基于zigbee技術(shù)的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　2010屆畢業(yè)生</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 目: 基于Zigbee技術(shù)的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)研究 </p><p>　　院系名稱(chēng)： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p&

2、gt;　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電子信息工程06級(jí)3班 </p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 教師職稱(chēng)： 講師 </p><p>　　2010年 6 月 2 日</p><p><b&

3、gt;　　目 次</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目地和意義1</p><p>　　1.2 本文研究的內(nèi)容1</p><p>　　1.3 本論文的組織結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2 智能家居概述3&

4、lt;/p><p>　　2.1 智能家居的定義3</p><p>　　2.2 智能家居的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　2.3 智能家居網(wǎng)絡(luò)選擇4</p><p>　　2.4 本章小結(jié)8</p><p>　　3 Zigbee技術(shù)研究9</p><p>　　3.1 Zigb

5、ee技術(shù)的起源及特點(diǎn)9</p><p>　　3.2 Zigbee協(xié)議概況和體系結(jié)構(gòu)10</p><p>　　3.3 Zigbee物理層協(xié)議規(guī)范11</p><p>　　3.4 Zigbee MAC層協(xié)議規(guī)范12</p><p>　　3.5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層12</p><p>　　3.6

6、本章小結(jié)13</p><p>　　4 基于Zigbee的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)研究14</p><p>　　4.1 總體設(shè)計(jì)方案14</p><p>　　4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)16</p><p>　　4.3 基于Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建18</p><p>　　4.4 本章小結(jié)20&

7、lt;/p><p>　　5 基于Zigbee智能家居網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)21</p><p>　　5.1 硬件總體設(shè)計(jì)21</p><p>　　5.2 處理器21</p><p>　　5.3 Zigbee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊22</p><p>　　5.4 GPRS電路實(shí)現(xiàn)23</p><p>

8、;　　5.5 本章小結(jié)25</p><p>　　6 智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　6.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)26</p><p>　　6.2 中斷和初始化程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　6.3 信息處理程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　6.4 本章小結(jié)28</p>

9、;<p><b>　　結(jié) 論29</b></p><p><b>　　致 謝30</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)31</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目地和意義</p>

10、<p>　　科技改變生活。伴隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程，人類(lèi)在經(jīng)過(guò)農(nóng)耕、工業(yè)、電氣化等時(shí)代后，將進(jìn)入關(guān)注夢(mèng)想、精神和生活情趣的新社會(huì)。你或許憧憬過(guò)這樣的生活：通過(guò)手持遙控器，可以隨時(shí)在家中的任何一個(gè)地方對(duì)各種家電設(shè)備進(jìn)行智能控制，調(diào)節(jié)冰箱溫度、打開(kāi)關(guān)閉窗簾、設(shè)置空調(diào)溫度、控制洗衣機(jī)洗滌衣物等等；安防系統(tǒng)會(huì)隨時(shí)進(jìn)行煙霧探測(cè)、入侵檢測(cè)，為主人提供生命安全保障；借助于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，你可以在外出時(shí)通過(guò)手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)對(duì)家中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，炎

11、熱的夏天,你完全可以在回家之前，提前打開(kāi)空調(diào)……智能家居(Smart Home)的出現(xiàn)，讓這樣的生活場(chǎng)景逐步成為現(xiàn)實(shí)。</p><p>　　舒適的家庭居住環(huán)境是人們對(duì)生活的不斷追求。近年來(lái)隨著人民生活水平和知識(shí)層次的不斷提高，人們也將注意力越來(lái)越多的放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性上，因此也就產(chǎn)生了對(duì)家居智能化的需求；與此同時(shí)，在科學(xué)技術(shù)方面,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與電子信息通訊技術(shù)的飛速發(fā)展也促成了智能家居系統(tǒng)的

12、出現(xiàn)。</p><p>　　智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、舒適、環(huán)保、智能化、個(gè)性化的獨(dú)特魅力，對(duì)于改善現(xiàn)代人類(lèi)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意義，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景?；谝陨戏N種，本文將利用現(xiàn)存的各種技術(shù)對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面研究，以滿(mǎn)足21世紀(jì)人類(lèi)對(duì)家居生活的新要求。</p><p>　　1.2 本文研究的內(nèi)容</p><p>

13、;　　在智能家居網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)中，由于平臺(tái)和組網(wǎng)方式的多樣化，導(dǎo)致了智能家居網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案多樣化，考慮到成本和性能等多方面因素，本論文采用近年逐漸興起的Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建，重點(diǎn)研究智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建和家庭控制網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的通信、并在最后討論了智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的軟硬件實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。本文的主要工作有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1.詳細(xì)了解了智能家居的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，明確研究目的。

14、</p><p>　　2.通過(guò)幾種近距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)技術(shù)的對(duì)比確定了Zigbee技術(shù)在智能家居應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而重點(diǎn)研究了Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)、基本原理，分析了Zigbee協(xié)議構(gòu)架，研究了各協(xié)議層的具體功能和作用。</p><p>　　3.通過(guò)對(duì)Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析研究，確立了智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的大體組建方案。</p><p>　　4.設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)的整

15、體模型，采用單片機(jī)PICl8F4620和無(wú)線(xiàn)射頻芯片CC2480完成了節(jié)點(diǎn)設(shè)備的硬件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　5.在理論上指出了網(wǎng)絡(luò)控制器各功能模塊的程序工作流程。</p><p>　　1.3 本論文的組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　論文總共分為6章，各章具體介紹如下：</p><p>　　第1章為引言，介紹了本文的研究?jī)?nèi)容、意義和全文組織

16、結(jié)構(gòu)；</p><p>　　第2章首先給出了智能家居的定義以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，接著對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后對(duì)比介紹了有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種組網(wǎng)方式；</p><p>　　第3章對(duì)Zigbee技術(shù)及其協(xié)議進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，為下文選擇Zigbee技術(shù)用于智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)；</p><p>　　第4章首先給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)原則

17、進(jìn)行了介紹。接著對(duì)基于Zigbee的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，介紹了Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，采用簇狀網(wǎng)絡(luò)組建智能家居內(nèi)部網(wǎng)；</p><p>　　第5章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)。首先給出了硬件總體設(shè)計(jì)，再分別具體介紹了硬件處理器部分、Zigbee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊部分和GPRS模塊的電路實(shí)現(xiàn)；</p><p>　　第6章為智能家居網(wǎng)絡(luò)軟件

18、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。分塊指出了各功能模塊的程序流程。</p><p><b>　　2 智能家居概述</b></p><p>　　2.1 智能家居的定義</p><p>　　智能家居（Smart Home）又稱(chēng)為電子家庭(Electronic Home)、e-Home、數(shù)字家</p><p>　　園(Digital Family

19、)、家庭網(wǎng)絡(luò)(Homenet/Networks for Home)、網(wǎng)絡(luò)家居(Network Home)、智能化家庭(Intelligent Home)等，在我國(guó)香港和臺(tái)灣等地區(qū)，還有數(shù)碼家庭、數(shù)碼家居等稱(chēng)法。其是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。</p><p>　　智能家居可以定義為一個(gè)過(guò)程或者一個(gè)系統(tǒng)。利用先進(jìn)的計(jì)

20、算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間，還由原來(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。</p>

21、<p>　　實(shí)際上家庭自動(dòng)化產(chǎn)品、家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)家電產(chǎn)品、信息家電產(chǎn)品等都只是智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品里的一種，它們有各自不同的產(chǎn)品特征，不能簡(jiǎn)單地將它們劃等號(hào)。當(dāng)然也有許多概念交叉的產(chǎn)品，例如機(jī)頂盒可以理解為是一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，但同時(shí)又是一個(gè)信息家電產(chǎn)品。</p><p>　　2.2 智能家居的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在國(guó)外智能家居已經(jīng)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，自世界上第一幢智能

22、建筑于1984年在美國(guó)康捏迪格州出現(xiàn)后，美國(guó)、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(guó)家和地區(qū)先后提出了各種智能家居方案。</p><p>　　國(guó)際上對(duì)智能家庭網(wǎng)絡(luò)的研究起于20世紀(jì)70年代，主要集中在發(fā)達(dá)國(guó)家。由于這些研究都是各國(guó)獨(dú)立進(jìn)行，并具有不同的目標(biāo)和市場(chǎng)戰(zhàn)略，因此并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)80年代初，隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市，開(kāi)始出現(xiàn)了住宅電子化（HE，Home Electroni

23、cs）的概念；80年代中期，將家用電器、通訊設(shè)備與安保防災(zāi)設(shè)備綜合為一體，形成了家居自動(dòng)化概念（HA，Home Automation）。80年代末，由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對(duì)住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過(guò)總線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國(guó)稱(chēng)為智慧屋（WH，Wise Home），在歐洲稱(chēng)為時(shí)髦屋（SH，Smart Home）。</p><p>　　1998年5月新加坡舉辦的“98亞洲家庭電

24、器與電子消費(fèi)品國(guó)際展覽會(huì)”上，通過(guò)在場(chǎng)內(nèi)模擬“未來(lái)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、家電控制功能、有線(xiàn)電視接入、電話(huà)接入、住戶(hù)信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布線(xiàn)箱、寬帶網(wǎng)接入和系軟件配置等。這種“未來(lái)之家”家庭智能化系統(tǒng)，真正投放市場(chǎng)尚需時(shí)日。目前在新加坡已有近30個(gè)住宅小區(qū)近5000戶(hù)的家庭采用了“家庭智能化系統(tǒng)”，美國(guó)已有近四萬(wàn)戶(hù)家庭安裝了這一類(lèi)的“家庭智能化系

25、統(tǒng)”。</p><p>　　近幾年，在各大公司和媒體的強(qiáng)大概念宣傳攻勢(shì)下，我國(guó)智能家居行業(yè)逐漸形成，可用的、接近現(xiàn)實(shí)需求的產(chǎn)品不斷增加，集成商、開(kāi)發(fā)商以及裝修公司已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)。如何建立一個(gè)高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)已成為當(dāng)前社會(huì)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。而國(guó)家政府機(jī)構(gòu)及各大信息家電生產(chǎn)廠(chǎng)商不失時(shí)機(jī)地開(kāi)展了中國(guó)智能家庭網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，為中國(guó)智能家居的發(fā)展提供了一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，指明了智能家居研究領(lǐng)域正確的發(fā)

26、展方向。</p><p>　　目前我國(guó)的家庭智能化系統(tǒng)還處于從無(wú)到有的初級(jí)發(fā)展階段，家庭智能化系統(tǒng)構(gòu)成形式和手段還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各大廠(chǎng)家也適時(shí)推出了自己的智能家居系統(tǒng)，如科龍集團(tuán)研制的“智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng)”，海信的“智能家居控制系統(tǒng)”，清華同方的“e-Home數(shù)字家園”等，一時(shí)間國(guó)內(nèi)智能家居領(lǐng)域呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的局面。盡管智能家居在我國(guó)起步較晚，但大有風(fēng)行正健之勢(shì)。</p><p>　　2.3

27、 智能家居網(wǎng)絡(luò)選擇</p><p>　　在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在盡可能保持標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的前提下，針對(duì)各種信號(hào)類(lèi)來(lái)選擇合適的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù)并設(shè)計(jì)控制器就成為智能家居建設(shè)的首要問(wèn)題。同時(shí)考慮到它所安裝的地點(diǎn)是普通的私人家居并且使用者是普通居民，所以它還具有自身獨(dú)有的需求和特點(diǎn)，包括安全性、可用性、可靠性、靈活性、易擴(kuò)展性、使用的方便性、廉價(jià)性、標(biāo)準(zhǔn)化以及體積小、重量輕和安裝方便等。目前，智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包含兩類(lèi)：有

28、線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　2.3.1 有線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)</p><p>　　有線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詮?qiáng)，傳輸速率高，而缺點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)體積龐大，靈活性差，且布線(xiàn)復(fù)雜，主要應(yīng)用于早期點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。有線(xiàn)網(wǎng)的傳輸介質(zhì)主要有以下幾種：</p><p>　　1.雙絞線(xiàn)或同軸電纜（以太網(wǎng)線(xiàn)）</p>

29、;<p>　　這種連接建立在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。經(jīng)過(guò)了多次修改之后，該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了在不同的設(shè)備制造商之間的互操作性。基于銅介質(zhì)的雙絞線(xiàn)和同軸電纜能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸、有著較高的可靠性，因而被廣泛地應(yīng)用在商業(yè)企業(yè)中，成為辦公室計(jì)算機(jī)和打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)選擇。建立這樣的網(wǎng)絡(luò)需要大量的五類(lèi)電纜（CAT 5），造價(jià)昂貴，不易安裝。</p><p>　　2.銅介質(zhì)雙絞線(xiàn)（電話(huà)線(xiàn)）</p>

30、<p>　　這種連接技術(shù)利用大多數(shù)家庭已有的電話(huà)線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的連接，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案。在一定的條件下，三類(lèi)電纜（CAT 3）的傳輸速率可以達(dá)到1Mbps，而且，據(jù)估計(jì)，不久的將來(lái)它的傳輸速率可以達(dá)到10M。采用頻分復(fù)用技術(shù)，可以讓使用者在察覺(jué)不到的情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，語(yǔ)音與Internet服務(wù)同時(shí)工作?！凹彝ル娫?huà)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟”（Home Phone Network Alliance）正在開(kāi)發(fā)一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，解決利用

31、電話(huà)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)和互操作性問(wèn)題。雖然這一技術(shù)充分利用了現(xiàn)有的資源，但是線(xiàn)路在靈活性和帶寬方面的限制阻礙了它的進(jìn)一步推廣。通常一般的家庭里沒(méi)有足夠的電話(huà)線(xiàn)接口，要在每一個(gè)房間或者電話(huà)、計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備能夠觸及的地方安裝插座也會(huì)帶來(lái)了技術(shù)上和成本上的問(wèn)題。而且，由于電話(huà)線(xiàn)路并非為高速數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)，其衰減和阻抗特性也不能很好地控制。</p><p><b>　　3.交流電力線(xiàn)</b>

32、</p><p>　　交流電力線(xiàn)可以連接整個(gè)房屋的每一個(gè)角落，而且不像某些無(wú)線(xiàn)電波或者紅外線(xiàn)，難以穿過(guò)鋼精混凝土地墻壁和地板，很早就作為家庭網(wǎng)絡(luò)的連接媒介。其中最具有代表性的就是X-10技術(shù)，目前，這種技術(shù)已是美國(guó)占據(jù)市場(chǎng)主流的技術(shù)，是全球第一個(gè)利用電線(xiàn)來(lái)控制燈飾及電子電器產(chǎn)品，并將其商業(yè)化的成功模式。X-10是以60Hz為載波，再以120KHz的脈沖為調(diào)變波，發(fā)展出數(shù)位控制的技術(shù)，并制訂出一套控制規(guī)格。其數(shù)據(jù)傳

33、輸有很高的可靠性，但是，由于電力線(xiàn)本身的噪聲和信號(hào)輸送能力有限，這種技術(shù)不適合數(shù)據(jù)的高速傳輸，而且也沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證設(shè)備之間的互操作。</p><p>　　2.3.2 無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)</p><p>　　通過(guò)上節(jié)討論我們不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的各種傳輸介質(zhì)存在著種種弊端。近幾年，多家著名IT企業(yè)共同合作，推出一個(gè)名為“無(wú)線(xiàn)家居”的最新家居理念?！盁o(wú)線(xiàn)家居”是未來(lái)家居的發(fā)展方向，顯然能

34、為人們?nèi)粘Ｉ钆c商務(wù)活動(dòng)提供更大限度的舒適和方便，并從而開(kāi)啟一個(gè)嶄新的信息家居時(shí)代。</p><p>　　在有線(xiàn)方式中，各傳感器和控制器的連接通過(guò)總線(xiàn)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化各功能單元的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)就是布線(xiàn)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線(xiàn)協(xié)議設(shè)計(jì)選擇的問(wèn)題；而相比有線(xiàn)技術(shù)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)不僅不存在布線(xiàn)的問(wèn)題，而且擴(kuò)展容易，維護(hù)以及使用都較簡(jiǎn)單。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于智能家居中有很大的發(fā)展空間，一方面微電子技術(shù)的發(fā)展促使

35、各種SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）的實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都可以通過(guò)IC來(lái)完成，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)和實(shí)施的難度。在智能家居系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)己是勢(shì)不可擋，這不僅僅因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性，省去了花在綜合布線(xiàn)上的費(fèi)用和精力，而且它更符合于家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點(diǎn)，同時(shí)隨著無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也必將大大促進(jìn)家庭智能化、網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程。</p><p>　　目前，市場(chǎng)上的無(wú)線(xiàn)

36、技術(shù)種類(lèi)較多，各自的技術(shù)性能不同，應(yīng)用范圍及領(lǐng)域也有所不同，其中，應(yīng)用最為廣泛的有以下幾種無(wú)線(xiàn)技術(shù)：</p><p>　　1.藍(lán)牙（Bluetooth）</p><p>　　藍(lán)牙技術(shù)誕生于1994年，Ericsson當(dāng)時(shí)決定開(kāi)發(fā)一種低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)接口，</p><p>　　以建立手機(jī)及其附件間的通信。1998年，由Ericsson、IBM、Intel、NOKI

37、A、Toshiba</p><p>　　等5家公司達(dá)成一致，共同推出了藍(lán)牙協(xié)議，主要用于通信和信息設(shè)備的無(wú)線(xiàn)連接。藍(lán)牙協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)版本為802.15.1，由藍(lán)牙小組（SIG）負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)，規(guī)定了PHY層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。藍(lán)牙技術(shù)采用跳頻技術(shù)，工作于2.4G ISM波段。與其它2.4G波段的技術(shù)相比藍(lán)牙數(shù)據(jù)包更短，速度更快。采用前向糾錯(cuò)技術(shù)抑止了長(zhǎng)距離鏈路隨機(jī)噪聲，應(yīng)用二進(jìn)制調(diào)頻技術(shù)的調(diào)頻收發(fā)器來(lái)抑制

38、干擾和防止衰落。藍(lán)牙的傳輸速率為1Mbps，傳輸距離為0.1-10米，但是通過(guò)增大發(fā)射功率可將距離增大至100米。能即時(shí)組成微微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（Piconet），每個(gè)微微網(wǎng)可包含至多8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為主機(jī)和從機(jī)。藍(lán)牙技術(shù)存在著一定的局限，突出表現(xiàn)在芯片大小和價(jià)格難以下調(diào)、抗干擾能力不強(qiáng)、傳輸距離太短、信息安全問(wèn)題等，使其應(yīng)用受到一定的限制。</p><p><b>　　2.Wi-Fi</b>

39、;</p><p>　　Wi-Fi是一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，正式名稱(chēng)是IEEE802.11b，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它的工作頻率也是2.4GHz頻段。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100m左右。Wi-Fi是以太網(wǎng)的一種無(wú)線(xiàn)擴(kuò)展，理論上只要用戶(hù)位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約l1Mb/s的速度接入Web。但實(shí)際上，如果有多個(gè)用戶(hù)同時(shí)通過(guò)一個(gè)點(diǎn)接入

40、，帶寬被多個(gè)用戶(hù)分享，Wi-Fi的連接速度一般只有幾百kbps，在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶(hù)外。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最大個(gè)數(shù)為32，傳輸距離為100m。</p><p>　　3.紅外技術(shù)（IrDA）</p><p>　　1993年，由20多個(gè)大廠(chǎng)商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA Infrared Data Association），統(tǒng)一了紅外通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)就是紅外技術(shù)，它通常采用850

41、mm的紅外光傳輸數(shù)據(jù)信息，紅外通訊技術(shù)是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是傳統(tǒng)的設(shè)備之間連接線(xiàn)纜的替代。它的通訊距離一般在0到1米之間，傳輸速率最快可達(dá)16Mbps，通訊介質(zhì)為波長(zhǎng)為900納米左右的近紅外線(xiàn)。它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)所支持，通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)的數(shù)據(jù)收發(fā)。主要是用來(lái)取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線(xiàn)纜連接；保密性強(qiáng)；傳輸速率較高，目前4M速率的FIR技術(shù)已被廣泛使用，16

42、M速率的VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。雖然紅外技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中已形成趨勢(shì)，但由于其傳輸距離有限．傳輸方向性強(qiáng)等缺點(diǎn)，在應(yīng)用范圍上受到了一定程度的限制。</p><p>　　4.智蜂技術(shù)（Zigbee）</p><p>　　Zigbee聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國(guó)lnvensys、三菱、美國(guó)摩托羅拉及荷蘭菲利浦組成，至今已吸引了上百家芯片公司、無(wú)線(xiàn)設(shè)備公司和開(kāi)發(fā)商加盟。IEEE專(zhuān)門(mén)成立了IEEE

43、802.15.4標(biāo)準(zhǔn)工作組致力于定義一種供廉價(jià)的、固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。Zigbee是一種短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)低成本、低耗電、雙向傳輸、傳感器網(wǎng)絡(luò)功能等特色。Zigbee傳輸速度為20k～250kbps，并隨著傳輸距離的延長(zhǎng)而減慢，較藍(lán)牙的1Mbps慢。Zigbee適用于一些簡(jiǎn)單、低成本的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)，耗電低，只要使用兩節(jié)五號(hào)電池即可維持半年或數(shù)年間不用換電池，對(duì)于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都

44、很適用。圖2.1給出了目前熱門(mén)的幾種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之間的比較。</p><p>　　圖2.1 幾種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的比較</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，包括智能家居的定義和國(guó)內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，接著對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩方面分別進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比介紹，

45、對(duì)于智能家居系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不僅為家居智能化提供靈活簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省去了浪費(fèi)在布線(xiàn)上的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的特點(diǎn)，通過(guò)本章的討論，明確了智能家居網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式和采用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。</p><p>　　3 Zigbee技術(shù)研究</p><p>　　3.1 Zigbee技術(shù)的起源及特點(diǎn)</p><p>　　Zigbee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度

46、、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這一名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和嗡嗡（zig）地抖動(dòng)翅膀的舞蹈來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱(chēng)作IEEE802

47、.15.4（Zigbee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器發(fā)起的，每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。Zigbee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸，數(shù)據(jù)不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)所獲得。Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下

48、半年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國(guó)際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有150家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體</p><p>　　1.設(shè)備省電--Z

49、igbee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間；</p><p>　　2.通信可靠--Zigbee采用了CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)）的沖突避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；MAC層采用了完全

50、確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，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；</p><p>　　3.網(wǎng)絡(luò)的自組織能力強(qiáng)--Zigbee的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　4.自愈功能強(qiáng)--增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系

51、統(tǒng)仍然能正常工作。</p><p>　　5.成本低廉--設(shè)備的復(fù)雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的，這些可以有效地降低設(shè)備成本，Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒(méi)有使用費(fèi)的無(wú)線(xiàn)通信；</p><p>　　6.網(wǎng)絡(luò)容量大--一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多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200多個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)；</p>&

52、lt;p>　　7.數(shù)據(jù)安全--Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能。</p><p>　　3.2 Zigbee協(xié)議概況和體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　Zigbee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）。IEEE802.15.4總共定義了3個(gè)工作頻帶：2.4GHz，915MHz，868MHz。每個(gè)頻帶提供固定數(shù)量的信道。例如，2.4GHz

53、頻帶總共提供16個(gè)信道（信道11-26）、915MHz頻帶提供10個(gè)信道（信道1-l0）而868MHz頻帶提供1個(gè)信道（信道0）。</p><p>　　IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Low-rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN），把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。<

54、;/p><p>　　IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　1.在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率；</p><p>　　2.支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；</p><p>　　3.有16位和64位兩種地址格式。64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址，而1

55、6位地址是網(wǎng)內(nèi)通信短地址；</p><p>　　4.支持沖突避免的載波多路偵聽(tīng)技術(shù)（CSMA-CA）；</p><p>　　5.支持確認(rèn)（ACK）機(jī)制，保證傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　　IEEE802.15.4 MAC數(shù)據(jù)包的最大長(zhǎng)度為127字節(jié)。每個(gè)數(shù)據(jù)包都由頭字節(jié)和16位CRC（Cyclic Redundancy Code，循環(huán)冗余碼）值組成。16位CRC

56、值驗(yàn)證幀的完整性。此外，IEEE802.15.4還可以選擇使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。使用這種方法，所有ACK標(biāo)志位置1的幀均會(huì)被它們的接收器應(yīng)答。這就可以確定幀實(shí)際上已經(jīng)被傳遞了。如果發(fā)送幀的時(shí)候置位了ACK標(biāo)志位，但是在一定的超時(shí)期限內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重復(fù)進(jìn)行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無(wú)應(yīng)答就宣布發(fā)生錯(cuò)誤。非常重要的是接收到應(yīng)答僅僅表示幀被MAC層正確接收，而不表示幀被正確處理。接收節(jié)點(diǎn)的MAC層可能正確地接收并應(yīng)答了一個(gè)幀，但是由于缺乏

57、處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應(yīng)用程序要求其他的應(yīng)答響應(yīng)。</p><p>　　Zigbee技術(shù)是一種可靠性高、功耗低的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，在Zigbee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來(lái)量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過(guò)所定義的邏輯鏈路來(lái)提供服務(wù)。Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理（PHY）層、媒體接入控制（MAC）層、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層組成，

58、Zigbee技術(shù)是建立于IEEE802.15.4協(xié)議之上的，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)物理層和MAC層協(xié)議的制定，上層的應(yīng)用以及開(kāi)發(fā)均由Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。其各層之間分布如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 Zigbee協(xié)議各層的隸屬關(guān)系</p><p>　　3.3 Zigbee物理層協(xié)議規(guī)范</p><p>　　物理層的主要工作是啟動(dòng)與

59、關(guān)閉無(wú)線(xiàn)傳輸接收器、傳輸與接收數(shù)據(jù)、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號(hào)能量偵測(cè)、數(shù)據(jù)調(diào)制傳輸與接收解調(diào)、空閑頻道評(píng)估和針對(duì)接收的封包執(zhí)行鏈路品質(zhì)指示。</p><p>　　Zigbee所使用的頻率范圍主要分為歐洲領(lǐng)域內(nèi)的868MHz、北美領(lǐng)域內(nèi)的915MHz以及全球范圍內(nèi)的2.4GHz ISM頻段。上述頻段無(wú)線(xiàn)信道個(gè)數(shù)分別為1、10、16個(gè)。通常Zigbee不能同時(shí)兼容這3個(gè)工作頻段，我國(guó)規(guī)定Zigbee的使用頻

60、段為2.4GHz，發(fā)射功率范圍為0至+10dBm</p><p>　　在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，規(guī)定了2.4GHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，它采用16相位準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。在調(diào)制前，將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，每4位信息比特組成一個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的符號(hào)數(shù)據(jù)，將其映射成一個(gè)32位的偽隨機(jī)序列，最后通過(guò)半正弦脈沖形式的O-QPSK調(diào)制方法，將碼元數(shù)據(jù)調(diào)制到載波信號(hào)上。</p>&l

61、t;p>　　3.4 Zigbee MAC層協(xié)議規(guī)范</p><p>　　MAC層處理所有物理層無(wú)線(xiàn)信道的接入，在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。Zigbee MAC的主要工作為支持通訊鏈路的建立與斷開(kāi)，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)(Beacon)信號(hào)，使信標(biāo)訊號(hào)同步，運(yùn)用CSMA-CA，及處理與維護(hù)GTS(Guaranteed Time Slots，有保證的時(shí)間槽)。此外，MAC的加密子層可支持

62、通訊加密功能。</p><p>　　MAC層的多重存取協(xié)議有三種不同的模式，即為時(shí)槽式(Slotted CSMA-CA)模式、非時(shí)槽式（Unslotted CSMA-CA）模式以及GTS模式，其中GTS主要用于緊急情境或周期性訊號(hào)的傳遞。通用MAC層結(jié)構(gòu)，即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)包括MAC層幀頭、MAC載荷以及MAC層幀尾。</p><p>　　在MAC層，有四種類(lèi)型幀，它們分別

63、為信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。其中，信標(biāo)幀一般由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送，用于回送設(shè)備發(fā)起的信標(biāo)請(qǐng)求命令；數(shù)據(jù)幀用于在兩個(gè)對(duì)等的MAC層傳遞數(shù)據(jù)；確認(rèn)幀用于對(duì)要求確認(rèn)的幀進(jìn)行回送確認(rèn)；MAC命令幀用于在對(duì)等MAC層執(zhí)行MAC命令動(dòng)作。</p><p>　　3.5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層</p><p>　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)層分為兩個(gè)部分，即網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)部分（Network Layer

64、Data Entity，NLDE）與網(wǎng)絡(luò)層管理部分（Network Layer Management Entity，NLME）。NLDE負(fù)責(zé)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）與傳輸所需的路由。而NLME工作包括負(fù)責(zé)設(shè)定Zigbee元件成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，或加入或離開(kāi)已存在的WPAN，啟動(dòng)WPAN尋址，發(fā)現(xiàn)臨近Zigbee元件，尋找路由路徑，與MAC接收啟動(dòng)控制。</p><p>　

65、　Zigbee網(wǎng)絡(luò)層支持星型、簇型和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由Zigbee協(xié)調(diào)器來(lái)控制，由它負(fù)責(zé)發(fā)起和維持網(wǎng)絡(luò)正常工作，保持同網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備通信，兩終端設(shè)備不能通信。在簇型和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，同時(shí)，也可以使用Zigbee路由器來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　Zigbee應(yīng)用層由三個(gè)部分組成，APS子層、ZDO（包含ZDO管理平臺(tái)）和制造商

66、定義的應(yīng)用對(duì)象。其中，APS提供了這樣的接口：在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間，從ZDO到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)：APS數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）和APS管理實(shí)體（APSME）。Zigbee設(shè)備對(duì)象（ZDO），描述了一個(gè)基本的功能函數(shù)，這個(gè)功能在應(yīng)用對(duì)象、設(shè)備對(duì)象和APS之間提供了一個(gè)接口。ZDO位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。Zigbee應(yīng)用層主要是透過(guò)應(yīng)用層支持子層（APS）與網(wǎng)絡(luò)層溝通。</p><

67、p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)Zigbee技術(shù)的協(xié)議進(jìn)行研究。首先對(duì)Zigbee技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，接著分別對(duì)Zigbee的各層協(xié)議，如物理層協(xié)議，MAC層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的主要功能、職責(zé)和工作過(guò)程進(jìn)行了介紹，為后續(xù)工作的開(kāi)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p>　　4 基于Zigbee的智能家居無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)研究</

68、p><p>　　4.1 總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)各種信號(hào)類(lèi)型來(lái)選擇合適的總線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù)并設(shè)計(jì)主控制器己成為智能家居建設(shè)的首要問(wèn)題。在有線(xiàn)方式中，各傳感器和控制器的連接通過(guò)總線(xiàn)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化各功能單元的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)就是布線(xiàn)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線(xiàn)協(xié)議設(shè)計(jì)選擇的問(wèn)題。針對(duì)智能家居中采用有線(xiàn)方式存在的問(wèn)題，本文探討了一種采用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型智能

69、家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)組成框圖如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 智能家居系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　由圖可知，系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)，與智能家居設(shè)備相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，功能控制驅(qū)動(dòng)模塊和相應(yīng)的家居設(shè)備構(gòu)成。</p><p>　　本文采用的是將功能控制模塊和通信模塊（智能

70、家居網(wǎng)絡(luò)控制器）分開(kāi)實(shí)現(xiàn)的方案，功能控制驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口，并作為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)、每個(gè)房間放置的充當(dāng)路由器功能的分節(jié)點(diǎn)和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)組成Zigbee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個(gè)Zigbee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，其中主節(jié)點(diǎn)還擴(kuò)展有GPRS模塊，這樣用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)電話(huà)對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

71、系統(tǒng)采用該設(shè)計(jì)方案，可以方便地組建智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，與各個(gè)家居設(shè)備進(jìn)行通信，當(dāng)加入新的家居設(shè)備時(shí)，只需要對(duì)功能控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的修改，當(dāng)刪除家居設(shè)備時(shí)，也只需要移除相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)。因此該方案具有設(shè)計(jì)靈活，通用性好，可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　系統(tǒng)工作流程如下：首先智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器（主節(jié)點(diǎn)）建立Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器（分節(jié)點(diǎn)）隨后加入該網(wǎng)絡(luò)，他們共同組成一個(gè)簇狀的Zigb

72、ee無(wú)線(xiàn)家居網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)需要對(duì)某一家居設(shè)備進(jìn)行控制或者監(jiān)測(cè)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)找到與該家居設(shè)備相連的分節(jié)點(diǎn)的ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點(diǎn)所在房間的路由器，路由器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)接收到信息后，送入功能驅(qū)動(dòng)模塊，功能驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)該家居設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展了GPRS模塊，用戶(hù)可以通過(guò)移動(dòng)電話(huà)或者互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，用戶(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)，發(fā)送信息到GPRS模塊中的SIM手機(jī)號(hào)碼，GPRS模塊接收到該信息，傳給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)對(duì)該信息進(jìn)

73、行解析，并通過(guò)Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的家居設(shè)備。同時(shí)考慮到整個(gè)家居網(wǎng)絡(luò)的健全性，一旦主節(jié)點(diǎn)發(fā)生癱瘓，采用相應(yīng)策略由某個(gè)房間的路由器充當(dāng)主節(jié)點(diǎn)功能。</p><p>　　在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中，總線(xiàn)或網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是系統(tǒng)的核心部分，其不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的成本和施工長(zhǎng)短，還與系統(tǒng)的安全性、可用性/可靠性、靈活性/易擴(kuò)展性有直接的關(guān)聯(lián)。因此本文主要對(duì)智能家居系統(tǒng)中的Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行了研究。</p&g

74、t;<p>　　目前，對(duì)于絕大多數(shù)的智能家電而言，其本身的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力都非常的有限，依照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，只有通過(guò)提高家電本身的硬件和軟件資源來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家電的各種功能，這樣必然會(huì)出現(xiàn)成本提高的問(wèn)題，因而影響到智能家電的發(fā)展和普及。本文利用家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種智能家電進(jìn)行互連，因此可以利用共享網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)大幅度降低成本。采用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循以下設(shè)計(jì)原則：</p><p

75、>　　1.提高家居網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性</p><p>　　家居網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)家居設(shè)備組建成網(wǎng)絡(luò)，使之成為一個(gè)有機(jī)協(xié)調(diào)互動(dòng)的整體，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒅饕强刂菩畔⒁约耙恍┪锢砹康膮?shù)。信號(hào)的傳輸速率可以比較低，一般在數(shù)10Kbps就可滿(mǎn)足要求，但是信息傳輸?shù)目煽啃砸蟊容^高。這是因?yàn)樗鼈鬏數(shù)男畔⑹歉鞣N設(shè)備的狀態(tài)和控制信息，它的錯(cuò)誤不僅可能導(dǎo)致設(shè)備的非正常工作，而且可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。</p>&

76、lt;p>　　2.使家居網(wǎng)絡(luò)具有自組織性，自適應(yīng)性</p><p>　　家居設(shè)備位置的頻繁更換和網(wǎng)絡(luò)控制器的癱瘓等，都可能引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和網(wǎng)絡(luò)通信不暢，從而使智能家居系統(tǒng)停止工作等。因此家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有自組織性和自適應(yīng)性，以適應(yīng)各種復(fù)雜的場(chǎng)合。</p><p><b>　　3.提高網(wǎng)絡(luò)安全性</b></p><p>　　智能家居設(shè)備

77、一般是普通的私人家居并且使用者是普通居民，所以它還具有自身獨(dú)有的需求和特點(diǎn)，包括安全性、可用性/可靠性、靈活性/易擴(kuò)展性、使用的方便性、廉價(jià)性、標(biāo)準(zhǔn)化以及體積小、重量輕和安裝方便等。</p><p>　　4.使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性</p><p>　　隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，各種新型的家電將設(shè)備不斷進(jìn)入家庭，因此系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性，滿(mǎn)足人們不斷更新的需要。</p&g

78、t;<p>　　4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　Zigbee設(shè)備共分為兩種類(lèi)型：全功能設(shè)備FFD（Full Function Dcvice）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）。FFD可以與任何Zigbee設(shè)備進(jìn)行通信，但RFD僅能與FFD通信，兩個(gè)RFD之間如要進(jìn)行通信需通過(guò)FFD的中轉(zhuǎn)傳輸。由于這兩種設(shè)備的獨(dú)特性質(zhì)，在組建一個(gè)Zigbee

79、網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候就出現(xiàn)了三種設(shè)備角色：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(由一個(gè)FFD組成)、路由器(由一個(gè)FFD組成)和終端設(shè)備(由一個(gè)FFD或RFD組成)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)用外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)；路由器的任務(wù)則是增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)物理范圍；終端設(shè)備僅僅只能完成監(jiān)測(cè)和控制的功能。根據(jù)應(yīng)用的需求Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有兩種拓?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4.2所示，其中的網(wǎng)狀和簇狀結(jié)構(gòu)都屬于對(duì)等拓?fù)?/p>

80、結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型</p><p>　　在Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，最基本的單元是設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可以是一個(gè)RFD也可以是FFD；在同一物理信道的通信范圍內(nèi)，兩個(gè)或者兩個(gè)以上的設(shè)備可構(gòu)成一個(gè)WPAN。但是，在這一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中至少要求有一個(gè)FFD作為PAN（personal area network，個(gè)人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)調(diào)器。</p><p&g

81、t;　　4.2.1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由PAN主協(xié)調(diào)器和多個(gè)從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須為一個(gè) FFD，從設(shè)備既可為FFD也可為RFD，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以主協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)主協(xié)調(diào)器PAN進(jìn)行通信。當(dāng)一個(gè)FFD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)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，這就說(shuō)明了在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)唯一的PAN

82、主協(xié)調(diào)器，通過(guò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個(gè)FFD都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層決定。一個(gè)簡(jiǎn)單的策略是：一個(gè)FFD在第一次被激活后，首先廣播查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請(qǐng)求，如果接收到回應(yīng)說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)認(rèn)證過(guò)程，設(shè)備就成為了該網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒(méi)有收到回應(yīng)，或者認(rèn)證過(guò)程不成功，這個(gè)FFD就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且

83、成為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。</p><p>　　4.2.2 對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　在對(duì)等的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，同樣存在一個(gè)PAN主設(shè)備，但該網(wǎng)絡(luò)不同于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)設(shè)備只要是在它的通信范圍之內(nèi)，就可以和其他設(shè)備進(jìn)行通信。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)，例如簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，任何一個(gè)設(shè)備都可定義為PAN主協(xié)調(diào)器

84、，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。</p><p>　　簇狀網(wǎng)絡(luò)是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用，在此種網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)的設(shè)備是FFD設(shè)備，而RFD設(shè)備總是作為簇樹(shù)的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個(gè)FFD都可以充當(dāng)RFD協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，為其他設(shè)備提供同步信息。但是在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個(gè)可以充當(dāng)整個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可能和網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備一樣，也可能擁有比其他設(shè)備更多的計(jì)算資源和能量資源

85、。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭（Cluster Header，CLH）并將簇標(biāo)識(shí)號(hào)（Cluster Identifier，CID）設(shè)置為0，同時(shí)為該簇選擇一個(gè)未被使用的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)，形成網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)簇，接著，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開(kāi)始廣播信標(biāo)幀。臨近設(shè)備收到信標(biāo)幀后，就可以申請(qǐng)加入該簇。設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。如果請(qǐng)求被允許，則該設(shè)備將作為簇的字設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中。</p><p>　　另

86、外，還有一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)--網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，他與簇型網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，但最大的不同在于一個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò)中，任何兩個(gè)終端設(shè)備，只要是由FFD構(gòu)成的，相互之間就可直接通信。但是，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相比之下價(jià)格昂貴，并且由于可通信節(jié)點(diǎn)過(guò)多，容易產(chǎn)生信道沖突，會(huì)增加消息傳遞的延遲和通信開(kāi)銷(xiāo)。</p><p>　　4.3 基于Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建</p><p>　　目前，大部分的無(wú)線(xiàn)智能家

87、居網(wǎng)絡(luò)都采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，以一臺(tái)PC機(jī)作為主控制器，在PC機(jī)上外接一個(gè)FFD Zigbee模塊，從而充當(dāng)星型網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，但同時(shí)也存在著一個(gè)很?chē)?yán)重的缺點(diǎn)：一旦網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將處于癱瘓狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制操作，智能家居也失去了意義。通過(guò)上節(jié)的介紹我們又知道網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相比之下價(jià)格昂貴，對(duì)于智能家居實(shí)現(xiàn)低成本的目的來(lái)說(shuō)不太適用，并且由于可通信節(jié)點(diǎn)過(guò)多，容易產(chǎn)生信道沖突，會(huì)增加消息傳遞

88、的延遲和通信開(kāi)銷(xiāo)。因此，本系統(tǒng)結(jié)合智能家居的實(shí)際情況采用了Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無(wú)線(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮到智能家居系統(tǒng)具有復(fù)用性，安裝容易，調(diào)試簡(jiǎn)單，通用性好等特點(diǎn)，采用了模塊化設(shè)計(jì)原則，即家居系統(tǒng)的通信部分和功能驅(qū)動(dòng)模塊分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，通信部分由網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)充當(dāng)。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)作為家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即智能家居設(shè)備的主控制器，同時(shí)在每一個(gè)房間安裝一個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)

89、點(diǎn)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，每個(gè)家居設(shè)備也連接一個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)。這樣組成一個(gè)小型家庭簇狀網(wǎng)絡(luò)，如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于這種家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程如下：首先由充當(dāng)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求并建立網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鄰接表，隨后為每個(gè)路由器分配一個(gè)16位PAN ID（此地址僅

90、在該網(wǎng)絡(luò)中有效），并將信息添加到該網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的添加就完成了。當(dāng)路由器下層的家居設(shè)備想加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將自身信息（如由IEEE分配的64位全球唯一標(biāo)識(shí)符等）發(fā)送給路由器，再由路由器將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)不同路由器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行分組，然后為每個(gè)家電分配一個(gè)16位的PAN ID，再將此家電設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，標(biāo)志終端設(shè)備（家電）被添加到此網(wǎng)絡(luò)中。</p><p><b>　　

91、4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　針對(duì)智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，本章首先介紹了系統(tǒng)組成，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。接著主要對(duì)基于Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，介紹了Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)智能家居的實(shí)際情況，采用了Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無(wú)線(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)，并給出了相應(yīng)的家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。采用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)的智能

92、家居系統(tǒng)具有復(fù)用性，安裝容易，調(diào)試簡(jiǎn)單，通用性好等特點(diǎn)。</p><p>　　5 基于Zigbee智能家居網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 硬件總體設(shè)計(jì)</p><p>　　智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器硬件主要由單片機(jī)，Zigbee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，GPRS模塊，人機(jī)交互等組成，本論文中的單片機(jī)采用美國(guó)微芯公司的PICl8F4620，Zigbee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采用T

93、I公司的CC2480，GPRS模塊采用德國(guó)西門(mén)子公司的MC55，其硬件框圖如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 硬件系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　5.2 處理器</b></p><p>　　硬件處理器采用Microchip Technology的PICl8F4620單片機(jī)，PICl8系列是高性能、CMOS、集成了模數(shù)（A/

94、D）轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU（Micro Control Unit）系列。PICl8 MCU采用先進(jìn)的RISC架構(gòu)，支持FLASH和OTP器件。指令和數(shù)據(jù)總線(xiàn)相互分離的哈佛結(jié)構(gòu)允許16位指令和8位數(shù)據(jù)同時(shí)在分離的總線(xiàn)上傳輸。兩級(jí)指令流水線(xiàn)使得除了程序跳轉(zhuǎn)指令需要兩個(gè)周期外，其余所有指令在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行。指令共有77條（精簡(jiǎn)指令集）。此外，實(shí)現(xiàn)了革新架構(gòu)的大寄存器集，使MCU具有10MIPS的高性能。PICl8器件具備特殊功能模塊，減少了外部

95、元件的使用，因此最大限度地降低了成本、提高了系統(tǒng)可靠性并降低了功耗。</p><p>　　考慮到單片機(jī)與高頻芯片的通信，以及以后系統(tǒng)的性能擴(kuò)展和程序存儲(chǔ)等的要求，在設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇了40管腳PDIP封裝的PICl8F4620微控制器，它是一款專(zhuān)為低功耗需求設(shè)計(jì)的。它的工作電壓只有3.3V，可直接與高頻芯片通信。同時(shí)具有3986B的RAM，64KB的FALSH。其管腳圖如圖5.2所示。</p><

96、p>　　圖5.2 PICl8LF4620管腳圖</p><p>　　5.3 Zigbee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊</p><p>　　TI公司的CC2480，是一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4G低成本、低功耗的Z-Accel Zigbee處理器，經(jīng)過(guò)最小的開(kāi)發(fā)努力就能實(shí)現(xiàn)完全的Zigbee功能。CC2480通過(guò)一個(gè)SPI或UART接口能和任何微處理器通信，不需要學(xué)習(xí)一個(gè)新的微處理

97、器或新工具。CC2480的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。</p><p>　　CC2480芯片主要性能特點(diǎn)：</p><p>　　1.運(yùn)行于成熟穩(wěn)定的Zigbee2006協(xié)議棧；</p><p>　　2.為任何微控

98、制器提供SPI（Serial Peripheral interface，串行外圍設(shè)備接口）或UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收/發(fā)裝置）接口；</p><p>　　3.可成為任何類(lèi)型的Ziggbee設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備；</p><p>　　4.作為終端設(shè)備時(shí)，在閑置期間自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式；</p&g

99、t;<p>　　5.超低電流消耗、高接收靈敏度、強(qiáng)抗干擾能力；</p><p>　　6.完全集成和加強(qiáng)的IEEE802.15.4兼容的2.4GHz DSSS RF收發(fā)器；</p><p>　　7.內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電（2.0～3.6）；</p><p>　　本系統(tǒng)的CC2480外圍電路圖如圖5.3所示。</

100、p><p>　　圖5.3 CC2480外圍電路圖</p><p>　　5.4 GPRS電路實(shí)現(xiàn)</p><p>　　5.4.1 GPRS介紹</p><p>　　通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）是在現(xiàn)有GSM技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，GPRS在移動(dòng)終端與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器

101、之間提供了分組傳遞業(yè)務(wù)，這也是GPRS網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別。與GSM網(wǎng)絡(luò)相比，GPRS網(wǎng)絡(luò)能更有效的利用無(wú)線(xiàn)資源，特別適用于長(zhǎng)時(shí)間、小流量的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。借助于多時(shí)隙綁定和高速編碼方案，GPRS速率理論上最高可達(dá)171.2Kbps。從2002年5月起，中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)正式開(kāi)始商用，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍包括了全國(guó)所有省會(huì)城市和大部分大中城市。作為移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最主要的承載方式，與其他無(wú)線(xiàn)通訊方式相比，GPRS業(yè)務(wù)具有實(shí)時(shí)傳輸、運(yùn)營(yíng)

102、費(fèi)用低網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)在多種行業(yè)中得了廣泛應(yīng)用，如用于監(jiān)控、金融、車(chē)載定位等。</p><p>　　作為2.5G網(wǎng)絡(luò)，GPRS技術(shù)是GSM網(wǎng)絡(luò)由2G向3G平滑過(guò)渡的必由路。與2G（GSM）相比較，其具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　1.移動(dòng)數(shù)據(jù)速率高，最大達(dá)到171.2kbps。而GSM僅為9.6kbps；</p><p>

103、;　　2.呼叫接入時(shí)間短：分組交換接入時(shí)間縮短為少于1s，一旦手機(jī)注冊(cè)上GPRS網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)就一直連接在網(wǎng)絡(luò)上；</p><p>　　3.收費(fèi)策略靈活，可以按流量計(jì)費(fèi)或包月制等多種方式計(jì)費(fèi)；</p><p>　　4.有效支持短消息和WAP業(yè)務(wù)；</p><p>　　5.由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無(wú)線(xiàn)接入。</

104、p><p>　　GPRS在一個(gè)發(fā)送實(shí)體和另一個(gè)或多個(gè)發(fā)送實(shí)體之間提供數(shù)據(jù)傳輸，這些實(shí)體可以是連接到一個(gè)GPRS網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的終端設(shè)備。尤其適用于間歇性、非周期性數(shù)據(jù)傳輸（相鄰兩次傳輸?shù)臅r(shí)間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均傳輸延遲）；少量數(shù)據(jù)的頻繁傳輸；較大容量數(shù)據(jù)的不頻繁傳輸。</p><p>　　5.4.2 GPRS電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用西門(mén)子公司的MC5

105、5模塊，該模塊具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1.緊湊的尺寸，僅5.5克的重量；</p><p>　　2.雙三頻工作模式：900，1800和1900MHz；</p><p>　　3.語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸功能；</p><p>　　4.設(shè)計(jì)用于基于Microsoft Windows Mobile TM平臺(tái)的設(shè)備(smart phones and