基于zigbee的智能家居系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、<p>　　henhuangmahenshuang</p><p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　課 題基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)設計 </p><p>　　專業(yè)班級 09通信（1）班 </p><p>　　指導教師

2、 </p><p>　　二 ○ 一 年</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要III</p><p>　　AbstractIV</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p>

3、<p>　　1.1本課題的背景和意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外智能家居發(fā)展概況1</p><p>　　1.2.1 國外智能家居發(fā)展概況1</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)智能家居發(fā)展概況1</p><p>　　1.3智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)技術2</p><p>　　1.4智能家居系統(tǒng)設計需

4、要解決的問題3</p><p>　　第二章 ZigBee 技術研究4</p><p>　　2.1 ZigBee技術簡介4</p><p>　　2.2 ZigBee協(xié)議組成4</p><p>　　2.3 ZigBee網(wǎng)絡配置5</p><p>　　2.4 Zigbee技術的特點7</p><

5、;p>　　第三章 智能家居系統(tǒng)總體設計方案8</p><p>　　3.1智能家居系統(tǒng)需求分析8</p><p>　　3.2智能家居系統(tǒng)功能描述8</p><p>　　3.3智能家居系統(tǒng)結構8</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件設計10</p><p>　　4.1 ZigBee通信模塊硬件設計.10&

6、lt;/p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟件設計12</p><p>　　5.1 ZigBee網(wǎng)絡設備軟件12</p><p>　　5.2Zigbee綁定機制的引入15</p><p>　　5.3智能家居管理界面設計15</p><p>　　第六章 總結與展望.17</p><p><b

7、>　　參考文獻18</b></p><p><b>　　插圖清單</b></p><p>　　圖2-1 Zigbee協(xié)議總體架構4</p><p>　　圖2-2 Zigbee三種網(wǎng)絡拓撲結構7</p><p>　　圖3-1智能家居系統(tǒng)結構圖9</p><p>　　圖4-1

8、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器硬件結構圖10</p><p>　　圖4-2終端設備結構圖11</p><p>　　圖5-1 Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器軟件流程13</p><p>　　圖5-2路由器程序14</p><p>　　圖5-3 ZigBee終端節(jié)點程序流程圖15</p><p>　　圖5-4智能管理界面與zigbee網(wǎng)絡數(shù)

9、據(jù)交互流程16</p><p>　　基于Zigbee的智能家居系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著人們生活水平的不斷提高,對生活環(huán)境的要求也越來高.如何改善家居環(huán)境,使其更加安全、舒適,這是擺在工程師面前的一大難題.在這個背景下,智能家居理念早年在國外已被率先提出,而且也有很多知名的建筑設計采用

10、了這一理念.該理念的核心就是利用計算機技術、通信技術等等一些先進的技術來改善家居環(huán)境,使家居生活能更舒適便利.因智能家居在我國引入的時間較短,所以我國的智能家居應用水平與國外還有較大的差距,但不可否認智能家居技術在我國還有大的發(fā)展前途的,現(xiàn)在所缺少的是成熟的產(chǎn)品和配套的解決方案以及熟練的技術技。 </p><p>　　本文主要完成了以下工作: </p><p>　　1、介紹了智能家居系統(tǒng)的

11、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及系統(tǒng)所采用的通信方式,通過對比,選定了ZigBee無線通信方式作為本智能家居系統(tǒng)設計的通信方式。</p><p>　　2、ZigBee技術介紹了其起源,對ZigBee的研究。 </p><p>　　3、對ZigBee網(wǎng)絡的各種設備包括路由器和終端設備的硬件電路進行了設計。 </p><p>　　4、對智能家居系統(tǒng)中所需要的各種傳感器及其配套調(diào)理電路

12、、控制電路進行了設計。 </p><p>　　5、對智能家居系統(tǒng)中的具體功能介紹。</p><p>　　關鍵詞：智能家居；Zigbee；通信技術；無線網(wǎng)絡技術</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the increasing living standard, people’

13、s requirement to the environment is becoming more and more higher, especially home environment. How to improve home environment and make it more comfortable and safer is a big problem for engineers. Under this backgroud

14、, Smart Home was raised firstly in some foreign countries few years ago, and some famous building has adopted this idea . The core of this idea is to use computer technology and communication technology to improve home

15、environment and </p><p>　　This paper mainly completed the following work： </p><p>　　1.Recommend the development of Smart Home system present situation at home and abroad and means of communicati

16、on it has adopted ,by comparing with so many methods,we chose zigbee wireless communication way as Smart Home way of communication </p><p>　　2.Describe zigbee technology in detail, introduce its origin and r

17、esearch it</p><p>　　3.Design zigbee all sorts of equipment including routers and terminal equipment of the hardware </p><p>　　4.Design all kinds of sensors and their matching regulate circu

18、it control circuit what smart home need</p><p>　　5.Introduce the function of Smart Home</p><p>　　Keywords：Smart Home;Zigbee; communication technology;wireless network technology</p><p

19、><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1本課題的背景和意義 </p><p>　　所謂智能家居系統(tǒng)是指利用先進的計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術、綜合布線技術將與家居生活有關的各種子系統(tǒng)有機地結合在一起，通過統(tǒng)籌的管理，使得居家生活變得更加舒適、安全。智能家居提供了全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部時刻保持著信息的交流，優(yōu)化了人們的生活方式，增強

20、了家居生活的安全性，以及可以節(jié)約各種能源費用資金。</p><p>　　智能家居又稱為智能住宅， 在國外常用Smart Home 表示。與智能家居含義相似的有家庭自動化（Home Automation）、電子家庭（Electronic Home、E-home）、數(shù)字家園（Digital Family）、家庭網(wǎng)絡（Home Net/Networks for Home）、網(wǎng)絡家居（NetworkHome）、智能家庭/

21、建筑（Intelligent Home/Buigylding）等。</p><p>　　1.2國內(nèi)外智能家居發(fā)展概況</p><p>　　1.2.1 國外智能家居發(fā)展概況</p><p>　　智能家居使用的是計算機技術、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡通訊技術，將家庭生活中的各種設備（如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡家電）通過家庭網(wǎng)絡連接到一起。國外智能家居發(fā)展得從1984年美

22、國康乃迪克州哈特佛市首創(chuàng)的智能建筑說起，至此以后，一些大大小小的科技比較發(fā)達先進的國家也陸陸續(xù)續(xù)加入到智能家居的這個行列當中，并且諸如美國、瑞典、新加坡、英國等國的智能家居發(fā)展較好。在新加坡國家他們的系統(tǒng)已近相當完善，詳細的說它能實現(xiàn)電表、水表、燃氣表抄送，自動報警，可視通話、網(wǎng)絡監(jiān)控，電氣智能化控制，智能接線盒寬帶網(wǎng)絡接入和系統(tǒng)軟件配置等，智能家居控制系統(tǒng)、智能家居家電系統(tǒng)、智能家居舒適系統(tǒng)、智能家居娛樂系統(tǒng)、智能家居節(jié)能系統(tǒng)等等應有

23、具有。在日本，除了室內(nèi)的家庭已經(jīng)實現(xiàn)自動化網(wǎng)絡，但同時也實現(xiàn)了自動門的生物特征識別系統(tǒng)，這個系統(tǒng)設計比較人性化，即使我們雙手提有東西不方便騰出手但只要門口的攝像機確認個人身份之后，門在設定的的短時間內(nèi)就能打開。另外，家居智能化還使用了醫(yī)學相關設計，便于人隨時關注個人健康情況，在衛(wèi)生間的便器墊圈上我們插有血壓計，還有在便器內(nèi)很巧妙的設計了血糖檢測裝置，在廁所內(nèi)洗手池前我們也可以安裝體</p><p>　　1.2.2

24、 國內(nèi)智能家居發(fā)展概況</p><p>　　智能家居系統(tǒng)在國內(nèi)的研究起步較晚，但也創(chuàng)造了很多不同的標準，下面是代表目前一些智能家居系統(tǒng)： </p><p>　　（1）科龍集團開發(fā)的“智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡”，由科龍集團開發(fā)的“智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡”，由家庭網(wǎng)關，電表控制器，安全控制，家電控制器，光總線控制器和家庭組成。通過遠程互聯(lián)網(wǎng)，可以遠程控制家里的設備；您也可以用電視機的遙控器來控制開關燈，在不

25、同的季節(jié)，空調(diào)，冰箱及其控制方法也將隨著時間的變化發(fā)生變化以及其他自適應特性。 </p><p>　?。?）海信智能家居控制系統(tǒng)：曾經(jīng)提出智能家居享你所想的口號，它們將所有家用電器，像燈光、窗簾、空調(diào)、電視等等，都可以通過手機或是平板電腦來操作，完全智能化。在德國消費電子展（IFA）上，海信以智能家居的理念，攜旗下智能電視、冰箱、空調(diào)等產(chǎn)品亮相，海信展臺以智能家居理念搭建，智能電視、智能冰箱等家電產(chǎn)品組成了家庭的

26、智能控制系統(tǒng)。其中SMART TV作為智能家居的最重要組成部分，不僅體現(xiàn)出了智能電視在影音娛樂方面的應用，更重要的是其智能互動部分的應用更為廣泛。</p><p>　　（3）清華同方e家數(shù)字家庭：這是一個以家庭為基礎的技術和樓宇自動化技術，清華同方與相關聯(lián)網(wǎng)絡，計算機，軟件技術，為中國家庭和社區(qū)提供了全方位的數(shù)字服務產(chǎn)品。e家數(shù)字家庭包括三個層次，家庭自動化，智能化小區(qū)，社區(qū)信息，其目的是為了使人們的生活和工作網(wǎng)

27、絡化。</p><p>　?。?）“卓越3000”家用電器智能控制：方正“卓越3000”可以包括電視機，錄像機，VCD，攝像機，空調(diào)和其它家用電器，包括所有的控制電路，智能集中管理，提高了家電的效率，使其聯(lián)系在一起，并家庭的有效利用成為用戶的“家電主管”。</p><p>　　從消費者的角度來看， 智能家居廠家應該以貼近客戶實際需求為導向，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性為第一追求，為住戶提供高效、舒適、

28、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。實現(xiàn)智能化還需在家電自動化的基礎上實現(xiàn)家居網(wǎng)絡化，通過芯片對各種記錄、判別、控制、反饋等過程進行處理，并將這些過程在一個網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)集成，能按人們的需求實現(xiàn)遠程自動控制。因此，標準版的智能家居只需一個遙控器便可實現(xiàn)所有自動化功能。智能化服務于人們的居家生活，體現(xiàn)了目前最高和最新科技的水平，更全面、更富有人性化。未來的家庭將充滿了各種數(shù)字設備連接的無線技術，讓每個家庭擁有必要的設備，設備可以在互聯(lián)網(wǎng)上使用無線技

29、術，形成自己獨立的網(wǎng)絡，然后通過遙控器連接到電腦在互聯(lián)網(wǎng)上，在家里，真正實現(xiàn)家電信息化、網(wǎng)絡化。 </p><p>　　1.3智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)技術</p><p>　　1.3.1 有線通信組網(wǎng)技術</p><p>　　（1）集中布線技術：</p><p>　　需要重新額外布設弱電控制線來發(fā)送控制信號以及接收被控設備的反饋信號，從而達到對家電生

30、活燈光進行控制的目的。之前主要應用于樓宇智能化控制。因為是其以獨立、有線的方式進行信號的收發(fā)，所以相比較而言信號最穩(wěn)定，較適合于新建樓宇和小區(qū)的大范圍的控制，現(xiàn)在開始部分用于別墅智能化，但一般布線比較復雜，造價較高，工期較長，因而只適用于房子是新裝修的用戶。</p><p>　?。?）X10電力載波：</p><p>　　不需要重新布線， 主要利用家庭內(nèi)現(xiàn)有的電力傳輸，以實現(xiàn)控制信號的電器

31、和照明控制和管理，安裝，設置比較簡單，許多設備是即插即用，您可以自由匹配產(chǎn)品，根據(jù)自己的需要，能夠不斷智能升級功能是比較強大和實用，價格實惠，適合大眾消費，技術已經(jīng)非常成熟，有25多年的歷史，現(xiàn)在美國已有近1300萬家庭用戶，對于新裝修的家庭戶，或者已裝修的家庭用戶而言，是比較健康，安全和環(huán)保的智能家居技術，但是國內(nèi)X10技術由于受限于國內(nèi)電網(wǎng)的雜波比較多，使控制信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性得不到保證，以致系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對于國外來說比較差。<

32、/p><p>　　1.3.2 無線通信組網(wǎng)技術</p><p>　　本文具體研究的便是智能家居的無線組網(wǎng)技術。無線射頻技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本的無線通信技術。以無線射頻的方式進行控制信號的傳輸，實現(xiàn)對家電和燈光的控制。不再需要重新布線，安裝，設置及調(diào)試都是比較方便的。隨著射頻技術的發(fā)展，射頻傳輸?shù)目垢蓴_能力也越來越強，穩(wěn)定性越來越高，穿透障礙物的性能也越來越好，有逐

33、漸取代傳統(tǒng)以有線方式傳輸控制信號的趨勢。同時其無需布線的優(yōu)勢也使無線智能家居系統(tǒng)成為已裝修家庭配備智能家居系統(tǒng)的首選。</p><p>　　同時隨著ZigBee協(xié)議的逐漸推廣，也是本論文主要討論的。采用2.4GHZ頻率、支持ZigBee協(xié)議的無線智能家居系統(tǒng)已有很大程度的Zigbee技術能更好地解決射頻傳輸穩(wěn)定性較差、抗干擾能力弱的問題。同時，由于Zigbee網(wǎng)絡可以自動組網(wǎng)，所以控制設備和被控制設備間在使用前無

34、需對碼，是Zigbee系統(tǒng)的易用性大大增強。同時，其通訊節(jié)點可以有路由的能力，傳輸信號可以在有路由功能的節(jié)點間進行接力式的傳輸，這樣大大增加了信號的傳輸距離，增強了信號穿透障礙的能力。</p><p>　　1.4智能家居系統(tǒng)設計需要解決的問題</p><p>　　從宏觀上來講，事物的每個發(fā)展階段都是當時從業(yè)人員認識水平、技術水平、市場認知、原材料成本等幾個原因共同作用的結果。每個階段都會局

35、限于當時的技術水平、市場接受程度等，都會有其無法突破的瓶頸和困難。即便智能家居系統(tǒng)在中國已發(fā)展20多年，且經(jīng)過這么多年的發(fā)展，產(chǎn)品、技術已日趨成熟、穩(wěn)定，但每項技術并不一定都完美無瑕。只要產(chǎn)品或技術處于高速發(fā)展中，它必然需要不斷地去解決一些技術上或者產(chǎn)品上的問題。智能家居產(chǎn)品未來會還向節(jié)能環(huán)保，舒適度方面發(fā)展。比如冬暖夏涼型建筑，不用空調(diào)，由建筑自身的功能去調(diào)節(jié)溫度。而智能家居必須結合這些建筑上的功能去發(fā)展，從這個方面來說，必然會推動智

36、能家居的適應性發(fā)展。</p><p>　　對與現(xiàn)階段的智能家居來說，沒有專用的對講或智能家居數(shù)字處理芯片，無論是技術層面還是集成層面，都只是有所關聯(lián)。如果能夠很好的解決，未來數(shù)字對講將會取得更好的應用。而隨著中國城鎮(zhèn)化趨勢的加劇，大型小區(qū)會越來越多，人們對安保的重視程度也會日益加強，將來小區(qū)的多個安防子系統(tǒng)在技術上必然會走向綜合化、集成化。除此之外，廠家需理性地為各類應用設計解決方案，校正一些過往的虛假概念。只有

37、設計實用性強，性價比高，能適應拓展未來新技術的系統(tǒng)，才能更好地為用戶服務。</p><p>　　除此之外，各家產(chǎn)品的兼容性也是一個急需解決的問題。目前各廠家的產(chǎn)品均采用自家的協(xié)議，無法很好地做到兼容，而不同品牌的可視對講和智能家居系統(tǒng)如何互連互通也將是今后需突破的難點。 </p><p>　　第二章 ZigBee 技術研究</p><p>　　2.1 ZigBee技

38、術簡介</p><p>　　首先為大家介紹一下什么是ZigBee， ZigBee是1個由可多到65000個無線模塊組成的一個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡平臺，與現(xiàn)有的CDMA方式的移動通信網(wǎng)絡或GSM網(wǎng)絡是非常類似的，每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊類似于移動網(wǎng)絡中的一個基站，在整個網(wǎng)絡中，彼此之間可以進行通信的范圍內(nèi)，各網(wǎng)絡節(jié)點之間的距離從標準的75米到幾百米，甚至幾公里。 此外，Zigbee網(wǎng)絡還與其他各種現(xiàn)行的網(wǎng)絡互

39、連。同時，ZigBee是一種短距離，低復雜度，低功耗，低速率，低成本的雙向無線通信技術，主要用于自動控制和遠程控制，可以滿足對小型的，價格低廉的設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。</p><p>　　ZigBee技術的前身是“HoneRFlite”技術， 在2000年12月由IEEE802.15.3工作組制定了其核心協(xié)議，并由2002年8月組建的Zigbee聯(lián)盟負責其高層應用、互聯(lián)互通測試和市場推廣。</p>

40、<p>　　2.2 ZigBee協(xié)議組成</p><p>　　2.2.1ZigBee協(xié)議總體構架</p><p>　　ZigBee協(xié)議與其他網(wǎng)絡通信協(xié)議一樣采用了分層模型，對各層所實現(xiàn)的功能和在整個協(xié)議中所起的作用做出了明確的劃分。ZigBee協(xié)議套件由高層應用層、應用支持層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1

41、Zigbee協(xié)議總體架構</p><p>　　2.2.2物理層(PHY)規(guī)范 </p><p>　　物理層是遵循IEEE802.15.4協(xié)議的，是協(xié)議的最低層，承擔的任務是與外界直接相互作用，控制RF收發(fā)器的工作，采用擴頻通信。物理層通過射頻固件和硬件提供給MAC層與物理無線信道之間的接口，物理層還包括物理層管理實體（PLME）,以提供調(diào)用物理層管理功能的管理服務接口，同時PLME還負責維

42、護物理層PAN信息庫（PHY PIB）。物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務訪問點（PD-SAP）提供物理層數(shù)據(jù)服務，通過物理層管理實體服務訪問點（PLME-SAP）提供物理層管理服務。 物理層數(shù)據(jù)服務可以簡單概括為以下作用：開啟和關閉無線收發(fā)信機、能量檢測（ED）、鏈路質(zhì)量指示（LQI）、空間信道評估（CCA）、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。</p><p>　　2.2.3介質(zhì)傳輸控制層(MAC)規(guī)范</p>&

43、lt;p>　　同樣遵循IEEE802.15.4協(xié)議，主要負責的是設備間的無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數(shù)據(jù)傳輸和接收，可以選時隙，實現(xiàn)低延遲傳輸，各種網(wǎng)絡拓撲結構均支持，網(wǎng)絡中每個設備有16位地址尋址。MAC子層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務。前者保證MAC了協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中的正確收發(fā)，MAC層管理服務維護一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關信息的數(shù)據(jù)庫。</p><p&g

44、t;　　MAC子層主要功能如下：</p><p>　?、賲f(xié)調(diào)器產(chǎn)生發(fā)出網(wǎng)絡信標幀。 ②其他設備與信標幀同步。 ③支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)(Association)和取消關聯(lián)(Disassociation)操作。</p><p>　?、鼙ＷC設備的安全。 ⑤使用CSMA-CA機制訪問信道。 ⑥支持GTS（Guaranteed Time Slot，時間槽保障）機制。

45、 ⑦提供兩個對等的MAC實體之間的可靠連接等。</p><p>　　2.2.4網(wǎng)絡層(NWK)規(guī)范</p><p>　　網(wǎng)絡層在MAC層之間提 提供一個合適的接口，通過刺激MAC層動作執(zhí)行尋址和路由功能。它的關鍵任務包括：</p><p>　?。?）啟動網(wǎng)絡和分配網(wǎng)絡地址;</p><p>　　（2）移除網(wǎng)絡中的設備或者添加網(wǎng)絡中的設備

46、</p><p>　?。?）通過路由，將消息送往目的節(jié)點；</p><p>　　（4）加密已發(fā)送的數(shù)據(jù)；</p><p>　　（5）在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中執(zhí)行路由尋址并且儲存路由表。 </p><p>　　2.2.5應用層(APL)規(guī)范</p><p>　　應用層用于支持維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，根

47、據(jù)服務和需求使多個器件之間進行通信，Zigbee應用層中包含有應用程序支持子層，應用程序架構，送往Zigbee裝置管控對象和與各廠商定義的應用程序對象。此外，Zigbee還定義了應用規(guī)格，它是針對各種不同的應用情境來定義的概略的行為藍圖，讓特定應用中采用此規(guī)格的裝置之間能夠互相操作。</p><p>　　2.3 ZigBee網(wǎng)絡配置</p><p>　　2.3.1 IEEE802.15.4

48、定義的網(wǎng)絡設備</p><p>　　IEEE 802.15工作組是1998年成立，致力于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（WPAN）物理層和媒體訪問子層的標準化工作，2002年,zigbee Alliance成立，2004年,zigbee V1.0誕生.它是zigbee的第一個規(guī)范.但由于推出倉促,存在一些錯誤，2006年,推出zigbee 2006,比較完善，2007年底,zigbee PRO推出，zigbee的底層技術基于I

49、EEE802.15.4，物理層和MAC層直接引用了IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN網(wǎng)絡具有如下特點：在不同的載波頻率下實現(xiàn)了20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率；支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡拓撲結構；有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址；支持沖突避免的載波多路偵聽技術（carrier sense multiple access with co

50、llision avoidance, CSMA-CA）；支持確認（ACK）機制，保證傳輸可靠性。</p><p>　　IEEE802.15.4提供兩種物理層的選擇868/915MHz和2.4GHz的直接序列擴頻(DSSS)物理層頻段。2.4GHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s，868/915MHz物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖鞈]為20kb/s和40kb/s，2.4GHz物理層傳輸速率高是由于采用DSSS方法準正交調(diào)制技

51、術，而868/915MHz物理層使用每個PPDU數(shù)據(jù)傳輸為被最大長為15的CHIP序列所擴展的簡單DSSS方法。IEEE802.15.4支持多種網(wǎng)絡拓撲結構，包括星形和點-點拓撲，拓撲結構需要根據(jù)應用設計需求來定，一些PC外設應用適合星形低延時的連接，其他安全方面應用適合大面積點-點的拓撲結構。</p><p>　　2.3.2 ZigBee定義的網(wǎng)絡設備</p><p>　　Zigbee,

52、 在中國被譯為"紫蜂",它與藍牙相類似.是一種新興的短距離無線技術，用于傳感控制應用。Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。Zigbee這個字，從英語的角度來分析，它是由“Zig”和“bee”兩個字組成。前者“Zig”中文的意思是“之“字形的路徑，后面一個英文單詞“bee”就是蜜蜂的意思.Zigbee網(wǎng)絡技術，就是模仿蜜蜂通過跳

53、舞來傳遞信息的方式，通過網(wǎng)絡節(jié)點之間信息的相互互傳，來將一個信息從一個節(jié)點傳輸?shù)竭h處的另外一個節(jié)點?？偟膩碚f，ZigBee是一種基于IEEE802.15.4的低功耗、低傳輸速率、架構簡單的短距離無線通信技術，它在自動控制領域的應用正越來越引起業(yè)界的矚目。</p><p>　　2.3.3 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構</p><p>　　Zigbee網(wǎng)絡有三種網(wǎng)絡拓撲結構：星型拓撲結構，樹狀拓撲

54、結構和網(wǎng)狀拓撲結構，而IEEE802.15.4中所支持的對等結構就是樹狀結構和網(wǎng)狀結構。三種網(wǎng)絡拓撲結構如圖2-2所示：</p><p>　　星狀網(wǎng)絡（Star） 樹狀網(wǎng)絡（cluster tree）</p><p><b>　　協(xié)調(diào)器</b></p><p>　　、、

55、 路由器</p><p><b>　　終端節(jié)點</b></p><p>　　網(wǎng)絡網(wǎng)狀（mesh）</p><p>　　圖2-2 Zigbee三種網(wǎng)絡拓撲結構</p><p>　　2.4 Zigbee技術的特點</p>

56、<p>　　ZigBee是近年來興起的一種短距離，低功耗，低成本，靈活的組網(wǎng)，無線通信技術，適用于數(shù)據(jù)傳輸量小，功率有更高的要求，網(wǎng)絡節(jié)點需要更多的場合。具有以下特點：</p><p>　?。?）低功耗：由于工作時間比較短、接受和發(fā)送信息功能消耗比較低并且多數(shù)情況下采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點很省電。 </p><p>　?。?）低成本：目前低速率低功率的UWB芯片組的價

57、格不低于20美元，而ZigBee的價格</p><p>　　目前只有幾美分，并且ZigBee 協(xié)議是不收專利費的。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)傳輸速率低：ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。</p><p&g

58、t;　　（4）時延短：ZigBee 針對時延敏感的應用做了改進，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都很的短。 </p><p>　　（5）網(wǎng)絡容量大：每個Zigbee網(wǎng)絡最多可支持255個設備，也就是說，每個Zigbee設備可以與另外254臺設備相連接;</p><p>　?。?）優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲能力:ZigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡結構的能力。ZigBee設備實際上具有無線網(wǎng)路自愈能力,能簡單地覆

59、蓋廣闊圍;</p><p>　?。?）安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性;</p><p>　　第三章 智能家居系統(tǒng)總體設計方案</p><p>　　3.1智能家居系統(tǒng)需求分析</p><p>　　智能家居系統(tǒng)采用ZigBee技術以及無線傳感網(wǎng)絡相結合，智能家居系統(tǒng)對于廣

60、大消費者而言必須實用、簡單，在此基礎上可以根據(jù)個人愛好進行多樣化和個性化，智能家居系統(tǒng)可細分為如下幾個分系統(tǒng)：燈光照明系統(tǒng)、門窗控制系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)。智能家居可以簡單概括出以下一些特點：</p><p>　　(1) 使用方便： 智能化系統(tǒng)提供遠程控制接口，當您外出時，您可以通過電話或互聯(lián)網(wǎng)查看和控制家里的設備。</p><p>　　(2) 信息服務：通過互聯(lián)網(wǎng)

61、或在任何時間，任何地點獲得和交換消息的通信網(wǎng)絡，它們通過多種形式，從靜態(tài)文本，圖形，到動態(tài)的音頻和視頻信息。</p><p>　　(3) 安全性能高：家庭智能家居系統(tǒng)可以實時監(jiān)控狀態(tài)，預防火災，煤氣中毒， 防御入侵者并及時報警，有效地保證您的居家安全。</p><p>　　(4) 節(jié)約成本：智能系統(tǒng)可以幫你自動關閉家中的臨時需要的耗能設備，降低您的生活成本。</p><

62、p>　　當某些設備因為用戶的需要而發(fā)生位置改變時，那么等同于網(wǎng)絡的拓撲結構也要進行一定的改善。在最開始的智能家居網(wǎng)絡建設初期規(guī)劃時就得先考慮到系統(tǒng)的自適應性和兼容性，滿足家庭網(wǎng)絡智能化、自動化的要求。如果說網(wǎng)絡拓撲結構不得不進行調(diào)整時，我們可以采取自適應調(diào)整措施，保證家庭網(wǎng)絡正常使用。另外還有一種情況就是由于業(yè)務的需要可能要對網(wǎng)絡進行升級改造，之所以要升級也無非是為了改善原本的某一些缺陷，提供出更適合的網(wǎng)絡來滿足客戶的需求。<

63、;/p><p>　　3.2智能家居系統(tǒng)功能描述</p><p>　　智能家居系統(tǒng)旨在實現(xiàn)的以下主要功能：</p><p>　　(1)可以控制和相應的狀態(tài)查詢，如查詢室內(nèi)和室外的溫度，可用于家用電器，如燈一鍵全開，一鍵全關，更方便。</p><p>　　(2)在光線方面我們可以依照家庭裝修環(huán)境背景或者用戶的其他層次的需要，對光線先進行自動調(diào)節(jié)，指在

64、給用戶帶來良好的感知度和舒適程度。</p><p>　　(3)制定人機交互界面，這樣用戶就可以根據(jù)自己的需要自行調(diào)節(jié)各個用電器之間的參數(shù)，使操作簡單化； </p><p>　　(4)在智能家庭網(wǎng)關的Web服務器，網(wǎng)絡視頻服務器的框架，可以通過PC客戶端Web進行查看實時狀態(tài)和遠程控制家用設備的家庭。網(wǎng)絡視頻服務器端的Web框架，在智能家居網(wǎng)關的Web服務器，您可以查看PC和家庭設備的遠程控

65、制家庭的實時狀態(tài)。</p><p>　　(5)在家庭網(wǎng)關集成3G模塊，通過WCDMA網(wǎng)絡遠程訪問 </p><p>　　3.3智能家居系統(tǒng)結構</p><p>　　將基于ZigBee 芯片的無線網(wǎng)絡收發(fā)模塊嵌入到各種家居設備中去，組成基于?；赯igBee的無線家庭控制網(wǎng)絡技術。根據(jù)自己的需要用戶可以接入或者移除不同的設備。 通過這些無線網(wǎng)絡收發(fā)器模塊在各子網(wǎng)絡之間

66、的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，使在家庭內(nèi)的無線設備的網(wǎng)絡互連，使他們能夠協(xié)作，自動運行。在設計中既能利用現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡也可以通過Internet 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，如3G 網(wǎng)絡，以便用戶可以隨時隨地接入家庭網(wǎng)絡。在家庭網(wǎng)絡內(nèi)網(wǎng)中，只需與一個具有無線接口管理功能的ZigBee模塊相連，通過開發(fā)的人機交互界面，便可通過PC或手持終端進行設備控制與狀態(tài)查詢，系統(tǒng)總體架構圖如圖3-1所示：</p><p><b>　　

67、家居網(wǎng)關</b></p><p><b>　　手機</b></p><p>　　圖3-1智能家居系統(tǒng)結構圖</p><p>　　本系統(tǒng)主要由三大模塊組成：ZigBee技術在家庭內(nèi)部通過網(wǎng)絡構成了一個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的設備實現(xiàn)互聯(lián)互通。 家庭網(wǎng)關在家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)絡，使用戶能夠遠程控制家庭內(nèi)的家用設備或實時監(jiān)控的情況；用戶可以

68、通過一臺家用電腦，對智能家居進行現(xiàn)場控制也可以登錄智能家居設備網(wǎng)絡的 進行遠程遠程控制和監(jiān)測。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　4.1 ZigBee通信模塊硬件設計.</p><p>　　4.1.1 CC2430芯片簡介</p><p>　　CC2430是芯片巨人TI公司收購無線單片機公司CHIPCON后推出的全

69、新概念新一代ZigBee無線單片機系列芯片。CC2430是一款真正符合IEEE802.15.4標準的片上SOC ZigBee產(chǎn)品。CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHz ISM波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。 CC2430的設計結合了

70、8Kbyte的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kByte來優(yōu)化復雜度與成本的組合。CC2430和CC2420射頻參數(shù)相同，CC2430具有51單片機核；發(fā)射功率0dbm；接收靈敏度小于-110dbm左右；工作頻點：2.4ghz；支持zigbee2003，,2006協(xié)議。</p><p>　　CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構，在單個芯片上整

71、合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1 個8 位MCU（8051），具有128 KB 可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個可編程I/O 引腳。C

72、C2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2430就是相當于一個增強型8051+zigbee射頻模塊。</p><p>　　4.1.2 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器硬件結構圖</p><p>　　網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責無線網(wǎng)絡的建

73、立和網(wǎng)絡狀態(tài)管理．網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通過串口與PC機相連，將采集到的脈搏信號傳輸?shù)接嬎銠C，以便對脈搏信號進行實時分析；其他無線節(jié)點可以連接家用設備，實現(xiàn)對它們的控制；將監(jiān)護信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡監(jiān)護服務器。可實現(xiàn)監(jiān)護信息的共享，具體結構如圖4-1所示。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和終端設備的一個明顯差別在于后者缺少智能家電和信號調(diào)制模塊，為偵聽串口接收中斷，在中心協(xié)調(diào)器硬件平臺上擴展了RS232串口。</p><p>　　圖4-1網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器硬件結

74、構圖</p><p>　　4.1.3 ZigBee終端設備結構設計</p><p>　　智能居家最后一個設備也就是終端設備，它可以直接獲取家庭環(huán)境第一手數(shù)據(jù)，并且它是命令執(zhí)行單元的關鍵。終端設備結構包括電源模塊、8051微控制器、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊、調(diào)試模塊、調(diào)制模塊、時鐘模塊、LCD模塊、天線模塊等，構造如圖4-2 所示。一方面，通過的智能傳感器單元設備模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)收集家里的環(huán)境

75、信息的終端裝置獲得通過的信號調(diào)制模塊有用信號，然后與無線模塊將信息上傳；另一方面，終端可以被連接通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收控制命令，并傳達到智能家電模塊命令執(zhí)行單元，執(zhí)行命令。</p><p>　　圖4-2終端設備結構圖</p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　5.1 ZigBee網(wǎng)絡設備軟件</p><p>　　5.1.

76、1 Z-Stack簡介</p><p>　　Z-Stack 是TI 公司開發(fā)的符合ZigBee2006規(guī)范的ZigBee協(xié)議棧，ZigBee無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)，是建立在ZigBee協(xié)議棧的基礎上的，協(xié)議棧采用分層的結構協(xié)議分層的目的是為了使各層相對獨立，每一層都提供一些服務，服務由協(xié)議定義，程序員只需關心與他的工作直接相關的那些層的協(xié)議，它們向高層提供服務，并由低層提供服務。TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，其主要特點

77、就是其兼容性，完全支持IEEE 802. 15. 4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。Z-Stack還支持豐富的新特性，如無線下載，可通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡（Mesh Network）下載節(jié)點更新。</p><p>　　5.1.2 ZigBee網(wǎng)絡的建立</p><p>　　組建一個完整的Zigbee網(wǎng)絡分為兩步：第一步是協(xié)調(diào)器初始化一個網(wǎng)絡；第二步是路由器或終端加入網(wǎng)絡。加

78、入網(wǎng)絡又有兩種方法，一種是子設備通過使用MAC層的連接進程加入網(wǎng)絡，另一種是子設備通過與一個先前指定的父設備直接加入網(wǎng)絡。ZigBee中，只有PAN協(xié)調(diào)點可以建立一個新的ZigBee網(wǎng)絡。當ZigBeePAN協(xié)調(diào)點希望建立一個新網(wǎng)絡時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調(diào)點會為新網(wǎng)絡選擇一個PAN標識符（PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是唯一

79、的）。一旦選定了PAN標識符，就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡，此后，如果另一個ZigBee協(xié)調(diào)點掃描該信道，這個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)點就會響應并聲明它的存在。</p><p>　　ZigBee協(xié)調(diào)點選定了網(wǎng)絡地址后，就開始接受新的節(jié)點加入其網(wǎng)絡。當一個節(jié)點希望加入該網(wǎng)絡時，它首先會通過信道掃描來搜索它周圍存在的網(wǎng)絡，如果找到了一個網(wǎng)絡，它就會進行關聯(lián)過程加入網(wǎng)絡，只有具備路由功能的節(jié)點可以允許別的節(jié)點通過它關聯(lián)網(wǎng)絡。如果網(wǎng)絡中的一個

80、節(jié)點與網(wǎng)絡失去聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡，它可以進行孤立通知過程重新加入網(wǎng)絡。</p><p>　　5.1.3 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器程序設計</p><p>　　Zigbee網(wǎng)絡采用3種拓撲結構：星型結構，網(wǎng)狀型結構和樹形結構。從網(wǎng)絡配置上看，網(wǎng)絡中有三種類型的節(jié)點：一是Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點，二是Zigbee路由器節(jié)點和最后一個Zigbee終端設備節(jié)點。</p><p&

81、gt;<b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　NY入網(wǎng)請求</b></p><p>　　圖5-1 Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器軟件流程</p><p>　　Zigbee協(xié)調(diào)器就是網(wǎng)絡組織的管理者，管理其網(wǎng)絡中的其他節(jié)點。針對一般

82、的應用模式，在一個Zigbee網(wǎng)絡形成之后，協(xié)調(diào)器不是必須的。它最主要的作用是，依據(jù)掃描情況，選擇一些合適參數(shù)建立一個網(wǎng)絡。如圖5-1是Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器軟件設計流程。</p><p>　　5.1.4 Zigbee網(wǎng)絡路由器程序設計</p><p>　　Zigbee路由器，其主要是起路由的作用，搜索區(qū)域中可用的網(wǎng)絡，作為潛在的父節(jié)點允許更多的設備加入網(wǎng)絡，傳輸數(shù)據(jù)以及向Zigbee協(xié)調(diào)

83、器請求數(shù)據(jù)等。通常，是希望路由器一直處于活動狀態(tài)，因此它必須使用主電源供電。但是當使用樹狀網(wǎng)絡拓撲結構的時候，允許路由間隔一定的周期才操作一次，這樣就可以使用電池給其供電。路由器也屬于全功能設備。其流程圖如下：</p><p><b>　　ＮＯ</b></p><p><b>　　YES </b></p><p><

84、;b>　　NO</b></p><p><b>　　NONO</b></p><p><b>　　YES</b></p><p><b>　　YES</b></p><p><b>　　YESNO</b></p><

85、;p><b>　　圖5-2路由器程序</b></p><p>　　5.1.5 ZigBee終端節(jié)點程序設計</p><p>　　Zigbee終端設備一般是作為邊緣設備使用，負責與實際的監(jiān)控對象相連，在網(wǎng)絡中扮演從屬的角色，大多數(shù)時間是屬于休眠狀態(tài)。ZigBee的終端節(jié)點中的每個節(jié)點按照設計的程序實現(xiàn)的功能，我們以溫度采集來進行解釋，Zigbee終端設備采集到空中

86、信息時，接下來對數(shù)據(jù)解讀和判斷，一旦確定命令為溫度采集則立馬調(diào)用相應的溫度采集程序對溫度進行采集和控制，然后將溫度傳感器來收集要處理的信息被發(fā)送到適當?shù)墓芾斫涌诎l(fā)送到的ZigBee無線管理界面。</p><p><b>　　NN</b></p><p><b>　　NY</b></p><p>　　圖5-3 ZigBe

87、e終端節(jié)點程序流程圖</p><p>　　5.2Zigbee綁定機制的引入</p><p>　　綁定指的是兩個節(jié)點在應用層上建立起來的一條邏輯鏈路。在同一個節(jié)點上可以建立多個綁定服務，分別對應不同種類的數(shù)據(jù)包。此外，綁定也允許有多個目標節(jié)點（一對多綁定）。例如將實現(xiàn)調(diào)光功能的各種照明設備和窗簾等進行綁定。系統(tǒng)的輸入量為光強度值，輸出量為燈光亮暗與窗簾打開程度。具體過程為：由用戶通過上位機輸

88、入設定值并發(fā)送給節(jié)點，節(jié)點通過光敏傳感器采樣當前室內(nèi)的光強度，與設定值進行對比，小于設定值則通過可控硅開關調(diào)節(jié)室內(nèi)燈或通過電機驅動打開窗簾來調(diào)節(jié)光線值，直到滿足設定條件為止。</p><p>　　ZigBee2006版本中規(guī)定，在全部節(jié)點中實現(xiàn)綁定機制，并將其稱為源綁定。綁定機制允許一個應用服務在不知道目標地址的情況下向對方（應用服務）發(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送時使用的目標地址將由應用支持子層（APS）從綁定表中自動獲得，

89、從而能使消息順利被目標節(jié)點的一個或多個應用服務，乃至分組接收。</p><p>　　5.3智能家居管理界面設計</p><p>　　基于網(wǎng)絡的管理平臺采用B/S（Browser/ Server）結構，客戶端只需裝有Web 瀏覽器即可，服務器端連接客戶端和數(shù)據(jù)服務器，負責處理來自瀏覽器用戶的請求。數(shù)據(jù)庫服務器保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定義、維護、訪問、更新及管理，并響應服務器的請求[5]。采用

90、SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技術將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。遠程WEB 服務器使用微軟的ASP.NET 技術開發(fā)了基于B/S 架構的數(shù)據(jù)管理服務軟件。整個管理軟件分為前臺頁面和后臺管理兩大模塊，前臺頁面主要實現(xiàn)了用戶可視化管理，方便用戶隨時查看、統(tǒng)計數(shù)據(jù)。管理界面與ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互過程如圖5-4所示：</p><p>　　圖5-4智能管理界面與zigbee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互流程</p>

91、;<p>　　我們知道智能家居主要包括配置界面和控制界面這兩種管理界面，兩個界面結合就實現(xiàn)了調(diào)節(jié)控制作用，通過配置界面可以做到把所需要的各種各樣的設備進行合理的綁定，綁定之后則在通過控制界面進行一定的控制。 </p><p>　　第六章 總結與展望.</p><p>　　從智能家居系統(tǒng)設計中可以看到，基于該應用的ZigBee系統(tǒng)硬軟件結構，可以根據(jù)其他控制領域的需要，進行多樣

92、的開發(fā)，有很強的延伸性和可移植性。智能家居系統(tǒng)由于是低數(shù)據(jù)率，正是ZigBee所側重的應用，和其他無線通信方式相比。ZigBee作為一種低速率的短距離無線通信技術，主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在低功耗，低成本，低延時，網(wǎng)絡容量大，而并非像藍牙一樣擁有高速的數(shù)據(jù)傳輸量。在包括智能家居、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療監(jiān)護、傳感器網(wǎng)絡應用和電信應用方面有很大的潛力。相信ZigBee技術會為我們帶來更靈活，更方便的生活環(huán)境。隨著人們生活水平的提高，大家對智能家居的

93、需求越來越高，而作為中國房地產(chǎn)的配套產(chǎn)業(yè)，中國的智能家居經(jīng)過多年發(fā)展，已成為一個集控制、計算機、家電等多種新技術為一體的新興產(chǎn)業(yè)。但是，由于市場不規(guī)范、行業(yè)標準不完善，市場發(fā)展并不是很成熟，如今還處于群雄逐鹿的"戰(zhàn)國時代".具有很大的市場潛力。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 周怡. ZigBee 無線通信

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