畢業(yè)設計（論文）_基于ZigBee的家居防盜系統(tǒng)研究

1、 henan institute of engineering 文獻綜述 題 目 基于 zigbee 協(xié)議的家庭 防盜系統(tǒng)研制 學生姓名 專業(yè)班級 電氣工程及自動化 1 班 學 號 系 （部） 電氣信息工程系 指導教師(職稱) 完成時間 2011 年 2 月 28 日 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 河南工程學院論文版權使用授權書河南工程學院論文版權使用授權書 本人完全了解河南工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定，同意如下 各項內(nèi)容：按照學校要求提交論文的印刷本和電子版本；學校有權保存論文的印刷 本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學校有權提 供目錄

2、檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權按有關規(guī)定向國家 有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學校 可以適當復制論文的部分或全部內(nèi)容用于學術活動。 論文作者簽名： 2011 年 6 月 6 日 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 河南工程學院畢業(yè)設計河南工程學院畢業(yè)設計(論文論文)原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文，是本人在指導教師指導下，進行研究工作所取得 的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、 已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的 其他個人和集體，均已在

3、文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由 本人承擔。 論文作者簽名： 2011 年 6 月 6 日 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 目 錄 中文摘要.i 英文摘要.ii 1 緒論.ii 1.1 國內(nèi)外相關技術發(fā)展現(xiàn)狀 .1 1.1.1 國內(nèi)外家居防盜系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.1.2 無線局域網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀.1 1.2 家居防盜系統(tǒng)的特點和設計中考慮因素 .2 1.2.1 傳統(tǒng)家居防盜系統(tǒng)的特點和不足.2 1.2.2 家居防盜系統(tǒng)設計主要考慮的因素.2 1.3 家居防盜系統(tǒng)中無線通信技術的選擇 .2 2 家居防盜系統(tǒng)的無線組網(wǎng)技術-zigbee .4 2.1 zigbe

4、e 技術的起源 .4 2.2 選擇 zigbee 技術組建家居防盜網(wǎng)絡.4 2.3 zigbee 協(xié)議架構 .4 2.3.1 物理層規(guī)范.5 2.3.2 mac 層規(guī)范 .5 2.3.3 網(wǎng)絡層規(guī)范.5 2.3.4 應用層規(guī)范.6 2.4 zigbee 技術安全管理 .6 2.5 本章小結(jié) .6 3 zigbee 應用開發(fā)相關基礎.7 3.1 zigbee 應用開發(fā)相關概念 .7 3.1.1 配置文件.7 3.1.2 描述符.7 3.1.3 綁定.8 3.1.4 發(fā)現(xiàn).8 3.2 zigbee設備類型.8 3.3 zigbee網(wǎng)絡拓撲.9 3.3.1 星型網(wǎng)絡拓撲.9 3.3.2 樹狀網(wǎng)絡拓撲

5、.9 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 3.3.3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲.10 3.4 zigbee網(wǎng)絡構建.11 3.4.1 zigbee 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建新網(wǎng)絡.11 3.4.2 設備入網(wǎng).11 3.5 zigbee網(wǎng)絡地址分配機制.11 3.5.1.隨機分配機制.11 3.5.2.分布式分配機制.11 3.6 路由.12 3.7 數(shù)據(jù)傳輸.13 3.7.1 向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù).13 3.7.2 協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù).13 3.7.3 對等傳輸數(shù)據(jù).14 3.8 本章小結(jié).14 4 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)設計.15 4.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃 .15 4.1.1 系統(tǒng)總體方案設計.15 4.1.

6、2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構選擇.15 4.1.3 配置文件設計.16 4.2 系統(tǒng)硬件設計 .16 4.2.1 zigbee 模塊設計.16 4.2.2 系統(tǒng)傳感器節(jié)點設計.17 4.3 本章小結(jié).18 5 系統(tǒng)軟件設計.19 5.1 zigbee 模塊相關軟件設計 .19 5.2 pc 監(jiān)控軟件設計.22 5.3 本章小結(jié).22 結(jié)束語.23 致 謝.24 參考文獻.25 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 i 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)研究 摘摘 要要 隨著科技的進步和人民生活水平的日益提高，人們將注意力越來越多地放在了他 們的生活環(huán)境上，他們渴望更安全、更舒適、更便利的生活空間。家

7、居防盜系統(tǒng)利用 計算機技術和網(wǎng)絡技術，將與家居生活中安全相關的各種子系統(tǒng)，有機地結(jié)合在一起， 通過統(tǒng)籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環(huán)境。 本文介紹了家居防盜系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況，綜合比較了目前流行的幾種短距離 無線通信技術，認為 zigbee 這種新興的低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術 是更加適合無線家居防盜系統(tǒng)的技術標準。所以選擇 zigbee 技術組建了家居防盜系統(tǒng) 無線通信網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，具有自組網(wǎng)、自修復、傳感器節(jié)點動 態(tài)加入、自動報警功能。 本文深入地對 zigbee 協(xié)議做了全面的研究分析，包括各個通信協(xié)議層的結(jié)構與功 能，在此基礎上介紹了

8、 zigbee 技術應用開發(fā)的相關概念，并采用 ti 公司的單芯片 cc2430 解決方案設計實現(xiàn)了一個基于 zigbee 家居防盜系統(tǒng)，設計內(nèi)容包括系統(tǒng)總體 規(guī)劃、系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計。 關鍵詞關鍵詞 zigbee/cc2430/家居防盜 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 ii research of home security system basedon zigbee abstract with the development to modern science and the raising of peoples living standard, people pay

9、more and more attention to their living environment. they want an intelligent living space which makes their life safer, more comfortable and more convenient. the home security system takes the advantage of computer technology and network technology to combine all the sub-system related with our hom

10、e life together and manages the masawhole,so a stop provide a safer, more comfortable and more convenient living environment. this thesis introduces the development to home security system although meant abroad. through the analys is and comparation of several related short-ranged wireless network t

11、echnology standards which are popular nowadays, i think zigbee, anew low-power, low- rateand low-cost short-ranged wireless network technology, is better suit able for the wireless home security system. so i choose the zigbee as networking method to setup the home security wireless communication net

12、work with me shtopology.this network is self-organizing, self-repairing, and sense node can join dynamically, alarm auto matically. this thesis researches and analyses the zigbee protocol standard in details, including the structure and function of each protocollayer.then introduces some concepts re

13、lated to the zigbee application development. adopt tis single-chip solutioncc2430 to build our home security system based on zigbee.my work contain cover all plan of the system, the hard ware design of the system and the soft ware design of the system. key words zigbee, cc2430, and homesecurity 基于 z

14、igbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 1 1 緒論 1.1 國內(nèi)外相關技術發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.1 國內(nèi)外家居防盜系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 自從世界上第一幢智能建筑于 1984 年在美國出現(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大 利亞和東南亞等經(jīng)濟比較發(fā)達的國家先后提出了各種智能家居防盜系統(tǒng)方案。近來， 以美國微軟公司及摩托羅拉公司等為首的一批國際知名企業(yè)，先后躋身于智能家居防 盜系統(tǒng)的研究與開發(fā)中，3com 公司也一直在通過因特網(wǎng)向用戶宣傳智能家居防盜系 統(tǒng)這一概念，并正在研發(fā)家用無線網(wǎng)關等網(wǎng)絡產(chǎn)品。此外 intel 公司、托馬杜多媒體公 司、日本松下電器公司、新加坡科技電子公司、韓國三星公司等知名企業(yè)也正致力于 智

15、能家居防盜系統(tǒng)的研發(fā)工作。 在國外各大企業(yè)研發(fā)智能家居防盜產(chǎn)品的同時，國內(nèi)廠商也已開始智能家居防盜 產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，特別是一些大型 it 企業(yè)利用自身在資金與技術方面的優(yōu)勢，在 低端產(chǎn)品市場上占據(jù)了相當重要的地位。比如：清華同方 e-home 事業(yè)部、北京德達 創(chuàng)先科技集團、南京普天樓宇智能有限公司、中美科龍公司、上海五艾智能系統(tǒng)有限 公司、深圳正星特科技有限公司等都正加緊研發(fā)智能家居防盜系統(tǒng)的相關產(chǎn)品。 總體來說，中國的家居防盜行業(yè)剛剛起步，它還顯得比較稚嫩。國家尚沒有正式 頒布相關的行業(yè)技術標準，廠家采用各自不同的技術解決方案，這在某種程度上制約 了中國家居防盜行業(yè)的發(fā)展，在今后相當長一

16、段時間內(nèi)技術的整合趨勢將形成統(tǒng)一的 標準。而且目前大都采用了有線通信技術，系統(tǒng)設計、布線成本較高，基于無線通信 技術的家居防盜系統(tǒng)目前還處于試驗階段。 1.1.2 無線局域網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 無線局域網(wǎng)是計算機間的無線通信網(wǎng)絡。相比有線通信的悠久歷史，無線網(wǎng)絡的 歷史并不長，特別是充分發(fā)揮無線通信的“可移動”特點的無線局域網(wǎng)則是 20 世紀 90 年代才出現(xiàn)的。1985 年，美國聯(lián)邦通信委員會(federal communication committees， fcc)授權普通用戶可以使用 ism 頻段，把無線局域網(wǎng)推向商業(yè)化發(fā)展。 fcc 定義的 ism 頻段為 902-928mhz，2.4

17、-2.4835ghz 和 5.725-5.875ghz 三個頻段。 目前世界上大部分國家的無線電管理機構也分別設置了各自的 ism 頻段，1996 年我 國無線電管理委員會開放了 2.4-2.4835ghz(ieee 標準)的 ism 頻段。ism 頻段的免 費開放對無線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的積極影響，保證了無線局域網(wǎng)元器件的順利開 發(fā)。近幾年，由于數(shù)據(jù)通信需求的推動，加上半導體、計算機等相關電子技術領域的 快速發(fā)展，短距離無線通信技術也經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的階段。各種新的短距離無線 技術不斷的被提出并取得了令人矚目的成就。如 wlan 技術、homerf 技術、藍牙 技術、紅外通信技術、移動自

18、組織網(wǎng)絡技術(ad-hoc),以及近年興起的 zigbee 技術等。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 2 1.2 家居防盜系統(tǒng)的特點和設計中考慮因素 1.2.1 傳統(tǒng)家居防盜系統(tǒng)的特點和不足 傳統(tǒng)的家居防盜系統(tǒng)一般是有線方式組建的普遍還存在以下缺點： 1基于有線方案的明顯缺點是布線麻煩，增減設備需要重新布線，而且影響美觀； 2系統(tǒng)可擴展性差，系統(tǒng)安裝和維護成本高，移動性能差； 3標準不統(tǒng)一，家居內(nèi)部設備的通信和控制沒有遵循一個國際上統(tǒng)一的通信接口 標準，設備在家居內(nèi)部的編碼方式隨意混亂。 1.2.2 家居防盜系統(tǒng)設計主要考慮的因素 針對以上提出的目前家居防盜系統(tǒng)中存在的不足，本文從

19、技術發(fā)展的角度來考察 設計中應考慮的因素。與家居數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的核心目標不一樣，家居防盜系統(tǒng)網(wǎng)絡需 要的是低速率、低成本的控制手段。從實用的角度來看，防盜系統(tǒng)需要的是能提供更 便利、更智能的無線通信網(wǎng)絡。在家居防盜網(wǎng)絡中，應該要考慮以下特點： 1自組織。不能期望用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)進行復雜的配置和管理，網(wǎng)絡環(huán)境下各種資 源的自組織和協(xié)同工作顯得十分重要； 2節(jié)點的動態(tài)加入或撤離。要求節(jié)點的動態(tài)加入和撤離不會影響整個網(wǎng)絡的運行； 3可擴展性。期望軟硬件設計過程中能夠遵循模塊化設計思想，在將來的擴展過 程中能夠改動較少，甚至無需修改。 1.3 家居防盜系統(tǒng)中無線通信技術的選擇 家居防盜系統(tǒng)中，網(wǎng)絡技術的選

20、擇一般以下面兩個方面作為依據(jù)：一是組建網(wǎng)絡 的性能要求，如數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性等；另一個就是能否滿足用戶的功能需求。與 家居數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的核心目標不同，家居防盜系統(tǒng)需要的是短距離、低速率、低功耗、低 成本的監(jiān)測和控制手段以及靈活的組網(wǎng)方式。 目前比較流行的無線標準有 wifi 技術、藍牙技術、gprs/gsm 等等。zigbee 技術和藍牙技術都屬于 ieee802.15 協(xié)議，在一定的范圍內(nèi)有重疊，但其各自的技術 特點決定了其應用的側(cè)重點仍有很大的不同。zigbee 技術作為一種低功耗、低數(shù)據(jù)速 率、低成本的無線網(wǎng)絡技術，更適合于家庭自動化、安全保障系統(tǒng)及進行低數(shù)據(jù)速率 傳輸?shù)牡统杀驹O備之間應用

21、，而藍牙更適合于語音業(yè)務及需要更高數(shù)據(jù)量的業(yè)務，如 移動電話、耳機等。zigbee 與藍牙技術相比較有許多相似點，但就應用于家庭網(wǎng)絡中 來說，zigbee 技術更具優(yōu)勢。藍牙的傳輸距離小于 10 米，這在大一點的家庭住宅中 是一個極大的障礙，因而很難構成無線通信網(wǎng)絡，而 zigbee 的最大傳輸范圍在 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 3 10100 米，非常適合家庭網(wǎng)絡的組建；其次，在一個藍牙網(wǎng)絡中最多容納 8 個節(jié)點， 而 zigbee 理論上最大可以組建 65536 個節(jié)點的網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡容量遠遠大于藍牙，可 以遠遠滿足家庭網(wǎng)絡的需要；最后，藍牙模塊的成本較高，其功耗也比 zig

22、bee 相比大 很多。雖然藍牙的傳輸速率要大過 zigbee，但 zigbee 的 250kbps 的傳輸速率在家庭 網(wǎng)絡中已足夠使用。而 ieee802.11 是 ieee 最初制訂的一個無線局域網(wǎng)標準，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/a/g 標準，但這都是高速率傳輸協(xié)議，用于家居 控制網(wǎng)絡有些大材小用，而且價格昂貴。 另外，在家庭防盜網(wǎng)絡中，往往有很多子節(jié)點采用電池供電，例如分布在住宅各 處的傳感器節(jié)點，這就需要極低的功耗且在通常狀態(tài)下應具有休眠狀態(tài)，從而最大程 度地延長電池的壽命，減少網(wǎng)絡

23、的維護費用，降低系統(tǒng)的成本，zigbee 在低功耗方面 有出色的表現(xiàn)，zigbee 主要通過降低收發(fā)信機的忙閑比及數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，降低幀開 銷以及實行嚴格的功率管理機制，例如關機及睡眠模式等方式來降低設備的綜合功耗。 再者，zigbee 技術的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采取了 csma-ca 機制，同時為需要 固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，mac 層可以 使用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，此時每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待對方的確認信息。 值得說明的還有一點，zigbee 技術通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，設備 搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值為 15m

24、s，活動設備信道接入時延為 15ms。 通過上述分析，可以得出結(jié)論，zigbee 技術無疑是家庭無線防盜系統(tǒng)實現(xiàn)的一個 很好的選擇。zigbee 技術彌補了短距離、低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空 缺，隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量已經(jīng)轉(zhuǎn)到應用的設計和實現(xiàn) 上了。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 4 2 家居防盜系統(tǒng)的無線組網(wǎng)技術-zigbee 2.1 zigbee 技術的起源 “zigbee”一詞源自蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳 zigzag 形舞蹈來告知同伴， 傳遞所發(fā)現(xiàn)新食物的位置、距離和方向等信息?？梢哉f，是一種小動物通過簡捷的方 式實現(xiàn)“無線”的溝通

25、，人們借此來稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低 速率的短距離無線網(wǎng)絡通信技術。zigbee 早期也曾被稱過“homerf lite” 、 “rf- easylink”或“firefly”無線通信技術，目前統(tǒng)一稱之為“zigbee 技術” 。 現(xiàn)實生活中，也存在著許多這樣的無線應用，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突 發(fā)信號，要求進行實時傳送，例如工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭 數(shù)字控制網(wǎng)絡等應用，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低，系統(tǒng)所使用的終端設備 通常為采用電池供電的嵌入式設備，如無線傳感器網(wǎng)絡，因此，這些系統(tǒng)必須要求傳 輸設備具有成本低、功耗小的特點，針對這些特點和需求

26、，由英國 invensys 公司、日 本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司在 2002 年共同宣布組成 zigbee 技術聯(lián)盟，合力推動 zigbee 技術。到了 2004 年底，zigbee1.0 版標準正式 公布。2004 年底到 2006 年不到兩年的時間里，zigbee 聯(lián)盟已經(jīng)由最初的十多家公 司發(fā)展到擁有全世界 150 多家知名廠商加盟的商業(yè)團體。在眾多廠商的追捧下， zigbee 技術正呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢。 2.2 選擇 zigbee 技術組建家居防盜網(wǎng)絡 1. 采用標準化的 zigbee 無線通信技術應用于家居防盜系統(tǒng)有下列優(yōu)勢： 家居防盜系統(tǒng)中各種功能的傳感

27、器節(jié)點要能相互交流、相互溝通，就需要保證節(jié)點的 互通性，即網(wǎng)絡的標準化。 2家居防盜系統(tǒng)中各種功能的傳感器節(jié)點可以像一個星狀連接；也可以像一個葡 萄串一樣串在一起；還可以像一張大網(wǎng)一樣相互連接，相互間可以在任意節(jié)點間進行 通信。 3按照 zigbee 標準設計生產(chǎn)出來的監(jiān)測和控制產(chǎn)品，與那些使用其他無線標準 （如藍牙和 wi-fi）的產(chǎn)品相比，安裝更容易，功耗更低；特別是在處理遠程監(jiān)測和 控制系統(tǒng)中，區(qū)別更加明顯。 2.3 zigbee 協(xié)議架構 zigbee 協(xié)議架構是建立在 ieee802.15.4 標準基礎之上的。ieee802.15.4 標準定 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研

28、制 5 義了 zigbee 協(xié)議的物理層（phy）和媒體訪問控制層（mac） 。zigbee 聯(lián)盟則定義 了 zigbee 協(xié)議的網(wǎng)絡層（nwk） 、應用層（apl）和安全服務規(guī)范。zigbee 協(xié)議棧 以 osi 七層參考模型為基礎，只定義了其中與 lr-wpan（低速無線個域網(wǎng)）應用相 關的協(xié)議層。 服務是一個協(xié)議層（服務提供者）向其上一層（服務用戶）提供的功能，而服務 用戶的功能是建立在其下一層提供的服務基礎之上的。服務是通過服務提供層和服務 用戶層之間的信息流來描述的，層間信息流是一系列離散的事件，每個事件通過層間 sap（服務訪問點）發(fā)送一個服務原語。服務原語是一個抽象的概念，它僅僅

29、指定了 實現(xiàn)特定的服務需要傳遞的信息，而與實現(xiàn)服務的具體方式無關。一種服務包括一個 或多個服務原語，原語中的參數(shù)用來傳遞提供服務所要求的信息。 2.3.1 物理層規(guī)范 ieee802.15.4 物理層主要完成以下幾項任務： 1開啟和關閉無線收發(fā)信機； 2對當前信道進行能量檢測（ed，energy detect） ，信道能量檢測為網(wǎng)絡層提供 信道選擇依據(jù)； 3對接收的數(shù)據(jù)包進行鏈路質(zhì)量指示（lqi，link quality indication） ，鏈路質(zhì)量指示 為網(wǎng)絡層和應用層提供接收數(shù)據(jù)幀時無線信號的強度和質(zhì)量信息； 4空閑信道評估（cca，clear channel assessment）

30、 ，判斷信道是否空閑； 5信道頻率選擇； 6發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 2.3.2 mac 層規(guī)范 mac 層需要處理接入到物理無線信道等事務，并負責以下任務： 1產(chǎn)生網(wǎng)絡信標（如果設備是協(xié)調(diào)器） ； 2同信標保持同步； 3支持 pan 的連接和斷開連接； 4支持設備的安全性； 5信道接入采用 csma-ca 機制； 6處理和維護 gts 機制； 7在對等的 mac 實體之間提供一個可靠的通信鏈路。 2.3.3 網(wǎng)絡層規(guī)范 網(wǎng)絡層應提供保證 ieee802.15.4-2003 mac 層正確工作的能力并為應用層提供合 適的服務接口。為了與應用層接口，網(wǎng)絡層從概念上包括兩個服務實體：網(wǎng)絡層數(shù)據(jù) 服務實體和

31、網(wǎng)絡層管理服務實體。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體（nlde）通過 nlde-sap 為應用 層提供數(shù)據(jù)服務；網(wǎng)絡層管理實體（nlme）通過 nlme-sap 為應用層提供管理服 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 6 務。nlme 要借助 nlde 完成部分管理任務，另外它還要維護一個有關管理對象的數(shù) 據(jù)庫，即網(wǎng)絡層信息庫（nib） 。 2.3.4 應用層規(guī)范 zigbee 應用層包括應用支持子層（aps） 、zigbee 設備對象（zdo）和廠商定義 的應用對象。 2.4 zigbee 技術安全管理 zigbee 提供了三級安全模式，包括非安全模式、接入控制列表（acl）模式和安 全模式，以及采用

32、高級加密標準 aes128 的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。安全 模式對接收或發(fā)送的幀提供全部的四種安全服務：訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性檢 查和序列更新。 2.5 本章小結(jié) 本章對 zigbee 技術作了完整的介紹，包括 zigbee 技術的起源、協(xié)議框架以及 各個通信協(xié)議層。其中詳細分析了各個通信協(xié)議層的具體功能與作用，最后簡單介紹 了 zigbee 技術安全管理。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 7 3 zigbee 應用開發(fā)相關基礎 3.1 zigbee 應用開發(fā)相關概念 3.1.1 配置文件 配置文件（profile）是一個關于消息、消息格式和處理行為的協(xié)議，它使得位于

33、分 離設備的應用層能通過發(fā)送命令、請求數(shù)據(jù)和處理命令/請求來創(chuàng)建一個互操作的、分 布式的應用程序。家庭照明控制配置文件是最早的配置文件，該配置文件允許 6 個設 備類型相互交換控制信息構成一個家庭無線自動化應用。這些設備結(jié)合在一起交換約 定消息（采用 kvp 服務類型）來實現(xiàn)控制，如開關燈、發(fā)送光感應器件的測量結(jié)果 到照明控制器、感應器檢測到移動時發(fā)出報警信息等。 zigbee 聯(lián)盟已經(jīng)定義了部分標準的配置文件，比如遠程控制開關配置文件和光傳 感器配置文件等。任何遵循某一標準配置文件的節(jié)點都可以與實現(xiàn)相同配置文件的節(jié) 點進行互操作。用戶也可以創(chuàng)建自己的配置文件然后遞交 zigbee 聯(lián)盟測試、

34、審核批 準。配置文件標識是唯一的。一旦得到配置文件標識，就允許配置文件設計者定義并 分配以下內(nèi)容：設備描述、簇標識、服務類型（kvp 或 msg） 。 1簇標識 簇由簇標識區(qū)分，簇標識與流出或流入設備的數(shù)據(jù)是相關聯(lián)的。簇標識在特定的 配置文件中是獨一無二的。通過一個輸出簇標識和一個輸入簇標識的匹配（假設在同 一個配置文件中） ，才能實現(xiàn)綁定。 2設備描述 設備描述是指一個大型目標應用的一部分，包括一個或多個簇，并且指定簇是輸 入還是輸出。 3服務類型 應用框架可以給一個應用對象提供兩個數(shù)據(jù)服務：鍵值對服務和消息服務。 3.1.2 描述符 zigbee 設備用描述符數(shù)據(jù)結(jié)構對自身進行描述。zig

35、bee 描述符分為 5 種：節(jié)點、 節(jié)點電源、簡單的、復雜的、用戶。 1節(jié)點描述符 節(jié)點描述符包含的是有關 zigbee 節(jié)點能力的信息，該描述符對各個節(jié)點都是強 制支持的。在一個節(jié)點中只有一個節(jié)點描述符。 2節(jié)點電源描述符 節(jié)點電源描述符動態(tài)指示節(jié)點電源的狀態(tài)，它是每個節(jié)點必須支持的描述符。每 個節(jié)點只能有一個節(jié)點電源描述符。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 8 3簡單描述符 簡單描述符包含的是節(jié)點中各端點的特定信息。簡單描述符是節(jié)點中的每個端點 必須支持的描述符。 4復雜描述符 復雜描述符包含的是節(jié)點中各個設備描述的擴展信息。復雜描述符的使用是可選 的。 5用戶描述符 用戶描述

36、符包含的信息允許用戶使用用戶友好的字符串來標識設備。用戶描述符 的使用是可選的。該描述符只有一個 16 字節(jié)的字段，最多包含 16 個字符。 3.1.3 綁定 zigbee 定義了一個稱為端點綁定的特殊過程。綁定即在源節(jié)點的某個端點 （endpoint）和目標節(jié)點的某個端點（endpoint）之間創(chuàng)建一條邏輯鏈路。綁定可以發(fā) 生在兩個或多個設備之間。協(xié)調(diào)器節(jié)點維護一個基本上包括兩個或多個端點之間的邏 輯鏈路的綁定表。 3.1.4 發(fā)現(xiàn) 1設備發(fā)現(xiàn) 設備發(fā)現(xiàn)是一個 zigbee 設備通過發(fā)起詢問（廣播和單播）發(fā)現(xiàn)其他 zigbee 設 備的過程。這里有兩種形式的設備發(fā)現(xiàn)請求：ieee 地址（64

37、 位）請求和 nwk 地址 （16 位）請求。ieee 地址請求是單播，并且假定知道 nwk 地址。nwk 地址請求 是廣播，并把 ieee 地址作為它的凈載荷。 2服務發(fā)現(xiàn) 服務發(fā)現(xiàn)是接收設備端點的服務被其他設備發(fā)現(xiàn)的過程。服務發(fā)現(xiàn)通過向給定設 備的每個端點發(fā)出輪詢或通過使用一個匹配服務特征（要么廣播，要么單播）得以完 成。服務發(fā)現(xiàn)使用了復雜描述符、用戶描述符、節(jié)點描述符或功率描述符加上端點 （為了連接應用對象）進一步尋址的簡單描述符。 3.2 zigbee 設備類型 zigbee 是 zigbee 聯(lián)盟在 ieee802.15.4 定義的物理層（phy）和媒體訪問控制層 （mac）基礎之上

38、制定的一種 lr-wpan（低速無線個域網(wǎng)）技術規(guī)范。對于網(wǎng)絡中 的設備，ieee802.15.4 和 zigbee 聯(lián)盟所制定的標準分別有不同的定義方法和規(guī)范術語。 根據(jù)設備功能的不同，ieee802.15.4 把網(wǎng)絡中的設備分為全功能設備（ffd）和簡化功 能設備（rfd） 。ffd 實現(xiàn)了 ieee802.15.4 協(xié)議的全集，而 rfd 則根據(jù)特定的應用需 要只實現(xiàn)了 ieee802.15.4 完整協(xié)議中的一部分。一個 ffd 可以和 rfd 通信，也可以 和其他的 ffd 通信；而 rfd 只能和 ffd 通信。pan 協(xié)調(diào)器是 pan 網(wǎng)的總控制器， 一個 ieee802.15.4

39、 網(wǎng)絡中只有一個 pan 協(xié)調(diào)器，pan 協(xié)調(diào)器必須是 ffd。協(xié)調(diào)器也 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 9 是 ffd，它通過發(fā)送信標提供同步服務，pan 協(xié)調(diào)器是一種特殊的協(xié)調(diào)器。 ieee802.15.4 網(wǎng)絡中除 pan 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器之外的其他設備都是一般設備，它們可以 是 ffd，也可以是 rfd。zigbee 聯(lián)盟把 ieee802.15.4 中定義的 pan 協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器 和一般設備分別稱作“zigbee 協(xié)調(diào)器” 、 “zigbee 路由器” 、 “zigbee 終端設備” 。 3.3 zigbee 網(wǎng)絡拓撲 3.3.1 星型網(wǎng)絡拓撲 星型網(wǎng)絡拓撲包含了一個 z

40、igbee 協(xié)調(diào)器和一個或更多的終端設備。星型網(wǎng)絡拓撲 如圖 3-1 所示，所有的終端設備都只與 zigbee 協(xié)調(diào)器通信。如果某個終端設備需要傳 輸數(shù)據(jù)到另一個終端設備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 目標接收器終端設備。 圖 3-1 星型網(wǎng)絡拓撲 星型網(wǎng)絡拓撲的最大優(yōu)點是結(jié)構簡單。這種簡單帶來的好處是：很少有上層協(xié)議 需要執(zhí)行、較低的設備成本、較少的上層路由信息、管理簡便。但是這種簡單是以犧 牲靈活性為代價的，因為需要把每個終端節(jié)點放置在 zigbee 協(xié)調(diào)器的通信范圍之內(nèi)， 這必然會限制無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。另外，星型網(wǎng)絡拓撲很難實現(xiàn)高密度網(wǎng)絡擴展， 集中的信息涌向中心

41、節(jié)點，容易形成熱點，導致通信堵塞、丟包、性能下降等，這取 決于數(shù)據(jù)量的情況。目前，星型網(wǎng)絡結(jié)構是最常見的網(wǎng)絡配置結(jié)構，被大量應用在遠 程監(jiān)測和控制中。 3.3.2 樹狀網(wǎng)絡拓撲 樹狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構是多個星型拓撲的集合。如圖 3-2 所示。終端設備可以選擇加 入 zigbee 協(xié)調(diào)器或者 zigbee 路由器。路由器提供兩種功能的服務。一是為整個網(wǎng)絡 增加可能的節(jié)點數(shù)。二是擴展網(wǎng)絡覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設備不需 要在協(xié)調(diào)器的射頻范圍內(nèi)也可以加入網(wǎng)絡。在樹狀網(wǎng)絡中，所有的信息都由樹節(jié)點來 組織路由。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 10 圖 3-2 樹狀網(wǎng)絡拓撲 樹型拓撲結(jié)

42、構最值得注意的地方就是它保持了星型拓撲的簡單性：較少的上層路 由信息、較低的存儲器要求，這樣成本必然也較低。然而，樹型拓撲結(jié)構也不能很好 地適應外部的動態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，在信息源與目的之間，有且僅有一條傳輸 路徑，任何一個節(jié)點的中斷或故障將會使部分節(jié)點脫離網(wǎng)絡。樹型拓撲結(jié)構的最佳應 用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好地用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量（如傳感器） 的大規(guī)模集合的應用之中。如果應用需要一定的覆蓋范圍，網(wǎng)絡有一定的穩(wěn)定性和擴 展性，樹型拓撲結(jié)構將是一個簡單的選擇。 3.3.3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲 網(wǎng)狀網(wǎng)類似于樹狀網(wǎng)絡配置，如圖 3-3 所示。只是 ffd 可以直接把消息發(fā)送給其 他的

43、ffd 而不用沿著樹來傳輸。來自 rfd 的消息依然要通過它的父節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)狀 網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)勢在于減少了消息傳輸?shù)臅r延并且增加了可靠性。 圖 3-3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲 網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲是一個自由設計的拓撲，具有很高的適應環(huán)境的能力。從圖中可以 看出，網(wǎng)絡中任意兩個節(jié)點的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲與星型網(wǎng)絡拓撲、 樹型網(wǎng)絡拓撲相比，更加復雜，其路由拓撲是動態(tài)的，不存在一個固定可知的路由模 式。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 11 3.4 zigbee 網(wǎng)絡構建 3.4.1 zigbee 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建新網(wǎng)絡 zigbee 協(xié)調(diào)器按如下步驟創(chuàng)建新網(wǎng)絡。1信道能量檢測掃描。nlme 將根據(jù)

44、能量 遞增的順序?qū)π诺琅判虿⑻蕹渲心芰繌姸炔环弦蟮男诺馈?nlme 在剩下的信 道上執(zhí)行主動掃描。為了找到最合適創(chuàng)建新網(wǎng)絡的信道，nlme 檢索主動掃描返回的 pan 描述符，找到其中現(xiàn)存網(wǎng)絡最少的第一個信道作為創(chuàng)建新網(wǎng)絡的工作信道。 3nlme 為新網(wǎng)絡選擇一個 panid。如網(wǎng)絡層的請求原語中指定了 panid，并且與 現(xiàn)存網(wǎng)絡的 panid 不沖突，那么 panid 的值就是新網(wǎng)絡的 panid；否則，設備將隨 機選擇一個唯一的且不大于 0 x3fff 的 panid，并將 mac 層屬性 macpanid 設為選定 的 panid，如果沒有唯一的 panid 可選，創(chuàng)建新網(wǎng)絡失敗

45、。4選擇 16 位網(wǎng)絡地址。 zigbee 協(xié)調(diào)器的 nlme 選擇 0 x0000 作為自己的網(wǎng)絡地址，并將 mac 層屬性 macshortaddress 的值設為 0 x0000.5開始啟動新網(wǎng)絡。 3.4.2 設備入網(wǎng) 當網(wǎng)絡中的 zigbee 協(xié)調(diào)器或 zigbee 路由器允許一個新設備加入網(wǎng)絡時，這兩個 設備就構成了父子關系。新加入的設備是子設備，而第一個設備是父設備。 。一個子設 備可以通過下面兩種方式加入網(wǎng)絡：通過 mac 層關聯(lián)過程加入網(wǎng)絡或由先前指定的父 設備直接加入網(wǎng)絡。 一個被直接加入到網(wǎng)絡中的設備為了完成與父設備的關系建立，將啟動孤立申明 過程，即子設備通過孤立申明加

46、入網(wǎng)絡；一個加入到網(wǎng)絡中的子設備又與父設備失去 聯(lián)系時，要重新加入網(wǎng)絡也要啟動孤立申明過程，即子設備通過孤立申明重新加入網(wǎng) 絡。 3.5 zigbee 網(wǎng)絡地址分配機制 3.5.1.隨機分配機制 隨機分配機制是指當 nib 的 nwkaddralloc 值為 0 x02 時，地址隨機選擇。在這種 情況下 nwkmaxrouter 就無意義了。隨機地址分配應符合 nist 測試中的描述 。當一 個設備加入網(wǎng)絡使用的是 mac 地址，其父設備應選擇一個尚未分配過的隨機地址。一 旦設備已分配一個地址，它沒有理由放棄該地址，并應予以保留，除非它收到聲明， 其地址與另一個設備沖突。此外，設備可能自我指派

47、隨機地址，比如利用加入命令幀 加入一個網(wǎng)絡。 3.5.2.分布式分配機制 每個 zigbee 設備應該擁有一個唯一的 mac 地址。協(xié)調(diào)器（coordinator）在建立網(wǎng) 絡以后使用 0 x0000 做為自己的短地址。在路由器（router）和終端(enddevice)加入網(wǎng)絡 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 12 以后，使用父設備給它分配的 16 位的短地址來通訊。 16 位的地址意味著可以分配給 65536 個節(jié)點之多，地址的分配取決于整個網(wǎng)絡的 架構，整個網(wǎng)絡的架構由這 3 個值決定： 1.網(wǎng)絡的最大深度(lm)； 2.每個父親設備擁有的孩子數(shù)(cm)； 3.第 2 條的孩

48、子設備當中有幾個是路由器(rm)。 有了這 3 個值就可以根據(jù)下面的公式來算出某父設備的路由器子設備之間的地址 間隔 cskip(d)： otherwise rm-1 rm*cm-rm-cm1 1m if1-d-mm1 dskip 1 -d-lm ， ），（ ）（ rlc c 上面這個公式是用來計算位于深度 d 的父親設備的，它所分配的子路由器之間的 短地址間隔。該父親設備分配的第 1 個路由器地址=父親設備地址+1，分配的第 2 個路 由器地址=父親設備地址+1+cskip(d)，第 3 個路由器地址=父親設備地址+1+2cskip(d)， 依次類推。 計算終端地址： 這個公式是來計算 a

49、parent 這個父親設備分配的第 n 個終端設備的地址 a n。 3.6 路由 zigbee 協(xié)調(diào)器和路由器將提供以下一些功能：1代表高層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀；2代表 其他 zigbee 路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀；3為后面的數(shù)據(jù)幀建立路由而參與路由發(fā)現(xiàn)；4代 表終端設備參與路由發(fā)現(xiàn)；5參與端到端路由修復；6參與本地路由修復；7使用 路由發(fā)現(xiàn)和路由修復中指定的 zigbee 路徑成本度量。此外，zigbee 協(xié)調(diào)器和路由器還 可能提供下列路由功能：1為記住最好的可用路由而維護路由表；2代表上層啟動 路由發(fā)現(xiàn)；3代表其他 zigbee 路由器啟動路由發(fā)現(xiàn)；4啟動端到端路由修復； 5代表其他 zigbee 路由器啟

50、動本地路由修復。 zigbee 協(xié)調(diào)器或 zigbee 路由器還可能預留一些路由記錄表專用于路由修復和在其 他路由能力都耗盡的時候才使用。所謂路由表能力是指設備使用路由表能夠建立起一 條到達特定目的設備的路由。如果一個設備是 zigbee 協(xié)調(diào)器或 zigbee 路由器，它維 護的路由表中有空閑的路由表記錄或已經(jīng)有一個與目的設備對應的路由表記錄，并且 正在嘗試路由修復的設備預留了專用于路由修復的路由表記錄，那么就說它具有“路 由表能力” 。路由表記錄在設備中是長期存在的，而路由發(fā)現(xiàn)表記錄僅維持一次路由發(fā) 現(xiàn)操作的時間并且可以重復使用。如果一個設備維護了一個路由發(fā)現(xiàn)表，并且路由發(fā) 現(xiàn)表中有空閑的

51、記錄，那么就說這個設備具有“路由發(fā)現(xiàn)表能力” 。如果一個設備既有 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 13 路由表能力，又有路由發(fā)現(xiàn)表能力，那么就說設備具有“路由能力” 。 3.7 數(shù)據(jù)傳輸 zigbee 技術中存在三種數(shù)據(jù)傳輸模式：1數(shù)據(jù)從設備傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器；2數(shù)據(jù)從 協(xié)調(diào)器傳輸?shù)皆O備；3數(shù)據(jù)傳輸在兩個對等設備之間。在星型網(wǎng)絡中，只有第一種和 第二種數(shù)據(jù)傳輸模式，因為數(shù)據(jù)交換只能在協(xié)調(diào)器和設備之間進行；在對等網(wǎng)絡中， 由于設備之間可以交換數(shù)據(jù)，所以有三種數(shù)據(jù)傳輸模式。 3.7.1 向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù) 在使用信標的網(wǎng)絡中，當設備希望傳輸數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器時，它首先監(jiān)聽網(wǎng)絡信標。 監(jiān)聽到信標之后，

52、設備將與超幀結(jié)構保持同步。在適當?shù)臅r候，設備使用 csma-ca 機制向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀。協(xié)調(diào)器成功接收后，發(fā)送一個可選應答幀予以應答，最后 完成整個過程，如圖 3-4 所示。 圖 3-4 使用信標的網(wǎng)絡通信 當設備在非信標的網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)時，它采用非時隙 csma-ca 接入機制向協(xié)調(diào) 器傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器成功接收后，可發(fā)送一個可選的應答幀予以應答，整個過程如圖 3-5 所示。 圖 3-5 不適用信標的網(wǎng)絡通信 3.7.2 協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù) 在使用信標的網(wǎng)絡中，當協(xié)調(diào)器需要向其他設備傳輸數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡信標就表明有 待發(fā)送的數(shù)據(jù)。設備周期性監(jiān)聽網(wǎng)絡信標，當有消息發(fā)送時，設備就使用 csma-ca 傳

53、輸 mac 子層請求命令。協(xié)調(diào)器通過發(fā)送可選應答幀予以應答，表示已經(jīng)接受 mac 子層請求命令。接著，協(xié)調(diào)器使用時隙 csma-ca 接入機制發(fā)送數(shù)據(jù)幀。設備成功接 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 14 收后，通過發(fā)送應答予以確認，整個過程如圖 3-6 所示。 圖 3-6 使用信標的網(wǎng)絡通信（協(xié)調(diào)器到設備） 當協(xié)調(diào)器在不使用信標的網(wǎng)絡中向設備傳輸數(shù)據(jù)時，它為適當?shù)脑O備存儲數(shù)據(jù)， 用以連接且發(fā)送請求命令。設備使用非時隙 csma-ca 接入機制，并以定義的速率發(fā) 送 mac 子層請求命令來連接協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過發(fā)送應答幀以確認成功接受請求命令。 當有待發(fā)送的數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器使用時隙 c

54、sma-ca 接入機制向設備發(fā)送該數(shù)據(jù)。如果 沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則協(xié)調(diào)器就發(fā)送一個凈載荷長度為零的數(shù)據(jù)幀以表示沒有數(shù)據(jù)發(fā) 送。設備接收到數(shù)據(jù)后，通過發(fā)送應答幀予以確認。整個過程如圖 3-7 所示。 圖 3-7 不使用信標的網(wǎng)絡通信（協(xié)調(diào)器到設備） 3.7.3 對等傳輸數(shù)據(jù) 在一個對等 pan 中，每個設備可在其射頻范圍內(nèi)和其他任何設備通信。為提高有 效性，想要通信的設備要么不斷地接收數(shù)據(jù)，要么和其他設備保持同步。對于前者， 設備使用非時隙 csma-ca 接入機制發(fā)送數(shù)據(jù)；對于后者，要采用另外的措施以獲取 同步。 3.8 本章小結(jié) 本章主要對 zigbee 應用開發(fā)相關基礎做了詳細介紹。重點介

55、紹了 zigbee 配置文件、 協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡設備數(shù)據(jù)請求應答數(shù)據(jù)應答協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡設備信標數(shù)據(jù)請求應答數(shù)據(jù)應答描 述符、端點綁定、設備發(fā)現(xiàn)、服務發(fā)現(xiàn)等相關概念，同時也對 zigbee 網(wǎng)絡相關的設備 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 15 類型、網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)絡構建、網(wǎng)絡地址分配機制、路由、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎匾獌?nèi)容做了分 析，為后續(xù)的應用開發(fā)設計奠定了基礎。 4 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)設計 4.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃 4.1.1 系統(tǒng)總體方案設計 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)實現(xiàn)方案，實際上是將廣泛分布的人體熱釋紅外傳 感器等各種安全相關的傳感器節(jié)點組建成 zigbee 無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)

56、布防后能夠自動對 家居生活中存在的入侵偷竊安全隱患進行監(jiān)測，當指標不合格時，相應的傳感器節(jié)點 將自動報警，并通過 zigbee 無線網(wǎng)絡將報警信息傳送到 pc 監(jiān)控軟件，待及時處理 后，通過 pc 監(jiān)控軟件發(fā)送撤警命令來解除相應傳感器節(jié)點的報警狀態(tài)，使該傳感器 節(jié)點又重新進入正常的監(jiān)測狀態(tài)。本文設計的家居防盜系統(tǒng)模型如圖 4-1 所示。 監(jiān)控軟件 usb 轉(zhuǎn)串 口 zigbee 協(xié)調(diào)器人體熱釋紅外 傳感器 圖 4-1 家居防盜系統(tǒng)模型 系統(tǒng)的設計目標如下： 1自組網(wǎng)，通過合理布局實現(xiàn)家居內(nèi)部的 zigbee 無線覆蓋； 2動態(tài)添加、刪除傳感器節(jié)點； 3實現(xiàn)傳感器節(jié)點的自動報警； 4用戶可以通過

57、 pc 監(jiān)控軟件實現(xiàn)布防和撤防功能； 5用戶可以通過 pc 監(jiān)控軟件實時查詢所關心的各項指標； 6保證系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的可靠性。 4.1.2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構選擇 基于 zigbee 無線網(wǎng)絡技術的家居防盜系統(tǒng)的拓撲結(jié)構選擇涉及許多設計方案的 權衡。該網(wǎng)絡是一個動態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響。通常拓撲結(jié)構的選擇要考 慮以下幾個問題： 窗 窗 門 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 16 1考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓撲：應用需要的節(jié)點密度和周圍環(huán)境 狀況； 2評估可選擇的情況； 3考慮系統(tǒng)的可升降性和權衡能耗/資源的限制。 本文家居防盜系統(tǒng)的實際情況如下： 1家居防盜系統(tǒng)中接入的主要

58、是安全相關的傳感器節(jié)點，雖然網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)據(jù) 量不大，但必須保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。因此，星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構不能夠滿足要求， 因為星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構需要把每個傳感器節(jié)點放置在 zigbee 協(xié)調(diào)器的通信范圍之內(nèi)， 這必然會限制無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍，容易造成通信斷路的情況，非常危險；而樹型網(wǎng) 絡拓撲結(jié)構雖然可以保障一定的覆蓋范圍，但要求網(wǎng)絡有一定的穩(wěn)定性，所以樹型網(wǎng) 絡拓撲結(jié)構也不足夠擔此重任。所以我們這里選擇較為復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。網(wǎng) 狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構是一個自由設計的拓撲結(jié)構，網(wǎng)絡中任意兩個節(jié)點的通信路徑不是唯 一的，具有很高的適應環(huán)境能力。 2zigbee 協(xié)調(diào)器是全功能設備，由它主導網(wǎng)絡的建立，

59、完成網(wǎng)絡的初始化、相 關數(shù)據(jù)的查詢、匯聚數(shù)據(jù)到 pc 監(jiān)控軟件、實現(xiàn)布防和撤防等功能。傳感器節(jié)點則根 據(jù)實際需要可以是全功能設備也可以是精簡功能設備，完成傳感器數(shù)據(jù)采集，響應協(xié) 調(diào)器的相關查詢等功能。因為選擇網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，所以全功能設備相互之間可以 進行通信。 4.1.3 配置文件設計 從應用的角度來說，zigbee 網(wǎng)絡內(nèi)各個設備能夠?qū)崿F(xiàn)通信的關鍵一點就是它們遵 循相同配置文件（profile）的接口定義。profile 是進行 zigbee 應用開發(fā)的基礎。 zigbee profile 的制訂者可以是 zigbeealliance，也可以是從事 zigbee 開發(fā)的開發(fā)商， 但要成為

60、標準都必須經(jīng)過 zigbeealliance 的嚴格審核。對于本文的家居防盜系統(tǒng)來說， 只能自己定義相關的接口，對于其它廠商來說，它們就是非透明的，只能作為本系統(tǒng) 的“私有財產(chǎn)” 。為了簡單起見，本文家居防盜系統(tǒng)的消息通信采用 msg 形式。 4.2 系統(tǒng)硬件設計 4.2.1 zigbee 模塊設計 zigbee 模塊的設計采用 ti 公司的 cc2430 芯片作為核心部件。使用 cc2430， 只需要很少的外部元器件，它的外圍電路主要包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配 電路等；性能穩(wěn)定且功耗極低，當內(nèi)核運行在 32mhz 時，rx 時電流消耗為 27ma，tx 時電流消耗為 25ma；掉電