硕士机械工程论文范文篇一
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着高新科技的不断发展和人们物质生活水平的不断提高，人们越来越渴望生活在一个舒适，便捷，安全，可控的家居环境中。在社会信息化和人们迫切需求的推动下，智能家居的概念应运而生[1]。智能家居让用户能够采用更便捷、安全的途径来管理家庭设备[2]。智能家居系统内的各种设备相互之间可以通讯，在无人指挥的情况下也可以根据用户设置好的模式来正常运行，用户亦可以利用其他终端对系统进行远程监控，从而在最大程度上给用户提供高效、便利、舒适、安全的家居环境[3]。家居环境信息管理系统作为智能家居系统的重要组成部分，无疑是基本的技术手段和基础的信息节点。所以，它的不断发展对整个智能家居系统乃至整个物联网的发展都有着至关重要的作用[4]。家居智能化构想的起源很早，但是真正智能家居系统的实现起源于 1985 年，美国在哈福特市建成了首栋智能型大楼，其基本理念就是利用计算机系统的处理能力，来实现对大楼的空调、门禁、电梯、照明设备等进行智能的监测和控制，将以前的人工控制模式全部改为自动化控制模式，这是世界上第一栋智能型建筑，虽然其目的是实现办公智能化，却也是智能家居系统迈入了实用阶段的一块奠基石[5]。从第一个智能家居应用实例的出现，欧美等国家相继提出了多种智能家居的解决方案。美英等国家的智能家居系统已经开始应用到公众的生活中去了[6]。
家居环境信息管理系统是智能家居系统中的重要组成部分，在网络结构与实现的技术手段上与智能家居系统相协调，但其更侧重于对信息传输的研究、更关注如何通过家居环境来控制家居设备达到将家居环境调整到最佳状态的目的。智能家居系统的体系结构大体分为内网、网关和外网三大模块[7]，内网是家庭局域网，负责连接包括各种家用电器在内的病人被控设备和各种传感设备，实现最基本的自动控制功能，这部分网络因其终端设备数量庞大种类繁多，所以是设计内容比较繁杂的一个部分，各类传感器技术对整个系统的实现起到至关重要的作用。家庭网关主要实现家庭内网和外网的互连功能，从而实现内外网信息的交换。外网主要实现远距离信息传输的目的，一般采用比较成熟的通信方式，如移动通信技术，Internet 等，有上述阐述可知，本论文的研究重点是家庭通信内网，主要是实现家庭内部局域网的组建、家庭环境参数数据的采集、家电设备的自动化及可视化控制。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
随着智能家居概念的提出和第一栋智能化建筑的实现，欧美各国家相继推出了各种智能家居解决方案。现今，美国、日本、英国等国的智能家居系统都开始渐渐渗透到人们的日常生活中去了。虽然智能家居仅是一个新兴的概念，只处于刚刚起步的阶段，但是由于其市场前景得到业内人士的一致认同，直接导致了相关行业的大公司迫不及待地想要抢占这个领域的先机。这其中包括有 Intel，3Com，IBM，Cisco 等巨头企业，他们都陆续成立了相关的智能家居子公司。美国硅谷也已经开始着手将网络信息服务技术充分融入到智能家居系统的发展过程中。世界著名风险资本公司和各大电子公司都开始进行密切合作，不惜斥巨资来支持智能家居的设计和研发。除此之外，许多刚刚在信息行业初露头角的小规模公司也将对智能家居领域的研究放在了一个至关重要的位置，以其用创新和速度来争得该领域的一席之地[8]。
1.2.2 国内的研究现状
国内对智能家居的研究起步较晚，从 2000 年末才开始进行研究和开发智能家居的相关技术，由于有其他国家的先例和经验，以及中国政府和国内企业的重视，经过十多年的研究和发展也正逐步走向成熟。随着数字化时代的到来和科技的不断发展，中国在智能家居领域也有了迅猛发展并开始渐渐渗透到人们的日常生活中了。但是不得不提及的是，国内智能家居领域的发展，整体上水平参差不齐，软件功能少，升级能力差，系统不易维护，大多采用有线通信技术，系统设计、布线成本较高，基于无线通信技术的智能家居控制系统还处于实验阶段，国内的智能家居控制系统产品很多，但是他们采用却是各不相同、互补兼容的标准，且没有一个能占领国内市场 10%的智能家居控制系统产品。所以当今中国智能家居的当务之急是推进标准化进程。
第二章 ZigBee 无线组网技术
2.1 ZigBee 技术概述
ZigBee 协议是一种基于 OSI 协议开发的无线短距离通信分层协议[9],该技术是一种低复杂度、短距离、采用动态路由、低数据速率、低功耗、自组网、低成本的无线网络技术或双向无线通信技术，是一组基于 IEEE802.15.4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。本节将详细介绍 ZigBee 技术的各类技术参数[10]。
2.1.1 工作频段和数据速率
IEEE 802.15.4 标准工作在工业科学医疗频段，它定义了两种不同的物理层，即 2.4GHz频段和 868/915MHz 频段物理层[11]，两种物理层都基于直接序列扩频，使用相同的物理层数据包格式，区别在于传输速率、扩频码片长度、调制技术和工作频率。免许可证的 2.4GHzISM 频段全世界普遍使用，而 868MHz 和 915MHz 的 ISM 频段仅仅只在北美和欧洲被授权使用。在 IEEE802.15.4 中，总共分配了 27 个具有三种速率的信道，在 2.4GHz 频段有 16个速率为 250Kbit/s 的信道，在 915MHz 频段有 10 个速率为 40Kbit/s 的信道，在 868MHz频段有 1 个速率为 20Kbit/s 的信道。2.4GHz 的物理层通过采用高阶调制技术，从而能够获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而能够具有更低的功耗和更长的生存周期[10]。2.4GHz 频段信号有效的通信距离比较短、对接收机的灵敏度要求较高、覆盖给定的区域时需要使用更多的设备，这主要是因为与 868MHz 和 915MHz 这两个频段相比，2.4GHz 频率较高所致[10]。本论文中采用的就是通用的 2.4GHz 频段。
第三章 家居环境多终端监控系统设计 ....16
3.1 系统总体设计方案 ......16
3.1.1 系统需求分析和功能概括 ......16
3.1.2 系统硬件组成 ........16
3.2 ZigBee 无线通信模块设计......18
3.2.1 ZigBee RF 模块电路设计.........18
3.2.2 ZigBee 外围电路设计.........24
3.3 传感节点和控制节点设计 .....27
3.4 本章小结 .........28
第四章 家居环境信息管理系统设计 ........29
4.1 软件开发环境 ........29
4.2 ZigBee2007 简要介绍........30
4.3 Z-Stack2007 的系统实现机制.......31
4.4 寻址实现 .........34
4.5 各 ZigBee 节点的具体实现....36
4.5.1 协调器节点部分程序设计 ......36
4.5.2 终端节点部分程序设计 ....37
4.6 上位机界面设计 .........41
4.7 空调子系统简介 ....42
4.8 本章小结 ....44
第五章 系统性能测试........45
5.1 测试环境与条件 .........45
5.2 通信测试 .........45
5.3 整体网络测试 .......46
结论
本论文以 ZigBee 短距离无线通信技术为核心，以传感器为实现手段，结合 PC 控制技术，研究并设计了基于 ZigBee 技术的家居环境信息管理系统。在参考了大量的研究资料的基础上，围绕家居环境信息管理系统的研究设计展开，本论文的主要工作和成果有如下几点：
(1) 研究了 ZigBee 技术标准以及 Z-Stack2007 协议框架；
(2) 对系统中的各类节点的硬件进行了分析与设计，主要实现了以 CC2530 为核心的ZigBee 射频通信模块以及外围功能模块，其中外围功能模块包括稳压电路、串口通信电路、电源电路等；
(3) 对系统中的各类节点的软件实现进行了分析与设计，主要实现对各传感节点数据进行读取和处理，根据传感器的数据对家电设备进行控制，使用上位机控制网络各节点；
(4) 对系统性能进行测试；
参考文献
[1] 洪文学，王金甲.健康智能家庭研究现状[J].计算机工程与应用，2007，42:p188~190.
[2] Chen Bo ,Wu Ming guan, Yao Shua , etal. ZigBee technology and Its application on wirelessmeter-reading system[C]. Industrial Informatics, IEEE International Conference,2007:P1257~1260.
[3] 肖天柱.基于无线传感网络的智能家居管理系统设计与实现[D].北京大学.2011.
[4] 龙承志，马玉秋，沈淑群. 基于低速率的短距离无线通信网络新技术-ZigBee[J].数据通信，2005,12(1):p7~8.
[5] 张巍巍. 基于无线传感器网络的智能家庭应用研究[D]西北工业大学.2006.
[6] Kris Piste
