基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設計與實現

1、畢業(yè)設計（論文）題 目：基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設計與實現學 院：軟件學院專業(yè)名稱： 軟件工程班級學號： 學生姓名： 曾劉保指導教師： 苗 利二O一二 年 三 月 畢業(yè)設計（論文）任務書I、畢業(yè)設計(論文)題目： 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設計與實現II、畢 業(yè)設計(論文)使用的原始資料(數據)及設計技術要求：1、摘要扼要敘述本論文的主要內容、特點，文字精煉，摘要500字左右。2、正文：一般包括引言、本、結論三個部分。字數不少于13000字。3、收集資料：a歷史資料；b理論資料；c實踐資料4、技術要求：在論文寫作中進行一定程度的創(chuàng)新性活動，如提出一個新問題、對現實問題進行新的解釋等。

2、III、畢 業(yè)設計(論文)工作內容及完成時間：1、查閱并收集與論文相關的國內外文獻資料，完成開題報告。（第1-2周）2、畢業(yè)論文資料調研，進行實地調查研究，掌握第一手資料。（第3周）3、撰寫畢業(yè)論文詳細提綱。論文提綱應分為幾個部分或幾個層次。寫明論文的中心、重點、主要觀點、結論等。（第4周）4、完成論文緒論部分，說明本課題的意義、目的、研究范圍及要求達到的技術要求；簡述本課題在國內外的發(fā)展概況及存在的問題。（第5周）5、完成畢業(yè)論文正文部分，包括問題的提出，研究工作的基本前提、假設和條件，理論論證，理論在課題中的應用，課題得出的結果等。（第6-7周）6、完成結論部分。即對整個研究工作進行歸納和

3、綜合得出的總結，對所得結果比較和課題尚存在的問題，以及進一步開展研究的見解與建議。結論應該明確、精煉、完整、準確。（第8周）7、完成畢業(yè)論文（設計）初稿。（第9周）8、完成畢業(yè)論文二稿。（第10周）9、畢業(yè)論文定稿；畢業(yè)論文打??；畢業(yè)答辯準備。（第11周）10、畢業(yè)答辯。（第12周） 、主 要參考資料：1 Shahin FarahaniZigBee Wireless Networks and Transceivers. USA：Elsevier，20082 閆玉德，俞虹. MCS-51單片機原理與運用.機械工業(yè)出版社.2010.3 沈星星，叢露微.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng).論文選粹,

4、 2011 第3期4 敖志剛.智能家庭網絡及其控制技術.北京：人民郵電出版社20116 張迎新.單片微型計算機原理、應用及接口技術.北京：國防工業(yè)出版社 20047 林旭東.智能家居系統(tǒng)相關技術及發(fā)展趨勢J.科技創(chuàng)新導報.2008.6.5-68 馮培昌，周曉云，陳孝偉.無線傳感器網絡探討J.電氣自動化.2005年.27(5).73-759 崔莉，鞠海玲，苗勇等.無線傳感器網絡研究進展J.計算機研究與發(fā)展.2005.42(1).163-17410 李方.淺談幾種智能家居系統(tǒng)網絡技術J.計算機與網絡.2006年.5(2).98-10111 張華中.無線傳感器網絡展望.國際學術動態(tài).2005年.26

5、(4).22-23 學院 專業(yè)類 班學生（簽名）： 日期： 自 年 月 日至 年 月 日指導教師（簽名）： 助理指導教師(并指出所負責的部分)： 系（室）主任（簽名）： 南昌航空大學學士論文原創(chuàng)性申明本人聲明，所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中取得的研究成果除加以標注和致謝的地方外，不包含其他人己經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其他學位而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：日 期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交

6、論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌航空大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：55 / 65下載文檔可編輯基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設計與實現摘要：隨著人們生活水平的提高及物聯網技術的飛速發(fā)展,人們對于家居環(huán)境提出了更高的要求,智能家居也就應運而生,人們希望能通過各種家居設備來享有更加舒適，便捷的居住環(huán)境。但是傳統(tǒng)家居設備的控制信息傳輸主要靠布線技術，不但系統(tǒng)升級麻煩，且成本過高，實際的應用效果也不明顯，并沒有很大的改善人們的生活。ZigBee的出現使的這一現象

7、得到有效的應解，ZigBee是一種低成本、低功耗無線通信技術，它的自組網技術可以方便的使家中的各種設備組成一個區(qū)域網，信息傳送的可靠性也極高。使用ZigBee作為家居內網可以方便的對家電進行控制和對安防預警信息進行采集。本文首先介紹了智能家居的研究背景和國內外的發(fā)展現狀，然后對ZigBee技術進行介紹，比較詳細的介紹了ZigBee協議框架中各層次扮演的角色及特點，并對ZigBee技術在智能家居中內部組網技術的適用性作了比較分析。最后綜合講解了智能家居系統(tǒng)的設計方案，包括系統(tǒng)功能及特色等。集中控制端在個人PC機上模擬實現，與之構成C/S結構的遠程控制端有Windows和Linux端，他們之間采用

8、面向連接的Socket加密通信。家居內網采用基于CC2530的SoC建立強大的網絡，以協調器為核心節(jié)點，組合其他設備終端節(jié)點進行家居網內信息的采集和傳輸，實現家電控制和溫度、濕度、入侵等安防信息采集。同時設計便捷、易用的軟件界面，既可以在家中使用，也可以在任何有網絡接入的設備上實現遠程控制。測試表明：使用遠程控制端或集中控制端都能可靠的對家電進行控制和安防信息的采集，系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和擴展性，達到預期目標。關鍵字： ZigBee 智能家居 家居內網 多方式控制 指導老師簽名：Design and Implement of Smart HomeBased On ZigBeeAbstract:

9、 Traditional home device control information transmission mainly depends on wire line technology, this kind of control system not only upgrade is very troublesome, but also the cost is too high, and the actual effect is not obvious, and peoples lives are no significant improvement. While ZigBee come

10、 into being, this phenomenon wont happen again, ZigBee is a low-cost, low-power wireless communication technology, the Automatically set up network features ,which makes a variety of devices composed of a WPAN at home easily, and the information transmit reliability is very high. Using ZigBee as int

11、ernal home network is very appropriate to control home appliances and collect security warning information. The paper first introduces the research of smart house background and current development at home and abroad, and then introduces the ZigBee technology, a more detailed description of the role

12、 and characteristics of the ZigBee protocol framework at all levels.At last I integrated explain how to design the smart house system, including system functions and characteristics. The Centralized control side simulation on a personal computer, which forms C/S structure of the remote control side,

13、 including Windows and Linux side, and they communicate each other with connection-oriented and encrypted Socket. Within the home network to build a strong network nodes which are based on the SoC of the CC2530 , coordinator for the core node, the combination of terminal nodes of other devices withi

14、n the home network information acquisition and transmission, appliance control, and temperature, humidity, intrusion and other security information collection. At the same time the design is convenient, easy-to-use software interface, we can use at home easily and also access remote control of netwo

15、rk equipments. The experiments show that: Using the remote control system or centralized control system can control home appliances and collect security warning information easily. The system has a certain stability and scalability, which can achieve the desired goal.Keywords: ZigBee Smart home inte

16、rnal home network multiple control目 錄第一章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內外研究概況及發(fā)展趨勢21.2.1 國外研究發(fā)展概況21.2.2 國內研究發(fā)展概況21.2.2 智能家居發(fā)展趨勢31.3 研究內容及組織結構41.4 本章小結5第二章 無線通信與ZigBee技術62.1 無線通信概述62.2 ZigBee技術簡介62.2.1 ZigBee技術概述及特點62.2.2 ZigBee的網絡拓撲結構82.3 ZigBee在智能家居中的適用性102.3 ZigBee協議體系結構112.3.1 物理層122.3.2 MAC層142.3.3 網絡層152

17、.3.4 應用層162.4 ZigBee在智能家居中的應用172.4.1 安全系統(tǒng)172.4.2 抄表系統(tǒng)182.4.3 燈控系統(tǒng)182.4.4 多區(qū)域HVAC系統(tǒng)192.4.5 消費類電子202.5 ZigBee的價值和應用前景202.6 本章小結21第三章 系統(tǒng)設計與實驗方案223.1 系統(tǒng)需求分析223.2 系統(tǒng)設計方案223.2.1 系統(tǒng)總體設計概述223.2.2 ZigBee網絡拓撲結構及各終端角色233.2.3 系統(tǒng)實現目標及特色243.3 系統(tǒng)實驗方案253.4 家電模擬控制及安防信息采集263.5 本章小結27第四章 系統(tǒng)功能實現詳細介紹284.1 基于ZigBee的無線信息采

18、集與傳輸284.1.1 信息采集與傳輸的安全性294.1.2 ZigBee的CSMA/CA 機制304.1.3 ZigBee的網絡工作方式324.1.4 網絡協調器的收發(fā)數據324.2 Linux環(huán)境下的遠程控制端設計與實現334.3 集中控制端的介紹354.4 本章小結35第五章 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與測試365.1 ZigBee 片上系統(tǒng)365.2 軟件平臺375.2.1IAR 7.51375.2.2ZigBee協議棧385.3 系統(tǒng)運行與測試395.4本章小結40第六章 工作總結與展望416.1 工作總結416.2 展 望41參考文獻42致 謝43附錄A44第一章 緒論1.1 研究背景及意義隨著

19、人們生活水平的提高及生活節(jié)奏的加快，人們的住宅也開始電子信息化。家用電器、通信設備與安防設備逐漸的進入家庭，加之通信與信息技術的發(fā)展，家居越來越智能化。人們也希望能更加方便的對家用電器進行操作同時對家中的居住環(huán)境和安防狀態(tài)進行監(jiān)測，享有一個高效，安全，便捷，環(huán)保的家居環(huán)境，于是智能家居的概念被越來越多的人們提出。智能家居是一個多功能的綜合技術系統(tǒng),它以家庭住宅為平臺,利用計算機、網絡、傳感、自動化與嵌入式技術,將與家居生活有關的各個子系統(tǒng)如燈光控制、安防預警、家電操作等整合在一起，并通過家居信息管理平臺對其進行綜合管理，使人們能夠方便獲取一體化，全方位的家居資源。隨著互聯網技術的深入發(fā)展和成熟

20、，“物聯網時代”到來的呼聲日益高漲，國家“十二五”規(guī)劃中也明確將物聯網作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)來培育發(fā)展。而國內外各大家電生產廠商生產的各種高端家電也開始預留信息控制接口，準備著迎接物聯網時代的到來。智能家居也是物聯網產業(yè)的一部分，也是物聯網在明生應用領域的重點部分，加之近年來房地產的迅猛發(fā)展和媒體宣傳造勢，智能家居呈現耳熟能詳化，為此智能家居必將得到高速發(fā)展。國內外的一些技術廠商都在進行市場推廣和技術儲備，以便在合適的時機退出自己的智能家居產品。雖然各種產品的功能標準和應用接口不太一樣，但是不難想象，智能家居的功能都會基本涵蓋一下幾個方面：(1) 燈光控制：不管哪個家庭都會有需要更加方便的對家中燈

21、光進行控制。(2) 家電控制：為了更加便捷的生活，人們可以在家中方便的對熱水器，空調等進行控制，也希望需要時能通過有網路接入的設備對電器進行遠程控制，如出差回來的路上打開熱水器，回到家可以舒服的洗個熱水澡。(3) 安防預警：居家生活，平安是最大的愿望，通過對家中煙感，入侵等安防信息進行實時監(jiān)測，免去后顧之憂。 為此設計出一套既有通用性，又可以方便的進行擴展的智能家居系統(tǒng)是前提，我們希望能簡化家中控制系統(tǒng)的復雜性，降低安裝成本和提高信息傳送的安全性，解決實際推廣中可能會出現的問題，為智能家居的大規(guī)模應用提供一定的借鑒和助推作用，真正的使高效便利的生活觸手可及。1.2 國內外研究概況及發(fā)展趨勢1.

22、2.1 國外研究發(fā)展概況 自從世界上第一幢智能建筑1984年在美國出現后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經濟比較發(fā)達的國家先后提出了不同的智能家居的方案。智能家居在美國、德國、新加坡、日本等國都有廣泛應用。11998年新加坡舉辦的“98亞洲家庭電器與電子消費品國際展覽會”上，通過在場內模擬“未來之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系統(tǒng)。它的系統(tǒng)功能包括三表抄送功能、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。這種“未來之家”家庭智能化系統(tǒng)，市場真正啟動尚需時日。目前在新加坡也

23、有近30個社區(qū)(住宅小區(qū))近5000戶的家庭采用了“家庭智能化系統(tǒng)”，美國已有近四萬戶家庭安裝了這一類的“家庭智能化系統(tǒng)”，相信到了21世紀將會有更多的住宅安裝上這一類高科技智能化系統(tǒng)產品。目前美國有一種占據市場主流的產品X-10，銷售已超過1億個，設計戶型為單體別墅，應用多為舊房改造，僅在美國便有超過400萬個家庭在使用。韓國三星從今年春節(jié)后，開始在中、韓兩國同時推出其智能家居系統(tǒng)，通過機頂盒和網絡，將家居自動化控制、信息家電、安防設備以及娛樂和信息中心這四部分集成一個全面的，面向寬帶互聯網的家居控制網絡。在日本智能家居也很發(fā)達，日本Secom(西科姆)安全公司是舉世聞名的智能家居公司，他的

24、產品能使家中的電器自動聯網，甚至有了生物識別實現自動門禁功能，人只要站在門口幾秒鐘，就可以自動解除門禁。由于智能家居的誘人前景和巨大市場，盡管國外市場真正啟動也尚需時日，但并未能阻止企業(yè)去爭食智能家居市場。雖然每家公司的策略各不相同，但它們都堅持同樣的信念：山那邊遍地是金。1.2.2 國內研究發(fā)展概況智能家居在我國起步比較晚，最早從事智能家居的企業(yè)是天津瑞朗智能家居電子科技有限公司，這幾年來，智能家居作為一個方興未艾的產業(yè)，受到越來越多行業(yè)者的追捧，發(fā)展非?？?，生產廠家非常多，產品也是各種各樣，遍布智能家居生產的各個環(huán)節(jié)。比如海爾的U-Home智能家居系統(tǒng)，現在已經比較成熟了，他構建室內家電、

25、多媒體、環(huán)境檢測、遠程監(jiān)護等全方位數字生活,利用“智能物聯網”作為住區(qū)服務和管理系統(tǒng),實現綠色低碳住宅產業(yè)，但是像這樣的龍頭企業(yè)卻比較少。在外觀和產品質量上，總體與國外還有較大的差距，但有些產品，比如家庭智能終端，中國的幾個廠家的產品已經做得很好了，不但美觀漂亮，而且功能很多，與國外的品牌比非常有競爭力。智能家居是未來居家生活的前進方向，受我國經濟現狀的限制，智能家居現在普及比較少，多是有一定經濟能力的專屬，不過現在已經慢慢有廉價的產品出現，進入普通百姓家，比如家庭的情景燈光系統(tǒng)，這個比較實用，價格也不是太高，目前也比較容易讓老百姓接受。特別是近幾年以來，伴隨著房地產業(yè)的火爆，給國內智能領域帶

26、來了發(fā)展的機遇。眾所周知，中國人口眾多，城市住宅建設也多選擇密集型的住宅小區(qū)方式，因此很多房地產商會站在整個小區(qū)的角度來看智能化，也就出現了目前一統(tǒng)天下、無所不包的“智能小區(qū)”的模式?！爸悄苄^(qū)”是一個多功能的系統(tǒng)，每個功能子系統(tǒng)都可以單獨使用。諸多功能子系統(tǒng)還要具有協同配合的能力。這些系統(tǒng)包括：小區(qū)對講系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、小區(qū)周界防范系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、停車場系統(tǒng)、自動抄表系統(tǒng)等等。在房地產和媒體的助推下，與智能小區(qū)緊密相連的智能家居也會逐漸的進入千家萬戶，但是在發(fā)展的同時，也遇到了很多不容忽視的問題：(1)沒有統(tǒng)一的技術標準。沒有標準就造成了百花齊放的局面，不同廠家的產品之間相互之間

27、彼此不兼容，用戶很難有選擇性，換代或者升級很麻煩，成本也很高，用戶在實際使用時存在很大的困惑。(2)市場定位太高。大部分的智能家居品牌都是定位在高端客戶，目標就是高檔住宅和別墅，這就造成了市場非常的狹窄，初期投入非常的大，就是大客戶也不會冒然的投資，市場局面無法打開。1.2.3 智能家居發(fā)展趨勢 智能家居的提出到現在已經有很多年了。從第一代單一智能家居產品到現在的百花齊放，智能家居發(fā)展已經非常的迅速，特別是距互聯網技術的又一革命性的技術物聯網的提出和全世界對物聯網的熱情投入，物聯網的發(fā)展也必將推動智能家居的發(fā)展，智能家居作為物聯網產業(yè)應用最廣泛的一環(huán)也必將得到迅猛發(fā)展。當今的智能家居產品品質參

28、差不齊，相互之間兼容性也很差，規(guī)范不統(tǒng)一。未來的智能家居將依照人體工程學原理，融合個性需求，將與家居生活有關的各個子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯動、淋浴器等有機地結合在一起，通過網絡化綜合智能控制和管理，實現“以人為本”的全新家居生活體驗并更加的人性化、實用、易用，真正的提高人們的生活品質，智能家居的發(fā)展趨勢會朝著以下幾個方面發(fā)展: (1) 家居內網無線化。以往的智能家居產品之間的信息交換大都是靠有線傳輸，有線傳輸帶來的問題很明顯，布線麻煩，系統(tǒng)升級困難，更重要的是有線控制限制了產品的智能化，除干線區(qū)域采用布線控制外，家居內網的無線化使得控制更加的方便，安裝和維

29、護也會更加的方便。(2) 控制系統(tǒng)的高度集成化。隨著社會和經濟的高速發(fā)展，人們的生活水平也相應的得到提高，電子產品越來越多，但是各個產品之間沒有任何的聯系，幾乎每個產品都有單獨的遙控器，如果能用一個終端控制、監(jiān)控所有的家電，給生活帶來的便利不言而喻。(3) 控制方式多樣化。傳統(tǒng)的智能家居控制方式單一，隨著網絡和電子終端產品的發(fā)展，控制軟件可以運行在各種智能手機和有網絡接入功能的其他電子產品中。特別是智能手機，將成為未來智能家居最重要的移動式智能控制終端，通過手機的智能家居客戶端軟件或WEB方式，實現對家庭內部的遠程監(jiān)控與控制，對家里遠程開鎖，客人圖像確認，遠程開啟空調以及暖器設備。(4) 功能

30、更加智能化。隨著生活節(jié)奏的加快和生活壓力的增大，人們都希望能有一個溫馨的港灣能夠放松疲憊的身心.回到家后人們希望能根據外部環(huán)境來調節(jié)室內的溫度和濕度等，同時也希望能夠在開電視的時候自動調暗燈光等。而隨著物聯網技術的發(fā)展，甚至家中的每一件物品的狀態(tài)都能查詢到，比如冰箱的存儲狀態(tài)，熱水器的水溫。而一旦家中有安全威脅或者家中老人的有突發(fā)情況，系統(tǒng)也會相應的進行報警。1.3 研究內容及組織結構本文根據國內外智能家居的歷程，結合當前的發(fā)展現狀的不足之處，選擇ZigBee無線網作為家庭內網。并以嵌入式為基礎，結合網絡，傳感器等技術設計出一套簡單，易操作，低成本和多方式控制的基于ZigBee的智能家居智能控

31、制系統(tǒng)。實現對家用電器的現場無線遙控操作和安防信息的監(jiān)控與預警，同時使得有網絡接入功能的特定設備可以遠程使用本智能控制系統(tǒng)。本論文的研究內容如下：(1) 開發(fā)不同環(huán)境的遠程控制端的設計與實現，以方便用戶多途徑方便的控制家中電器設備和對家中安防信息進行監(jiān)控。(2) 開發(fā)集中控制端，驗證遠程控制端用戶的控制權限，在權限合法后對遠程指令進行解析后通過串口轉發(fā)給相應的目標設備。(3) 遠程控制信息的加密處理，防止控制信息被截取后帶來的安全隱患。(4) 利用ZigBee技術來進行家居內部組網，以方便節(jié)點的靈活加入和離開，省去布線的麻煩。(5) 開發(fā)簡潔，美觀，易操作的用戶界面，方便用戶使用。本論文的組織

32、結構安排如下：第一章：介紹智能家居的研究背景和意義，以及智能家居在國內外的研究概況、展望智能家居在未來發(fā)展趨勢，同時對本文研究內容、設計、實現和文章組織結構作安排。第二章：介紹了無線通信技術的發(fā)展，并對ZigBee和其他幾種無線技術進行對比介紹后，分析ZigBee在智能家居內部組網的適用性，然后對ZigBee協議的各層次進行比較詳細的介紹。第三章：根據對智能家居系統(tǒng)進行的需求分析，設計出智能家居系統(tǒng)的方案后，定位系統(tǒng)方案要能達到的目標，對系統(tǒng)各結構的具體功能作詳細介紹。第四章：詳細介紹基于ZigBee的無線信息采集與傳輸和Linux下的遠程控制端的設計與實現，同時簡單介紹集中控制端。第五章：介

33、紹智能家居系統(tǒng)開發(fā)用到的硬件和系統(tǒng)開發(fā)平臺，然后對系統(tǒng)進行的測試結果進行分析。 第六章：對工作進行總結，提出系統(tǒng)設計中還需要完善和改進的地方，并對本文的意義和價值作介紹。1.4 本章小結 本章首先介紹了智能家居的研究背景和意義，隨著人們生活節(jié)奏的加快，智能家居會扮演越來重要的角色。隨后介紹了智能家居在國內外的研究概況和發(fā)展現狀，智能家居在歐美日韓等發(fā)達國家起步早，現在也走在技術的前端，國內雖起步晚，但發(fā)展迅猛。最后綜合現狀和環(huán)境，展望了智能家居在未來的發(fā)展趨勢。第二章 無線通信與ZigBee技術2.1 無線通信概述隨著科學技術的不斷發(fā)展，通信技術已深入到人類的各個方面,為了擺脫各種線纜對個人終

34、端的束縛，人們對能夠隨時隨地提供信息服務的移動計算和無線通信的需求越來越迫切。無線通信是指利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。近些年在通信領域中，發(fā)展最快、應用最廣泛的就是無線通信技術。自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術一直向著不斷提高數據速率、傳輸距離、安全和穩(wěn)定的方向發(fā)展。 從七十年代開始，人們就開始了無線網的研究，而伴隨著以太局域網的迅猛發(fā)展，以具有不用架線、靈活性強等優(yōu)點的無線網以己之長補有線之短，也贏得了特定的市場認可，為了規(guī)范和更好的發(fā)展，IEEE制訂了802.11無線局域網標準，主要對網絡的物理層和媒質訪問控制層進行規(guī)定，這樣就使得無線網的多點

35、接入和多網段互聯能更加方便、廉價的實現。 無線通信已深入到人們生活和工作的各個方面，包括日常使用的手機、無線電話等，當然也有當今很熱門的3G、WLAN、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)等應用。2000年成立的IEEE 802.15.4工作組將致力于提供一種廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術，而ZigBee正是這種無線技術的商業(yè)命名。2.2 ZigBee技術簡介2.2.1 ZigBee技術概述及特點 ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個人區(qū)域網協議，是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。 ZigBee名字來源于蜂

36、群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式， 蜜蜂通過跳 ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術的名稱。在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層，高層應用和市場推廣等工作將由ZigBee聯盟負責。 ZigBee技術具有低功耗、數據傳輸可靠、網絡容量大、兼容性好、安全性高、實現成本低等特點，可以工作在2.4GHz、868MHz和915MHz這3個頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，他的技術特點具體如下：(1) 低功耗: 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且

37、采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設備望塵莫及的。 (2) 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。 (3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應用。 (4) 網絡容量大：一個星型結構的Z

38、igBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備， 一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡, 而且網絡組成靈活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式， 每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發(fā)。 (6) 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。在ZigBee無線網絡協議中定義了兩種功能設備：全功能設備和精簡功能設備 。

39、全功能設備 FFD (Full-Function Device) 可以支持任何一種拓撲結構，主要作為網絡協調器和路由器，能夠和任何一種設備通信。精簡功能設備RFD(Reduced-Function Device) 只支持星型結構，不能成為網絡協調器，但可以和網絡協調器進行通信，精簡功能設備通常嵌入現場設備中使用。全功能設備之間以及 全功能設備與精簡功能設備之間都可以通信，但精簡功能設備之間不能直接通信 ，只能與全功能設備通信。精簡功能設備可以通過一個全功能設備向外轉發(fā)數據 ，這個與精簡功能設備相關聯的全功能設備稱為該精簡功能設備的協調器。 精簡功能設備主要用于簡單的控制應用 ，如燈的開關、 被

40、動式紅外線傳感器等，傳輸的數據量少，對傳輸資源和通信資源占用不多，這樣精簡功能設備可以采用非常廉價的實現方案。由此可知ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。2.2.2 ZigBee的網絡拓撲結構ZigBee技術可以組合出適合不同需求的網絡，它有兩種網絡拓撲結構：星型的拓撲結構和對等的拓撲結構，如圖2.1所示：2圖2.1 ZigBee網絡拓撲結構圖星型拓撲網絡結構有一個叫做PAN主協調器的中央控制器和多個從設備組成，主協調器必須為

41、一個全功能的設備，從設備既可為全功能設備也可為簡化功能設備，在實際應用中，應根據具體應用情況，采用不同功能的設備，合理的構造出需要的通信網絡。對于星型網絡結構的形成當一個具有全功能的設備第一次被激活后，它就會建立一個自己的網絡，將自身成為一個PAN主協調器。所有星型網絡的操作獨立于當前其它星型網絡的操作，這就說明了在星型網絡結構中只有一個唯一的PAN主協調器，通過選擇一個PAN標識符確保網絡的唯一性，目前其它無線通信技術的星型網絡沒有用這種方式。因此，一旦選定了一個PAN標識符，PAN主協調器就會允許其它從設備加入到它的網絡中，無論是具有完整功能的設備，還是簡化功能的設備都可以加入到這個網絡中

42、。對等拓撲網絡結構能夠構成較為復雜的網絡結構，網狀態(tài)拓撲網絡結構和樹簇拓撲結構。對等拓撲網絡結構在工業(yè)監(jiān)測和控制、無線傳感器網路偶、供應物資跟蹤、農業(yè)智能化，以及安全監(jiān)控等方面都有廣泛的應用。對等拓撲結構可以是基于Ad hoc技術的，也可以是自組織式的和自恢復的，并且在網絡中各個設備之間發(fā)送消息時，可通過多個中間設備中繼的方式進行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式，以增大網絡的覆蓋范圍。其中組網的路由協議，在ZigBee網絡層中沒有給出，這樣為用戶的使用提供了更為靈活的組一個對等網絡的路由協議網方式。在對等拓撲結構中，每一個設備都可以與在無線通信范圍內的其他任何設備進行通信。任何一個設備都可定義為

43、PAN主協調器，例如，可將信道中第一個通信的設備定義為PAN主協調器。未來的網絡結構很可能不僅僅局限為對等的拓撲結構，而是在構造網絡的過程中，對拓撲結構進行某些限制。例如，樹簇拓撲結構是對等網絡拓撲結構的一種應用形式，在對等網絡中的設備可以為全功能設備，也可以為精簡功能設備。而在樹簇中的大部分設備為全功能設備，精簡設備只能作為樹枝末尾處的葉節(jié)點上，這主要是由于精簡設備一次只能連接一個全功能設備。任何一個全功能設備都可以作為主協調器，為其它從設備或主設備提供同步服務。在整個PAN中，只要該設備相對于PAN中其它設備具有更多計算資源，比如具有更快的計算能力、更大的存儲空間以及更多的宮殿能力等，這樣

44、的設備都可以成為該PAN的主協調器，通常稱該設備為PAN主協調器。在建立一個PAN時，首先，PAN主協調器將其自身設置成一個簇標識符（CID）為0的簇頭（CLH），選擇一個沒有使用的PAN標識符，并向臨近的其他設備以廣播的形式發(fā)送信標幀，從而形成第一簇網絡。接收到信標幀的候選設備可以在簇頭中請求加入該網絡，如果PAN主協調器允許該設備加入，那么主協調器會將該設備作為子節(jié)點加到她的臨近表中，同時，請求加入的設備將PAN主協調器作為它的父節(jié)點加到鄰近列表中，成為從設備。一個全功能設備可以扮演三個角色：協調器（ Coordinator） 、PAN 協調器（Personal Area Network

45、coordinator）和設備（device)，其中協調器是一個全功能設備 ，它可以在網絡中傳遞信息，主導信息的流向 。如果一個協調器在一個PAN網絡中做主控制器，那我們把它叫做 PAN 協調器， 除此之外就是設備了。IEEE 802.15.4和ZigBee中定義的以上三中角色大體相同，對應的關系如表2.1所示：表2.1 ZigBee與IEEE 802.15.4角色對應ZigBee與IEEE 802.15.4中不同角色的對應關系ZigBeeCoordinatorRouterEnd deviceIEEE802.15.4.PAN CoordinatorCoordinatordevice在一個 IE

46、EE 802.15.4網絡中，無論是哪種拓撲結構，網絡總是由 PAN Coordinator來創(chuàng)建，PAN coordinator 控制整個網絡，一個被注入 PAN coordinator程序（ 軟件）的FFD（ 硬件）開始工作后，開始著手構建網絡，并至少完成以下任務：（1）給本網絡中每個設備指定一個16位或者64位的地址（2）通過網絡發(fā)起、結束和傳遞信息（3）為本網絡選定唯一的 PAN 網絡標識號，這個標識號允許本網絡內的設備使用16位的短地址方式，并且可以與其他的獨立網絡進行通訊。在整個網絡中，只有一個 PAN coordinator，所以PAN coordinator 往往需要長時間在工

47、作狀態(tài)，所以它常需要連接穩(wěn)壓電源，而不是電池。但其他設備往往都是用電池來供電的，一個最小的網絡包括兩個設備，一個 PAN coordinator與一個device。在任何一個拓撲網絡上，所有設備都有唯一的64位長地址碼，該地址碼可以在PAN中用于直接通信，或者當設備發(fā)起連接時，可以將其轉變?yōu)?6位的短地址碼分配給PAN設備，因此，在設備發(fā)起連接時，應采用64位的長地址碼，只有在連接成功后，系統(tǒng)分配了PAN的標識符后，才能采用16位的短地址進行連接，因此，短地址碼是一個相對地址碼，長地址碼是一個絕對地址碼。2.3 ZigBee在智能家居中的適用性當今我們熟悉的短距離無線通信技術有Bluetoot

48、h、ZigBee、Wi-Fi、UWB、紅外等。他們在不同的領域發(fā)揮著他們的特性，相互之間形成互補的作用。表2.2是幾種無線通信技術的對比：表2.2 幾種無線通信技術的對比ZigBee藍 牙80211列紅 外RFIDHomeRF單點覆蓋距離（m）50-3001050(Wi-Fi)51-1050網絡拓展性自動拓展無無無無有最大功耗13mW1100mW100mW10 mW050 mW復雜度簡單復雜很復雜簡單復雜復雜傳輸速率250Kb/s1M b/s111Mb/s1.521,4,16Mb/s0.212Mb/s1.2Mb/s頻段8.68MHz2.4GHZ2.4GHz2.4GHz820nm5.8GHz2.

49、4GHz網絡節(jié)點數65000850無無127終端設備費用低低高較低低一般安全性128 bit AES64bit,128bitSSID小角度傳輸密鑰50次/秒跳頻集成度可靠性高高一般一般一般一般使用成本低低一般低低一般由上表的數據對照綜合可知，ZigBee的自動組網、功耗以及成本等方面都比其他的幾種無線通信技術在智能家居中更有優(yōu)勢，唯一的競爭是Bluetooth，但ZigBee更簡單，速率更慢，功率及費用也更低，且大多數時間處于睡眠模式，更加適用于不需要實時傳輸或連續(xù)更新的場合。而且ZigBee是當前唯一面向無線傳感器網絡的技術標準，其網狀網組網能力使其應用范圍可伸延至數百、甚至數千米的廣泛區(qū)域

50、，而Bluetooth則只為10100m范圍內的短程網絡而設。就制造成本而言，ZigBee芯片遠比Bluetooth芯片便宜，智能家居是ZigBee無線網絡的一個主要應用方向，非常適合在組建家庭個人無線區(qū)域網。2.3 ZigBee協議體系結構 ZigBee協議體系可以大體分為物理層、MAC層、網絡層和應用層,詳細的體系結構如表2.3所示所示：3表2.3 ZigBee協議體系結構圖用戶應用程序高端應用層應用層設備配置（ZDO）子層設備對象（ZDO）子層應用支持（APS）子層網絡層（NWK）中間協議層IEEE 802.15.4LLC邏輯鏈路控制數據指定匯集子層服務指定匯集子層IEEE 802.15

51、.4 MACIEEE 802.15.4868/915MHz PHYIEEE 802.15.42.4GHz PHY底層硬件模塊底層控制模塊RF收發(fā)器在介紹ZigBee協議的時候首先闡明一個概念：原語。ZigBee協議體系結構由一組稱為層的塊組成，每個層為上一層執(zhí)行指定的一套服務：數據實體提供數據傳輸服務，管理實體提供所有的其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（Server Access point：SAP）為上層提供一個接口，每個SAP支持一些服務原語來完成必須的功能。服務原語是抽象的概念，它僅僅指定提供的服務，而不指定誰提供服務。用“原語”的概念來描述相鄰兩個層間的服務，層間調用函數或者傳

52、遞信息，都可以用原語來表示。雖然，在整個系統(tǒng)中，有很多不同的層，但是層間的通訊方式是非常相似的。比如PHY、MAC與NWK層都為他們的上一級提供數據服務，其請求數據服務的機制類似：高層通過D-SAP向下級請求傳輸，下級傳輸成功后將狀態(tài)返回給上級。 正是由于這種相似性，才讓“服務原語”這種方式顯得格外重要。每一個原語要么執(zhí)行一個指令，要么返回一個之前指令的運行結果。原語也會帶著指令運行需要的參數,在對N用戶與N層之間信息流的描述來指定服務時，通過描述服務原語和其特征參數來指定服務，參數帶有要求提供服務的信息。一個服務可能有一個或多個相關的原語，這些原語組成特定服務相關行為。原語通常可以分為以下幾

53、種基本類型：（1） Request：請求原語是從N用戶傳遞到N層，用來請求發(fā)起服務。（2） Indication：指示原語是從N層傳遞到N用戶，用以指示一個內部N層事件對于N用戶有重要的意義。（3） Response:響應原語是從N用戶傳遞到N層，用完成指示原語先前調用的程序。（4） Confirm：確認原語是從N層傳遞到N用戶，用以傳送一個或多個先前相關的服務請求結果。2.3.1 物理層 ZigBee物理層（Physical Layer,物理層）主要負責無線發(fā)射機的激活和關閉，在已有的信道上進行能量檢測，基于CSMA-CA的空閑信道評估（CCA），信道頻率選擇，數據的傳輸和接收。最終把二進制

54、0和1送到空氣中。概括的說就是物理層數據服務和物理層管理服務。物理層操作兩個分離的頻率范圍，低頻的868MHz歐洲頻段和在澳大利亞和美國的使用的915MHz，2.4GHz的高頻供全世界范圍使用， 物理層通過RF固件和硬件為MAC子層和物理層無線信道提供接口。能量檢測ED就像航空領域中一樣，“比特”想要“飛”起來，也是有“航空管制”的，在起飛前要確認下航道有沒有被占用，這可不能像開車，塞車了就等會，飛機要在空中停了，就會掉下來（當然不是所有的飛機）。能量檢測就是用來實現這個目的的，當然，這只是個“能量”檢測，它不會去區(qū)分到底是誰在占用“航道”，它只檢測有或者沒有。這也是物理層的上級-MAC層給他

55、的任務之一，不過允許他不用百分百準確，允許10db的誤差，結果會以一個8比特的字節(jié)向上報告。載波檢測CS載波檢測也是檢測當前頻道能不能用的，但與ED不同，上面說了ED不會去區(qū)分到底是誰在占用“航道”，但是CS會的，它會根據載波的特征去判斷當前占用“航道”的是不是與自己一樣的IEEE 802.15.4物理層信號，如果是，那不管ED值是多少，都會返回一個“頻道忙”的信息。連接質量指示LQI我們大多數都用過帶無線網卡的筆記本，在進行無線連接的時候，會看到連接名后面有對應的信號強度表示信號質量，在802.15.4中，有兩種檢測連接質量的方法，一個是檢測“接收信號強度”RSS，另外一個是檢測“信噪比”S

56、NR。RSS值是通過檢測接收到的信號的全部能量情況來判斷的?？臻e頻道評估CCA空閑頻道評估即“載波偵聽多點接入/沖突避免”， 當物理層的負責發(fā)送一個比特的時候要面臨很多選擇，通過能量監(jiān)測，質量監(jiān)測后發(fā)現兩個設備在競爭同一個空間和時間的時候，就要仲裁誰在某一時刻有使用權。這種仲裁制度的執(zhí)行工作叫“空閑頻道評估”CCA，而且這個工作不能只做仲裁一次就匯報，要檢測8個符號周期，在IEEE 802.15.4物理層協議中，有三種CCA模式：(1)只檢測ED值。只要ED值高于一個門限就認為當前頻道被占用。這個門限值可以由設計者來定義。 (2)只由CS結果來決定。只要CS的檢測結果為: 當前頻道被IEEE 802.15.4定義的設備占用，則返回頻道忙。 (3)由上述兩個值的“與”或者