（控制理论与控制工程专业论文）基于zigbee技术的智能家居环境监测系统.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 环境是人类生活与工作的重要物理条件。随着计算机技术、通信技术、控制技术的迅 猛发展与提高，人们对居住环境提出了更高的要求，希望自己居住在一个生活现代化，居 住环境安全化、舒适化的生活空间。智能家居的概念也就在这种理念的驱动下应运而生。 人们希望通过智能家居技术实现家庭设备与住宅环境的智能化管理与监控，使之和谐与协 调一致，从而满足用户对居住环境的需求。 本文以智能家居中的环境监测系统为研究对象，根据智能家居环境监测系统的特点和 目前智能家居系统中存在的缺点，本文设计了一种基于z i g b 无线网络技术的智能家居环 境监测系统。在该系统中，传感器节点可对物理环境信息进行采集，然后将采集到的物理 信息通过无线网络的方式发送到网络中的控制中心节点，控制中心节点再通过串口线将数 据按照规定的格式发往管理中心。为了让用户能够操作本监测系统并显示环境信息，本文 在管理中心上设计了用户操作界面，完成数据的显示与对数据采集的操作。根据本系统的 设计需求，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 综述了当前智能家居环境监测系统采用总线技术，根据其技术的缺点及现有的 几种无线网络技术，本文提出了采用z i g b 无线网络技术的智能家居环境监测系统设计； ( 2 ) 研究了z i g b 技术的发展及现状，针对z i g b 协议栈的各层功能与帧结构作了 详细介绍； 。 ( 3 ) 根据z i g b c c 网络技术的特点，本文设计了基于z i g b 技术的智能家居环境监测 系统，并分别从硬件与软件设计方面对各部分的设计做了详细的介绍； ( 4 ) 为了便于用户对系统的操作与环境数据的显示，本文在管理中心上实现了用户 操作界面设计，用户可通过该界面可完成系统设定与环境信息的显示。 与传统方法相比，该环境监测系统具有免布线、维护方便、扩展性好、精度高、灵活 性好等优点，可容易地运用到实际的应用中。 关键词：z i g b e e ；z s t a c k ；环境监测；智能家居；无线网络 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n ti sa ni m p o r t a n tp h y s i c a lf a c t o rf o rp e o p l e sl i v i n ga n d w o r k i n gc o n d i t i o n w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o c o n t r o l t e c h n o l o g y , p e o p l ea r el o n g i n gf o rb e t t e rl i v i n ge n v i r o n m e n ta n de x p e c t i n gt ol i v ei nas a f e ， c o m f o r t a b l ea n dm o d e r ns e t t i n g u n d e rt h i sr e q u i r e m e n t ，s m a r th o m ei sc o m i n gi n t ob e i n g i ti s e x p e c t e dt h a ts m a r th o m ec o u l dm o n i t o r , c o n t r o la n dm a n a g et h ee n v i r o n m e n ta n dh o u s e h o l d d e v i c e si n t e l l i g e n t l y , s ot h a ti tc a nk e e pt h ee n v i r o n m e n ts u i t a b l ef o rt h e p e o p l et ol i v e t h i st h e s i s sr e s e a r c ho b j e c ti st h ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mi ns m a r th o m e b a s e d o n t h ef e a t u r e so fe n v i r o n m e n tm i n i t o r i n gs y s t e ma n ds h o r t c o m i n g so ft h ec u r r e n tb u s t e c h n o l o g i e s ， t h i sp a p e rp u tf o r w a r d sak i n do fe n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y f o rs m a r th o m e i nt h i ss y s t e m ，t h es e n s o rn o d e sd e t e c tt h ee n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n ，a n ds e n d d a t at ot h ec e n t r a lc o n t r o ln o d et h r o u g ht h ew i r e l e s sn e t w o r k w h e nr e c e i v i n gad a t ao r i g i n a t e d f r o mt h es e n s o rn o d e s ，t h ec e n t r a lc o n t r o ln o d ew i l ls e n dt h ed a t at ot h em a n a g e m e n tc e n t e r t h r o u g has e r i a lp o r t i no r d e rt op r o v i d eu s e r sw i t hi n t e r f a c e st oo p e r a t et h es y s t e ma n dd i s p l a y t h ei n f o r m a t i o n ，w ed e s i g n e dt h eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e so nt h em a n a g e m e n tc e n t e r b a s e do nt h e d e s i g nr e q u i r e m e n to ft h i ss y s t e m ，t h i st h e s i sh a sd o n ef o l l o w i n gr e s e a r c h e s 1 t h i sp 印e l i n t r o d u c e dt ot h ec u r r e n th o m eb u st e c h n o l o g i e si ns m a r th o m e b a s e do nt h e s h o r t c o m i n g so ft h ec u r r e n te n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mi ns m a r th o m ea n dc h a r a c t e r so f s o m ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，ak i n do fe n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e e t e c h n o l o g yw a sp u tf o r w a r d s 2 w ed i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to fz i g b e et e c h n o l o g y , a n dg i v ed e e pi n s i g h ti n t ot h e f u n c t i o n sa n df r a m ef o r m a t so fe a c hl a y e ri nz i g b e es t a c k 3 w ed e s i g n e dt h ep r o p o s e ds y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fz i g b e en e t w o r k s ，a n d g i v ed e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h es y s t e md e s i g nf r o mb e t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 4 i no r d e rt op r o v i d eu s e r sw i t he n v i r o n m e n td a t ai n f o r m a t i o na n do p e r a t i o ni n t e r f a c e s w e d e s i g n e dg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e so nt h em a n a g e m e n tc e n t e r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h i ss y s t e mh a sm a n ym e r i t s ，s u c ha sl e s sw i r i n g w o r k ，e a s ym a i n t e n a n c e ，h i g hp r e c i s i o n ，g o o de x p a n s i b i l i t ya n df l e x i b i l i t y i tc a nb ee a s i l yu s e d i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：z i g b e e ；z s t a c k ；e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；s m a r th o m e ；w i r e l e s sn e t w o r k i n g 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下。独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外。本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：之盔日期：丝吵 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：墟竞 指导教师签名： 雅 日期： 矽哆f - 二 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 本文研究背景与意义 自人类诞生以来，人们都一直致力于自身生活与居住条件的提高与改善。随着人类进 入信息时代，计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术都得到了迅猛的发展与提高， 人们也对居住环境提出了更高的要求，希望自己居住在一个生活现代化，居住环境安全化、 舒适化的生活空间。在这种理念的驱动下，智能家居( s m a r th o m e ) 的概念也就应运而生。 人们希望通过这种技术将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭安防等装置 连接到一个家庭智能化系统上进行集中或异地监视、控制和管理，保持这些家庭设施与住 宅环境的和谐与协调一致【，从而满足用户对居住环境的需求。智能家居系统的结构如图 1 1 所示。 图1 1 智能家居系统结构图 为了提供用户全面、可靠的环境信息，本文以智能家居环境监测子系统为研究对象， 实现对家庭居住环境的实时监测。从图1 1 可看出，环境监测子系统是智能家居系统中其 必不可少的一部分。通过该系统，用户可以实时获知居住环境的信息，如：温湿度、光线 明暗程度、有害气体浓度、火灾信息等。同时，该系统还可将采集到的环境信息作为其他 家庭设备运行时的参数，实现对环境的智能化控制。例如，当采集到的温度信息高于用户 设定的适宜值时，智能家居系统控制管理中心( 以下简称：管理中心) 将控制空调设备运 行，降低室内温度；又如，当湿度值偏低时，管理中心将启动加湿器进行工作，增加室内 湿度。因此，智能家居环境监测子系统是实现智能家居系统功能的重要组成部分与基本条 件，是提供用户安全、舒适、便捷生活的重要手段。设计好环境监测子系统对于构建智能 家居系统和提高用户的生活环境质量具有重要的意义。 1 2 智能家居环境监测系统的特点 智能家居环境监测系统为用户提供全面、可靠的环境信息。为了实现环境监测的全面 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 性、精确性与方便性。一般而言，环境监测系统具有如下特点： ( 1 ) 多对象监测 为了提供全面的环境信息，环境监测系统通常需要对多个对象的进行检测，如：温湿 度、光线强度、有害气体浓度、火灾信息以及非法入侵等。 ( 2 ) 多点监测 由于环境中的被测对象在时间和空间上具有分布不均匀性，同一对象在不同时间和不 同地点具有不同的属性值。为了实现监测的全面性和精度性，有时需要对同一对象进行多 点监测。 ( 3 ) 系统灵活 当增加或减少监测对象或者监测点时，系统需要具有良好的灵活性，实现环境的智能 化处理。 1 3 国内外发展现状与分析 国际上对于智能家居环境监测系统的研究同步于智能家居系统的研究，其主要研究问 题之一是如何采用统一的技术标准来实现家庭各监测设备之间的连接与通信，从而设计出 满足用户需求的环境监测系统。由于各国智能家居行业发展情况不同，家庭总线技术标准 也各异，因此，实现家庭各监测设备之间的连接与通信方式也各有差别。目前，国内外主 要采用的技术方案为有线方式，常用的有线技术标准，如：美国的x l o 和c e b u s ( c o n s u m e r e l e c t r o n i c sb u s ) 、欧洲的e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 、日本的h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) 等。 ( 1 ) x 1 0 x 1 0 是一种国际通用的智能家居电力载波协议。采用这种协议的兼容产品可以通过电 力线实现相互通信，无需重新布线。使用时，控制组件可插入室内不同的电源插座，家庭 其他系统内的设备就可以执行控制命令，整个系统被控制的电器可多达2 5 6 路。目前，许 多国家已将它广泛的应用于家庭安全监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制 和住宅仪表数字读取等方面。 ( 2 ) c e b u s 消费电子总线( c e b u s ) 是美国电子工业协会( e i a ) 的开放标准( e i a 6 0 0 ) ，其目 标是建立一个针对家用电子产品的开放性协议，允许用户以很小的代价实现在系统中加入 新的家电产品，减少家用电子产品设备功能的冗余。1 9 9 7 年，c e b u s 的e i a 6 0 0 正式成为 美国a n s i 标准。消费总线使用五种类型的介质( 电力线、无线、红外、双绞线和同轴电 缆) ，鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，c e b u s 以电力线作为物理层的传输介质，采 用扩频载波( s p e c t r u ms p r e a dc a m e r ) 通讯来实现控制流，其数据传输速率为1 0 k b p s 。c e b u s 同时也得到了i b m 、h o n e y w e l l 、m i c r o s o f t 、i n t e l 、d e m o s y s 、l u c e n t 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、 x l s y n e r g y 等国际著名公司的支持。 ( 3 ) e l b 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 e i b 标准在欧洲被称为e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ，即欧洲安装总线。它是由1 1 0 多个欧 洲电气制造商联合成立的协会组织制定的。该该协议已被美国消费电子制造商协会 ( c e m a ) 吸收作为家庭网络e i a - 7 7 6 标准。e i b 是一个基于事件控制的分布式总线系统。 系统采用串行数据通讯进行控制、监测和状态报告。其数据传输和总线装置的电源共用一 条电缆2 4 v 的直流电源。所有总线装置均通过共享的串行传输连接( 即：总线) 相互交换 信息。数据传输按照总线协议所确定的规则进行，总线的访问需要访问控制，e i b 采用 c s m a c a ( 避免碰撞的载波侦听多路访问协议) 。 ( 4 ) h b s 日本提出的家庭总线系统( h o m eb u ss y s t e m ，简称h b s ) 是在h b s 标准委员会的制 定下成立的智能家居总线标准。h b s 系统由一条同轴电缆和4 对双绞线构成，前者用于传 输图像信息，后者用于传输语音、数据及控制信号。各类家用设备与电气设备均按一定方 式与h b s 相连，这些电气设备既可以在室内进行控制，也可在异地通过电话进行遥控。 除了以上常用的总线技术外，其他的有线总线技术规范还有；c a n b u s 、l o n w o r k s 、 r s - 4 8 5 、e t h e m e t 等。 目前，我国的家庭智能化系统还处于从无到有的初级发展阶段。近几年来，在各大公 司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国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己经积累了很多经验。另外，国内各大电器 厂家也适时推出了自己的智能家居系统与标准，如科龙集团研制的“智能网络家居系统一， 海信的“智能家居控制系统 ，清华同方的“e - h o m e 数字家园 ，方正“卓越3 0 0 0 等。 这些系统都可实现对家居环境的智能监测与安防监控功能。 虽然以上有线技术能够让各个监测设备彼此连接通信，实现对环境的监测与处理。但 根据智能家居环境监测系统的特点，当采用有线技术方案时，它存在如下几个方面的缺点： ( 1 ) 系统布线麻烦。当系统监测对象个数达到一定数量时，对各个监测点分别进行 布线将是一份繁重的工作； ( 2 ) 安装与维护成本高。在系统安装时，除了需要购买安装线缆外，还需购买额外 的安装建材。当用户要增加或减少系统部分硬件功能时，需要专业施工人员才能完成； ( 3 ) 系统可扩展性差。增加或减少新的监测对象必将要求系统具有良好的软件与硬 件扩展性。硬件可扩展性是有线技术方案的主要技术难点之一。 ( 4 ) 移动性差，影响美观。过多的走线必将影响系统的移动性与建筑的美观性。 针对以上缺点，选择无线网络技术实现环境监测系统的设计将是一种必然的发展趋 势。无线网络不仅可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力， 而且还能整合现有系统资源，充分利用系统已有的各项功能，提供更实用、易用、人性化、 智能化的服务，全面提升家居智能化的水平，体现智能家居的发展方向。 1 4 典型无线网络技术介绍 随着无线技术的发展，网络化、标准化要求逐渐呈现在人们的面前。因此各种无线网 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 络技术标准纷纷被制定出来【8 1 。下面介绍几种典型短距离无线网络技术。 1 4 1 z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网 络技术，它是一组基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面 的通信技术。它有自己的无线通信标准，可在数千个微小的节点之间相互协调实现通信。 这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节 点，它们的通信效率非常高。z i g b e e 技术具有以下几个显著特点： ( 1 ) 节点功耗低。节点的收发距离短，所需功耗低。另外，z i g b e e 技术配合芯片采 用了多种节能工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6 个月到1 年半左右的使用时间； ( 2 ) 网络的自组织强。z i g b e e 具有自组织功能，网络节点工作无需人工干预，并能 够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络； ( 3 ) 网络容量大。一个z i g , b e e 网络可容纳多达6 5 ，0 0 0 多个节点，每个节点可以容纳 最多2 5 4 个从设备，一个区域内可以同时存在2 0 0 多个z i g b e e 网络； ( 4 ) 时延短。典型搜索设备时延为3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入 时延为1 5 m s ( 5 ) 开发成本低。由于网络协议简单，开发时间成本较低，而且z i g b e e 协议免除专 利费，z i g b e e 的工作频率采用i s m 频段，选择灵活。同时，各大半导体公司也设计出了适 合z i g b e e 技术规范的芯片，价格较低廉。 1 4 2 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是由爱立信公司于1 9 9 4 年首先提出的一种短距离无线通信技术规范， 这个技术规范是使用无线连接来替代已经广泛使用的有线连接。它作为一种小范围无线连 接技术，能够在设备间实现方便快捷、灵活安全的数据和语音通信，是目前实现无线局域 网的主流技术之一。 蓝牙无线技术采用了跳频技术，使用全球通用的2 4 g h z 频带进行通信，以确保能在 世界各地广泛使用，具有较高的抗干扰能力和安全性能。蓝牙的最高速率为1 m b p s ，有效 通信距离一般为1 0 米。然而使用蓝牙技术实现无线通信，需要专门的蓝牙芯片来实现， 而且，蓝牙协议栈的大小在6 0 1 5 0 k b 左右，协议的复杂度大，同时对内存资源的需求也 较大。 1 4 3w i - f i 技术 w i f i 是i e e e 定义的一个无线网络通信的工业标准( i e e e8 0 2 1 l x ) 。它定义了介质访 问接入控制层( m a c 层) 和物理层。物理层定义了工作在2 4 g h z 的i s m 频段上的两种无 线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2 m b s 。两个设备之间的通信 可以按自组织网络( a dh o c ) 的方式进行，也可以在基站( b a s es t a t i o n ) 或者访问点( a c c e s s p o i n t ) 的协调下进行。1 9 9 9 年增加了两个补充版本：8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 l b 。8 0 2 1 l a 定义了 一个在5 g h z 的i s m 频段上的数据传输速率可达5 4m b s 的物理层；8 0 2 1 1 b 定义了一个 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 在2 4 g h z 的i s m 频段上且数据传输速率达1 1m b s 的物理层，但8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 无法 兼容。 w i f i 的射频和基带协议比较复杂，实现成本高，同时w i - f i 的硬件实现需要较大的容 纳空间，它的平均功耗在i w 左右，无法满足要求低功耗技术的应用。 1 4 4 红外线数据通信 红外通信技术是通过红外光进行点对点的传输数据技术其数据传输速率已从 115 2 k p b s 发展到4 m b p s 、16 m b p s 。目前，支持该技术的软硬件技术都很成熟，在小型移 动设备( 如p d a 、手机、笔记本电脑) 上已经被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、 功耗低、连接方便、简单使用、成本低的特点。 由于红外光线沿直线传输、易受遮拦，通信范围短( 1 - 3 m ) ，收发装置的光路夹危要 求在一定的范围内，且只支持点对点通信，因此，该技术很少用于无线网络的设计中。 1 4 5超宽频技术( 啪) u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在1 0 m 以内， 使用1g h z 以上带宽，通信速度可以达到几百m b p s 以上。u w b 不采用载波，而是利用 纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、 近距离的无线个人通信。f c c 规定，u w b 的工作频段范围从3 1g h z 到1 0 6g h z ，最小 工作频宽为5 0 0 m h z 。其典型的技术优势在于传输速率高、发射功率低、保密性强，然而 它自身也存在通信技术的不足，如u w b 系统占用的带宽很高，系统可能会干扰现有其他 无线通信系统；另外，由于其调制时脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，这甚 至会影响到民航等许多系统的正常工作。 1 4 6 近距离无线传输( n f c ) 近距离通讯技术n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) ，是类似于“非接触式射频识别 ( r f d ) 的短距离无线通信技术，与r f i d 不同，n f c 采用了双向的识别和连接，在2 0 e m 距离内工作于1 3 5 6 m h z 频率范围。n f c 通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据， 识别工作无须人工干预，任意两个设备( 如移动电话) 接近而不需要线缆接插，就可以实 现相互间的通信，可以满足任何两个无线设备间的信息交换、内容访问、服务交换，为所 有消费性电子产品提供了一个极为便利的通讯方式。然而，由于其数据收发距离短，在实 现智能家居无线网络技术方面，它不能作为主要的技术手段。 根据以上对目前多个无线网络技术的介绍和分析，本文将选择z i g , b e e 无线网络技术作 为智能家居环境监测系统的解决方案。 1 5 本文研究内容及创新点 1 5 1 本文主要研究内容 本文以智能家居系统中的环境监测为研究背景，采用z i g b e e 无线网络技术作为数据传 输平台，将各传感器节点采集到的环境信息通过z i g b e e 网络汇聚到网络中的控制中心节 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 点，该控制中心节点再通过串口发送数据到智能家居系统中的管理中心。管理中心可根据 接收到的数据进行处理，并通过家庭总线系统与其他电器设备进行关联操作，实现家庭环 境的监测与管理，从而为家庭成员提供安全、舒适、温馨的生活环境。 根据以上介绍，本文主要的研究内容如下： ( 1 ) z i g b e e 协议介绍。详细介绍了z i g b e e 协议中各层的结构与数据格式，并重点介 绍了各层中重要环节； ( 2 ) 设计了基于z i g b e e 技术的智能家居环境监测系统中的控制中心节点，路由器节 点与传感器节点电路。在控制中心节点中，本文实现了电源、串口通信、l c d 、按键、p c b 天线电路的设计。在传感器节点中，本文针对不同的监测对象，选择了不同类型的传感器 进行数据采集；同时，为了降低系统的电源消耗，本文在传感器节点上设计了电源管理电 路，实现对电源的节能管理，提高了系统的能量利用率； ( 3 ) 根据环境监测系统需求，本文制定了数据通信格式标准，便于为以后系统的进 一步扩展做好铺垫； ( 4 ) 为了方便用户使用该系统，本文还设计了上位机用户操作界面。通过该界面， 用户可以直观地操作该系统，并获取环境信息。 1 5 2 本文工作的创新点 本文设计了基于z i g , b e e 技术的智能家居环境监测系统，可实现对家庭环境的信息的监 测与显示。本文工作的创新点如下： ( 1 ) 本系统采用z i g b e e 无线网络技术作为智能家居环境监测系统的数据传输平台， 可以实现监测点的任意放置，系统组织灵活： ( 2 ) 本系统采用z i g b e e 技术作为智能家居环境监测系统的解决方案，可以实现对环 境中的多个物理对象进行单点或多点采集的功能；同时，网络中监测对象与监测点的个数 还可根据用户的实际需要进行增减，不同对象的监测数据也可在同一网络中进行计算、处 理与传输，系统的自适应性与兼容性好； ( 3 ) 在本系统中，为了减少传感器节点的能耗，本文设计了电源管理电路。它可降 低系统的功耗，延长节点的使用周期； ( 4 ) 本系统的用户操作界面友好，用户可以直观、方便、轻松地实现对环境的监测 操作。 1 6 本文的组织结构 本文内容组织结构安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了本文的研究背景与意义，以及智能家居环境监测系统的技 术现状。通过分析现有技术的缺陷以及比较目前几种短距离无线通信技术的特点，本文选 择z i g b e e 无线网络技术作为智能家居环境监测系统的解决方案。另外，本章还对本文的研 究内容与组织结构安排作了介绍； 第二章：z i g b e e 技术介绍。详细介绍了z i g b e e 技术的特点，另外还针对z i g , b e e 协议 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 规范中的每一层做了分析与介绍； 第三章：基于z i g b e e 技术的智能家居环境监测系统的整体设计介绍。根据环境监测系 统的功能需求，设计了本系统的架构。另外，本章还分别对系统的软硬件设计提出了设计 要求，这为下一步的硬件设计和软件设计提供了指导思想； 第四章：系统硬件设计。详细介绍了控制中心节点、路由器节点以及传感器节点的电 路设计，针对不同类型的传感器设计了信号处理电路。同时，本文还设计了电源管理电路， 提高电源的利用率； 第五章：系统软件设计。分别介绍了控制中心节点、路由器节点、传感器节点以及管 理中心用户操作界面的设计。为了实现数据收发格式的统一，本文制定了系统数据的收发 格式规范； 第六章：本文对z i g b e e 无线网络系统中的相关参数进行了测试。测试数据表明，该系 统的网络性能可满足智能家居环境监测系统的要求； 第七章：总结与展望。针对系统的特点和性能作出综合评价，并根据本文工作的不足 提出以后进一步工作的方向，实现系统的完善。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术综述 随着市场对低成本、短距离、低复杂度、低功耗、低速率的无线通信技术的长期需求， 2 0 0 1 年8 月，z i g b e e 技术联盟【l o 】( z i g b e e a l l i a n c e ) 正式成立，专门从事这项技术的研究 与标准的制定。于此同时，世界各大i t 厂商纷纷投入到这种技术的研究之中。2 0 0 2 年下 半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体 公司四大巨头共同宣布加入z i g b e e 联盟。如今，z i g b e e 联盟已经吸引了一百多家芯片公 司、无线设备公司和开发商作为其联盟成员。时至今日，该联盟还在不断的壮大中。 z i g l e e 技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信 技术或无线网络技术，是一组基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应 用软件方面的通信技术【1 2 】。它的目标市场主要是：消费电子、家庭楼宇自动化、工业控制、 p c 机外围设备、医疗应用、游戏等。 z i g b e e 的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳z i g z a g 形 状的舞蹈来通知发现的食物源的位置、距离和方向等信息，z i g b e e 技术就是以此作为新一 代无线通讯技术的名称。为了形象的记忆，国内有人甚至将其称之为“紫蜂 技术【i 。 z i g b e e 技术在国外发展比较迅速，目前已有大量的产品采用z i g b e e 技术作为解决方 案。如：英国p r i 公司的h o m ee n e r g yc o n t r o l l e r 采用z i g b e e 技术实现家庭电能、天然气 使用信息的监测。2 0 0 4 年1 1 月，z i g b e e 联盟主席r o b e r teh a l l e 曾访问中国，以免专利 费的方式吸引中国本地企业加入。国内对于z i g b e e 技术的研究主要集中在高校和研究院 所，如中科院计算所的宁波分所就在专门从事无线技术的研究，主要侧重于无线网络化智 能传感器，计算所自行开发了低功耗的c p u 、多点网络动态组网拓扑协议、网络节点管理 软件、无线网络化智能传感器操作系统。国内的一些大学，如浙江大学、山东大学等也在 进行z i g b e e 组网和应用的研究，利用国外厂商的开发平台和芯片建立z i g b e e 网络，并应 用于智能家居，无线抄表，物流管理，环境监测方面【1 6 1 。随着我国对无线技术研究的深入， 将会有更多的国产z i g b e e 产品投入市场。 2 1 z i g b e e 技术介绍 z i g b e e 技术作为一种无线网络标准，它是在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准基础上发展而来的，它 旨在确定了不同应用制造商之间共享的应用纲要。在标准化方面，i e e e8 0 2 1 5 4 工作组负 责确定的低速率，无线个人局域网络标准，它定义了物理层( p h yl a y e r ) 和介质访问控制 层( m a cl a y e r ) 的协议。物理层规范确定无线网络的工作频段以及该频段上传输数据的 基准传输速率。介质访问控制层规范定义了在同一区域工作的多个i e e e8 0 2 1 5 4 无线信号 如何共享空中信道。 z i g b e e 联盟从i e e e8 0 2 1 5 4 标准着手，主要负责网络层( n w kl a y e r ) 与应用层( a p p l a y e r ) 的协议，以及在高层应用、测试和市场推广等方面的工作。参考开放系统互连( o s i ) 7 层模型，z i g b e e 协议的架构如图2 1 所示，它主要包括物理层，介质访问控制层，网络 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 二二二三三三习一一一一一一一f 一一 臣回 z 上 i e e e802154m a c 一= t 三三固二i 二一一一一 图2 1z i g l k e 协议架构 截止目前，z i g b e e 联盟总共公开发布了3 个版本的协议规范： 表2 1 z l g b e e 协议规范版本 版本号文件编号发布时间介绍 z i g b e ev 1 0 t 1 3 】 文件编号：0 5 3 4 7 4 r 0 62 0 0 5 年6 月2 7 日 这是第一个z i g b e e 标准公开版 z i g b e ev 1 i t l 4 1 文件编号：0 5 3 4 7 4 r 1 32 0 0 6 年1 2 月1 日 称为z i g b e e2 0 0 6 z i g b e ev 1 2 文件编号：0 5 3 4 7 4 r 1 72 0 0 8 年1 月1 7 日 称为z i g b p r o 、z i g b e e2 0 0 7 2 1 1 z i g b e e 技术特点 z i g b e e 在网络设计中采用了无线自组织网络概念，网络中的节点以一跳或多跳的形式 组织成网络。网络中的节点按照z i g b e e 协议进行工作，与其他的传统无线网络相比，其主 要的优势表现在 ( 1 ) 网络稳定性好。z i g b e e 网络具备自组织、自愈功能。网络节点能够感知其他节 点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。当增加或删除一个节点，或节点位置发 生变动，节点发生故障等等，网络都能够进行自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调 整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 ( 2 ) 通信可靠。z i g b e e 采用了c s m a c a 的碰撞避免机制，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；m a c 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 ) 节点功耗低。节点的收发距离短，所需功耗低。另外，z i g b e e 技术配合芯片采 用了多种节能的工作模式，可确保两节五号电池支持长达6 个月到1 年半左右的使用时间； ( 4 ) 开发成本低。由于网络协议简单，开发时间成本较低，而且z i g b e e 协议免除专 利费，z i g b e e 的工作频率采用i s m 频段，选择灵活。同时，各大半导体公司也设计出了适 合z i e 班e e 技术规范的芯片，价格较低廉； ( 5 ) 时延短。典型搜索设备时延为3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入 时延为1 5 m s ； 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 网络容量大。一个z i g b e e 网络可容纳多达6 5 ，0 0 0 多个节点。每个节点可以容纳 最多2 5 4 个从设备，一个区域内可以同时存在2 0 0 多个z i g b e e 网络： ( 7 ) 数据安全。z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 2 1 2 z i g b e e 网络结构 2 1 2 1 z i g b e e 网络设备组成 对于网络中的设备，i e e e8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 联盟所定制的标准分别有不同的定义方 法和规范术语。在i e e e8 0 2 1 5 4 中，根据设备的功能划分，网络中的设备可分为两类：全 功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和简化功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。 全功能设备实现了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的全集，而简化功能设备只实现了其中的一部分。根 据节点在网络中承担的任务不同，网络中的设备又可以分为：个域网协调器( p e r s o n a l a r e a n e t w o r kc o o r d i n a t o r ，p a nc o o r d i n a t o r ) 、协调器( c o o r d i n a t o r ) 和一般设备( d e v i c e ) 。p a n 协调器是网络的总控制器，一个i e e e8 0 2 1 5 4 网络只能有一个p a n 协调器，它是一种特 殊的协调器，它必须是全功能设备。协调器也是全功能设备，它通过发送信标提供同步服 务。其他一般设备可以是全功能设备，也可以是简化功能设备。简化功能设备主要用于非 常简单的应用，通常不需要传送大量的数据，往往同一时间只和一个全功能设备关联。全 功能设备可以与简化功能设备或者其它全功能设备通信，而简化功能设备只能和全功能设 备通信。z i g b e e 标准在此基础上分别将这三种设备定义成：z i g b e e 协调器( z i g b e e c o o r d i n a t o r ) ，z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e r ) ，z i g , b e e 终端设备( z i g b e ee n dd e v i c e ) 。 它们的功能如下： ( 1 ) z i g b e e 协调器，即i e e e8 0 2 1 5 4 定义的个域网协调器，是z i g b e e 网络的建立 者，负责z i g b e e 网络的初始化，确定个域网标识符( p a ni d e n t i f i e r ) 和网络工作的物理信 道，并统筹分配短地址。z i g b e e 协调器必须是全功能设备，并且一个z i g b e e 网络只有一 个z i g b e e 协调器； ( 2 ) z i g b e e 路由器，它也是一个全功能设备，功能类似于i e e e8 0 2 1 5 4 定义的协调 器，但它不能建立网络；在它进入网路后，它能获得一定的1 6 位短地址空间。在其通信 范围内，它能允许其他节点加入或者离开网络，分配及收回短地址，路由和转发数据； ( 3 ) z i g b e e 终端设备，它可以是全功能设备也可以是简化功能设备，它只能与其父 节点通信，从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。 2 1 2 2 z i g b e e 网络拓扑结构 在z i g b e e 协议规范中，定义了三种网络拓扑：星型结构( s t a r ) ，网状结构( m e s h ) 和簇树型结构( c l u s t e r t r e e ) ，如图2 2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 * 一一 ( a ) 星形结构( ”网状结构绀簇树结构 o 协调器。路由器。端节点 图2 2z i g b e e 网络拓扑类型 在星型网络结构中，