（检测技术与自动化装置专业论文）楼宇无线监控系统的研究.pdf

天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个 或集体 已经发表或撰写的成果内容。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：磁蛳， 一 日期：加3 年1 月弓e l 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津 科技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作粼：讶 日期：神2 年1 月1 ，弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权天津科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口( 请在方框内打“ ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰( 请摧内打“一) 。 作者签名： 导师签名： 呀畸 势1 i e i 舞j - 砷? 年e j 哆目 日期：2 r 咕年i , e j 弓目 摘要 随着计算机技术、控制技术和通信技术的发展，人们对生活环境的安全性、舒适 性和方便性的要求也日益增长，楼宇无线监控应运而生。它利用系统集成的方法，将 智能计算机和通信技术等有机结合，通过对环境的自动监控、对信息资源的管理和对 使用者的信息服务及其建筑的优化组合，以获得最佳的监控方案。 通过对现有的智能楼宇监控系统的研究，针对楼宇环境的几个主要因素：温度、 湿度和光度，选取相应的传感器，温湿度传感器s h t l l 和光感t s l 2 5 5 0 作为端点。 本设计对现有的短距离无线通信技术作了一个详细的比较，最后选用具有市场潜力 的、新生的z i g b c e 无线通信技术。通信模块选用j e n n i c 公司的j n 5 1 2 1 系列模块，选 择网状型网络结构，利用其自身的微控制器，在j e n n i c 提供的开发环境c o d e ：b l o c k 中为相应的节点编制相应的程序，建立起一个无线监控网络，网络中的协调器收集到 各个节点的实时信息，通过串口传输到监控室的监控界面，对于非正常的数据信息发 出报警信号。 系统综合运用了硬件电路设计、通讯协议机制、串口和哳s u a l c + + 等方面的知识， 是一个综合的处理过程。利用本系统，监控人员可以在监控室里观测到大楼内各个地 点的实时情况，对楼内出现的非正常情况和安全隐患做到及时了解和处理，保证大楼 的正常运作。此系统所测参数有限，用户可根据自己实际需要增加端点，监控更多参 量，为以后的系统升级提供了良好的平台。 关键词：智能楼宇；无线监控；z i g b e 搦短距离无线通信 a b s t r a c t w i t ht h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dc o n t r o l t e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o n a l t e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t , p e o p l e sr e q u i r e m e n t sa r eg r o w i n gd a yb yd a y , s u c ha st h e l i v i n ge n v i r o n m e n t ss e c u r i t ya n dh o wc o m f o r t a b l et h e yf e e la n dt h em a t t e ro fc o n v e n i e n c e s ot h ew i r e l e s sb u i l d i n g ss u p e r v i s i o ne m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e i tu s e st h em e t h o do f t h es y s t e m si n t e g r a t i o n ，w h i c hc a nc o m b i n et h ea p t i t u d ec o m p u t e rw i t hc o m m u n i c a t i o n a l t e c h n o l o g yo r g a n i c a l l y w ec a no b t a i na no p t i m a ls u p e r v i s i o ns c h e m eb ys u p e r v i s i n gt h e c i r c u m s t a n c eo fb u i l d i n ga u t o m a t i c a l l ya n dm a n a g i n gt h er e s o u r c eo fi n f o r m a t i o n a f t e rt h er e s e a r c ho fa p t i t u d eb u i l d i n gs u p e r v i s i o ns y s t e ma tp r e s e n t ，a i m i n ga ts e v e r a l f a c t o r sa b o u tt h ec i r c u m s t a n c eo fb u i l d i n g , s u c ha st e m p e r a t u r e 、h u m i d i t y 、l i g h t n e s s ，c h o o s e s h t i ia s t h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rm o d u l ea n dt s l 2 5 5 0a st h el i g h t n e s s s e n s o rm o d u l e a f t e rt h e c o m p a r e o fs e v e r a lk i n d so fs h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n a lt e c h n o l o g y , u s ez i g s c ea sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi san e w t e c h n o l o g yw i t hm a r k e tp o t e n t i a l j e n n i ej n 5 1 2 1 m o d u l e sh a v et h e i ro w nm c u ，c o m b i n e d 谢t ht h ec o d e ：b l o c ki d et od e v e l o pa p p l i c a t i o n sf o rr e l e v a n tn o d e a f t e rt h a t ，aw i r e l e s s s u p e r v i s i o n n e t w o r ki se s t a b l i s h e d t h ec o o r d i n a t o ro ft h en e t w o r kt r a n s m i t st h e i n f o r m a t i o no fe a c hn o d et ot h e s u p e r v i s i o ni n t e r f a c eo fs u p e r v i s i o nr o o mb ys e r i a l i n t e r f a c e w h e ns o m e t h i n gi so u to fo r d e r , a na l a r mi sg i v e n t h i st a s km a k e sc o l l i g a t eu s eo ft h ek n o w l e d g eo fh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g n ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l , s e r i a li n t e r f a c e ，v i s u a lc + + i tn o to n l yi sar a t h e r c o m p l e xd i s p o s a lp r o c e s s ，b u ta l s oi st h eb l i n k i n gp o i n to ft h i sd e s i g n t h es u p e r v i s o rc a n o b s e r v et h er e a l t i m es i t u a t i o no ft h eb u i l d i n gb yt h i ss y s t e m ，a n dc a nd i s p o s a lt h eh i d d e n t r o u b l ei nt i m et om a k et h eb u i l d i n gi nn o r m a l ，s a v i n gal o to fm a n p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e s t h ep a r a m e t e r s t h a tt h i ss y s t e mm e a s u r e da r el i m i t e d , t h eu s e rc a r la d ds e n s o r m o d u l et ot h es y s t e mi no r d e rt om e a s u r em o r ep a r a m e t e rw h e nn e e d e d w h i c hs u p p l ya g o o df l a tr o o ff o rs y s t e mu p g r a d e ? k e yw o r d s ：a p t i t u d eb u i l d i n g ，w i r e l e s ss u p e r v i s i o n ，z i g b e e ，s h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n a lt e c h n o l o g y 1 前言 目录 l 1 1 楼宇监控系统的国内外研究状况1 1 1 1 国外智能楼宇监控系统的发展概况1 1 1 2 国内智能楼宇监控系统的发展概况2 1 2 短距离无线通信技术在楼宇监控系统中的应用2 1 3 本课题的设计思想：3 2 系统方案与设计5 2 1 楼宇无线监控系统的构成。5 2 2 系统的设计5 2 2 1 几种常用的短距离无线通信技术的比较5 2 2 2 系统的总设计方案8 、 3z i o k e 无线通信技术1 0 3 1z i g b e e 网络的介绍。1 0 3 1 1 工作特性，1 1 3 1 2 技术优点。1 3 3 1 3z i g b e e 的应用领域。1 5 3 2z i g b e e 的体系结构和相关概念。1 6 3 2 1z i g b e e 体系结构综述1 6 3 2 2 网络层1 6 3 2 3 应用层。1 9 3 2 4 应用配置2 1 3 2 5 详细体系结构：2 5 3 3j e n n i cz i g b e e 协议站软件。：。2 7 4z i g b e e 无线通信模块j n s l 2 1 - m - m 0 1 4 1 模块结构2 9 4 2y n s l 2 1 i e e f b 0 2 1 5 4 z i g b e e 无线微控制器。 。3 0 4 2 1 引脚配置说明3 2 4 2 2c p u ：3 4 4 2 3 存储器结构3 5 4 2 4 系统时钟3 8 4 2 5 复位。3 8 4 2 6 中断系统4 0 4 2 7 无线收发器4 0 4 2 8 外围接口4 3 5系统硬件电路一一一一。一。一一。一。一。一。46 5 1 温湿度传感器s h t l l 模块。4 6 5 1 1s h t l l 模块结构4 6 5 1 2 接口规则4 6 5 2 光度传感器t s l 2 5 5 0 模块4 8 5 2 1t s l 2 5 5 0 模块结构4 8 5 2 2 模数转换器4 9 5 2 3 数字接口5 1 5 2 4 指令寄存器5 1 5 3 系统硬件电路5 2 5 3 1 电源电路。5 2 5 3 2j n 5 1 2 1 m 0 0 m 0 1 模块电路。5 3 5 3 3 测温湿度和光度电路j k 。5 3 5 3 4r s 2 3 2 电平转换电路。5 4 6 勇匀e 软中 ：。一。5 5 6 1 系统软件的开发平台5 5 6 2 一般的z i g b e e 应用程序5 5 6 2 1 初始化函数5 6 6 2 2 主应用程序函数5 6 6 3 系统的软件框图。5 7 6 4 监控界面5 8 6 4 1m s c o m m 控件介绍5 8 6 4 2 监控界面设计5 9 7 结论和展望。一一一。一一。一一。一一。一。一一一一一砷 9 攻读硕士学位期间发表论文情况。一。一硒 1 l 口i 录。一一碣 附录1 各节点硬件电路图6 8 附录2 读取和发送数据6 9 附录3c o o r d i n a t o r 接收数据并通过串口发送给p c 部分程序。7 0 附录4 串口的初始化和打开程序7 1 n 天津科技大学硕士学位论文 1 前言 智能楼宇的定义：智能楼宇，利用系统集成的方法，将计算机技术，通信技术， 控制技术及建筑技术有机结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用 者的信息服务及与建筑的优化组合，所获得的投资合理，适应信息化社会需求而且具 有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物【1 2 l 。 楼宇监控系统是智能楼宇的重要组成部分，实践证明它能够有效的节约电能，节 省人力，延长设备的使用寿命，有利于提高现代化管理水平，所以越来越受到人们的 高度重视。无论新建还是扩建的智能工程，均把楼宇监控系统的建设作为提高管理水 平，增强经济效益和社会效益的重要措施。 1 1 楼宇监控系统的国内外研究状况 1 1 1 国外智能楼宇监控系统的发展概况 1 9 8 4 年美国建成世界上第一座智能建筑，此后世界各国纷纷效仿，智能建筑迅速 在世界各地展开。据统计，美国的智能建筑已经超过万座，日本新建的大楼中也有约 6 0 是智能建筑。此外，法国、瑞典、英国等欧洲国家和香港、新加坡、马来西亚等 地的智能建筑也方兴未艾。而且，这些智能建筑的智能化水平都较高，通常可以达到 比较高的集成度1 3 l 。 国际智能建筑的发展大概经历了四个阶段，第一阶段是1 9 8 5 年一1 9 9 0 年的单一 功能专用系统阶段，这一阶段只能选择一种或几种最重要的设备在中央监控室内显示 与操作，而大多数设备仍需在现场操作和记录；第二阶段是1 9 9 0 年一1 9 9 5 年的多功 能系统综合阶段，在这一阶段中，由于微电脑技术的发展，所有的设备状态都可以显 示于中央控制室内，大大提高了效率，但大部分的系统运算及处理功能，需要集中到 中央控制室内由计算机主机进行处理；第三阶段是1 9 9 5 年- - 2 0 0 0 年系统集成阶段， 这一阶段中，原来由中央监控主机完成的功能，可以由一些低价格、高处理能力的现 场控制器所取代，因此，中央监控主机的功能也扩大到集中监视、集中管理、分散式 控制。第四阶段是目前正在进行的一体化集成管理系统阶段，其体系结构分为中央监 控管理级、部门监控( 分层) 管理级和现场信息采集与控制级三层，通过系统一体化 的公共高速通信网络，同时在整个大厦内采用统一的计算机操作平台，运行和操作在 同一个界面环境下，以实现集中监视、控制和管理的功能1 4 j 。 经过多年来不断的探索和发展，国外在智能建筑领域已经取得了相当大的成绩， 智能化程度较高其产品在系统实时性、可靠性、安全性等方面都达到了很高的水准， 同时，在监控界面的显示、报表、势图的生成、实时数据的管理、与现场控制器的实 时数据传递以及远程监控、智能化控制( 专家控制) 等方面都取得了突破性的进展， 并且发展日趋成熟【5 叫。 1 前言 1 1 2 国内智能楼宇监控系统的发展概况 近年来我国智能建筑行业得到了迅速发展，呈现出巨大的市场潜力，社会效益和 经济效益也不断提高，对于改造和提升传统建筑产业和改善人民生活水平起了积极作 用。经过多年对智能建筑的设计、评审、施工管理及验收测评，智能建筑在我国已经 过了从无序到有序的发展过程，从知道不多到全面认识的过程，如今己进入发展阶段。 我国智能建筑从整体上看分初级阶段和发展阶段，1 9 9 0 年一1 9 9 5 阶段，是从单 一功能专用系统开始，并有多功能系统综合出现；1 9 9 5 年一2 0 0 0 年进入了系统集成 阶段，主要是以楼宇管理系统为中心的集成，并已见成效，发展较快；2 0 0 0 年到目前 为止是一体化集成管理系统，现正在进行中，发展较慢。 1 9 9 6 年以来，我国的智能建筑进入发展阶段，在全国范围内得到了推广应用，其 对象由宾馆、商务楼向银行、证券、办公、图书馆、博物馆、展览馆以及住宅小区智 能化等方向发展。在此期间，一些最新的国际先进技术和理念己进入我国，而且，在 我国工程技术领域中，技术人员在对新知识、新技术如饥似渴的追求下，很快就把这 些最新技术学习到手，并应用于工程实践之中。几年实践之后，一批精心设计、精心 施工而且建成后运转良好的智能建筑已经出现，它们对行业的发展起到了示范作用。 经过实践的锻炼，我国的技术队伍趋于成熟，若干国外知名品牌产品进入我国，缩小 了我国智能建筑行业与国际水平的差距。 虽然我国智能建筑的发展方兴未艾，短短的十几年己取得了巨大的研究成果和建 设成果，但应该看到，我国在智能建筑领域还存在着许多不容忽视的问题，主要表现 在以下几方面 v - s l ： 理论研究跟不上智能建筑的发展。 缺乏智能建筑领域的专业人才。 智能建筑施工队伍的技术能力不强。 缺少具有自主知识产权的国产化系统集成产品。 缺乏统一的建筑智能化系统工程设计施工规范。 1 2 短距离无线通信技术在楼宇监控系统中的应用 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电 波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短 距离无线通信。 短距离无线通信技术的特征： 首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大， 要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。 。 其次，低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个 先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低， 通常在1 毫瓦量级。 天津科技大学硕士学位论文 最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线 通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接口设计和高层协 议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式( 如载波侦听) 。 随着无线通信技术的迅速发展，给楼宇监控系统带来新的契机，对建筑内各种设 备的状态监视不必一对一地配置线路了，全部设备状态和过程参数都可在中央控制显 示，很容易进行操作和管理，不但节省了人力，而且提高了效率。无线网络技术在近 几年开始全面普及，无论是在家庭用户还是企业用户中，我们都能看到无线技术的影 子。其中，利用无线路由器组建无线局域网可能是我们最常见的一种无线技术应用， 但今天我们讲的不是无线局域网技术，而是另外一种无线技术，无线网络监控技术。 众所周知，采用无线网络技术给我们带来了极大的方便，采用无线网络技术可省 去布线的麻烦，可以让信号覆盖到有线网络不能延伸到的地方，可以节约维护成本等。 无线网络监控技术同样拥有这些优势，特别是在空间狭小或恶劣环境下，采用有线网 络监控，不但在组建监控系统时布线比较麻烦，在拆迁的时候也给用户带来巨大的工 作量。而无线监控系统的组建则比较简单，只需要在监控地点安装相关设备，不用布 线，在拆迁时直接取下布置的无线监控产品就可以带走了。所以无线监控系统与有线 监控系统相比，具有很大的优势i 鄹。 1 3 本课题的设计思想 一个无线局域网的组建要根据具体环境来看，无线网络监控系统是基于无线局域 网之上组建的一个监控系统。因此，无线网络监控系统的组建同样要根据具体的环境 来决定，这里我们要建的是楼宇无线监控系统，要根据大楼的实际结构和布局，以及 其主要功能做出相应的设计，其示意图如图1 1 所示： 1 前言 、 百目酉冒酉冒硅 鲺j ； ： 搿盔- 愈。- 田啊r 翠。 添毽 - _ 一 帮；一i 至； ； 簿 l 一 一 一 _ _ 一 一 _ _ 一 | il，ll ，l ii _ 睁、：i 墨 睁t ：!甄盛- ；f 汹 _ _ 粤 莲曼 。 _ _ 鹰 - _ ： 一 i 一 _ ； - 一 一 一 fl。qir = j 母。： j 如：夸 誓 一 镬 = 一 融：誊 一 、国 _ 一 一 二 一 一 一 一 一一一 一一一 一一 一 一 一一一 - 一 ： ， 一 一一一 - 一 睁 _ 一 固 一一 一一 图i - 1 楼宇无线监控示意图 f i g 1 - 1t h es k e t c hm a po fb u i l d i n gw i r e l e s ss u p e r v i s i o ns y s t e m 楼宇无线监控系统运用无线网络通信平台，该系统包括：监控中心、烟雾传感器、 温湿度传感器、光度传感器等。各传感器模块采样的即时数据通过无线网路传送到监 控中心的监控界面，监控中心通过监控软件对信息进行显示和处理，由于该系统采用 了高集成度的芯片收发机以及无线网络方式通信，因而该系统完全不同于现有市场上 其它无线安防设备，它具有高可靠性、高稳定性、高灵活性和低成本的特征1 1 6 勰。 天津科技大学硕士学位论文 2 系统方案与设计 2 1 楼宇无线监控系统的构成 、 楼宇无线监控系统是在计算机技术和无线通信技术基础上，采用集散技术和智能 控制技术进行调节和管理，不断的监测大楼的各种环境因素，搜集数据并不断分析信 息， 自动做出各种决定进行控制。智能楼宇监控系统主要包括如下几个子系统【2 6 j ： ( 1 ) 消防系统 根据建筑类型、部位和可能发生的火灾的种类，设置相应的烟感、火感和煤气报 警传感器进行探测火灾，各探测器通过总线连接至区域报警器，智能型的区域报警器 通过通信网络与消防控制中心连接，使消防中心及时掌握各种火灾报警信息，及时做 出准确判断和统一决策。 ( 2 ) 空调设备 通过测量冷热源的温度流量及监控冷冻机系统、空调器等的运行状态，自动调节 空调系统的各参数，对空调系统的温度湿度进行控制。 ( 3 ) 给排水系统 通过监控水位、流量、压力等来控制水泵的启停，并在发生故障时自动报警、打 印、从而实现生活给水、污水排放及热水供应等的控制。 ( 4 ) 照明系统 按分区、分层、分组控制照明灯，自动或人工发出开停指令，并在控制中心显示 其状态。 关系楼宇环境的因素是多方面的，也是十分复杂的，包括自然因素，也包括人为 因素。而且楼宇中各个地方对环境因素的要求也不一样，对于一些工作重地，如变电 室、机房等对于温湿度的要求很高，对于楼道对于光度、烟度等要求较高。所以我们 要针对楼宇内各个部位，采取相应的感测模块，在这方面，无线通信为其提供了应变 条件【孙2 8 1 。 2 2 系统的设计 2 2 1 几种常用的短距离无线通信技术的比较 ( 1 ) z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术，其p h y 层和m a c 层 协议为m e e8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层由z i g b e e 技术联盟制定，应用层的开发应用 根据用户的自己需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的 组网方式。 在网络性能上，z i g b e e 设备可构造为星型网络或者点对点网络，在每一个z i g b e c 组成的无线网络内，连接地址码分为1 6 b i t 短地址或者6 4 b i t 长地址，可容纳的最大设 备个数分别为2 1 6 和2 6 4 个，具有较大的网络容量。 2 系统方案与设计 在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入( c s m a - c a ) 方式，有效的避 免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通 信协议。 z i g b e e 设备为低功耗设备，其发射输出为0 - 3 6 d b m ，通信距离为3 0 - 7 0 m ，具有 能量检测和链路质量知识能力1 2 9 - 3 0 。 ( 2 ) 红外技术 1 9 9 3 年，由2 0 多个大厂商发起成立了红外数据协会( i r d a ： i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) ，统一了红外通信标准，该标准就是红外技术，。它通常采用8 5 0 n m 的红 外光传输数据信息，红外信号要求设备之间必须具有无障碍的直线信道，即使设备之 间不存在障碍，它们之间的通信距离通常最大不超过1 0 m ，并且，通信的角度不能超 过3 0 度，红外技术的传输速率较快，最初的传输速率为4 m b p s ，目前，其传输速率 已经达到了1 6 m b p s 。该技术具有工作原理简单、功耗小、成本低，但因为其传输距 离有限、传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的限制【3 。 ( 3 ) 数字增强无绳电话技术 数字增强无绳电话( d e c t ) 技术为欧洲下一代无绳电话标准，d e c t 采用1 8 g h z 频段以及微小区蜂窝结构，话音编码采用3 2 k b p s 的a d p c m ，无线接口技术基于 t d m a f d m a f r d d m c ( m u l t i p l ec a r r i e r ) 技术，一个终端可在所有载频和任意组合 时隙单元中进行无线寻址，传输的系统成为话音信息，但随着技术的发展和社会的需 要，其技术也在不断的发展和改进，在不影响话音信息的传输质量的基础上，增加了 数字传输业务，数据可在同一话音信道上传送，因此，数字增强无绳电话标准可支持 话音、高速数据和视频传输，这些特点是它成为了无线通信标准之二【3 2 】。 ( 4 ) 家庭无线电射频技术 家庭无线电射频( h o m e r f ) 无线联网标准是由p r o x i m 、西门子、摩托罗拉、康 博电脑等技术巨头于1 9 9 8 年发起组建的h o m e r f 工作组负责研发的，其研发初衷旨 在家庭无线联网提供一种组网方便、易用、成本低廉的通用性标准，它汲取了 i e e e 8 0 2 1 1 与d e c t 等无线标准优势，能够有效降低话音和数据传输成本，可提供 1 - 2 m b p s 的数据传输带宽，新的h o m e r f r x 标准的最高数据传输带宽则可达1 0 m b p s ， 该技术工作频率为2 4 g i - i z ，其主要应用于家庭无线网络，可链接1 2 7 个设备。 ( 5 ) 蓝牙技术 1 9 9 8 年5 月，瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国m m 和i n t e l 公司5 家 著名厂商，在联合拓展短程无线通信技术的标准化活动时，提出了蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术。该技术是一种用于替代便携或固定电子设备上所使用的电缆或连线的短距离无 线连接技术，工作在2 4 g h z 的i s m 频段上，其技术采用以每秒钟1 6 0 0 次的扩频调 频技术发射功率为3 类，即l m w 、1 0 r o w 、和1 0 0 r o w ，通信距离为1 0 - 1 0 0 m ，传输 速率已从7 2 0 k b p s 发展到3 m b p s ；在传输数据信息的同时，还可传输一路话音信息，这 是蓝牙技术的一个重要的特点之_ _ 1 3 3 - 3 6 1 天津科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 超宽带无线通信技术 超宽带( u w b ：u l t r a w a v eb a n d ) 无线通信技术是一种新型的无线通信技术，根 据2 0 0 2 年2 月1 4 日美国联邦通信委员会( f c c ) 从信号带宽的角度给出了u w b 信 号的确切定义：u w b 信号指“1 0 d b 功率点处的相对带宽大于2 5 或射频的绝对带 宽大于1 5 g h z 的信号。该技术的工作频段范围为3 1 1 0 6 g h z ，工作带宽为7 5 g i - i z ， 数据传输速率可达1 g b p s ，传输距离为1 0 m ，在工作带宽内，发射功率的频谱密度低 于4 1 d b m 。由于该技术存在宽的信号带宽，传输信息的速率高，而且，功耗低、隐蔽 性好、抗信号多径效果好等优点，因此，这项技术受到了各方面的广泛关注【3 7 1 。 ( 7 ) i e e e 8 0 2 1 l x 技术 i n t e m e t 网络的迅速发展，进一步加速了无线网络技术的应用和发展，特别是 i e e e 8 0 2 1 1 技术标准经过十年的发展，其技术性能指标得到了极大的提高。 i e e e 8 0 2 1 l b ，其工作频段为2 4 g h z 的i s m 频段，采用直接序列扩频技术，传输速率 为l l m b p s 近年来i e e e 8 0 2 1 l b 在调试方式上有所改进，提出了两种新的调制方式： 第一种是高效率的“补码键控( c c k ) 调制方式，从而使传输速率达到了l l m b p s 的顶端数据速率。第二种调制方案是“分组二进制卷积码 ，由于该技术能够提供3 d b 的编码增益，从而提高了设备的通信距离。 i e e e 8 0 2 1 l a ，其工作频段为5 2 g h z ，采用o f d e 调制技术，具有较好的抗多径 干扰性能，可提供8 个信道，可采用6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 m b p s 等速率来 传输数据流，由于工作频率、调制方式不同，不能与8 0 2 1 l b 兼容。 i e e e 8 0 2 1 1 ，工作在2 4 g h z 频段，该技术提出了两种调制方式，一种方式为 c c k - o f d m 调制方式，其中p b c c 2 2 方式保持了对i e e e 8 0 2 1 l b 的完全兼容，并使 最高传输速率达到了2 2 m b p s ，又被称为8 0 2 1 l b + 标准。而c c k - o f d m 则作为5 0 2 1 l g 的强制5 4 m b p s 模式，同时支持两种模式的8 0 2 1 l g 产品，在与8 0 2 1 l b 网络兼容的情 况下，最高提供与8 0 2 1 l a 标准相同的5 4 m b p s 传输速率。 i e e e 8 0 2 1 l h 是欧洲制订的、工作在5 g h z 频段的无线标准，目的是减少对同处 于5 g i - i z 频段的雷达的干扰。8 0 2 1 l h 涉及两种技术，一种是动态频率选择( d f s ) ， 即接入点不停地扫描信道上的雷达信号，接入点和相关的基站随时改变频率，最大限 度地减少干扰，均匀分配w l a n 流量；另一种技术是传输功率控制( t c p ) ，总的传 输功率或干扰将减少3 d b l a s - 4 0 l 。 ( 8 ) 射频识别技术 无线射频识别( r 皿) 是一种非接触式的自动识别技术。最简单的r f i d 系统由 标签、阅读器、和天线3 部分组成，在实际应用中还需要其它硬件和软件的支持。其 工作原理：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借从感应电流中所获得 的能量发送储存在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号，阅读器读取信 息并经解码后，送至中央信息系统进行相关数据处理【4 1 】 7 2 系统方案与设计 2 2 2 系统的总设计方案 基于以上对楼宇无线监控系统的理解，和对于现有几种短距离无线通信技术的比 较，我们选用z i g b e e 这种新生的无线通信技术，它在价位、功耗以及网络组建上有 一定的优势，根据这种无线通信技术的特点，其在传输速率上的限制，选择楼宇环境 的典型因素进行测量，在本系统中主要是对温度、湿度、光度几个典型的量进行测量。 整个系统分以下几步完成： ( 1 ) 选用合适的z i g b 模块，本系统中选用的是j n 5 1 2 1 m 0 0 - m 0 1 模块。 ( 2 ) 选用跟z i g b 模块相匹配的测温湿度、光度传感模块。主要是要考虑电源和采 8 9 3 z i g b e 圯无线通信技术 3z i g b e e 无线通信技术 3 1z i g b e e 网络的介绍 z i g b e e 协议的发展为监控应用领域提供了低功耗、无线连接功能，它是由z i g b e e 联盟控制并面向世界开放的标准。z i g , b e e 标准克服了传统无线通信技术在低功耗、无 线网络解决方案、范围和电压限制，以及节电和无线连接错误等方面的局限性。它是 通过在已制定的i e e e 8 0 2 1 5 4 基础上建立封装的基础无线传输。z i g , b e e 通过提供灵 活的、可扩展的网络拓扑加强了i e e e 8 0 2 1 5 4 的功能，这种网络拓扑结构集成安装和 路由智能使其具有便于安装和有高度的纠错能力。z i g b e e 网络还结合了载波侦听和严 格的安全措施，使得它们可以和其它无线技术共存( 如蓝牙和w i f i ) 于相同的操作 环境中。 z i g b e e 是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、 易建的低成本无线网络，强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。z i g b e e 的无线连 接易于安装、价格便宜，内在的智能和灵活性使网络易于适应变更需要，通过增加、 移除或者移动网络设备，协议可以设计让设备出现和消失在网络上，所以当设备不需 要起作用的时候可以让它处于储能模式，这个意思就是说许多z i g b e e 网络设备可以 电池供电，使它们自给自足，再者能减少安装费用。 图3 - 1 是一个应用于室内温度和空调系统的简单的z i g b e e 网络1 4 2 删， ( 协调器) r | | 鞫鹾一1；一一鎏举 鹾一1 l l i r ”空调诅温器 “t ：l ：墅吗调晶器 丫芝淤i 嘲。- _ j ri 丫 ( 路由) l 一阴! 一一一“j i 斗。翠 1 5 d b m ) 可以实现更大传输距离。 ( 2 ) 电池供电结构 有许多无线应用系统都是电池供电，从灯具开关、活动标签、安全检测到太阳能 控制。z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1 5 4 协议特别为电池供电应用设计。从使用者的角度出发 电池供电有一定的优点： 设备安装容易、成本低，无需连接到其它独立电源。 设备定位灵活，可以安装在没有提供电源的不同地方，甚至是移动设备。 容易改进网络，设备可以很方便的加入和移除 说明：因为这些设备一般很小，它们用的是低能量的电池，因此电池必须是较好的。 ( 3 ) 网络和路由 z i g b e e 提供了改良网络性能来扩展在i e e e 8 0 2 1 5 4 基础下的性能。特别是路由 的使用使更多的节点可以通信，并且通过媒介节点覆盖更广的范围。一个z i g b e e 网 络可以采用以下三种拓扑结构( 星型，树型和网状型) ，如图3 - 2 所示： 3 z i g b e e 无线通信技术 杰一一 c a ) 星型( b ) 树型c o ) 网状型 图3 - 2 网络拓扑结构 f i g 3 - 2n e t w o r kt o p o l o g i e s 一条消息从一个节点路由到另一个节点的方式由拓扑结构决定，如下说明。 星型：网络有一个中心节点，它可以连接到网络中的所有其它节点。所有信息的传输 都要通过中心节点。 树型：网络有一个带有分支结构的顶端节点，一条信息要到达目的地，需往树的上层 传输( 直到所需位置) ，然后再到树的分支上。 网状型：网络有一个类似于树状的结构，但它的一些分支直接相连。当获得合适的路 由，消息可以通过树型传播。网状网络实际上就是多通道通信，在实际应用现场，由 于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样， 可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多 个通道，车辆( 相当于我们的控制数据) 仍然可以通过其它道路到达目的地。本系统 中采用的就是网状网络拓扑结构。 在网络中总有一个节点来担任协调器节点，星型拓扑结构的中间节点，树型拓扑 结构的最高节点都是协调器节点。 ( 4 ) 规范 为了达到协作力的目的，z i g b e e 联盟提出了设备规范的概念，它包括了一个设备 特殊的用途和市场所需的重要特性。规范分为两个等级，堆栈规范和应用规范。 堆栈规范 堆栈规范决定z i g b e e 堆栈提供给网络配置的资源，例如网络类型和形式，和应 用系统可利用到的特征，例如安全类型。z i g b e e 联盟已经制定了三个堆栈规范，对应 于不同的应用和市场。 家庭控制：典型的应用需要提供