（微电子学与固体电子学专业论文）智能家居环境监测系统的设计.pdf

智能家居环境监测系统的设计 摘要 基于各种技术的发展和市场的需求，智能家居应运而生并且拥有广阔的市场。 智能家居系统是将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置 通过总线连接到一个家庭智能化系统的集中或者远程控制中心，控制和管理家庭 事务，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。通过智能家居系统，人们的生活 品质得到的大幅提高。 本文以智能家居环境监测系统为研究对象，针对目前智能家居系统成本过高， 安装维护过于复杂这些问题，结合z i g b e e 和嵌入式技术，以a r m l l 为家庭网关， 采用c s 的网络架构，使用p c 机和目前盛行的智能手机为客户端，设计了一套 新型的智能家居环境监测系统。本系统由无线传感器网络，家庭网关和客户端组 成。无线传感器网络由z i g b e e 技术进行组建，采用星形的网络拓扑结构，使用 t i 公司的c c 2 5 3 0 为z i g b e e 芯片，负责家居环境数据的采集。家庭网关使用嵌入 式系统的方式构建，采用a r m l1 为处理器，通过以太网的方式搭建成为嵌入式 服务器。它主要完成环境数据的分析和存储。客户端使用了智能手机和p c 机， 客户端有着友好的人机界面，通过客户端，用户可以完成家居环境的远程实时监 测。与传统的智能家居环境监测系统相比，它具有以下几个特点：1 z i g b e e 技术 具有时延短，成本低，功耗低，自组织的特点。采用z i g b e e 技术来组建家庭内部 网络，能够使得整个系统的安装便捷，调试简单，维护方便，从而大大的降低系 统的成本，并且具有很强的扩展性。2 家庭网关采用嵌入式技术，选用a r m l l 作 为处理器，从而能够进一步降低了系统的成本和功耗。3 采用智能手机作为客户 端，增强了系统的灵活性，使得用户可以随时随地的监测家居环境。 经测试验证，该系统具有安全，可靠，实时性强，可扩展，功耗低，成本低， 方便灵活的特性。达到了预期目标。 关键字：智能家居；环境监测：z i g b e e ；a r m ；智能手机 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h es m a r th o m ei sb a s e do nv a r i e t yo ft e c h n o l o g i e sd e v e l o p m e n ta n dm a r k e t d e m a n d ，a n di t sh a sah u g em a r k e t t h es m a r th o m es y s t e mi st oc o l l e c ta l lk i n d so f f a m i l yc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t sr e l a t e d t o i n f o r m a t i o n ，h o u s e h o l de l e c t r o n i c a p p l i a n c e sa n dh o m es e c u r i t yd e v i c e sv i aab u sb a rt oac e n t r a l i z e dp a r to faf a m i l y i n t e l l i g e n ts y s t e m so rar e m o t ec o n t r o lc e n t e r ，w h i c hc o n t r o l sa n dm a n a g e sf a m i l y a f f a i r s ，a n dk e e p st h e s ef a m i l yf a c i l i t i e sc o o r d i n a t i n gt ot h er e s i d e n t i a le n v i r o n m e n t b e c a u s eo ft h es m a r th o m es y s t e m ，t h eq u a l i t yo fp e o p l e sl i f eh a sb e e ng r e a t l y i m p r o v e d t h i se s s a yi s m a i n l ys t u d y i n g f o rt h es m a r th o m ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g s y s t e m ，f o c u s i n go nt h ep r o b l e m sa n dd e f i c i e n c i e sw h i c hh i g hc o s ta n dc o m p l e x i t yo f t h ei n s t a l l a t i o nt h a te x i s ti nt h es m a r th o m es y s t e m w i t ht h ec o m b i n a t i o no fz i g b e e a n de m b e d d e dt e c h n o l o g y ，a r m11f o rt h es e r v e r ，c sm o d ef o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ， p ca n dt h ep r e v a i l i n gs m a r tp h o n ef o rt h ec l i e n t ，an e wt y p eo fs m a r th o m e e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e mc o n s i s t so fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，h o m eg a t e w a ya n dc l i e n t t h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sf o r m e db yt h e t e c h n o l o g yo fz i g b e e ，w i t ht h es t a rn e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r e ，a n dt a k i n gc c 2 53 0 o fi tc o m p a n ya sz i g b e ec h i p ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i n gh o u s e h o l d e n v i r o n m e n t a ld a t a t h eh o m eg a t e w a yi sc o n s t r u c t e di nt h ef o r m o fe m b e d d e d s y s t e m s ，t a k i n gt h ea r m 11a st h ep r o c e s s o r ，m a k i n ge t h e r n e tb u i l de m b e d d e ds e r v e r i t i sm a i n l yt oc o m p l e t et h ea n a l y s i sa n ds t o r a g eo fe n v i r o n m e n t a ld a t a t h ec l i e n t u s e st h es m a r tp h o n ea n dp c t h ec l i e n th a saf r i e n d l yi n t e r f a c e u s e r sc a nr e m o t e r e a l t i m e m o n i t o r i n g o ft h eh o m ee n v i r o n m e n tb yc l i e n t c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ls m a r th o m ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，i th a st h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：1 z i g b e et e c h n o l o g yi s s h o r td e l a y , l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n a n ds e l f - o r g a n i z a t i o n u s i n gz i g b e et e c h n o l o g yt os e tu pw i t h i nt h ef a m i l yn e t w o r k a n dm a k et h ew h o l es y s t e me a s yt oi n s t a l l ，d e b u g ，e a s ym a i n t e n a n c es oa st og r e a t l y d e c r e a s et h es y s t e mc o s ta n dh a sg r e a te x t e n s i o n 2 t h eh o m eg a t e w a yi sb u i l tu n d e r t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y ，c h o o s i n ga r ml1a st h ep r o c e s s o r ，w h i c hm a k eaf u r t h e r d e c r e a s eo fs y s t e mc o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o n 3 t h eu s eo fs m a r tp h o n e sa sac l i e n t e n h a n c e st h ef l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m ，a n da l l o wu st om o n i t o rt h eh o m ee n v i r o n m e n t e v e r y w h e r e i i i 智能家居环境监测系统的设计 i th a sb e e nt e s t e dt h a tt h i ss y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db ys a f e t y ，r e l i a b i l i t y ，r e a l - t i m e ， e x t e n s i b i l i t y ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，c o n v e n i e n c ea n df l e x i b i l i t y ，w h i c h h a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a ls k e yw o r d s ：s m a r th o m e ；e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；a r m ；z i g b e e ；s m a r tp h o n e i v 硕士学位论文 插图索引 图2 1z i g b e e 协议结构8 图2 2 星形网络拓扑结构1 0 图2 3 树簇形网络拓扑结构1 1 图2 4 网状网拓扑结构1 2 图2 5 嵌入式系统总体构架1 2 图3 1 系统总体结构图1 6 图3 2 无线传感器网络l8 图3 3 终端节点硬件原理图1 9 图3 4c c 2 5 3 0 电路原理图2 0 图3 5c c 2 5 3 0 与s h t l1 的接口电路2 1 图3 6 协调器电路原题图一2 1 图3 7 家庭网关原理图2 2 图3 8 网口电路原理图2 3 图3 9 串口电路原理图2 4 图3 1 0s d m m c 电路原理图2 4 图3 1 1s d r a m 电路原理图2 5 图3 1 2n a n df l a s h 电路原理图一2 6 图4 1 协调器组网程序流程图2 7 图4 2 协调器软件流程图2 8 图4 3 终端节点的软件流程图2 9 图4 4s u p e r b o o t 菜单功能界面31 图4 5l i n u x 内核配置一3 2 图4 6 文件系统示意图3 3 图4 7 串口通信程序流程图3 6 图4 8 服务器数据处理程序流程图3 8 图4 9u d p 协议工作模型一3 9 图4 1 0u d p 客户端与服务器间的交互时序图3 9 图4 1 1 客户端程序流程图一4 0 图5 1 智能家居环境监测系统4 2 图5 2 无线传感器网络测试图4 4 图5 3 家庭网关测试图4 5 图5 ，4p c 客户端软件界面4 6 v i i 智能家居环境监测系统的设计 附表索引 表2 1 几种无线通信组网技术的比较7 表2 2 通用的n w k 帧格式一9 表2 3 独立的帧数据格式一9 表3 1 $ 3 c 6 4 1 0 特性2 2 表4 1c s 和b s 模式区别3 4 表4 2 传感器数据表3 7 表4 3 传感器数据关系表3 7 表5 1 入网时间与节点距离关系4 3 表5 2 传输时间与节点距离关系4 3 v i i i 硕士学位论文 1 1 智能家居的概念 第1 章绪论 智能家居( s m a r th o m e ) 是以家为平台，兼备建筑化于一体的高效、舒适、 安全、便利的家居环境【lj 。它是采用家庭控制总线，互联网，通讯，人工智能， 单片机，传感器等一系列高新技术将家居设备控制，安防管理生活信息及资讯管 理，家居互联网通讯等与我们日常生活息息相关的常用生活元素全面并缜密的结 合在一起，能够高度的提升我们的日常生活质量，便利性，安全性，舒适性和丰 富性，是实现真正意义上得数字化，网络化，信息化，和智能化家庭的一种全新 的系统1 2 j 。它是依托于住宅这个平台，能够科学统筹管理家居生活的各个方面， 让家居生活“智慧”起来。这个管理过程的实现要依赖于计算机技术、网络技术、 通信技术和综合布线技术等关键技术1 3 】。其目的为了给人们提供一个更加舒适， 更加安全，更加便利的环境，从而真正的提高人们的生活品质，让人们感受到现 代化时尚便利式的生活。随着经济水平的提高，生活质量的提高，人们对于智能 家居的要求也越来越多，智能家居的功能也越来越完善，智能家居的定义也越来 越清晰。就目前而言，智能家居一般要包含以下几个子系统：环境监控子系统， 家庭安防子系统，家电控制子系统，自动抄表子系统，灯光控制子系统等【4 j 。 1 2 智能家居的起源和发展现状 1 2 1 智能家居的起源 智能家居起源比较早，但是之前却一直没有先例，直到1 9 8 4 年，美国联合技 术公司在美国康涅狄格州建造了世界上第一个智能家居的系统1 5 j ，从此，世界各 地的智能家居的竞争序幕就逐渐被打开了。最著名的智能家居案例应该首推盖茨 的豪宅。盖茨在他的书中兴致勃勃的形容他的豪宅，他的豪宅建设在华盛顿湖的 旁边。他描绘他的住宅是“由硅片和软件建成的”并且要“采纳不断变化的尖端 技术”。从1 9 9 7 年开始，盖茨的豪宅耗时7 年完成。他的豪宅完全按照智能家居 的理念建造。他的豪宅不仅接入了高速的绿色互联网，所有的门和窗，灯具，电 器，都可以通过计算机进行控制，并且背后还有一个高性能的服务器作为整个系 统的后台管理。 智能家居是i t 技术( 特别是计算机技术) 、网络技术、控制技术向传统家电 产业渗透发展的必然结果【6 】。信息技术的进步，通信的极度自由化，通信速率和 业务量的迅速增加与高层次，人的工作环境的安全，舒适，和效率的要求的提高， 智能家居环境监测系统的设计 大大增加了家庭智能化的需求，此外，科学与技术的发展，计算机控制技术的发 展和电子信息通信技术的发展也都促成了智能家居的诞生【_ ”。二十世纪九十年代 初，电子技术在家电市场和住宅电子中得广泛使用。在二十世纪八十年代中期， 家庭自动化将家电，通信设备和安全设备两种不同功能的设备整合到一起，形成 了家庭自动化的概念。二十世纪八十年代末，通信和i t 行业的发展，出现了将住 宅通信，家电和安全设备等整合成一个监控管理系统的例子，这在美国称为 s m a r t h o m e ，就是我们通常意义上的智能家居系统的原型 8 1 0 】。世界上最早的智能 建筑是通过计算机系统将空调，电梯，电灯等设备进行了集中控制，它是八十年 代在美国通过对一栋老房子的重新改造而来的】。它不仅能够集中控制整栋大楼 的空调，电梯，灯光等设备。而且可以提供通讯，收发电子邮件，信息服务，和 其他情报服务i l2 。智能家居沿用了英文s m a r th o m e ，其实最早的智能家居被称 为家庭自动化系统，英文称为h o m ea u t o m a t i o n 1 3 】。早期的智能家居系统只和家 庭自动化的产品和配件相关。之后，美国，欧洲，东南亚等国家先后提出了“智 能家居”的概念。他们的目标就是：“将家居环境中的各种设备，比如安防设备， 灯光设备，家电设备，通信设备等各种家居设备集中成为一个智能化的系统，通 过控制中心控制整个系统，从而完成系统的集中控制和智能化【1 4 】。” 1 2 2 智能家居的国内外发展状况 智能家居走入中国已经经历了将近十年的时光，从智能家居这个概念被引入 到中国，到智能家居这个概念真正的被应用到中国的大楼中，这个过程可以说是 曲折而艰难的。 智能家居它很容易被人们理解成为一个单独的产品，或者被理解成为传统意 义上的“智能小区1 1 , 1 但是智能家居并不止是这些。智能家居它代表的是一个多层 次的解决方案，它可以将计算机网络通讯，家电控制，综合布线技术，家庭智能 控制交流信息和消费者服务，住宅安全监控等有效的结合起来，为我们的家庭生 活，在传统的“智能小区 的基础之上，提供一个更加高效，更加舒适，更加安 全，更加便利和个性化的居住空间【1 5 】。 在国内，目前智能家居的概念已经深入人心，在各种报纸上，在电视广告上， 在各大商场随处可以寻觅到智能家居，智能家居已经被人所耳熟能详，现在越来 越多的人对智能家居的概念越来越清晰，有很多人都梦想拥有一套这样的产品。 智能家居作为一个新兴行业，市场广阔，有着远大的发展前景和盈利空间。对此， 越来越多的厂商都盯上了这块肥肉，争先恐后的纷纷踏入这个行业。比如房地厂 商，建筑厂商，智能楼宇的厂家，设备提供商和众多的i t 公司都想尽量的利用自 己的长处，集中资源，整合各种先进的技术希望尽早的开发出智能家居产品，提 前进入到此行业。智能家居的发展也得到了房地产商的关注，房地厂商为了更好 硕士学位论文 的开发楼盘，增加房子的销售，他们巧妙的抓住了智能家居这个概念，趁着智能 家居产品的关注度高，众多居民都对他有着跃跃欲试的心态，房地厂商将智能家 居系统安装在了他们将要出售的房子中，大大的增加的房子的卖点，吸引了众人 的青睐。智能家居在国内发展势头凶猛的同时，也暴露出了一些问题。比如整个 智能家居系统没有一个统一的行业标准。众多厂商纷纷涌入智能家居行业，但是 中国各部门没有制定有效的管理政策，没有制定统一的行业标准，导致众多厂商 生产出来的产品规格不一，不能兼容，大大的损害了消费者的利益，同时也大大 的阻碍了智能家居行业前行的脚步【l6 | 。同时，目前的智能家居功能尚且不完善， 并不能很好的满足居民的普遍需求，也缺乏个性化和智能化，时尚的因素没有加 入其中，成本过高，普通的居民难以接受。 在国外，自从1 9 8 4 年世界上的首栋智能建筑坐落在美国后，美国，加拿大， 欧洲，澳洲以及东南亚等各国都相继制定并且提出了各种智能家居的解决方案 1 7 1 9 】。至此之后，智能家居在各大国家都相继被广泛的应用起来。例如，美国， 英国，日本，韩国等。在国外，智能家居行业比我国成型早些，国外的电子，通 信，计算机，传感器等技术都较之中国发达，因此国外的智能家居产品已经比较 成熟，再加上国外智能家居的行业标准也正逐渐形成，其结果是国外的智能家居 行业要领先于国内，在美国和新加坡就有大量的智能家居产品已经被应用到了居 民小区中。 1 3 论文主要研究内容和各章节安排 近年来智能家居的概念已经深入人心，智能家居也正以较快的速度在我们发 展，有关机构表明，在未来的几年中，智能家居将会以年平均1 0 的增长速率发 展，在强大的利益驱动下，国内的众多厂商纷纷涉足此行业。因此智能家居的产 品逐步的应用到了我国的部分小区中，但是不得不否认目前我国的智能家居行业 确实存在着一些问题： ( 1 ) 价格昂贵。传统的智能家居成本非常高，少则十几二十万，多则上百万。 如此之高的成本很难让普通大众所接受。 ( 2 ) 缺乏统一的行业规范。智能家居行业没有统一的行业规范，中国大大小 小琳琅满目的企业各自为政，生产出来的产品互不兼容1 4 6 j 。 ( 3 ) 系统安装，调试复杂，可扩充性不好。因为传统的智能家居系统通常采 用有线的方式进行组网。智能家居系统一般是在房屋建设之初就安装上去了。在 使用过程中，系统一旦出现问题，维修起来费时费力，同时也严重影响到了系统 将来的扩充性。 基于目前智能家居系统中的各种问题和不足，本论文选取了智能家居环境监 控子系统为研究对象，将采用目前比较流行的z i g b e e 无线通信技术和嵌入式技术 智能家居环境监测系统的设计 为核心构建一套新型的智能家居环境监控子系统。该系统不仅可以通过p c 中的 客户端进行远程监控，并且将使用目前盛行的智能手机作为终端远程监控家居环 境。整个系统应当具有组网方式简便，安全，可靠，功耗低，成本小，容易扩充， 实时性强的特点，从而能够比较好的解决目前智能家居存在的不足和问题。针对 以上内容，本文的各章节安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了智能家居的发展，智能家居的定义，智能家居国 内外的发展状况，并且提出了目前我国智能家居存在的严重不足，简单介绍了本 论文的主要研究内容和章节安排。 第二章：z i g b e e 技术和嵌入式系统概述。本章对z i g b e e 技术和嵌入式系统 做了一翻概述。文章首先分析了目前几种比较主流的无线通信方式，突出了 z i g b e e 在智能家居行业中的优势，同时介绍了z i g b e e 的协议栈和网络拓扑结构。 然后对嵌入式系统的定义，嵌入式系统的组成以及嵌入式系统的特点进行了简单 介绍。 第三章：系统总体方案与硬件设计。本章首先介绍了系统的总体架构。然后 再从无线传感器网络，家庭网关和客户端这三个方面详细的阐述了智能家居环境 监控系统的硬件设计。 第四章：系统软件设计。本章从无线传感器网络，家庭网关和客户端三个方 面详细描述了智能家居环境监控系统的软件设计。 第五章：系统性能测试。本章首先对无线传感器网络进行了性能和功能测试， 继而对家庭网关和客户端进行功能测试。 硕士学位论文 第2 章z i g b e e 和嵌入式技术概述 2 1 几种主流无线通信技术介绍 短距离无线通信的主要特点是通信距离比较短，覆盖范围一般在几百米之内， 无线发射器的功耗比较低，一般在1 0 0 m w 之内，并且能够自由的连接各种个人 便携式电子设备，计算机外部设备和各种家用电器设备，实现信息共享和多业务 的无线传输。无线通信的技术多种多样，目前世界上主流的无线通信技术有 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 技术，w l a n ( 无线局域网) 无线技术，h o m e r f 无线技术， i r d a ( 红外数据协会) 技术，a dh o c ( 自组织网络) 技术，r f i d ( 射频识别) 技 术，z i g b e e 技术等【2 。 2 1 1 蓝牙技术 蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范，蓝牙的体积小，功耗低，因此它可 以被应用到很多场合，以往的计算外部设备和我们平时常用的众多数字设备都是 通过有线的方式进行数据通信的【2 1 1 。蓝牙的设计就是将有线的连接方式替代为无 线的连接方式。只要对数据的传输速度没有太高要求的电子设备，都可以将蓝牙 集成进去。蓝牙技术的特点如下： ( 1 ) 全球范围适用。频率范围为2 4 2 4 8 3 5g h z 。蓝牙工作在2 4 g h z 的 i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是2 4 - 2 4 8 3 5 g h z ，使用这个频段可 以不需要向有关部分申请许可证【2 2 2 引。 ( 2 ) 抗干扰能力很强。蓝牙技术采取了调频的方式来扩展频谱。它的频段被 分为了7 9 段，数据每发送一个频点就马上就跳到下一个频点。 ( 3 ) 体积很小，可以非常方便的集成到各种设备中。 ( 4 ) 功耗很小。蓝牙有四种工作模式，多种工作模式的存在使得它的功耗变 得很微小。四种工作模式：激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等 功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标识码( p i n ) 来进行单双 向认证【”j 。 ( 5 ) 开放的接口标准。蓝牙的技术标准是全世界公开的，每个人都可以对蓝 牙产品进行开发，因此蓝牙的产品很容易得到推广。 ( 6 ) 成本低廉。目前蓝牙产品已经变得很低廉，并且价格飞速下降。 ( 7 ) 蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语 音业务和数据业务的传输。 智能家居环境监测系统的设计 2 1 2 射频技术 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术是一个i c 芯片安装上 微型天线的组合，是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标 并获取相关数据。r f i d 技术最大的特点就是非接触高速识别，它以无线方式通 信，射频标签不用露出电触点也可以被识别到，依据r f i d 的系统功能的不同， 通常可以把r f i d 系统分成4 种类型：e a s 系统、便携式数据采集系统、网络系 统和定位系统2 0 2 2 1 。一个典型的r f i d 应用系统通常以标签的形式出现，主要由 三部分组成：r f i d 标签，读写器以及相关的数据管理系统。r f i d 技术的优点如 下： ( 1 ) 读写器非接触数据读写功能。 ( 2 ) 读写器多读性好。 ( 3 ) 射频标签穿透性好。 ( 4 ) 射频标签储存数据的容量大。 ( 5 ) 射频标签适应环境能力强。 ( 6 ) 射频标签可重复使用。 ( 7 ) 标签形状的小型化和多样化。 ( 8 ) f i d 技术的系统与数据安全。 r f i d 可被广泛应用于物流业，交通运输，医药，食品等各个领域。然而由于 成本，标准等问题的局限，r f i d 技术和应用环境还不是很成熟，安全性还需要 接受考验。 2 1 3z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下电子设备之间的 无线通信技术2 5 1 。它是一种新兴的短距离，低速率，低成本，低功耗的无线组网 技术。z i g b e e 的名字来源于蜂群采用的赖以生存和发展的通信方式。z i g b e e 过去 又被称为“h o m e r fl i t e ”，“r f r a s y l i n k ”或“f i r e f l y ”无线电技术，目前统称 为z i g b e e 技术【25 1 。z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e8 0 2 1 5 4 的推动下，结合 其他无线技术，可以实现无所不在的网络。随着z i g b e e 规范的进一步完善，许多 公司均在着手开发基于z i g b e e 的产品。z i g b e e 技术被广泛的应用于数字家庭、 工业、智能交通、传感器网络、汽车自动化、农业信息化和医学等领域中 3 0 - 3 1 】。 z i g b e e 技术有如下优点： ( 1 ) 低功耗。z i g b e e 节点的平时的数据传输率很低，并且z i g b e e 节点可以 随时进入到休眠的模式。因此功耗很低。 ( 2 ) 低成本。因为z 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，且z i g b e e 协议免收专利费，模块的初始成本也很低，现在估计在1 5 2 5 美 硕士学位论文 兀o ( 3 ) 低速率。z i g b e e 技术的传输速率不高，大概为2 0 3 0 0 k b i t s 的传输速 率。 ( 4 ) 有效传输范围小。有效覆盖的范围很小，一般在1 0 7 5 m ，具体要看发 射功率的大小而定。在增大发射功率的情况下，可以将z i g b e e 节点的传输范围增 加到l k m 以上【2 引。不过不管如何，z i g b e e 节点基本能够覆盖普通的家庭或者办 公室环境。 ( 5 ) 安全性。z i g b e e 提供了一套基于1 2 8 位a e s 算法的安全类和软件，并 且集成了i e e e8 0 2 1 5 4 的安全元素。它提供了数据的完整性检查和鉴权功能，为 了提供灵活性和支持简单器件，i e e e8 0 2 1 5 4 在数据传输中提供了多级安全性。 为z i g b e e 的数据传输提供了保障。 ( 6 ) 网络容量大。z i g b e e 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适 宜支持简单的器件，一个z i g b e e 网络最多可以包括2 5 5 个z i g b e e 的网络节点， 其中一个是主控设备，其余是从属设备；假若是网络协调器，整个网络最多可支持 组成6 5 5 3 5 个节点的大网，各个网络协调器之间再进行相连，将可以组成节点数 量更大的网络【2 7 30 1 。 ( 7 ) 免执照频段。z i g b e e 所在的频段是免费的。( i s m ) 频段2 4g h z ( 全 球) 、9 15m h z ( 美国)和8 6 8m h z ( 欧洲) 【3 1 1 。 表2 1 几种无线通信组网技术的比较 表2 1 对几种无线通信组网技术进行了比较。蓝牙和红外技术连接设备数较 少，不便于组建复杂而多节点的网络，8 0 2 1 1 b 技术则功耗比较高。z i g b e e 技术， 智能家居环境监测系统的设计 功耗低，成本低廉，网络容量大，兼容性好，安全可靠，因此综合考虑，本论文 采用了z i g b e e 技术进行组建无线传感器网络，用来作为智能家居的内部网络。 2 2z i g b e e 网络体系结构以及z i g b e e 网络拓扑结构 2 2 1z i g b e e 网络体系结构 z i g b e e 网络分为4 层，从下向上分别为物理层( p h l ) ，媒体访问控制层( m a c ) ， 网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) 3 2 3 4 。如图2 1 所示。 图2 1z i g b e e 协议结构 ( 1 ) 物理层 物理层由两个标准组成，一个是2 4 g h z 标准和另一个是8 6 8 9 1 5 m h z 标准， 它由半双工的无线收发器及其接口组成，它直接利用无线信道实现数据传输。因 为2 4 g h z 频段是全球唯一的无需申请的i s m 频段，因此这大大的降低了z i g b e e 产品的成本，也更加有利于z i g b e e 产品的推广，这个频段的通信速率可以达到 2 5 0 k b i t s ，具有吞吐量大，通信延时短，工作周期短的特点。8 6 8 m h z 是欧洲的 i s m 频段，而9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段。 ( 2 ) 网络层 网络层可以实现和维护星形，树簇形或网状网形网络。网络层主要采用基于 a dh o c 技术单位网络协议。网络层能够搭建好整个网络，并且要维护好整个网络， 使得z i g b e e 网路具有自我组织和自我治愈的能力。大大增强网络的健壮性，和可 靠性。对于一些简单的终端节点而言，它只需要具备加入和脱离网络的功能。而 对于路由器而言，它需要实现数据的转发，应当具有一定的存储和路由发现功能。 主协调器则负责整个网络的建立和启动。网络层数据帧格式有两种，一种是通用 硕士学位论文 帧格式，一种是独立帧格式3 5 37 1 。两种格式的定义如表2 2 ，表2 3 所示。 表2 2 通用的n w k 帧格式 表2 3 独立的帧数据格式 ( 3 ) 应用层 z i g b e e 的应用层由应用支持子层，z i g b e e 设备对象，z i g b e e 设备框架，z i g b e e 设备模板和制造商定义的应用对象等组成的【3 8 4 0 1 。 2 2 2z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 网络拓扑结构有三种：星形网络拓扑结构，树簇形网络拓扑结构和网 状网拓扑结构【4 1 1 。z i g b e e 网络中的设备按功能来说，分为两种：一种是全功能设 备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) ，全功能设备包含了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的所有功 能和特性，全功能设备可以作为网络协调器，用来构建z i g b e e 网络，允许其他的 设备连接入网络。一种是精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) ，精简 功能设备只实现了i e e e8 0 2 1 5 4 标准中的一部分，从而来控制成本和复杂性，它 一般用作终端设备来使用。从设备在网络中的地址来看，z i g b e e 网络中的设备分 为三种：第一种是终端设备，它的组成和结构比较简单，一般都是用电池来供电， 功耗比较低。每一个终端设备中最多可以有2 4 0 个端点，这些端点共享一个无线 收发器，但执行不同的应用任务，它只能与其父节点进行通信，父节点为其分配 网标和地址。第二种是路由器，路由器必须由全功能设备组成，它的主要工作是 完成数据的转发，因此具有路由发现的能力。第三种是协调器。每个z i g b e e 网络 只能拥有一个协调器，它工作在整个z i g b e e 网络的最顶层，它也是由全功能设备 构成，协调器必须具备稳定的供电电源，因为一旦协调器出现故障，停止工作， 整个z i g b e e 网络都将瘫痪。 智能家居环境监测系统的设计 2 2 2 1 星形拓扑结构 星形网络拓扑结构是一个类似于辐射状的网络，它由一个协调器和若干个从 设备构成。协调器必须是全功能设备( f f d ) ，而从设备既可以是全功能设备，也 可以是精简功能设备。协调器是整个星形网络的核心，它必须采用稳定的电源进 行供电。在星形网络建立之初，任何一个全功能设备( f f d ) 都可以作为协调器。 将首先工作的全功能设备( f f d ) 作为网络的协调器。第一个工作的全功能设备 被启动后，它首先会监测周围的环境，选择合适的信道，把自己设置为协调器， 然后选择一个合适的p a n 标记，建立起自己的网络。每个z i g b e e 星形网络都有 一个唯一的p a n 标记。终端节点和协调器之间是通过p a n 标记来确定从属关系 的。终端节点可以在协调器将网络建立之后加入到网络中。终端节点之间不能直 接通信，它们之问的数据只能通过协调器来转发【42 | 。星形网络组建便捷，网络复 杂度低，路由也非常方便，它一般被应用于家庭自动化、个人健康监护、玩具、 工业化自动系统。图2 2 所示为星形网络拓扑结构图。 全功能设备( f f d ) o 精简功能设备 图2 2 星形网络拓扑结构 2 2 2 2 树簇形拓扑结构 如图2 3 所示为树簇形网络拓扑结构图。树簇形网络拓扑结构也是一种至关 重要的z i g b e e 网络拓扑结构。树簇形网络拓扑结构一般包含大量的全功能设备 ( f f d ) 和精简功能设备( r f d ) 。树簇形网络结构中的终端设备被称作为“叶” 节点，“叶”节点可以由全功能设备( f f d ) 或者精简功能设备( r f d ) 构成，但 是精简功能设备( r f d ) 只能作为“叶”节点。若干个“叶”节点连接到一个全 功能设备( f f d ) 构成了一个簇，而若干个簇连接到另一个全功能设备( f f d ) 又构成了树簇，这样层层叠叠就构成了树簇形的网络拓扑结构。在树簇形结构中， 任何一个全功能设备( f f d ) 都可以充当网络协调器，但是每个树簇形网络都有 且只有一个主协调器。主协调器上电之后，搜索信道，选择p a n 标记符，并且将 自身的短地址设置为0 。此后，主协调器开始广播信标，周围的设备可以连接到 主协调器，加入至树簇网络的从设备被主协调器添加入邻近列表中，而主协调器 被邻近的设备设置为父节点。这样，树簇的第一级结构就形成了。同样，与主协 调器连接的路由器设备可以被指定为新的簇头，新的簇头与其他的路由器或者终 端设备连接，组成树簇的下一级。如此往复，一个盘大的树簇形网络就形成了。 在树簇形网络中，所有的数据只能沿着父子关系向上或者向下传输。数据每传输 一级，就成为一跳。树簇形网络的最大跳数就是从末端叶子节点到主协调器的最 大跳数。 可以说，树簇形网络拓扑结果是对星形网络拓扑结构的扩充。树簇形网络保 持了星形网络的简单性，它可以增加网络覆盖的范围，但是随之而产生的问题是 会增加信息传输的延时时间【4 引。 协调器 路由器 。终端设备 图2 3 树簇形网络拓扑结构 2 2 2 3 网状网拓扑结构 网状网拓扑结构功能非常强大，它可以组成及其复杂的网络，并且有着自组 织，自愈的特点。在网状网拓扑结构中，也有个主协调器，主协调器负责整个网 络的组建，网络中也存在着若干个路由器，如图2 4 所示。网络中任意两点都可 以进行通信，在z i g b e e 协议中没有规定具体的网状网路由协议，这样用户就可以 根据不同的应用的场合而选择不同的路由协议。网状网拓扑结构相比于星形拓扑 网络和树形拓扑网络更加复杂。网络中数据的通信时间不可预计，完全视乎当时 的通信质量而定4 4 1 。 智能家居环境监测系统的设计 2 3 嵌入式技术 z i g b e e 协调器 z i g b e e 路由器 ( ) z i g b e e 终端设备 图2 4 网状网拓扑结构 2 3 1 嵌入式系统的定义 所谓嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算机系统”的简 称，它是相对于通用计算机系统而言的。嵌入式系统已经深入到了各个领域，包 括国防，工业，智能家居，智能农业，运输，航天，消费电子等。目前，对于嵌 入式的定义多种多样，并没有某一个定义是相当全面的，从技术的角度定义为： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中 对功能，可靠性，成本，体积，功耗等严格要求的专业计算机系统【4 5 4 7 1 。 2 3 2 嵌入式系统组成 如图所示，一般而言，嵌入式系统由嵌入式处理器，外围设备，嵌入式操作 系统和嵌入式应用软件等几大部分组成 4 引。 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 嵌入式处理嵌入式存储嵌入式外围 器器设备 嵌入式硬件平台 图2 5 嵌入式系统总体构架 硕士学位论文 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是整个嵌入式系统的核心部分。嵌入式处理一般具有专用的特 性。它可以分为以下四类：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式d s p 处理 器，嵌入式片上系统( s o c ) 。与通用的计算机处理器相比，嵌入式处理具有体