基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

- - I 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 智能家居系統(tǒng)是利用計算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各種家用設(shè)施(如照 明、安防、家電等)通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起，從而為人們提供更為便利舒 適的生活。 傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)一般是通過有線線路布線和進(jìn)行各種控制和通信的，人們難以脫 離各種線纜的羈絆，而且系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能也很差?，F(xiàn)代近距無線通信技術(shù)的發(fā)展， 使得人們能夠沖破這種束縛，營造更舒適的家居生活。家居網(wǎng)絡(luò)可以大致分為數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)兩大部分，本文主要針對智能家居系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究， 并進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計。 本文主要按照以下幾部分展開論述: 首先分析了智能家居系統(tǒng)的一般構(gòu)成以及控制系統(tǒng)在智能家居的地位，并通過傳 統(tǒng)智能家居的特點進(jìn)行分析，指出了目前市場上的智能家居系統(tǒng)的局限性，提出了基 于短距無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)是將來的發(fā)展趨勢。接著對智能家居控制的系統(tǒng) 構(gòu)架以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，指出基于 IEEE802.15.4 的 zigbee 技術(shù)是目 前最適合無線家居控制系統(tǒng)的無線標(biāo)準(zhǔn)，并對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入研究。然后從系統(tǒng)和 應(yīng)用的角度來研究智能家居控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一個基于近距無線技術(shù)的智能家居控制 演示系統(tǒng)，包括主控制器與傳感器、攝像頭監(jiān)控、開關(guān)控制等功能節(jié)點的設(shè)計。 關(guān)鍵詞：家居控制網(wǎng)， Zigbee，物聯(lián)網(wǎng) Things Based System Design of Smart Home ABSTRACT Intelligent household system is using a computer, the embedded system and communication network technology, will all sorts of household facilities (such as lighting, security, home appliance, etc) through the family network connectivity to together, thus provide people with more convenient comfortable life. The traditional intelligent household system is generally through the cable line wiring and various control and communication, people is hard to escape the fetters of various cable, and system extensible performance is also very poor. Modern sidewall of wireless communication technology development makes the people can get the chains, build the household life more comfortable. Household networks can be roughly divided into data networks and control network of two parts, this article mainly aims at intelligent household system control network relevant technology and system design. This paper mainly according to the following several aspects to discuss. This paper firstly analyzes the general intelligent household system composition and control system in intelligent household position, and through the traditional intelligent household characteristics, the paper suggests that the current market the limitations of the intelligent household system, puts forward the short-range wireless network based on the modern intelligent household system is the future trend of development. Then the intelligent household control system architecture and related key technology are analyzed and compared, points out that the IEEE8O2. Based on zigbee technology 15.4 is the most suitable for wireless home control systems wireless standards, and the standards were studied. Then from the Angle of system and application research intelligent household control network, design of a close wireless technology based on the intelligent household control demonstration system, including the main controller and sensor, surveillance camera, switch control design of functional nodes. Keywords: home control nets, Zigbee, Content networking - - III 目 錄 摘要 .I ABSTRACT.II 1 緒論.1 1.1 智能家居的發(fā)展及應(yīng)用前景.1 1.2 課題的目的和意義.2 1.3 系統(tǒng)軟件要求及通訊技術(shù).2 1.4 方案論證及系統(tǒng)實現(xiàn)的功能目標(biāo).5 2 Zigbee 技術(shù)6 2.1 Zigbee 聯(lián)盟.6 2.2 Zigbee 的技術(shù)參數(shù).6 2.3 Zigbee 協(xié)議棧.7 2.4 Zigbee 的技術(shù)特點及其優(yōu)勢及工程應(yīng)用：.8 2.5 Zigbee 與藍(lán)牙技術(shù)比較.9 2.6 Zigbee 的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景.10 3 基于 Zigbee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)架11 3.1 基于 ZigBee 技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 11 3.2 家庭網(wǎng)關(guān)11 3.3 傳感器節(jié)點13 3.4 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成.14 3.4.1 設(shè)備分類及功能.14 3.4.2 地址分配模式15 3.5 Zigbee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).15 3.5.1 星型網(wǎng)絡(luò)15 3.5.2 樹形網(wǎng)絡(luò)16 3.5.3 網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)16 3.5.4 智能家居的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇17 4 智能家居中的硬件設(shè)計.18 4.1 底層硬件模塊及 Zigbee 硬件的實現(xiàn).18 4.1.1 底層硬件模塊18 4.1.2 中間協(xié)議層18 4.2 Zigbee 硬件的實現(xiàn)19 5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計及運行結(jié)果.21 5.1 Z-STACK平臺軟件結(jié)構(gòu)及開發(fā)環(huán)境21 5.1.1 Z-Stack 平臺軟件結(jié)構(gòu)21 5.1.2 開發(fā)環(huán)境21 5.2 軟件結(jié)構(gòu)及接口定義.24 5.2.1 軟件結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)24 5.2.2 接口定義24 5.3 主節(jié)點的軟件流程.24 5.4 終端節(jié)點軟件設(shè)計.27 5.4.1 終端節(jié)點的功能及要求27 5.4.2 終端節(jié)點的工作流程27 5.4.3 終端節(jié)點的節(jié)能機(jī)制27 5.4.4 系統(tǒng)運行結(jié)果及評價27 6 家居四表抄送系統(tǒng)的典型應(yīng)用.30 6.1 家居四表抄送系統(tǒng)方案.30 6.2 四表抄送系統(tǒng)家居智能節(jié)點.31 6.2.1 四表抄送系統(tǒng)家居智能節(jié)點32 6.2.2 無線抄電表模塊33 6.2.3 模塊中 Zigbee 節(jié)點信息處理描述34 7 結(jié)束語.35 參考文獻(xiàn).36 致謝.37 附錄.38 附錄 .39 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計1 1 緒論 1.1 智能家居的發(fā)展及應(yīng)用前景 近幾年，在各大公司和媒體的強(qiáng)大概念宣傳攻勢下，智能家居行業(yè)逐漸形成，可 用的、接近現(xiàn)實需求的產(chǎn)品不斷增加，集成商、開發(fā)商以及裝修公司已經(jīng)積累了很多 經(jīng)驗。如何建立一個高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)已成為當(dāng)前社會一個熱點問題。 而國家政府機(jī)構(gòu)及各大信息家電生產(chǎn)廠商不失時機(jī)地開展了中國智能家庭網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn) 化制定工作，為中國智能家居的發(fā)展提供了一個開放的標(biāo)準(zhǔn)化平臺，指明了智能家居 研究領(lǐng)域正確的發(fā)展方向。 但是，此行業(yè)仍存在幾個問題。首先，定位偏高，目前智能家居的用戶是中上檔 次的人群，而這類人群畢竟是少數(shù)，因此降低定位，讓智能家居進(jìn)入尋常百姓家，可 擴(kuò)大市場范圍；其次，切實分析用戶需求，否則就只是房地產(chǎn)開發(fā)商售樓時一個宣傳 賣點。 智能家居系統(tǒng)可以理解為利用電腦、網(wǎng)絡(luò)和綜合布線技術(shù)，通過家庭信息管理平 臺將與家居生活有關(guān)的各種通訊設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置經(jīng)由家庭總線技術(shù)連 接到一個家庭智能化系統(tǒng)上，從而形成一個有機(jī)的整體（數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)） ，進(jìn)行集 中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧 與協(xié)調(diào)。而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成了智能家居系統(tǒng)一個新選擇。無線網(wǎng)絡(luò)一般家 庭網(wǎng)絡(luò)通訊有以下幾個特點：1、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小,因而無需太大的傳輸速度；2、 信息的實時性要好，時延要短，尤其在安防信息上；3、網(wǎng)絡(luò)的容量要大，因家庭中各 種設(shè)備、電器很多；4、無論采用何種方式建立家庭網(wǎng)絡(luò)，都必須保證數(shù)據(jù)傳送過程中 的安全性和可靠性，不易被人竊取和破壞。在智能家居系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于 家庭網(wǎng)絡(luò)已成為勢不可擋的趨勢，這不僅僅因為無線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流 動性，省去了花在綜合布線上的費用和精力，而且更符合家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點，同時 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也必將大大促進(jìn)家庭智能化、網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程。 目前，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要可分為射頻（RF）技術(shù)、紅外線技術(shù)、IEEE802.11b 和 IEEE802.11a 協(xié)議技術(shù)、Home RF 協(xié)議、ZigBee 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)。其中射頻(RF)技術(shù) 已很成熟，它的成本低廉，穿透性較好，但抗干擾能力差，安全性差，最致命的缺陷 是它沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各公司的通信協(xié)議都不一樣；紅外技術(shù)也比較成熟，但必須直 線視距連接，限制太大，并不適合我們通常意義上的家庭網(wǎng)絡(luò)；IEEE802.11 是 IEEE 最初制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)，由于它在速率和 傳輸距離上都不能滿足人們的需要，IEEE 小組又相繼推出了 IEEE802.11b 和 IEEE802.11a 兩個新標(biāo)準(zhǔn)，但無論是 IEEE802.11b 還是 IEEE802.11a 都是一種高速率傳 輸協(xié)議，用在家居系統(tǒng)上有些大材小用，而且價格昂貴，它更適于辦公室的無線網(wǎng)絡(luò)； 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）2 HomeRF 無線標(biāo)準(zhǔn)是由 HomeRF 工作組開發(fā)的，旨在使計算機(jī)與其他電子設(shè)備之間實 現(xiàn)無線通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由于 Home RF 網(wǎng)絡(luò)沒有密碼因而它的安全性較差，且 它的抗干擾能力很差；而 ZigBee 技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)都屬于 IEEE802.15 協(xié)議，在一定的 范圍內(nèi)有重疊，但其各自的技術(shù)特點決定了其應(yīng)用的側(cè)重點仍有很大的不同。ZigBee 作為一種低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的技術(shù)，更適合于家庭自動化、安全保障系統(tǒng) 及進(jìn)行低數(shù)據(jù)率傳輸?shù)牡统杀驹O(shè)備之間，而藍(lán)牙更適合于語音業(yè)務(wù)及需要更高數(shù)據(jù)量 的業(yè)務(wù)，如移動電話、耳機(jī)等。 1.2 課題的目的和意義 現(xiàn)代社會，商品經(jīng)濟(jì)競爭日益激烈，工作節(jié)奏不斷加快。對于全身心投入競爭的 人們，家務(wù)工作方面必然力不從心，家務(wù)管理因此就顯得尤為重要。智能家居控制器 可以提供智能控制方案，使家庭主人在處理家務(wù)方面，即快捷又省力。還提供舒適健 康的環(huán)境，可以監(jiān)視室內(nèi)的溫度、濕度，進(jìn)而控制空調(diào)機(jī)的運行，達(dá)到人工模擬大自 然的氣息。使人們將來足不出戶就能體驗和享受到身臨大自然的美好境地。加大了處 理緊急情況的力度、增強(qiáng)了住戶無人在家時的安全感，使人們能夠全身心地投入工作， 從而提高生活質(zhì)量。住宅智能化控制的開發(fā)與建設(shè)是 21 世紀(jì)發(fā)展的必然趨勢。由于信 息技術(shù)的大力普及和應(yīng)用，極大推動住宅小區(qū)智能化建設(shè)的進(jìn)程，更為住宅小區(qū)智能 化提供了可靠的技術(shù)保障，實施起來更加容易和簡捷。智能信息家電及智能家居系統(tǒng) 具有安網(wǎng)作為主干網(wǎng)，實現(xiàn)交互式數(shù)字視頻業(yè)務(wù)。 系統(tǒng)硬件要求 1 小區(qū)物業(yè)管理智能化系統(tǒng)的硬件有信息網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)、公用設(shè)備、計量儀表和 電子器材等。系統(tǒng)硬件應(yīng)具有先進(jìn)性，避免短期內(nèi)因技術(shù)陳舊造成整個系統(tǒng)性能不高 和過早淘汰。 2 在充分考慮先進(jìn)性的同時，硬件系統(tǒng)應(yīng)立足于用戶對整個系統(tǒng)的具體需求。應(yīng) 優(yōu)先選擇先進(jìn)、適用、技術(shù)成熟，最大限度地發(fā)揮投資效益。 3 無論是系統(tǒng)設(shè)備還是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都應(yīng)具有良好的開放性。網(wǎng)絡(luò)化的目的是 實現(xiàn)設(shè)備資源和信息資源的共享。因此，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)本身應(yīng)具有開放性，并應(yīng)提供標(biāo) 準(zhǔn)接口。用戶可根據(jù)需求，對系統(tǒng)進(jìn)行拓展或升級。 4 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)選擇和相關(guān)產(chǎn)品的選擇要以先進(jìn)性和適用性為基礎(chǔ)，同時考慮兼容 性.系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選擇根據(jù)己有國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，避免因兼容性差 造成系統(tǒng)難以升級或拓展。 5 隨著社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步，住宅小區(qū)物業(yè)管理智能化系統(tǒng)的規(guī)模、自動化程 度會不斷擴(kuò)大和提高，用戶的需求會不斷變化。因此，系統(tǒng)的硬件應(yīng)充分考慮未來可 升級性。 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計3 1.3 系統(tǒng)軟件要求及通訊技術(shù) （1）系統(tǒng)軟件要求 系統(tǒng)軟件是小區(qū)物業(yè)管理智能化系統(tǒng)的核心，它的功能好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng) 的水平。系統(tǒng)軟件包括:計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及實時監(jiān)控軟件等。 1 系統(tǒng)軟件應(yīng)具有很高的可靠性和安全性。 2 系統(tǒng)軟件操作方便，采用中文圖形界面，采用多媒體技術(shù)，使系統(tǒng)具有處理聲 音及圖像的能力。用戶操作界面要適應(yīng)不同層次住戶及物業(yè)公司人員的素質(zhì)。 3 系統(tǒng)軟件應(yīng)符合國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國際標(biāo)準(zhǔn)，便于多次升級和支持新硬件產(chǎn) 品。 4 系統(tǒng)軟件應(yīng)具有功能上的可擴(kuò)充性。使用的元件的耐壓要求比較高，在安全問 題上有一定的隱患。目前國際上采用電力線作為聯(lián)網(wǎng)介質(zhì)推出的解決方案有- xOI，CEBUS 等。 （2）智能家居系統(tǒng)的通訊技術(shù) 家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊主要是以物理媒體層的實際電磁信號為主要傳輸載體，所以物理 媒體層傳輸介質(zhì)是整個家居網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因而家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊媒體的選用是很重 要的。目前，家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊媒體主要有以太網(wǎng)(雙絞線)、電話線、電力線、無線射頻、 紅外線、電纜和光纖等幾種，但當(dāng)前主要以雙絞線、電話線和電力線為主，家庭無線 網(wǎng)絡(luò)主要采用紅外、無線方式等，將以其靈活方便和可移動計算的特點而成為未來發(fā) 展的方向。 根據(jù)接入設(shè)備的類型及實際需要，家庭局域網(wǎng)可以用有線或無線方式實現(xiàn)，也可 以用混合型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。以下我們分別對這幾種方案進(jìn)行比較: 有線通訊技術(shù) 有線通訊方式主要利用家庭中的電話線、有線電視線、交流電力線等己經(jīng)存在的 配線進(jìn)行通訊。 (1)電話線網(wǎng)絡(luò) 計算機(jī)廠商與消費電子廠商成立了一個名為 HomePNA(家庭電話線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟)的組 織來推廣利用電話線建立家庭網(wǎng)絡(luò)。它是通過在電話線加載高頻載波信號來實現(xiàn)信息 的傳遞，可以同時滿足電話業(yè)務(wù)、家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，互相不干擾?？梢赃_(dá)到 1Mbit/s 的傳輸速率。該方案采用 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，支持即 S 機(jī)制，HomePNA 在撇 C 層制訂了八種 優(yōu)先級，改進(jìn)了沖突解決技術(shù)，保證音頻類實時數(shù)據(jù)延遲控制在 10 一 2h(as。電話線 網(wǎng)絡(luò)利用住宅內(nèi)現(xiàn)有電話線路的家庭網(wǎng)絡(luò)具有較好的發(fā)展前景，因為電話應(yīng)用已經(jīng)普 及，施工和安裝比較方便，通過頻分多角技術(shù)可以使一根電話線利用不同頻率同時傳 輸數(shù)據(jù)、Inertnet 信息和聲音。相對其它技術(shù)而言，基于電話線路的連網(wǎng)產(chǎn)品價格較低， 數(shù)據(jù)傳輸不容易受到干擾。利用電話按鍵可實現(xiàn)簡單、方便、廉價的遠(yuǎn)程控制。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）4 (2)電力線網(wǎng)絡(luò) 采用電力線作為傳輸介質(zhì)一般使用窄帶通訊方式和擴(kuò)頻通訊方式，在家庭網(wǎng)絡(luò)中 適合采用擴(kuò)頻通訊方式。使用電力線的最大優(yōu)點在于不用改動家庭布線，利用現(xiàn)有的 插座就可以實現(xiàn)家用電器的方便聯(lián)網(wǎng)，因此施工和安裝更為方便。但對于家庭中所使 用的手持移動設(shè)備來說無法采用電力線連入家庭網(wǎng)絡(luò)。它的缺點在于傳輸速率只有 300Kbps，躁聲和干擾比較大，不能滿足數(shù)字視頻和音頻信號的傳輸，保密性較差，而 且沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。此外由于信號與家用電器在同一對線上傳輸，對所全、方便、高 效、快捷、智能化、個性化的獨特魅力，它對于改善現(xiàn)代人類的生活質(zhì)量，創(chuàng)造舒適、 安全、便利的生活空間有著非常重要的意義。 國家智能家居建設(shè)綱要對于智能家居系統(tǒng)的要求 國家智能家居建設(shè)綱要對于智能家居系統(tǒng)的要求如下: 系統(tǒng)的功能要求 住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)示范工程功能要求，按不同標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)分別做到以下功能: 一星級 1 安全防范子系統(tǒng) (l)出入口管理及周界防越報替 (2)閉路電視監(jiān)控 (3)對講與防盜門控 (4)住戶報警 (5)巡更管理 2 信息管理子系統(tǒng) (1)對安全防范系統(tǒng)實行監(jiān)控 (2)遠(yuǎn)程抄收與管理或 Ic 卡 (3)車輛出入與停車管理 (4)供電設(shè)備、公共照明、電梯、供水等主要設(shè)備監(jiān)控管理 (5)緊急廣播與背景音樂系統(tǒng) (6)物業(yè)管理計算機(jī)系統(tǒng)幾， 3 信息網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) (1)為實現(xiàn)上述功能科學(xué)合理布線 (2)每戶不少于兩對電話線和兩個有線電視插座 (3)建立有線電視網(wǎng) 二星級 二星級除應(yīng)具備一星級的全部功能之外，同時在安全防范子系統(tǒng)和信息管理子系 統(tǒng)的建設(shè)方面，其功能及技術(shù)水平應(yīng)有較大提升。信息傳輸通道應(yīng)采用高速寬帶數(shù)據(jù) 網(wǎng)作為主干網(wǎng)。物業(yè)管理計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)配置局部網(wǎng)絡(luò)，并可供住戶聯(lián)網(wǎng)使用。 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計5 三星級 三星級應(yīng)具備二星級的全部功能。其中信息傳輸通道應(yīng)采用寬帶光纖用戶接入題。 有線和無線技術(shù)，既是相互競爭的也是相互補(bǔ)充的，既有各自的優(yōu)點也有各自的缺點， 目前是多種技術(shù)的混合和共存的局面。但隨著無線技術(shù)的發(fā)展成熟，無線技術(shù)必將取 代優(yōu)先技術(shù)，成為最終的發(fā)展趨勢。 1.4 方案論證及系統(tǒng)實現(xiàn)的功能目標(biāo) （1）遠(yuǎn)程家居智能管理系統(tǒng)設(shè)計原則 優(yōu)秀的家庭自動化產(chǎn)品應(yīng)該具有以下設(shè)計原則: 標(biāo)準(zhǔn)化:家庭自動化產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)依照國際上流行的相關(guān)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計，充分保證各廠 家產(chǎn)品間的兼容性和相互操作能力。 開放性:目前，在智能住宅、家庭自動化、家電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域尚處于一家一戶自行開發(fā) 的局面，而實際上用戶不可能全部使用同一廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，這將極大阻礙互聯(lián)互通 和長遠(yuǎn)發(fā)展。因此，家庭自動化系統(tǒng)應(yīng)該具有開放的協(xié)議、統(tǒng)一的接口。 模塊化:采用模塊化的設(shè)計可以適應(yīng)各種場合的需要，保障用戶的利益并允許系統(tǒng) 的逐步到位。模塊之間遵循一定的協(xié)議，可以相互通訊和協(xié)調(diào)。 實用性:人們購買家庭自動化產(chǎn)品是為了享有更加便利舒適的生活，絕非追逐潮流 的概念。 普及化:家庭自動化系統(tǒng)應(yīng)該面向低成本、高性能的目標(biāo)設(shè)計，住戶對價格較為敏 感，所以智能住宅采用的技術(shù)要較為經(jīng)濟(jì)。同時，家庭自動化系統(tǒng)應(yīng)該能最大程度兼 容用戶原有電器設(shè)備，保護(hù)用戶投資。 簡潔易用:高科技帶來的應(yīng)該是一種享受而絕不是一種負(fù)擔(dān)。好的家庭自動化產(chǎn)品 應(yīng)該簡便易用、用戶界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。 （2）系統(tǒng)實現(xiàn)的功能目標(biāo) 智能家居控制系統(tǒng)是由基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和本地集中控制兩大部分組成。 具體功能目標(biāo)是: 1 遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)人在異地能通過電話網(wǎng)絡(luò)對家中的電器設(shè)備進(jìn)行控制的功能。 2 本地集中控制實現(xiàn)在近距離通過鍵盤控制家用電器設(shè)備的工作狀態(tài)。 3 安全防盜報警。 4 三表(電表、水表、氣表)的數(shù)據(jù)采集。 5 實時時鐘顯示的功能。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）6 2 Zigbee 技術(shù) Zigbee 技術(shù)綜述 Zigbee 技術(shù)是主要應(yīng)用于自動控制的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速 率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。它主要工作在無須注冊的 2.4GHz ISM 頻段，數(shù)據(jù)速 率為 20250kbit/s，最大傳輸范圍在 1075m，典型距離為 30m?；?Zigbee 的無線 模塊由高度集成的天線、電池及頻率控制器組成。在以 Zigbee 構(gòu)成的 WPAN 網(wǎng)絡(luò)中能 支持高達(dá) 254 個用戶節(jié)點，外加一個全功能器件或主器件，可實現(xiàn)雙 向通信。Zigbee 主要通過降低收發(fā)信機(jī)的忙閑比及數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，降低幀開銷 以及實行嚴(yán)格的功率管理機(jī)制，例如關(guān)機(jī)及睡眠模式等方式來降低設(shè)備的綜合功耗。 IEEE802.15.4 定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 2.4GHz 物理層和 868/915MHz 物理層。 兩個物理層都基于 DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列擴(kuò)頻） ，使用相同 的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率。 Zigbee MAC 層的設(shè)計則主要考慮到盡可能地降低成本，容易實現(xiàn)，可靠的數(shù)據(jù)傳輸， 短距離操作及非常低的功耗。在 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為 3 類，周期性數(shù)據(jù)如 家庭中水、電、氣三表數(shù)據(jù)的傳輸; 間斷性數(shù)據(jù)如電燈、家用電器的控制即安防報警數(shù) 據(jù)的傳輸; 還有反復(fù)性的低反應(yīng)時間的數(shù)據(jù)如無線鼠標(biāo)、游戲桿傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。為了提高 傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，Zigbee 采用了載波偵聽多址/沖突避免（CSMA/CA）的信道接入 方式和完全握手協(xié)議。 2.1 Zigbee 聯(lián)盟 Zigbee 聯(lián)盟成立于 2002 年 8 月,由英國 Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國 摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成,如今已吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備 公司和開發(fā)商的加入。Zigbee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層及以上層協(xié)議。 2.2 Zigbee 的技術(shù)參數(shù) Zigbee 協(xié)議定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn),它們分別是 2.4 GHz 物理層和 868/915 MHz 物 理層。兩個物理層都基于直接序列擴(kuò)頻 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù),使 用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式,區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速 Zigbee 無線信道的組成, 圖 2-1 所示; Zigbee 的其它技術(shù)參數(shù),見圖 2-2 所示。2.4 GHz 波段為全球統(tǒng)一的無需申請的 ISM 頻段,有助于 Zigbee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。 2.4 GHz 的物理層通過采用 16 相高階調(diào)制技術(shù)能夠提供 250 Kbps 的傳輸速率,有助于獲 更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更加省電。 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計7 中中心心頻頻率率 /MHz 869.3 906+32(k-1) 2405+(k-11) 信信道道編編號號 K=0 K=1.2.26 K=11.1226 頻頻率率數(shù)數(shù)量量 1 10 16 信信道道間間 隔隔/MHz _ 2 5 速速率率 /Kbp s 20 40 250 調(diào)調(diào)制制 方方式式 BOSK HPSK O-QPSK 頻頻率率上上 限限/MHz 868.2 928.0 2483.5 頻頻率率下下 限限/MHz 868.0 902.0 2400.0 圖 2-1 名名稱稱內(nèi)內(nèi)容容 傳傳輸輸距距離離 可可達(dá)達(dá)10-75m 依依賴賴功功率率輸輸出出和和環(huán)環(huán)境境特特性性。 通通信信時時延延 15-30ms(典典型型搜搜索索時時延延30ms,休休眠眠激激活活時時延延15ms,活活動動接接入入時時延延15ms)。 尋尋址址時時延延 64bit的的IEEE地地址址，16bit的的本本地地地地址址。 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)容容量量 一一個個Zigbee網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)可可容容納納255個個本本地地地地址址。 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)拓拓?fù)鋼?星星型型。點點對對點點。網(wǎng)網(wǎng)狀狀。 安安全全機(jī)機(jī)制制 提提供供了了數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)完完整整性性檢檢查查及及鑒鑒權(quán)權(quán)功功能能，加加密密算算法法采采用用A-ES128、同同時時各各個個應(yīng)應(yīng)用用可可靈靈活活確確定定采采用用何何 種種安安全全機(jī)機(jī)制制 成成本本估估算算 模模塊塊初初始始化化成成本本約約6美美元元，隨隨著著市市場場成成熟熟，會會很很快快將將到到1.5-2.5美美元元，并并且且Zigbee協(xié)協(xié)議議免免專專利利費費。 非非常常低低的的占占空空比比，可可小小于于0.1%；具具有有工工作作周周期期短短，收收發(fā)發(fā)功功耗耗低低的的特特點點。并并且且有有休休眠眠模模式式，一一般般 耗耗電電情情況況 情情況況下下兩兩節(jié)節(jié)5號號電電池池可可工工作作6個個月月到到2年年左左右右。 圖 2-2 2.3 Zigbee 協(xié)議棧 Zigbee 協(xié)議棧5采用分層結(jié)構(gòu)，包括:物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK Layer)和應(yīng)用層，如圖 2-3 所示。 應(yīng)應(yīng)用用對對象象終終端端2 2應(yīng)應(yīng)用用對對象象終終端端3 3 媒媒體體接接入入控控制制層層（M MA AC CS Su ub b- -l la ay ye er r）I IE EE EE E8 80 02 2. .1 15 5. .4 4 物物理理層層（P PH HY Y L La ay ye er r）I IE EE EE E8 80 02 2. .1 15 5. .4 4 安安全全服服務(wù)務(wù)提提 供供商商S SS SP P 應(yīng)應(yīng)用用層層（A AP PS S L La ay yw we e） Z Zi ig gb be ee e設(shè)設(shè)備備對對象象 應(yīng)應(yīng)用用對對象象終終端端1 1. . 應(yīng)應(yīng)用用接接口口層層（A AP PS S S Su ub b- -l la ay yw we e） 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)層層（N NW WK KL La ay ye er r）I IE EE EE E8 80 02 2. .1 15 5. .4 4 I IE EE EE E平平臺臺 Z Zi ig gb be ee e聯(lián)聯(lián)盟盟平平臺臺 A AO OS SD DE E- -S SA AP P N NL LD DE E- -S SA AP P A AP PS SM ME E- -S SA AP P N NL LM ME E- -S SA AP P M M- -M ME E- -S SA AP P P PL LM ME E- -S SA AP P M MC CP PS S- -S SA AP P P PD D- -S SA AP P 圖 2-3 Zigbee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 Zigbee 聯(lián)盟制定,IEEE 組織負(fù)責(zé)定制 PHY 層和 MAC 層標(biāo)準(zhǔn)。 應(yīng)用層包括應(yīng)用對象終端設(shè)備和應(yīng)用接口層,且最多只能包含 31 個應(yīng)用對象。應(yīng)用接口 層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層上,其中包括:安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)及業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮采用基于 ad-hoc 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）8 議,應(yīng)包含以下功能:通用的網(wǎng)絡(luò)層功能,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù),命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù),包含了 尋址、路由和安全;同 Zigbee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一樣,非常省電;有自組織、自維護(hù)功能,以最大程 度減少消費者的開支和維護(hù)成本。Zigbee 協(xié)議的媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能:設(shè) 備間無線鏈路的建立、維護(hù)和取消;確認(rèn)模式的幀傳送與接收;信道接入控制;幀校驗;預(yù) 留時隙管理;廣播信息管理。Zigbee 協(xié)議 MAC 層定義的 4 種幀結(jié)構(gòu):數(shù)據(jù)幀、標(biāo)志幀、 確認(rèn)幀和 MAC 命令幀,如圖 2-4 所示。 最最大大1 12 27 7字字節(jié)節(jié) 2 2字字節(jié)節(jié)1 1字字節(jié)節(jié)0 0- -2 20 0字字節(jié)節(jié)可可變變值值2 2字字節(jié)節(jié) 幀幀控控制制域域 幀幀控控制制域域 幀幀控控制制域域 幀幀控控制制域域 幀幀序序號號域域 幀幀序序號號域域 幀幀序序號號域域 幀幀序序號號域域 地地址址域域 地地址址域域 地地址址域域 幀幀校校驗驗 幀幀校校驗驗數(shù)數(shù)據(jù)據(jù) 幀幀校校驗驗 幀幀校校驗驗 信信標(biāo)標(biāo) 信信標(biāo)標(biāo) M MA AC C協(xié)協(xié)議議數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)單單元元（M MA AC C幀幀） 最最大大1 12 27 7字字節(jié)節(jié) 物物理理層層服服務(wù)務(wù)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)單單元元 物物理理層層協(xié)協(xié)議議數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)單單元元 同同步步頭頭 P PH HY Y頭頭 物理層 媒媒體體接接入入 控控制制層層 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)幀幀 確確認(rèn)認(rèn)幀幀 命命令令幀幀 標(biāo)標(biāo)志志幀幀 圖 2-4 Zigbee 的幀結(jié)構(gòu)圖 2.4 Zigbee 的技術(shù)特點及其優(yōu)勢及工程應(yīng)用： （1）Zigbee 的技術(shù)特點及其優(yōu)勢 1 安全性：Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES-128， 同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 2 可靠性：采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時 隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個 發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息； 3 成本低：模塊的初始成本估計在 6 美元左右，很快就將降到 1.5 美元到 2.5 美元 之間，且 Zigbee 協(xié)議是免專利費的； 4 省電：由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，Zigbee 技術(shù)可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá) 6 個月到 2 年左右的使用時間，當(dāng)然不同的應(yīng)用 功耗是不同的； 5 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個 區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100 個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)； 6 時延短：針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都 非常短。設(shè)備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值是 15ms，活動設(shè)備信道 接入時延為 15ms。 （2）工程應(yīng)用 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計9 Zigbee 技術(shù)已成功應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中，比如在某教育社區(qū) DCA3000 系統(tǒng)中， 就是采用 Zigbee 技術(shù)來實現(xiàn)家庭內(nèi)部的無線網(wǎng)絡(luò)通迅的。在這款系統(tǒng)中主要由家庭網(wǎng) 關(guān)和網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點組成，網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點采用 Zigbee 技術(shù)與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線通訊， 其中各子節(jié)點實現(xiàn)的功能分別為（水、電、氣）三表數(shù)據(jù)采集、安防報警數(shù)據(jù)采集、 電燈及家用電器的控制。在家庭網(wǎng)關(guān)和每個字節(jié)點上都接有一個采用 Zigbee 技術(shù)設(shè)計 無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊,通過這些無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊在網(wǎng)關(guān)和子節(jié)點之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。 之所以采用 Zigbee 技術(shù)除了上面所述的優(yōu)點外，還因為這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞 吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，更為重要的是系統(tǒng)中子節(jié)點采用電池供電，因而需要極低的 功耗且在通常狀態(tài)下應(yīng)具有休眠狀態(tài)，而這正是 Zigbee 所具備的，它的優(yōu)勢之一就在 于低功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)費用，降低系統(tǒng)的成本。 2.5 Zigbee 與藍(lán)牙技術(shù)比較 IEEE 802.15 委員會制定了三種不同的 WPAN 標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、QoS 能 力等。IEEE 802.15.3 標(biāo)準(zhǔn)是高速率的 WPAN 標(biāo)準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的 QoS 保證。802.15.1 標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)，具有中等速率，適合于從蜂窩電話到 PDA 的通信， 其 QoS 機(jī)制適合于語音業(yè)務(wù)。802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)也就是 Zigbee 技術(shù)，目標(biāo)市場是工業(yè)、家 庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用，對數(shù)據(jù)速率和 QoS 的要求不高。 圖 2-5 Zigbee 不同速率下的傳輸功耗。 速速率率/ /轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換功功率率 1 1m mW W( (0 0d db bm m) ) 1 10 0m mv v( (1 10 0d db bm m) )1 10 00 0m mW W( (2 20 0d db bm m) ) 2 25 50 0k kb bp ps s 2 28 8k kb bp ps s 1 13 3m m 2 23 3m m 2 29 9m m 5 54 4m m 6 66 6m m 1 13 34 4m m 圖 2-5 Zigbee 不同速率下的傳輸功耗 藍(lán)藍(lán)牙牙Zigbee PHYFHSSDSSS 協(xié)協(xié)議議層層250KB28KB 電電池池可可充充不不可可充充 設(shè)設(shè)備備/網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)8 16 2 連連接接速速度度 250kbps1Mbps -10m30m有有效效距距離離 圖 2-6 Zigbee 與藍(lán)牙比較 Zigbee 與藍(lán)牙技術(shù)相比較有許多相似點，但其優(yōu)點更顯而易見。藍(lán)牙的傳輸距離 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）10 小于 10 米，這在大一點的家庭住宅中是一個極大的障礙，因而很難構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)， 而 Zigbee 的最大傳輸范圍在 10-75 米，非常適合家庭網(wǎng)絡(luò)的建立；其次，在一個藍(lán)牙 網(wǎng)絡(luò)中最多可容納 8 個節(jié)點，而 Zigbee 可容納 255 個節(jié)點，而一般每個家庭網(wǎng)絡(luò)中需 要 100-150 個設(shè)備節(jié)點；最后，藍(lán)牙模塊的成本較高，這也成為其沒有廣泛應(yīng)用的原 因之一，此外藍(lán)牙的功耗與 Zigbee 相比要大很多，而 Zigbee 則成本低廉，而且其功耗 極低，如圖 2-6 所示。雖然藍(lán)牙的傳輸數(shù)據(jù)速率要大過 Zigbee，但 Zigbee 的 250kbit/s 傳輸速率在家庭網(wǎng)絡(luò)中已足夠使用?？梢哉f，采用 Zigbee 技術(shù)所架構(gòu)的無線智能家居 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由于其低成本、低功耗，較遠(yuǎn)的覆蓋范圍及它在全球范圍內(nèi)的通用，將使 其成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革。 2.6 Zigbee 的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景 Zigbee 技術(shù)將主要嵌入在消費性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制 裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中,應(yīng)用于小范圍的基于無線通信 的控制和自動化等領(lǐng)域中。Zigbee 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括:工業(yè)控制、消費性電 子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。通常,符合如下條件之一的應(yīng)用, 均可以考慮采用 Zigbee 技術(shù)作無線傳輸. (1)設(shè)備成本較低,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。 (2)設(shè)備體積較小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊。 (3)沒有充足的電力支持,只能使用一次性電池。 (4)頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難。 (5)需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多,但僅僅用于監(jiān)測或控制。 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計11 3 基于 Zigbee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)架 3.1 基于 ZigBee 技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基于 Zigbee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的拓?fù)溥x擇涉及許多設(shè)計方案的權(quán)衡。該網(wǎng)絡(luò)自 身也是一個動態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響。人們的移動、不間斷地使用電器和 外界的干擾源等都可以影響網(wǎng)絡(luò)性能。對電池供電的設(shè)備來說，復(fù)雜的設(shè)計目標(biāo)就是 保存電池消耗。通常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要考慮以下幾個問題：首先，我們要考慮最糟情 況下和一般情況下的連通性拓?fù)洌簯?yīng)用需要的節(jié)點密度和周圍環(huán)境狀況；其次，評估 可選擇的情況。最后，還要考慮系統(tǒng)的可升降性和權(quán)衡能耗/資源的限制。本文智能家 居系統(tǒng)的實際情況如下：1、傳感器節(jié)點由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過電源供電，所以 應(yīng)該盡量減少傳感器節(jié)點的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點用電。2、智能家居中接入的主 要是傳感器和開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪肀ＷC數(shù)據(jù)通 信。因此，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且實現(xiàn)簡單，不涉及路由尋址等功能。 基于 Zigbee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。家庭網(wǎng)關(guān)和若干個無 線通信 Zigbee 傳感器節(jié)點模塊組成星形結(jié)構(gòu)的家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是全 功能設(shè)備，它充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由它主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運行。它配置 較多的存儲空間，完成網(wǎng)絡(luò)初始化，數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制等功能。另外，它配置 16bit 本地地址給設(shè)備以節(jié)省帶寬。其他的無線通信 Zigbee 子節(jié)點模塊則是精簡功能設(shè)備， 完成傳感器狀態(tài)采集，查詢響應(yīng)、控制設(shè)備等，它們只能與家庭網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行通信， 相互之間不能進(jìn)行通信。 燈燈光光控控制制節(jié)節(jié)點點 火火警警 可可控控開開關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)點點 門門磁磁傳傳感感器器節(jié)節(jié)點點 光光照照傳傳感感器器節(jié)節(jié)點點 三三表表采采集集節(jié)節(jié)點點 家家庭庭網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān) Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee 圖 3-1 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）12 3.2 家庭網(wǎng)關(guān) 智能家居中的各傳感器開關(guān)節(jié)點與家庭網(wǎng)關(guān)互連成家居內(nèi)部信息網(wǎng)，內(nèi)部信息網(wǎng) 絡(luò)還需要和外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，否則無法實現(xiàn)小區(qū)集中化管理，不能實現(xiàn)設(shè)備診斷和更新， 以及遠(yuǎn)程配置和維護(hù)，用戶也無法對家中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理。家庭內(nèi)部信息 網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，有兩種選擇，一是公用電話網(wǎng)，而是因特網(wǎng)。這就對應(yīng)著兩種 設(shè)備，電話接口和家庭網(wǎng)關(guān)。電話接口的數(shù)據(jù)傳輸能力和控制功能都十 分有限，擴(kuò)展性不好，因此，采用家庭網(wǎng)關(guān)的方式比較可取。家庭內(nèi)部信息網(wǎng)的通 信協(xié)議比較簡單，要實現(xiàn)它與外部 TCP/IP 的互聯(lián)，必須實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，這是家庭 網(wǎng)關(guān)一個非常重要的作用。從結(jié)構(gòu)上來看，家庭網(wǎng)關(guān)就是外部 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)與家庭內(nèi) 部信息網(wǎng)絡(luò)的一個連接點。家庭網(wǎng)關(guān)并不只是一個簡單的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，更是一個對 外的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制接口，一方面是因為家庭內(nèi)部通信協(xié)議功能遠(yuǎn)不如 TCP/IP 功 能強(qiáng)大，另一方面也是因為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的接口規(guī)范和協(xié)議缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。家庭網(wǎng) 關(guān)要做到對外的控制接口，需要考慮一下幾個問題： 1）功能接口，必須有一個完備的接口，能夠通過該接口實現(xiàn)智能家居的全部功能。 2）數(shù)據(jù)幀格式，包括內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式，協(xié)議的基本層次和各層次頭部信息格 式的確定，協(xié)議的指定必須充分考慮到未來的發(fā)展和擴(kuò)充。 3）傳輸方式，包括數(shù)據(jù)幀的丟失、超時和校驗等情況的處理，盡量做到與物理介質(zhì) 無關(guān)，在不同的物理介質(zhì)上運行，只需要修改最底層的物理協(xié)議即可。 家庭網(wǎng)關(guān)是一個由硬件和軟件共同組成的功能實體，通常是采用 PC 實現(xiàn)。因為 PC 功能強(qiáng)大，支持多種設(shè)備接口，還包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)支持等，能很方便 的實現(xiàn)控制和網(wǎng)關(guān)功能。但是以 PC 做家庭網(wǎng)關(guān)也有它的不足，體積大、功耗大且成 本高，因此 PC 并不是家庭網(wǎng)關(guān)的最佳選擇。我們可以采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)家庭網(wǎng) 關(guān)，嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用，可以根據(jù)實際需要定制軟硬件和接口，使它的功能、可靠 性和成本等各方面更適應(yīng)要求。但相對 PC 來說，嵌入式不僅包括軟件開發(fā)，還要完 成硬件開發(fā)，難度增大。家庭網(wǎng)關(guān)從功能結(jié)構(gòu)上分主要包括功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理平臺 和網(wǎng)絡(luò)接口控制器三部分。它實現(xiàn)的功能包括：對傳感器節(jié)點的管理、與外界的信息 交互、集成家庭服務(wù)、人機(jī)界面和對內(nèi)通信。傳感器節(jié)點的管理。基本必須實現(xiàn)對傳 感器節(jié)點的狀態(tài)變化的管理、自動對傳感器節(jié)點進(jìn)行操作、生成管理日志。狀態(tài)變化 包括傳感器節(jié)點的添加、移除和異常情況的管理。對傳感器節(jié)點進(jìn)行的操作包括傳感 器節(jié)點的初始設(shè)定、傳感器節(jié)點工作狀態(tài)的更改（停用、啟動等） 、對傳感器節(jié)點發(fā)布 命令（報警等） 。生成管理日志應(yīng)該包括所有可以采集得到的家庭事務(wù)。如傳感器節(jié)點 狀態(tài)的改變、中繼器的報告數(shù)據(jù)等。 與外界的信息交互?；颈仨殞崿F(xiàn)外部的數(shù)據(jù)的認(rèn)證、外部指令的執(zhí)行、內(nèi)部狀 態(tài)的匯報集成家庭服務(wù)。根據(jù)系統(tǒng)和用戶需求開發(fā)的各種應(yīng)用程序，并整合傳感器節(jié) 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計13 點，使其完成特定的服務(wù)。如對傳感器節(jié)點的重載，光照強(qiáng)度傳感器可以用于燈光的 控制服務(wù)，也可用于窗簾的開關(guān)服務(wù)等。人機(jī)界面?；颈仨殞崿F(xiàn)傳感器節(jié)點初始設(shè) 定界面、家居管理界面。該處的簡單性、易用性和靈活性關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的發(fā)揮， 對用戶的接受程度有很大的影響。 對內(nèi)通信。包括和中繼器之間的通信，規(guī)定一套實現(xiàn)以上各種功能的通信協(xié)議。 3.3 傳感器節(jié)點 智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)在家庭環(huán)境中布置傳感器節(jié)點以無線通信方式組織成網(wǎng)絡(luò)， 傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)監(jiān)視周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)境，接收信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。它 集成傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，并通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。借助于傳 感器節(jié)點中各類型的傳感器件，可以測量家庭內(nèi)部和周邊環(huán)境的溫度、濕度、光強(qiáng)度、 入侵等。 網(wǎng)絡(luò)的信息管理的核心部分為物理接口，作為家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點之間的橋梁， 物理層接口完成家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點間通信，并且能使家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點之間 能夠相互理解通信的內(nèi)容。所以家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點都配置同樣的無線收發(fā)模塊作 為物理接口。除了無線收發(fā)模塊之外，傳感器節(jié)點還包括具有一定處理能力的 MCU 芯片，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先寫入的程序，能夠采集傳感器信息、轉(zhuǎn)發(fā)命令和狀態(tài)信息和控 制設(shè)備，并能對子網(wǎng)上的節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)籌管理，維護(hù)整個傳感器系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況。根據(jù) 前面的分析，傳感器節(jié)點包括兩個模塊： 1、功能模塊由三個部分組成： 應(yīng)用：負(fù)責(zé)對傳感器節(jié)點的信號采集功能、通信行為等進(jìn)行初始化，并根據(jù)實是 外部 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)與家庭內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)的一個連接點。家庭網(wǎng)關(guān)并不只是一個簡單的 協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，更是一個對外的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制接口，一方面是因為家庭內(nèi)部通信 協(xié)議功能遠(yuǎn)不如 TCP/IP 功能強(qiáng)大，另一方面也是因為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的接口規(guī)范和協(xié) 議缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。家庭網(wǎng)關(guān)要做到對外的控制接口，需要考慮一下幾個問題： 1）功能接口，必須有一個完備的接口，能夠通過該接口實現(xiàn)智能家居的全部功能。 2）數(shù)據(jù)幀格式，包括內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式，協(xié)議的基本層次和各層次頭部信 息格式的確定，協(xié)議的指定必須充分考慮到未來的發(fā)展和擴(kuò)充。 3）傳輸方式，包括數(shù)據(jù)幀的丟失、超時和校驗等情況的處理，盡量做到與物理介 質(zhì)無關(guān)，在不同的物理介質(zhì)上運行，只需要修改最底層的物理協(xié)議即可。 2、家庭網(wǎng)關(guān) 家庭網(wǎng)關(guān)是一個由硬件和軟件共同組成的功能實體，通常是采用 PC 實現(xiàn)。因為 PC 功能強(qiáng)大，支持多種設(shè)備接口，還包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)支持等，能很方 便的實現(xiàn)控制和網(wǎng)關(guān)功能。但是以 PC 做家庭網(wǎng)關(guān)也有它的不足，體積大、功耗大且 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）14 成本高，因此 PC 并不是家庭網(wǎng)關(guān)的最佳選擇。我們可以采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)家庭 網(wǎng)關(guān)，嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用，可以根據(jù)實際需要定制軟硬件和接口，使它的功能、可 靠性和成本等各方面更適應(yīng)要求。但相對 PC 來說，嵌入式不僅包括軟件開發(fā)，還要 完成硬件開發(fā)，難度增大。 家庭網(wǎng)關(guān)從功能結(jié)構(gòu)上分主要包括功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理平臺和網(wǎng)絡(luò)接口控制器三 部分。它實現(xiàn)的功能包括：對傳感器節(jié)點的管理、與外界的信息交互、集成家庭服務(wù)、 人機(jī)界面和對內(nèi)通信。傳感器節(jié)點的管理。基本必須實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的狀態(tài)變化的 管理、自動對傳感器節(jié)點進(jìn)行操作、生成管理日志。狀態(tài)變化包括傳感器節(jié)點的添加、 移除和異常情況的管理。對傳感器節(jié)點進(jìn)行的操作包括傳感器節(jié)點的初始設(shè)定、傳感 器節(jié)點工作狀態(tài)的更改（停用、啟動等） 、對傳感器節(jié)點發(fā)布命令（報警等） 。生成管 理日志應(yīng)該包括所有可以采集得到的家庭事務(wù)。如傳感器節(jié)點狀態(tài)的改變、中繼器的 報告數(shù)據(jù)等。智能家居中的各傳感器開關(guān)節(jié)點與家庭網(wǎng)關(guān)互連成家居內(nèi)部信息網(wǎng)，內(nèi) 部信息網(wǎng)絡(luò)還需要和外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，否則無法實現(xiàn)小區(qū)集中化管理，不能實現(xiàn)設(shè)備診 斷和更新，以及遠(yuǎn)程配置和維護(hù)，用戶也無法對家中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理。家 庭內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，有兩種選擇，一是公用電話網(wǎng)，而是因特網(wǎng)。這就 對應(yīng)著兩種設(shè)備，電話接口和家庭網(wǎng)關(guān)。電話接口的數(shù)據(jù)傳輸能力和控制功能都十分 有限，擴(kuò)展性不好，因此，采用家庭網(wǎng)關(guān)的方式比較可取。家庭內(nèi)部信息網(wǎng)的通信協(xié) 議比較簡單，要實現(xiàn)它與外部 TCP/IP 的互聯(lián)，必須實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，這是家庭網(wǎng)關(guān) 一個非常重要的作用。從結(jié)構(gòu)上來看，家庭網(wǎng)關(guān)就驗需要建立統(tǒng)計指標(biāo)。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：負(fù)責(zé)模擬傳感器節(jié)點中無線通信的各層協(xié)議。 傳感模塊：也稱為傳感協(xié)議棧，負(fù)責(zé)檢測和處理來自傳感器信道的信號，將其送 往上層應(yīng)用。 能耗模塊：節(jié)點的能量產(chǎn)生和能量消耗過程，主要包括電池、無線收發(fā)設(shè)備、數(shù) 模轉(zhuǎn)換器和信號采集設(shè)備等硬件。如圖 3-2 所示： 傳傳感感器器 物物理理層層 傳傳感感模模塊塊 應(yīng)應(yīng)用用 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)層層 鏈鏈路路層層 物物理理層層 功功能能模模塊塊 電電池池模模塊塊 CPU ADC 無無線線模模塊塊 能能耗耗模模塊塊 圖 3-2 傳感器節(jié)點模型體系結(jié)構(gòu) 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計15 3.4 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 3.4.1 設(shè)備分類及功能 在 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)中，支持兩種類型的物理設(shè)備:全功能設(shè)備和精簡功能 設(shè)備。全功能設(shè)備(FFo，F(xiàn)ullFunctionoevice)特點:支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器或路由;能和任何設(shè)備通信。精簡功能設(shè)備(盯。 ，ReducedFunctionDevice)特點:只用在 星型拓?fù)渲?不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器;只能和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信;實現(xiàn)非常簡單。 此外，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)按照節(jié)點類型來分，支持三種節(jié)點:主節(jié)點，路由節(jié)點以及終端 節(jié)點。主節(jié)點就是協(xié)調(diào)器，必須由一個 FFD 構(gòu)成，它是網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立一個網(wǎng) 絡(luò)并下發(fā)地址。路由節(jié)點也是一個 FFD，搜索網(wǎng)絡(luò)并加入，給加入路由的終端節(jié)點分 配地址。路由節(jié)點僅僅是網(wǎng)絡(luò)中的一個無線收發(fā)器，它負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)通訊和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑。 終端節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中最簡單的節(jié)點，它可以是一個 FFD 或者 RFD。 3.4.2 地址分配模式地址分配模式 所有 Zigbee 設(shè)備均將有一個 64bit 的 IEEE 地址，這是一個全球唯一的設(shè)備地址， 需要得到 Zigbee 聯(lián)盟的許可和分配。在子網(wǎng)內(nèi)部，可以分配一個 16 bit 的地址作為網(wǎng) 內(nèi)通信地址，以減小數(shù)據(jù)包的大小。地址模式有兩種: (1)星型拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)號加設(shè)備標(biāo)識，本文中采用這種分配模式。 (2)點對點拓?fù)?直接使用源/目的地址。 這種地址分配模式，決定了每個 zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以支持多于 64000 個設(shè)備，而個 協(xié)調(diào)器可以互連從而可以構(gòu)成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，邏輯上網(wǎng)絡(luò)規(guī)模取決于頻段的選擇， 節(jié)點設(shè)備通信的頻率以及該應(yīng)用對數(shù)據(jù)丟失和重傳的容納程度。 3.5 Zigbee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 前面提到過，Zigbee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種:星型網(wǎng)絡(luò)，樹形網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)。下 面對這三種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述和介紹，并比較選定智能家居所選用的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。 3.5.1 星型網(wǎng)絡(luò)星型網(wǎng)絡(luò) 如下圖五星型網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都通過中心節(jié)點傳輸。如 果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個模塊被配置成中心節(jié)點，其他模塊可以配置 成終端節(jié)點。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）16 圖 3-3 星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) 星型路由拓?fù)涞淖畲髢?yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。這種簡單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí) 行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理簡便。中心節(jié)點可以承擔(dān)許多管理 工作。但是這種簡單是以靈活的犧牲為代價的。因為需要把每個終端節(jié)點放在中心節(jié) 點的通信范圍之內(nèi)，這必然會限制無限制網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。并且星型拓?fù)浜茈y實現(xiàn)高 密度的擴(kuò)展。集中的信息涌向中心節(jié)點，容易形成熱點