（通信与信息系统专业论文）基于gprs和zigbee技术的智能家居解决方案的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 摘要 随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的 迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化家居智能化也正是在 这种形势下应运而生的 电信、i n t e m e l 、电视网三种网络的合而为一，是未来网络媒体发展的趋势，是当前竟相开发的 热点，而本文就是在这样的背景下，实现了三网中移动网与家庭无线网络的结合，提出了一种采用 g p r s 技术与z i g a e e 的无线技术来完成对智能家居系统的设计。该系统全部采用无线通信技术来完 成，省去了重新布线的问题而且把g p r s 远程通信技术加入到智能家居的系统中，从而使用户在 千里之外可以随时了解家中的情况提供一种解决办法 本文首先分析了智能家居系统的构成以及控制系统在智能家居的地位，并对传统智能家居的特 点进行分析，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i e e e 8 0 2 1 5 4 r 的z i g b e e 技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准，并对z i g b e e 无线技术的协议框架进行 了分析，对终端节点通信物理层、m a c 层、网络层进行了研究，论述了物理层、m a c 层的节能机 制并在m a c 层选用s m a c 协议，网络层选用s p i n 路由协议以便更好地达到节约能耗的目的 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离无线技术的智能家 居控制演示系统，主要完成了采用g p r s 无线通信模块与新一代无线网络通信技术z i g b e e 相结合 实现了通过手机短信对家庭电器及安防设备进行控制与监控。 关键词：g p r s 、z i g b e e 、智能家居、无线通信 r e s e a c ho fs m a r th o m es o l u t i o nb a s e do ng p r sa n d z i g b e et e c h n o l o g y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yl e v e le n h a n c e m e n t , s p e c i a l l yt h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o n ，t h en e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ec o n t r o lt e c h n o l o g ys w i f ta n dv i o l e n t d e v e l o p m e n ta n dt h ee n h a n c e m e n t , u r g e dt h ef a m i l yt or e a l i z et h el i f em o d e r n i z a t i o nc o n d o r t a b l ) ；, t h e e n r i c h m e n t , h a sb e e ns a f e t h e s e 醯；b 溉南a f f e c it h ea s p e c t sw h i c h v c st ot h ep e o p l e ，c h a n g e dt h e p e o p l eh a b i t sa n dc u s t o m s ，i m p r o v e dt h ep e o p l eq u a l i t yo fl i f e ，s m a r th o m ea l s oi sp r e c i s e l ya r i s e si nt h e s i t u a t i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，i m e m e t ，t e l e v i s i o nt h r e en e t w o r k sc o m b i n e d ，t h en e t w o r km e d i ai st h ef u t u z e d e v e l o p m e n t t r e n dt h i s p a p e r w a si n t h i sc o n t e x t , t h ea c h i e v e m e n to ft h et h r e en e t w o r k t e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka n dh o m ew i r e l e s sn e t w o r ki n t e g r a t i o na p r o p o s e du s i n gg p r st e c h n o l o g y a n dz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yt ot h ec o m p l e t i o no ft b es m a r th o m es y s t e md e s i g nt h es y s t e m sa l lu s 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 yt ob ec o m p l e t e d , e l i m i n a t i n gt h er e - w i r i n gi s s u e s 。w h i c ha l li l s eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i t e c h n o l o g i e st ob ec o m p l e t e d ，e l i m i n a t i n gt h er e - w i r i n gi s s u e s , g p r sb u ta l s o l o n g - r o u g ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t oi n t e l l i g e n th o m es y s t e m s ot h a tt h eu s 盯锄b et h o u s a n d so f m i l e sa w a yt ok e e pa b r e a s to ft h eh o u s et op r o v i d ess o l u t i o n t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e dt h es m a r th o m ec o n s t i t u t i o na sw e l la st h ec o n t r o ls y s t e mt h es t a t u s ，a n d a f t e rt h ea n a l y s i so nc h a r a c t e r i s t i cw h i c hl i v e da th o m et h r o u g ht h et r a d i t i o n a li n t e l l i g e n c ec a n i e s ，h a d p o i n t e do u tt h es m a r th o m es y s t e ml i m i t a t i o ni nt h ep r e s e n tm a r k s t , p r o p o s e dt h es m a r th o m es y s t e mb a s e d o nt h es h o r td i s t a n c ew i r e l e s sn e t w o r km o d e mi n t e t h g e n e ei st h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y a f a rh a da n a l y z e da n dc o m p a r e dt h a tt h es m a r th o m ec o n t r o l s y s t e ms k e l e t o n 笛w e l la st h e c o r r e l a t i o ne s s e n t i a lt e c h n o l o g y ，p o i n t e do u tz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yb a s e do ni e e e 8 0 2 1 5 4i s a t p r e s e n tm o s ts u i t st h es m a r th o m ec o n t r o ls y s t e mw i r e l e s ss t a n d a r d ，i td oaa n a l y s i st h eo nf r a m e w o r ko f z i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g y ，t h et e r m i n a ln o d ec o m m u n i c a t i o np h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e r ，t h en e t w o r k 贵州大学硕士学位论文 基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 l a y e r 。p h y s i c a ll a y e rd i s c u s s e d ，m a cl a y e ra n dt h ee n e r g y - s a v i n gm e c h a n i s m ，i nt h em a c c h o o s es m a c e n di nt h en e t w o r kl a y e rr o u t i n gp r o t o c o l su s es p i nt ob e t t e ra c h i e v et b ea i mo fs a v i n ge n e r g y t h e ns t u d i e so ns m a r th o m et h ec o n t r o ln e t w o r kf r o mt h es y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o n a n g l ea s p e c t , d e s i g n e dt h es m a r th o m ec o n t r o ld e m o n s t r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h es h o r t r a n g ew i r e l e s st e c h n o l o g y m a i n l yc o m p l e t e dt h eg p r sw i r e l e s sc o n n e c t i o nm o d u l ea n dn e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nz i g b c eu n i f i e s ，h a sr e a l i z e ds e n d i n go n l yt e x tm e s s a g e st h a tc a l lb ea c h i e v e dc o n t r o lo ft h e f a m i l ys e c m - i t y , t h r e em e t e r , l a m ps h a d e sa n dt h es w i t c ho fe l e c t r i ce q u i p m e n t k 何w o r d s ：g p r s 、z i g b e e 、s m a r th o m e 、w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i v 贵卅大学硕士学位论文 基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究在做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： ；日日 、j 一日期! q q 主刍 关于学位论文使用授权的声阴 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：于a 旦导师签名： 贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 第1 章绪论 1 1 智能家居系统的发展及现状 近年来计算机、自动控制和通信技术的发展，己经深刻地改变了人们的工作方式，极大地提高 了企业的生产效率，为社会创造了巨大的财富，相比之下带给个人和家庭生活的好处却十分有限， 传统的居家方式并没有因信息时代的到来而产生多大变化家电产品种类日益增多，分散控制给人 们带来了极大的不便，作为杜会组成的基本单元家庭几乎成为信息时代的孤岛在这样的背景下， 人们开始关注居住环境，注重家居环境的安全、健康、便捷和舒适，如何有效地在家屠环境中组建 家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，并通过它对家电设备进行集中或异地的智能 化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流，更好地为人们提供家居环境的各类信息开发网络 化，智能化、数字化的新型住宅从而引发了一个极具吸引力的市场：智篚家居环境系统1 1 l 【2 1 在国外智能家居己经获得长足发展，自世界上第一幢智能建筑于1 9 8 4 年在美国康涅迪格州出现 后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能家 居方案 目前，美国则有近4 万户家庭安装了这类系统，在新加坡有近3 0 个社区的近5 0 0 0 户家庭采用 了这种家庭智能化系统美国智能家居行业的专业顾问公司p a r k s 的统计资料显示：1 9 9 5 年美 国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在7 0 0 0 - 9 0 0 0 美元之间，而目前的费用已经太大降 低预计在今后的4 年内，家庭自动化市场的年平均增长率为8 在国内智能家居尽管起步较晚，但大有风行正健之势目前建设部己批准7 个普及型网络 社区，而北京市已经计划建设3 0 个网络社区总户数将达3 万户，按照建设部的要求，到2 0 1 0 年， 大中城市中6 0 的住宅要实现智能化 我国的智能家居网络技术的发展始于上个世纪九十年代末到2 0 0 0 年开始广泛介绍和宣传智能 家庭概念，使我国的居民了解智能家庭的概念，并感觉到我们在跨入新世纪的同时，自己的家居也 将进入智能化的新时代。其中广播电台、电视、报纸和杂志等诸多媒体的功不可没，在这一年中是 达到了这个目的的。相当一部分居民已经接受了智能家居这个概念，各小区的开发商在住宅的设计 阶段也已经或多或少考虑了智能化功能的设施少数高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家 贵州大学硕士学位论文 基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 庭网络，并在房地产的销售广告中，已经开始将“智能化。作为一个“亮点”来宣传 2 0 0 1 年是各个科研机构和公司从规划到实际研发的关键一年如同以往类似的产品( 如彩色电 视机和v c d 及d v d 机) 在我国的发展过程一样，有些机构和公司开始引进一些国外的系统和产 品，在一些豪华的公寓和住宅中已经看到了它们的踪迹但由于没有智能家庭所需的接口标准，可 选配的智能家用设备也很少，限制了智能家庭网络的发展 到2 0 0 2 - 2 0 0 3 年有相当一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅，将在控制和管理上实现一般 意义上的智能化，宽带网将进入一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的完善佐以一定的条 件。国内一些公司的网络产品将逐渐进入市场，一些国外的系统和产品也将在这一年开始以较大的 规模进入中国市场，开始在市场上与中国的产品接触。我国关于智能家庭网络系统的各种标准将陆 续出台，各种具有一定智能的可以上网的终端产品( 智能家电设备) 将根据这些标准陆续研发出 来，并逐步进入市场。换句话说智能家庭网络的市场将逐步形成了 到2 0 0 3 - 2 0 0 4 年，是智能家庭网络系统在中国予以推广应用的两年，我国自行研制的系统已经 较为成熟，并有能力与国外的系统和产品相抗衡新建的住宅和小区大部分将配备一定的智能化设 施和设备 美国和欧洲将在2 0 0 3 - 2 0 0 4 年全面普及智能家庭网络，各种可连网的终端电器，设备将大量出现 在市场上我国自行设计和生产的可连网的家用电器， 暧备也将有相当的规模我国的智能家庭网络 的市场将走向成熟 到2 0 0 4 - 2 0 0 5 年，我国将全面普及智能家庭网络系统和产品，即开始走进普通居民的家居中。 在这个时期，整个市场将是以我国自行研究和开发的系统和产品为主国外的产品将在高档系统产 品占有一席之地。其真正智能家庭网络的大市场将在2 0 0 4 - 2 0 0 7 年中形成 1 2 研究开发的必要性 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括传统的智能家居系统一般 是通过有线线路布线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 能也很差现代近距离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，从数据通信功能上来划分，智能家居网络可以 分成家庭数据网络和家庭控制网络两种 2 贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 家庭数据网络完成家居中的以下功能： ( 1 ) 提供家庭内部共享上网能力； ( 2 ) 提供多媒体家电互相通信能力，共享影音、文件如电脑和电视、v c d 、音响、p d a , m p 3 播 放器等： ( 3 ) 实现机器和机器之间大批量、高速率的数据传输 家庭控制网络完成家居中的以下功能： ( 1 ) 灯光照明控制； ( 2 ) 家居环境监测和控制； ( 3 ) 家居安防； ( 4 ) 家庭应急功能 智能家居控制系统可以归纳成是一个各种家庭设备互连和控制网络，互连是满足人们的数据通 信的基础，控制是家居自动化、智能化的根本p 】【5 】 传统智能家居控制系统的特点和不足：传统的智能家居控制系统一般是有线的方式来组建的， 如l o n w o r k s ，x - 1 0 ，r s 4 8 5 ，c a n b a s ，e t h e m e t 等其中x 1 0 是智能型家庭网络系统中最被广泛采用 之技术，主要是因为价格便宜及部分消费者可自行装设( d o - i t - y o u r s e l f ) ；而l o n w o r k s 虽然品质及性能 都较x - 1 0 好，但偏高的售价却造成难以普及，至于l o n w o r k s 目前主要市场还是在工、商业界，而 且通常需要专业人员协助装设r s 4 8 5 ，c a c t i 5 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 适台高速数据传输网络标准，用于家庭自动化控制也受到电缆布线的限制一些技术发 展已经相对比较成熟，而且在行业己经具有一定的标准性和通用性，但普遍还存在以下缺点： ( 1 ) 基于有线的方案具有明显的缺点：布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观；另一方面 系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差 ( 2 ) 智能家居内部设备的通信和控制没有一个国际上统一的通信接口标准 ( 3 ) 家居设备在家庭内部的编码方式随便混乱 针对以上提出的目前智能家屠控制领域存在的不足，我们从技术发展的角度来考查设计中要考 虑的要素 与家居数据通信网络的核心目标不一样，家居控制系统需要的是低速率低成本的控制手段音 视频等大数据传输可能需要高速的通信接口来维持，而控制网络在于设各的互连和控制功能，不需 要高速率、高q o s 的通信技术来支撑。从实用的角度来看，控制系统需要的是能提供更为便利的低 3 贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 成本组网。在家居网络中，我们要考虑以下特点： f 1 ) 低成本：家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点，这种较大规模的 网络需要一个低成本的节点组网技术 ( 2 ) 标准化：需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化工作很重要 ( 3 ) 跨平台：使用环境是一个家居环境，整个系统中有着形形色色的平台 ( 4 ) 自组织：不能期望用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和 协同工作显得十分重要 ( 5 ) 可扩展性：系统不做改动的情况下能够自动地进行软件升级和功能扩张 ( 回嵌入式应用：嵌入式技术是指设各通过嵌入式模块，直接接入】n t e m m 实现信息交互的过程， 或者通过移动通信模块( g s m i g p r 模块等) 直接接入移动网络实现远程交互的过程 1 3 智能家居控制系统的发展方向及现实意义 网络化的嵌入式无线智能家居控制系统是未来智能家居的发展方向【6 】。它能够提供标准化接口 和无线网络互连功能，而且可以通过嵌入式通信协议的实现各种家庭互连的无线标准不断提出， 推动了智能家居控制系统的无线化和接口标准化发展，无线互联为人们提供更好的移动性和更多的 便利，而标准化无线接口为不同厂家产品提供互兼容特性；各种无线网络技术迅速发展，从广域网 ( i n t 蜘鸥g s m 、g p r s b g ) 到基于i e e e s 0 2 1 1 系列的无线局域网( w l a n ) 、基于蓝牙的无线个人网 ( w p a n ) 、基于z i g b e e 低速无线个人网( l r - w p a n ) ，新网络技术标准不断涌现- 给智能家居行业的 设计赋予了一种全新的技术理念，。网络控制一切”将会在不久的将来成为生活中的现实；加上嵌入 式系统的发展，人们可以以更低的成本来开发家居主控制器，并且家届设备和主控制器都能够以低 功耗方式来运行，降低了运作的成本 本文正是适合于智能家居控制系统的发展方向，提出一种基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居 解决方案的设计该设计将g p r s 移动通信与新一代无线网络通信技术z i g b e e 相结合，实现了通过 手机短信对家庭电器及安防设备进行控制与监控 g p r s 是通用分组无线服务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的缩写，是在g s m 基础上发展起来的 一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛【7 】由于g p r s 通信网络的普 及且其实现了联网和漫游，这样利用网络传输数据不须再组建专用通信网络，因此采用短信方式传 输数据的系统应用将越来越广泛，这使得以短信方式传输控制家庭命令成为可能同时z i g b e e 是最 4 贵州大学硕士学位论文 基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 近发展起来的一种短距离无线通信技术，由于z i 邸e e 具有近距离，功耗低，低数据率，低成本等功 能，使其适合于家庭控制嘲 g p r s 网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点， 且其本身就是一个分组型数据网，支持t c - 飘i p 协议，无需经过p s t n 等网络的转接，可直接与b m m e t 网互遁因此g p r s 业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价 比优势g p r s 无线数据传输系统具有广阔的市场前景【9 1 1 1 0 】【1 1 1 【1 2 】 z i g b 是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技 术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定 的z i g s e e 是i e e e s 0 2 1 5 m 技术的商业名称该技术的核心由2 0 0 0 年1 2 月成立的i e e e8 0 2 1 5 4 工作组制定高层应用、互联互通测试和市场推广由2 0 0 2 年组建的z i g b e e 联盟负责z i g b e e 联 盟由英国m 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等组成， 已经吸引了上百家芯片公司、无线设备开发商和制造商的加入i e e e8 0 2 1 5 a 协议刚刚公布标准 化工作正在转向相关的应用和测试，第一批芯片和产品已经面市。市场分析人士认为到2 0 0 6 年， z i g b e e 设备将达到每年4 亿台的市场规模，并在6 7 年内占据三分之二的家庭自动化市场 综上所述，随着无线通信的发展，g p r s 技术和z i g s e e 短距离无线通信技术将在智能小区的建设 和工控系统中有广泛的发展前景因此，基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案是实现家居 智能化的一种建设性的提议，具有一定的现实意义且有较强的研究价值 1 4 课题的研究内容和论文结构安排 本文在分析智能家居的发展方向，研究的必要性及意义后，把外部网络( 移动同) 和家庭内部 控制网络相结合，完成了智能家居控制系统的设计 智能家居系统设计的目的：只需要手机发送短信，就可以实现控制家里的安防，三表、灯的明 暗，家电的开关 基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案采用以单户家庭为单元的通信控制模式，在每一 个家庭中都安装一个主控中心( 负责用户控制信号及家电反馈信息的接收和转发) ，及若干个与家电设 备相连的分控终端( 控制该家庭的所有电器) 主控和分控装置由家庭总线相连，家庭总线采用z i g b 无线通信方式。此装置便于家庭独自管理，安全性、可靠性高 智能家居系统的总体功能模块图如图所示： 5 贵州大学硕士学位论文 基于g p r s 和z i g b 技术的智能家居解决方案的研究 医；习 l 家电网络l 1j 智镌家居系统的功能模块图 本文的主要工作如下： ( 1 ) 分析了智能家居系统提出了基于短距离无线网络的现代智能家居系统是将来的发展趋势 ( 2 ) 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正e e 8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准，并与g p r s 网络结合完成远程可监 控的智能家居系统 ( 3 ) 并对z i e , b e e 无线技术的协议框架进行了分析，对终端节点通信物理层、m a c 层、网络层 进行了研究，论述了物理层、m a c 层的节能机制，选择m a c 层、网络层的路由协议以便更好地达 到节约能耗的目的 ( 4 ) 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离无线技术的智能家 居控制演示系统主要完成了采用g p r s 无线通信模块与新代无线网络通信技术z i g b e e 相结合， 实现了通过手机短信对家庭电器及安防设备进行控制与监控 ( 5 ) 本文主要实现了家庭网关的功能，完成了m c 3 5 i 模块到z i g b e e 模块主节点的通信协议的定 义及调试，完成了家居中z i g b e e 分节点无线网络应用在安防、三表、灯的明暗、家电的开关等设备上 的模拟演示系统，并用转换芯片c p 2 1 0 2 实现了u s b 转u a r t 的转换 确定了手机与m c 3 5 i 之间的通信协议和z i g b e e 无线射频模块与上位机之间的通信协议用不 同的 t 指令对m c 3 5 i 模块和z i g b e e 无线射频模块进行软件调试，设计了智能家居的演示系统 本论文各章安排如下： 第一章：研究了智能家居的现状、研究的必要性和现实意义 6 守 贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 第二章：介绍了系统中用到的相关技术g p r s ，z i g b e e 的特点及各层协议 第三章：对终端节点通信物理层、m a c 层、网络层进行了研究，选择m a c 层选用s m a c 协 议、网络层选用s p 矾路由协议以便更好地达到节约能耗的目的 第四章：智能家居控制系统的总体设计和选型方案 第五章：系统硬件设计：分为主控中心、分控中心和i c d 液晶显示器三部分详细介绍 第六章：系统软件设计分别介绍了手机与m c 3 5 i 之间的通信协议，z i g b e e 无线射频模块与上位 机之间的通信协议m c 3 5 i 的软件调试，z i g b e e 无线射频模块的软件调试 总结与讨论 7 贵州大学硕士学位论文 基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 第2 章g p r s 和z i g b e e 通信技术的介绍 本文研究的是基于简单低速的控制和互连作用的控制网络，不考虑高q o s 和高速率大数据量的 家庭数据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家居无线 控制网络需要的是低功耗、低成本、低复杂度、长电池寿命的标准 2 1 几种无线通信技术的对比 目前，各种无线传输技术林立，应用广泛。每个技术都有其立足的特点，或基于传输速度、距 离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；各种短距离无 线通信技术都在争取成为市场标准。这里我们重点介绍与控制网络有关的无线通信技术 ( 1 ) b d a k d a 红外线技术是家庭无线控制网络的一个选择，它设备简单，价格低廉，很容易推广而且 现有的家电通常具有红外线遥控接口，很容易融入到这样的网络中。但是红外线控制方式的作用 距离短，而且要求控制器与接收器之间必须具有目视接触，属于点对点的通信方式。因此，红外使 用不很方便，特别是对于家庭组网方式，红外方式明显是不适合的【1 3 】 ( 2 ) 家庭射频技术的h o m e r f h o m e r f 工作组是由美国家用射频委员会领导、于1 9 9 7 年成立的，其主要工作任务是为家庭 用户建立具有互操作性的话音和数据通信网h o m e r f 的普及率高达4 5 ，在家庭无线联网市场独 占鳌头但由于h o m e r f 技术标准得到的支持程度、抗干扰能力等方面的欠缺，加上市场营销策略 失当、后续研发与技术升级进展迟缓，市场优势逐渐丧失，导致最终h o m e r f 工作组不得不宣布黯 然退出无线联网市场的角逐 ( 3 ) 蓝牙技术 蓝牙技术【1 q 【1 5 j 由爱立信、东芝、i b m 和英特尔五家公司于1 9 9 8 年提出主要用来打破以红外 线或电缆线联系不同产品时受到的限制，2 0 0 0 年做到使移动电话等设备与个人电脑或任何其他设 备，仪器之同，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换 蓝牙技术是实现话音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离、支持点到点和点 8 贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 到多点的通信的无线通信技术，蓝牙最早是作为电缆的替代的一种低功耗短距离无线接口，实现在 移动电话、便携式电脑和其他电子装置之间的无缝连接，进而形成一个个局域网，使得其范围内的 各种信息化的移动和便携设备都能实现资源共享 虽然用途上与红外类似，其标准中也考虑到了与红外系统的兼容性，但是由于无线电波比红外 线有固有的优势，蓝牙技术具有更广泛的应用但是未来的家居网络中设备节点的数量将会越来越 多，蓝牙有限的网络容量将会限制其在低速控制网络中的应用另外，蓝牙的成本始终高居不下， 也就导致其无法适用于未来的大规模家居控制网络的应用目前已经有基于蓝牙的智能家居系统， 但是因为系统造价高，所以无法推广开来 蓝牙技术具有强大数据通讯优势，用于抄表领域在技术上是完全可行的目前市场上早已有蓝 牙技术的抄表模块但由蓝牙技术主要针对的是数据交换及语音信号传输，同其它专有的抄表技术 相比，有协议过于复杂、芯片成本较高的缺点 ( 4 ) z i g b 技术 z i g b e e l l 6 】【1 7 1 1 1 8 l 【1 9 1 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和 蓝牙之间的技术提案z i g b e e 协议比蓝牙、高速率个人区域网( p a n ) 或8 0 2 1 1 x 无线局域网更简单 实用z i g b e e 技术的主要特点包括以下几个部分： 1 ) 数据传输速率低只有1 0 k b l m 2 5 0 k b p s ，专注于低传输应用； 2 ) 功耗低在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月以上 3 ) 成本低因为7 _ , i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 4 ) 网络容量大每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说每个z i g b e e 设备可以与 另外2 5 4 台设备相连接；有效范围小有效覆盖范围1 0 7 5 m 之间，具体依据实际发射功率的大 小和各种不同的应用模式而定 5 ) 工作频段灵活使用的频段分别为2 4 g i - i z 、8 6 8 m a z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照 频段 6 ) 可靠采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数 据的竞争和冲突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 确认信息如果传输过程中出现问题可以进行重发 7 ) 安全z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采 用了a e s 1 2 8 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性 9 重型查兰堡主兰竺丝奎墨鱼! 墨! 塑兰! 坐! ! 垫查塑望丝量重堡盗查壅堂堑茎 z i g b e e 是一种适用于自动化系统与远程控制的无线通讯技术，具有低成本、低耗电、双向传输 的特性，而且朝开放性工业标准方向努力另外，正e e 也将z i g b e e 收纳为i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，与 z i g b e e 联盟共同推动此无线低速个人通讯标准m r p a n ) ，z i g b e e 适用于一些简单、低成本的无线局 域网络其低耗电特性，只要使用两颗a a 电池，即可维持数月甚至数年间不用换电池，对于一般 工业环境或家庭都很适用。产品发展初期会以工商业市场为主，透过一些感应器提供如大楼自动化、 保全、照明及医疗照顾等功能，初步估计在2 0 0 4 年至2 0 0 5 年间会进入一般家庭市场。至于在家庭 内可提供之应用领域则包括： 家庭保全系统、空调系统之自动温控、照明、窗帘之远程控制、高龄者及残障者之紧急呼叫器、 电视与音响之万用遥控器、无线键盘、鼠标与摇杆、烟雾侦测器、电子宠物及玩具等等。 i e e e s 0 2 1 5 4 在提出之初就强调简单、廉价、低功耗：整个z i g b e e 协议栈大小约为2 8 k b y t e s ， 而蓝牙的协议栈大小约为2 5 0 k b y t e s ，目前支持z i g b e e 技术的芯片的价格可以控制在每片$ 3 左右， 大量生产后，其售价可望降低至$ 1 左右；z i g b e e 非常强调低功耗，发送时最大功耗为3 0 m w ，占空 比约为0 1 ，用两节普通a a 电池通常可工作半年到两年，尽管相对于8 0 2 1 1 、蓝牙等技术而言，它 的数据率相当低，但是对于家庭控制应用而言己经足够【1 姐切【1 s 1 9 1 ( 5 ) g s m g p r s g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在g s m 系统上发展 出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务g p r s 采用与g s m 同 样的无线调制标准、同样的频带，同样的突发结构、同样的跳颡规则以及同样的t d m a 帧结 构g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络 资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务 和现有的通信网络相比，g p r s 有几个新特点g p r s 一个最“招人”的特点就是“永远在线, g p r s 采用的是分组交换技术，不需要像m o d e m 那样拨号连接，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。 g p r s 手机以传输资料量计费，这种计费方式对消费者来说更合理 g p r s 具有以下几方面的技术优势： 1 ) 资源利用率高 g p r s 引入了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间占用资源，这意味着多个用 户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。g p r s 用户的计费以通信的数据量为主 要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则 1 0 贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g b e e 技术的智能家居解决方案的研究 2 ) 传输速率高 g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能快速地上网浏览， 同时也使移动多媒体应用成为可能 3 慷入时间短 分组交换接入时间短，能提供快速即时的连接，可使已有的i m e m e t 应用( 如e - m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅 4 ) 支持口协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用晟广泛的p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t c m e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 由于单个模块成本较高，目前g s m g i 口s 技术还不能用于民用用户，主要用于对民用用户室内 表具以其它低成本的方式集中采集后，管理单位以此方式与小区集中器间交换信息 ( 6 ) 几种无线通信标准的性能比较 总之，考虑到控制家居的无线网络小数据流量、对适时性要求不高的特征，选用任何无线通信 技术必须考虑以下几点： 低成本：户用计量仪表是低成本的。因此这些用来联网的元件也必须是低成本的 低功耗：内置电池正常使用时间熟量表应不低于五年、水表与燃气表不应低于六年， 性能可靠，无须大量维护：这些应用需要在无人照料的情况下运转 伸缩性能好：需要联网几百至几千个设备。 表2 1 对几种主要无线通信技术的比较 z i g b e e b l u e t o o t hw i f ig p r s ，g s m 应用范围监视与控制短距离有线的替w e b 视频、w a n 、声音与数 代品e - m a i l据 系统资源4 k b - 3 2 k b2 5 0 k b +1 m b +1 6 m b + 电池寿命( 天) 1 0 0 1 0 0 0 +1 71 - 51 - 7 网络节点数2 5 5 6 5 k b 7 3 01 0 0 0 带宽( k b p s l 2 0 2 5 01 0 0 01 1 0 0 0 +6 4 - 1 2 8 通信距离( m ) 1 7 5 +1 - 1 0 +1 1 0 01 0 0 0 + 优点 可靠、低功耗、低成本、易操作高速、适应性强传输质量好、分 低成本、安全 布地域广 贵州大学硕士学位论文基于g p r s 和z i g a 技术的智能家居解决方案的研究 家庭网络( h o m en e t ，o 曲g ) 互连是指在家庭范围内将p c 、电话机、各类智能终端、家电、安防 系统、照明系统与广域网相连接的一种新技术而家庭内部组网主要是解决各种信息家电之间的数 据传输，能把外部连接传入的数据传输到相应的家电上去，同时可以把内部数据传输到外部网络在 此背景要求下g p r s 与z i g b e e 相结合是目前最适合用于家局控制系统的短距离无线通信技术 2 2g p r s 网络技术 ( 1 ) g p r s 网络总体结构【2 1 】 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增 加g g s n ( o p r s 网关支持节点1 和s g s n ( g p r s 服务