基于Z-Wave控制的低能耗智能家居系統(tǒng)-修改建議

1、項(xiàng)目編號(hào)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申請(qǐng)書（試行）項(xiàng) 目 名 稱： 基于Z-Wave控制的低能耗智能家居系統(tǒng) 申請(qǐng)者姓名： 鄭智穎 李國志 葉進(jìn)發(fā) 指 導(dǎo) 老 師： 石建國 所 屬 學(xué) 院： 電子信息學(xué)院 填 表 日 期： 2015 年 03 月 30 日二0一三年制 計(jì)劃項(xiàng)目名稱基于Z-Wave控制的低能耗智能家居系統(tǒng)理工科( )文科( )計(jì)劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人姓名鄭智穎性別男民族漢學(xué)號(hào)2013010301028專業(yè)電子信息工程身份機(jī)號(hào)系電615427）QQ號(hào)791857764計(jì)劃項(xiàng)目組成員姓名性別學(xué)號(hào)身份證專業(yè)年級(jí)聯(lián)系電話

2、李國志男201301030104144182719941109473213電子信息工程A進(jìn)發(fā)男201301030104044182319950804451713電子信息工程A導(dǎo)教師情況姓名石建國性別男民族漢出生年月1968.10專業(yè)/職稱/職務(wù)副教授手機(jī)號(hào)系電話/傳真無E-mail401831860一、前期基礎(chǔ)（1000字以內(nèi)）（研究成員的知識(shí)條件，研究興趣，相關(guān)經(jīng)歷及開展本項(xiàng)目的基礎(chǔ)） 鄭智穎：大二電子信息工程專業(yè)，參加過電子設(shè)計(jì)大賽，并且都獲得不錯(cuò)的成績，。熟悉數(shù)電，模電，擅長于硬件設(shè)計(jì)，能獨(dú)立設(shè)計(jì)電路畫原理圖P

3、CB圖，熟悉c語言，單片機(jī)等。葉進(jìn)發(fā)： 參加過電子設(shè)計(jì)大賽，在各類電裝實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)中表現(xiàn)突出，專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)，善于思考，能夠熟練地對(duì)51單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)。李國志： 對(duì)電子技術(shù)深感興趣，自學(xué)能力強(qiáng)，能隨機(jī)應(yīng)變，勤奮刻苦，善于思考，熟悉PADS電子設(shè)計(jì)軟件的使用，熟悉c語言，51單片機(jī)。二、計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施思路（3000字以內(nèi)）1研究意義與目的，同類研究工作國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在的問題等意義與目的：自從1984世界第一個(gè)智能家居系統(tǒng)的問世，智能家居就在我們的未來生活中一直更新，在進(jìn)入21世紀(jì)以來，智能家居在系統(tǒng)和功能上有了質(zhì)的飛躍，而Z-wave在智能家居方面占據(jù)了強(qiáng)勢(shì)地位。Z-Wave是一種新興的基于射

4、頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)。隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加，相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，Z-Wave技術(shù)將是最低功耗和最低成本的技術(shù)，有力地推動(dòng)著低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)。Z-Wave技術(shù)在最初設(shè)計(jì)時(shí)，就定位于智能家居無線控制領(lǐng)域。采用小數(shù)據(jù)格式傳輸，40kb/s的傳輸速率足以應(yīng)對(duì)，早期甚至使用9.6kb/s的速率傳輸。與同類的其他無線技術(shù)相比，擁有相對(duì)較低的傳輸頻率、相對(duì)較遠(yuǎn)的傳輸距離和一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。Z-Wave是一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能可靠的無線通信技術(shù)，通過Z-Wave技術(shù)構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)，不僅可以通過本網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遙

5、控，甚至可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行控制。 現(xiàn)狀與問題：目前行業(yè)對(duì)智能家居的研究主要面臨以下兩點(diǎn)問題。 1. 安全性 其中安全性包括了以下幾點(diǎn)： 網(wǎng)絡(luò)安全性 智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)應(yīng)用形式，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)。任何網(wǎng)絡(luò)的安全威脅、漏洞同樣的會(huì)在智能家居中反映出來，甚至可能會(huì)放大。需要加強(qiáng)智能家居的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)。 通信安全穩(wěn)定性 綜合布線安裝復(fù)雜，只適用于新裝修用戶，而且不夠美觀性。無線通信技術(shù)則可以填補(bǔ)這一缺陷。用戶也更偏向使用無線通信的解決方案但是，無線通信的保密性略差，而且智能家居可能有如ZigBee標(biāo)準(zhǔn)、Z-Wave標(biāo)準(zhǔn)、RF標(biāo)準(zhǔn)等多種的無線通信方案，因此無線通信

6、技術(shù)的安全和穩(wěn)定性問題也不容忽視。 控制中心保護(hù) 控制中心是整個(gè)智能家居的核心，可通過手機(jī)、平板等控制終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，一旦控制中心被攻破，攻擊者便可獲得絕大多數(shù)的家居控制權(quán)限，能造成巨大的破壞。 移動(dòng)控制終端保護(hù) 許多智能家居系統(tǒng)支持通過移動(dòng)智能終端（如智能手機(jī)、平板電腦等）遠(yuǎn)程控制家居運(yùn)行。因此，一旦移動(dòng)控制終端出現(xiàn)安全隱患，則后果不堪設(shè)想。KOTI智能家居廠家認(rèn)為需對(duì)移動(dòng)智能終端進(jìn)行安全保護(hù)。主要分為4個(gè)方面：移動(dòng)數(shù)據(jù)安全、移動(dòng)安全接入/終端管理、設(shè)備丟失管理、移動(dòng)設(shè)備安全。 2. 兼容性 目前智能家居行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不同智能家居廠家生產(chǎn)的智能化產(chǎn)品都采用不同協(xié)議規(guī)范、不同接口，因此智能

7、組件基于各種技術(shù)綜合組成的一個(gè)解決方案，兼容性也成為主要難題之一。這不僅要求產(chǎn)品能協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，而且要求智能家居的安全解決方案能兼顧包容這些各異的產(chǎn)品和組成技術(shù)。 2 研究內(nèi)容及工作方案 研究的內(nèi)容：本文根據(jù)基于z-wave控制的智能開關(guān)的研究現(xiàn)狀及相關(guān)應(yīng)用情況進(jìn)行分析總結(jié)，結(jié)合所要實(shí)現(xiàn)的功能，做以下研究: 1深入學(xué)習(xí)z-wave控制的智能開關(guān)功能和實(shí)現(xiàn)原理，了解接入點(diǎn)功能模塊的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì); 2對(duì)z-wave節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括對(duì)實(shí)驗(yàn)的電器元件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、z-wave節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議的編寫; 3. 通過對(duì)Android開發(fā)的學(xué)習(xí)，完成基于Android的z-wave控制的智能開關(guān)的設(shè)計(jì)。 4.

8、 對(duì)完成的接入點(diǎn)模塊以及嵌入式z-wave節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)試分軟件與硬件方面，軟件方面主要是測(cè)試Android系統(tǒng)對(duì)控制界面控件的功能實(shí)現(xiàn)。硬件方面主要包括接入點(diǎn)接入的穩(wěn)定性及掉包率測(cè)試、z-wave節(jié)點(diǎn)接入穩(wěn)定性與掉包率測(cè)試、PWM輸出調(diào)試以及組網(wǎng)測(cè)試，以及z-wave輸出距離與工作頻帶等。路 由 協(xié) 議微 控 制 器工作方案：LED照明2.4G無線射頻收發(fā)器述電源插座Z-Wave控制網(wǎng)絡(luò)其他用電器用戶數(shù)字終端 如上圖所示，基于Z-Wave控制的低能耗智能家居系統(tǒng)主要依靠Z-Wave控制網(wǎng)絡(luò)，微控制器和路由協(xié)議三個(gè)部分作為控制和傳輸?shù)闹行臉屑~。 Z-Wave采用動(dòng)態(tài)路由技術(shù)，每個(gè)Sla

9、ve內(nèi)部都存有一個(gè)路由表，該路由表由Controller寫入。存儲(chǔ)信息為該Slave入網(wǎng)時(shí)，周邊存在的其他Slave的NodeID。這樣每個(gè)Slave都知道周圍有哪些Slaves，而Controller存儲(chǔ)所有Slaves的路由信息。當(dāng)Controller與受控Slave的距離超出最大控制距離時(shí)，Controller會(huì)調(diào)用最后一次正確控制該Slave的路徑發(fā)送命令，如該路徑失敗，則從第一個(gè)Slave開始重新檢索新的路徑。 設(shè)備入網(wǎng)后，用戶通過全功能遙控器及觸摸控制屏都可以直觀的看到家中所有Z-Wave入網(wǎng)電器的開關(guān)狀態(tài)，并且可以方便的對(duì)其進(jìn)行控制。如將觸摸控制屏接入Internet網(wǎng)絡(luò)，則可以

10、利用PDA、PC機(jī)等通過Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制家中的電器。 Z-Wave使用的路由協(xié)議是源路由(Source Routing)，在源頭發(fā)出封包就可以直接在封包內(nèi)指定詳細(xì)路由的路徑。這個(gè)做法大大省去每個(gè)節(jié)點(diǎn)花在路由上的資源。Z-Wave的第三代晶片ZW0301，其中微控制器核心使采用六倍速8051架構(gòu)，搭配32KB的Flash ROM以及256KB的SRAM。耗電流方面，睡眠模式是2.5微安培，接收23毫安培，發(fā)射在0dBm輸出下是36毫安培。不過由于頻帶選定在868/908MHz，這樣的耗電仍稍嫌偏高。3 擬解決主要問題（1） 微控制器，LED驅(qū)動(dòng)芯片,Z-Wave的選取，產(chǎn)品PCB整體

11、布局科學(xué)合理。 要求微控制器低功耗，LED驅(qū)動(dòng)芯片散熱性能好，控制Z-Wave的成本。（2） Z-Wave模塊與微控制器通訊 鑒于該系統(tǒng)中所有設(shè)備均使用了路由技術(shù)，決定先從路由技術(shù)開始研究，研究路由的通訊協(xié)議，以及網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)地址。（3） 全能遙控器設(shè)計(jì) 要求用戶通過全功能遙控器及觸摸控制屏都可以直觀的看到家中所有Z-Wave入網(wǎng)電器的開關(guān)狀態(tài)，并且可以方便的對(duì)其進(jìn)行控制。4 研究支持條件（使用儀器或設(shè)備） 現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室已具備開發(fā)本作品所需的基礎(chǔ)設(shè)備及常用工具，如示波器，萬用表，電源箱，電烙鐵等。 項(xiàng)目本身所需的元器件和開發(fā)裝置擬利用項(xiàng)目資助經(jīng)費(fèi)購買。5預(yù)期研究成果（研究論文、設(shè)計(jì)、專利、產(chǎn)品

12、、鑒定、推廣應(yīng)用等）（1） 研制一套符合功能和性能要求的樣機(jī)系統(tǒng)；（2） 公開發(fā)表論文1篇；（3） 申請(qǐng)實(shí)用新型專利1項(xiàng)；（4） 積極尋求企業(yè)合作。6項(xiàng)目創(chuàng)新之處（原始創(chuàng)新：重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明；集成創(chuàng)新：融合多種相關(guān)技術(shù)，形成新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)；引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新：在引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)、分析、借鑒，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)） （1）、集成創(chuàng)新：本產(chǎn)品融合了單片機(jī)技術(shù)、Z-Wave技術(shù)、LED控制系統(tǒng)，形成一種新的產(chǎn)品。 （2）、引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新：在智能家居的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己需求應(yīng)用Z-Wave技術(shù)對(duì)LED系統(tǒng)進(jìn)行控制，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。 3、本課題的創(chuàng)新主要在低

13、能耗方面，完成了適合于智能家居的低能耗STM嵌入式處理器，設(shè)計(jì)提供了性價(jià)比較高的實(shí)現(xiàn)方案。三、計(jì)劃項(xiàng)目管理（800 字以內(nèi)）1、 計(jì)劃項(xiàng)目人員分工 鄭智穎：負(fù)責(zé)項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)，編寫程序與調(diào)試等； 葉進(jìn)發(fā)：負(fù)責(zé)硬件電路設(shè)計(jì)，繪制PCB板等； 李國志：負(fù)責(zé)購買材料，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，產(chǎn)品的檢測(cè)，申請(qǐng)專利等。 2、 計(jì)劃項(xiàng)目研究時(shí)間安排（查閱資料 、選題、項(xiàng)目研究方案、開題報(bào)告、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理與分析、研制開發(fā)、結(jié)題、撰寫研究論文和總結(jié)報(bào)告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等） 2015年4月至6月：查閱資料，論證方案的可行性； 2015年7月至10月：設(shè)計(jì)硬件電路圖，PCB圖，購買材料，裝配與焊接； 2

14、015年11月至2016年1月：軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試；產(chǎn)品測(cè)試； 2016年2月至3月：整理材料，撰寫報(bào)告，參加答辯，成果推廣。四、計(jì)劃項(xiàng)目條件保障（800字以內(nèi)）1、經(jīng)費(fèi)預(yù)算及使用計(jì)劃（材料費(fèi)、資料費(fèi)、版面費(fèi)、鑒定費(fèi)、專利費(fèi)等） 材料費(fèi)：1000元（定制PCB控制板，芯片，模塊及元器件的購買） 資料費(fèi)：300元（購買書籍及必要的電子版資料） 專利費(fèi)：1000元（申請(qǐng)實(shí)用新型專利費(fèi)用）版面費(fèi)：1000元（發(fā)表論文） 合計(jì)：3300元2、 資源保障（實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、科研實(shí)驗(yàn)室、研究所、科教實(shí)踐基地、儀器設(shè)備、文獻(xiàn)資料等） 儀器設(shè)備：實(shí)驗(yàn)室具備示波器，電源箱，萬能表，電烙鐵等工具。 參考文獻(xiàn)：1周 洪

15、 ，胡 文 山 ，張 立 明 ，盧 亦 焱 .智能家居控制系統(tǒng)M.中國電力出版社,2006.01. 2李曉卉.智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由J.北京電子工業(yè)出版社，2014. 3李明亮等.基于ARM11的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M.北京航空航天大學(xué)出版社，2013. 4周洪等.智能家居控制系統(tǒng)M.中國電力出版社，2006. 5溫江濤,張煜編.物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺(tái)DIY：Arduino+物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)+手機(jī)+微信J.北京科學(xué)出版社.2014.五、指導(dǎo)教師意見（600字以內(nèi)）1、項(xiàng)目研究的選題意義Z-Wave技術(shù)近兩年在思科、微軟等公司的支持下取得很大進(jìn)展。本課題的開展有利于推動(dòng)Z-Wave在智能家居領(lǐng)域的普及

16、應(yīng)用，也能很好地鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。2、項(xiàng)目研究方案的科學(xué)性方案以單片機(jī)為核心，并綜合了Z-Wave無線技術(shù)、LED驅(qū)動(dòng)控制等技術(shù)，通過軟件實(shí)現(xiàn)通信及多種設(shè)備的控制，具有技術(shù)先進(jìn)、性價(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。3、項(xiàng)目研究方案的可行性項(xiàng)目組對(duì)Z-Wave已有較多了解，并且具有較好的電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力，相信在團(tuán)隊(duì)的共同努力下能夠按計(jì)劃如期完成項(xiàng)目。 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日六、所屬學(xué)院意見分管領(lǐng)導(dǎo)（簽字） （公章）年 月 日附件1 創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申請(qǐng)書填 寫 須 知在填寫申請(qǐng)書前，請(qǐng)申請(qǐng)者先認(rèn)真閱讀電子科技大學(xué)中山學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目實(shí)施方案中的有關(guān)規(guī)定。一、申請(qǐng)者應(yīng)實(shí)事求是、認(rèn)真負(fù)責(zé)地填寫申請(qǐng)書中各項(xiàng)內(nèi)容，不得弄虛作假，在語言表達(dá)上要做到準(zhǔn)確、嚴(yán)謹(jǐn)。二、創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申請(qǐng)書請(qǐng)按順序逐項(xiàng)填寫，填寫內(nèi)容必須實(shí)事