（通信与信息系统专业论文）智能家居zigbee无线网及其嵌入式服务器的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着网络和信息技术的高速发展，家庭信息化是社会发展的必然要求和趋势。 建立完善的智能家居是实现家庭信息化的必由之路。智能家居是未来家居的发展方 向，通过网络将住宅设备连接起来，将住宅的设备网络化，用户可以随时随地实时 地通过网络监控住宅的环境，下达指令，控制住宅设备的状态，为用户提供舒适、 安全、网络化的生活环境。 智能家居技术的发展经历了有线方式和无线方式两个阶段。由于有线方式固有 的布线麻烦、扩展性差等缺点，智能家居采用无线方式已成为发展的必然趋势。通 过对国内外智能家居各种组网技术的特点的比较，选择z i g b e e 技术作为智能家居内 部组网方式，设计z i g b e e 无线通信技术与w e b 服务器系统相结合的智能家居监控 系统，通过i n t e m e t 实现对家居的远程智能监控和管理应用。 本文首先介绍了智能家居的概念以及国内外发展现状，然后介绍了z i g b e e 技术 的概念及其协议架构。提出了一种智能家居系统的总体设计方案。介绍了智能家居 无线传感器节点的软件及其硬件设计方法。z i g b e e 传感器节点采用t i 公司的集成 微处理器和射频收发芯片于一体的s o c 芯片c c 2 5 3 0 ，搭配较少外围电路，基于 z s t a c k 协议栈进行软件开发，以实现测控信号的收发功能。接着介绍了z i g b e e 网 关服务器的搭建，嵌入式w e b 服务器采用b s 结构和模块化设计，移植嵌入式l i n u x 系统以及嵌入式b o a 服务器，采用h t m l + c g i 进行交互界面的设计，用户通过浏 览器访问w e b 服务器，可获取智能家居z i g b e e 内部网各节点的状态信息并实现控 制功能。 对该实验装置的实验结果表明，该系统可以对家居环境进行远程监控。该系统 还可应用于消防、工业控制等领域，扩展性好，具有很好的实用价值。 关键词：智能家居；z i g b e e ；无线传感器网络：嵌入式w e b 服务器 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n t o fn e t w o r ka n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , h o m e i n f o r m a t i o ni sa ni n e v i t a b l et r e n da n dr e q u i r e m e n to fs o c i a ld e v e l o p m e n t t h e d e v e l o p m e n to fc o m p r e h e n s i v es m a r th o m ei st h ep r o c e d u r eo ff a m i l yi n f o r m a t i o n s m a r th o m ei st h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff u t u r eh o m e ，c o n n e c tt h er e s i d e n t i a l e q u i p m e n to v e rn e t w o r k ，n e t w o r k i n gf o rr e s i d e n t i a le q u i p m e n t u s e r sc a nm o n i t o rt h e r e s i d e n t i a le n v i r o n m e n tt h r o u g hn e t w o r ki nr e a lt i m e ，c o n t r o lt h er e s i d e n t i a ls t a t u so ft h e d e v i c e s ，i tp r o v i d e sc o m f o r ta n ds a f e t yn e t w o r k e de n v i r o n m e n tf o ru s e r s t h ed e v e l o p m e n to fs m a r th o m et e c h n o l o g yh a s e x p e r i e n c e dt w o s t a g e s o f w i r e da n dw i r e l e s s ，a sar e s u l to ft h ei n h e r e n td r a w b a c k si n w i r i n gt r o u b l e a n d p o o rs c a l a b i l i t yo ft h ew i r e d s m a r th o m eu s i n gw i r e l e s sh a sb e c o m e t h ei n e v i t a b l et r e n d o fd e v e l o p m e n t b yc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , s e l e c t t h ez i g b e ea st h es m a r th o m ei n t e r n a ln e t w o r k i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rc o m p l e t e d t h ed e s i g no fs m a r th o m e m o n i t o r i n gs y s t e m ，i n t e g r a t i n gz i g b e e w 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 dt h ew e b s e r v e r s y s t e m t o a c h i e v er e m o t e i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ta p p l i c a t i o n so fh o u s i n gv i at h ei n t e r n e t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no fs m a r th o m ea n di t sc u r r e n ts i t u a t i o na th o m e a n da b r o a da tf i r s t , a n di n t r o d u c e st h ec o n c e p to fz i g b e et e c h n o l o g ya n di t sp r o t o c o l a r c h i t e c t u r e p u tf o r w a r dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h es m a r th o m e ，t h e ni n t r o d u c e st h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o rw i r e l e s ss e n s o r z i g b e es e n s o rn o d e su s e t i ss o cc h i pc c 2 5 3 0 ，w h i c h i n t e g r a t e dm i c r o p r o c e s s o ra n d r ft r a n s c e i v e rc h i p s ， w i t hl e s sp e r i p h e r a lc i r c u i tc a nb ea c h i e v e ds i g n a lt os e n da n dr e c e i v ef u n c t i o n ，s o f t w a r e d e v e l o p m e n ti sb a s e do nt h ez s t a c kp r o t o c o ls t a c k t h e np r e s e n tt h es t r u c t u r eo ft h e z i g b e eg a t e w a ys e r v e r , e m b e d d e d w e bs e r v e ru s i n gb s s t r u c t u r ea n dm o d u l a r d e s i g n ，p o r t e dt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e ma n de m b e d d e db o as e r v e r , u s eh t m la n d c g it e c h n o l o g yt o d e s i g n t h ei n t e r f a c e ，u s e r sc a ng e ts t a t u si n f o r m a t i o nf o re a c h n o d ei ns m a r th o m eb ya c c e s s i n gt h ew e bs e r v e rt h r o u g ht h eb r o w s e r a b s t r a c t t h es y s t e mc a nr e m o t em o n i t o rt h eo b je c t so fh o u s ee n v i r o n m e n ti nt h ee x p e r i m e n t i tc a nb eu s e di nf i r ep r o t e c t i o ns y s t e m ，i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e rf i e l d s ，a n dh a sg o o d p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：s m a r th o m e ，z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，e m b e d d e d w e bs e r v e r i i i c o n t e n t s a b s t r a c t i i c o n t e n t s i v c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1s m a r tl _ i o m eo v e r v i e w 1 1 2s m a r th o m ed e v e l o p m e n to v e r v i e w 1 1 3r e s e a r c hc o n t e n ta n ds t r u c t u r e 2 1 3 1r e s e a r c ht a r g e ta n dc o n t e n t s 2 1 3 2p a p e rs t r u c t u r e 3 1 4c o n c l u s i o n 4 c h a p t e r 2n e t w o r k i n gt e c h n o l o g yo fs m a nh o m e - - - z i g b e e 5 2 1n e t w o r k i n gt e c h n o l o g yo fs m a r th o m eg e n e r a l i t y 5 2 1 1w i r e dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y 5 2 1 2w i r e l e s sn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y 6 2 1 3s e l e c to fi n t e r n a ln e t w o r k i n gt e c h n o l o g y 7 2 2z i g b e eg e n e r a l i t y 8 2 2 1z i g b e ef e a t u r e s 8 2 2 2z i g b e en e t w o r ke q u i p m e n tt y p e s 8 2 2 3z i g b e et o p o l o g y 9 2 3z i g b e ep r o t o c o ls t a c k 10 2 3 1z i g b e ep r o t o c o ls t a c kf r a m e w o r k 10 2 3 2i e e e 8 0 2 15 4p h y s i c a ll a y e r 11 2 3 3i e e e s 0 2 1 5 4m a cl a y e rs p e c i f i c a t i o n 1 3 2 3 4z i g b e en e t w o r kl a y e rs p e c i f i c a t i o n 15 2 3 5z i g b e ea p p l i c a t i o nl a y e rs p e c i f i c a t i o n 18 2 3 6z i g b e es e c u r i t yl a y e rs p e c i f i c a t i o n 19 2 z i ( 二o n c l u s i o n ：! ( ) v n 广东工业大学硕士学位论文 c h a p t e r 3t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs m a r th o m ez i g b e ew i r e l e s s n e t w o r k 3 1s m a r th o m es y s t e ma r c h i t e c t u r e 21 3 1 1s y s t e mf u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n a l y s i s 21 3 1 2s y s t e md e s i g ns c h e m e 2 2 3 2z i g b e en o d eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n 2 2 3 2 1c c 2 5 3 0m o d u l e 2 3 3 2 2p o w e rm o d u l e ：1 5 3 2 3s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 2 6 3 2 4a n t e n n ad e s i g n 2 7 3 3t h ed e s i g no fz i g b e en o d es o f t w a r e 2 7 3 3 1z s t a c ks o f t w a r ea r c h i t e c t u r e 2 8 3 3 2t a s ks c h e d u l i n gp r o c e s so fz s t a c kp r o t o c o ls t a c k 2 8 3 3 3d e v e l o p m e n tp r o c e s sb a s e do nz - s t a c kp r o t o c o ls t a c k 2 9 3 3 4p r o g r a md e s i g no fz i g b e ec o m m u n i c a t i o n 3 0 3 4c o n c l u s i o n 3 2 c h a p t e r 4e m b e d d e dw e b s e r v e rd e s i g n 3 3 4 1e m b e d d e dw e bs e r v e rh a r d w a r ed e s i g n 3 3 4 2e m b e d d e dw e bs e r v e rs o f t w a r ed e s i g n ：；z l 4 2 1e m b e d d e dl i n u xd e v e l o p m e n tp l a t f o r mb u i l d 3 4 4 2 1 1c r o s s c o m p i l a t i o ne n v i r o n m e n te s t a b l i s h m e n t 3 5 4 2 2 2b o o tl o a d e rp o r t i n g 3 5 4 2 2 3l i n u xk e r n e lp o r t i n g 38 4 2 2 4f i l es y s t e mp o r t i n g 41 4 2 2p o r t i n ga n dd e v e l o p m e n to fb o as e r v e r 4 2 4 2 2 1b o as e r v e rp o r t i n g 4 3 4 2 2 2c g ip r o g r a m m i n go fb o as e r v e r 4 4 4 3c o n c l u s i o n z i ! ； c h a p t e r 5s y s t e mp e r f o r m a n c et e s t ! ；1z i g b e en o d ep e r f o r m a n c et e s t 4 6 v u i 5 2n e t w o r k i n gt e s t i n g 4 7 5 3s y s t e md a t ac o l l e c t e dt e s t 4 7 5 4c o n c l u s i o n 5 0 c o n c l u s i o na n df o r e c a s t 5 1 r e f e r e n c e 5 2 t h ep u b l i s h e dp a p e r d u r i n gm a s t e rp e r i o d 5 5 c o p y r i g h tc l a i m s 5 6 a c k n o w l e d e m e n t ! ；7 第一章绪论 1 1 智能家居概述 第一章绪论 进入二十一世纪以来，现代科技力量打破了传统的时空界限，科学技术日益改 变着人们的生活方式，为了适应信息化时代要求，在家居方面，世界上一些科研机 构已经将智能大厦的概念和模式引进智能小区，并进一步引进家庭，由此产生了智 能家居【1 】这一概念。 智能家居是指通过网络将住宅设备连接起来，将住宅的设备网络化，并在住宅 内外安装各种传感器监控整个住宅的环境，用户可以任何时候任何地点通过网络监 控住宅的环境，能够下达指令，控制住宅设备的状态，为用户提供舒适安全网络化 的生活环境【2 1 。 智能家居系统可分为三个部分：外部网、家居网关服务器和家居内部网络。外 部网是指i n t e r n e t 、小区局域网、电话网和有线电视网等网络；家居网关服务器是连 接外部网和家居内部网络的网络连设备，将家居内部网络接入外部网，为外部网络 提供对家庭内部联网设备的监控功能；家居内部网络是用于连接家庭内部各种家电、 传感器设备等的局域网【引。 1 2 智能家居发展现状 近几年来，越来越多的国内外厂商和科研机构都认识到智能家居的重要性，纷 纷投入力量对其进行研究，但智能家居真正要进入普通小区中，还有很多障碍需要 克服，其技术障碍主要是如何建立比较经济的家庭网络环境，以及提供家庭网络环 境下价格便宜的信息家电产品，另外还要解决不同厂商上层的信息家电之间协同工 作的问题。 智能家居1 4 l 在国外发达国家起步较早，始于2 0 世纪8 0 年代，通过应用总线技术、 计算机技术和电子技术，装备有各种通信、安保等设施，实现智能监控住宅小区。 美国、韩国、英国等国家已经对智能化小区制定了初步技术标准，按照标准对小区 进行智能化建设【5 】。在发达国家，已经有很多公司按照技术标准，推出了成熟的智 广东工业大学硕士学位论文 能家居产品，目前，在市场上的代表性产品【6 】主要有：v a n t a g e 公司推出的v a n t a g e 家居自动化系统、j d s 公司推出的s t a r g a t r e 家居自动化系统、h a i 公司推出的n i 智能家居系统、n e y w e l l 公司推出的智能家庭以及h a l 公司推出的a l d e l u x e 智能家 居系统等。这些产品都能够实现智能化家居的要求，也存在价格昂贵、兼容性不够 等缺点，需要就一步统一标准、市场化。 智能家居对我国来说还是新鲜事物，目前正处于初级阶段，有关的系统理论还 在不断发完善和发展，国家标准也尚未制定。但是，越来越多的科研机构和厂商已 经认识到智能家居产业的市场前景，纷纷投入力量进行研究和产业开发，目前，已 经有一些公司推出了自己的产品：清华同方推出了数字家园智能家居控制系统产品、 科龙公司推出了现代家居信息服务集散控制系统系列产品、海尔也推出了“e 家庭” 系列智能家居产品，以上几种具有代表性的我国智能家居系统，是不同企业或科研 单位从不同角度和立场理解智能家居的结果。各大企业厂商在推出概念性产品的同 时，也在寻求更为合理的家居系统解决方案，一个有良好应用前景的智能家居系统 必须具有开放性和可扩展性，以及使用和维护简单方便。随着智能家居的新技术、 新产品日新月异的发展，对它的认识也将不断的提高和深入。 1 3 论文的主要研究内容与结构 1 3 1 论文的研究目标和研究内容 本文的研究目标是：设计一个基于z i g b e e 技术的无线传感器网络及其w 曲服 务器，采用多个具有z i g b e e 无线通信功能的终端节点组成远程监控网络，该网络通 过嵌入式w e b 服务器实现通过i n t e r n e t 对z i g b e e 网络终端节点点进行数据采集、控 制以及状态显示，应用于智能家居中，对如温度、照明、煤气、烟雾等家居状态实 现智能监测与控制。 主要的研究内容有： 1 、熟悉z i g b e e 协议栈，了解各层协议的内容和功能以及各层协议之间的接口，包 括媒介质接入层( m a c 层) 的信标管理机制，信道接入机制，保证时隙( g t s ) 管理机制，c s m a c a 机制，安全模式以及超帧结构，网络层路由协议，网络拓 扑结构等。 2 、研究z i g b e e 的组网形式，构建适合智能家居网络拓扑结构的z i g b e e 网络。在 2 第一幸绪论 多子节点的情况下，研究该网络组网的可靠性与灵活性。 3 、研发z i g b e e 无线传感器终端节点，在硬件平台上移植z i g b e e 协议栈，完成节 点电路设计。 4 、针对z i g b e e 网络智能家居的特性，结合a r m - l i n u x 和w 曲技术，实现网关服务 器平台的搭建，包括硬件的选型，操作系统和服务器的选择和移植，交叉编译环 境的编译，同时，在该a r m 平台上，构建z i g b e e 服务器硬件与软件平台，实 现基于z i g b e e 的无线网关，通过嵌入式w e b 服务器实现通过i n t e r n e t 对z i g b e e 网络各节点进行数据采集、控制、监控及状态显示。 5 、将z i g b e e 无线传感器网络应用于智能家居，实现对如温度、照明、煤气和烟雾 等家居状态实现智能监测与控制。 1 3 2 论文结构 全文的结构如下： 第一章：主要介绍了智能家居的相关背景以及国内外的发展现状，同时介绍了 论文的研究目标、研究内容和论文结构。 第二章：本章介绍了各种组网技术的特点，选择z i g b e e 技术组建智能家居内部 通信网络。并且详细介绍了z i g b e e 技术概述及特点、设备类型、协议框架和各层协 议的具体内容。 第三章：本章对智能家居系统的基本功能需求进行分析，介绍了智能家居系统 的总体设计方案，使系统功能更加细化。 第四章：本章介绍智能家居z i g b e e 无线网络的设计方案，以t i 公司的c c 2 5 3 0 芯片为硬件核心，介绍了z i g b e e 终端节点模块及主要外围电路；详细介绍了t i 公 司的z s t a c k 协议栈的软件架构以及基于此协议栈的软件开发流程，协调器与终端 节点的软件设计流程。 第五章：本章完成了嵌入式w e b 服务器的总体方案设计，简单介绍了w e b 服务 器的硬件设计，详细阐述了w e b 服务器的软件设计，主要包括：交叉编译环境的建 立，b o o tl o a d e r 、l i n u x 内核和文件系统的移植，b o a 服务器的移植以及b o a 服务 器中的c g i 程序设计。 第六章：本章完成对搭建的基于z i g b e e 的智能家居传无线网络进行测试，包括 节点性能测试，组网测试以及环境数据采集测试。 3 广东工业大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章阐述了智能家居的研究背景和意义，介绍了国内外的发展概况，介绍了本 课题的研究目标、研究内容和论文的结构。 4 第二章智能家居组网技术一z i g b c e 第二章智能家居组网技术一z ig b e e 2 1 智能家居组网技术 智能家居系统网络可以分为外部网络、z i g b e e 网关和内部网络三部分。外部网 络可以是i n t e r n e t 、电话网、g p r s 、局域网和有线电视网等，组网技术已经非常成 熟。而内部网络需要将各种电器设备和控制系统连接起来，实现对家居环境的监测 以及设备控制，同时通过网关与外部网络互联进行信息交换及控制。智能家居内部 网络组网形式分为有线组网技术和无线组网技术两种方式。 2 1 1 有线组网方式 典型的应用于智能家居的有线组网方式主要有：以太网组网、电话线组网 ( h o m e p a n ) 和电力线组网( p l c ) 等。 以太网【8 】是常用的局域网组网技术，使用常用的双绞线作用传输介质，外围设备 通过r j 4 5 接口连接以太网。优点是便于建立、技术成熟简单、可靠、较低的成本， 可扩充性好，便于网络升级；缺点是，对于家庭网络而言，以太网需要使用网线把 所有的家居设备和集线器或交换机连接起来，以便和服务器连接起来，同时，为了 保持网络的连通性，需要始终保持物理上的连通性，增加了布线上的难度以及成本。 电话线组网( h o m e p a n ) 与以太网相似，使用家庭现有的电话线路作为传输介 质，与以太网的差别主要有：h o m e p a n 对于电缆类型、拓扑结构和连接端口无特 殊要求，同时h o m e p a n 可以共享介质，不需要交换机或者集线器。与以太网相比， h o m e p a n 在用户线路上的投资成本几乎没有，同时，其设备成本与以太网设备成 本相近，因此，其网络建设的总成本明显低于以太网。h o m e p a n 的缺点在于，由 于每个用户家庭平均只拥有2 3 个r 1 1 1 插座以及因为布线质量不可靠而导致的可 靠性问题都使h o m e p a n 在智能家居的应用受到限制。 电力线组网【9 】( p l c ) 是利用家里现有的电力线形成网络化的控制，通过开关或 者插座给家中所有的家具供电的同时形成一个有线家居网络。p l c 的好处是不用铺 设专用的网络电线，省去布线的麻烦以及成本，可靠性也比较好。p l c 的不足在于 其网络安全及网络性能方面仍然存在着不少问题，利用电力线组网的技术还不够成 熟；同时，市场上虽然已经有了用于家庭联网的p l c 产品，但是，对于家庭用户来 5 广东工业大学硕士学位论文 说，可供选择的产品不多，技术支持也不够。 2 1 2 无线组网方式 由于传统的有线方式在智能家居的应用上存在着布线繁琐、对p c 依赖程度大和 通信接口标准不统一等缺点，而无线方式在组网方面有着得天独厚的优势，无线网 络可以提供更大灵活性、移动性能，省去在布线上的精力和成本。同时，无线网络 通信也更符合家居智能化的通信特点。因此，采用无线组网技术【1 0 j 已经成为智能家 居领域的必然趋势。无线组网技术主要包括w l a n 、蓝牙、u w b 、z i g b e e 无线技 术等。 无线局域网技术( w l a n ) 是由美国联邦通信委员会( f c c ) 为工业、科研和 医学( i s m ) 频段的公共应用提供授权而产生的。w l a 遵守i e e e8 0 2 1 1 标准的规 范，i e e e 8 0 2 1 1 指定直扩( d s s s ) 和频率跳频扩频( f h s s ) 的射频( r f ) 物理层 可选。直扩( d s s s ) 最快传输速率和距离能达到1 1 m s 和1 0 0 m ，因此，大多采用 直扩方案，同时能保证2 m s 到l l m s 的速率共存，用于解决小型办公室和家庭办 公室局域网中的用户与用户终端的无线接入。i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层能以标准的以 太网，经由接入点( a p ) 工作，确保局域网上的有线和无线节点能够在内部实现相 互操作。 蓝牙无线技术是由蓝牙s i g 于1 9 8 8 年提出的。蓝牙工作在2 4 g h zi s m 频段上， 采用g p s k 调制技术，传输速率为1 m b p s ，采用f h s s 扩频技术，通信距离根据发 射功率调节可达1 0 m 到1 0 0 m 。蓝牙能够将少量设备以无线方式连接起来，组成微 微网，多个微微网又可以相互连接，组成多重微微网，实现将分散的大量蓝牙设备 连接起来。它以较廉价的造价代替了电缆和红外通信，可以用来在短距离内取代目 前多种线缆通信方案，在各种设备之间实现快速、灵活、低成本、安全、小功耗的 语音和数据通信。 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种不用载波，而采用时间小于l n s 的脉冲进行通信 的方式，也称为脉冲无线电、时域或无载波通信。u w b 方式不利用余弦波进行载 波调制而发送小于l n s 的脉冲，因此，其占用带宽非常之宽，且由于频谱的功率密 度极小，它具有通常扩频通信的特点。早期主要用于雷达技术领域，抗干扰性极强， 在室内无线环境中能够提供与有线相媲美的性能。在1 0 米范围内能够提供高达数百 兆到万兆的数据传输速率。主要用于雷达领域、高速l a n 、室内通信等领域。 6 z i g b e e 技术【1 1 l 是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 无线标准制定的一套技术标准，物理层和 m a c 层采用i e e e 8 0 2 15 4 的标准，网络层和用层标准则、安全服务则由z i g b e e 联 盟制定。z i g b e e 工作在i s m ( 工业科学医疗) 频段上，在国内为2 4 g h z ，能够提 供最高2 5 0 k b i t s 的数据传输速率。z i g b e e 网络由一个协调器组建，其余节点加入 网络，单一节点间的通信距离为1 0 7 5 米左右，可以通过增加路由节点扩大通信距 离，一个协调器最多可以容纳6 5 0 0 0 个节点；z i g b e e 节点功耗极低，两节五号电池 或者纽扣电池可以供一个节点工作1 2 年。主要应用于工业控制、消费电子设备、 汽车、智能家居等领域。 2 1 3 内部组网技术的选择 由于有线组网方式固有的布线麻烦、可扩展性差等缺点，无线组网技术应用于 智能家居内部网络已成为必然趋势。这不仅因无线组网方式可以提供更大的灵活性、 流动性，省去浪费在综合布线上的费用和精力，而且更因为其符合智能家居网络安 装简单、使用方便、扩展性好且不用布线的特点。 在众多无线组网方式中，不同的无线组网方式各有其优点和缺点，适合不同的 应用场合。对于智能家居系统内部网络来说，主要传输控制信息与传感器采集的环 境信息，网络中传输的数据量不大，但是网络节点比较多，低功耗和低成本是选择 组网技术重点考虑的因素。w l a n 在无线l a n s 竞争中具有优势，被作为成熟的标 准广泛采用。但因其价格昂贵而制约了在家庭网络中的应用。蓝牙技术适合于语音 业务和需要更高数据量的业务，主要应用于手机、汽车、p d a 等设备，使用时需要 提供的计算功率和内存使用都超过了设备所必须的数量，造成了较高的功耗和不必 要的浪费。u w b 可以传输海量数据，能耗低，安全性好，但是传输数据的范围小， 网络容量小，成本高，用于智能家居系统不能充分发挥其优势。z i g b e e 技术的短距 离、复杂度低、功耗极小、低速率、成本低等的特点，非常适合智能家居内部网络 的要求，并且z i g b e e 技术组网能力强，网络容量大，可靠性好，因此，本系统采用 z i g b e e 技术作为智能家居内部组网方式。 7 广东工业大学硕士学位论文 2 2z i g b e e 技术概述 2 2 1z i g b e e 技术特点 z i g b e e 具有以下特点： ( 1 ) 灵活的工作频段：z i g b e e 物理层遵循i e e e8 0 2 1 5 4 协议的标准，设计有 三个频段：8 6 6 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中8 6 6 m h z 频段有1 个信道，9 1 5 m h z 频段有1 0 个信道，2 4 g h z 频段有1 6 个信道，在不同国家地区，均可以选择合适的 频段。在中国选用2 4 g h z 频段，传输速率为2 5 0 k b p s ：另9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z 的 传输速率分别为4 0 k b p s 和2 0 k b p s 。 ( 2 ) 灵活的网络拓扑结构：z i g b e e 既支持星型和树簇型网络拓扑结构，也支持 对等拓扑的网格网络；既可以单跳，也可以通过路由器实现多跳的数据传输。z i g b e e 的设备既可以使用6 4 为的i e e e 地址，也可以使用指配的1 6 位短地址。在一个单 独的z i g b e e 网络内，可以容纳6 5 0 0 0 个设备。 ( 3 ) 安全可靠的数据传输：为了保证数据传输的可靠性，采用了c s m a c a 技 术；为了确保数据传输的安全保密性，z i g b e e 提供了安全服务层，对传输的数据都 进行加密处理，加密算法的密匙长度达到了1 2 8 位。 ( 4 ) 极低的系统功耗：z i g b e e 功耗极低，z i g b e e 设备为大部分时候出于休眠 状态，当收到信息或者需要发送信息的时候，从休眠状态激活：同时，z i g b e e 能够 在保证通信质量的前提下，自动调整发射功率，最大限度的节约能量。在使用两节 5 号电池或者纽扣电池的情况下，z i g b e e 节点能正常工作6 2 个月的时间。 ( 5 ) 较低的系统成本：目前，t i 公司和飞思卡尔公司的z i g b e e 芯片成本在1 3 美元，且z i g b e e 协议是免费的。随着科技的发展，芯片的尺寸会越来越小，成本越 来越低。 ( 6 ) 有效范围大：单个节点之间的有效覆盖范围为1 0 7 5 米，通过路由能够实 现1 0 0 0 米以上的通信距离。 2 2 2z i g b e e 设备类型 z i g b e e 网络是一个低数据传输速率的无线个域网，网络中的设备按照功能的不 同分为两类：具有完全功能的全功能设备( f f d ) 和只具有部分功能的精简功能设 备( r f d ) 。全功能设备拥有8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议栈规定的全部功能，可以在网络 8 第二辛智能冢居组网技术- - z i g b e e 中充当任何角色，而精简功能设备只具有协议栈规定的部分功能设备，因此在网络 中担任的角色也受一定的限制。两种设备的配合使用，使得z i g b e e 网络中器件这一 部分的硬件成本进一步下降。 z i g b e e 网络支持三种逻辑设备类型【1 3 】：协调器( c 0 0 r d i n a t o r ) 、路f l ：l - 器( r o u t e r ) 和 终端设备( e n d d e v i c e ) 。一个z i g b e e 网络由一个协调器、多个路由器和终端设备组 成。协调器( c o o r d i n a t o r ) 是z i g b e e 网络的心脏，由它来负责网络的发起、参数的设 定、信息的管理及维护等功能；网络建立后，协调器也具有路由器及终端设备的各 种功能。当网络应用要求使用在覆盖范围较大的场合时，可以组建树簇形z i g b e e 网络，这时需要通过路由器( r o u t e r ) 来实现多跳的数据传输，路由器用来扩大网 络覆盖范围，负责在网络建立之后参与路由功能，如路由的建立、发现，信息的转 发。同时，路由器也具有终端设备的各种功能。终端设备( e n d d e v i c e ) 是z i g b e e 网 络最底层的节点，主要职责就是加入z i g b e e 网络，完成用户功能，实现信息的采集 及控制【l4 1 。 2 2 3z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 支持包含有主从设备的星型、树簇型和对等拓扑结构。z i g b e