基于ZigBee的智能家居控制系统设计__开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告题目基于ZigBee的智能家居控制系统设计

学院名称电子通信与物理学院

专业班级

学生姓名

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指导教师

填表时间：2015 年 4 月7 日

设计（论文）

基于ZigBee的智能家居控制系统设计题目

设计（论文）类型（划“√”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它√

一、课题的研究目的和意义

智能家居控制系统（smart home control systems），是以智能家居系统为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利、舒适，从而实现具有一定自动、智能控制功能的系统平台。智能家居控制系统是智能家居的核心，是智能家居控制功能实现的基础。

传统的家居智能控制系统一般采用有线方式来组建，如电缆线、同轴电缆、USB、CAN总线等。但有线网络具有布线麻烦，可扩展性差等固有的缺点，限制了有线网络技术在智能家居系统中的发展。因此，将无线网络技术应用于家庭网络己成为大势所趋，采用无线智能控制模式是智能家居发展的必然选择。这不仅仅因为无线网络具有更大的灵活性、流动性，省去了布线的麻烦，更重要的是它符合家居控制网络的通讯特点。无线网络可以将人们生活的空间浓缩于人类的双手可以掌控的距离。因此红外、蓝牙、WiFi、ZigBee等一系列无线网络技术应运而生并且蓬勃发展，从而大大促进家居设备智能化、无线化的进程。

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。同时，ZigBee的出现克服了红外、蓝牙等通信方式的拓展能力不足，以及WiFi的成本过高、功耗较大、嵌入困难等缺点。

基于ZigBee的上述特点，同时结合当代智能家居在控制中的实际需求，我们选择了ZigBee作为智能家居中无线通信的方式，从而设计一种基于ZigBee 的智能家居控制系统。本系统具有良好的开发和应用前景,在智能家居这个概念广为人知的时代，ZigBee无线通信技术与智能家居的融合，最终会让无线智能家居引领市场并且走向更为广泛的应用。随着技术的提升，成本的下降，智能家居生活将不再是梦，无线科技革命将会引领智能家居步入新的发展里程。

二、本课题的主要研究内容（提纲）

1. 研究分析智能家居的现状，设计基于ZigBee的智能家居控制系统；

2. 掌握ZigBee芯片CC2530的基本结构和工作原理；

3. 学习ZigBee通信协议，掌握它的要通信标准；

4．研究ZigBee & Wi-Fi网关, 实现了跨网间的数据同步；

5. 分析系统需要的传感器、控制器以及相关硬件并完成相关硬件搭建。

6. 编写程序并进行相关测试。

三、文献综述（国内外研究情况及其发展）

智能家居不是一个新概念，目前国内智能家居控制仍多采用传统控制方式，传统控制系统一般是通过有线的方式来组建的，功能需求越多安装越复杂，它具有以下几个弊端：1.布线复杂，安装空间大；2.电缆用量大，浪费材料；3.系统功能固定，扩展性差；4.运行维护成本高，损耗能量；5.移动性能差，且影响美观。随着ZigBee无线通讯技术的发展，智能家居行业能够冲破这种“有线”的束缚，使民众有望体验安装简单、调试维护方便、价格合适的无线智能家居带来的轻松、便捷的生活。

随着时间的推移，ZigBee技术将会变得越来越完善，它在智能家居的应用也会变得越来越多，ZigBee无线智能家居将逐渐成为主流。试想一下，家居设备之间不用通过任何“线”的连接，而是通过ZigBee协议连接成一个物物相联的网络并进行通讯。在家居空间内，人们在任意地方可以随意地控制家居环境中的相关设备，享受智能家居带来的惬意和轻松。

基于ZigBee的智能家居控制系统，将以无需布线和使用相对自由，建立起人们对无线家居设备的全新体验和享受。它组网灵活，成本低廉，消除了开槽、穿墙等繁琐的工作程序，总体费用低;移动性强、扩张性强，可摆脱“线”的限制，在设定的覆盖范围内，用户可轻松接入到家居设备网络系统。

基于ZigBee的智能家居控制系统具有以下几点优势特征：

（1）维护简单。由于没有复杂的布线，使智能家居的系统维护变得非常简单，无需破坏墙面等设施就可以轻松进行维护。

（2）无线自动组网。ZigBee技术能实现无线短距离通信传输，具有自动组网、自主修复的能力，从而免去主控机和外围设备之间的手动链接设置的麻烦，大大简化了智能家居系统的调试，使智能家居系统真正实现智能化。

（3）性价比高。ZigBee无线通讯技术相比于其他的无线通讯技术具有低成本，低功耗的特点，还具有移动灵活、扩张性强的特点，符合“低碳生活”的绿色家居概念。

（4）安装简易。ZigBee技术无需复杂的布线，可以用一种简易的方式实现家庭设备之间的互联，实现“物与物”、“人与物”之间的信息交互，进而轻松实现家居设备控制的智能化。

但是智能家居目前存在一些急需解决的难题。首先，目前绝大多数家电产品没有统一的标准，比如接口不统一等，一个程序难以将所有的产品纳入其中进行互联；其次，中国家庭现在拥有很大存量的非智能家电产品，要将这些产品智能化，是一个非常艰巨的工程；再次，要实现家电产品互联，就必须要借助传感器，而目前传感器的存量并不多，内置传感器的家电产品更是少之又少，而且如果将所有的家电产品都内置传感器，成本问题又会随之而来；第四，用户数据共享和收集很难，每个用户家中的家电品牌不一，每个品牌又会有各自不同的数据收集后台，难以进行统一的大数据管理；最后，现有的智能互联产品体验并不出色，很多功能实际意义并不强，没有实现真正的互联。

基于上述问题，在智能家居这个领域因为zigbee只能在硬件上来体现，没有一个统一操作平台，很多设备不能通用，这个很大程度上阻碍了zigbee在智能家居领域的推广。现在很多做zigbee技术的都是一些小型的创业型公司，风险比较大。目前智能家居上做的比较好的基本上是国外的公司，而且他们已经出了一些标准文件。相比之下，国内的大大小小标准很多。

同时Zigbee的产品似乎比较少见，因为WiFi和蓝牙都随着移动设备的普及铺开了，Zigbee更偏向工业和工程应用，而且用户大多数只是注重实际的功能而不太关心具体的实现方式。Zigbee的特点是低功耗、低成本、网络容量大，同时传输速率也比较低。一般地说Zigbee很少用在数据流传输，但放在智能家居传感和控制这样的碎片化信息传递上非常适宜。

ZigBee产品的形态大体分为四类：ZigBee芯片、嵌入式ZigBee模块、ZigBee 设备、ZigBee网关。前三者都易于实现而且已经有具体的产品出现，而ZigBee 网关就是通过集成其他无线技术，实现跨网间的数据同步，比如ZigBee & GPRS 网关、ZigBee & Wi-Fi网关。因此我们可以用ZigBee实现的一种联网方式是利用WiFi连接移动设备以实现联网目的，之后一个WiFi转Zigbee模块中枢来控制所有的Zigbee单品。这是本次设计的技术难点，设计出这个ZigBee中枢具有很现实的意义。而且现实中普通家庭往往没有Zigbee的基础设施，所以对这类智能家居的产品来说难点就在于将Zigbee中枢推出去。遗憾的是ZigBee网关目前在国内以及国外做的厂商很少，缺乏统一的标准，成熟的产品也很少。

四、拟解决的关键问题

1. 如何设计一种切实可行的基于ZigBee的智能家居控制系统。

2. 硬件电路搭建问题的解决。

3. 软件程序编程问题的解决。

4. 如何实现ZigBee & Wi-Fi网关跨网间的数据同步。

五、研究思路和方法

1. 分析当代智能家居的现状以及市面上成熟的产品，尝试分析这些产品的功能是用什么方式来实现的。初步确定设计的思路以及需要实现的功能，从而选择合理可行的设计方式来实现的智能家居控制系统的设计。

2. 分析ZigBee在当代智能家居中的实际应用，参考相关文献，进一步细化设计的思路，同时确定下来各个子系统需要实现的具体功能以及用什么方式来实现，从而确定基于ZigBee的智能家居控制系统的设计思路。

3. 选择合适的ZigBee芯片，进行相关的学习实验，了解ZigBee的开发平台、通信标准、技术特点、协议框架等。选择相关的传感器及相应的被控器件。

4. 初步完成ZigBee部分的相关设计，包括硬件电路的设计，程序的编写，从而实现基于ZigBee的智能家居控制系统的基本功能。

5. 实现基本功能后，着手解决ZigBee & Wi-Fi网关的设计，分析相关协议，查阅相关资料，以实现跨网间的数据同步，并且尽最大可能设计手机客户端，从而可以利用手机来控制的基于ZigBee的智能家居系统。

系统的整体框图如下：

传感器

传感器被控电器被控电器

ZigBee节点

ZigBee节点

ZigBee节点

串口转WiFi模块手机连接WiFi

查看控制家居设备

六、本课题的进度安排

1-5周（2015.3.9-4.12），查阅资料，理解题意，确定设计任务，制定设计计划，形成初步的设计思路，书写开题报告；

6-8周（4.13-5.3），学习ZigBee的相关资料，确定设计方案，准备系统需要的硬件模块，并进行初步的各个子模块的软硬件开发调试

9-11周（5.4-5.24），将各模块综合起来进行联合调试，进行整个系统的软件测试和硬件测试。进一步完善设计。

12-14周（5.25-6.14），翻译英文资料，书写毕业论文。

15周（6.15-6.19），准备答辩。

七、参考文献

[1] 李文仲，断朝玉等编著．ZigBee无线网络技术入门与实战[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007．

[2] 姜仲，刘丹编著．ZigBee技术与实训教程——基于CC2530的无线传感网技术[M]．北京：清华大学出版社，2014．

[3] 李明亮，蒙洋，康辉英编著．例说ZigBee[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2013．

[4] 李外云编著．CC2530与无线传感器网络[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2013．

[5] 《无线电》编辑部编著．精选单片机设计与制作30例．北京：人民邮电出版社，2013．

[6] 以物联网为基础的农业信息化方案[Z]．上海左岸芯慧电子科技有限公司，2014-05．

[7] Drew Gislason .Zigbee Wireless Networking[M]．Newnes ,2008．

[8] Texas Instruments．CC2530manul [S]．2009．

指导教师意见

指导教师（签名）：

年月日

所在系（所）意见

负责人（签章）：

年月日