硕士学位论文-基于Zigbee的智能家居遥控器的研究与实现.pdf

分类号T P 3 9 3 密级公开 重庆邮电大学硕士学位论文 的研究与实现 英文题目 R e s e a r c ha n dI m p l e m e n t a t i o no nT h eS m a r tH o m e 指导教师向晓波教授级高工 谢昊飞副教授王顾副教授 论文提交日期 2 Q 量呈生Q 量且论文答辩日期2 Q ! ! 生Q 垂且Q 3 目 论文评阅人 答辩委员会主席李强娇教授级高工 2 0 1 1 年0 6 月 1 0 日 独创性声明 jl I I I I I II I I II I I I I II l l III Y 19 8 9 5 16 i l l i | l 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭虫g 电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：页业步敲 签字日期： 加f ，年钿哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废邮电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权 重鏖整电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：再业瘢 导师签名： 2 匙 签字日期： bf f 年月B 日签字日期：1 1 年厶月J 日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，传统的家庭电器设备已经无 法满足现代家庭的需求，而智能家居能够为人们提供更加安全、舒适和健康的 生活环境。如今，智能家电成为人们日常生活的必需品已经走进了千家万户， 正深刻地改善人们的生活品质。可以说家居智能化是未来家居的一种必然发展 趋势。 在智能家居系统中，通过遥控器对家庭网络的智能设备进行控制和监测。 随着未来家庭中智能家居设备种类的增多，必然会造成多种遥控器并存的现象， 给用户的使用带来不便。而且，当前主流家居遥控器多采用红外技术，其数据 传输的单向性、有角度范围限制，不能满足家居智能化的需求。蓝牙等无线技 术存在网络容量小，功耗高，价格高等缺点。为解决上述问题，本文设计一个 能在未来家庭中自由自在地控制智能家居设备和监测家居环境、可直接与用户 交互的Z i g b e e 技术的家居遥控器。 本文首先分析了智能家居及家居遥控器发展的国内外现状。然后通过对目 前家庭所采用的几种主流短距离无线通讯技术进行分析比较，选择Z i g b e e 作为 本课题的无线通信技术。接下来详细阐述了家居遥控器的硬件平台设计原理， 采用$ 3 C 2 4 4 0 A 嵌入式微处理器作为主控芯片，剪裁并移植L i n u x 和Q t E m b e d d e d 作为软件开发环境。然后重点对遥控器应用软件中主要的软件模块，人机交互 界面、命令装配模块、协议解析模块和无线收发模块，以及通讯机制和多线程 技术进行了详细的论述。在对无线通信协议进行分析的基础上，提出了一套无 线家居控制和监测网络的基本通信协议，实现了遥控器与控制中心以及环境变 量传感器之间的通信。 最后，本文对所研发的系统在实验室搭建的智能家庭网络中进行了测试， 验证了对电动窗帘、电灯的控制功能和安防系统的设置功能，Z i g b e e 传感器家 居环境系统的监测功能，包括温湿度、烟度、C O 和甲烷等终端节点，达到了预 期的目的。对需要进一步研究的问题进行了讨论，本系统所研究的软硬开发平 台以及实现过程和方法，可为后续的研究和功能拓展奠定基础。 关键词：智能家居，遥控器，嵌入式L i n u x ，Z i g b e e 技术，Q t E m b e d d e d A b s t r ac t W i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n gl i v i n g s t a n d a r d s ，t r a d i t i o n a lh o m ea p p l i a n c e sc o u l d n tm e e tt h ed e m a n d so fm o d e m f a m i l i e s ，a n ds m a r th o m eC a np r o v i d ep e o p l em o r es e c u r e ，c o m f o r t a b l ea n dh e a l t h y l i v i n ge n v i r o n m e n t N o w a d a y s ，a s n e c e s s i t i e so fd a i l yl i f e i n t e l l i g e n th o m e a p p l i a n c e sh a se n t e r e dt h eh o u s e h o l da n de n h a n c e dp e o p l e Sq u a l i t yo fl i f eh e a v i l y I tC a nb es a i dt h a ti n t e l l i g e n th o m ew i l lb ea l li n e v i t a b l et r e n di nf u t u r e I nt h eS m a r tH o m es y s t e m ，t h es m a r te q u i p m e n t so fh o m en e t w o r k a r e c o n t r o l l e da n dm o n i t o r e db yr e m o t ec o n t r o l s W i t ht h ef u t u r eo ft h es m a r th o m e a p p l i a n c es p e c i e sf a m i l yi ti si n e v i t a b l et h a tm a n y m o r er e m o t ec o n t r o l s ，u s i n gt h e p h e n o m e n o no fc o e x i s t e n c et o u s e r su p 仃o u b l e ，u s es m a r th o m ea p p l i a n c ea n y i n c o n v e n i e n c e M o r e o v e r , c u r r e n tm a i n s t r e a mh o m er e m o t ec o n t r o lu s i n gi n f r a r e d t e c h n o l o g y , i t sm o n o d i r e c t i o n o fd a t at r a n s m i s s i o n ，A n g l er a n g el i m i t sa n d s u s c e p t i b l e c o n t r o l s i g n a l c a n n o tm e e tt h ed e m a n do fi n t e l l i g e n th o m e A n d B l u e t o o t hw i r e l e s st e c h n o l o g i e sa r ew i t hs m a l ln e t w o r kc a p a c i t y , h i g hp o w e r c o n s u m p t i o n ，h i g hp r i c e se t cs h o r t c o m i n g s I n o r d e rt os o l v ea b o v ep r o b l e m s ，t h i s p a p e ra d o p t se m b e d d e dt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gZ i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n d h a n d h e l dm o b i l e t e r m i n a lt e c h n o l o g y , d e s i g naw i r e l e s sh o m e r e m o t ec o n t r o lw h i c hC a nc o n t r o la n dm o n i t o ra l ls m a r th o u s e h o l de q u i p m e n t si n f u t u r ef a m i l i e sf r e e l y F i r s tt h i sa u t h o ra n a l y z et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o no f s m a r th o m e a n dh o m er e m o t ec o n t r o l ，a n dt h e nc o m p a r e da n da n a l y z es e v e r a lm a j o rs h o r t - r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yu s e di nc u r r e n th o m e s ，s e l e c t e dZ i g b e e w i r e l e s sa st h em a i ns u b j c o t T h e ne l a b o r a t e dd e s i g np r i n c i p l eo fh o m er e m o t e c o n t r o lo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，u s i n ge m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r $ 3C 2 4 4 0 Aa st h e m a s t e rc h i p ，c u ta n dt r a n s p l a n t e dL i n u x a n dQ VE m b e d d e d 觞s o f t w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t A n dt h e nf o c u so nt h em a i nr e m o t ec o n t r o la p p l i c a t i o ns o f t w a r e m o d u l e s ，i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，o r d e ra s s e m b l ym o d u l e ，t h ep r o t o c o la n a l y s i sm o d u l e a n daw i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l e s ，a n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m s a n d m u l t i t h r e a d i n gt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e di n d e t a i l I nt h ea n a l y s i so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nas e to fw i r e l e s sh o m ec o n t r o la n dm o n i t o r i n go f t h eb a s i cn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i m p l e m e n t st h er e m o t ec o n t r o la n dt h e c o n t r o lc e n t e ra n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h es e n s o re n v i r o n m e n tV a r l a b l e F i n a l l y ，w eh a v et e s t e do u ri n v e n t e ds y s t e mi nt h es m a r th o m en e t w o r Ko f 1 a b o r a t o r i e sb u i l d ，v e r i f i e dt h ec o n t r o l f u n c t i o na n ds e t t i n gf u n c t l o no fe l e c t r i c c u r t a i n s ，l i g h t sa n ds e c u r i t ys y s t e m ，t h em o n i t o r i n gf u n c t i o no f Z i g b e es e n s o rh o m e e n v i r 0 I u n e n ts y s t e r n ，i n c l u d i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ，s m o k e ，C Oa n d m e t h a n e e t ct e 咖i n a ln o d e s ，a c h i e v e dt h ee x p e c t e dp u r p o s e A l s ow eh a v ed i s c u s s e d t h e a u e s t i o n sn e e df u r t h e r r e s e a r c h T h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m o fs o f t w a r e a n d h a r d w a r ea n dt h er e a l i z a t i o no ft h ep r o c e s sa n dm e t h o d sw e h a v er e s e a r c h e di nt h i s a r t i c l ec o u l db et h eb a s i sf u n c t i o ne x p a n s i o nf o rs u b s e q u e n t r e s e a r c n K e yW o r d s ：S m a r tH o m e , C o n t r 0 1 1 e r , E m b e d d e d L i n u x ，Z i g b e e , Q t E m b e d d e d 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要I A B S T R A C T I I 目录I V 第一章绪论1 1 1 智能家居概况l 1 2 智能家居网络的现状l 1 3 家居遥控器的现状3 1 4 选题的研究目的与意义。4 1 5 本文的主要工作及论文的内容安排5 1 5 1 本文的主要工作5 1 5 2 论文组织结构6 1 6 本章小结6 第二章Z I G B E E 技术与遥控器无线的选择7 2 1Z i g b e e 技术简介7 2 2Z i g b e e 各层协议规范8 2 2 1 物理层( P H Y ) 8 2 2 2 媒体访问控制层( M A C ) 9 2 2 3 网络层1 0 2 3Z i g b e e 的组网与拓扑结构。n 2 3 1Z i g B e e 的网络配置n 2 3 2Z i g b e e 网络的拓扑结构1 1 2 4Z i g b e e 的应用2 4 2 5 家居控制器无线方案的选择1 4 2 5 1 几种近距离无线通信技术的介绍l s 2 5 2 系统无线方案的选择1 6 2 6 本章小结1 8 第三章家居遥控器总体设计1 9 3 1 家居遥控器与家庭网络的拓扑结构1 9 3 1 1 智能家居的网络拓扑结构1 9 3 1 2 智能家居系统的结构模型1 9 l V 重庆邮电大学硕士论文目录 3 1 3 智能家居控制中心2 1 3 3 4 终端节点2 1 3 2 家居遥控器基本功能2 2 3 2 I 家居遥控器的功能2 2 3 2 2 家居遥控器的设计特点2 3 3 3 家居硬件平台2 4 3 3 1 家居遥控器的硬件结构框图2 4 3 3 2 遥控器主处理器的选型2 4 3 3 3S D R A M ( 数据存储器) 2 6 3 3 4F l a s h ( 程序存储器) 2 7 3 3 5L C D 接口。2 7 3 3 6 串口电路2 8 3 3 7 无线z i g b e e 模块2 9 3 4 家居控制和监测网络的通信协议2 9 3 4 1 帧格式3 0 3 4 2 通信帧类型。3 l 3 4 3 通信帧格式中数据位的说明3 1 3 5 本章小结3 3 第四章家居遥控器的实现3 4 4 1 家居遥控器软件环境建立3 4 4 1 1 开发平台的硬件连接3 4 4 1 2 移植L I M 操作系统3 5 4 1 3Q t E m b e d d e d 的图形用户界面的移植3 7 4 2 本系统软件架构3 9 4 2 1 家居遥控器应用程序的模块结构3 9 4 2 2 家居遥控器事务流程4 0 4 3 主要功能模块实现4 2 4 3 1 人机交互界面4 2 4 3 2 命令装配模块4 4 4 3 3 协议解析模块4 6 4 3 4Q t 串口传输模块4 8 4 4 程序中的通讯机制5 0 4 5Q t 多线程技术s l 4 6 本章小结5 3 V 重庆邮电大学硕士论文目录 第五章系统功能测试5 4 5 1 测试环境和目标。5 4 5 2 测试过程和结果5 5 5 3 本章小结5 9 第六章结论与未来工作6 0 6 1 研究总结。6 0 6 2 未来的工作6 0 参考文献6 3 攻读硕士学位期间从事的科研工作及发表的论文6 5 V I 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 智能家居概况 第一章绪论 智能家居系统是利用计算机、嵌入式、网络通信和综合布线技术，通过家庭信 息管理平台将与家居生活有关的各种子系统( 如安防系统，家电控制，照明系统等) 有机地结合的一个系统。要实现这个系统，首先要在一个家庭中建立一个通信和控 制网络，为家居信息提供交互，在家居控制终端的控制下，通过相应的硬件和执行 机构，实现对所有家庭网络上的通知设备的控制和监测。其次，需要一个智能家居 网关，构成与外界的通信通道，以实现与家庭以外的世界交流信息，满足远程控N 监测和交换信息的需求。最后，需要大量的家庭智能化设备和产品，符合人们丰富 多彩的需求。智能家居的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、高效和人性化服 务的需求。 世界上第一幢智能建筑1 9 8 4 年在美国康涅迪格州哈特佛市出现，全世界争相建 造智能家居的序幕也从此揭开。智能家居怎样做到实用、高效、人性化，真正提高 人们的生活品质，这是智能家居的发展方向。2 0 0 6 年被I T 行业称为智能家居的元年， 此年8 月2 5 日在北京召开的“国际智能家居高峰论坛会议，智能家居领域的专家学 者们云集一堂，共同探讨未来家居智能化发展的方向【2 J 。在论坛上，专家们介绍说， 智能家居、智能建筑以现代建筑为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自 动化，集系统、结构、服务、管理为一体，以计算机为核心，通过通信网络为支撑， 综合运用了现代控制技术等多种技术，将消防报警、安全防范、宽带、中央空调、 综合布线等系统融为一体，为住户提供高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境 【l 】【2 】 o 目前我国建筑总面积已经超过4 0 0 亿平方米，预计至U 2 0 2 0 年将新增建筑面积3 0 0 亿平米，其中智能家居建筑的产值将在1 2 万亿元。当前智能家居主要是高端市场， 在今后几年里将逐步进入中低端市场，从东部市场走向中西部市场。家居智能化将 逐步成为电子信息领域的支柱产业。我们应该借助智能家居产业大发展的东风，响 应“节能减排、绿色建筑、智能建筑“ 住宅设计的要求，及时开展这项对人类未来 影深远的科学技术的研究，对国家社会和经济将有重大的意义。 1 2 智能家居网络的现状 智能家居网络从数据通信的功能上来划分可以分为家庭数据通信网络和家庭控 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 制网络两种。在这里我们的主要研究是基于简单、低速率、短距离的控制和互联功 能的控制网络的研究，不考虑专用的高速率大数据量的家庭数据通信网络。控制网 络中一般有大量的节点设备，而这些受控设备的节点控制模块使用电池供电，又要 具备网络和通信能力，所以成本和功耗是组建家庭控制网络中最为突出的两个要素 7 1 。家庭无线控制网络需要的是低成本、低功耗、协议简单、可靠性高的标准。智 能家居网络主要完成家居中的功能如下表所示。 表1 1 智能家居网络功能表 家庭数据通信网络家庭控制网络 互联网( 电脑)灯光照明控制 电信网( 电话)家居环境监测 电视网( 电视)家居安防 多媒体家居设备通信( m p 3 、P D A ) 家庭应急功能 1 传统智能家居控制网络的特点 传统的智能家居控制网络比较多采用有线技术的方式来组建的，目前国际上用 于智能家居网络中占主导地位的标准有，X - 1 0 、C E B u s ( C o n s u m e rE l e c t r o n i c sB u s ) 、 L o n W o r k s 、K N X E I B ( E u r o p e a nH o m eS y s t e m ) 、C A N B u s 、E t h e m e t 等u J 。X - 1 0 电力 载波技术是智能型家庭网络系统中采用最广泛的技术，主要是因为价格便宜，但是 它抗干扰能力差，只支持开关量等简单的电器设备；C E B u s 和L o n W o r k s 品质和性能 都要比X 1 0 更为优秀，但偏高的售价却导致难以普及，L o n W o r k s 目前的主要市场还 是在工、商业界，而且需要专业人员协助安装【1 6 1 。A B B 等七家欧洲电气产品制造商 为核心组成联盟制定了E I B 技术标准，它在应用范围广成为欧洲事实上的标准。但 是E I B 并不适合与网络家电相互连接，对电器的控制能力较弱。C A N B u s 主要用于自 动化工业控制场合，技术发展已经比较成熟。E t h e m e t 是适合高速数据传输的网络标 准，受到电缆布线的限制不适合家庭控制网络的应用。 上述传统智能家居控制系统中的一些技术发展已经相对比较成熟，而且在智能 家居行业中已经具有一定的标准性和通用性，但普遍的存在以下缺点：增减设备需 要重新布线，并且影响美观；系统的可扩展性差，安装和维护的成本高，可移动性 能差。 2 选择智能家居控制系统的主要考虑因素 通过以上的讨论，目前智能家居控制网络领域存在着一些不足之处，从技术发 展和实际使用的角度来考察设计中要考虑的因素。家居数据通信网络需要的是高速 率、高通信质量、远距离的通信技术，而家庭控制网络的核心功能目标的要求是不 一样的，它主要实现家庭内部的控制功能和简单的家居设备交互功能。家庭控制网 络需要的是低成本、低速率、短距离的控制手段，它需要的是能够提供安装便捷， 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 协议简单的组网方式。所以在家居网络中，需要考虑以下五个因素： 1 ) 低成本：家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家居设备和传感器终端节 点，为了市场的推广，这种较大规模的网络需要一个低成本的组网技术： 2 ) 低功耗：由于家庭控制网络中的部分节点都是采用电池供电的，所以必须保 持较低的功耗，以尽量延长电池的使用寿命，一个需要频繁更换电池的智能家居网 络是没有任何意义的； 3 ) 安装方便：不能因为需要重新布线等方式，不会影响美观，充分体现智能家 居的现代化，智能化。 4 ) 操作简便：用户能方便快捷地对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各 种家居设备的自组织和系统工作显得非常重要； 5 ) 可扩展性：目前智能家居设备的使用是日新月异，对功能的要求也成多样性， 需要能够方便地进行软件升级和功能扩展； 1 3 家居遥控器的现状 家居遥控器，顾名思义，就是一种通过无线技术对家庭网络中的家居电器进行 控制的设备。时至今日，家居遥控器已经在生活中得到了越来越广泛的应用，给人 们的生活带来了极大的便利。 随着科学技术的进步，现代的家居遥控器也扩展到了许多种类，目前主流的家 居遥控器，有用于传统家电的红外线遥控器，基于嵌入式无线技术的P D A 和用于移 动通信的手机三类，可以采用的无线技术主要有I r D A 、蓝牙( B l u e t o o t h ) 、H o m e R F 、 G P R S 和Z i g B e e 等。它们各有不同的优势，应用的范围和角度也有所区别。下面简要 的介绍这三类遥控器，并对其优缺点进行讨论。 1 ) 红外线遥控器( I n f r a r e dr e m o t ec o n t r 0 1 ) 传统家电的红外遥控器一般都采用红外线遥控方式，实现家庭生活中传统家电， 如电视、冰箱、空调等点对点的控制。红外线遥控器是利用波长为8 5 0 n m 一- 9 0 0 n m ( 红外数据协会，I R D A ) 之间的电磁波来传送控制信号的遥控设备。此电磁波频率 高于微波而低于可见光，是一种人眼看不到的红外线。 红外遥控的结构简单、体积小、功耗低、成本低及使用简单等优点，它广泛应 用在近距离( 小于1 0 米) 的室内家用电器遥控器中。红外遥控器需要对接才能传输 信息，不干扰其它电器设备，安全性较强。由于数据传输采用红外线，不受电磁干 扰，编解码容易，可实现多路遥控。但是，红外通信距离短，通信过程中不能移动， 无法穿透障碍物，其使用范围受到了很大的限制。另外，红外通信技术主要目的是 取代有线连接进行的无线数据传输，其功能单一且扩展性很差。因此，红外遥控在 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 现今智能家居领域应用较少。 2 ) 手机( M o b i l ep h o n e ) 手机也可以作为智能家居系统的遥控器，可以通过蓝牙模块实现对智能家居设 各的控制，也可以通过移动通信技术，如G P R S 远程的控制家庭中的电器设备 3 1 。 智能化、移动化和P D A 化是当今的手机在智能家居系统里的发展趋势。借助手 机现有的软硬件平台，可以方便快捷地设计出符合要求的家居遥控器 5 1 。其外观美 观，用户操作也很方便，目前国内智能手机用户有2 8 亿，市场普及率高。但是现有 的智能手机平台具有多种标准，标准的不统一影响了其开放性，加大了开发的工作 量，如针对不同的手机平台( A n d r o i d 、S y m b i a n 、W m d o w sM o b i l e 等) 需要开发不 同的应用软件。手机也需要通过G P R S 等电信专用网络，可拓展性差，并且利用电 信网络通信存在信号衰减和噪声问题，开放性、可靠性、系统性等方面都存在不足 之处。 3 ) 个人数据助理( P e r s o n a lD i g i t a lA s s i s t a n t , P D A ) 个人数据助理( P D A ) 集中了娱乐，通信，智能控制和网络等多种功能，特别 是采用无线通信技术之后，使之更加便携、方便。P D A 因为设计的灵活性，可以采 用I r D A 、蓝牙( B l u e t o o t h ) 、H o m e R F 和Z i g B e e 等无线通信技术，不但可以实现对家庭 生活中家居设备的单向控制功能，而且可以和智能家居设备进行信息交互，如采集 家居环境变量，查询智能家居设备状态信息等。 基于嵌入式技术的无线P D A 与以上两种方式相比，具有大小适宜、便于携带、 界面友好、可移动性强，使用方便，网络可兼容性好等优点。特别是采厍J Z i g b e e 作 为其无线通信技术，使家居遥控器又具有功耗低、可靠性高、成本低、时延短、网 络容量大等优点。从目前智能家居设备的特征分析来看，智能家居通信多数属于信 号量少的监测控制信号，而少数数据量大的电器( 电脑、电视、电话等) 一般都有专 用线路。基于Z i g b e e 技术的P D A 作为智能家居遥控器，既可以成为有线控制系统的 延伸，其功能具有可拓展性，也可以实现有线和无线结合的通信方式，是智能家居 遥控系统的发展方向。结合用户要求和未来发展趋势，采用P D A 为家居遥控器为宜。 1 4 选题的研究目的与意义 本文研究分析了智能家居及家居遥控器发展的国内外现状，采用结合嵌入式系 统、Z i 曲e e 无线通信技术以及手持移动终端技术，设计一个能够在家庭网络中控制 所有智能家居设备，监测环境变量的，可直接与用户交互的可视化嵌入式家居遥控 器。该课题设计家居遥控器的硬件平台，采用$ 3 C 2 4 4 0 A 嵌入式微处理器作为主控芯 片，剪裁并移植L i n u x 和Q t E m b e d d e d 作为软件开发环境。在此基础之上，设计与完 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 成了遥控器的人机交互界面和应用软件。提出了一套家居控制和监测网络的基本通 信协议，实现了遥控器与控制中心以及环境变量传感器之间的通信。 随着未来家庭中智能家居设备种类的增多，多种遥控器并存、操作复杂化的现 象，给用户使用智能家居设备带来不便。而且，当前用于家居遥控器无线通信存在 着交互性能差、通信距离短、网络扩展能力有限等缺点。本文设计的家居遥控器能 很好地解决上述问题。今后几年是智能家居遥控器大力发展年，国内外众多公司和 研究机构正致力于这方面的研究和应用。 1 5 本文的主要工作及论文的内容安排 1 5 1 本文的主要工作 鉴于对现在智能家居控制系统的硬件平台和操作方式的不足，本课题提供了一 种使用Z i g b e e 技术和嵌入式技术的可移动智能家居遥控平台家居遥控器，方便 对家庭网络中的智能家居设备进行控制和监测。用户通过家居遥控器自由的发送控 制命令，从而实现了真正的无线智能化。 本文的主要工作包括以下几个部分： 1 智能家居中Z i g b e e 无线技术研究 通过对智能家居中无线技术的研究与分析，特别对Z i g b e e 技术进行了深入的研 究，最终选择Z i g b e e 无线技术作为此家居遥控器的通信技术。 2 家居遥控器嵌入式硬件的选型和平台的搭建 家居遥控器是一款可移动可视化的嵌入式设备，为了满足便携、智能、高效等 特性，需要设计出符合要求的硬件开发平台。在本文的研究中，采用了无线、触摸 屏等时尚设计，此硬件系统还包括高性能的嵌入式处理器、大容量F l a s h ( 便于功能 本章首先对目前智能家居发展的概况做了简单的介绍，并对智能家居网络分类 和现状进行了分析。接着介绍了智能家居的遥控技术，并重点说明了研究和实现无 线家居遥控的必要性，最后归纳了本文的主要研究内容和论文的组织结构。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章Z i g b e e 技术与遥控器无线的选择 第二章Z i g b e e 技术与遥控器无线的选择 2 1Z i g b e e 技术简介 I E E E 8 0 2 1 5 4 标准是针对低速无线个人区域网络( 1 0 w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，简称L R - W L A N ) 而制定的。该标准为廉价的移动设备使用的简单、低功 耗、低成本、低速率的无线连接技术。Z i g b e e 是这种技术的商业化命名。Z i g b e e 技 术将主要用于消费性电子产品、家庭和楼宇自动化设备、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，以及支持小范围的基于无线通信的控制和自 动化等领域 4 1 。 Z i g B e e 技术的主要具有以下的一些特征： 1 ) 数据传输速率低：数据传输有2 5 0 k b s ，4 0 k b s ，2 0 k b s = 种速率，专注于低速 率传输数据的应用； 2 ) 功耗低：Z i g B e e 的网络节点设备工作周期短、收发信息功耗低，并采用了休 眠模式，所以z i g B e e 技术特别节能。在低功耗待机模式下，两节普通的5 号干电池可 使用6 个月到2 年，免去了频繁的更换电池或充电的麻烦，从而减轻了网络维护的负 担； 3 ) 可靠性好：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，并且M A C 层采用了完全确认的数据传输 模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此从根本上保证了数据 传输的可靠性； 4 ) 成本低：因为Z i g B e e 数据传输速率低、协议栈设计简练，且z i g b e e 协议是免 收专利费，加上众多芯片厂家设计的更为便宜的应用产品，所以大大降低了它的研 发和生产成本； 5 ) 组网灵活：Z i g b e e 可以组成星形，树形，网状拓扑结构，组网灵活。 6 ) 网络容量大：单个Z i g b e e N 络最多可支持2 5 5 台设备，1 个区域内最多可以同 时存在10 0 个Z i g B e eN 络，最大可连接近6 4 7 7 0 台设备； 7 ) 时延短：Z i g B e e 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，搜索设备、休眠激活和活动设备停产接入通常的时延都在1 5 毫秒 至3 0 毫秒之间； 8 ) 覆盖范围小：有效覆盖范围为1 0 - - - 1 0 0 米之间，基本上能够覆盖一般的家庭 或办公室环境； 9 ) 工作频段灵活：使用的频段分别为北美2 4 G H z 和8 6 8 M ，欧洲9 1 5 M H z ，都 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章Z i g b e e 技术与遥控器无线的选择 为免执照频段。 1 0 ) 安全：Z i g b e e 提供了基于C I 汇的数据包完整性检查功能，支持认证和鉴权， 加密算法采用A E S 。1 2 8 ，并且各个应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能 够得到有效的保障1 4 ； 2 2Z i g b e e 各层协议规范 Z i g b e e 协议栈架构，是基于标准开放网络互联( O S I ) 七层协议模型，相对于其 他常见的无线协议标准，Z i g b e e 协议栈具有紧凑且简单的特点，并且对环境配置要 求不高。在Z i g B e e 技术中其体系结构由一组称为层的块儿组成。每一层负责完成所 规定的任务，并向上层执行提供指定的服务。每个服务实体通过一个服务接入点 ( S A P ) 为上层提供一个接口。Z i g B e e 技术的体系结构主要由物理层( P H Y ) 、媒体 访问控制层( M A C ) 、网络层( 粼) 和应用层( A P L ) 组成。图2 1 为其各层之间 分布。其各层之间的组成如下图所示。 | | ；应只层c 觚? I_!i；| 已篡罂一 硇b 沧协议 隧忍荔蕊貔毵i 彩。藏荔舷， 妊蹈赫貔勰菇瓣，嗣 I 媒体访问控制层 i 艮( M A C )。I 诅I E E E lj；0 2 15 4 |； 物理层( P H Y ) 羁 图2 1Z i g b e e 协议结构 从图中可以看出，Z i g b e e 协议栈比较简单，其中物理层和媒体访问控制层采用 I E E E8 0 2 1 5 4 协议标准，Z i g b e e 技术联盟定义了网络层和应用层。 2 2 1 物理层( P I ) 物理层规范定义了物理信道的工作频率，信号调制方式以及物理无线信道和 M A C 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从 无线物理信道上收发数据，物理层管理实体( P L M E ) 负责维护一个由物理层相关 数据组成的数据库。基于z i g a e e 技术的家居智能控制系统设计物理层数据服务包括 以下几个方面的功能1 4 ： 1 ) 射频收发器的激活和休眠； 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章Z i g b e e 技术与遥控器无线的选择 2 ) 在已有信道上的能量检测( E n e r g yD e t e c t ，E D ) ； 3 ) 检测接收数据包的链路质量指示( L i n kQ u a l i t yI n d i c a t i o n ，L Q I ) ； 4 ) 信道频率选择； 5 ) 空闲信道评估( C l e a rC h a n n e lA s s e s s m e n t ，C C A ) ； 6 ) 数据传输和接收。 信道能量检测( E D ) 为网络层选择信道提供依据，是网络层信道选择算法中的 一部分。它主要用于测量目标信道中接收信号的功率强度。由于这个检测本身不进 行解码和鉴别操作，所以检测的结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质 量为网络层( N W K ) 或应用层( A P L ) 提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信 息，与信道能量检测( E D ) 不同的是，它要对信号进行解码并生成的是个信噪比 指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一起提交给M A C 层处理1 4 J 。 空闲信道评估( C C A ) 判断信道是否空闲。在I E E E8 0 2 1 5 4 中，至少要用下面 三种空闲信道评估模式中的一种来进行空闲信道评估。1 判断信道的信号能量，当 信号能量低于某一门限值就认为信道空闲；2 通过判断无线