（信號與信息處理專業(yè)論文）基于internet與gsm的智能家居網關系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).pdf

浙江理工大學碩士學位論文 摘要 針對現(xiàn)代家居系統(tǒng)的智能化 網絡化 簡潔化控制的要求 設計了一種基于i n t e m e t 和g s m 技術的智能家居網關系統(tǒng) 論文在比較分析目前國內外同類智能家居網關系統(tǒng)的 基礎上 基于嵌入式系統(tǒng) 嵌入式以太網技術 z i g b e e 技術和g s m 技術等幾方面的熱點 技術 設計實現(xiàn)了一種基于a r m 的智能家居網關系統(tǒng) 本網關用于完成z i g b e e 協(xié)議與 t c p i p g s m 的協(xié)議轉換 以實現(xiàn)z i g b e e 網絡與i n t e r n e t 和移動通信網絡的互聯(lián)互通 本文介紹了整個網關系統(tǒng)的基本構成 完成了該網關系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件設 計 詳細介紹了以太網通訊所需要的協(xié)議棧的移植 g s m 無線網絡在嵌入式平臺上的實現(xiàn) 和z i g b e e 星型網絡的構建 系統(tǒng)從軟件和硬件兩個方面構建了一個完整的通過手機和電腦 控制家用電器的平臺 經過測試 智能家居網關系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實用性 實現(xiàn)了通過i n t e r n e t 和手機 進行無線監(jiān)控的基本功能 實驗結果表明智能家居網關系統(tǒng)完成了其協(xié)議轉換功能 達到 了預期的設計目標 關鍵詞 智能家居 嵌入式以太網 z i g b e e g s m 嵌入式系統(tǒng) 浙江理t 大學碩 學位論文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs m a r th o m eg a t e w a yb a s e do n i n t e r n e ta n dg s m a b s t r a e t a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fs m a r t n e t w o r kc o n t r o la n dl e s sw i r i n gf o rm o d e r mh o m e s y s t e m t h i sp a p e rd e s i g n e dan e ws m a r th o m es y s t e mb a s e do ni n t e r n e ta n dg s m t e c h n o l o g y i n t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i m i l a rs m a r th o m eg a t e w a ys y s t e m b a s e do nc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fc u r r e n td o m e s t i ca n ds i m i l a rs y s t e m s t h ep a p e r p r o p o s e dt h ew h o l ed e s i g np l a no fa r m b a s e d g a t e w a ys y s t e mu s i n ge m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y e m b e d d e de t h e m e tt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dg s mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y t h e g a t e w a ys y s t e mi su s e dt ot r a n s f o r mp r o t o c o l sb e t w e e nz i g b e ea n dt c p i p g s m i tr e a l i z e st h e i n t e r c o n n e c t i n gb e t w e e nz i g b e en e t w o r ka n di n t e m e t m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n a d d i t i o n t h ep a p e rd e s c r i b e dt r a n s p l a n t a t i o no ft h ee t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o ls t a c ki nd e t a i l r e a l i z a t i o no ft h eg s mi nt h ee m b e d d e dp l a t f o r ma n d t h ec o n s t r u c t i o no fz i g b e es t a rn e t w o r k t h eg a t e w a ys y s t e mb u i l d sap l a t f o r mt oc o n t r o l l i n g h o u s e h o l de l e c t r i c a le q u i p m e n tb yt h ei n t e m e to rm o b i l ep h o n ef r o mt w oa s p e c t so fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e a f t e rat e s t s m a r th o m eg a t e w a ys y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y m a s t e ro ft h e h o u s ec a nm o n i t o rt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n to rg e te n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r st h r o u g ht h ei n t e r n e t o rm o b i l ep h o n e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee m b e d d e dg a t e w a yc o u l dc o m p l e t et h ep r o t o c o l c o n v e r s i o na n da c h i e v et h ed e s i r e dd e s i g ng o a l s k e y w o r d s s m a r th o m e e m b e d d e de t h e m e t z i g b e e g s m e m b e d d e ds y s t e m s h 浙江理工大學碩士學位論文 1 1 課題研究的背景 第一章緒論 智能家居 英文叫做s m a r th o m e 很早人們就提出了智能家居這個概念 但概念的提 出并不等同于產品的上市 很長一段時間沒有出現(xiàn)使用智能家居技術的建筑 直到1 9 8 4 年 美國聯(lián)合科技公司在美國康乃迪克州哈特佛市的c i t y p l a c e b u i l d i n g 使用了建筑設備信 息化等技術 才出現(xiàn)了 智能型建筑 從而掀起了智能家居發(fā)展的序幕 1 智能家居利 用先進的計算機技術 網絡通訊技術 綜合布線技術等將與家居生活密切相關的各種系統(tǒng) 有機結合在一起 然后通過統(tǒng)籌管理 智能控制讓家居生活更加舒適 安全 2 1 近年來 業(yè)內提出了家庭自動化 電子家庭 網絡家居 智能家庭 智能建筑 數(shù)字家園等概念 這些與智能家居大體相同 只是名稱叫法不同 美國是最早使用智能家居技術的國家 其 中x 1 0 技術1 3 j 應用廣泛 網絡系統(tǒng)中的設備通過x 一1 0 協(xié)議可以實現(xiàn)資源共享 它布線容 易 功能可靈活配置 此外用戶可根據需要進行擴展 這些優(yōu)點使它被人們廣泛接受 微 軟公司的創(chuàng)始人比爾 蓋茨先生曾寫過一本書 叫做 未來之路 書中大篇幅介紹了他的 位于華盛頓湖的私人豪宅 他把他的住宅寫成 由硅片和軟件建成的 采納不斷變化 的尖端技術 等 1 9 9 7 年 歷經長達7 年的建設 他的私人豪宅最終建成了 豪宅按照智 能家居的概念建造 它含有高速上網專線 并且通過計算機可以監(jiān)控宅內所有的電器 門 窗等 管理整個智能家居系統(tǒng)的是一個高性能服務器 4 智能家居系統(tǒng)改進了傳統(tǒng)家居系統(tǒng)只能被動控制的缺點 成為主動控制和智能遠程控 制的新一代家居系統(tǒng) 它幫助人們節(jié)省了時間 提高了效率 節(jié)約了能源 提高了安全性 最重要的是提升了人們的生活品質 1 2 智能家居網關系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀 1 2 1 智能家居網關系統(tǒng)的國外發(fā)展狀況 1 9 8 4 年美國出現(xiàn)了世界上第一幢智能建筑 從此各種智能家居系統(tǒng)的方案在美國 加 拿大 歐洲 澳大利亞和東南亞等經濟相對比較發(fā)達的國家被提出 在美國 德國 新加 坡 日本等國人們廣泛使用智能家居產品 1 9 9 8 年5 月 9 8 亞洲家庭電器與電子消費品 國際展覽會 在新加坡成功舉辦 未來之家 在場內被模擬 它的系統(tǒng)功能包括三表抄 浙江理工大學碩士學位論文 送功能 安防報警功能 可視對講功能 監(jiān)控中心功能 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 寬帶網接入和統(tǒng)軟件配 置等 5 雖然 未來之家 功能完備 但真正走向市場卻需要時間 家庭智能化系統(tǒng) 在 新加坡已有不少用戶 類似設備在美國有近四萬戶家庭在使用 隨著科技的發(fā)展和生活水 平的提高 相信2 1 世紀將會有更多的住宅安裝這類智能家居產品 美國的x 1 0 產品則很 很火爆 目前銷售已超過l 億 主要是舊房改造安裝 由于技術限制比較多 它在我國不 能直接使用 此外提供家庭智能化控制產品與解決方案的c o n t r o l 4 發(fā)展迅速 c o n t r o l 4 允 許用戶根據自己的喜好輕松d i y 整套智能家居系統(tǒng) 它采用模塊化的產品組合方式 可分 功能安裝 可后期擴展 目前已在很多家庭安裝和使用 雖然國外智能家居的市場還未真 正打開 但這只是時間問題 現(xiàn)在越來越多的大小公司開始進入這一市場 他們看到了智 能家居系統(tǒng)背后潛伏的強大商機 也有很多公司正在等待時機 他們考慮在一個合適的時 間也進入市場 想要在這一領域分一杯羹 就得在時間 技術上占據優(yōu)勢 6 綜上所述 國外的一些公司在智能家居領域的研究時間早 生產的產品可靠性高 性能穩(wěn)定 但產品 價格比較高 普通家庭很難接受 1 2 2 智能家居網關系統(tǒng)的國內發(fā)展狀況 在我國 智能家居發(fā)展較發(fā)達國家慢很多 主要遇到一下幾個問題 一 系統(tǒng)價格比 較昂貴 一般家庭無法接受 二 系統(tǒng)操作相對復雜 使用前需要學習 三 維護成本高 智能家居產品不是一次性投資產品 其網絡功能需要用戶開通網絡 這會增加用戶使用成 本 因此會出現(xiàn) 買得起 用不起 的問題 盡管最近 智能家居 的概念被炒得沸沸揚 揚 但我們卻很少在普通老百姓家中看到這種產品 即使是經濟相對發(fā)達的沿海城市也不 多見 原因歸根結底是上述所說的 價格貴 安裝復雜 后期維護成本高 三個問題 2 0 0 9 年8 月溫家寶總理在視察中科院無錫物聯(lián)網產業(yè)研究所時提出了 感知中國 物聯(lián)網被 正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)之一 7 o 智能家居作為物聯(lián)網的一個具體應用 是與老 百姓的生活密切相關的 相信接著 物聯(lián)網 這股東風 在不久的將來 智能家居的上述 問題一定會得到解決 國內研究智能家居技術比較早的有t c l 海爾 中國移動和清華同 方等企業(yè) 海爾推出u h o m e 概念 中國移動提出了 宜家居 其功能與智能家居類似 他們分別在家用電器和無線網絡上占據優(yōu)勢 因此較其他廠商更具競爭力 此外有數(shù)千家 小企業(yè)也開始進入這一領域 這樣會帶來整個產業(yè)的發(fā)展 降低產品成本 但同時由于在 智能家居產業(yè)中 中國發(fā)展較晚 國家沒有提出同意的行業(yè)標準 這些中小企業(yè)為了競爭 2 浙江理工大學碩士學位論文 增大市場份額 推出的產品不具兼容性 導致用戶在使用產品過程中出現(xiàn)配件損壞等問題 只得在原廠家購買 智能家居市場蘊藏著無限商機 沒有一家廠商能夠獨自開發(fā)這一市場 未來需要在國家出臺同一標準的前提下 不同廠商相互競爭 隨時與用戶互動 開發(fā)出讓 用戶滿意的真正實用 物廉 操作容易的產品f 引 綜上所述 國內公司在智能家居領域的 研究相對國外比較晚 但發(fā)展快 具有成本優(yōu)勢 能開發(fā)出性價比較高的智能家居產品 1 3 本文設計的主要內容 本文以智能家居網關系統(tǒng)為研究對象 采用z i g b e e 無線傳感網絡作為短距離數(shù)據傳輸 平臺 z i g b e e 終端節(jié)點將各傳感器采集的數(shù)據無線傳輸?shù)絲 i g b e e 協(xié)調器 協(xié)調器通過串 口將數(shù)據交由a r m 處理 系統(tǒng)采用g s m 和i n t e r n e t 兩種無線網絡作為遠距離傳輸平臺 用戶使用手機或者p c 瀏覽器可獲取來自z i g b e e 終端節(jié)點的傳感器數(shù)據 如溫度 濕度等 也可控制z i g b e e 終端節(jié)點上的插座等 實現(xiàn)對電器的開關控制 廠 6 s 1 4 忑 廠 贏 f網絡 互聯(lián)網 一 智能家居網關 z i g b e e 網絡 門磁 煙霧 簍r 百廠 翼一 器l 里墜 濕度 光照 智能開關和插座 手持遙控器 z i g b e e 終端節(jié)點 圖1 1 智能家居網關系統(tǒng)組成 圖1 1 是一個簡單的智能家居系統(tǒng) 根據功能的不同可分為三個部分 分別是遠程控 制端 網關系統(tǒng)和終端設備 終端設備是整個系統(tǒng)監(jiān)控的具體對象 如通過安裝門磁傳感 器可以知道主人的門有未關緊 安裝溫度傳感器可了解室內溫度情況 如果溫度過高 則 空調自動打開 紅外熱釋電傳感器可用來探測竊賊入侵 智能開關和插座也是一個實用的 功能 它們有兩種工作模式 自動和遠程控制 自動功能打開后 系統(tǒng)自行決策 如光照 度太低 自行開燈等 網關系統(tǒng)是本文的研究內容 也是智能家居系統(tǒng)的核心部分 它綜 合了嵌入式網絡技術 g s m 網絡技術和z i g b e e 網絡技術 通過高性能a r m 處理器完成 數(shù)據的處理 遠程控制端使用g s m 和i n t e r n e t 網絡與網關通信 用戶隨時隨地可通過手機 或者i n t e r n e t 查看家居內的一切狀況 如發(fā)送短信即可監(jiān)控電器狀態(tài) 通過i e 瀏覽器即可 3 浙江理工大學碩士學位論文 了解家中的一切狀況 本文針對智能家居網關系統(tǒng)展開了理論與實踐研究 主要內容如下 1 嵌入式w e b 服務器的實現(xiàn) 本文設計了嵌入式w e b 服務器的軟 硬件 軟件 部分完成了與網絡控制器d m 9 0 0 0 a 相關的底層驅動程序設計 并在此基礎上完成了微型 t c p i p 協(xié)議棧u l p l 0 在a r m 上的移植 硬件部分完成了d m 9 0 0 0 a 的硬件電路設計和調 試 2 完成了g s m g p r s 模塊s i m 3 0 0 的軟 硬件設計 硬件部分設計了s i m 3 0 0 的 電源電路 啟動電路 網絡信號指示電路和串口調試電路等 軟件部分介紹了a t 指令集 及通過a t 指令控制模塊發(fā)送或接收短信的方法 最后介紹了通過串口調試助手軟件調試 s i m 3 0 0 的過程 3 介紹了網關系統(tǒng)的控制中心s t m 3 2 f 1 0 3 z e 的內部結構和編程方法 介紹了 z i g b e e 協(xié)議 基于c c 2 5 3 0 芯片移植了z s t a c k 協(xié)議棧 并針對網關系統(tǒng)的需要在協(xié)議棧 基礎上修改了z i g b e e 協(xié)調器和終端節(jié)點的應用程序 在協(xié)調器模塊中增加串口通信功能 通過串口與a r m 完成數(shù)據交換 并為了提高可靠性和安全性自定義了串口數(shù)據通信格式 4 設計并制作了網關系統(tǒng)的p c b 并完成了調試 成功實現(xiàn)了智能家居網關系統(tǒng) 的基本功能 該系統(tǒng)實用性強 功能靈活 使用方便 已應用于家居生活中 系統(tǒng)具有一定的先進 性 可靠性和擴展性 有非常好的應用前景 4 浙江理工人學碩士學位論文 嵌入式以太網傳輸技術 第二章網絡技術介紹 隨著電子技術的迅猛發(fā)展 在工業(yè)及農業(yè)生產中已廣泛使用了嵌入式技術 嵌入式系 統(tǒng)具有功耗低 體積小及成本低等特點 由于市場的需求非常大 目前嵌入式系統(tǒng)大量出 現(xiàn)在各種電器 移動設備 便攜式網絡設備和工業(yè)控制領域中 其數(shù)量遠遠超過了通用計 算機的數(shù)量 與此同時 伴隨i n t e m e t 的迅速發(fā)展 越來越多的個人電腦接入網絡 這些 電腦大多基于x 8 6 架構 通用性強 處理速度快 但功耗大 而很多小型設備也需要連入 網絡 將數(shù)據實時傳送到網絡的另一端處理 因此出現(xiàn)了嵌入式網絡這一概念 以太網是 眾多網絡類型中應用最為廣泛的網絡 因而嵌入式以太網技術得到迅猛發(fā)展 9 1 0 1 嵌入式 以太網技術是嵌入式技術與網絡技術的結合 前者完成復雜的數(shù)據運算 后者則負責將數(shù) 據傳輸?shù)絠 n t e m e t 它有嵌入式技術的高性能和低功耗的優(yōu)點 也有網絡技術的遠程數(shù)據傳 輸?shù)膬?yōu)點 t c p i p 協(xié)議棧是以太網技術的核心部分 它由眾多諸如i p a r p h t t p 等協(xié) 議構成 每一協(xié)議層負責完成獨立的功能 如a r p 協(xié)議是通過i p 地址得到全球唯一的m a c 地址 從而準確地將數(shù)據傳送到目標地址所在的設備 l l 1 2 2 1 1t c p f l p 協(xié)議棧介紹 t c p i p 協(xié)議族是為了保證數(shù)據在網絡上準確 快速傳輸而定義的一整套協(xié)議 它一股 被抽象成數(shù)據鏈路層 網絡層 傳輸層和應用層共四層結構的t c p i p 模型 每一層完成 各自的功能 缺一不可 如圖2 1 所示 每一層都有自己的首部 下面將分別介紹各層的 結構和功能 i 簍 l 用戶數(shù)據i 一應用層 i 首部l l eh t t p 數(shù)據三 l 腎i 應用數(shù)據卜 傳輸層 卜t c p 段一 叵 翌 亙亙 一網絡層 一i p 數(shù)據報 一 堇鏨 三三至工 莖 i 二二三至垂亙三二璐 數(shù)據鏈路層 圖2 1t c p b p 數(shù)據包封裝圖 5 浙江理工大學碩十學位論文 f 1 數(shù)據鏈路層 圖2 2 所示為完整的以太網數(shù)據包結構 包括以太網頭和以太網數(shù)據部分 以太網頭 則包括目的m a c 地址 源m a c 地址和幀類型 它們分別是6 字節(jié) 6 字節(jié)和2 字節(jié) m a c 地址是以太網設備在網絡中的唯一地址 如果是廣播地址 則是f k f e f e f e f e f f 幀類型如表2 1 所示 它表示攜帶數(shù)據包的類型 可以是i p 包 a r p 包和r a r p 包 其中 i p 數(shù)據包應用最廣泛 a r p 全稱地址解析協(xié)議 其功能是通過i p 地址獲取其對應的m a c 地址 一般在兩臺以太網設備建立通訊前需要使用 與此相反 r a r p 則是通過m a c 地 址獲取對應的i p 地址 以太網幀中的數(shù)據部分長度規(guī)定最小4 6 字節(jié) 最大1 5 0 0 字節(jié) a r p 和r a r p 數(shù)據包的長度不夠4 6 字節(jié) 要在后面補填充位 最大值15 0 0 稱為以太網的 最大傳輸單元 m t u 不同的網絡類型有不同的m t u 如果一個數(shù)據包從以太網路由到 撥號鏈路上 數(shù)據包長度大于撥號鏈路的m t u 了 則需要對數(shù)據包進行分片1 1 3 1 卜以太網封裝 j 卜 一4 6 1 5 0 0 字節(jié) 叫 圖2 2 以太網幀結構 表2 1 以太網幀類型 幀類型數(shù)據 0 8 0 0 i p 數(shù)據包 0 8 0 6 a r p 請求 應答包 8 0 3 5 r r p 請求 應答包 2 網絡層 a r p 不同計算機在完成網絡通訊時 發(fā)送主機的應用程序除了需要知道接收主機的i p 地址 和端口號外 還必須知道接收主機的硬件地址 m a c 才能正確發(fā)送數(shù)據 因為每個網卡 都擁有一個全球唯一的m a c 地址 只有當接收主機的m a c 地址與發(fā)送方的目的m a c 地 址完全相符 接收主機才會完整接收數(shù)據 去除以太網頭數(shù)據然后將數(shù)據交給上層處理 否則直接丟棄 所以 發(fā)送數(shù)據前發(fā)送方必須知道接收方的m a c 地址 a r p 協(xié)議正是為 了實現(xiàn)這一功能 a r p 數(shù)據包如圖2 3 其中幀類型固定為0 8 0 6 硬件類型為以太網 0 0 0 1 協(xié)議類型為i p 當發(fā)送a r p 請求時 以太網幀首部填f k f k f k f e f f f f 表示廣播此數(shù)據 包 這樣局域網內所有的主機都可收到這一數(shù)據包 而與i p 地址相符的主機會立即向發(fā)送 主機發(fā)送a r p 響應數(shù)據包 并將自己的m a c 地址填在源m a c 地址中 這樣發(fā)送a i 心 請求的主機就獲取了i p 地址對應的m a c 地址 1 4 l t l 5 1 6 浙江理工大學碩士學位論文 66222i1 2 64 6 4 k 一以太網首部 i 2 8 字節(jié)a r p 請求 應答 爿 圖2 3 a r p 數(shù)據包結構 3 網絡層 i p 網絡層包括i p 因特網協(xié)議 i c m p 因特網控制報文協(xié)議 和i g m p 因特網組管 理協(xié)議 三個協(xié)議 作為網絡層的主要協(xié)議 i p 的主要作用是 將上層的數(shù)據進行i p 封包發(fā)送到下層協(xié) 議 拆分i p 數(shù)據包 管理i p 數(shù)據報的生命周期 轉發(fā)i p 數(shù)據報 重組拆分的i p 數(shù)據報 對接收的m 數(shù)據報解包 向上層協(xié)議發(fā)送封裝在i p 數(shù)據包的i p 數(shù)據等 完整的i p 數(shù)據包格式如表2 2 所示 它包括i p 首部和i p 數(shù)據包兩部分 i p 首部包括 版本信息 i p v 4 首部地址 服務類型 數(shù)據的總長度 不包括i p 頭 標識號 標志位 片偏移 生存時間 協(xié)議類型 校驗和 3 2 位源地址和3 2 位目的地址和選項 其中選項 是可選項 根據需要其長度可變 1 6 1 表2 2i p 數(shù)據包格式 版本 首部地址服務類型 t o s 總長度 字節(jié)數(shù) 1 6 位標識3 位標志1 3 位片偏移 8 位生存時間 t t l 8 位協(xié)議1 6 位首部校驗和 3 2 位源地址 3 2 位目的地址 選項 如果有 長度可變 數(shù)據 表2 3 t c p 數(shù)據包格式 源端口號 1 6 位 目的端口號 1 6 位 序號 3 2 位 確認序號 3 2 位 首部長度 4 保留 6 uap psf 窗口大小 1 6 位 校驗和 1 6 位 緊急指針 1 6 位 選項 可變長度 數(shù)據 傳輸層包括t c p 傳輸控制協(xié)議 和u d p 用戶數(shù)據報協(xié)議 t c p 提供面向連接的 7 浙江理工大學碩士學位論文 可靠的 有序的字節(jié)流服務 而u d p 提供無連接的 不可靠的服務 完整的t c p 段結構如表2 3 源端口號和目的端口號都是1 6 位 它們與具體應用程序 相關 端e 1 分為知名端口和非知名端口 如h t t p 協(xié)議使用8 0 端1 2 1 而邱協(xié)議使用2 1 端 點 這些端口不可更改 是知名端口 用戶編寫的應用軟件可根據需要使用非知名端e l 1 刀 2 1 2h t t p 協(xié)議的實現(xiàn) h t t p 超文本傳輸協(xié)議 是基于請求與響應模式的 無狀態(tài)的 應用層的協(xié)議 常 基于t c p 的連接方式 h t t p1 1 版本中給出一種持續(xù)連接的機制 絕大多數(shù)的w e b 開發(fā) 都是構建在h t t p 協(xié)議之上的w e b 應用 1 引 客戶端瀏覽器w e b j 艮務器端 建 立 連 接 3 i4 數(shù) 據 6 篡l 7 關 閉 連 接 2 5 8 9 1 0 1 2 1 3 圖2 4h t t p 請求 響應過程 嵌入式w e b 服務器基于h t t p 協(xié)議 采用c s 模型 分為客戶端瀏覽器和服務器端 共分為建立連接 數(shù)據傳輸和關閉連接三個過程 圖2 4 詳細描述了客戶端瀏覽器和w e b 服務器的數(shù)據交換過程 左邊的豎線代表客戶端 右邊是服務器端 當在客戶端瀏覽器輸 入服務器端的i p 地址后 即主動發(fā)送了連接請求 圖中使用了斜的箭頭 因為數(shù)據從一端 8 浙江理工大學碩士學位論文 傳輸?shù)搅硗庖欢诵枰獣r間 雙方發(fā)送的重要信息在箭頭上標出 例如s y n 8 0 0 0 0 a c k 1 0 0 1 表示此段的s y n 位置1 3 2 位序號是8 0 0 0 0 說明此段數(shù)據無 數(shù)據 同時a c k 位也為1 確認序號是1 0 0 1 r o s s 表示最大幀長度 本段數(shù)據幀長度最大 為1 0 2 4 1 19 1 2 2z i g b e e 無線傳感網絡技術 z i g b e e 技術作為一種無線網絡標準 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 標準發(fā)展而來 目的是使不 同廠商制作的產品能夠相互兼容 i e e e8 0 2 1 5 4 標準于2 0 0 3 年5 月制定完成 它滿足國際 標準化組織 i s o 開放系統(tǒng)互連 o s i 參考模型 定義了物理層 p h y 和介質訪問控制層 層 m a c 的協(xié)議 i e e e8 0 2 1 5 4 協(xié)議與其他無線網絡相比 突出的優(yōu)點是 組網能力強 適應面廣 可靠性高 節(jié)能性好 其中物理層規(guī)范定義了無線網絡工作的頻段和基于該頻 段傳輸數(shù)據的基準傳輸速率 而介質訪問控制層規(guī)范則主要解決在同一區(qū)域工作的多個 i e e e 無線信號如何共享空中信道的問題 在i e e e 8 0 2 1 5 4 標準上 z i g b e e 聯(lián)盟主要定義 了應用層和網絡層 應用層是唯一需要用戶自己完成的部分 針對不同的應用 z i g b e e 應 用層也會不同 網絡層是z i g b e e 協(xié)議的核心部分 它主要實現(xiàn)節(jié)點加入 離開網絡 接收 或拋棄其他節(jié)點 路由查找及傳送數(shù)據等功能 它支持多種路由算法 支持星形 s t a r 樹形 c l u s t e r t r e e 網格 m e s h 等多種拓撲結構 2 0 2 2 1z i g b e e 技術的優(yōu)點 巨囹 五 巨巫 譬 圖2 5z i g b e e 協(xié)議棧主要部分 目前短距離無線通信有多種方法 如紅外 藍牙 w i f i 3 1 5 m h z z i g b e e 等 紅外 通信應用非常廣泛 如彩電 空調遙控器等 它具有成本低 技術成熟 功耗低等優(yōu)點 但缺點是 紅外通信具有方向性 發(fā)射器和接收器必須對準才能收發(fā)數(shù)據 這大大降低了 靈活性 容易受光線干擾 可靠性不高 此外通信速率不高 因而紅外通信不適合構建室 9 e j 姒 蓄 浙江理工大學碩士學位論文 內短距離的無線通信網絡 藍牙應用廣泛 技術成熟 工作速率相對高很多 目前在筆記 本 手機等設備普遍應用 但藍牙有個致命的缺點 功耗高 而手持嵌入式設備一般采用 電池供電 不允許設備工作電流太大 否則就失去了便攜式的優(yōu)勢 w i f i 也是短距離無線 通信技術之一 它工作速率高 技術成熟 很多筆記本等設備內部集成w i f i 模塊 此外 還可非常方便的與無線路由器等連接 但w i f i 技術復雜 系統(tǒng)開銷成本大 同樣不適合 在室內對通信速率不高的短距離無線通信中使用 3 1 5 m h z 射頻無線通信技術應用廣泛 它具有成本低 工作可靠 技術成熟等優(yōu)點 但它不能雙向通信 因而不能用于本智能網 關系統(tǒng)中 相比之下 z i g b e e l 2 2 2 3 是目前最適合的短距離無線通信技術 z i g b e e 是基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 標準的應用于無線監(jiān)測與控制應用的全球性無線通信標準 強調簡單應用 近距離 低速率 低功耗且極廉價的市場定位 可廣泛應用于工業(yè)控制 家庭自動化 醫(yī) 療護理 智能農業(yè) 消費類電子和遠程控制等領域 擁有廣闊的應用前景 2 l 2 2 1 z i g b e e 協(xié)議棧是運行于支持z i g b e e 的微控制器內部的核心軟件 z i g b e e 聯(lián)盟負責該協(xié)議規(guī)范的 制定 目前有半導體廠商推出了基于z i g b e e 協(xié)議規(guī)范的軟件 如t i 公司免費開放其專門 為z i g b e e 開發(fā)的協(xié)議棧z s t a c k 本網關系統(tǒng)采用了t i 公司為z i g b e e 應用而開發(fā)的 c c 2 5 3 0 t 2 3 1 t 2 4 1 單片機 并移植了z i g b e e 協(xié)議棧z s t a c k 實現(xiàn)了自組網等功能 2 2 2z i g b e e 技術的發(fā)展 z i g b e e 是以i e e e 8 0 2 1 5 4 標準為基礎發(fā)展起來的無線通信技術 2 0 0 2 年1 0 月 z i g b e e 聯(lián)盟當時的成員有p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r h o n e y w e l l m i t s u b i s h i i n v e n s y s 和m o t o r o l a 等 其中p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r 于2 0 0 4 年4 月退出 改由p h i l i p sl i g h t i n g 飛利浦照明 接替 其在z i g b e e a l l i a n c e 中的原有會員位置 2 0 0 4 年1 2 月 出臺了z i g b e e 2 0 0 4 標準 也叫做 z i g b e e l 0 2 0 0 6 年1 2 月 聯(lián)盟對z i g b e e l 0 版本進行了修訂并且推出了z i g b e e 2 0 0 6 版 也叫做z i g b e e l 1 z i g b e e 2 0 0 6 對原有z i g b e e 2 0 0 4 做了一些修改 新增了z c l z i g b e e 族庫 群化式 g r o u pd e v i c e 多播 m u l t i c a s t 等可以直接通過無線方式o t a o v e r t h ea i r 進行組態(tài)配置 同時移除了k v p k e yv a l u ep a i r 的信息格式 事實上z i g b e e 2 0 0 6 仍然存在問題 于是2 0 0 7 年1 0 月此標準得到再次修訂 一種新的標準z i g b e e 2 0 0 7 也稱 作z i g b e ep r o 唄推出 此標準更專注三種應用類型的擴展 分別是家庭自動化h a h o m e a u t o m a t i o n 建筑 商業(yè)大樓自動化b a b u i l d i n ga u t o m a t i o n 和先進抄表基礎建設a m i a d v a n c e dm e t e ri n f r a s t r u c t u r e z i g b e e 2 0 0 7 較之前的z i g b e e 2 0 0 6 有很多不同之處 如 移除了c s k i p 的地址排定法 說明z i g b e e 2 0 0 6 中的樹狀路由法在z i g b e e 2 0 0 7 得不到支持 1 0 浙江理工大學碩士學位論文 同時z i g b e e 2 0 0 7 新增了多對一性的路由和來源節(jié)點性的路由等新的機制 2 5 1 2 2 3z i g b e e 網絡結構 對于網絡中的設備 i e e e8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 聯(lián)盟所定制的標準分別有不同的定義方 法和規(guī)范術語 在i e e e8 0 2 1 5 4 中 根據設備的功能劃分 網絡中的設備可分為兩類 全 功能設備 f u l l f u n c t i o nd e v i c e f f d 和簡化功能設備 r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e r f d 全功能設備實現(xiàn)了i e e e8 0 2 1 5 4 協(xié)議的全集 而簡化功能設備只實現(xiàn)了其中的一部分 z i g b e e 標準在此基礎上分別將這三種設備定義成 協(xié)調器 c o o r d i n a t o r 路由器 r o u t e r 和終端設備 e n dd e v i c e 2 6 它們的功能如下 1 z i g b e e 協(xié)調器 即i e e e8 0 2 1 5 4 定義的個域網協(xié)調器 是z i g b e e 網絡的建立 者 負責z i g b e e 網絡的初始化 確定個域網標識符 p a ni d e n t i f i e r 和網絡工作的物理信 道 并統(tǒng)籌分配短地址 z i g b e e 協(xié)調器必須是全功能設備 并且一個z i g b e e 網絡只有一 個z i g b e e 協(xié)調器 2 z i g b e e 路由器 是一個全功能設備 功能類似于i e e e8 0 2 1 5 4 定義的協(xié)調器 但它不能建立網絡 在它進入網絡后 它能獲得一定的1 6 位短地址空間 在其通信范圍 內 它能允許其他節(jié)點加入或者離開網絡 分配及收回短地址 路由和轉發(fā)數(shù)據 3 z i g b e e 終端設備 可以是全功能設備 也可以是簡化功能設備 它只能與其父 節(jié)點通信 從其父節(jié)點處獲得網絡標識符 短地址等相關信息 本網關系統(tǒng)采用星型網絡 因此只用到z i g b e e 協(xié)調器和終端節(jié)點 2 2 4z i g b e e 協(xié)議介紹 t 崦a e e 翔8 拍 圖2 6 星型網絡拓撲結構 浙江理工大學碩士學位論文 z i g b e e 堆棧是在i e e e 8 0 2 1 5 4 標準基礎上發(fā)展起來的 該標準僅僅定義了協(xié)議m a c 層和p h y 層 z i g b e e 設備包括i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 層 p h y 層和z i g b e e 堆棧層 z i g b e e 堆棧層包括網絡層 應用層和安全服務管理 圖2 7 描述了這些層之間的關系 應用支持 子層 a p s 使用網絡 n w k 層提供的服務 網絡層負責設備到設備的通信 并且負責 網絡中設備初始化所包含的活動 消息路由和網絡發(fā)現(xiàn) 應用層可以通過z i g b e e 設備對象 a d o 對網絡層進行配置和訪問 由圖2 7 可知 z i g b e e 應用層包括應用支持子層 a p s 圖2 7z i g b e e 協(xié)議結構體系 z i g b e e 設備對象 z d o 和制造商所定義的具體應用對象 應用支持子層主要用來定義設 備在網絡中的角色 如z i g b e e 協(xié)調器和終端節(jié)點 發(fā)現(xiàn)和綁定請求 以及在網絡設備之 間建立安全機制 還負責發(fā)現(xiàn)網絡設備并決定向它們提供服務的類型 根據需要 應用者 可再z i g b e e 應用層中定義自己的應用對象 2 7 1 2 8 1 物理層規(guī)范中定義了z i g b e e 的通信頻率 在不同的國家z i g b e e 提供了不同的工作頻率服務 z i g b e e 定義了2 4 g h z 和8 1 5 9 1 5 m h z 它們都是基于直接序列擴頻 d s s s 技術 2 4 g h z 頻段是全球統(tǒng)一 無須申請的i s m 頻 段 特別適合2 4 g h z 和8 1 5 9 1 5 m h z 設備的使用和推廣 且可以降低生產成本 z i g b e e 中2 4 g h z 的網絡層采用了1 6 相調制技術 可以提供2 5 0 k b s 的傳輸速率 提高了數(shù)據吞 吐量且縮短了通信時延和數(shù)據收發(fā)時間 降低了功耗 表2 4 列舉了z i g b e e 定義的2 7 個 物理信道 其中在8 6 8 m h z 頻段中定義了1 個信道 9 1 5 m h z 頻段中定義了1 0 個信道 信 道間隔為2 m h z 在2 4 g h z 頻段定義了信道間隔為5 m h z 的1 6 個信道 2 9 3 0 1 對于廣泛使用的2 4 g h z 頻段來說 信道的中心頻率f c 可以按公式2 1 計算 1 2 浙江理工大學碩士學位論文 f c 2 4 0 5 5 乖 頻道號一1 1 表2 4z i g b e e 頻率分配 頻道頁頻道號描述 o8 6 8 m h z b p s k 0 1 1 09 1 5 m h z b p s k 1 1 2 6 2 4 g h z o q p s k 0 8 6 8 m h z a s k l 1 1 0 9 1 5 m h z a s k 1 1 2 6 保留 o 8 6 8 m h z o q p s k 2 1 1 0 9 1 5 m h z o q p s k l l 2 6 保留 3 3 1 保留 保留 2 0 圖2 8 描述了完整的z i g b e e 數(shù)據幀的幀結構 包括i e e e 8 0 2 1 5 4 標準中定義的網絡層 介質訪問控制層和z i g b e e 定義的網絡層 應用層 由于z i g b e e 包括信標幀 數(shù)據幀 命 令幀和確認幀 3 圖2 8 只給出了數(shù)據幀的機構 從圖2 8 可知 物理層的幀有效載荷包 含整個介質訪問控制層 m a c 數(shù)據 而介質訪問控制層的幀有效載荷包含了網絡層數(shù)據 網絡層的有效載荷包含了應用層數(shù)據 應用層匝狃圈互工口翌工夏盔丑圍 網絡層 介質訪問 控制層 數(shù)據幀 物理層 竺 一 目的豫廠擂廠播i e e ei e e e組描源有效 幀控制 地址地址半徑域序列號 目的地址源地址 控制路由幀 載倚 2 2 21l0 8 0 8 0 1 變長變長 41l 可變長度 卜同步頭一p 頭h y i 唧載荷 圖2 8 完整的z i g b e e 數(shù)據幀結構 浙江理工大學碩士學位論文 2 3g s m 無線通信技術 g s m g l o b a ls y s t e mo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n 中文全稱為全球無線通信系統(tǒng) 是由 歐洲電信標準組織e t s i 制定的數(shù)字移動通信標準 也是目前應用非常廣泛的移動電話標 準 g s m 電話的使用者遍及全球2 0 0 個國家和地區(qū) 用戶數(shù)量已經超過1 0 億 它的信令 和語音信道是數(shù)字式的 所以被稱作第二代 2 g 移動電話 目前移動和聯(lián)通公司已在全 國建有大量基站 這些基站的建立使得無線信號的覆蓋面及其廣 甚至在偏僻地區(qū)都能有 不錯的信號 用戶只需購買一個s i m 卡 即可使用 它提供了語音通話功能和短消息服務 s m s 功能 g s m 的這些特點使它特別適合用在工業(yè)上的數(shù)據采集中 事實上 它已經 大量應用在工業(yè)控制中 3 2 3 3 1 g s m 無線通信系統(tǒng)由移動交換子系統(tǒng) m s s 基站子系統(tǒng) b s s 和移動臺 m s 三部分組成 g s m 采用高效調制器 信道編碼 交織 均衡和 語音編碼技術使得g s m 的頻率效率高 由于采用數(shù)字傳輸技術 g s m 的語音質量很好 提供開放接口 使用鑒權 加密和t m s i 號碼使g s m 系統(tǒng)安全 它可提供全球范圍內漫 游功能 用戶可從一個網絡自動進入另一個網絡 漫游在s i m 卡及i m s i 國際移動用戶 識別號 基礎上實現(xiàn) 3 4 1 3 5 1 2 3 1a t 指令集概述 常用a t 指令如表2 5 所示 a t 是英文a t t e n t i o n 的縮寫 它由h a y e s 公司發(fā)明 現(xiàn)在 已成為事實上的標準 成為被所有調制解調器制造商采用的一個調制解調器命令語言 每 條命令以字母 a t 開頭 因而得名 a t 后跟字母和數(shù)字表明具體的功能 后來 主要的 移動電話生產廠商諾基亞 愛立信 摩托羅拉和h p 共同為g s m 研制了一整套a t 指令 a t 指令在此基礎上演化并被加入g s m 0 7 0 5 標準以及現(xiàn)在的g s m 0 7 0 7 標準 成為比 較健全的標準 用戶可以通過a t 指令進行呼叫 短信 電話本 數(shù)據業(yè)務 傳真等方面 的控制 3 6 1 每個a t 指令執(zhí)行成功與否都有相應的返回 執(zhí)行成功則返回o k 失敗則返 回e r r o r 如果有人撥號進來或者找不到信號 模塊會有對應信息提示 接收端可根據 提示做相應處理 3 7 常用a t 指令見表2 5 s m s s h o r tm e s s a g i n gs e r v i c e 應用非常普遍 s m s 的意思是短消息服務 它是一種存儲和轉發(fā)服務 其實短消息并不是直接從發(fā)送人發(fā) 送到接收人 而始終通過s m s 中心進行轉發(fā) 如果接收人處于未連接狀態(tài) 可能電話已 關閉 則消息將在接收人再次連接時發(fā)送 現(xiàn)在對s m s 的控制共有兩種實現(xiàn)途徑 基于 a t 指令的t e x t m o d e 和基于a t 指令的p d u m o d e 1 4 浙江理工大學碩士學位論文 表2 5 常用a t 指令 指令功能 a t c g m l給出模塊廠商的標識 a t c g m m 獲得模塊標識 得到支持頻帶 i s m 9 0 0 d c s l8 0 0 或p c s l 9 0 0 般 指 a t c g s n 獲得g s m 模塊的i m e i i 國際移動設備標識 序列號 令 a t c c i d 獲得s i m 膏的標識 使模塊讀取s i m 卡上的e f c c i d 文件 a t c p o f 關機 停止g s m 軟件堆棧和硬件層 功能同a t c f u n 0 a t d 撥號命令 這個命令用來設置通話 數(shù)據或傳真呼叫 呼 叫 a t h 掛機命令 控 制 a 接電話 指 令 a t s 0 自動應答 a d s l 重播上次號碼 網 a t c s q 信號質量 絡 服 務 a t c r e g 網絡注冊 獲得手機的注冊狀態(tài) 指 令 a t c o p s 服務商選擇 a t c m g c 發(fā)出一條短消息命令 a t c m g d 刪除s i m 卡內存的短消息 a t c m g f 選擇短消息信息格式 0 p d u 1 t e x t a n c s m s 選擇短消息服務 短a t c m g r 讀短消息 消 息 a t c m g s 發(fā)送短消息 指 令 a t c n m i 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