（通信与信息系统专业论文）zigbee技术在智能家居中的应用.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕j j 学位论文 z i g b e e 技术在智能家居中的应用 摘要 随着信息技术和网络技术的高速发展及人们居住理念的变化与提升，人 们越来越追求生活细节的简单化和智能化，希望在日常家居生活中都能置入 智能化程序，享受“一键o k 式的简单生活操作。于是智能家居、智能住 宅、数字家园、网络化住宅、家庭网络、数码家庭等概念在国内外被广泛提 出，各种新技术在家庭智能化系统中不断得到应用。 低功耗、低成本、易于组网和维护的家庭智能化系统的研究与开发，是 一项有关自动控制、计算机、通信等多学科交叉研究的课题。z i g b e e 是一 个最近新出现的无线通信技术，以短距离，低功耗，优秀组网能力等特点在 家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。蓝牙、w l a n 技术，由于协议复杂、成本高、耗电等，在上述应用领域中的推广应 用遇到较大的困难。 本文根据将z i g b e e 无线技术应用在智能家居上，并通过因特网甚至是 手机远程监控来实现智能家居设备的管理这一理念，构建了智能家居系统， 通过家庭网关将家庭内部无线网络和外部广域网沟通起来。 研究了z i g b e e 各个通信协议层的具体功能与作用，采用j e n n i c 公司的 j n 5 1 3 9 r 1 m 0 模块，它符合z i g b e e 标准。以该模块为核心设计节点硬件电 路，在开源代码的基础上完成了协调器和终端节点软件相关应用的设计，从 而组建智能家居内部无线网络。 家庭网关是由家居内部无线网络z i g b e e 协调者和嵌入式w e b 服务器两 个部分组成，两者各司其职，前者主导家庭内部无线网络，后者与外部网络 通信。为了实现远程监控功能，以嵌入式l i n u x 为平台构建了w e b 服务 器，并移植了数据库s q l i t e 。用户通过家庭网关达到监控智能家居的目的。 实验结果表明，用户通过家庭网关可以实时监控和管理智能家庭设备， z i g b e e 无线技术适合于组建智能家居系统，系统安装方便，扩展性好，具 有很好的实用价值。 关键词智能家居；家庭网关；z i g b e e 技术；w e b 服务器 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 z i g b e e t e c h n o l o a p p l i e di ni n t e l l e c t u a l i z e d h o m e a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , a n dp e o p l ec h a n g et h e i rn o t i o ni nt h e i rd w e l l ，w h a tp e o p l ew a n ti st os i m p l i f y a n di n t e l l i g e n t i z et h ed e t a i l so fl i v e ，t oe m b e dk i n d so fi n t e l l i g e n t i z e dp r o g r a m s i nh o m ea p p l i c a t i o na n de n j o yt h es i m p l el i f eo f “o n ek e y so k ”t y p e t h e c o n c e p t s ，s u c ha si n t e l l i g e n th o m e ，n e t w o r k e dh o u s e ，h o m en e t w o r k ，d i g i t a l f a m i l yo fi n t e l l e c t u a lh o m e ，d i g i t a lh o m e ，e t c a r ep r o p o s e de x t e n s i v e l ya th o m e a n da b r o a d ，m o r ea n dm o r en e wt e c h n o l o g i e sa r eg e t t i n ga p p l i c a t i o ni nf a m i l y i n t e l l i g e n ts y s t e mo n ea f t e ra n o t h e r t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tf a m i l yo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，e a s y g r o u pn e t w o r k ，i sam u l t i d i s c i p l i n a r y t oc r o s ss u b je c t sf o rr e s e a r c hw h i c ha r e r e l e v a n tt oa u t o m a t i o n ，c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，e t c z i g b e ei san e wg l o b a l s t a n d a r df o rw i r e l e s sc o n n e c t i v i t y , h a v i n gw i d ef o r e g r o u n do fp r o d u c t sw i t h i n h o m ec o n t r o l ，b u i l d i n ga u t o m a t i o na n di n d u s t r i a lc o n t r o la n dm o n i t o r i n g i ti s n o ww i d e l yr e c o g n i z e dt h a ts t a n d a r d ss u c ha sb l u e t o o t ha n dw l a na r en o t s u i t e df o rl o wp o w e ra p p l i c a t i o n s ，w h i c hi sd u et ot h e s es t a n d a r d s h i g hn o d e c o s t sa sw e l la sc o m p l e xp r o t o c o l sa n dh i g hp o w e r b a s e do nt h ez i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yw i l lb eu s e di nt h ei n t e l l i g e n th o m e ，a n de v e nt h r o u g ht h ei n t e r n e ta n dm o b i l ep h o n e sr e m o t em o n i t o r i n ge q u i p m e n tt oa c h i e v et h em a n a g e m e n to ft h ei n t e l l i g e n th o m ec o n c e p t ，b u i l d i n gai n t e l l i - g e n th o m es y s t e mt h a ti n t r a - - f a m i l yw i r e l e s sn e t w o r ka n de x t e r n a lw a n c o m m u - n i c a t et h r o u g hh o m eg a t e w a y z i g b e es t u d i e dv a r i o u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sl e v e lo ft h es p e c i f i cf u n c t i o na n dr o l e u s e dj e n n i ec o r p o r a t i o n sj n 513 9 r 1 - m 0m o d u l e ，i tc o n f o r m st ot h e z i g b e es t a n d a r d t a k i n gt h i sm o d u l ea st h ec o r ed e s i g nn o d eh a r d w a r ec i r c u i t ，b a s e do no p e n e dt h es o u r c ec o d et oc o m p l e t et h ec o o r d i n a t o ra n dt h et e r m i n a ln o 一 u 哈尔滨理1 = 人学t 学硕t 学位论文 d es o f t w a r er e l a t e da p p l i c a t i o nd e s i g nt os e tu pw i r e l e s sn e t w o r k so fi n t e l l i g e n t h o m e h o m eg a t e w a yi sc o m p o s e do ft h ei n t e r n a ln e t w o r kc o o r d i n a t o ra n dt h e e m b e d d e dw e bs e r v e rt w op a r t s b o t hc a r r yo u tt h e i rd u t i e s ，t h ef o r m e rl e a d i n g s e n s o rn e t w o r k t h el a t t e rc o m m u n i c a t i n gw i t ht h eo u t s i d en e t w o r k i no r d e rt o a c h i e v er e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o n ，e m b e d d e dl i n u xa sap l a t f o r mt ob u i l da w e bs e r v e r , a n dad a t a b a s es q l i t et r a n s p l a n t a t i o n u s e r st h r o u g ht h eh o m e g a t e w a yt ot h ep u r p o s eo f t h ei n t e l l i g e n th o m em o n i t o r i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tu s e r st h r o u g ht h ef a m i l yg a t e w a yc a nb e r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to fi n t e l l i g e n th o m ee q u i p m e n t ，z i g b e ew i - r e l e s st e c h n o l o g ys u i t e dt of o r mi n t e l l i g e n th o m es y s t e m s ，s y s t e mi n s t a l l a t i o nc o - n v e n i e n c e ，s c a l a b i l i t y ，a n dag o o dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d si n t e l l i g e n th o m e ，h o m eg a t e w a y ，z i g b e et e c h n o l o g y ，w e bs e r v e r i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明。 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文z 埒占口貅荟铆眙秽犍肇灾 在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得 的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研 究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注 明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：卸l 笋 日期：铆扩年多月眨日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 呦晓稻始智船象解鲍玲系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在 导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有， 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：鲁p 寥甲 翩签叼 f 罘役 1 5 m s 信道数 8 6 8 9 1 5 m h z ：1 1 ： 2 4 g ：1 6 寻址方式6 4 比特i e e e 地址，8 比特网络地址 信道接入c s m a c a 和时序化的c s m a c a 温度 4 0 0 c 一8 5 0 c 2 5 z i g b e e 协议框架 z i g b e e 标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据 实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都 通过服务接入点( s a p ) 为上层提供一个接口，每个s a p 都支持一定数量的服务 原语来实现所需的功能【l 7 1 。 z i g b e e 标准堆栈架构是在o s i 七层模型的基础上根据市场和实际需要定 义的。i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了底层：物理层( p h y s i c a ll a y e r p h y ) 和媒 体访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b l a y e r ，m a c ) 层。z i g b e e 联盟在此 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 基础上定义了网络层州e 咖r kl a y e r ，n w k ) ，应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ，a p e ) 架构。其中应用层包括应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ，a p s ) ，应 用架构( a p p l i c a t i o n f r a m e w o r k ，a f ) ，如图2 2 所示。 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层( p h y ) ，分别工作在两个频段上： 8 6 8 9 1 5 s m h z 和2 4 g h z 。其中低频段物理层覆盖了8 6 8 m h z 的欧洲频段和 9 1 5 m h z 的美国与澳大利亚等国的频段。高频段则全球通用。 i e e e8 0 2 15 4 m a c 层采用c s m a c a 机制来控制信道接入，主要负责传 输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。网络层的主要职责包括提供设备 用来加入网络和离开网络的机制，提传输的安全机制和路由机制。另外，发现 并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是有网络层州w k ) 完成的。z i g b e e 协调器的n w k 层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联 设备分配地址等工作。 应用类 z i g b e e 或o e m 自定j v 应用框架 网络层安全层协议 7 ：d 。e 联 m a c 层 “1 号。 i e e e 组织 p h y 层 上 、r 图2 - 2z i g b e e 协议栈框架 f i g 2 - 2z i g b e ep r o t o c o lf r a m e w o r k z i g b e e 应用层包括a p s ，a f ，z d o 以及用户定义应用对象。应用支持子 层( a p s ) 负责维护设备绑定表，以及传输在绑定的设备间传输数据。设备绑定 表用于根据设备间提供的服务和需求来匹配设备并储存相关设备信息的。 z i g b e e 设备对象( z d o ) 负责定义设备在网络中的角色( 如z i g b e e 协调器或中断 设备) ，提出或响应绑定请求，以及建立网络设备间的安全关系。z i g b e e 设备 对象( z d o ) 还要负责网络设备的发现及判定对方提供哪类服务。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 2 6 z i g b e e 协议介绍 i e e e8 0 2 1 5 4 作为z i g b e e 的底层标准包括两个部分：物理层( p h y s i c a l l a y e r ，p h y ) 规范和媒体访问控制子层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u bl a y e r ， m a c 子层) 规范。图2 3 为i e e e8 0 2 1 5 4 的分层参考模型【1 8 】。 图2 3i e e e s 0 2 15 4 的分层参考模型 f i g 2 - 3t h el a y e r i n gr e f e r e n c em o d e l o fi e e e 8 0 2 15 4 2 6 1 物理层 i e e e8 0 2 1 5 4 的物理层定义了物理信道和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，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。 如图2 3 中物理层各功能实体和s a p 的具体描述如下： 1 p l m ep h y 层管理实体处理与物理层管理相关的原语。 2 p h y - p i bp h y 层p a n 信息数据库存储物理层p a n 相关属性。 3 p d s a pp h y 数据服务访问点物理层与m a c 层的数据接口。 接收将要发送的m a c 帧、向m a c 层报告收到的m a c 帧，为m a c 层提供 p h y 数据服务。 4 p l m e s a pp l m e 服务访问点物理层与m a c 层的管理接口。 接收m a c 的管理请求原语，向m a c 层报告管理指示原语和确认原语，为上 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 层m a c 层提供p h 管理服务。 5 r f s a p 射频服务访问点为p h y 层提供射频收发服务。 根据标准的定义，物理层实现了如下功能：信道进行能量检测( e n e r g y d e t e c t e d ) 、对收到的包进行链路质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 、接收 发送数据、空闲信道评估( c l e a rc h a n n e l a s s e s s m e n tc c a ) 等。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要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操作，所以检测结果是有效信号 功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质 量的信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号解码，生成的是一个信噪比 指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估 模式：第一种，简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值就认 为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方 面，即扩频信号和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号 强度和信号特征，给出信道空闲判断。 2 6 2m a c 层 m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a c s u b l a y e r m a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) 。前者保证m a c 协议数据单元在物理层 数据服务中正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据 库。图2 3 中m a c 层各功能实体和s a t ) 的具体描述如下： 1 m a cc o m m o np a r ts u b l a y e rm a c 公共部分子层( m c p s ) 实现m a c 层一般功能。包括m a c 帧的封装、解封装；执行c s m a c a 算法。 2 m l m em a c 层管理实体处理除数据原语之外的所有管理原语，以 实现标准规定的m a c 层功能，如超帧管理( s u p e rf r a m e ) 、信标帧同步、创建 网络、建立释放网络关联等等。 3 m a cp i bm a c 层p a n 信息数据库存储m a c 层p a n 相关属性。 4 m c p s - s a pm o p s 服务访问点m a c 层与网络层的数据接口。接收上 层的协议数据单元、向上层报告m a c 层服务数据单元，为上层提供m a c 数 据服务。 5 m l m e - s a pm l m e 服务访问点 m a c 层与网络层的管理接口。接收发 哈尔滨理工人学工学硕七学位论文 送数据原语以外的管理服务原语，为上层提供m a c 管理服务。 根据标准的定义，m a c 层的完成如下六个方面的功能：协调器产生并发 送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持p a n 网络的关 联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作；支持无线信道通信安全；使用 c s m a c a 机制共享物理信道；支持时隙保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 与机 制；为两个对等的m a c 实体提供可靠的数据链路。 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 帧结构的设计原则是保证网络在有噪音的信道上以 足够健壮的传输的同时将网络的复杂性降到最低。每一后继的协议层都是在其 前一层添加或者去除帧头和帧尾而形成。 m a c 层帧结构的设计目标是用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下 的可靠数据传输。每个m a c 子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧 头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。m a c 子层负载具有可变长度， 具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的1 6 位c r c 校验序列。 i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层定义了4 种基本帧结构。 信标帧，数据帧，确认帧和m a c 命令帧。其基本功能如下： 1 信标帧供协调者使用。 2 数据帧承载所有的数据。 3 响应帧确认帧的顺利传送。 4 m a c 命令帧用来处理m a c 对等实体之间的控制传送【1 9 i 。 各类型帧结构如图2 4 所示。 在m a c 子层中设备地址有两种格式：1 6 位( 两个字节) 的短地址和6 4 位( 8 个字节) 的扩展地址。1 6 位短地址是设备与p a n 网络协调器关联时，由 协调器分配的网内局部地址；6 4 位扩展地址是全球惟一地址，在设备进入网络 之前就分配好了。1 6 位短地址只能保证在p a n 网络内部是惟一的，所以在使 用1 6 位短地址通信时需要结合1 6 位的p a n 网络标识符才有意义。两种地址 类型的地址：信息的长度是不同的，从而导致m a c 帧头的长度也是可变的。 一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。在帧结构中没有表示 帧长度的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示m a c 帧长度的字段，m a c 负载长度可以通过物理层帧长和m a c 帧头的长度计算出来。 哈尔滨理t 人学工学硕十学位论文 数据帧 最大1 2 7 字节 2 字节l 字节o 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 臣巫工至三叵 臣堕工至互 堕 二互工三 臣巫工至互 巫 二互工互 图2 - 4m a c 层帧结构 f i g 2 - 4t h ef l a m es t r u c t u r eo fm a cl a y e r 26 气网络尾 z i g b e e 网络层主要功能是发现设备并建立设备间无线链路，其网络层支持 三种网络拓扑结构，星型结构( s t a r ) 、簇状结构( c l u s t e rt r e e ) 和网状结构 ( m e s h ) 。其中树形结构和网状结构都是属于点对点的拓扑结构，它们是点对 点拓扑结构的复杂化形式【2 们。三种结构如图2 5 所示： 星状拓扑结构中有一个协调者和其它的设备所组成，其它的装置都只能 与协调者连接，完全有协调者处理所需要处理的事情，这种拓扑结构基本上使 用6 4 位( 8 个字节) 的扩展地址，此外，协调者给加入网络的设备分配1 6 为 的地址以节省频宽。在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电， 而其他设备采用电池供电。 点对点的拓扑结构也有一个协调者，用来点对点网络中也需要网络协调 器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能，但是其他非协调者的 f f d 除了与协调者连接外，也可、以对在其一定范围内的其他的设备进行通 信，不过终端设备只能与f f d 连接，而点对点在实际的应用中主要是以更复 杂的方式运作，如图2 5 中的树形结构( c l u s t e rt r e e ) 和网状结构( m e s h ) 等，点对 点网络模式可以支持a d h o c 网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。 这使得该类型的网络具有较高的可靠性和可测量性，因为它可以提供不止一条 的网络路径。像这样的网络还具有所谓的“自修复 功能。例如，如果一个路 哈尔滨理工大学t 学硕卜学位论义 由器节点出现故障，数据将由网络中可选的其他路由器传送，前提是路由器节 点的密度足够大。 m 络协调器m 络路山节? 、i 叫络终端 图2 - 5z i g b e e 网络拓扑结构 f i g 2 5t h en e t w o r kt o p o l o g yo fz i g b e e z i g b e e 网络层主要考虑采用基于a d h o c 技术的网络协议，包括以下功 能：通用的网络层功能，拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻 址、路由和安全。有自组织、白维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维 护成本。 2 7 智能家居的网络拓扑选择 前面提到过，z i g b e e 的网络拓扑结构有三种：星型网络，树形网络，网型 网络。下面对这三种拓扑网络进行比较选定智能家居所选用的拓扑网络。 1 星形拓扑最大优点是结构简单，这种简单带来的是很少有上层协议需 要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理简便。中心节点可以承 担许多管理工作，如：发放证书和远距离网关管理等。但是这种简单是以灵活 性的牺牲为代价的。因为需要把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内， 这必然会限制无线网络的覆盖范围。并且星形拓扑很难实现高密度地扩展。集 中的信息涌向中心节点，容易形成热点，导致网络拥塞、丢包、性能下降等， 这取决于数据量的情况。目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大 量应用在远程监测和控制中【2 1 1 。 2 树形拓扑是多个星形拓扑的集合。如图2 5 所示，若干个星形拓扑连 接到一起，扩展到更广阔的区域，就像植物学中的分支一样。从技术的观点来 哈尔滨理丁大学下学硕i ：学位论文 看，树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构。 树形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性：较少的上层路由 信息、较低的存储器需求，这样成本必然也较低。 然而，树形结构也不能很好的适应外部的动态环境。从图中可以看出，在 信息源与目的之间，有且仅有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将会 使部分节点脱离网络【2 2 1 。树形拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中， 也可以很好地用在一些简单的低数据量( 如传感器) 的大规模集合的应用之中。 如果应用需要有一定的覆盖范围，网络有一定的稳定性和扩展性，树形结构将 是一个简单的选择。 3 网形网络是一个具有很高的适应环境的能力。网络中的每个节点都是 一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠 性，可以看出网络中任意两个节点的通讯路径不是唯一的。网形拓扑与星形、 树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定可知的路由模 式。这样信息传输时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计【2 3 1 。更重要 的是，即使对一个经验丰富的网络设计师来说，定性地分析网形算法也是一件 极具挑战的工作。网络设计师通常在需要高度可靠、可实现的场合应用网形结 构。 建立一个无线网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的 结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。像家庭这样的小型局域 网通常采用的是星型网络，成本低廉，结构简单，连接容易，容易扩充和管 理。家庭内部无线网络连接距离较短，一般在1 0 0 米以内，家用电器位置容易 改变，家庭电器等的数量也容易变化，网络中的信息传送主要在无线数字家居 服务器和其它室内终端之间。根据家庭网络的这些特点以及以上介绍的无线网 络拓扑结构，本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭网络。z i g b e e 技术 最大传输距离1 0 0 米，完全满足家庭网络需要。 2 8 本章小结 家庭内部通信网络未来的发展方向是无线组网方式，多种无线组网方式 中，z i g b e e 技术成本低、功耗低，数据量小，网络容量大，符合智能家居系 统通信网络的特点。本章介绍z i g b e e 技术的概要，技术特点，协议框架以及 各层协议的具体内容，通过分析比较三种网络拓扑结构以及结合智能家居系统 的特点，星形网络的拓扑结构更适合于本课题。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 第3 章z i g b e e 节点的硬件和软件设计 3 1 引言 由于众多厂商对z i g b e e 无线技术前景的看一好，许多符合z i g b e e 技术标 准的通信模块纷纷被研制出来，并提供相应z i g b e e 技术的解决方案，以满足 客户对z i g b e e 产品的开发需求，因此正确的选择一款适合的模块尤其重要。 本章首先描述了课题开发的智能家居系统的整体功能模块组成，说明了所设计 家庭网关的功能及结构，并选定通讯模块。本设计硬件电路功能简单即可满足 所需要求，因此协调器节点和终端节点采用统一的硬件结构。 节点软件设计，要根据网络的拓扑结构中节点所处的角色来分别设计，本 文根据智能家居特点，提炼一个简洁的星形网络结构，因此对应的软件设计只 有网络协调器软件设计和端节点软件设计。 3 2 系统的总体方案 根据上文图2 1 ，课题所设计的智能家居系统的总体功能模块图如图3 1 所示。 图3 - 1 智能家居系统的功能模块图 f i g 3 1t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so fi n t e l l i g e n th o m es y s t e m 哈尔滨理t 大学工学硕七学位论文 从图中可以看出，智能家居整体系统主要由上位机的人机界面、家庭网 关、协调器节点以及家庭内部的家电传感器终端节点几部分组成。网络总体上 分为家庭外部网络和家庭内部网络两部分，分别对应因特网和z i g b e e 网络。 家庭网关是系统的灵魂和核心控制所在，它包括嵌入式w e b 服务器和内 部无线网络协调器。对外可以提供各种远程智能控制接口，操作者可以通过任 何一台连接到i n t e m e t 的p c 机访问w e b 页，对家中的终端节点进行数据访问 或者控制。家庭网关由上述的接外部网和家庭内部网两大功能，下文将介绍嵌 入式w e b 服务器的构建。 协调器节点负责建入家庭内部无线网络，并将接受的数据进行处理。 节点单元包括以下两部分部件：射频收发模块、传感器或受控终端以及两 者之间的接口控制模块。射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口，进 行网络中各节点设备的网络无线连接和无线数据或指令的收发。系统的终端传 感或受控单元，主要进行环境温度、湿度等各种数据的采集或者进行有人闯入 或者有毒气体等意外灾难情况的探测以及对各种网络家电的控制。这种控制或 者检测功能需要通过接口控制模块来直接操作并完成。 3 3 z i g b e e 节点硬件设计 3 3 1 通讯模块的选择 在介绍整个系统硬件设计之前，首先说明为什么采用无线收发模块 j n 5 1 3 9 r 1 。目前市场有数款基于z i g b e e 技术的平台，其各有特点，主要有以 下几种： 1 c h i p c o n 公司推出的c c 2 4 2 0 ，它是一款符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的 2 4 g h z 射频芯片，用来开发下业无线传感及家庭组网等p a n 网络的z i g b e e 设 各和产品。 2 t i 公司收购c h i p c o n 公司后，推出新一代z i g b e e 无线s o c 模块 c c 2 4 3 0 c c 2 4 3l ，是以8 0 5l 为内核集成无线射频模块。 3 飞思卡尔的m c l 3 2 2 x 在p l a t f o r mi np a c k a g e t m ( p i p t m ) 解决方案中提供。 该解决方案在单一封装中集成了z i g b e e 应用的所有必要组件，从而可减少组 件数量并降低系统成本。m c l 3 2 2 x 平台包括一个3 2 位微控制器( m c u ) ，一个 完全符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的收发器。 4 j e n n i e 的j n 5 1 3 9 r 1 是3 2 位处理器，是一颗全集成，单芯片提供 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 标准解决方案。单个芯片即可以构成标准的z i g b e e 终端产 品。量产时间是2 0 0 7 年8 月。兼容j n 5 1 2 9 x 系列，射频灵敏度更高。 基于对成本、技术支持以及本课题智能家居系统特点等多方面因素的综合 考虑，决定采用j e n n i e 公司的j n 5 1 3 9 r 1 m 0 通讯模块。目前已经有三种不同 型号的模块：j n 5 3 9 x x x m o o 内置天线，j n 5 3 9 x x x m 0 1 m 0 内置一个天线连 接器，j n 5 3 9 x x x m 0 2 m 0 4 有一个电源放大器和l n a 可以加大通讯距离。这 三款模块都可以通过网络协议栈预编程设定通讯距离，具体的价格取决于应用 程序。它们都是带有j n 5 1 3 9 x ，省去了天线连接器的电路设计，用用户需要做 的就是外部设备，传感器、电源、通讯转换电路、各种动作执行电路，可以显 著减小开发的工作量。 3 3 2 z i g b e e 设备硬件框图 因为采用统一设计，硬件结构就不分协调器和终端节点，而用相同的硬件 结构。为了与外部网通信，必须要有接口电路，如测量一般的家庭温湿度，也 要有温湿度传感器，表明节点加入无线网络，需要指示灯，按键等电路，硬件 的供电部分也是必须的。 同时本文主要是为实现节点建入、加入网络，采集传感器数据，发送到上 位机的功能，对器件选择是合适、好用为原则，精度要求不是很高。同时参考 了j e n n i e 公司j n 5 1 2 9 的样板1 2 4 1 。下文给出硬件设计框图( 如图3 2 所示) 。 l e d 指示灯 供电模块 廿鼬。 】x 氍 j n 5 1 3 9 - m 0 1 卜f t d i i 数字温湿度1 卜、 u a r t 转u s b 传感器 图3 - 2 硬件设计框图 f i g 3 - 2b l o c kd i a g r a mo ft h eh a r d w a r ed e s i g n 温湿度传感电路、两组l e d 指示灯、两组轻触开关，供电部分等构成。 3 3 3j n 51 3 9 r 1 m 0 模块电路设计 j e n n i e 的j n 5 1 3 9 系列模块产品是一款表面贴片安装的模块，可以利用该 模块快速开发i e e e8 0 2 1 5 4 兼容和z i g b e e 系统。采用该模块设计产品可以免 去复杂的射频设计阶段，高成本的开发和测试过程。 模块的核心器件是微处理器j n 5 1 3 9 r 1 ，它的特l 生和资源如下： 1 3 2 位对s c 处理器。 2 1 2 8 位a e s 安全协处理器，高效的电源管理器。 3 9 6 kr a m 静态存储器、1 9 2 k 4 片内e f u s e 保存m a c 地址、 r o m 程序存储器。 用户密码、和其他参数。 5 高性能的r f ，发射功率3 d b m ，接收灵敏度9 7 d b m ，比5 1 2 1 远一倍的 距离。 6 四路1 2 位a d c ，2 路1 1 b i t d a c ，2 个比较器、 7 3 个系统定时器和2 个用户定时器，2 个u a r t 端口、1 个s p i 接口、 带有5 片选线、1 个1 2c 接口、兼容s m b u s 和1 2 c 规范、2 1 个通用i o 口。 深入睡眠0 4 t t a ，可g p i o 唤醒，定时器定时唤醒模式小于1 5 1 _ l a t 2 5 i 。 图3 3 给出了5 1 3 9 r 1 m 0 模块典型应用电路。 图3 3j n 5 1 3 9 r 1 m 0 的典型应用电路 f i g 3 - 3t y p i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i to f j n 5 1 3 9 r 1 - m 0 哈尔滨理t 大学t 学硕j 二学位论文 3 3 4u a r t 转换u s b 接口电路 转换电路采用f t d i 公司f t 2 3 2 r l ，实现u s b 到串行u a r t 接口的转 换，提供各种操作系统下的驱动。芯片整合了e e p r o m ，可用于i o 的配置以 及存储u s bv i d ，p i d ，序列号和产品描述信息。芯片整合了电平转换器，使 得其i o 口电平支持2 8 5 伏的宽范围。i o 管脚驱动能力强，可驱动多个设备 或者较长的数据线。芯片内部整合了上电复位电路。芯片能自行产生时钟，无 需外挂晶振钟振。内部集成了电源去耦r c 电路。此芯片支持q f n 3 2 p i n 封 装：f t 2 3 2 r q 和s s o p 2 8 p i n 封装：f t 2 3 2 r l 。经此芯片转换后，通过u s b 接到 上位机，在功能了，在上位机虚拟了一个串口。电路如图3 4 所示： d 聊 1 t x d o s c o 2 8 r 2 0 一d t r o s c i 2 7 2 6 = 【 l 3 - 4 u a r t 转换u s b 电路f i g 3 - 4a rt ou s bi n t e r a c ec o n v e t e rciri 335传感器电路及电池电压原理 3351传感器电路使用sensirion的shtlx系列集成型数字温传感 器提供最高1 4 b i t ( 温度) 、1 2 b i t ( 湿度) 测量。本模块具有以 1 1 4 b i t ( 温度) 、1 2 b i t ( 湿度 2 两线制串行通讯接口，同一总线上可挂载3 1 个 3 小尺寸，可作为系统拓展模块集成于现有 4 快速响应时间，每1 6 秒完成一次温湿度采 5 高精度，s h t l 5 型测湿精度为士2 ，测温精度为士o 3 ( 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 时) 。 传感器与主芯片之间的通讯是通过1 2 c 。它通过s d a ( 串行数据线) 和 s c l ( 串行时钟线) 两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并通过软件寻址 识别每个器件，而不需要片选线。i 2 c 接口的标准传输速率为1 0 0 k b p s ，最高传 输速率可达4 0 0 k b p s 。传输速率可以通过编程改变。由于s d a 与s c l 是全双 工的双向线，因此编程使m c u 与s h l x 互为主从设备，即谁发送数据谁作主 机，接受数据的为从机。是数字的，可以不经过调理电路，通过i 2 c 与m c u 通信。传感器电路如图3 5 所示： v n d 图3 5 传感器电路 f i g 3 - 5s e n s o rc i r c u i t 3 3 5 2 电池电压检测电路原理作为电池供电的传感器节点，必须要时刻了 解电池能量储存情况，并根据自己要完成的任务和自身的能量储存状况调整自 己的工作状态和通信策略。同时，很多外部的传感器器件的特性在不同的输入 电压的情况下，表现出来的特性并不是线形跟随的，或者说，输入电压变化 1