【文章內(nèi)容簡介】 中心功能、家電控制功能、有線電視接入、電話接入、住戶信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和軟件配置等。 比爾蓋茨的家是國外第一個使用智能家居的家庭，至今已經(jīng)快有 30 年的歷史了，智能家居控制系統(tǒng)也逐漸進入人們的視野中，也讓更多的人了解和嘗試這么一個新鮮的事物。 第三節(jié) 智能家居中的安全問題 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(chǎn)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；同時，經(jīng)濟的飛速發(fā)展伴隨著城市流動人口的急劇增加，給城市的社會治安增加了新的難題，要保障小區(qū)的安全，防止偷搶事件的發(fā)生，就必須有自己的安全防范系統(tǒng)，人防的保安方式難以適應(yīng)我們的要求，智能安防已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢 。 智能家居系統(tǒng)中的安全防范措施一般包括視頻監(jiān)控、設(shè)置門禁系統(tǒng)和防盜報警。視頻監(jiān)控是對主要的出入口通道以及家中比較重要的地方進行監(jiān)控，該方式有效地對家居環(huán)境進行監(jiān)控。設(shè)置門禁系統(tǒng)，可以有 效地阻止“非授權(quán)入侵”。防盜報警是在門禁系統(tǒng)中的一個擴展功能，當(dāng)有陌生人妄想以強硬的手段進入到房屋內(nèi)時，我們的防盜報警系統(tǒng)可以在他觸動門禁系統(tǒng)的同時，警報響起，當(dāng)然更加完善的系統(tǒng)還可以給房子主人發(fā)送短信，提醒他家中有陌生人闖入，同時給小區(qū)保安室也發(fā)一條短信，告知他小區(qū)有安全隱患發(fā)生。 智能安防系統(tǒng)也是一個不小的系統(tǒng)，在進行具體的設(shè)計的時候需要考慮到很多實實在在的問題，例如系統(tǒng)集成化問題。從當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，各類智能家居的安全防范措施的發(fā)展還處于起步階段，各有利弊，這就需要我們對這些進行總結(jié)，探索一種安全系 數(shù)高、價格較低的安防系統(tǒng)，從而為人們提供一個安全、舒適的生活環(huán)境。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章主要對智能家居作一個大概的介紹，這包括智能家居系統(tǒng)的功能以及智能家居在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對智能家居的發(fā)展前景是非常看好的。智能家居系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，綜合應(yīng)用了很多的技術(shù)手段，包括綜合布線技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。 智能家居行業(yè)在國內(nèi)發(fā)展的時間也還不是很長，但是取得的成就是無可非議的，但是，智能家居各方面的功能也還不是很完善，智能家居安防系統(tǒng)就是一例，所以才有本文對家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究這么一個課題。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第二章 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng) 第一節(jié) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)（ Inter of Things）是由 Kevin Ashton 在 1998 年提出來的，通過射頻識別、紅外感應(yīng)及激光掃描、二維碼、 GPS 等技術(shù)將任何物品連接成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、處理和通信，從而實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的智能化識別和監(jiān)控。 物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化，自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化 3 個重要特征 [1]。 物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)全面感知，可靠傳遞以及智能處理的三大功能需求，可以將其實現(xiàn)過程分為三層結(jié)構(gòu)：第一層為感知延伸系統(tǒng)，主要功能 為采集信息和控制設(shè)備；第二層為異構(gòu)融合的泛在通信網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通以及存儲處理功能；第三層為應(yīng)用和服務(wù)層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析等 [4]。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)可以表示為圖 所示。 圖 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)架構(gòu) 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第二節(jié) IEEE 一、 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)簡介 IEEE 是一種結(jié)構(gòu)、低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它具備如下特征：（ 1）實現(xiàn) 20kb/s、 40kb/s、 100kb/s、 250kb/s 四種不同的傳輸速率。（ 2）支持星型和點到點兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（ 3）在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16 位地址和 64 位地址。其中 16 位地址是有協(xié)調(diào)器分配的， 64 位地址是全球唯一的擴展地址。（ 4）采用可選的時槽保障（ GTS）機制。（ 5）采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（ CSMACA）的信道訪問機制。（ 6）支持 ACK 機制以保證可靠傳輸。（ 7）低功耗機制。（ 8）鏈路能量檢測（ ED， Energy Detection）。（ 9）鏈路質(zhì)量指示。（ 10）工作在 ISM 頻段上，其中在 波段上有 16個信道，在 915MHz 波段上有 30 個信道，在 868MHz 上有 3 個信道。（ 11）數(shù)據(jù)安全策略。 在 IEEE 中定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備（ FFD）和精簡功能設(shè)備（ RFD）。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，全功能設(shè)備可以擔(dān)任協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的角色，在擔(dān)任協(xié)調(diào)器時主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)；精簡功能設(shè)備擔(dān)任只能擔(dān)任路由器節(jié)點和終端節(jié)點的角色，主要進行數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控的工作 [5]。 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 星型和點到點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和 MAC 子層，符合開放系統(tǒng)互連模型 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 （ OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊， MAC 子層為高層提供訪問物理信道的服務(wù)接口 [5]。圖 表明了協(xié)議層次之間的關(guān)系。 圖 IEEE 協(xié)議棧架構(gòu) 在 MAC 子層之上的高層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，對于不同高層協(xié)議，也可以通過邏輯鏈路控制子層（ LLC， Logical Link Control）以及特定服務(wù)聚合子層（ SSCS）來訪問 MAC 子層。 二、 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)簡介 ZigBee 是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議 [1]?；?ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為 868MHz、915MHz 和 ，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層功能實現(xiàn) ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)確定了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的三種設(shè)備： ZigBee 協(xié)調(diào)器、 ZigBee 路由器和 ZigBee 終端設(shè)備。每一個網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺 ZigBee 協(xié)調(diào)器，它負(fù)責(zé)建立并啟動一個網(wǎng)絡(luò)，其中包括選擇適合的射頻信道、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符等一系列操作。 ZigBee 路由器作為遠程設(shè)備之間的中繼器來進行通信，能夠用來拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍，負(fù)責(zé)搜尋網(wǎng)絡(luò)路徑在任意兩個設(shè)備之間建立端到端的傳輸。ZigBee 終端設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 ZigBee 組網(wǎng) 組建一個完整的 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)又包括了兩個步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已有的父節(jié)點入網(wǎng)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個 ZigBee 節(jié)點要組建一個網(wǎng)絡(luò)必須要滿足兩個條件：（ 1）節(jié)點是全功能設(shè)備（ FFD）；具備 ZigBee協(xié)調(diào)器的能力；（ 2）節(jié)點還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時，此節(jié)點只能作為該該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點，因為一個 ZigBee 網(wǎng) 絡(luò)中有且只有一個協(xié)調(diào)器 [6]。 ZigBee 組網(wǎng)的流程如圖 所示： 圖 ZigBee 組網(wǎng)流程圖 ZigBee 的特點 總得來說 ZigBee 技術(shù)具有如下特點：（ 1）高可靠性。 ZigBee 聯(lián)盟在制定ZigBee 規(guī)范時已經(jīng)考慮到數(shù)據(jù)在傳輸過程中的內(nèi)在的不確定性，采取了一系列措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，主要包括：物理層兼容搞可靠的短距離無線通信協(xié)議 IEEE 同時使用 OQPSK 和 DSSS 技術(shù)；使用 CSMACA 技術(shù)來解決數(shù)據(jù)沖突問題；使用 16bits CRC 來確保數(shù)據(jù)的正確性；使用帶應(yīng)答的數(shù)據(jù)傳輸方式來確保數(shù)據(jù)正確的傳輸目的地址；采用星型網(wǎng)絡(luò)盡量保證數(shù)據(jù)可以 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 沿著不同的傳輸路徑從源地址到達目的地址。（ 2）低成本、低功耗。低功耗只是針對終端節(jié)點而言的，因為只有終端節(jié)點才可以定時休眠，而協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點必須一直供電； ZigBee 模塊成本低，大量布點比較經(jīng)濟，一個路由節(jié)點可以管理高達 255 個節(jié)點。（ 3）高安全性。（ 4）低數(shù)據(jù)速率。 第三節(jié) 家居物 聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究 一、家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用方案也不斷被人們所接受。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)家居布線困難、維護難度大和停電易造成系統(tǒng)癱瘓等問題。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為智能家居引入了新的概念和發(fā)展空[7]。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是由許多個功能相同或者是不同的無線傳感器節(jié)點通過自組方式形成的無線網(wǎng)絡(luò)，具有檢測精度高、低功耗、低成本、實時性好、高容量和覆蓋面積大等顯著的優(yōu)點?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，充分利用計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電力自動化、信息集成、智能傳感和電力電子技術(shù)等技術(shù)的優(yōu)點 [8]，將所有不同的設(shè)備應(yīng)用和綜合功能互連于一體，以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，連接智能傳感器，設(shè)計“物 —物”和“ 人 —物”相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠把家居電氣信息、家居防盜信息、家居電器信息和家居環(huán)境等信息整合與共享，能夠?qū)崿F(xiàn)人們對物的遠程監(jiān)控，建立智能化高效率的現(xiàn)代化家居生活環(huán)境 [7]。 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計智能家居電器控制系統(tǒng)總體框圖如圖 所示： 圖 智能家居電器控制系統(tǒng)總體框圖 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 二、系統(tǒng)安全問題的研究 智能家居系統(tǒng)的功能非常的強大，而系統(tǒng)的安全問題也是必須優(yōu)先考慮的一點。安防監(jiān)控系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中保證家居生活安全的一個系統(tǒng)，其包括個人安全和財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的人防的保安方式已經(jīng)難以適應(yīng)我們對家居安全的要求，所以智能安防成為了當(dāng)前發(fā)展的趨勢。 智能安防系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)和電器安全控制和檢測系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化具有以下優(yōu)點： 安全：安防系統(tǒng)可以對陌生人入侵、煤氣泄漏、火災(zāi)等情況提前及時發(fā)現(xiàn)并通知主人。 簡單：操作非常簡單，可以通過遠程遙控器或者門口控制器進行布防或者撒放。實用：視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以依靠安裝在室外的攝像機可以有效地防止小偷進一步行動，并且可以在事后取證給警方提供有利的證據(jù)。 實現(xiàn)智能安防的技術(shù)很多，但都各有利弊，并且技術(shù)不是很成熟，本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安防系統(tǒng)，是當(dāng)前最為流行的一種技術(shù)方式，因為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用在智能家居安全系統(tǒng)中可以避免大面積的布線，又可以大量布點，并且可以降低成本。 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章介紹物聯(lián)網(wǎng)的起源和發(fā)展、它所具備的核心技術(shù)和重要特點。也正因為物聯(lián)網(wǎng)具有那些特點，使物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展非常迅猛，技術(shù)更是不斷成熟，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè) 。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上的一些優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)家居中存在的一下困難。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)中，給智能家居引入了很多新的概念，并給智能家居的發(fā)展留下了新的空間，同時智能家居系統(tǒng)功能會更加強大，更加完善，使人們的家居生活更加舒適，更加人性化?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計會把智能家居行業(yè)帶到一個嶄新的舞臺，這也會是行業(yè)發(fā)展的一種趨勢和熱點。 最后介紹基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居的安全系統(tǒng)，安全問題應(yīng)該是智能家居系統(tǒng)最重要、最優(yōu)先考慮的一個問題，因為所有的家居生活要順利開展，必須的保重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 證家居生活的安全。只有不存在安全隱患的情 況下，所有的功能才有實現(xiàn)的意義，所以本設(shè)計重點研究智能家居系統(tǒng)的安全性能。 第 三 章 課題的硬件描述 第一節(jié) 設(shè)計總框圖 本設(shè)計通過組建一個 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對家居環(huán)境進行實時監(jiān)測。該 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)包括一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一個終端設(shè)備，這兩個節(jié)點都是用TI 公司的 CC2530 芯片搭建的開發(fā)板構(gòu)成的，這兩個開發(fā)板是一樣的，只是在使用的時候，通過燒錄不同的程序代碼，使它們實現(xiàn)不同的功能 本文采用的 ZigBee 技術(shù)有個優(yōu)點是低功耗，這里只需要兩節(jié) 5 號電池就可以支持長達 6 個月到 2 年左右的使用時間 [9]。所以不需要設(shè)計專門的電源模塊供電，那樣在使用過程中也是十分的不方便，除了用電池供電外，還有一種方法，就是用太陽能電池對節(jié)點供電，在這里就不介紹太陽能電池供電的情況了。 圖 設(shè)計總框圖 第二節(jié) CC2530 芯片及最其小系統(tǒng)介紹 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 一、 CC2530 芯片簡介 CC2530 是用于 的 IEEE 、 ZigBee 和 RF4CE 應(yīng)用的 一個真正的片上系統(tǒng)（ SoC）解決方案。它能夠以非常低的總得材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的 RF