本科毕业论文---基于无线传感器网络的家居环境检测与控制系统设计论文

目 次

摘要 ................................................................... I Abstract .............................................................. II

1 绪言 ................................................................ 1

1.1 本设计研究的背景与意义 .......................................... 1

1.1.1 背景 ...................................................... 1 1.1.2 意义 ...................................................... 1 1.2 国内外的发展现状及分析 .......................................... 1 1.3 几种典型无线网络技术的介绍 ...................................... 2

1.3.1 红外线技术数据通信 ........................................ 2 1.3.2 wifi技术 .................................................. 3 1.3.3 蓝牙技术 .................................................. 4 1.3.4 超宽频技术(UWB) ........................................... 5 1.3.5 近距离无线传输(NFC) ....................................... 5 1.3.6 zigbee技术 ................................................ 6 1.4 本文的主要研究内容和创新 ........................................ 6

1.4.1 主要内容 .................................................. 7 1.4.2 主要问题 .................................................. 7 1.4.3 技术关键 .................................................. 7 1.4.4 本文主要研究创新点 ........................................ 7

2 家居环境监测系统设计 ................................................ 8

2.1 系统方案论 ...................................................... 8 2.2 zigbee网络设备组成和网路结构 ................................... 8 2.3 系统结构 ........................................................ 8 2.4 系统各部分功能定义 .............................................. 9

2.4.1 温湿度传感器 .............................................10 2.4.2 人体红外热释放模块 .......................................10 2.4.3 MQ2气体烟雾传感器 ........................................11

3 系统硬件设计 ....................................................... 12

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桂林理工大学本科毕业设计·论文 3.1 数据采集模块 ...................................................13

3.1.1 电源电路 .................................................13 3.1.2 继电器电路 ...............................................14 3.2 协调器 .........................................................14 3.3 本章小结 .......................................................14 4 系统软件设计 ....................................................... 15

4.1 协调器的程序编程 ...............................................15 4.2 终端监测控制节点 ...............................................17 4.3 上位机程序 .....................................................19 5 结论 .................................................................20

致谢 .................................................................. 21 参考文献 .............................................................. 22

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1 绪言 1.1 本设计研究的背景与意义

1.1.1 背景

从远古时代的山顶洞人到至今的现代文明人，人类一直都在关注着自身的生活和居住条件，并想方设法努力改善和提高它。工业革命和信息技术革命的成功及不断迅猛发展，至今既21世纪，人类的各种现代化技术包括信息技术的通信技术、控制理论、计算机网络、互联网等都有了很大的发展，另外，随着我国改革开放以后，经济的发展使得我们想要居住在一个舒适的家居环境中成为了现实，因为这样的生活环境可以更能让我们生活得更好、工作更愉快，身体才更健康。因此人们有了这种想法也有需求的市场，智能家居(Smart Home)系统也就得到了快速发展以及越来越多的被人们所重视。最近十几年，特别是人类在信息技术上的快速发展，使得各种有线无线通信技术得到了前所未有的突破，在将来，由于无线通信运用特点优势和成本降低，有线将慢慢离开技术舞台的中央，无线将代替有线家居环境监测[1]。

1.1.2 意义

本论文将研究设计了一种智能家居环境监测及防盗子系统，实现对家庭环境的实时监测，实时为用户提供可靠并且全面的环境信息。智能家居系统中一个非常重要的部分就是本文所研究的环境监测子系统。在这个系统中，人们可以获得实时的居住环境信息，如温度和湿度、各种有害气体的浓度、火灾信息等。同时，此系统中传感器所得到的环境安全参数可以为其它家居设备做决策参考，最终由智能家居系统实现对家庭环境的智能调节。例如，当温度值偏低时，系统就将启动空调设备进行工作，来增高室内温度。因此，智能家居系统为用户提供了安全、舒适、便捷生活的安全环境，从而使环境防盗监测子系统成为了智能家居系统的一个非常重要关键部分与基本环节，能否拥有一个好的智能家居系统的关键在于能否设计出好环境安全监测子系统，这对改善人们生活环境的舒适度具有非常重要的意义[2]。

1.2 国内外的发展现状及分析

自从世界上第一栋智能建筑在美国出现后，尤其是1997年这年，耗时七年建成的比尔．盖茨的智能豪宅，它完玩玩全全按照智能住宅的概念建造，豪宅里面的所有的灯具、门窗、电器都是能够通过计算机来控制的出现以后，国外智能家居早已经获得长足的发展了。他们一些知名的企业例如Samsung.IBM.Microsoft.Sony等很早就

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桂林理工大学本科毕业设计·论文 投身到这一领域中来，由以前的产品种类繁多协议不同到今的较为统一的通信协议。而且他们的家居智能化大多都是以有线网络作为家庭内部的网络为基础的标准。他们的标准包括有美国的X—10和CEBu.欧洲的EIB.日本的HBS等。

到目前，我国的智能家居研究领域起步比较晚，还是处于萌芽的阶段。我国的家居环境监测行业是在近些年来的各个大公司和媒体大力宣传号召下开始起步的[3]，目前已经有一些前前瞻性很强的公司在从事智能家居环境系统的开发。就目前而言，也有一些电器厂家在市场上也推出了自主的智能家居系统，类似系统的家居环境的监测中也可以得到实现相应的功能。

以上的环境监测基本都是有线技术方案，虽然有线技术可以对环境进行监测与处理，让各种监测设备之间进行连接通信，相对无线技术方案而言的优点就表现得不那么优势了。存在以下缺点，系统布线麻烦，当你采用有线技术方案时，对各个点进行布线那将是一份复杂又庞大的工作，想想在家庭的各种点，监测器，楼宇等等，特别是是当监测对象数量较为多时，线如雨麻，而且又破外了以前装饰好的美观，不完美；还有在安装和维护方面，在相同情况下，有线比无线成本高得多了。例如在安装时，需要大量的电线和建筑材料，当用户需要增加节点功系统能时，必须又得重新对它布线耗时又费钱；在系统拓展性方面也很差，主要表现在增加或者减少新的监测对象时必将要求系统具有良好的软件与硬件拓展要求，毕竟硬件是软件拓展的基础，而硬件可拓展性是有线技术方案的主要技术难点之一；移植性较差，有线的束缚和影响，在美观上和无线比也差，不基于家居后续装修等等缺点。

1.3 几种典型无线网络技术的介绍

1.3.1 红外线技术数据通信

IrDA即红外数据协会，是1993年6月成立的一个国际性组织，专司制订和推进能共同使用的低成本红外数据互连标准，支持点对点的工作模式。它也是第一种实现无线个人局域网技术。它利用红外线来传输信号，红外线通信具有两个最突出的优点主要是由于红外线它能象可见光一样集中成很窄一束发射出去的[4] 。 主要优点是几乎不会受到天电、电气、人为干扰，抗干扰性能力强，再者就是不易被人发现和截获，保密性很强。还有红外线通信机具有结构简单，体积小，重量轻，价格低且廉价。红外通信技术适合于点对点、低成本、跨平台高速数据连接，特别是嵌入式系统。它的主要应用表现在信息网关、设备互联方面。在设备互联之后可以完实现不同设备内文件与信息之间的交换。信息网关主要负责连接信息终端和互联网。红外通信技术是一种无线连接技术，在世界范围内被广泛使用的。无有害辐射，绿色产品特性：科学实

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桂林理工大学本科毕业设计·论文 验证明，红外线是一种对人体有益的光谱，所以红外线产品是一种真正的绿色产品。此外，红外线通信还有抗干扰性强，系统安装简单，易于管理等优点。但就目前来说它不太符合现代电子的快速发展需要，再加上其他比它特性更优的软硬技术的出现及成熟，成本也较低，它没有很大优势了。由于它受视距的影响其传输距离短，容易受到物体的干扰，当遇到光滑的物体表面或者有墙或者其他的障碍物时，它的正常传输就受到干扰，也就不能正常工作；还有就是要求通信设备的位置固定；像在手机等其他移动设备时它就不能正常通信，也不灵活运用；它的点对点的传输连接，无法灵活地组成网络等。此外，由于红外线发射角度小、衰减快、传输距离短直，经过事实验证，一种超短距直线传输，只许是两个设备的传输口对口对准，并且中间不能存在其他障碍物的技术只适合两台设备间通信的苛刻传输条件，注定它终将会被淘汰。

1.3.2 wifi技术

Wi-Fi是IEEE 802.11b 的别称，是一个名为“无线以太网相容联盟”英文名为Wireless Ethernet Compatibility Alliance（WECA）的组织所发布的业界术语，中文翻译为“无线相容认证”。它能够在数百英尺范围内能支持互联网接入的无线电信号，是一种短程无线传输技术。它可以将手持设备（如PDA、手机）、个人电脑等终端以无线方式相互连接的。IEEE802.11WLAN它采用微蜂窝、微微蜂窝结构，能自主管理计算机局域网络，是支持较高数据传输速率（1～54Mbit/s）的。其主要技术有3种：1.正交频分复用技术OFDM：Orthogonal Frequency Division Mustiplexing；2.直序列扩频调制技术(DSSS)和补码键控(CCK)技术；3.二进制卷积(PBCC：Packet Binary Convolutional Code)。虽然目前扩频调制技术正成为主流技术，但是和OFDM技术相比，由于其优越的传输性能，OFDM技术即将成为人们关注的新的焦点。

优点：（1）设便捷方便。它可以免去布线等工作，可以有效的避免了繁琐的长工期布线安装工程。有线宽带网络例如ADSL、小区LAN等到户之后，连接到一个AP，然后就可以在电脑中安装—块无线网卡就行。(2）无线电波覆盖范围广。Wi-fi的覆盖半径大约100米是蓝牙技术（15m）的约7倍,然而最近Vivato 公司推出一款新型交换机它了能够把Wi-Fi的通信距离扩大4英里，既约6.5公里。(3）投资很经济。有线网络固有的缺点就是缺乏灵活性。如果大量的超前投资往往就会出现线路利用率低。这在有线接入网规划中，我们不得不考虑判断到未来的发展需要。然而Wi-Fi的规划是要按“随着用户的增加而逐步扩展起来的，如过用户数量增加了，就只需再增加几个AP设备就行，就不再需要重新布线，可以节省经济性和灵活的方便性。(4）传输速度快。它支持IEEE802．11a标准可以达到11Mbit／s，而且IEEE802．11g实

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