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太原理：【：大学硕十研究生学位论文 z i g b e e 技术在智能家居控制系统中的应用研究 摘要 随着信息技术和网络技术的高速发展以及人们居住理念的变化与提 升，家居智能化和家电网络化逐渐成为热门话题。智能家居是指将各种信 息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来，从而构筑舒适、安全、方便的 信息化居住空间，满足人们在家中生活、工作、娱乐和交流的需要，提供 安防、社区管理和人们外出时了解家居状况的手段。 传统的家庭控制网路大多采用有线技术，这类方案缺点是扩展性能 差、布线繁琐、费用高。本文应用z i g b e e 无线技术构建的家庭控制网络 扩展性能好，不需要额外布线，完全符合家庭网络的构建原则，并且z i g b e e 技术是一种低速率、低成本、低功耗、近距离的无线通信技术，其在智能 家居系统的应用上有不可替代的优势。 首先，本文通过对智能家居系统中使用的相关技术进行比较和分析， 指出z i g b e e 无线技术是目前最适合用在智能家居系统中的技术之一。并 详细分析了z i g b e e 技术标准体系，尤其对z i g b e e 的协议栈与网络拓扑进 行了深入研究，这是搞z i g b e e 应用开发必须奠定的基础知识。 接着提出了智能家居系统的整体设计方案，以及在设计中应注意的问 题，在此基础上，开发了家庭网关和终端节点。其中家庭网关的开发是本 课题的核心部分，详细阐述了网关节点开发平台的建立过程及其硬件设 计。家庭网关的软件开发包括底层驱动程序设计和应用程序开发，在 z i g b e e 协议m a c 层，针对智能家居网络的特点，对带冲突避免的载波侦 t 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 听多路访i h - j ( c s m a c a ) 协议做了改进，提出使用周期性侦听和睡眠机制。 改进后的协议在有效解决信道碰撞问题的基础上，并具有良好的扩展性， 也降低了节点能量的消耗。 然后针对z i g b e e 网络与家庭控制网络的特点，设计能有效工作的路 由协议，该协议支持自组织组网，支持网络拓扑动态变化，并具有自愈功 能。能够自动进行路由发现及维护，家庭网络的建立、增加和删除节点及 节点位置发生变动，不需要人工干预，系统可以自动完成。另外本系统无 论在硬件设计还是在软件实现上，都对低功耗做了考虑，硬件上选用低功 耗芯片，软件上采用工作休眠交替的无线信道使用机制。 最后设计了一个简单的验证实例，对该智能家居系统工作运行情况进 行了测试，测试结果显示系统运行状态良好，基本实现了智能家居系统的 基本功能，达到了预期效果，在功耗方面本系统也符合低功耗的设计要求。 关键词：智能家居，z i g b e e ，协议栈，网络拓扑，带冲突避免的载波 侦听多路访问协议，自组织网络 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 z i g b e et e c h n o l o g ya p p l i e di ns 【a r th o m e c o n t r o ls y s t e m a bs 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 k ， p e o p l ec h a n g et h e i rn o t i o n i nt h e i rd w e l l ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e da n dn e t w o r k h o m eb e c o m e st h eh o tt o p i co fd i s c u s s i o ng r a d u a l l y s m a r th o m ea i m sa t c o n s t r u c t i n gc o m f o r t a b l e ，s a f ea n dc o n v e n i e n th a b i t a t i o ns p a c e ，t h r o u g ht h e n e t w o r kc o n n e c t i n gt h ei n f o r m a t i o ne q u i p m e n ta n dh o m e ，m e e t i n gp e o p l e s l i v i n g ，w o r k i n g ，e n t e r t a i n i n ga n dc o m m u n i c a t i n gn e e da n dp r o v i d i n gs a f e t y d e f e n d i n g ，c o m m u n i t ys u p e r v is i n ga n dt h em e a n so fk n o w i n gw h a th a p p e n sa t h o m ew h e np e o p l es t a yo u t t h ed i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a ls m a r th o m ei sl o we x p a n s i b i l i t y , f u s s i l y l i n i n ga n dh i g he x p e n s e t h i ss m a r th o m eb a s i n go nz i g b e et e c h n o l o g yh a s g o o de x p a n s i b i l i t ya n dd o e s n t n e e dn u m e r o u sl i n e s ，a c c o r d i n gw i t ht h e c o n s t r u c t i n gp r i n c i p l e o fh o m en e t w o r k c o m p l e t e l y w i r e l e s sz i g b e e c o m m u n i c a t i n gt e c h n o l o g yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o ws p e e d ，l o wc o s t ， c o n s u m i n gv e r yl i t t l ep o w e ra n dc l o s eq u a r t e r so fc o m m u n i c a t i n g ，t h o u g hi t s s u p e r i o r i t yi na p p l i c a t i o n o fh o m en e t w o r kc a n tb es u b s t i t u t e db yo t h e r t e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n d i c a t e sz i g b e ei st h eb e s tt e c h n o l o g ya p p l i e di n i n t e l l e c t u a l i z e dh o m e ，t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ho t h e rt e c h n o l o g y t h i sp a p e r p a r t i c u l a r l ya n a l y s e st h e s t a n d a r ds y s t e mo fz i g b e et e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y r e s e a r c h i n gt h ep r o t o c o la n dn e t w o r kt o p o l o g yo fz i g b e e ，b e c a u s et h i s k n o w l e d g ei st h eb a s i st oa p p l yz i g b e e s e c o n d l y , d e v i s et h eh o m eg a t e w a ya n dt e r m i n a ln o d e ，a tt h eb a s eo f tt t 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 p u t t i n gf o r w a r dt h ew h o l ep r o j e c to f s m a r th o m ea n dt h ea t t e n t i v ep r o b l e m si n d e s i g n i n g d e s i g n i n gh o m eg a t e w a yi st h eh a r dc o r e t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l y e x p a t i a t e so nt h ed e s i g np l a t f o r mc o n s t r u c t i o na n dt h eh a r d w a r e ，s o f t w a r e d e v i s i n go fh o m eg a t e w a y t h es o f t w a r ed e s i g n i n go fh o m eg a t e w a yc o n s i s t s o fd r i v e r sa n da p p l i c a t i o n s f o rt h es a k e o fd e g r a d i n gt h ep r o b a b i l i t yo f c o l l i s i o nh a p p e n i n gw h e nt r a n s m i t t i n gd a t aa n dt h es u c c e s so ft r a n s m i t t i n g d a t a ，t h es m a r th o m em a k e su s eo fu n o c c u p i e dc h a n n e le v a l u a t i o nm e c h a n i s m a n dd u m m yc a r t i e rw a v ei n t e r c e p t i o nm e c h a n i s mi nt h eb o t t o ms o f t w a r e d e s i g n i n g o fz i g b e ep r o t o c o l ，r e a l i z i n gm a n ya c c e s s e so fc a r t i e rw a v e i n t e r c e p t i o nw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e t h i r d l y , d e s i g nt h er o u t ep r o t o c o la i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fz i g b e e n e t w o r ka n dh o m ec o n t r o ln e t w o r k ，t h ep r o t o c o ls u s t a i n ss e l f - o r g a n i z i n g n e t w o r k ，s u s t a i n sn e t w o r kt o p o l o g ym o v e m e n t ，a n dh a st h es e l f - r e c o v e r i n g f u n c t i o n t h es m a r th o m es y s t e mc a nf i n dr o u t ea n dm a i n t a i nn e t w o r k a u t o m a t i c a l l y f o rt h ec o n s t i t u t i o no fh o m en e t w o r k ，a d d i n go rd e l e t i n gan o d e a n dt h en o d em o v e m e n t ，t h e s et a s k sc a nb ea c c o m p l i s h e da u t o m a t i c a l l y w i t h o u tp e o p l e si n t e r v e n i n g o t h e r w i s e ，t h es y s t e mt a k e sp o w e r - c o n s u m i n g i n t oa c c o u n ti n t h e d e s i g n o f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，u s i n g l o w p o w e r - c o n s u m i n gc m o sc h i p o nh a r d w a r ea n d a d o p t i n gt h e a l t e r n a n t w o r k i n g s l e e p i n gc h a n n e lm e c h a n i s m o ns o f t w a r e a tl a s t ，c o n t r i v ea ne x a m p l et o t e s tt h er u n n i n gs t a t u so fs m a r th o m e s y s t e m t e s t i n gr e s u l tr e v e a l st h i ss y s t e mr u n n i n gs t a t u si sg o o d ，m a k i n gt h e b a s i cf u n c t i o n so fs m a r th o m es y s t e mc o m et r u e ，a r r i v i n ga tt h ee x p e c t e d p u r p o s e o nt h ep o w e r - c o n s u m i n ga s p e c t ，t h es y s t e ma l s oa c c o r d sw i t ht h e l o wp o w e r - c o n s u m i n gr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：s m a r th o m e ，z i g b e e ，p r o t o c o l ，n e t w o r kt o p o l o g y , c a r t i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c ep r o t o c o l ，s e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k i v 太原理：i ：人学硕十研究生学位论文 图表索引 图2 1z i g b e e 协议栈示意图一1 1 图2 2z i g b e e 各信道划分12 图2 3 物理帧结构一1 3 图2 4 星型网络和点对点网络一1 5 图3 1 智能家居控制系统的功能模块图1 7 图3 2 智能家居控制系统基本架构l9 图3 3 基于z i g b e e 技术的智能家居系统星型拓扑结构2 0 图3 - 4 家庭网关系统示意图一2 1 图4 一l 开发环境示意图2 7 图4 2b o o t l o a d e r 启动过程流程图一3 0 图4 3b o o t l o a d e r 整体功能流程图一3 1 图4 4v i v i 配置界面3 5 图4 5 保存设置界面3 5 图4 - 6l i n u x 内核配置界面3 8 图4 7l i n u x 在目标板上运行界面3 9 图4 8 文件系统移植的内核配置4 0 图5 1c c 2 4 2 0 内部结构4 4 图5 2 家庭网关硬件设计原理图4 5 图5 3 系统电源电路一4 6 图5 4 晶振电路原理图4 7 图5 5f l a s h 存储系统电路图4 7 图5 - 6s d r a m 电路图4 8 图5 7c c 2 4 2 0 外围电路4 9 图5 8c c 2 4 2 0 与$ 3 c 2 4 1 0 处理器的连接图5 0 图5 - 9 串行接口电路5 1 图5 1 0 以太网接口电路结构图5 2 图5 1 1 以太网接口电路原理图5 2 i x 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 图5 1 2j t a g 接口电路图5 4 图5 1 3 家庭网络组建流程图5 6 图5 1 4c s m a c a 的基本访问机制5 8 图5 1 5 改进协议的虚拟簇5 9 图5 1 6 改进协议与c s m a c a 的突发分组传送5 9 图5 17 网关节点软件架构图6 2 图5 18c c 2 4 2 0 工作状态流程图6 4 图5 1 9 数据发送流程图6 5 图5 2 0 接收数据流程图6 6 图5 2 lq t 设计器界面7 2 图5 2 2 应用程序架构图7 3 图5 2 3 灯光控制类流程图7 4 图6 1 终端节点结构框凰7 5 图6 2 数据处理器单元接口电路7 6 图6 3c c 2 4 2 0 与a t m e g a l 2 8 单片机的接口图7 7 图6 4 存储器单元接口电路7 8 图6 5 终端节点工作流程图一7 9 图7 1 实验场景图8 2 图7 2 智能家居系统主控界面8 2 图7 3 照明系统操作界面。8 3 图7 - 4 通信距离与接收灵敏度关系图8 5 表2 1 几种无线技术比较8 表2 2 常用家电特征分析8 表2 3z i g b e e 的主要特性l o 表2 - 4z i g b e e 的应用领域及市场16 表7 1 测试结果统计表8 3 表7 2 系统性能测试结果8 4 表7 3 功耗测试结果8 5 x 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 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 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒堡妻 日期：咖研f 哆 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：之垒垒煎日期：丝塑：耋! 丝 导师签名：日期：塑：至! 塑 太原理：i ：大学硕十研究生学位论文 1 1 智能家居概述 第一章绪论 智能家居，或称智能住宅，目前与此含义近似的词汇相当多，如电子家庭( e l e c t r o n i c h o m e ) 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、家庭网络( h o m e n e t n e t w o r k sf o rh o m e ) 、网络家居( n e t w o r kh o m e ) 、智能家居建筑( i n t e l l i g e n t h o m e b u i l d i n g ) 。尽管名称五花 k f - ，但它们的含义和所具备的功能大体是相同的。 首先，它们都要在一个家听中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家 庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对连入家庭网络的所有 家电和设备的控制和监测；其次，它们都要通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道， 以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制、监测和交换信息的需求，其最终 目的都是满足人们在家庭中对安全、舒适、方便地工作和生活的需求1 1 1 。 智能家居是以家为平台，兼备自动化、智能化的高效、舒适、安全、便利的家居 环境。智能家居是一个典型的集计算机、通讯和消费于一体的3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r ) 系统，是整个世界形成的一个巨型网络的末端，俗称是 该网络的“最后1 0 0 m ”。 从总体上看，智能家居是指将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来， 并保持这些设备与住宅的协调，从而构筑成舒适安全的信息化居住空间，以便于实现 在信息社会中富有创造性的生活。智能家居旨在提供安全、舒适、方便的居住环境， 满足人们在家中生活、工作、娱乐和交流的需要，提供安防、社区管理和人们外出时 了解家居状况的手段。 1 2 选题的目的和意义 z i g b e e 技术是种低速率、低成本、低功耗、近距离新型的无线通信技术，主要 用于家庭智能化、楼宇自动化和工业监控等应用系统。本课题研究的目的与意义在于 设计基于z i g b e e 无线协议的无线家电和传感网络，实现家用设备网络化，通过统一的 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 无线协议不同的控制协议实现对家电产品的整体协调监控，以实现家居电器系统的智 能化和网络化，达到让家庭更舒适、更方便、更安全、更符合环保的目的。 现有的家庭网络中，比较多采用有线技术进行家庭控制网络的组建，这类方案总 的特点是扩展性能差，布线繁琐，影响美观。家庭网络构建的原则是使用方便、安装 简单，不需要额外布线、扩展性好。可见家庭网络采用无线的方式是个最好的选择， 无线的方式比较灵活，更适合家庭使用。无线传输方式避免了重新布线的麻烦，网络 所需的基础设施不再需要埋在地下或者隐藏在墙里，网络能够根据需要移动或变化。 可见将z i g b e e 这种无线通信技术用于智能家居系统具有现实的意义。 1 3 智能家居的研究动态 1 3 1 智能家居发展状况 家电行业的发展始于2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，主要是机械控制和电气控制 式家电。从2 0 世纪7 0 年代术丌始，由于电子技术的发展，家电的控制方式进入了电 子控制方式。8 0 年代微处理器在各个领域得到应用，出现了微电脑控制家电。随着计 算机、信息和网络技术的迅猛发展，人们期望家电在跨过了机电控制、电子控制和智 能控制等技术台阶之后，能够发展成为通过网络获取知识、交换信息、协同工作的新 一代家电信息家电，向人们提供前所未有的强大功能1 2 1 1 3 1 0 国外智能家居发展现状： 智能化住宅小区在发达国家起步较早，始于2 0 世纪8 0 年代，装备有各种通信、 家电、安保等设施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实现监视、控制与管理等 智能功能。 美国和日本都已对住宅小区智能化系统制定了技术标准，按照技术标准进行智能 化住宅建设。应用于智能化居住小区的基础产品，在发达国家已形成系列。美国、意 大利、西班牙等囤的产品，相当一部分已通过了国际质量认证，在国际市场上占据优 势。智能化居住小区的基础是家庭综合布线系统。美国朗讯公司、西蒙公司、奥地利 公司、丽特公司等已拥有家庭综合布线系统的成熟产品，而目前其家庭布线系统的价 格却是较昂贵的。 目前市场上已出现的智能信息家电和智能家居类的产品主要有：n e y w e l l 公司 2 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 的智能家居产品、s t a r g a t e 的家居自动化系统o o s 公司出品) 、n i 智能家居系统 ( h a l 公司出品) 和v a n t a g e 家居自动化系统( v a n t a g e 公司出品) 。 国内智能家居发展现状： 1 9 9 9 年建设部住宅产业中心颁布了全国智能化住宅小区系统示范工程建设要点 与技术导则( 试行稿) ，导则规范了智能化住宅小区建设中的目标与原则，拟自 2 0 0 0 年起，用五年左右的时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工程，以此带 动和促进我国智能化住宅小区建设。其总体目标是：通过采用现代信息传输技术、网 络技术和信息集成技术，进行精密设计，优化集成，精心建设示范工程，提高住宅高 新技术的含量和居住环境的水平，以适应2 l 世纪现代居住生活的需要。 自2 0 0 0 年以来，国内一些企业开始研究网络家电，并且相继推出了自己的产品。 但是，由于没有统一的技术标准，各厂家所用的技术差异较大。为避免重蹈d v d 等 产品的覆辙，国家有关部门希望加快形成有自主知识产权的网络家电技术体系。我国 的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采用国外的技术和 产品，但也是一些单位推出了自己的产品，如清华同方的e h o m e 数字家园、海尔的 “e 家庭”和科龙的“现代家居信息服务集散控制系统 等。 1 3 2 智能家居系统的标准化情况 我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采用国外 的技术和产品。国外家庭网络的概念始于2 0 世纪7 0 年代，开始时各公司自定标准， 不同公司的产品不兼容，导致市场的开拓和技术的进步极为缓慢。近年来，遵循统一 标准已成为业内的共识。目前，国际上用于智能家居和家庭网络中占主导地位的标准 有：美国的x l0 和c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s ) 、欧洲的e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o n b u s ) 、日本的h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) 。其他相关的技术规范还有：b a i b u s 、b l u e t o o t h 、 e h s ( e u r o p e a nh o m es y s t e m ) 、h o m ea p i ( h o m ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e s ) 等。虽然 这些标准和规范各有侧重，但大部分是主要围绕家庭内部组网和设备互联互通、互操 作性及其即插即用等方面的。 1 3 3 智能家居的发展方向 有关人士提出，如今智能家居产业界所体现的三大技术趋势j 下是发展方向：1 ，领 先的无线移动；2 、网络化发展；3 、不依靠p c 的独立形态。而推进这个发展趋势的 3 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 正是无线通信技术、网络技术以及嵌入式系统的广泛应用。 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，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，使得系统能 够脱离传统p c ，从而智能家居行业也将跨入后“p c 时代。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 e r n e t ，g s m g p r s k 3 g ) 至i 基于i e e e 8 0 2 11 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，“网络一切将会在不久的将来成为生活中的现实；嵌入式系统的发展， 为未来智能家居的发展解脱了对p c 的依赖，人们可以以更低的成本来开发家居主控 制器，并且家居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。 无线智能家居控制系统还可以作为原有的有线系统的无限延伸，让家居设计更加 灵活，更具弹性，让“无线 自在的舒适生活成为现实。 1 4 研究内容和论文的结构安排 1 4 ，1 研究内容 在智能家居领域，由于平台和组网方式的多样化，导致了智能家居的实现方案也 是多样化的，因此基于国内外在网络家电的研究现状、成本、性能以及市场等多方面 因素的综合考虑，本课题拟定采用近年逐渐兴起的z i g b e e 无线网络来实现智能家居系 统内部网络连接。由于智能家居是一个复杂的系统，因此需要多人合作完成，其它部 分如i n t e m e t 的接入，家庭网关l c d 显示部分，都是在其他人的帮助下完成的。本课 题的重点是家庭网关软硬件设计、智能家居系统中z i g b e e 无线组网和m a c 层协议研 究部分，本文研究的内容主要有以下几方面： ( 1 ) 采用对比的方法，分析z i g b e e 无线网络的特点，并深入研究z i g b e e 协议栈 结构，了解z i g b e e 各层的作用和网络构成； ( 2 ) 提出课题所设计的智能家居系统的整体结构，对智能家居系统的家庭网关和 终端节点的硬件进行了设计实现，完成了家庭网关主要接口设计； 4 太原理：i ：人学硕十研究生学位论文 ( 3 ) 搭建a r m 网关丌发平台，主要包括启动引导程序和l i n u x 操作系统的移植； ( 4 ) 对家庭网络中z i g b e e 网络的自组织建立进行了研究，定义家庭网络通信协议， 完成了家庭网关的驱动程序丌发和应用程序设计。 1 4 2 论文的结构安排 全文共分为八章，具体安排如下： 第一章：介绍了课题的研究背景、选题的目的和意义以及智能家居控制系统的发 展动态。首先提出了智能家居的概念，接着阐述了智能家居控制系统的国内外研究动 态，最后提出无线智能家居控制网络是智能家居控制系统未来的发展方向。 第二章：通过对比的方法确定了系统方案，接着对z i g b e e 的发展过程、技术特点、 网络构成及拓扑结构做了简要介绍，对z i g b e e 的协议栈结构和各层的网络结构做了详 细分析，最后以表格的形式列出了z i g b e e 的应用领域。 第三章：首先在讨论系统基本功能的基础上，提出了智能家居系统的整体架构， 主要是网络拓扑的选择、家庭网关和终端节点的设计方案；之后引出了在系统设计中 对硬件、软件的要求；最后提出智能家居控制系统的特点及其设计中应考虑的因素。 第四章：本章主要研究家庭网关开发平台的建立。首先搭建了开发环境；接着对 启动引导程序v i v i 做了修改和移植；最后移植了l i n u x 操作系统，l i n u x 的移植分为 内核移植和文件系统移植两部分。 第五章：本章是该论文的核心部分，主要讲述了家庭网关的开发和家庭网络的组 建。首先，描述了家庭网关的硬件设计，主要包括外围电路设计和接口电路设计；接 着，对家庭网络的组建过程做了详细探讨；其次，深入研究了基于竞争的m a c 层协 议，对c s m a c a 协议做了改进，并设计了用到的通信帧；最后，进行了家庭网关驱 动程序开发和应用程序设计。 第六章：本章主要介绍了终端节点的设计，首先，在提出硬件总体框架的基础上， 设计了终端节点的硬件电路，接着简要叙述了终端节点的软件设计。 第七章：本章是论文的测试部分，详细介绍了测试目标、测试过程，并对测试结 果做了分析，最后，对系统的工作情况做了评价，指出以后要改进的地方。 第八章：对本论文的主要研究工作做了总结，突出了本论文的创新点，对下一步 要进行的研究工作做了展望。 5 太原理jl ：人学硕士研究生学位论文 第二章家庭组网新技术- - z i g b e e 随着数字家庭网络梦想的逐步清晰，标准的问题随之而来。家庭网络连接的接口 标准涉及所有的信息设备，无论消费电子、计算机，还是通信领域都会受到这种接口 标准的影响。目自仃智能家居在普及过程中，还存在着一系列诸如没有统一接口、统一 协议等方面的问题，各个厂商各有一套标准。而目前正在迅速发展的低速率低成本无 线联网标准z i g b e e 正是顺应这种低速互连的家庭互连网络要求提出的。本章将对这种 适用于无线家居互连和控制应用的新技术标准进行分析。 2 1 系统实现方案与选择 智能家居控制系统组网方式可以分为有线组网和无线组网两种，从发展趋势来看， 无线组网是家庭网络未来的发展方向。家庭网络组建的基本原则是安装简单、使用方 便、扩展性好且不用布线，因此，采用电力线和电话线，或是无线的技术才比较符合 家庭的要求。但目前的采用电力线的组网方式，存在技术成熟度不够的难题。而利用 电话线的那些技术，也面临电话插头少，接入产品不能芯片化，支持的厂商少等问题， 推广起来比较困难。目前我国大部分住宅建设都没有考虑家庭联网的需要，基础设施 严重缺乏，重新布线费时费力，影响美观，影响推广。而采用无线的方式可以避免很 多问题。相对有线而言，无线方式不用布线，支持设备移动，而且传输介质是无线电 波，覆盖范围广，不易受障碍物的阻隔。 在智能家居领域，可以采用的无线技术主要有i r d a 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h o m e r f 和z i g b e e 等。 7 太原理ji ：人学硕士研究生学位论文 表2 1 几种无线技术比较 t a b l e 2 一it h ec o m p a r eo fs e v e r a lw i r e l e s st e c h n o l o g y 技术标准 k d ab l u e t o o t hh o i t l e r f z i g b e e 传输介质红外线无线i s m 段无线i s m 段无线i s m 段 有效物理范嗣 1 m1 0 m1 0 0 m1 0 7 5 m 最大数据传输率 1 6 m b p si m b p s1 0 m b p s2 5 0 k b p s 方向性 3 0 度全向全向全向 传输方式点到点点剑多点点剑多点点到多点 链接设备数2 个 8 个1 2 7 个2 5 5 个 成本低高较低 低 电池寿命 l 7 天 3 月3 年 应用范围语音数据数据电缆替代语音数据监控 优点 低成本支 中等速率 功耗低 协议简单 持厂商多使h j 方便功耗极低 缺点 距离短 数率有限家庭应用速率低 抗干扰差协议复杂 以上介绍了几种无线技术，与其他无线技术相比，z i g b e e 技术主要有省电、可靠、 成本低、时延短、网络容量大等优点。 表2 - 2 常用家电特征分析 家电名称信号类型信号量说明 电脑控制、音频、视频多有专用网络线路。控制信号量少 三表控制少 照明控制少 电话音频、视频多有专用电话线路，控制信号量少 洗农机 控制少 空调控制少 电饭煲 控制少 微波炉控制少 电冰箱控制少 电视机控制、音频、视频多有专用信号线路，控制信号量少 8 太原理i _ 1 人学硕十研究生学位论文 智能家居领域常见的几种无线技术，通过比较分析( 表2 1 ) 我们可以看出z i g b e e 技术在家居领域应用有比较大的优势。蓝牙通信距离还只是大约1 0 米，在家居应用中 这是其致命弱点。现在的蓝牙设备正在变得越来越复杂，已经不能满足低功耗低价格 的需求。另外蓝牙设备都要求定期更换电池或者充电，而频繁地更换电池将给用户带 来很大的不便。 人们对家庭智能化的需求以实用、高性价比、个性化为主，价格差异导致各种技 术的优胜劣汰。z i g b e e 技术具有低造价、低功耗以及便于使用的特点，目前，每个8 0 2 1 5 4 收发器的价格接近5 美元，在不久的将来，随着需求的加大，每个8 0 2 1 5 4 收 发器的价格将低于2 美元。我们从目前家庭内部电器特征( 如表2 2 ) 分析可见，家用电 器通信多数属于信号量少的控制信号，少数( 电脑、电话、电视等) 数据量大的电器一 般都有专用线路。由以上分析可得，考虑到实用性和价格因素，z i g b e e 是智能家居系 统的首选。 2 2z i g b e e 技术概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 是一种供廉价或移动设备使用的简单、低成本和低功耗的低速率无 线连接技术。z i g b e e 是这种技术的商业化命名。z i g b e e 技术将主要嵌入在消费性电子 设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游 戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。 2 2 1z i g b e e 的发展过程 英国i n 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 体公司共同宣布，他们将组成z i g b e e 联盟来研发名为“z i g b e e ”的下一代无线通信标 准。这个名字来源于蜂群的赖以生存的和发展的通信方式，蜜蜂通过跳“z ”字形舞 蹈来分享获取的新信息包括食物原的位置、距离和方向等。z i g b e e 联盟于2 0 0 2 年8 月份成立，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入1 4 1 。 z i g b e e 标准作为一种j 下式的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议在2 0 0 3 年中发布。在标准化方面， i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组主要负责制定物理层p h y 和m a c 层的协议，其余协议主要参照 和采用现有的标准，z i g b e e 联盟负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。 9 太原理l ：人! 学硕十研究生! 学位论文 2 2 2z i g b e e 技术特点 表2 - 3z i g b e e 的主要特性 t a b l e 2 3t h ep r i m a r yc h a r a c t e r i s t i c so fz i g b e e 工作频段2 4 g h z 、8 6 8 m h z 、9 l5 m h z 最高数据传输速率k b p s 2 5 0 、2 0 、4 0 覆盖范围m1 0 1 0 0 协议栈容量k b2 8 功耗极低 模块成本美元 2 可连接的设备数量2 5 4 响应速率极快 z i g b e e 是一种新的无线连接技术，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低 复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。它是一种介于无线标记技术和蓝牙技 术之间的技术提案，相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术是功耗和成本最低 的技术之一。z i g b e e 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了z i g b e e 技 术适合于承载数据流量较小和q o s 的要求不高的业务5 1 。z i g b e e 的主要特性如表2 3 所示。 1 0 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 2 3z i g b e e 网络协议栈 安 全 服 务 提 供 者 应用层( a p l