基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué) 院：軟件學(xué)院專業(yè)名稱： 軟件工程班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 曾劉保指導(dǎo)教師： 苗 利二O一二 年 三 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1、摘要扼要敘述本論文的主要內(nèi)容、特點(diǎn)，文字精煉，摘要500字左右。2、正文：一般包括引言、本、結(jié)論三個(gè)部分。字?jǐn)?shù)不少于13000字。3、收集資料：a歷史資料；b理論資料；c實(shí)踐資料4、技術(shù)要求：在論文寫作中進(jìn)行一定程度的創(chuàng)新性活動(dòng)，如提出一個(gè)新問題、對(duì)現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行新的解釋等。

2、III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：1、查閱并收集與論文相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，完成開題報(bào)告。（第1-2周）2、畢業(yè)論文資料調(diào)研，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究，掌握第一手資料。（第3周）3、撰寫畢業(yè)論文詳細(xì)提綱。論文提綱應(yīng)分為幾個(gè)部分或幾個(gè)層次。寫明論文的中心、重點(diǎn)、主要觀點(diǎn)、結(jié)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(dá)到的技術(shù)要求；簡述本課題在國內(nèi)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(shè)和條件，理論論證，理論在課題中的應(yīng)用，課題得出的結(jié)果等。（第6-7周）6、完成結(jié)論部分。即對(duì)整個(gè)研究工作進(jìn)行歸納和

3、綜合得出的總結(jié)，對(duì)所得結(jié)果比較和課題尚存在的問題，以及進(jìn)一步開展研究的見解與建議。結(jié)論應(yīng)該明確、精煉、完整、準(zhǔn)確。（第8周）7、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）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)論文打印；畢業(yè)答辯準(zhǔn)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(jī)原理與運(yùn)用.機(jī)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(wǎng)絡(luò)及其控制技術(shù).北京：人民郵電出版社20116 張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社 20047 林旭東.智能家居系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào).2008.6.5-68 馮培昌，周曉云，陳孝偉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探討J.電氣自動(dòng)化.2005年.27(5).73-759 崔莉，鞠海玲，苗勇等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展J.計(jì)算機(jī)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)J.計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò).2006年.5(2).98-10111 張華中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)展望.國際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài).2005年.26

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

6、論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌航空大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。作者簽名： 日期：導(dǎo)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：隨著人們生活水平的提高及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)于家居環(huán)境提出了更高的要求,智能家居也就應(yīng)運(yùn)而生,人們希望能通過各種家居設(shè)備來享有更加舒適，便捷的居住環(huán)境。但是傳統(tǒng)家居設(shè)備的控制信息傳輸主要靠布線技術(shù)，不但系統(tǒng)升級(jí)麻煩，且成本過高，實(shí)際的應(yīng)用效果也不明顯，并沒有很大的改善人們的生活。ZigBee的出現(xiàn)使的這一現(xiàn)象

7、得到有效的應(yīng)解，ZigBee是一種低成本、低功耗無線通信技術(shù)，它的自組網(wǎng)技術(shù)可以方便的使家中的各種設(shè)備組成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)，信息傳送的可靠性也極高。使用ZigBee作為家居內(nèi)網(wǎng)可以方便的對(duì)家電進(jìn)行控制和對(duì)安防預(yù)警信息進(jìn)行采集。本文首先介紹了智能家居的研究背景和國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行介紹，比較詳細(xì)的介紹了ZigBee協(xié)議框架中各層次扮演的角色及特點(diǎn)，并對(duì)ZigBee技術(shù)在智能家居中內(nèi)部組網(wǎng)技術(shù)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(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)功能及特色等。集中控制端在個(gè)人PC機(jī)上模擬實(shí)現(xiàn)，與之構(gòu)成C/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)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(nèi)網(wǎng)采用基于CC2530的SoC建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)調(diào)器為核心節(jié)點(diǎn)，組合其他設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行家居網(wǎng)內(nèi)信息的采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)家電控制和溫度、濕度、入侵等安防信息采集。同時(shí)設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)接入的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。測試表明：使用遠(yuǎn)程控制端或集中控制端都能可靠的對(duì)家電進(jìn)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(kuò)展性，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵字： ZigBee 智能家居 家居內(nèi)網(wǎng) 多方式控制 指導(dǎo)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(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)21.2.1 國外研究發(fā)展概況21.2.2 國內(nèi)研究發(fā)展概況21.2.2 智能家居發(fā)展趨勢(shì)31.3 研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)41.4 本章小結(jié)5第二章 無線通信與ZigBee技術(shù)62.1 無線通信概述62.2 ZigBee技術(shù)簡介62.2.1 ZigBee技術(shù)概述及特點(diǎn)62.2.2 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)82.3 ZigBee在智能家居中的適用性102.3 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)112.3.1 物理層122.3.2 MAC層142.3.3 網(wǎng)絡(luò)層152

17、.3.4 應(yīng)用層162.4 ZigBee在智能家居中的應(yīng)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(fèi)類電子202.5 ZigBee的價(jià)值和應(yīng)用前景202.6 本章小結(jié)21第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方案223.1 系統(tǒng)需求分析223.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案223.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述223.2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各終端角色233.2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)及特色243.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案253.4 家電模擬控制及安防信息采集263.5 本章小結(jié)27第四章 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)詳細(xì)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?shù)陌踩?94.1.2 ZigBee的CSMA/CA 機(jī)制304.1.3 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)工作方式324.1.4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的收發(fā)數(shù)據(jù)324.2 Linux環(huán)境下的遠(yuǎn)程控制端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)334.3 集中控制端的介紹354.4 本章小結(jié)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(tái)375.2.1IAR 7.51375.2.2ZigBee協(xié)議棧385.3 系統(tǒng)運(yùn)行與測試395.4本章小結(jié)40第六章 工作總結(jié)與展望416.1 工作總結(jié)416.2 展 望41參考文獻(xiàn)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(shè)備與安防設(shè)備逐漸的進(jìn)入家庭，加之通信與信息技術(shù)的發(fā)展，家居越來越智能化。人們也希望能更加方便的對(duì)家用電器進(jìn)行操作同時(shí)對(duì)家中的居住環(huán)境和安防狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，享有一個(gè)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(gè)多功能的綜合技術(shù)系統(tǒng),它以家庭住宅為平臺(tái),利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳感、自動(dòng)化與嵌入式技術(shù),將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如燈光控制、安防預(yù)警、家電操作等整合在一起，并通過家居信息管理平臺(tái)對(duì)其進(jìn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展和成熟

20、，“物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)來培育發(fā)展。而國內(nèi)外各大家電生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的各種高端家電也開始預(yù)留信息控制接口，準(zhǔn)備著迎接物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來。智能家居也是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一部分，也是物聯(lián)網(wǎng)在明生應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)部分，加之近年來房地產(chǎn)的迅猛發(fā)展和媒體宣傳造勢(shì)，智能家居呈現(xiàn)耳熟能詳化，為此智能家居必將得到高速發(fā)展。國內(nèi)外的一些技術(shù)廠商都在進(jìn)行市場推廣和技術(shù)儲(chǔ)備，以便在合適的時(shí)機(jī)退出自己的智能家居產(chǎn)品。雖然各種產(chǎn)品的功能標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用接口不太一樣，但是不難想象，智能家居的功能都會(huì)基本涵蓋一下幾個(gè)方面：(1) 燈光控制：不管哪個(gè)家庭都會(huì)有需要更加方便的對(duì)家中燈

21、光進(jìn)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(duì)熱水器，空調(diào)等進(jìn)行控制，也希望需要時(shí)能通過有網(wǎng)路接入的設(shè)備對(duì)電器進(jìn)行遠(yuǎn)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(gè)熱水澡。(3) 安防預(yù)警：居家生活，平安是最大的愿望，通過對(duì)家中煙感，入侵等安防信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，免去后顧之憂。 為此設(shè)計(jì)出一套既有通用性，又可以方便的進(jìn)行擴(kuò)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(fù)雜性，降低安裝成本和提高信息傳送的安全性，解決實(shí)際推廣中可能會(huì)出現(xiàn)的問題，為智能家居的大規(guī)模應(yīng)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(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)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(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)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(yīng)用。11998年新加坡舉辦的“98亞洲家庭電器與電子消費(fèi)品國際展覽會(huì)”上，通過在場內(nèi)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(bào)警功能、可視對(duì)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(wǎng)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(dòng)尚需時(shí)日。目前在新加坡也

23、有近30個(gè)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(jì)將會(huì)有更多的住宅安裝上這一類高科技智能化系統(tǒng)產(chǎn)品。目前美國有一種占據(jù)市場主流的產(chǎn)品X-10，銷售已超過1億個(gè)，設(shè)計(jì)戶型為單體別墅，應(yīng)用多為舊房改造，僅在美國便有超過400萬個(gè)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(shí)推出其智能家居系統(tǒng)，通過機(jī)頂盒和網(wǎng)絡(luò)，將家居自動(dòng)化控制、信息家電、安防設(shè)備以及娛樂和信息中心這四部分集成一個(gè)全面的，面向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)的家居控制網(wǎng)絡(luò)。在日本智能家居也很發(fā)達(dá)，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(chǎn)品能使家中的電器自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)，甚至有了生物識(shí)別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門禁功能，人只要站在門口幾秒鐘，就可以自動(dòng)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(dòng)也尚需時(shí)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(jiān)持同樣的信念：山那邊遍地是金。1.2.2 國內(nèi)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(gè)方興未艾的產(chǎn)業(yè)，受到越來越多行業(yè)者的追捧，發(fā)展非?？欤a(chǎn)廠家非常多，產(chǎn)品也是各種各樣，遍布智能家居生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。比如海爾的U-Home智能家居系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟了，他構(gòu)建室內(nèi)家電、

25、多媒體、環(huán)境檢測、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)等全方位數(shù)字生活,利用“智能物聯(lián)網(wǎng)”作為住區(qū)服務(wù)和管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)綠色低碳住宅產(chǎn)業(yè)，但是像這樣的龍頭企業(yè)卻比較少。在外觀和產(chǎn)品質(zhì)量上，總體與國外還有較大的差距，但有些產(chǎn)品，比如家庭智能終端，中國的幾個(gè)廠家的產(chǎn)品已經(jīng)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(jìn)方向，受我國經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀的限制，智能家居現(xiàn)在普及比較少，多是有一定經(jīng)濟(jì)能力的專屬，不過現(xiàn)在已經(jīng)慢慢有廉價(jià)的產(chǎn)品出現(xiàn)，進(jìn)入普通百姓家，比如家庭的情景燈光系統(tǒng)，這個(gè)比較實(shí)用，價(jià)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(chǎn)業(yè)的火爆，給國內(nèi)智能領(lǐng)域帶

26、來了發(fā)展的機(jī)遇。眾所周知，中國人口眾多，城市住宅建設(shè)也多選擇密集型的住宅小區(qū)方式，因此很多房地產(chǎn)商會(huì)站在整個(gè)小區(qū)的角度來看智能化，也就出現(xiàn)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(gè)多功能的系統(tǒng)，每個(gè)功能子系統(tǒng)都可以單獨(dú)使用。諸多功能子系統(tǒng)還要具有協(xié)同配合的能力。這些系統(tǒng)包括：小區(qū)對(duì)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(dòng)抄表系統(tǒng)等等。在房地產(chǎn)和媒體的助推下，與智能小區(qū)緊密相連的智能家居也會(huì)逐漸的進(jìn)入千家萬戶，但是在發(fā)展的同時(shí)，也遇到了很多不容忽視的問題：(1)沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。沒有標(biāo)準(zhǔn)就造成了百花齊放的局面，不同廠家的產(chǎn)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(jí)很麻煩，成本也很高，用戶在實(shí)際使用時(shí)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(biāo)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(huì)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(shì) 智能家居的提出到現(xiàn)在已經(jīng)有很多年了。從第一代單一智能家居產(chǎn)品到現(xiàn)在的百花齊放，智能家居發(fā)展已經(jīng)非常的迅速，特別是距互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的又一革命性的技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的提出和全世界對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的熱情投入，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也必將推動(dòng)智能家居的發(fā)展，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最廣泛的一環(huán)也必將得到迅猛發(fā)展。當(dāng)今的智能家居產(chǎn)品品質(zhì)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(xué)原理，融合個(gè)性需求，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)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(lián)動(dòng)、淋浴器等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗(yàn)并更加的人性化、實(shí)用、易用，真正的提高人們的生活品質(zhì)，智能家居的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展: (1) 家居內(nèi)網(wǎng)無線化。以往的智能家居產(chǎn)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(jí)困難，更重要的是有線控制限制了產(chǎn)品的智能化，除干線區(qū)域采用布線控制外，家居內(nèi)網(wǎng)的無線化使得控制更加的方便，安裝和維

29、護(hù)也會(huì)更加的方便。(2) 控制系統(tǒng)的高度集成化。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的生活水平也相應(yīng)的得到提高，電子產(chǎn)品越來越多，但是各個(gè)產(chǎn)品之間沒有任何的聯(lián)系，幾乎每個(gè)產(chǎn)品都有單獨(dú)的遙控器，如果能用一個(gè)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(wǎng)絡(luò)和電子終端產(chǎn)品的發(fā)展，控制軟件可以運(yùn)行在各種智能手機(jī)和有網(wǎng)絡(luò)接入功能的其他電子產(chǎn)品中。特別是智能手機(jī)，將成為未來智能家居最重要的移動(dòng)式智能控制終端，通過手機(jī)的智能家居客戶端軟件或WEB方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，對(duì)家里遠(yuǎn)程開鎖，客人圖像確認(rèn)，遠(yuǎn)程開啟空調(diào)以及暖器設(shè)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(gè)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(jù)外部環(huán)境來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度等，同時(shí)也希望能夠在開電視的時(shí)候自動(dòng)調(diào)暗燈光等。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(chǔ)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(huì)相應(yīng)的進(jìn)行報(bào)警。1.3 研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)本文根據(jù)國內(nèi)外智能家居的歷程，結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀的不足之處，選擇ZigBee無線網(wǎng)作為家庭內(nèi)網(wǎng)。并以嵌入式為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)，傳感器等技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的現(xiàn)場無線遙控操作和安防信息的監(jiān)控與預(yù)警，同時(shí)使得有網(wǎng)絡(luò)接入功能的特定設(shè)備可以遠(yuǎn)程使用本智能控制系統(tǒng)。本論文的研究內(nèi)容如下：(1) 開發(fā)不同環(huán)境的遠(yuǎn)程控制端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以方便用戶多途徑方便的控制家中電器設(shè)備和對(duì)家中安防信息進(jìn)行監(jiān)控。(2) 開發(fā)集中控制端，驗(yàn)證遠(yuǎn)程控制端用戶的控制權(quán)限，在權(quán)限合法后對(duì)遠(yuǎn)程指令進(jìn)行解析后通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的目標(biāo)設(shè)備。(3) 遠(yuǎn)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(shù)來進(jìn)行家居內(nèi)部組網(wǎng)，以方便節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(nèi)外的研究概況、展望智能家居在未來發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)本文研究內(nèi)容、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和文章組織結(jié)構(gòu)作安排。第二章：介紹了無線通信技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)ZigBee和其他幾種無線技術(shù)進(jìn)行對(duì)比介紹后，分析ZigBee在智能家居內(nèi)部組網(wǎng)的適用性，然后對(duì)ZigBee協(xié)議的各層次進(jìn)行比較詳細(xì)的介紹。第三章：根據(jù)對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行的需求分析，設(shè)計(jì)出智能家居系統(tǒng)的方案后，定位系統(tǒng)方案要能達(dá)到的目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的具體功能作詳細(xì)介紹。第四章：詳細(xì)介紹基于ZigBee的無線信息采集與傳輸和Linux下的遠(yuǎn)程控制端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)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(tái)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的測試結(jié)果進(jìn)行分析。 第六章：對(duì)工作進(jìn)行總結(jié)，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還需要完善和改進(jìn)的地方，并對(duì)本文的意義和價(jià)值作介紹。1.4 本章小結(jié) 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(huì)扮演越來重要的角色。隨后介紹了智能家居在國內(nèi)外的研究概況和發(fā)展現(xiàn)狀，智能家居在歐美日韓等發(fā)達(dá)國家起步早，現(xiàn)在也走在技術(shù)的前端，國內(nèi)雖起步晚，但發(fā)展迅猛。最后綜合現(xiàn)狀和環(huán)境，展望了智能家居在未來的發(fā)展趨勢(shì)。第二章 無線通信與ZigBee技術(shù)2.1 無線通信概述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，通信技術(shù)已深入到人類的各個(gè)方面,為了擺脫各種線纜對(duì)個(gè)人終

34、端的束縛，人們對(duì)能夠隨時(shí)隨地提供信息服務(wù)的移動(dòng)計(jì)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(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。近些年在通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的就是無線通信技術(shù)。自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)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(wǎng)的研究，而伴隨著以太局域網(wǎng)的迅猛發(fā)展，以具有不用架線、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的無線網(wǎng)以己之長補(bǔ)有線之短，也贏得了特定的市場認(rèn)可，為了規(guī)范和更好的發(fā)展，IEEE制訂了802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理層和媒質(zhì)訪問控制層進(jìn)行規(guī)定，這樣就使得無線網(wǎng)的多點(diǎn)

35、接入和多網(wǎng)段互聯(lián)能更加方便、廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)。 無線通信已深入到人們生活和工作的各個(gè)方面，包括日常使用的手機(jī)、無線電話等，當(dāng)然也有當(dāng)今很熱門的3G、WLAN、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)等應(yīng)用。2000年成立的IEEE 802.15.4工作組將致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術(shù)，而ZigBee正是這種無線技術(shù)的商業(yè)命名。2.2 ZigBee技術(shù)簡介2.2.1 ZigBee技術(shù)概述及特點(diǎn) ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議，是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。 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(xiàn)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(shù)的名稱。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層，高層應(yīng)用和市場推廣等工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。 ZigBee技術(shù)具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好、安全性高、實(shí)現(xiàn)成本低等特點(diǎn)，可以工作在2.4GHz、868MHz和915MHz這3個(gè)頻段上，分別具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，他的技術(shù)特點(diǎn)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(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,這是其它無線設(shè)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(jì)很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。 (3) 時(shí)延短: 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。 (4) 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Z

38、igBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。 (6) 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中定義了兩種功能設(shè)備：全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備 。

39、全功能設(shè)備 FFD (Full-Function Device) 可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器，能夠和任何一種設(shè)備通信。精簡功能設(shè)備RFD(Reduced-Function Device) 只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，精簡功能設(shè)備通常嵌入現(xiàn)場設(shè)備中使用。全功能設(shè)備之間以及 全功能設(shè)備與精簡功能設(shè)備之間都可以通信，但精簡功能設(shè)備之間不能直接通信 ，只能與全功能設(shè)備通信。精簡功能設(shè)備可以通過一個(gè)全功能設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù) ，這個(gè)與精簡功能設(shè)備相關(guān)聯(lián)的全功能設(shè)備稱為該精簡功能設(shè)備的協(xié)調(diào)器。 精簡功能設(shè)備主要用于簡單的控制應(yīng)用 ，如燈的開關(guān)、 被

40、動(dòng)式紅外線傳感器等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少，對(duì)傳輸資源和通信資源占用不多，這樣精簡功能設(shè)備可以采用非常廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案。由此可知ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。2.2.2 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)可以組合出適合不同需求的網(wǎng)絡(luò)，它有兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2.1所示：2圖2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有一個(gè)叫做PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須為

41、一個(gè)全功能的設(shè)備，從設(shè)備既可為全功能設(shè)備也可為簡化功能設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況，采用不同功能的設(shè)備，合理的構(gòu)造出需要的通信網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成當(dāng)一個(gè)具有全功能的設(shè)備第一次被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)，將自身成為一個(gè)PAN主協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨(dú)立于當(dāng)前其它星型網(wǎng)絡(luò)的操作，這就說明了在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)唯一的PAN主協(xié)調(diào)器，通過選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，目前其它無線通信技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)沒有用這種方式。因此，一旦選定了一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，PAN主協(xié)調(diào)器就會(huì)允許其它從設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中，無論是具有完整功能的設(shè)備，還是簡化功能的設(shè)備都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中

42、。對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和樹簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在工業(yè)監(jiān)測和控制、無線傳感器網(wǎng)路偶、供應(yīng)物資跟蹤、農(nóng)業(yè)智能化，以及安全監(jiān)控等方面都有廣泛的應(yīng)用。對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是基于Ad hoc技術(shù)的，也可以是自組織式的和自恢復(fù)的，并且在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備之間發(fā)送消息時(shí)，可通過多個(gè)中間設(shè)備中繼的方式進(jìn)行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式，以增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。其中組網(wǎng)的路由協(xié)議，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議網(wǎng)方式。在對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一個(gè)設(shè)備都可以與在無線通信范圍內(nèi)的其他任何設(shè)備進(jìn)行通信。任何一個(gè)設(shè)備都可定義為

43、PAN主協(xié)調(diào)器，例如，可將信道中第一個(gè)通信的設(shè)備定義為PAN主協(xié)調(diào)器。未來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很可能不僅僅局限為對(duì)等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是在構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的過程中，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行某些限制。例如，樹簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用形式，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以為全功能設(shè)備，也可以為精簡功能設(shè)備。而在樹簇中的大部分設(shè)備為全功能設(shè)備，精簡設(shè)備只能作為樹枝末尾處的葉節(jié)點(diǎn)上，這主要是由于精簡設(shè)備一次只能連接一個(gè)全功能設(shè)備。任何一個(gè)全功能設(shè)備都可以作為主協(xié)調(diào)器，為其它從設(shè)備或主設(shè)備提供同步服務(wù)。在整個(gè)PAN中，只要該設(shè)備相對(duì)于PAN中其它設(shè)備具有更多計(jì)算資源，比如具有更快的計(jì)算能力、更大的存儲(chǔ)空間以及更多的宮殿能力等，這樣

44、的設(shè)備都可以成為該P(yáng)AN的主協(xié)調(diào)器，通常稱該設(shè)備為PAN主協(xié)調(diào)器。在建立一個(gè)PAN時(shí)，首先，PAN主協(xié)調(diào)器將其自身設(shè)置成一個(gè)簇標(biāo)識(shí)符（CID）為0的簇頭（CLH），選擇一個(gè)沒有使用的PAN標(biāo)識(shí)符，并向臨近的其他設(shè)備以廣播的形式發(fā)送信標(biāo)幀，從而形成第一簇網(wǎng)絡(luò)。接收到信標(biāo)幀的候選設(shè)備可以在簇頭中請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)，如果PAN主協(xié)調(diào)器允許該設(shè)備加入，那么主協(xié)調(diào)器會(huì)將該設(shè)備作為子節(jié)點(diǎn)加到她的臨近表中，同時(shí)，請(qǐng)求加入的設(shè)備將PAN主協(xié)調(diào)器作為它的父節(jié)點(diǎn)加到鄰近列表中，成為從設(shè)備。一個(gè)全功能設(shè)備可以扮演三個(gè)角色：協(xié)調(diào)器（ Coordinator） 、PAN 協(xié)調(diào)器（Personal Area Network

45、coordinator）和設(shè)備（device)，其中協(xié)調(diào)器是一個(gè)全功能設(shè)備 ，它可以在網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息，主導(dǎo)信息的流向 。如果一個(gè)協(xié)調(diào)器在一個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò)中做主控制器，那我們把它叫做 PAN 協(xié)調(diào)器， 除此之外就是設(shè)備了。IEEE 802.15.4和ZigBee中定義的以上三中角色大體相同，對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表2.1所示：表2.1 ZigBee與IEEE 802.15.4角色對(duì)應(yīng)ZigBee與IEEE 802.15.4中不同角色的對(duì)應(yīng)關(guān)系ZigBeeCoordinatorRouterEnd deviceIEEE802.15.4.PAN CoordinatorCoordinatordevice在一個(gè) IE

46、EE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，無論是哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)總是由 PAN Coordinator來創(chuàng)建，PAN coordinator 控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)被注入 PAN coordinator程序（ 軟件）的FFD（ 硬件）開始工作后，開始著手構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，并至少完成以下任務(wù)：（1）給本網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備指定一個(gè)16位或者64位的地址（2）通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)起、結(jié)束和傳遞信息（3）為本網(wǎng)絡(luò)選定唯一的 PAN 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)，這個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)允許本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備使用16位的短地址方式，并且可以與其他的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè) PAN coordinator，所以PAN coordinator 往往需要長時(shí)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(shè)備往往都是用電池來供電的，一個(gè)最小的網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)設(shè)備，一個(gè) PAN coordinator與一個(gè)device。在任何一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上，所有設(shè)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(dāng)設(shè)備發(fā)起連接時(shí)，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的短地址碼分配給PAN設(shè)備，因此，在設(shè)備發(fā)起連接時(shí)，應(yīng)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(biāo)識(shí)符后，才能采用16位的短地址進(jìn)行連接，因此，短地址碼是一個(gè)相對(duì)地址碼，長地址碼是一個(gè)絕對(duì)地址碼。2.3 ZigBee在智能家居中的適用性當(dāng)今我們熟悉的短距離無線通信技術(shù)有Bluetoot

48、h、ZigBee、Wi-Fi、UWB、紅外等。他們?cè)诓煌念I(lǐng)域發(fā)揮著他們的特性，相互之間形成互補(bǔ)的作用。表2.2是幾種無線通信技術(shù)的對(duì)比：表2.2 幾種無線通信技術(shù)的對(duì)比ZigBee藍(lán) 牙80211列紅 外RFIDHomeRF單點(diǎn)覆蓋距離（m）50-3001050(Wi-Fi)51-1050網(wǎng)絡(luò)拓展性自動(dòng)拓展無無無無有最大功耗13mW1100mW100mW10 mW050 mW復(fù)雜度簡單復(fù)雜很復(fù)雜簡單復(fù)雜復(fù)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)65000850無無127終端設(shè)備費(fèi)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(shù)據(jù)對(duì)照綜合可知，ZigBee的自動(dòng)組網(wǎng)、功耗以及成本等方面都比其他的幾種無線通信技術(shù)在智能家居中更有優(yōu)勢(shì)，唯一的競爭是Bluetooth，但ZigBee更簡單，速率更慢，功率及費(fèi)用也更低，且大多數(shù)時(shí)間處于睡眠模式，更加適用于不需要實(shí)時(shí)傳輸或連續(xù)更新的場合。而且ZigBee是當(dāng)前唯一面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)能力使其應(yīng)用范圍可伸延至數(shù)百、甚至數(shù)千米的廣泛區(qū)域

50、，而Bluetooth則只為10100m范圍內(nèi)的短程網(wǎng)絡(luò)而設(shè)。就制造成本而言，ZigBee芯片遠(yuǎn)比Bluetooth芯片便宜，智能家居是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要應(yīng)用方向，非常適合在組建家庭個(gè)人無線區(qū)域網(wǎng)。2.3 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu) ZigBee協(xié)議體系可以大體分為物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,詳細(xì)的體系結(jié)構(gòu)如表2.3所示所示：3表2.3 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)圖用戶應(yīng)用程序高端應(yīng)用層應(yīng)用層設(shè)備配置（ZDO）子層設(shè)備對(duì)象（ZDO）子層應(yīng)用支持（APS）子層網(wǎng)絡(luò)層（NWK）中間協(xié)議層IEEE 802.15.4LLC邏輯鏈路控制數(shù)據(jù)指定匯集子層服務(wù)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(xié)議的時(shí)候首先闡明一個(gè)概念：原語。ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)由一組稱為層的塊組成，每個(gè)層為上一層執(zhí)行指定的一套服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供所有的其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（Server Access point：SAP）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP支持一些服務(wù)原語來完成必須的功能。服務(wù)原語是抽象的概念，它僅僅指定提供的服務(wù)，而不指定誰提供服務(wù)。用“原語”的概念來描述相鄰兩個(gè)層間的服務(wù)，層間調(diào)用函數(shù)或者傳

52、遞信息，都可以用原語來表示。雖然，在整個(gè)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(jí)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，其請(qǐng)求數(shù)據(jù)服務(wù)的機(jī)制類似：高層通過D-SAP向下級(jí)請(qǐng)求傳輸，下級(jí)傳輸成功后將狀態(tài)返回給上級(jí)。 正是由于這種相似性，才讓“服務(wù)原語”這種方式顯得格外重要。每一個(gè)原語要么執(zhí)行一個(gè)指令，要么返回一個(gè)之前指令的運(yùn)行結(jié)果。原語也會(huì)帶著指令運(yùn)行需要的參數(shù),在對(duì)N用戶與N層之間信息流的描述來指定服務(wù)時(shí)，通過描述服務(wù)原語和其特征參數(shù)來指定服務(wù)，參數(shù)帶有要求提供服務(wù)的信息。一個(gè)服務(wù)可能有一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的原語，這些原語組成特定服務(wù)相關(guān)行為。原語通?？梢苑譃橐韵聨?/p>

53、種基本類型：（1） Request：請(qǐng)求原語是從N用戶傳遞到N層，用來請(qǐng)求發(fā)起服務(wù)。（2） Indication：指示原語是從N層傳遞到N用戶，用以指示一個(gè)內(nèi)部N層事件對(duì)于N用戶有重要的意義。（3） Response:響應(yīng)原語是從N用戶傳遞到N層，用完成指示原語先前調(diào)用的程序。（4） Confirm：確認(rèn)原語是從N層傳遞到N用戶，用以傳送一個(gè)或多個(gè)先前相關(guān)的服務(wù)請(qǐng)求結(jié)果。2.3.1 物理層 ZigBee物理層（Physical Layer,物理層）主要負(fù)責(zé)無線發(fā)射機(jī)的激活和關(guān)閉，在已有的信道上進(jìn)行能量檢測，基于CSMA-CA的空閑信道評(píng)估（CCA），信道頻率選擇，數(shù)據(jù)的傳輸和接收。最終把二進(jìn)制

54、0和1送到空氣中。概括的說就是物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層操作兩個(gè)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(lǐng)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(rèn)下航道有沒有被占用，這可不能像開車，塞車了就等會(huì)，飛機(jī)要在空中停了，就會(huì)掉下來（當(dāng)然不是所有的飛機(jī)）。能量檢測就是用來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的，當(dāng)然，這只是個(gè)“能量”檢測，它不會(huì)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(jí)-MAC層給他

55、的任務(wù)之一，不過允許他不用百分百準(zhǔn)確，允許10db的誤差，結(jié)果會(huì)以一個(gè)8比特的字節(jié)向上報(bào)告。載波檢測CS載波檢測也是檢測當(dāng)前頻道能不能用的，但與ED不同，上面說了ED不會(huì)去區(qū)分到底是誰在占用“航道”，但是CS會(huì)的，它會(huì)根據(jù)載波的特征去判斷當(dāng)前占用“航道”的是不是與自己一樣的IEEE 802.15.4物理層信號(hào)，如果是，那不管ED值是多少，都會(huì)返回一個(gè)“頻道忙”的信息。連接質(zhì)量指示LQI我們大多數(shù)都用過帶無線網(wǎng)卡的筆記本，在進(jìn)行無線連接的時(shí)候，會(huì)看到連接名后面有對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度表示信號(hào)質(zhì)量，在802.15.4中，有兩種檢測連接質(zhì)量的方法，一個(gè)是檢測“接收信號(hào)強(qiáng)度”RSS，另外一個(gè)是檢測“信噪比”S

56、NR。RSS值是通過檢測接收到的信號(hào)的全部能量情況來判斷的。空閑頻道評(píng)估CCA空閑頻道評(píng)估即“載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免”， 當(dāng)物理層的負(fù)責(zé)發(fā)送一個(gè)比特的時(shí)候要面臨很多選擇，通過能量監(jiān)測，質(zhì)量監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備在競爭同一個(gè)空間和時(shí)間的時(shí)候，就要仲裁誰在某一時(shí)刻有使用權(quán)。這種仲裁制度的執(zhí)行工作叫“空閑頻道評(píng)估”CCA，而且這個(gè)工作不能只做仲裁一次就匯報(bào)，要檢測8個(gè)符號(hào)周期，在IEEE 802.15.4物理層協(xié)議中，有三種CCA模式：(1)只檢測ED值。只要ED值高于一個(gè)門限就認(rèn)為當(dāng)前頻道被占用。這個(gè)門限值可以由設(shè)計(jì)者來定義。 (2)只由CS結(jié)果來決定。只要CS的檢測結(jié)果為: 當(dāng)前頻道被IEEE 802.15.4定義的設(shè)備占用，則返回頻道忙。 (3)由上述兩個(gè)值的“與”或者