（控制科学与工程专业论文）基于cc2430的无线智能家居系统的设计.pdf

摘要 随着科技的发展，以及生活水平的提高，智能家居系统的概念开始走向大众， 虽然目前发展缓慢，但是家居智能化肯定是今后长时间内一个自动控制领域最热 门的话题。由于其广泛的应用前景和潜在的巨大的市场需求，各大电子厂商都纷 纷加入智能家居系统的研究中来，市场竞争正在慢慢形成，这促进了智能家居的 进一步发展，同时借由z i g b e e 技术的独特优势，以它为核心搭建的无线智能家 居系统成为目前最优秀的智能家屠解决方案，也是几年内智能家居发展的一个重 要方向。 无线传感器节点作为无线智能家居的基础单元，是本文的设计重点。根据智 能家居低功耗、低成本、易操作、易安装、易扩展的实际需求，经过大量的对比 调研和实际参数分析，文章明确了采用z i g b e e 技术作为家庭无线网络标准，以 c c 2 4 3 0 作为传感器节点核心处理器的设计思想。 在查阅大量相关资料后，完成了智能家居传感器节点模块的软硬件设计，并 设计了具体应用实例。硬件设计方面，设计了c c 2 4 3 0 的应用电路、供电电路、 i o 与a d 转换电路、传感器信号调理电路以及p c 通讯接口电路。软件方面则 选择了合适的网络协议算法，将t i n y o s 系统移植到了c c 2 4 3 0 平台上，然后编 写了传感器节点的收发程序。 本文首先概述了智能家居的意义及其应用前景，对比了国内外智能家居发展 的情况，并论述了将智能家居与无线传感网络结合的意义。然后深入研究了 z i g b e e 技术的技术标准及技术优势，并分析z i g , b e e 网络的协议框架结构。对网 络层、数据链接层、m a c 层和物理层进行了说明。接下来，将智能家居系统的 核心家庭组网部分与z i g b e e 技术相结合，将无线传感器节点作为重点研究对象， 分别从硬件和软件两个方面进行设计。 最后，根据目前智能网络的发展情况及应用前景，设计出了无线抄表系统， 家庭语音系统和小区停车场管理系统。虽然不能完全展示出无线智能家居的全 貌，但是通过若干方案来体现出智能家居的实用性和便捷性，以及广泛的应用前 景。 关键词：无线传感网络，z i g b e e ，无线传感器节点，智能家居，c c 2 4 3 0 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n di m p r o v e m e n to fl i v i n g s t a n d a r d ，i n t e l l i g e n th o m es y s t e mc o n c e p tb e g i nt om o v et o w a r d st h em a s s e s ，t h o u g h s l o w l yd e v e l o pa tp r e s e n t t h a tt h eh o u s ei si n t e l l i g e n tm u s tb et h eh o t t e s tt o p i co fa n a u t o m a t i cc o n t r o l l e df i e l di nl o n gt i m ei nt h ef u t u r e b e c a u s eo fi t se x t e n s i v e a p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dp o t e n t i a le n o r m o u sm a r k e td e m a n d ，e v e r yl a r g ee l e c t r o n i c m a n u f a c t u r e ra d di n t os y s t e m a t i cr e s e a r c ho fi n t e l l e c t u a lh o u s eo n ea f t e ra n o t h e r , t h e m a r k e tc o m p e t i t i o ni st a k i n gs h a p es l o w l y , t h i sp r o m o t e sf u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h e i n t e l l i g e n th o m e ，b o r r o w , b yz i g b e eu n i q u ea d v a n t a g eo ft e c h n o l o g y , r e g a r di ta s w i r e l e s si n t e l l e c t u a lh o m es y s t e mt h a tc o r ep u tu pb e c o m eb e s ti n t e l l e c t u a lh o u s e s o l u t i o na tp r e s e n ta tt h es a m et i m e i ti sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to f i n t e l l e c t u a lh o m ei naf e wy e a r st o o t h i st e x th a ss u mu pt h em e a n i n go ft h ei n t e l l e c t u a lh o u s ea n da p p l i c a t i o n p r o s p e c ta tf i r s t , h a sc o m p a r e dw i t ht h es i t u a t i o no fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l d e v e l o p m e n to fi n t e l l e c t u a lh o u s e ，e x p o u n dt h ef a c ti n t e l l e c t u a lh o u s ew i t hw i r e l e s s s e n s i n gm e a n i n gt h a tn e t w o r kc o m b i n e a f t e rc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fr e l e v a n tm a t e r i a l s ，t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ew h i c hh a sf i n i s h e dt h et r a n s d u c e rn o d a lm o d u l eo fi n t e l l e c t u a lh o u s ei s d e s i g n e d ，h a v ed e s i g n e da n de m p l o y e dt h ee m b o d i m e n ts p e c i f i c a l l y d e s i g nt h e r e s p e c t ，h a sf i n i s h e dt h es e l e c t i n gt y p eo ft h et o pm a n a g e m e n tc h i pa n dm a i n l ym a d e u pt h ef u n c t i o n ，m e n t a l i t yo fd e s i g n i n ga n dh a r d w a r ep r i n c i p l ep i c t u r eo ft h ec i r c u i t w i t hh a r d w a r e s o r w a r ec h o o s es u i t a b l ep r o c o t o la l g o r i t h m w r i t et r a n s d u c e rn o d a l r e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gp r o c e d u r e ，h a v ea l r e a d yi n t r o d u c e dt h es t e pc o u r s et h a t t i n y o sh a st r a n s p l a n t e dc c 2 4 3 0 t m st e x th a ss u mu pt h em e a n i n go ft h ei n t e l l e c t u a lh o u s ea n da p p l i c a t i o n p r o s p e c ta tf i r s t , h a sc o m p a r e dw i t ht h es i t u a t i o no fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l d e v e l o p m e n to fi n t e l l e c t u a lh o u s e ，h a v ed e s c r i b e dt h em e a n i n go fc o m b i n i n gt h e i n t e l l e c t u a lh o u s ew i t ht h ew i r e l e s ss e n s i n gn e t w o r k t h e nf u r t h e ri n v e s t i g a t et h e t e c h n i c a ls t a n d a r do fz i g b e et e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g i c a l a d v a n t a g e ，a n a l y z et h e a g r e e m e n tf r a m es t r u c t u r eo fz i g b e en e t w o r k h a v ep r o v e dt oi n t e m e t ，d a t ac h a i n i n g l a y e r , m a cl a y e ra n dp h y s i c sl a y e r a n dt h e n ，c o m b i n et h es y s t e m a t i cn u c l e a rf a m i l y g r o u p sn e t w o r kp a r to fi n t e l l e c t u a lh o u s ea n dz i g b e et e c h n o l o g y , r e g a r dn o d eo ft h e w i r e l e s st r a n s d u c e ra st h ek e yr e s e a r c ho b j e c t ，d e s i g nf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t w or e s p e c t ss e p a r a t e l y f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n tn e t w o r ka n da p p l i c a t i o n p r o s p e c t a t p r e s e n t ，d e s i g n t h ew i r e l e s s s y s t e m o f c h e c k i n gm e t e r , f a m i l y s p r o n u n c i a t i o ns y s t e ma n dd i s t r i c tp a r k i n ga r e aa d m i n i s t r a t i v es y s t e m t h o u g hc a n t t o t a l l y s h o wt h e o v e r a l l p i c t u r eo ft h ew i r e l e s si n t e l l e c t u a lh o u s e ，e m b o d y p r a c t i c a b i l i t ya n dc o n v e n i e n to ft h ei n t e l l e c t u a lh o u s eb ys e v e r a ls c h e m e s ，a n d e x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：w i r e l e s s - s e n s o rn e t w o r k ，z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o r - n o d e ，i n t e l l i g e n th o m e ， c c 2 4 3 0 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 签名： 墨建慨塑；埠峭 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 釉a 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 1 智能家居概述 第1 章绪论 智能家居的系统结构可以大致划分为内网、网关和外网三个部分【l 】。内网是 是负责连接各种家用电器的局域网，由于其需要连接的终端设备种类繁多数量庞 大，相应的组网形式也多种多样，需要具体对象具体分析。家庭内网按照不同的 任务分配可以大致划分为三类：控制家用电器及相关设备的控制网络，采集信息 并对其进行交换和分析的数据网络以及传输音频或者视频数据的多媒体网络【2 】。 家庭网关的作用是负责连接家庭内网和外网，通过家庭内外网络的互联，实现外 网控制内网的操作；同时家庭网还负责桥接各种不同的内网规格，使子网内的各 个联网设备之间可以实现相互通信。外网则是小区局域网、i n t e r n e t 等，一般 采用比较成熟的通讯方式来达到远距离信息传输的目的。 本文研究对象是家庭内部通讯网络及小区内部小范围无线网络，其中包括负 责内外网互联的家庭网关和负责采集数据和执行操作的传感器节点。其中家庭网 关的实际作用是充当家庭信息资源处理中心，是家庭内部网络的核心，肩负着组 网和对节点进行控制的任务【3 】。家庭网关的任务是利用组网技术连接家庭网络中 安装的传感关节点，再通过标准的通信协议实现智能家居对内网的检测和管理， 并且作为家庭内网与外部网络信息互连的纽带【4 】。智能家居发展到现在，能实现 多种常用且实用的功能，如：无线红外监测、温湿度监测、瓦斯泄漏监测、无线 门禁控制等，但是实现这些功能都需要智能家居网关来作为系统的支撑，没有家 庭网关，就无法实现智能家居系统的构建【5 】。本文主要关注的对象是智能家居中 的无线传感器监测网络，所以，网关上主要实现的是家庭内部各数据监测网络和 传感器网络之间的数据通信功能【6 】。 武汉理ji ：人学硕+ 学位论文 图1 1 智能家居系统结构示意图 三袭 智能家居系统需要实现的功能大概有以下几个方面： 1 ) 家庭安防功能：目前家庭安防系统主要功能是监控非法闯入、火警和煤 气泄漏的发生。一旦出现问题事件，传感器采集的数据返回到处理终端，终端向 网关发出报警信号，家庭网关接受报警信号后向物业保安心发出报警信息，并且 启动相关设备进入应急状态，及时处理事件，降低用户损失。 2 ) 家电智能控制：对家电实行智能控制，如定时开关电器，或者根据动态 采集的室内温湿度数据，智能控制空调工作状态。 3 ) 灯光智能控n - 根据不同的室内自然光强度，智能控制灯管的发光强度， 并且通过红外感测机构智能控制照明设备的开关及其照明强度。 目前智能家居系统主要应用于家庭安防、智能抄表、无线监测等领域【7 1 ，就 目前技术能力和成本要求来说，由于受到传输技术、网络平台、家庭实际消费能 力的限制，完全意义上的全智能家居系统还无法称为现实，但是利用无线传感器 技术的强大的自适应与自由扩展的能力，只要在设计系统时预留一些相应的扩展 物理接口，当需要添加设备或是技术更新时不需要对现有系统进行改造，只需通 过f i r m w a r e 升级和传感器节点的扩充即可实现升级【引。 1 2 智能家居的发展 家居智能化的构想很早都被提出来了，但是很长一段时间没有真正具体到现 实生活的应用中。智能家居系统真正起源于1 9 8 5 年，美国建成了首栋智能化的 写字楼，其基本理念就是利用计算机系统的处理能力，来实现对大楼的空调、电 2 国眦 7， 信踏 一 、 武汉理工人学硕十学位论文 梯、照明设备等进行智能的监测和控制，将以前采用人工控制的参数全部改为自 动化设置，这便是世界上第一栋智能型建筑，智能家居系统从此步入了实用阶段 【9 】 o 1 2 1 其他国家智能家居发展情况 随着世晃上第一例智能家居应用实例的出现，欧洲，美洲等区域内的大部分 国家都推出了各种智能家居解决方案。目前，美国、英国、同本等国的智能家居 系统都丌始充分的渗透进入居民的日常生活中去。 作为一个新兴的概念，智能家居才处于刚刚起步的阶段，但是其市场前景已 被一致认同，这直接导致电子类相关行业的巨头们争先恐后的抢占这个领域的先 机。其中包括i n t e l 、m o t o r o l a 、i b m 、c i s c o 、n o r t e l 、l u c e n t 、3 c o m 和松下等 航母级企业，他们都陆续建立了智能信息家电及智能家居子公司。美国硅谷也已 经把网络信息服务技术充分融入到家庭的应用作为目前技术发展的重点方向来 研究。世乔知名风险资本公司和各大电子公司都纷纷开始进行密切合作，用巨额 的研发经费来支持智能家居的研发和设计。诺基亚、摩托罗拉等几家移动通讯设 备领域的巨头也正在进行智能化网络电话的开发。与此同时，许多刚刚在电子行 业起步的小规模的公司也将重心放在了智能家居领域，希望以速度和创新来博得 今后的迅猛发展，从小体积的可以支持流媒体和各种音频格式的网络浏览器，到 可以随时采集用户身体各数据指标，以便随时监测病人身体变化的装置等。目前 经常使用到的电子产品也将更加智能化、人性化。电视机、照相机、摄像机等都 已经进入数字化时代，数字化意味着系统的更新换代不再只能机械的添加部件， 只要初期设计考虑周全，在今后利用固件升级，可以方便增加产品的功能，例如 远程网络控制等。从而使用户的操控能力更强，更人性化【1 0 】。 1 2 2 国内智能家居发展情况 我国于2 0 0 0 年末才开始着手于智能家居技术的研究和开发，由于有其他国 家的经验和先例，加上国内企业的重视，经过近十年的研究和发展后正迅速逐步 走向成剥1 1 】。随着技术的发展和数字化时代的来临，家用电器逐步开始实现智 能化，还有人民生活水平的提高，以及房地产产业迅猛的发展势头，中国在智能 武汉理一r = 大学硕+ 学位论文 家居领域也有了迅猛发展并开始慢慢的渗透到居民的日常生活中。智能家居的概 念开始得到人们的认可，发展势头也越发的猛烈。 1 3 无线传感器网络的起源与发展 无线传感器网络是由传感器技术，微机电技术，现代网络技术和无线通信等 技术有机综合后得到的新产物【1 2 】。 无线传感网络是一种融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理 技术和通信技术的综合性传感器网络【l3 1 。它能够通过各种机构的合作，来实现 对具体对象的实时监测、感知或者采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的 参数信息，同时对这些信息进行处理，根据具体需要来获得用户需求的具体信息。 例如，使用无线传感网络，动物学家可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下， 实时监视它们的各项生物指标及其生存环境的温度、湿度和气压等参数【1 4 】。 无线传感网络可以通过分散在特定空间罩的若干个传感器实时采集特定数 据，而不需要操作人员现场介入操作，这样，在一些不适合人工操作的高危地带 采集特定数据的任务就可以通过无线传感器网络的遥感功能来完成。利用传感器 网络，人们可以在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量实时、具体且 可靠的信息。因此，当代国防军事、工农业控制，城市管理，环境监测、交通管 理、医疗卫生、制造业等领域都开始充分采用这种网络系统。无线传感器网络的 出现是信息感知和数据采集的一场革命【1 5 】。美国商业周刊和技术评论杂志 在预测未来技术发展的报告中，都不约而同的将无线传感器网络视作最具影响的 2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一【1 6 】。无线传感器网络与塑料电子学和仿生 人体器官并称为全球未来发展的三大高科技产业【1 7 】。 1 4 无线智能家居的意义 家庭网络系统的研究起源于1 9 7 0 年，我国对家庭网络系统的研究起步比较 晚，到目前为止，也就经历了六、七年的时间。过去的家居网络多采用有线连接， 虽然有线通信虽然成熟，但是系统的成本、维护和扩展升级等方面都不符合家用 标准。也有部分设计采用蓝牙、u w b 等短距离无线通信技术，但是受限于技术缺 陷及缺乏统一的技术标准作为指导，加上成本和功耗不易控制，所以无法形成普 4 武汉理r 大学硕十学位论文 及的趋势。但是无线技术任然是家庭网络发展的主流方向，而近几年出现的 z i g b e e 无线技术相比于其他无线信技术，其特性最符合组件家庭无线网络的需 求。同时作为标准通信协议的z i g b e e 技术，可以为各个厂商提供统一的产品技 术标准，这无疑是智能家居普及的一个重要条件1 8 】。 1 5 论文的研究思路与文章结构 1 5 1 论文的研究思路 随着生活水平的提高，智能家居不再是个遥远的概念，它的身影已经慢慢的 进入大众的视野，目前的智能家居系统大部分任然采用的是传统的有线连接方 式，使得系统先天就存在诸多缺陷，易用性大打折扣。目前无线传感网络飞速的 发展，给智能家居的无线化提供了一个良好的技术基础，而近几年兴起的z i g b e e 技术，无疑是推动智能家居系统无线化的中坚力量。 z i g b e e 是一种新兴的无线通信技术标准，虽然其数据交换量小，传输速率 较低，但是它的低成本、低功耗以及网络容量大则是最能满足家庭组网需求的特 性。在数据通信工作状态下，它具备较短的连接时间，大大降低通讯数据碰撞的 几率。而在网络安全方面，它具备对传输数据信息的智能加密处理能力，信息安 全性较高。经过以上分析，可以确认z i g b e e 符合家庭传感器组网的特性需求。 本文通过对无线传感器网络和智能家居功能的研究，将z i g b e e 技术与智能家居 相结合，设计出具备实用性的无线智能家居系统。本文研究的重点和难点有以下 几点： ( 1 ) 对无线传感器网络和智能家居进行调研，掌握它们的理论知识和实际 功能； ( 2 ) 经过比较各种近距离无线通讯技术的特点，确认z i g b e e 技术在家用领 域的可行性； ( 3 ) 研究c c 2 4 3 0 的参数规格和技术特性，设计出相应的外围电路，选择合 适的网络协议，编写c c 2 4 3 0 的收发程序。以c c 2 4 3 0 为核心设计出智能家居中的 传感器节点。 ( 4 ) 根据智能家居发展情况和发展趋势，设计出完善的无线智能家居系统。 武汉理- l ：人学硕+ 学位论文 本文主要针对上面几个重点问题，通过学习研究，寻找出有效的解决方法， 设计出一套智能家居系统的设计方案。 1 5 2 文章结构 本论文各章节结构及主要内容如下： 第1 章对智能家居做一个整体概述，然后介绍无线传感网络的发展，并讨论 智能家居在国内外的发展状况和发展趋势，明确无线传感网络与智能家居结合的 意义。 第2 章主要介绍比较各种组网技术的特点，论证z i g b e e 技术组建家庭内部 通信网的合理性。对z i g b e e 技术进行概述，并分析z i g b e e 的技术特点，协议框 架和各层协议的具体内容，介绍应用实例。 第3 章主要完成无线传感网络节点的硬件设计。首先分析各节点之间的工作 与通信原理，设计出传感器节点的核心处理器电路，供电电路，信号调理电路和 通讯电路的设计。 第4 章主要完成传感器节点的软件设计部分。分析了传感器节点采用的网络 协议，然后完成了传感器收发信息的软件设计，并介绍了t i n y o s 移植到c c 2 4 3 0 上的相关步骤。 第5 章主要设计出了无线抄表系统、家庭语音系统和小区停车场管理系统。 以这三个设计方案来体现无线传感网络与家居结合的实际意义。 第6 章为总结与展望。总结全文所做的工作，展望需进一步努力的方向。 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 1z i g b e e 技术概述 第2 章z i g b e e 技术研究 2 1 1z i g b e e 的技术标准 z i g b e e 是一个协议的名称，这一协议的核心基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准，其 目的是为了适用于低功耗，无线连接的监测和控制系统【1 9 1 。这一协议标准由 z i g b e e 联盟推出。z i g b e e 的基础是i e e e 无线个域网工作组所制定的i e e e 8 0 2 1 5 4 技术标准。i e e e 8 0 2 1 5 4 是z i g b e e 协议的底层标准，它主要规范了无线网 络的物理层和m a c 层的协议，其标准是由国际电工学协会i e e e 组织制定并推广。 z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1 5 4 标准都适用于低速率数据传输，最大传输速率为 2 5 0 k b p s ，与目前其他成熟的无线技术比较，z i g b e e 的缺点在于理论传输距离相 对较近【2 0 1 ，但是对于数据采集和控制信号的传输来说，首要考虑的是成本、功 耗，距离和速率参数则是次要因素。所以目前z i g b e e 技术的主要应用定位在低 速率、复杂网络、低功耗和低成本的应用。 另外，基于z i g b e e 技术可以实现数干个微小的传感器之间实现相互协调的 通信，采用接力的方式通过无线电波信号将数据从一个传感器传到另一个传感 器，这使得网络间通信效率非常高。对于无线网络来说，节点间通信距离越大， 相应的电气设备结构越复杂、系统功耗以及成本就越难控制【2 1 l 。所以如何采取 高效的短距离传输才是比较理想的无线网络解决方案，相对于现有的各种无线通 信技术，z i g b e e 技术的短距离、低功耗、低速率、低陈本是最适合作为传感器 网络的标准。 2 1 2z i g b e e 的技术优势 如今无线传输技术已经相当成熟，各种无线技术的技术特点都十分突出，因 此具体到实际应用用，必须根据实际需求和工作环境选择最合适的技术标准。表 1 是目前各种无线网络标准参数的比较： 7 武汉理i ：人学硕十学位论文 表1 1 无线网络标准的比较 网络标准系统资源电池寿命网络大小带宽传输距离特点 ( 天)( k b s ) ( m ) g p r s1 6 m b1 716 轧1 2 81 0 0 0覆盖面 积，信号 质董 w i f il m b0 5 53 2 1 1 0 0 0 1 1 0 0 带宽 b l u e t o o t h 2 5 6 k bl 777 2 0l 1 0 便携 z i g b e e 4 k b 一3 2 k b1 0 0 1 0 0 0 2 5 5 6 5 0 0 0 2 0 2 5 0 l 1 0 0功耗 z i g b e e 的技术特点表现在如下几个方面： ( 1 ) 数据传输率低：1 0k b p s - 2 5 6k b p s ，专门针对低数据量传输； ( 2 ) 低功耗工作模式：在低功耗状态下，系统使用两节普通5 号电池理论上 维持6 , - - 2 4 个月的工作时间； ( 3 ) 低成本：z i g b e e 协议结构简单，并且可以使用免费的2 4 g h z 频段，整 体成本低廉； 作为智能家居应用领域的无线传输技术，首要考虑的重点因素是功耗问题、 成本问题、网络容量问题和安全保密问题，经过以上技术特点的比较和总结，可 以看出，z i g b e e 无疑是搭建智能家居网络的最理想的选择。虽然z i g b e e 的传输 距离和带宽有一定限制，但是1 - - - - 1 0 0 米的距离足够满足普通家庭的需要，2 0 - - - 2 5 0 k b p s 的带宽也足以应付安防、温湿度等家居相关信息容量的需要。 2 2z i g b e e 协议框架 z i g b e e 是专门为低速率控制网络制定的标准无线网络协议。它在物理层、 m a c 层和数据链路层上采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，同时进行了完善和扩展。 其网络层、应用会聚层和高级应用规范接口( a p i ) 都由z i g b e e 联盟制赳2 2 1 ， 整个协议的框架结构如图2 1 所示。 武汉理i ：人学硕十学位论文 图2 1z i g b e e 协议框架结构图 z i g b e e 标准协议框架采用了多层结构，数据服务是由高层向底层提供：数 据传输服务由数据实体提供，其他相关服务则有管理实体提供。系统中所有的服 务实体接口都是由s a p 接入点提供，并且每个s a p 接入点都能提供大量的代码来 实现所需的功能 2 3 】。 z i g b e e 技术规范中定义了两个物理层，它们分别工作于两个不同的频段： 8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 。工作于8 6 8 m h z 的频段主要针对欧洲市场，工作于9 1 5 m h z 的频段主要针对美国市场。2 4 g h z 频段则是全球通用的免费无线网络频段。 m a c 层通过c s m a 机制对各个信道进行调配与切换，其工作内容是传输信标 帧，同步信息，同时提供稳定可靠的传输方案【2 4 1 。 网络层的功能是控制设备的入网和离网，并对新加入网络的设备分配i p 地 址等，并为传输的数据帧提供安全加密，同时提供相关路由机制。此外，侦测和 保持各个设备间的路由的工作也是通过网络层来实现的。作为z i g b e e 协调器的 网络层还必须负责发起一个新的网络，并且给新加入的连网设备分配相应的地址 世 奇。 z i g b e e 的应用层主要包括应用接1 ：7 子层( a p s ) 、设备绑定表( a f ) 和z i g b e e 设备对象( z d o ) 。a p s 子层的功能是建立和更新设备绑定表，并且负责提供绑定 设备间的数据传输途径。设备绑定表的功能是根据设备职能和设备需求自动配置 设备，并存储相关信息。z d o 则是专门定义设备在网络中的功能和任务( 如定义 9 武汉理工人学硕十学位论文 z i g b e e 协调器等) ，提出绑定请求或者处理绑定请求，同时保证信息在各设备间 可以安全保密的传输。同时，z d o 还要具备发现网络设备的功能以及判断设备 需要哪方面服务的能力。 2 ，21 网络层 z i g b e e 协议规定的网络层的任务足识别进入网络的设备并建立各个网络设 备间的无线通讯，其网络层支持三种拓扑结构，分别是星型、簇状和网状等三种 拓扑结构网络【2 ”。 ( 1 ) 星型拓扑结构网络 星型拓扑结构的特点是采用一个协调器与其他的节点设各通信，各个节点只 与协调器进行数据交换，所有需要分析的数据和指令都由协调器来处理，星型拓 扑结构通常采用6 4 位的扩展地址。同时，协调器负责给新加入网络中的设备分 配唯一的1 6 位地址，以节省频宽。该网路的特点是，协调器不能断电，必须采 用不间断供电方式工作，而其他节点设备则可以使用普通电池工作，任何一个节 点停止工作都不会对整个网络造成影响。星型网络结构特别适合于家居自动化、 p c 机外设以及个人健康护理等工作范围小的的室内应用。其结构图如图22 所 日i o o 简功能蹬自 o 争功能设备 网络卧调器 。：潼 尺 图22 星型尉络 ( 2 ) 簇状拓扑结构网络 簇状网络如图2 3 所示，处于网络最末端的称为“叶”( 1 e a f ) 节点，他们 是网络的终端设备。若干个叶节点设备连接在同一个路由器上，形成一个“簇” ( c l u s t e r ) ，若干个“簇”再相互联系，故称为簇状拓扑网络。簇状拓扑网络是 1 0 9 c 旷 亟堡望j 丕堂堡圭堂壁堡塞 利用路由器对星型网络的扩充。簇状网络主要适用于分布范围较大的应用场合。 u - 一 0 t l 。 。，二： o 6 圈2 3 旗状网络 ( 3 ) 网状拓扑结构网络 网状网络如图2 4 所示，此网络的结构特点是网络中的任何路由设备都可以 和它的通信范围内的其他路由设备进行相互通信。设备之问传送信息时可以通过 区域内的路由器转发，即多跳的传输方式，以增大无线网络的覆盖范围。网状拓 扑可搭建高可靠性通信网络，但网络复杂性也大大增加。对路由设备的信息处理 能力和储存能力有较高的要求。 0 向功能殴备 o 牟功能设 州络卧调擀 图2 , 4 阿抗阿络 通过对以上三种结构的比较，可以分析出，其中虽适合搭建家庭网络的无疑 是星型拓扑结构网络。因此本论文设计的无线家庭网络便是采用星型拓扑结构。 武汉理1 ：人学硕十学位论文 2 2 2d a t al i n k ( 数据链接) 层 i e e e8 0 2 系列标准把数据链路层分为媒质接入层m a c 和逻辑链路控制层 l l c 。i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 子层支持多种逻辑链路控制层标准【2 6 1 。m a c 子层工作 时，通过利用物理层提供的服务，来实现各个设备之间的数据帧传输；而逻辑链 路控制层在m a c 子层的基础上，为设备提供面向连接的服务。m a c 子层的工作任 务具体包括以下几点：协调器自动生成并向设备发送信标帧，网络中的设备通过 信标帧的内容来与协调器同步；负责判断p a n 网络的关联和取消关联；保证无线 通信的信息内容安全；采用c s m a c a 机制；支持保护时隙( g t s ) 机制；支持不同 设备的m a c 层之间的可靠传输。l l c 子层功能包括：传输可靠性保障和控制；数 据包的分段与重组；数据包的顺序传输。 2 2 3m a c 层 m a c 子层的任务是提供姒c 层数据服务和m a c 层管理服务两种不同的服务。 m a c 层数据服务主要负责m a c 层协议数据在屋罩层数据服务中能正确的收发；m a c 层管理服务则负责维护专门用来储存m a c 子层协议状态相关信息的数据库。 根据i e e e 8 0 2 1 5 4 规范的定义，m a c 层应具备以下六个方面的功能t 通过 协调器生成信标帧并发送给节点设备，节点设备依据接收到的信标帧与协调器同 步；支持p a n 网络的关联及取消操作；对无线信道的数据提供安全保障；采用 c s m a 机制共享物理通信通道；支持时隙保障技术；为对等的m a c 实体提供稳定 可靠的数据通路。在w p a n 网络中，各个独立的设备随时都有可能从一个网络切 换至另外一个网络，或者根据需求脱离网络，关联和取消关联操作即是对切换和 脱离进行控制的动作。时隙保障技术则类似于分时复用机制，不同点在于它可以 自动的为发出申请的设备分配时隙。采用时隙保障机制的前提条件是要确认系统 中各设备的内部时钟完全保持一致，z i g b e e 协议中定义的时间同步时通过超级 帧( s u p e rf r a m e ) 技术实现的【2 7 】。z i g b e e 的帧结构的设计理念是利用最简单的 网络结构来实现消除信号干扰的数据传输，每一个协议层都是在其前一个协议层 的基础上，修改帧头或者帧尾形成的。m a c 层的帧结构是低复杂度，高抗干扰能 1 2 武汉理j f ：人学硕+ 学位论文 力的体现，m a c 层的帧内容包括帧头、负载信息和帧尾。帧头包含有帧序列号、 帧控制信息以及地址信息等。负载信息为长度可变式，负载的具体信息内容由帧 类型决定。帧尾包含的信息为c r c 校验序列，即数据传输时，将帧头和负载的信 息根据一定算法转化成1 6 位校验编码，以便接收端校验帧内容是否接收正确。 m a c 层中的帧结构可以分为数据帧、信标帧、响应帧和命令帧四种f 2 8 】，各帧 的具体功能如下： 数据帧：包含所有的数据。 信标帧：专门由协调器生成和使用。 响应帧：确认帧数据是否正确传送。 m a c 命令帧：负责m a c 对等实体之间的命令传送。 以上四种类型的帧结构示意图如图2 5 所示。 m a c 子层中，设备的地址主要采用采用两种格式：1 6 位的短地址和6 4 位的 扩展地址。1 6 位短地址是网络设备与p a n 网络协调器进行关联操作时，网络协 调器自动生成的内部地址；而6 4 位长地址则是全球唯一的识别地址，在设备出 厂时就已设计好，无法更改。1 6 位短地址只需要保证在内网中具有唯一性即可， 同时，使用短地址通讯必须配合p a n 网络的1 6 位网络标识符才有意义。两种不 同长度的地址的主要差异体在于：地址信息长度不同，所以数据帧采用哪种地址 须由帧控制字节的内容指定。同时，由于m a c 帧负载长度可以通过帧头和负载信 息的长度计算出来，所以在帧结构中，没有专门负责表示帧长度的字段。 数据帧 标识帧 响应帧 命令帧 2 7 - - 节l 字节0 2 0 字节可变值2 字节 帧控制域 帧序号域地址域 数据帧校验 图2 5m a c 层帧结构示意图 武汉理f ：人学硕士学位论文 2 2 4p h y ( 物理层) i e e e 8 0 2 1 5 4 作为z i g b e e 技术的底层标准共包含两个部分：物理层( f h y ) 标准和多媒体访问控制子层标准。图2 6 为i e e e 8 0 2 1 5 4 的分层结构参考模型。 i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层定义了信道和m a c 层之间的物理接口，负责物理层 数据的传输和管理【2 9 】。 在图2 6 中，物理层( p h y ) 与s a p 的各实体的功能如下： 1 ) p l m e ： 物理层管理实体，负责处理与物理层管理相关的代码。 2 ) p h y p i d ： 物理层中负责储存p a n 信息的数据库。 3 ) p d s a p ：物理层与m a c 层的数据接口。负责接收m a c 帧，并向m a c 层 反馈接收到的m a c 帧，并向m a c 层提供物理层数据服务。 4 ) p l m e s a p ：p l m e 专用服务访问点，充当物理层与m a c 层之间的管理接口， 同时接收m a c 层的管理请求，并且向m a c 层反馈确认信息，为m a c 层提供物理层 的管理服务。 5 ) r f s a p ：r f 射频服务访问点，为物理层提供射频通讯服务支持。通过 r f s a p ，物理层实现了以下几方面功能：通信通道能量检测，对接收到的数据包 进行连接质量提示，接收传输数据，空闲通信通道评估等。其中，信道能量检测 的功能是根据测量目标频道中的信号强度，来计算出有效信号与噪声信号的比 值，并用此值作为网络层选择频道的依据。连线质量提示主要监测的是网络层和 物理层接收数据帧时，无线信号的信号强度和信号质量。连线质量与信道能量检 测的主要区别在于，它对检测的信号需要进行解码( d e c o d e ) 操作得出一个信噪 比指标，并将该信噪比指标与物理层数据单元一起打包，发送给上层实体处理。 空闲频道评估则是负责分析所用频道是否空闲。z i g b e e 协议共定义了三种空闲 频道评估模式：l 、通过分析通信信号能量强度，来判断频道是否处于空闲状态， 即当对象信号的能量指标低于某一个设定值时，就可以认为通信通道处于空闲状 态；2 、通过分析无线信号的扩展信号特征和信号载波频率，根据相关数据判断 通信通道是否空闲；3 、将1 和2 两种模式综合起来，同时考虑对象信号强度和 扩频信号及载波率特征，做出更全面准确的判断。 1 4 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 图2 6 z i g b e e 的分层参考模型 2 3z i g b e e 的应用范围 2 3 1z i g b e e 的应用条件 目前z i g b e e 无线技术主要应用于消费电子产品、通信设备、家庭自动化设 备、工控设备、医用传感器等设备以及支持各种小范围自动控制领域。通常，如 果设计的对象网络有符合以下几点要求的，就可以采用z i g b e e 技术作为无线传 输解决方案： ( 1 ) 要求系统整体成本低，系统内部数据传输量少； ( 2 ) 设备体积要求有限制，不能配备大型电池模块； ( 3 ) 不便于提供持续外接电源供应，只能采用电池作为供电方案的设备； ( 4 ) 避免经常更换电池，并能长时间工作； ( 5 ) 大规模的检测和控制网络。 2 3 2z i g b e e 的应用实例 按照数据流的传输特征，z i g b e e 的应用可以分成持续性数据传输、周期性 ， 数据传输和间断性数据传输三种应用模式。持续性数据传输应用于低延时数据传 输业务，例如键盘、鼠标等需要持续数据通信的设备都采用该模式。周期性数据 武汉理 ：人学硕十学位论文 传输则是在固定时间间隔内传输数据