基于物联网的智能家居系统设计

- - I 基于物联网的智能家居系统设计 摘 要 智能家居系统是利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施(如照 明、安防、家电等)通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒 适的生活。 传统的智能家居系统一般是通过有线线路布线和进行各种控制和通信的，人们难以脱 离各种线缆的羁绊，而且系统的可扩展性能也很差。现代近距无线通信技术的发展， 使得人们能够冲破这种束缚，营造更舒适的家居生活。家居网络可以大致分为数据网 络和控制网络两大部分，本文主要针对智能家居系统的控制网络相关技术进行研究， 并进行了系统设计。 本文主要按照以下几部分展开论述: 首先分析了智能家居系统的一般构成以及控制系统在智能家居的地位，并通过传 统智能家居的特点进行分析，指出了目前市场上的智能家居系统的局限性，提出了基 于短距无线网络的现代智能家居系统是将来的发展趋势。接着对智能家居控制的系统 构架以及相关关键技术进行了分析和比较，指出基于 IEEE802.15.4 的 zigbee 技术是目 前最适合无线家居控制系统的无线标准，并对该标准进行了深入研究。然后从系统和 应用的角度来研究智能家居控制网络，设计了一个基于近距无线技术的智能家居控制 演示系统，包括主控制器与传感器、摄像头监控、开关控制等功能节点的设计。 关键词：家居控制网， Zigbee，物联网 Things Based System Design of 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 more 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 communication 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 and 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 paper 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 technology 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, design 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 - - III 目 录 摘要 .I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 智能家居的发展及应用前景.1 1.2 课题的目的和意义.2 1.3 系统软件要求及通讯技术.2 1.4 方案论证及系统实现的功能目标.5 2 Zigbee 技术6 2.1 Zigbee 联盟.6 2.2 Zigbee 的技术参数.6 2.3 Zigbee 协议栈.7 2.4 Zigbee 的技术特点及其优势及工程应用：.8 2.5 Zigbee 与蓝牙技术比较.9 2.6 Zigbee 的应用领域和应用前景.10 3 基于 Zigbee 技术的智能家居系统构架11 3.1 基于 ZigBee 技术的拓扑结构 11 3.2 家庭网关11 3.3 传感器节点13 3.4 Zigbee 网络的构成.14 3.4.1 设备分类及功能.14 3.4.2 地址分配模式15 3.5 Zigbee 的网络拓扑结构.15 3.5.1 星型网络15 3.5.2 树形网络16 3.5.3 网型网络16 3.5.4 智能家居的网络拓扑选择17 4 智能家居中的硬件设计.18 4.1 底层硬件模块及 Zigbee 硬件的实现.18 4.1.1 底层硬件模块18 4.1.2 中间协议层18 4.2 Zigbee 硬件的实现19 5 系统的软件设计及运行结果.21 5.1 Z-STACK平台软件结构及开发环境21 5.1.1 Z-Stack 平台软件结构21 5.1.2 开发环境21 5.2 软件结构及接口定义.24 5.2.1 软件结构的总体结构24 5.2.2 接口定义24 5.3 主节点的软件流程.24 5.4 终端节点软件设计.27 5.4.1 终端节点的功能及要求27 5.4.2 终端节点的工作流程27 5.4.3 终端节点的节能机制27 5.4.4 系统运行结果及评价27 6 家居四表抄送系统的典型应用.30 6.1 家居四表抄送系统方案.30 6.2 四表抄送系统家居智能节点.31 6.2.1 四表抄送系统家居智能节点32 6.2.2 无线抄电表模块33 6.2.3 模块中 Zigbee 节点信息处理描述34 7 结束语.35 参考文献.36 致谢.37 附录.38 附录 .39 基于物联网的智能家居系统设计1 1 绪论 1.1 智能家居的发展及应用前景 近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，智能家居行业逐渐形成，可 用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修公司已经积累了很多 经验。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当前社会一个热点问题。 而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准 化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智能家居 研究领域正确的发展方向。 但是，此行业仍存在几个问题。首先，定位偏高，目前智能家居的用户是中上档 次的人群，而这类人群毕竟是少数，因此降低定位，让智能家居进入寻常百姓家，可 扩大市场范围；其次，切实分析用户需求，否则就只是房地产开发商售楼时一个宣传 卖点。 智能家居系统可以理解为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平 台将与家居生活有关的各种通讯设备、家用电器和家庭保安装置经由家庭总线技术连 接到一个家庭智能化系统上，从而形成一个有机的整体（数字家庭网络系统） ，进行集 中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐 与协调。而无线网络技术的应用已经成了智能家居系统一个新选择。无线网络一般家 庭网络通讯有以下几个特点：1、传输的数据量比较小,因而无需太大的传输速度；2、 信息的实时性要好，时延要短，尤其在安防信息上；3、网络的容量要大，因家庭中各 种设备、电器很多；4、无论采用何种方式建立家庭网络，都必须保证数据传送过程中 的安全性和可靠性，不易被人窃取和破坏。在智能家居系统中，无线网络技术应用于 家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流 动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且更符合家庭网络的通讯特点，同时 随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。 目前，无线网络技术主要可分为射频（RF）技术、红外线技术、IEEE802.11b 和 IEEE802.11a 协议技术、Home RF 协议、ZigBee 技术、蓝牙技术。其中射频(RF)技术 已很成熟，它的成本低廉，穿透性较好，但抗干扰能力差，安全性差，最致命的缺陷 是它没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样；红外技术也比较成熟，但必须直 线视距连接，限制太大，并不适合我们通常意义上的家庭网络；IEEE802.11 是 IEEE 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域网和校园网，由于它在速率和 传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE 小组又相继推出了 IEEE802.11b 和 IEEE802.11a 两个新标准，但无论是 IEEE802.11b 还是 IEEE802.11a 都是一种高速率传 输协议，用在家居系统上有些大材小用，而且价格昂贵，它更适于办公室的无线网络； 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2 HomeRF 无线标准是由 HomeRF 工作组开发的，旨在使计算机与其他电子设备之间实 现无线通信的开放性工业标准，由于 Home RF 网络没有密码因而它的安全性较差，且 它的抗干扰能力很差；而 ZigBee 技术和蓝牙技术都属于 IEEE802.15 协议，在一定的 范围内有重叠，但其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。ZigBee 作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，更适合于家庭自动化、安全保障系统 及进行低数据率传输的低成本设备之间，而蓝牙更适合于语音业务及需要更高数据量 的业务，如移动电话、耳机等。 1.2 课题的目的和意义 现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。对于全身心投入竞争的 人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。智能家居控制器 可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，即快捷又省力。还提供舒适健 康的环境，可以监视室内的温度、湿度，进而控制空调机的运行，达到人工模拟大自 然的气息。使人们将来足不出户就能体验和享受到身临大自然的美好境地。加大了处 理紧急情况的力度、增强了住户无人在家时的安全感，使人们能够全身心地投入工作， 从而提高生活质量。住宅智能化控制的开发与建设是 21 世纪发展的必然趋势。由于信 息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能 化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居系统 具有安网作为主干网，实现交互式数字视频业务。 系统硬件要求 1 小区物业管理智能化系统的硬件有信息网络、计算机、公用设备、计量仪表和 电子器材等。系统硬件应具有先进性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高 和过早淘汰。 2 在充分考虑先进性的同时，硬件系统应立足于用户对整个系统的具体需求。应 优先选择先进、适用、技术成熟，最大限度地发挥投资效益。 3 无论是系统设备还是网络拓扑结构，都应具有良好的开放性。网络化的目的是 实现设备资源和信息资源的共享。因此，计算机网络本身应具有开放性，并应提供标 准接口。用户可根据需求，对系统进行拓展或升级。 4 计算机网络选择和相关产品的选择要以先进性和适用性为基础，同时考虑兼容 性.系统设备应优先选择根据己有国际标准设计、生产的标准化设备，避免因兼容性差 造成系统难以升级或拓展。 5 随着社会的不断发展和进步，住宅小区物业管理智能化系统的规模、自动化程 度会不断扩大和提高，用户的需求会不断变化。因此，系统的硬件应充分考虑未来可 升级性。 基于物联网的智能家居系统设计3 1.3 系统软件要求及通讯技术 （1）系统软件要求 系统软件是小区物业管理智能化系统的核心，它的功能好坏直接关系到整个系统 的水平。系统软件包括:计算机及网络操作系统、应用软件及实时监控软件等。 1 系统软件应具有很高的可靠性和安全性。 2 系统软件操作方便，采用中文图形界面，采用多媒体技术，使系统具有处理声 音及图像的能力。用户操作界面要适应不同层次住户及物业公司人员的素质。 3 系统软件应符合国家、行业标准以及国际标准，便于多次升级和支持新硬件产 品。 4 系统软件应具有功能上的可扩充性。使用的元件的耐压要求比较高，在安全问 题上有一定的隐患。目前国际上采用电力线作为联网介质推出的解决方案有- xOI，CEBUS 等。 （2）智能家居系统的通讯技术 家庭网络的通讯主要是以物理媒体层的实际电磁信号为主要传输载体，所以物理 媒体层传输介质是整个家居网络的物质基础。因而家庭网络的通讯媒体的选用是很重 要的。目前，家庭网络的通讯媒体主要有以太网(双绞线)、电话线、电力线、无线射频、 红外线、电缆和光纤等几种，但当前主要以双绞线、电话线和电力线为主，家庭无线 网络主要采用红外、无线方式等，将以其灵活方便和可移动计算的特点而成为未来发 展的方向。 根据接入设备的类型及实际需要，家庭局域网可以用有线或无线方式实现，也可 以用混合型网络实现。以下我们分别对这几种方案进行比较: 有线通讯技术 有线通讯方式主要利用家庭中的电话线、有线电视线、交流电力线等己经存在的 配线进行通讯。 (1)电话线网络 计算机厂商与消费电子厂商成立了一个名为 HomePNA(家庭电话线网络联盟)的组 织来推广利用电话线建立家庭网络。它是通过在电话线加载高频载波信号来实现信息 的传递，可以同时满足电话业务、家庭内部数据传输，互相不干扰。可以达到 1Mbit/s 的传输速率。该方案采用 802.3 标准，支持即 S 机制，HomePNA 在撇 C 层制订了八种 优先级，改进了冲突解决技术，保证音频类实时数据延迟控制在 10 一 2h(as。电话线 网络利用住宅内现有电话线路的家庭网络具有较好的发展前景，因为电话应用已经普 及，施工和安装比较方便，通过频分多角技术可以使一根电话线利用不同频率同时传 输数据、Inertnet 信息和声音。相对其它技术而言，基于电话线路的连网产品价格较低， 数据传输不容易受到干扰。利用电话按键可实现简单、方便、廉价的远程控制。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）4 (2)电力线网络 采用电力线作为传输介质一般使用窄带通讯方式和扩频通讯方式，在家庭网络中 适合采用扩频通讯方式。使用电力线的最大优点在于不用改动家庭布线，利用现有的 插座就可以实现家用电器的方便联网，因此施工和安装更为方便。但对于家庭中所使 用的手持移动设备来说无法采用电力线连入家庭网络。它的缺点在于传输速率只有 300Kbps，躁声和干扰比较大，不能满足数字视频和音频信号的传输，保密性较差，而 且没有统一的标准。此外由于信号与家用电器在同一对线上传输，对所全、方便、高 效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、 安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。 国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求 国家智能家居建设纲要对于智能家居系统的要求如下: 系统的功能要求 住宅小区智能化系统示范工程功能要求，按不同标准，应分别做到以下功能: 一星级 1 安全防范子系统 (l)出入口管理及周界防越报替 (2)闭路电视监控 (3)对讲与防盗门控 (4)住户报警 (5)巡更管理 2 信息管理子系统 (1)对安全防范系统实行监控 (2)远程抄收与管理或 Ic 卡 (3)车辆出入与停车管理 (4)供电设备、公共照明、电梯、供水等主要设备监控管理 (5)紧急广播与背景音乐系统 (6)物业管理计算机系统几， 3 信息网络子系统 (1)为实现上述功能科学合理布线 (2)每户不少于两对电话线和两个有线电视插座 (3)建立有线电视网 二星级 二星级除应具备一星级的全部功能之外，同时在安全防范子系统和信息管理子系 统的建设方面，其功能及技术水平应有较大提升。信息传输通道应采用高速宽带数据 网作为主干网。物业管理计算机系统应配置局部网络，并可供住户联网使用。 基于物联网的智能家居系统设计5 三星级 三星级应具备二星级的全部功能。其中信息传输通道应采用宽带光纤用户接入题。 有线和无线技术，既是相互竞争的也是相互补充的，既有各自的优点也有各自的缺点， 目前是多种技术的混合和共存的局面。但随着无线技术的发展成熟，无线技术必将取 代优先技术，成为最终的发展趋势。 1.4 方案论证及系统实现的功能目标 （1）远程家居智能管理系统设计原则 优秀的家庭自动化产品应该具有以下设计原则: 标准化:家庭自动化产品应当依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证各厂 家产品间的兼容性和相互操作能力。 开放性:目前，在智能住宅、家庭自动化、家电网络领域尚处于一家一户自行开发 的局面，而实际上用户不可能全部使用同一厂家生产的产品，这将极大阻碍互联互通 和长远发展。因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议、统一的接口。 模块化:采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益并允许系统 的逐步到位。模块之间遵循一定的协议，可以相互通讯和协调。 实用性:人们购买家庭自动化产品是为了享有更加便利舒适的生活，绝非追逐潮流 的概念。 普及化:家庭自动化系统应该面向低成本、高性能的目标设计，住户对价格较为敏 感，所以智能住宅采用的技术要较为经济。同时，家庭自动化系统应该能最大程度兼 容用户原有电器设备，保护用户投资。 简洁易用:高科技带来的应该是一种享受而绝不是一种负担。好的家庭自动化产品 应该简便易用、用户界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。 （2）系统实现的功能目标 智能家居控制系统是由基于电话网络的远程控制和本地集中控制两大部分组成。 具体功能目标是: 1 远程控制实现人在异地能通过电话网络对家中的电器设备进行控制的功能。 2 本地集中控制实现在近距离通过键盘控制家用电器设备的工作状态。 3 安全防盗报警。 4 三表(电表、水表、气表)的数据采集。 5 实时时钟显示的功能。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）6 2 Zigbee 技术 Zigbee 技术综述 Zigbee 技术是主要应用于自动控制的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速 率、低成本的双向无线通信技术。它主要工作在无须注册的 2.4GHz ISM 频段，数据速 率为 20250kbit/s，最大传输范围在 1075m，典型距离为 30m。基于 Zigbee 的无线 模块由高度集成的天线、电池及频率控制器组成。在以 Zigbee 构成的 WPAN 网络中能 支持高达 254 个用户节点，外加一个全功能器件或主器件，可实现双 向通信。Zigbee 主要通过降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率，降低帧开销 以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。 IEEE802.15.4 定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz 物理层和 868/915MHz 物理层。 两个物理层都基于 DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列扩频） ，使用相同 的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。 Zigbee MAC 层的设计则主要考虑到尽可能地降低成本，容易实现，可靠的数据传输， 短距离操作及非常低的功耗。在 Zigbee 网络中传输的数据可分为 3 类，周期性数据如 家庭中水、电、气三表数据的传输; 间断性数据如电灯、家用电器的控制即安防报警数 据的传输; 还有反复性的低反应时间的数据如无线鼠标、游戏杆传输的数据。为了提高 传输数据的可靠性，Zigbee 采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入 方式和完全握手协议。 2.1 Zigbee 联盟 Zigbee 联盟成立于 2002 年 8 月,由英国 Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国 摩托罗拉公司及荷兰飞利浦半导体公司组成,如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备 公司和开发商的加入。Zigbee 联盟负责制定网络层及以上层协议。 2.2 Zigbee 的技术参数 Zigbee 协议定义了两个物理层标准,它们分别是 2.4 GHz 物理层和 868/915 MHz 物 理层。两个物理层都基于直接序列扩频 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)技术,使 用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速 Zigbee 无线信道的组成, 图 2-1 所示; Zigbee 的其它技术参数,见图 2-2 所示。2.4 GHz 波段为全球统一的无需申请的 ISM 频段,有助于 Zigbee 设备的推广和生产成本的降低。 2.4 GHz 的物理层通过采用 16 相高阶调制技术能够提供 250 Kbps 的传输速率,有助于获 更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。 基于物联网的智能家居系统设计7 中中心心频频率率 /MHz 869.3 906+32(k-1) 2405+(k-11) 信信道道编编号号 K=0 K=1.2.26 K=11.1226 频频率率数数量量 1 10 16 信信道道间间 隔隔/MHz _ 2 5 速速率率 /Kbp s 20 40 250 调调制制 方方式式 BOSK HPSK O-QPSK 频频率率上上 限限/MHz 868.2 928.0 2483.5 频频率率下下 限限/MHz 868.0 902.0 2400.0 图 2-1 名名称称内内容容 传传输输距距离离 可可达达10-75m 依依赖赖功功率率输输出出和和环环境境特特性性。 通通信信时时延延 15-30ms(典典型型搜搜索索时时延延30ms,休休眠眠激激活活时时延延15ms,活活动动接接入入时时延延15ms)。 寻寻址址时时延延 64bit的的IEEE地地址址，16bit的的本本地地地地址址。 网网络络容容量量 一一个个Zigbee网网络络可可容容纳纳255个个本本地地地地址址。 网网络络拓拓扑扑 星星型型。点点对对点点。网网状状。 安安全全机机制制 提提供供了了数数据据完完整整性性检检查查及及鉴鉴权权功功能能，加加密密算算法法采采用用A-ES128、同同时时各各个个应应用用可可灵灵活活确确定定采采用用何何 种种安安全全机机制制 成成本本估估算算 模模块块初初始始化化成成本本约约6美美元元，随随着着市市场场成成熟熟，会会很很快快将将到到1.5-2.5美美元元，并并且且Zigbee协协议议免免专专利利费费。 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，收收发发功功耗耗低低的的特特点点。并并且且有有休休眠眠模模式式，一一般般 耗耗电电情情况况 情情况况下下两两节节5号号电电池池可可工工作作6个个月月到到2年年左左右右。 图 2-2 2.3 Zigbee 协议栈 Zigbee 协议栈5采用分层结构，包括:物理层(PHY Layer)、媒体接入控制层(MAC Layer)、网络层(NWK Layer)和应用层，如图 2-3 所示。 应应用用对对象象终终端端2 2应应用用对对象象终终端端3 3 媒媒体体接接入入控控制制层层（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 物物理理层层（P PH HY Y L La ay ye er r）I IE EE EE E8 80 02 2. .1 15 5. .4 4 安安全全服服务务提提 供供商商S SS SP P 应应用用层层（A AP PS S L La ay yw we e） Z Zi ig gb be ee e设设备备对对象象 应应用用对对象象终终端端1 1. . 应应用用接接口口层层（A AP PS S S Su ub b- -l la ay yw we e） 网网络络层层（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平平台台 Z Zi ig gb be ee e联联盟盟平平台台 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 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 图 2-3 Zigbee 协议栈结构 网络层以上协议由 Zigbee 联盟制定,IEEE 组织负责定制 PHY 层和 MAC 层标准。 应用层包括应用对象终端设备和应用接口层,且最多只能包含 31 个应用对象。应用接口 层将主要负责把不同的应用映射到 Zigbee 网络层上,其中包括:安全与鉴权、多个业务 数据流的会聚、设备发现及业务发现。网络层主要考虑采用基于 ad-hoc 技术的网络协 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）8 议,应包含以下功能:通用的网络层功能,拓扑结构的搭建和维护,命名和关联业务,包含了 寻址、路由和安全;同 Zigbee 协议标准一样,非常省电;有自组织、自维护功能,以最大程 度减少消费者的开支和维护成本。Zigbee 协议的媒体接入控制层协议包括以下功能:设 备间无线链路的建立、维护和取消;确认模式的帧传送与接收;信道接入控制;帧校验;预 留时隙管理;广播信息管理。Zigbee 协议 MAC 层定义的 4 种帧结构:数据帧、标志帧、 确认帧和 MAC 命令帧,如图 2-4 所示。 最最大大1 12 27 7字字节节 2 2字字节节1 1字字节节0 0- -2 20 0字字节节可可变变值值2 2字字节节 帧帧控控制制域域 帧帧控控制制域域 帧帧控控制制域域 帧帧控控制制域域 帧帧序序号号域域 帧帧序序号号域域 帧帧序序号号域域 帧帧序序号号域域 地地址址域域 地地址址域域 地地址址域域 帧帧校校验验 帧帧校校验验数数据据 帧帧校校验验 帧帧校校验验 信信标标 信信标标 M MA AC C协协议议数数据据单单元元（M MA AC C帧帧） 最最大大1 12 27 7字字节节 物物理理层层服服务务数数据据单单元元 物物理理层层协协议议数数据据单单元元 同同步步头头 P PH HY Y头头 物理层 媒媒体体接接入入 控控制制层层 数数据据帧帧 确确认认帧帧 命命令令帧帧 标标志志帧帧 图 2-4 Zigbee 的帧结构图 2.4 Zigbee 的技术特点及其优势及工程应用： （1）Zigbee 的技术特点及其优势 1 安全性：Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES-128， 同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 2 可靠性：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时 隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个 发送的数据包都必须等待接收方的确认信息； 3 成本低：模块的初始成本估计在 6 美元左右，很快就将降到 1.5 美元到 2.5 美元 之间，且 Zigbee 协议是免专利费的； 4 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，Zigbee 技术可以确保两节五号电池支持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间，当然不同的应用 功耗是不同的； 5 网络容量大：一个 Zigbee 网络可以容纳最多 254 个从设备和一个主设备，一个 区域内可以同时存在最多 100 个 Zigbee 网络； 6 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都 非常短。设备搜索时延典型值为 30ms，休眠激活时延典型值是 15ms，活动设备信道 接入时延为 15ms。 （2）工程应用 基于物联网的智能家居系统设计9 Zigbee 技术已成功应用于智能家居系统中，比如在某教育社区 DCA3000 系统中， 就是采用 Zigbee 技术来实现家庭内部的无线网络通迅的。在这款系统中主要由家庭网 关和网络中各子节点组成，网络中各子节点采用 Zigbee 技术与家庭网关进行无线通讯， 其中各子节点实现的功能分别为（水、电、气）三表数据采集、安防报警数据采集、 电灯及家用电器的控制。在家庭网关和每个字节点上都接有一个采用 Zigbee 技术设计 无线网络收发模块,通过这些无线网络收发模块在网关和子节点之间进行数据的传送。 之所以采用 Zigbee 技术除了上面所述的优点外，还因为这些应用不需要很高的数据吞 吐量和连续的状态更新，更为重要的是系统中子节点采用电池供电，因而需要极低的 功耗且在通常状态下应具有休眠状态，而这正是 Zigbee 所具备的，它的优势之一就在 于低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少网络的维护费用，降低系统的成本。 2.5 Zigbee 与蓝牙技术比较 IEEE 802.15 委员会制定了三种不同的 WPAN 标准，区别在于通信速率、QoS 能 力等。IEEE 802.15.3 标准是高速率的 WPAN 标准，适合于多媒体应用，有较高的 QoS 保证。802.15.1 标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到 PDA 的通信， 其 QoS 机制适合于语音业务。802.15.4 标准也就是 Zigbee 技术，目标市场是工业、家 庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和 QoS 的要求不高。 图 2-5 Zigbee 不同速率下的传输功耗。 速速率率/ /转转换换功功率率 1 1m mW W( (0 0d db bm m) ) 1 10 0m mv v( (1 10 0d db bm m) )1 10 00 0m mW W( (2 20 0d db bm m) ) 2 25 50 0k kb bp ps s 2 28 8k kb bp ps s 1 13 3m m 2 23 3m m 2 29 9m m 5 54 4m m 6 66 6m m 1 13 34 4m m 图 2-5 Zigbee 不同速率下的传输功耗 蓝蓝牙牙Zigbee PHYFHSSDSSS 协协议议层层250KB28KB 电电池池可可充充不不可可充充 设设备备/网网络络8 16 2 连连接接速速度度 250kbps1Mbps -10m30m有有效效距距离离 图 2-6 Zigbee 与蓝牙比较 Zigbee 与蓝牙技术相比较有许多相似点，但其优点更显而易见。蓝牙的传输距离 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）10 小于 10 米，这在大一点的家庭住宅中是一个极大的障碍，因而很难构成无线通信网络， 而 Zigbee 的最大传输范围在 10-75 米，非常适合家庭网络的建立；其次，在一个蓝牙 网络中最多可容纳 8 个节点，而 Zigbee 可容纳 255 个节点，而一般每个家庭网络中需 要 100-150 个设备节点；最后，蓝牙模块的成本较高，这也成为其没有广泛应用的原 因之一，此外蓝牙的功耗与 Zigbee 相比要大很多，而 Zigbee 则成本低廉，而且其功耗 极低，如图 2-6 所示。虽然蓝牙的传输数据速率要大过 Zigbee，但 Zigbee 的 250kbit/s 传输速率在家庭网络中已足够使用。可以说，采用 Zigbee 技术所架构的无线智能家居 系统网络，由于其低成本、低功耗，较远的覆盖范围及它在全球范围内的通用，将使 其成为智能家居系统中的又一亮点，必将给现代智能家居系统带来一场新的变革。 2.6 Zigbee 的应用领域和应用前景 Zigbee 技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制 装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中,应用于小范围的基于无线通信 的控制和自动化等领域中。Zigbee 联盟预测的主要应用领域包括:工业控制、消费性电 子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。通常,符合如下条件之一的应用, 均可以考虑采用 Zigbee 技术作无线传输. (1)设备成本较低,传输的数据量较小。 (2)设备体积较小,不便放置较大的充电电池或者电源模块。 (3)没有充足的电力支持,只能使用一次性电池。 (4)频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难。 (5)需要较大范围的通信覆盖,网络中的设备非常多,但仅仅用于监测或控制。 基于物联网的智能家居系统设计11 3 基于 Zigbee 技术的智能家居系统构架 3.1 基于 ZigBee 技术的拓扑结构 基于 Zigbee 技术的智能家居系统的拓扑选择涉及许多设计方案的权衡。该网络自 身也是一个动态系统，不断与外界环境相互影响。人们的移动、不间断地使用电器和 外界的干扰源等都可以影响网络性能。对电池供电的设备来说，复杂的设计目标就是 保存电池消耗。通常拓扑结构的选择要考虑以下几个问题：首先，我们要考虑最糟情 况下和一般情况下的连通性拓扑：应用需要的节点密度和周围环境状况；其次，评估 可选择的情况。最后，还要考虑系统的可升降性和权衡能耗/资源的限制。本文智能家 居系统的实际情况如下：1、传感器节点由电池供电，而家庭网关通过电源供电，所以 应该尽量减少传感器节点的工作量，以节约传感器节点用电。2、智能家居中接入的主 要是传感器和开关，网络中数据量不大，没有必要采用复杂的网络拓扑来保证数据通 信。因此，星形拓扑结构完全能满足要求，并且实现简单，不涉及路由寻址等功能。 基于 Zigbee 技术的智能家居系统的网络拓扑结构如图 3-1 所示。家庭网关和若干个无 线通信 Zigbee 传感器节点模块组成星形结构的家庭传感器网络。其中，家庭网关是全 功能设备，它充当网络协调器，由它主导网络的建立，监督网络的正常运行。它配置 较多的存储空间，完成网络初始化，数据采集，设备控制等功能。另外，它配置 16bit 本地地址给设备以节省带宽。其他的无线通信 Zigbee 子节点模块则是精简功能设备， 完成传感器状态采集，查询响应、控制设备等，它们只能与家庭网关之间进行通信， 相互之间不能进行通信。 灯灯光光控控制制节节点点 火火警警 可可控控开开关关节节点点 门门磁磁传传感感器器节节点点 光光照照传传感感器器节节点点 三三表表采采集集节节点点 家家庭庭网网关关 Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee Zigbee 图 3-1 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）12 3.2 家庭网关 智能家居中的各传感器开关节点与家庭网关互连成家居内部信息网，内部信息网 络还需要和外部网络联通，否则无法实现小区集中化管理，不能实现设备诊断和更新， 以及远程配置和维护，用户也无法对家中的设备进行远程控制和管理。家庭内部信息 网络和外部网络互联，有两种选择，一是公用电话网，而是因特网。这就对应着两种 设备，电话接口和家庭网关。电话接口的数据传输能力和控制功能都十 分有限，扩展性不好，因此，采用家庭网关的方式比较可取。家庭内部信息网的通 信协议比较简单，要实现它与外部 TCP/IP 的互联，必须实现协议的转换，这是家庭 网关一个非常重要的作用。从结构上来看，家庭网关就是外部 TCP/IP 网络与家庭内 部信息网络的一个连接点。家庭网关并不只是一个简单的协议转换设备，更是一个对 外的家庭内部网络控制接口，一方面是因为家庭内部通信协议功能远不如 TCP/IP 功 能强大，另一方面也是因为家庭内部网络的接口规范和协议缺乏统一的标准。家庭网 关要做到对外的控制接口，需要考虑一下几个问题： 1）功能接口，必须有一个完备的接口，能够通过该接口实现智能家居的全部功能。 2）数据帧格式，包括内部网络的数据帧格式，协议的基本层次和各层次头部信息格 式的确定，协议的指定必须充分考虑到未来的发展和扩充。 3）传输方式，包括数据帧的丢失、超时和校验等情况的处理，尽量做到与物理介质 无关，在不同的物理介质上运行，只需要修改最底层的物理协议即可。 家庭网关是一个由硬件和软件共同组成的功能实体，通常是采用 PC 实现。因为 PC 功能强大，支持多种设备接口，还包括操作系统和应用软件、网络支持等，能很方便 的实现控制和网关功能。但是以 PC 做家庭网关也有它的不足，体积大、功耗大且成 本高，因此 PC 并不是家庭网关的最佳选择。我们可以采用嵌入式系统来实现家庭网 关，嵌入式系统面向应用，可以根据实际需要定制软硬件和接口，使它的功能、可靠 性和成本等各方面更适应要求。但相对 PC 来说，嵌入式不仅包括软件开发，还要完 成硬件开发，难度增大。家庭网关从功能结构上分主要包括功能实现、数据处理平台 和网络接口控制器三部分。它实现的功能包括：对传感器节点的管理、与外界的信息 交互、集成家庭服务、人机界面和对内通信。传感器节点的管理。基本必须实现对传 感器节点的状态变化的管理、自动对传感器节点进行操作、生成管理日志。状态变化 包括传感器节点的添加、移除和异常情况的管理。对传感器节点进行的操作包括传感 器节点的初始设定、传感器节点工作状态的更改（停用、启动等） 、对传感器节点发布 命令（报警等） 。生成管理日志应该包括所有可以采集得到的家庭事务。如传感器节点 状态的改变、中继器的报告数据等。 与外界的信息交互。基本必须实现外部的数据的认证、外部指令的执行、内部状 态的汇报集成家庭服务。根据系统和用户需求开发的各种应用程序，并整合传感器节 基于物联网的智能家居系统设计13 点，使其完成特定的服务。如对传感器节点的重载，光照强度传感器可以用于灯光的 控制服务，也可用于窗帘的开关服务等。人机界面。基本必须实现传感器节点初始设 定界面、家居管理界面。该处的简单性、易用性和灵活性关系到整个系统性能的发挥， 对用户的接受程度有很大的影响。 对内通信。包括和中继器之间的通信，规定一套实现以上各种功能的通信协议。 3.3 传感器节点 智能家居传感器网络在家庭环境中布置传感器节点以无线通信方式组织成网络， 传感器节点负责监视周围一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。它 集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传 感器节点中各类型的传感器件，可以测量家庭内部和周边环境的温度、湿度、光强度、 入侵等。 网络的信息管理的核心部分为物理接口，作为家庭网关和传感器节点之间的桥梁， 物理层接口完成家庭网关和传感器节点间通信，并且能使家庭网关和传感器节点之间 能够相互理解通信的内容。所以家庭网关和传感器节点都配置同样的无线收发模块作 为物理接口。除了无线收发模块之外，传感器节点还包括具有一定处理能力的 MCU 芯片，单片机根据预先写入的程序，能够采集传感器信息、转发命令和状态信息和控 制设备，并能对子网上的节点进行统筹管理，维护整个传感器系统的运转状况。根据 前面的分析，传感器节点包括两个模块： 1、功能模块由三个部分组成： 应用：负责对传感器节点的信号采集功能、通信行为等进行初始化，并根据实是 外部 TCP/IP 网络与家庭内部信息网络的一个连接点。家庭网关并不只是一个简单的 协议转换设备，更是一个对外的家庭内部网络控制接口，一方面是因为家庭内部通信 协议功能远不如 TCP/IP 功能强大，另一方面也是因为家庭内部网络的接口规范和协 议缺乏统一的标准。家庭网关要做到对外的控制接口，需要考虑一下几个问题： 1）功能接口，必须有一个完备的接口，能够通过该接口实现智能家居的全部功能。 2）数据帧格式，包括内部网络的数据帧格式，协议的基本层次和各层次头部信 息格式的确定，协议的指定必须充分考虑到未来的发展和扩充。 3）传输方式，包括数据帧的丢失、超时和校验等情况的处理，尽量做到与物理介 质无关，在不同的物理介质上运行，只需要修改最底层的物理协议即可。 2、家庭网关 家庭网关是一个由硬件和软件共同组成的功能实体，通常是采用 PC 实现。因为 PC 功能强大，支持多种设备接口，还包括操作系统和应用软件、网络支持等，能很方 便的实现控制和网关功能。但是以 PC 做家庭网关也有它的不足，体积大、功耗大且 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）14 成本高，因此 PC 并不是家庭网关的最佳选择。我们可以采用嵌入式系统来实现家庭 网关，嵌入式系统面向应用，可以根据实际需要定制软硬件和接口，使它的功能、可 靠性和成本等各方面更适应要求。但相对 PC 来说，嵌入式不仅包括软件开发，还要 完成硬件开发，难度增大。 家庭网关从功能结构上分主要包括功能实现、数据处理平台和网络接口控制器三 部分。它实现的功能包括：对传感器节点的管理、与外界的信息交互、集成家庭服务、 人机界面和对内通信。传感器节点的管理。基本必须实现对传感器节点的状态变化的 管理、自动对传感器节点进行操作、生成管理日志。状态变化包括传感器节点的添加、 移除和异常情况的管理。对传感器节点进行的操作包括传感器节点的初始设定、传感 器节点工作状态的更改（停用、启动等） 、对传感器节点发布命令（报警等） 。生成管 理日志应该包括所有可以采集得到的家庭事务。如传感器节点状态的改变、中继器的 报告数据等。智能家居中的各传感器开关节点与家庭网关互连成家居内部信息网，内 部信息网络还需要和外部网络联通，否则无法实现小区集中化管理，不能实现设备诊 断和更新，以及远程配置和维护，用户也无法对家中的设备进行远程控制和管理。家 庭内部信息网络和外部网络互联，有两种选择，一是公用电话网，而是因特网。这就 对应着两种设备，电话接口和家庭网关。电话接口的数据传输能力和控制功能都十分 有限，扩展性不好，因此，采用家庭网关的方式比较可取。家庭内部信息网的通信协 议比较简单，要实现它与外部 TCP/IP 的互联，必须实现协议的转换，这是家庭网关 一个非常重要的作用。从结构上来看，家庭网关就验需要建立统计指标。 网络协议栈：负责模拟传感器节点中无线通信的各层协议。 传感模块：也称为传感协议栈，负责检测和处理来自传感器信道的信号，将其送 往上层应用。 能耗模块：节点的能量产生和能量消耗过程，主要包括电池、无线收发设备、数 模转换器和信号采集设备等硬件。如图 3-2 所示： 传传感感器器 物物理理层层 传传感感模模块块 应应用用 网网络络层层 链链路路层层 物物理理层层 功功能能模模块块 电电池池模模块块 CPU ADC 无无线线模模块块 能能耗耗模模块块 图 3-2 传感器节点模型体系结构 基于物联网的智能家居系统设计15 3.4 Zigbee 网络的构成 3.4.1 设备分类及功能 在 ZigBee 的网络中，支持两种类型的物理设备:全功能设备和精简功能 设备。全功能设备(FFo，FullFunctionoevice)特点:支持任何拓扑结构;可以成为网络协调 器或路由;能和任何设备通信。精简功能设备(盯。 ，ReducedFunctionDevice)特点:只用在 星型拓扑中;不能成为网络协调器;只能和网络协调器通信;实现非常简单。 此外，ZigBee 网络按照节点类型来分，支持三种节点:主节点，路由节点以及终端 节点。主节点就是协调器，必须由一个 FFD 构成，它是网络的核心，负责建立一个网 络并下发地址。路由节点也是一个 FFD，搜索网络并加入，给加入路由的终端节点分 配地址。路由节点仅仅是网络中的一个无线收发器，它负责转发通讯和维护网内路径。 终端节点是网络中最简单的节点，它可以是一个 FFD 或者 RFD。 3.4.2 地址分配模式地址分配模式 所有 Zigbee 设备均将有一个 64bit 的 IEEE 地址，这是一个全球唯一的设备地址， 需要得到 Zigbee 联盟的许可和分配。在子网内部，可以分配一个 16 bit 的地址作为网 内通信地址，以减小数据包的大小。地址模式有两种: (1)星型拓扑:网络号加设备标识，本文中采用这种分配模式。 (2)点对点拓扑:直接使用源/目的地址。 这种地址分配模式，决定了每个 zigbee 网络协调器可以支持多于 64000 个设备，而个 协调器可以互连从而可以构成更大规模的网络，逻辑上网络规模取决于频段的选择， 节点设备通信的频率以及该应用对数据丢失和重传的容纳程度。 3.5 Zigbee 的网络拓扑结构 前面提到过，Zigbee 的网络拓扑结构有三种:星型网络，树形网络，网型网络。下 面对这三种拓扑网络进行描述和介绍，并比较选定智能家居所选用的拓扑网络。 3.5.1 星型网络星型网络 如下图五星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过中心节点传输。如 果用通信模块构造星形网络，只需要一个模块被配置成中心节点，其他模块可以配置 成终端节点。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）16 图 3-3 星型拓扑网络 星型路由拓扑的最大优点是结构简单。这种简单带来的是很少有上层协议需要执 行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理简便。中心节点可以承担许多管理 工作。但是这种简单是以灵活的牺牲为代价的。因为需要把每个终端节点放在中心节 点的通信范围之内，这必然会限制无限制网络的覆盖范围。并且星型拓扑很难实现高 密度的扩展。集中的信息涌向中心节点，容易形成热点