(huán)境等；了解傳感器、個ZigBee模塊以及網關平臺的配置方法，并組成WSN;完善設計方案，并撰寫說明書；修改說明書；答辯主要參考書及參考資料：無線龍.ZiBee無線網絡原理.冶金工業(yè)出版社鐘永鋒、劉永俊.ZiBee無線傳感器網絡.北京郵電大學出版社崔遜學、趙湛、王成無線傳感網絡的領域應用與設計技術國防工業(yè)出版社教研室主任（簽名）系（部）主任（簽名）摘要本文首先介紹了傳感器的相關知識，然后對ZigBee技術進行介紹，比較詳細的介紹了ZigBee協議框架中各層次扮演的角色及特點，并對ZigBee技術在智能家居中內部組網技術的適用性作了比較分析。最后綜合講解了智能家居系統(tǒng)的設計方案，包括系統(tǒng)功能

4、及特色等。組合其他設備終端節(jié)點進行家居內網信息的采集和傳輸，實現家電控制和溫度、濕度、入侵等安防信息采集。同時設計便捷、易用的軟件界面，既可以在家中使用，也可以在任何有網絡接入的設備上實現遠程控制。關鍵字：ZigBee智能家居家居內網多方式控制目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第1章傳感器介紹1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 傳感器的定義1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 傳感器的組成2 HYPERLINK

5、l bookmark16 o Current Document 傳感器的分類3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 智能家居的方案選擇4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第2章ZigBee模塊介紹5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 短距離無線通信技術介紹5 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document ZigBee技術及特點7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Documen

6、t ZigBee工作原理8 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document ZigBee在智能家居中的適用性8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第3章無線傳感網絡的搭建9 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 智能家居的組成9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 智能家居系統(tǒng)功能分析9智能家居的示意圖11總結12致謝13參考文獻14無線傳感網絡的組網設計第 頁共20頁第1章傳感器介紹傳感器的定義最廣義地來說，傳感器

7、是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。圖1.1傳感器系統(tǒng)的框圖傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1.1，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有

8、最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1.2(a)。圖1.2有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能(參閱圖1.2(b)。傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過

9、多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態(tài)參數轉換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評測或標示。傳感器的組成傳感器的作用一般是把被測的非電量轉換成電量輸出，因此它首先應包含一個元件去感受被測非電量的變化。但并非所有的非電量都能利用現有手段直接變換成電量，這是需要將被測非電量先變換成易于變換成電量的某一中間非電量。傳感器中敏感元件(sensingelement)是能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件(transductionelement)是將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸和測量的電信號部分。測量電路

10、也稱為信號調節(jié)與轉換電路，它是把傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。綜上，傳感器一般由敏感元件、轉換元件、測量電路和輔助電源四部分組成，如圖1-1所示。其中敏感元件和轉換元件可能合二為一，而有的傳感器不需要輔助電源。圖1.3傳感器的組成框圖傳感器的分類可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理（傳感器工作的基本物理或化學效應）；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類，其分類示于圖1.4。圖1.4按傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極

11、化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號?；瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。常見傳感器的應用領域和工作原理列于下表1.1倍感黠品種工作原理可被測定的非電學量敏力電阻，熱敏電阻半導體傳感黠阻值孌化力重量J壓力加速度溫度J濕度F氣體電客傳感器電客量喪叱力，重量/壓力，加連度，液面濕度感應苦感黠電感量變化加重量，壓加加速度，龍進數，轉拒，磁場霍爾苦感黠霍爾覿應角度龐進釦力屜場壓電苦感器超聲波倍感器壓電覿應壓力jtin速度j距臨熱電倍感黑熱電藐應臨霧明火熱分布光電傳感器光電蝕應輻射角臥旋轉孫泣移轉拒智能家居的

12、方案選擇作為一個標準的智能家居,需要覆蓋多方面的應用,但前提條件一定是任何一個普通消費者都能夠非常簡單快捷地自行安裝部署甚至擴展應用，而不需要專業(yè)的安裝人員上門安裝。一個典型的智能家居系統(tǒng)通常需要下列設備：1、無線網關2、無線智能調光開關3、無線溫濕度傳感器4、無線智能插座5、無線紅外轉發(fā)器6、無線紅外防闖入探測器7、無線空氣質量傳感器8、無線門鈴9、無線門磁、窗磁10、太陽能無線智能閥門11、無線床頭睡眠按鈕12、無線燃氣泄漏傳感器無線紅外防闖入探測器無線燃氣泄漏傳感器草坪無線智能調光器空調無線門鈴，無線紅外轉發(fā)器無線煙感探測器草坪無線窗磁無線溫濕度傳感器無線門磁太陽能無線緊急聲光報警:電動

13、窗簾無線溫濕度傳感器無線太陽輻射傳感器無線紅外轉發(fā)器無線空氣污染傳感器無線空氣質量傳感器保險柜無線睡眠按鈕無線土壤濕度傳感器太陽能無線紅外電子柵欄圖1.5智能家居方案的設備選擇第2章ZigBee模塊介紹2.1短距離無線通信技術介紹隨著數字通信和計算機技術的發(fā)展，許多短距離無線通信的要求被提出，短距離無線通信同長距離無線通信有很多的區(qū)別，主要如下:無線發(fā)射功率在幾微瓦到小于100ixW。通訊的距離在幾厘米到幾百米之間。主要在小范圍區(qū)域內使用。(4)不用申請無線頻道。(5)高頻操作。一個典型的短距離無線通信系統(tǒng)基本包括一個無線發(fā)射器和一個無線接收器。目前使用較廣泛的短距無線通信技術是藍牙(Blue

14、tooth)，無線局域網802.11(Wi-Fi)和紅外數據傳輸(IrDA)。藍牙(Bluetooth)藍牙是由愛立信公司于1994年首先提出的一種工作在2.4GHz頻段的短距離無線通信技術規(guī)范，用來替代有線連接。信道帶寬為1MHz，連接距離一般小于10m,使用高增益天線可以擴展到100m,般電池壽命為2-4個月。鑒于以上特性，藍牙技術被應用于無線設備、圖像處理、智能卡、身份識別等安全產品，以及娛樂消費、家用電器、醫(yī)療健身和建筑等領域。Wi-Fi(IEEE802.11)Wi-Fi是IEEE定義的一個無線網絡通信的工業(yè)標準。最早提出與1997年，目的是提供無線局域網的接入，可實現幾Mbps的無線

15、接入。主要用于解決辦公室無線局域網和校園網中用戶與用戶終端的無線接入。其優(yōu)勢在于：無線電波的覆蓋范圍廣(100m左右)；傳輸速度快(11Mb/s)；成本低，省去網絡布線，便于廠商介入。紅外數據傳輸(IrDA)IrDA是一種利用紅外進行點對點通信的技術。在小型移動設備(如PDA、手機、筆記本電腦)上已經被廣泛使用。它具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、成本低的特點。由于IrDA只能同時在2臺設備之間連接，并且存在視距角度等問題。（4）ZigBeeZigBee技術是最近發(fā)展起來的一種短距離、低速率無線通信技術，它具有低功耗、低成本、易應用的特點，主要工作在2.4Ghz頻段，采用擴

16、頻技術。ZigBee也被認為是組可能應用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領域的無線技術。（5）超寬頻（UltraWideBand）UWB是一種無線載波通信技術，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。由于UWB可以利用低功耗、低復雜度發(fā)射/接收機實現高速數據傳輸，在近年來得到了迅速發(fā)展。它們都有其立足的特點，或基于傳輸速度、距離、耗電量的特殊要求；或著眼于功能的擴充性；或符合某些單一應用的特別要求；或建立競爭技術的差異化等。但是沒有一種技術可以完美到足以滿足所有的需求。2.2ZigBee技術及特點ZigBee名字來源于蜂群使用ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現新的食

17、物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新無線通訊技術的名稱。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個人區(qū)域網協議，是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。ZigBee技術具有低功耗、數據傳輸可靠、網絡容量大、兼容性好、安全性高、實現成本低等特點，可以工作在2.4GHz、868MHz和915MHz這3個頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，他的技術特點具體如下：低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅

18、靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設備望塵莫及的。成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.52.5美元，并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應用。網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡，而且網絡組成

19、靈活?？煽浚翰扇×伺鲎脖苊獠呗裕瑫r為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發(fā)。安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。由此可知ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。2.3Zi

20、gBee工作原理基于ZigBee的無線設備工作在868MHZ,915MHZ和2.4Z頻帶。其最大數據速率是250Kbps.ZigBee技術主要針對以電池為電源的應用，這些應用對低數據速率、低成本、更長時間的電池壽命有較高的需求。在一些ZigBee應用中，無線設備持續(xù)處于活動狀態(tài)的時間是有限的，大部分時間無線設備是處于省電模式(也稱休眠模式)的。因此，ZigBee設備在電池需要更換以前能夠工作數年以上。ZigBee在智能家居中的適用性當今我們熟悉的短距離無線通信技術有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi.UWB、紅外等。他們在不同的領域發(fā)揮著他們的特性，相互之間形成互補的作用。表1.6是

21、幾種無線通信技術的對比：ZigBee藍牙802.11列紅外RFIDHomeRF單點覆蓋距離(m)50-3001050(Wi-Fi)51-1050網絡拓展性自動拓展無無無無有最大功耗13mW1100mW100mW10mW050mW復雜度簡單復雜很復雜簡單復雜復雜傳輸速率250Kb/s1Mb/s111Mb/s1.521,4,16Mb/s0.212Mb/s1.2Mb/s頻段8.68MHz2.4GHZ2.4GHz2.4GHz820nm5.8GHz2.4GHz網絡節(jié)點數65000850無無127終端設備費用低低高較低低一般安全性128bitAES64bit,128bitSSID小角度傳輸密鑰50次/秒跳

22、頻集成度可靠性高高一般一般一般一般使用成本低低一般低低一般圖1.6幾種無線通信技術的對比由上表的數據對照綜合可知，ZigBee的自動組網、功耗以及成本等方面都比其他的幾種無線通信技術在智能家居中更有優(yōu)勢，唯一的競爭是Bluetooth,但ZigBee更簡單，速率更慢，功率及費用也更低，且大多數時間處于睡眠模式，更加適用于不需要實時傳輸或連續(xù)更新的場合。智能家居是ZigBee無線網絡的一個主要應用方向，非常適合在組建家庭個人無線區(qū)域網。第3章無線傳感網絡的搭建3.1智能家居的組成智能家居是以互聯網為核心最終實現的家居互聯，將家中各種設備連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、防盜報警、環(huán)境

23、監(jiān)測、三表抄送等多種功能和手段。構建高效的住宅設施與家庭日程事務的智能管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能控制系統(tǒng)包括智能照明控制、電動窗簾控制、溫度控制、AV控制、安防控制等。主要產品組成：智能控制器、無線智能遙控器、無線收發(fā)器、紅外轉發(fā)器、電腦控制器、智能開關等。它是智能產品，因為它們內置電腦芯片和軟件，有復雜的功能;同時也是傻瓜產品，因為它們外觀精美，安裝方法和基本操作和普通開關相仿。3.2智能家居系統(tǒng)功能分析照明系統(tǒng)實現對全宅燈光的智能管理，可以用遙控等多種智能控制方式實現對全宅燈光的遙控開關，調光，全開全關及“會客、影院”等多種一鍵式燈光場

24、景效果的實現。并可用定時控制、電話遠程控制、手機控制等多種控制方式實現功能，從而達到智能照明的節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的功能。另一方面與窗簾自動控制系統(tǒng)結合，實現室內自動調光，根據室外天氣情況自動開關窗。電器控制系統(tǒng)電器控制采用弱電控制強電方式，即安全又智能，可以用遙控、定時等多種智能控制方式實現對在家里電視、空調、飲水機、插座、地暖、投影機、新風系統(tǒng)等進行智能控制。系統(tǒng)可以做到讓客廳、餐廳、臥室等多個房間的電視機共享家庭影音庫，并可以通過遙控器選擇自己喜歡的音源進行觀看。避免飲水機在夜晚反復加熱影響水質，在外出時斷開插排通電，避免電器發(fā)熱引發(fā)安全隱患。以及對空調地暖進行定時或者遠程控制，讓您到

25、家后馬上享受舒適的溫度和新鮮的空氣。安防監(jiān)控系統(tǒng)隨著人們居住環(huán)境的升級，人們越來越重視自己的個人安全和財產安全，對人、家庭以及住宅的小區(qū)的安全方面提出了更高的要求，智能安防已成為當前的發(fā)展趨勢安防門禁系統(tǒng)通過RFID實現非法進門報警，遠程開關門功能，配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以讓用戶通過網絡時時查看家里的情況，充分發(fā)揮監(jiān)控的實時性和主動性。為了能實時分析、跟蹤、判別監(jiān)控對象，并在異常事件發(fā)生時提示、上報，安防監(jiān)控系統(tǒng)的“智能化”就顯得尤為重要。場景自定義系統(tǒng)當人們回家的時候，希望家里的空調先打開、窗簾自動打開、放好洗澡水、打開舒適的音樂等等一系列的動作，并且每位用戶根據家庭的情況其具體的設置各不相同所以眾志物聯網提供自定義場景系統(tǒng)，人們可以根據自己的喜好設置打包成一個“回家模式”，用戶只要一鍵確認，就可以完成自己設置好的動作，較常用的模式有：“回家模式”、“離開模式”、“睡覺模式”。無線傳感網絡的組網設計第 頁共20頁3.3智能家居的示意圖圖1.7智能家居的示意圖總結本文運用ZigBee無線通信技術，把各個通信子系統(tǒng)集成到一塊，解決了家庭內部信息傳輸的復雜度問題，構建了一個完整的無線智能家居控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要從智能家居內部組網和基于ZigBee的無線信息采集與傳送及多方式控制進行了研究。系統(tǒng)