基于ZigBee网络的家居环境监测系统设计和节点定位研究

摘要

随着科技的进步和人们生活质量的提高，智能家居的需求越来越多，尤其是无线传感网络的飞速发展，该项技术目前是世界新兴科技发展的主流方向之一，其融合了多种先进技术，具有重要的商业价值和科研价值，例如在物联网、农业生态环境监测、工业环境监控、医疗护理等领域均有广泛的应用，直接促进了智能家居的深入发展，在无线传感器网络中通常采用ZigBee技术实现无线通信，因为其具有低成本、低功耗、自组网、建网可靠性等特性。同时采用ZigBee技术的智能家居系统摆脱了传统家居布线繁杂、工作量大、成本高、维护困难、不易组网等缺点，所以是作为智能家居应用技术的首选技术。
　　本文设计了基于ZigBee网络的环境监测系统设计，包括传感器数据的采集和多个LED灯的精准任意控制。本文中ZigBee无线传感器网络包括协调器和终端节点两种设备，传感器主要与ZigBee终端节点相连，用来采集室内温湿度信息、烟雾信息和光照信息，这些信息通过ZigBee无线传感器网络传送到协调器上，WiFi串口服务器通过RS232转TTL接口与协调器相连，WiFi串口服务器发出WiFi信号，这样协调器收集的传感器数据就可以通过移动端（手机/PAD）来接收和在软件界面上显示了，反过来也可以通过此设计，在移动端软件界面上精确控制各个ZigBee终端节点LED灯。实现整个网络的双向流通。该系统基本能满足设计要求。
　　由于本文除重点介绍了智能家居、ZigBee关键技术相关内容外，还对无线传感器网络节点定位算法进行了探索和研究。介绍了几种常用的定位算法，提出了一种较传统RSSI值定位算法精确度和稳定度更高的算法，即基于贝叶斯概率统计模型的改进RSSI节点的定位算法。此算法首先利用贝叶斯概率模型筛选出部分RSSI值，之后通过三角形质心算法求解出未知节点坐标，最后对得到的坐标值进行多次迭代求精运算，达到位置坐标坐标最优解，从而得到最终坐标。由仿真结果可看出，该算法较传统的RSSI定位算法在精度和稳定性上有较大改善。且在锚节点比例较低时，该算法表现依然很好。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 智能家居概述

1．3 智能家居的国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 智能家居的发展趋势

1．5 本文主要研究内容和安排

第二章 ZigBee技术概述

2．1 组网技术选择

2．1．1 几种无线通信技术概述

2．1．2 几种无线通信技术的比较

2．1．3 ZigBee用于家居组网的可行性分析

2．2 ZigBee无线通信技术概述

2．2．1 ZigBee技术的网络结构

2．2．2 ZigBee网络协议栈体系结构

2．2．3 ZigBee拓扑结构分析

2．2．4 ZigBee技术的特点及应用领域

2．3 本章小结

第三章 系统硬件选择和设计

3．1 设计原则

3．2 系统总体架构

3．3 系统硬件选型和设计

3．3．1 系统硬件总体设计方案

3．3．2 ZigBee网络芯片选择

3．3．3 ZigBee硬件开发平台介绍

3．3．4 硬件各个模块介绍

3．4 本章小结

第四章 系统软件程序的设计与实现

4．1 开发环境介绍

4．2 Z-Staok协议栈总体设计流程

4．2．1 Z-Stack协议栈

4．2．2 OSAL操作系统

4．3 终端节点软件设计

4．4 终端节点环境检测数据采集程序设计

4．4．1 温湿度采集程序设计

4．4．2 光照检测程序设计

4．4．3 烟雾探测程序设计

4．5 协调器程序流程设计

4．6 增加通讯距离方法

4．7 本章小结

第五章 节点定位算法的研究

5．1 基于测距的定位算法

5．1．1 基于AOA的APS算法

5．1．2 基于TDOA的AHLos算法

5．1．3 基于RSSI的RADAR算法

5．2 基于非测距的定位算法

5．2．1 DV-Hop算法

5．2．2 质心算法

5．3 基于贝叶斯概率统计模型的改进RSSI节点定位算法

5．3．1 RSSI的测距模型

5．3．2 算法的改进

5．3．3 坐标计算

5．3．4 坐标精确化

5．3．5 算法的流程

5．3．6 算法仿真分析

5．4 本章小结

第六章 系统测试

6．1 系统测试平台搭建

6．2 系统测试平台测试结果PC端显示

6．3 系统测试平台测试结果移动端显示

6．4 终端节点控制协议设置

6．5 本章小结

总结与展望

参考文献

声明

致谢