基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

1、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、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)進行研究， 并進行了系統(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

2、家居的地位，并通過傳 統(tǒng)智能家居的特點進行分析，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)的無線標準，并對該標準進行了深入研究。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 o

3、f 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 mor

4、e 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 commun

5、ication 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 a

6、nd 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 pap

7、er 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 techn

8、ology 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, desig

9、n 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 目 錄 摘要 .I ABSTRACT.II 1 緒論.1 1.1 智能家居的發(fā)展

10、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.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)的拓撲結(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

11、 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)拓撲結(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)拓撲選擇.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 4.2Zigbee 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

12、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.36 致謝.37

13、 附錄.38 附錄 .39 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)已成為當前社會一個熱點問題。 而國家政府機構(gòu)及各大信息家電生產(chǎn)廠商不失時機地開展了中國智能家庭網(wǎng)絡(luò)的標準 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準化平臺，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

14、居進入尋常百姓家，可 擴大市場范圍；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，從而形成一個有機的整體（數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)） ，進行集 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

15、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)的進一步發(fā)展，也必將大大促進家庭智能化、網(wǎng)絡(luò)化的進程。 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)、藍牙技術(shù)。其中射

16、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)一的標準，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 和 IEEE802.11a 兩個新標準，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

17、辦公室的無線網(wǎng)絡(luò)； HomeRF 無線標準是由 HomeRF 工作組開發(fā)的，旨在使計算機與其他電子設(shè)備之間實 現(xiàn)無線通信的開放性工業(yè)標準，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) 及進行低數(shù)據(jù)率傳輸?shù)牡统杀驹O(shè)備之間，而藍牙更適合于語音業(yè)務(wù)及需要更高數(shù)據(jù)量 的業(yè)務(wù)，如移動電話、耳機等。 1.2 課題的目的和意義 現(xiàn)代社會，商品經(jīng)

18、濟競爭日益激烈，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，進而控制空調(diào)機的運行，達到人工模擬大自 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)的進程，更為住宅小區(qū)智能 化提

19、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、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、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)拓撲結(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，計算機網(wǎng)絡(luò)本身應(yīng)具有開放性，并應(yīng)提供標 準接口。用戶可根據(jù)需求，

20、對系統(tǒng)進行拓展或升級。 4 計算機網(wǎng)絡(luò)選擇和相關(guān)產(chǎn)品的選擇要以先進性和適用性為基礎(chǔ)，同時考慮兼容 性.系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選擇根據(jù)己有國際標準設(shè)計、生產(chǎn)的標準化設(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。 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。

21、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)標準以及國際標準，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

22、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 配線進行通訊。 (1)電話線網(wǎng)絡(luò) 計算機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

23、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_到 1Mbit/s 的傳輸速率。該方案采用 802.3 標準，支持即 S 機制，HomePNA 在撇 C 層制訂了八種 優(yōu)先級，改進了沖突解決技術(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

24、遠程控制。 (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頻通訊方式，在家庭網(wǎng)絡(luò)中 適合采用擴頻通訊方式。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)一的標準。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

25、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，按不同標準，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)上述功能科學合理布線

26、 (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)管理計算機系統(tǒng)應(yīng)配置局部網(wǎng)絡(luò)，并可供住戶聯(lián)網(wǎng)使用。 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

27、標 （1）遠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: 標準化:家庭自動化產(chǎn)品應(yīng)當依照國際上流行的相關(guān)協(xié)議進行設(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，

28、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。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擔。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 智能家居控制系統(tǒng)是由基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠程控制和本地集中控制兩大部分組成。 具體功能目標是: 1 遠程控制實現(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

29、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。 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 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

30、 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(guān)機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準，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

31、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; 還有反復性的低反應(yīng)時間的數(shù)據(jù)如無線鼠標、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)盟負責制定網(wǎng)絡(luò)層及以上層協(xié)議。 2.2 Zigbee 的技術(shù)參數(shù)

32、 Zigbee 協(xié)議定義了兩個物理層標準,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

33、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。 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 可可達達10-

34、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)拓拓撲撲 星星型型。點點對對點點。網(wǎng)網(wǎng)狀狀。 安安全全機機制制 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

35、種種安安全全機機制制 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 Laye

36、r)、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

37、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

38、 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 組織負責定制 PHY 層和 MAC 層標準。 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 層將主要負責把不同的應(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) 議,應(yīng)包含以下功

39、能:通用的網(wǎng)絡(luò)層功能,拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護,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)議標準一樣,非常省電;有自組織、自維護功能,以最大程 度減少消費者的開支和維護成本。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、維護和取消;確認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、標志幀、 確認幀和 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

40、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 信信標標 信信標標 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 確確認認幀幀 命命令令幀幀 標標志志幀幀 圖 2-4 Zig

41、bee 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 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個 發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息； 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

42、、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 6 個月到 2 年左右的使用時間，當然不同的應(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 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