（模式识别与智能系统专业论文）zigbee在家庭控制网络中的应用研究.pdf

摘要 为了满足人们对舒适的家庭居住环境的需求，智能家居已成为当今的一个研 究热点，而家庭控制网络是实现智能家居的关键。目前已有多种家庭控制网络技 术在实际中得以应用。但是实践应用显示这些技术还存在着一定的不足和局限， 制约了其在市场应用的近一步扩展。z i g b e e 就是近年出现的一种低成本，低功 耗，低速率的双向无线通讯标准，其目标是应用于家庭自动化、建筑自动化和工 业监控等领域。z i g a c e 更加适合于家庭控制网络。对于z i g b e e 在家庭控制网中 的应用研究可为z i g b e e 在家庭控制网中的实际应用提供一定指导和参考。 本文主要对z i g b e e 在家庭控制网中的应用进行了初步研究，提出了改进的 网络地址分配算法和和新的网络节点认证机制。文章首先简要总结了目前几种 实际应用的家庭控制网技术和可应用于家庭控制网的近距离无线技术，分析其 各自特点。其次简述了z i g b e e 协议栈层结构和功能，并近一步分析了z i g b e e 协议的主要功能。然后重点分析了z i g b e e 在家庭控制网中的应用，根据家庭控 制网特点，提出一种共享地址分配算法，改进了z i g b e e 地址分配算法存在的地 址子块空间不可共享性。根据家庭控制网节点容易受到物理攻击特点，提出一 种基于安全m c u 的网络节点认证机制。最后在f r e e s c a l e 公司z i g b e e 演示板的 基础上设计了网络节点，利用f r e s e a l e 提供的m a c p h y 库编制了节点软件。 关键词： z i g b e e ， 家庭控制网，共享地址分配，网络节点认证 n 坨e m e r g e n c eo f s m a r th o m e m e e t st h ed e m a n d so f p e o p l ef o rm o r ec o m f o r t a b l e l i v ec o n d i t i o n n o w a d a y ss m a r th o m eh a sb e c o m ear e s e a r c hh o ts p o t n e t w o r ki s t h ef o u n d a t i o no fs m a r th o m e s e v e r a lk i n d so fh o m ec o n t r o ln e t w o r kt e c h n o l o g i e s h a v eb e e nu s e d b u ta l lo ft h e mh a v es o m ed e f i c i e n c i e si nh o m ec o n t r 0 1 1 1 1 ez i g b e e i sav e r yl o w - c o s t , v e r yl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , t w o - w a y ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d 1 1 地i n t e n d e dm a r k e ts p a c eo fa p p l i c a t i o n su s i n gt h ez i g s e es t a n d a r di s h o m ec o n t r 0 1 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 la u t o m a t i o n 1 1 圮r e s e a r c ho nz i g b e e i nh o m ec o n t r o ln e t w o r kc a np r o v i d es o m eg u i d e sf o rf u t u r eh o m ec o n t r o ln e t w o r k a p p l i c a t i o n t h ea p p l i c a t i o no fz i g s c ei nh o m ec o n t r o ln e t w o r ki si n v e s t i g a t e di nt h i sw o r k t h en e wa d d r e s sa s s i g n m e n ta l g o r i t h ma n dt h en e wn e t w o r kn o d ea u t h e n t i c a t i o n m e c h a n i s mh a v eb e e ni m p r o v e d f i r s t l yt h i sp a p e r8 u m m a r i z c ss o m eh o m ec o n t r o l n e t w o r kt e c h n o l o g i e sa n d $ o l n es h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s w h i c hc o u l db eu s e di nh o m ec o n t r o ln e t w o r k ，a n da n a l y s e st h e i rc h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d l yt h ep a p e rs n m m a l i z e $ t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fl a y e r so fz i g b e ea n d a n a l y s e st h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f z i g b e e t h i r d l yt h ep a p e ra n a l y s e st h ea p p l i c a t i o n o fz i g b e ei nh o m ec o n t r o ln e t w o r k , i m p r o v e st h ea d d r e s sa s s i g n m e n ta l g o r i t h mo f z i g b e ea n dak i n do f n e t w o r kn o d ea u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s mb a s e do ns e c u r em c u l a s t l yt h ez i g b e eh o m ec o n t r o ln e t w o r kn o d eb a s e do nf r e e s c a l ed c m ob e a r di s d c s i g n e da n dt h ec o d eo fn e 帆v o r kn o d eb a s e do nf r e e s c l a em a c p h yl i b r a r yi s p r o g r a m m e d k e y w o r d s ：z i g b e bh o m e c o n t r o ln e t w o r k , s h a r e da d d r e s sa s s i g n m e n t , n e t w o r kn o d e a u t h e n t i c a t i o n 河海大学硕上论文 附图索弓 图1 1z i g b e e 与其它无线标准的关系9 图1 2z i g b e e 和蓝牙等标准的信噪比对比9 图2 1z i g b e e 协议栈结构图1 2 图2 2 物理层参考模型1 3 图2 3 物理层工作频率和速率1 3 图2 4m a c 层参考模型 图2 5n w k 层参考模型 1 4 1 5 图2 6a p s 层参考模型一1 6 图2 7z i g b e e 网络拓扑结构1 7 图2 8 开关和点灯绑定示意图一1 8 图2 9 样例地址分配图2 0 图2 1 0z i g b e e 数据路由算法2 3 图2 1 1 超帧结构图2 5 图2 1 2 信标网数据由网络设备传输到协调器2 5 图2 1 3 非信标网数据由网络设备传输到协调器2 6 图2 1 4 信标网数据由协调器传输到网络设备2 6 图2 1 5 非信标网数据由协调器传输到网络设备2 7 图2 1 6 一般应_ h ! i 框架命令帧格式2 7 图2 1 7 一般a p sl l 贞格式2 8 图2 1 8 一般a p s 帧格式2 8 图2 1 9 一般m a c 帧格式2 8 图2 2 0 一般p h y 帧格式2 9 图2 2 lm a c 层加密帧结构3 1 图2 2 2n w k 层加密帧3 1 图2 2 3a p s 层加密帧3 1 图3 1 簇树网拓扑结构3 3 图3 2 网络节点父子关系树3 5 图3 3 节点8 加入网络地址申请数据流图3 6 图3 4 节点5 退出网络数据流图3 8 图3 5 芯片私有化过程示意图4 5 图3 6 安全认证过程示意图4 8 图4 1 节点硬件结构图一4 7 图4 2m c u 部分的电路原理图4 8 图4 3r f 模块电路原理图 图4 4f 型天线的实际尺寸图 ，4 9 ，。5 0 图4 5f 型天线的射频模式图5 0 图4 6 天线接口模块电路原理图5 1 图4 7 低噪声放大器电路原理图5 1 图4 8i j a r t 电路原理圈5 2 图4 9 外部存储器和数模转换电路原理图一5 3 图4 1 0 电路原理图5 3 河海大学硕士论文 图4 11m a c 库系统框图5 4 图4 1 2m a c 库接口5 4 图4 1 3z i g b e e 节点开发环境5 9 河海大学硕+ 论文 表2 1 样例地址偏移值表 附表索弓 表2 2 安全服务组3 0 表3 1 子节点列表一维数组结构 3 4 表3 2 图3 2 中协调器的子节点列表一维数组结构一3 5 表3 3 节点8 加入前的协调器、节点地址为3 和地址为7 的子节点表3 7 表3 4 节点8 加入后的协调器、节点地址为3 和地址为7 的子节点表3 7 表3 5 节点5 退出前的协调器、节点地址为3 和地址为7 的子节点表3 9 表3 6 节点5 退出后的协调器、节点地址为3 和地址为7 的子节点表3 9 表3 7 插入节点3 5 前后节点7 子节点表 表3 8 插入节点1 9 前后节点7 子节点表 表3 9 子节点数和子节点空间关系 表3 1 0 三种地址分配算法比较 4 2 4 2 4 2 表4 1m a c 库源文件表5 5 表4 2m a c 库头文件表5 5 表4 3m a c 初始化和执行a p i 5 6 表4 4 消息分配和存敬函数5 6 表4 5 消息入队和出队函数5 6 学位论文独创性声明； 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：幸垒垂直牡渺一7 年么肛蝈 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 筝名) ：幺垒j 江7 岬年舌月砚日 河海大学硕+ 论文 第1 章绪论 家是人们生活的重要组成部分，舒适的家庭居住环境是人们对生活的不断追 求。伴随着i n t e r n e t 的出现、信息微电子技术等科技的发展和进步，人们对于生 活质量有着更高的要求。居室的物理空间和豪华的装修不再是人们追求的最终目 标，人们的生活需要更舒适更智能化的空间。智能家居、智能住宅等概念在国内 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。而这一切发展的 最终目标都是给人类提供一个舒适、便捷、高效、安全的生活环境。如何建立一 个高效率、低成本、安全的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题，而家 庭网络是智能家居得以实现的关键。u 2 1 1 3 1 1 1 智能家居网络简述 1 1 1 智能家居的概念 智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化， 集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用计算机技术、网络通信技术、 综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起。与普通家 居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适、安全、高品位且宜人的 家庭生活空间，还使得家庭中的各种设备由原来被动静止的状态转变为具有能动 智慧的工具，优化人们的生活方式，节省各种能源费用。【1 】【2 1 【3 】 4 1 1 5 1 1 1 2 智能家居网络 家庭网络是实现智能家居的基础。家庭网络是在家庭范围内将p c 、家电、 安全系统、照明系统和广域网相连接的一种技术。从数据通讯服务功能上来划分， 智能家居网络可以分成家庭信息网和家庭控制网络两种。 智能家居信息网络又可分为数据网络和通信网络。数据网络主要包括家庭内 部资源共享、互联网访问、i p t v 、视频点播、即时通信以及其他目前仍不可知 的应用将都可能是未来家庭网络的一部分，其以家庭网关为中心点，组成家庭网 络并通过网关访问网络服务。家庭通信网主要包括各类语音电话，可视电话、视 讯会议等可视方式的通信。 在信息网络上传输的主要是音频和视频信号，它们的频率带宽一般要高达数 兆赫兹，因此要求信息网络上的信息传输速率比较高。但相对说来，它的可靠性 1 型塑盔兰塑：兰堡兰 要求没有控制信息那么高。因为视音频信息在传输的前后都有一定的处理，这些 处理都有一定的容错能力，而且即使有瞬时的错误，也只是影响瞬时的声音或图 像的错误，而对设备以后的运行几乎没有影响。因此信息网络在技术上需要解决 的主要问题是传输速率，即在可能的条件下，尽可能提高信息网络的带宽。 智能家居控制网络主要是控制家庭中各种设备的运行状况，如电灯的灭亮和 亮度控制，空调的启停及温度和风量的控制，家庭安防系统的讯号采集和执行， 各种开关量的输入，电动窗帘的开启关闭控制，室内各种物理量的探测( 如温 度、湿度，各种气体含量等) ，四表( 煤气表、电表、水表和暖气的热量表) 数 据的输出与指示等。在控制网络上传输的信息主要是控制信息以及一些物理量的 参数。信息的数据量比较少，因此传输的速率可以比较低，一般在几十k b p s 就 可满足要求，但是信息传输的可靠性要求比较高。这是因为它传输的信息是各种 设备的控制信息，它的错误不仅可能导致设备的非正常工作，而且可能导致设备 的损坏。因此控制网络在技术上主要解决的问题是传输的可靠性。智能家居控制 网络技术是实现家居智能化的关键，是家庭实现自动化的基础。1 4 1 例 1 2 智能家居控制网技术现状 目前市场比较成熟的家庭控制网技术主要包括x 一1 0 、c e b u s 、l o n w o r k s 、 k n x e i b 、e c h o n e t 等。 1 2 1x 一1 0 x - 1 0 电力载波技术出现于1 9 7 8 年，是一种通过家庭交流输电线路实现对电气 设备进行控制和通信的通信协议，由苏格兰的p i e o 电子公司开发。1 9 7 8 年p i e o 开 始和b s r 联合经营并称为x - 1 0 公司。x - 1 0 传输物理媒介为电力线，网络节点数 可达2 5 6 个，传输速率为6 0 b p s 。其缺点是仅能传送有限的控制命令；各设备间只 能进行单向通信；通信速率较低；因采用幅度调制技术很容易被电力线干扰，为 了保证设备能受控制，不得不提高接收的灵敏度，但会由此带来较多误动作，导 致抗干扰性能差。它只支持开关量，用于面板开关和继电器类的简单电器。但凭 借价格低廉，简单易用，一般用户均能自行安装，在商业上取得了很大的成功。 目前，国内新近出现的许多家庭自动化产品有不少基于x 1 0 技术，产品功能丰 富，但在中国的实际使用效果却不令人满意。1 6 j i 1 2 2c e b u s c e b u s 是由a n s i ，e i a 发布的主要用于控制的网络标准，于1 9 9 2 年确定了 e i a 6 0 0 系列最终文档，从1 9 9 5 年开始向国际标准过渡。c e b u s 包括两个标准， 2 和】海丈学硕l 论文 一个用于低速控制，另一个用于高速数据信号。c e b u s 覆盖了家庭中的一切传 输媒体，包括红外线、射频、电力线、同轴电缆、双绞线或光纤等。用于控制的 低速c e b u s 平均传输速率为1 0 k b p s 。c e b u s 是点对点网络，它不需要系统控制 器。c e b u s 使用c s m a c d c r 方法来控制其节点对电力线媒介的访问，是对以 太网协议c s m a c d 的一种改进，这种协议使得几个节点争用传输媒体发生冲突 时，其中必有一个优先级较高的节点能够发送成功，且其数据的完整性不受本次 冲突的影响。c e b u s 是一个较完整的开放系统，它定义了在几乎所有传送媒体中 信号的传输标准，任何符合c e b u s 标准的电器产品都可以直接互联及通信。 c e b u s 的抗干扰能力比x - 1 0 强，控制功能亦十分丰富。但由于c e b u s 接口技术 比较复杂，价钱较贵，因此使用c e b u s 产品的用户相对较少，c e b u s 在中国的 应用也不多见。 7 1 1 8 1 1 2 3l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年1 2 月开发成功的全分布式智能控 制网络技术。它的基本的部件是同时具有通信与控制功能的n e u r o n 芯片，该芯 片内置三个微处理器，并将操作系统、运行时间数据库以及通信协议等都固化在 芯片之内。1 9 9 7 年7 月e c h e l o n 允许在牌照管制的条件下将l o n w o r k s 通信协议用 于其它c p u 上。同年8 月l o n w o r k s 被e i a 的集成家庭系统技术委员会定为家庭 网络的标准，编号为e i a i s 7 0 9 。在建筑行业的信息采集和控制方面l o n w o r k s 已 成为事实上的行业标准。 l o n t a l k i 匝信协议是l o n w o r k s 技术的核心，它提供了i s o o s i 的七层服务， 并固化于n e u r o n 芯片之中。该协议提供一套通信服务，使网络节点中的应用程 序能在网上对其它装置发送和接收报文而无需知道网络的拓扑、名称、地址或节 点的功能。媒体访问控制采用预测性c s m a 算法，使网络在负载较重的情况下仍 能以接近最大吞吐率进行工作。l o n t a l k 按照网络、域和予网三级逻辑地址结构， 每个子网可包含1 2 7 个节点，每个域可包含2 5 5 个子网，每个网络可以包含2 4 3 个 域。系统中最多节点数可达3 2 k 2 4 8 个节点。其支持媒体有电力线、双绞线、红 外线、无线电、电缆线、光纤等多种传输介质。根据传输介质和网络拓扑结构的 不同，网络传输速度也不同，最高可达1 2 5 m b p s ，子网传输距离可达1 3 3 0 米。 l o n w o r k s 最大的优点是开放性、分散性和互换性，一个具有l o n m a r k 标志的节 点可1 2 上_ 互操作亦可以互替换，但这是有条件的，要达到这个目的，必须尽量把产 品细分，增加控制器变量的种类，简化及固定操作流程等，这又不可避免地增加 控制节点的数量从而增加了系统的成本。l o n w o r k s 虽是e i a 定义的家庭网络标 准，但在我国则主要用于商业自动化方面，在家庭自动化领域的应用则要逊色一 3 扣】海人学硕 论文 些。主要原因恐怕是价钱还未能为普通家庭所接受。【_ 7 l 【8 】 9 1 1 2 4 k n x 1 9 9 0 年，a b b 等共七家欧洲电气产品制造商为核心组成联盟，制定了e i b 技 术标准并成立了中立的非商业性组织欧洲安装总线协会e i b a 。各类产品品种多 达4 0 0 0 多种，几乎覆盖了建筑中各个行业和各种用途的需要。按照开放的e i b 标 准生产的各种元器件能够相互兼容和交互操作，e i b 提供电能管理、运行管理、 传统电气安装、智能总线安装技术的楼字及住宅应用领域全面解决方案。经过十 多年的发展，e i b 不仅成为事实上的欧洲标准，也被成功地引入世界各地，2 0 0 0 年在1 e c 国际现场总线标准大会上被作为提名国际标准之一。e i b 目前可支持的 传输介质包括双绞线、电力线、无线电和红外线四种介质。其中双绞线系统是应 用最广泛的介质，它采用2 2 0 8 的标准e i b 总线，具有良好的抗干扰性。目 前在中国市场上提供的主要以双绞线系统为主。2 0 0 1 年，e l b a 协会吸收了b c i 、 e h s a 两家欧洲智能电气安装协会，在欧洲统一了智能电气安装技术标准，也诞 生了全新的标准k o n n e x ，简称k n x 。k n x 标准以e i b 标准为基础，针对 智能家居和网络控制制定了同e i b 完全兼容的标准。k n x 是全分布式网络，其 1 6 位的地址空间最大可以容纳6 5 5 3 6 个设备；其逻辑拓扑或是子网允许在一条线 路上连接2 5 6 个设备。1 6 条支线可以经过主线连接为一个分区域，而1 5 个分区 可以经由总线主干连接为一个区域。除去为耦合器预留的地址，一个k n x 网可 以容纳( 2 5 5x1 6 ) 1 5 + 2 5 5 个终端设备。网络传输速率根据不同的传输媒介的 不同而不同，最高可达3 8 k b p s 。2 0 0 3 年欧盟以法律形式通过k n x e 1 b 标准，目 前k n x e i b 标准为欧洲唯一法定标准。目前，k n ) ( ，e i b 总线技术在我国应用于 智能建筑领域效果显著，但对于住宅而言，它过高的价格将限制全面的推广，并 且，e i b 并不适合与网络家电相互连接，对电器的控制能力较弱。1 7 【1 o 】 1 2 5e c h o n e t 1 9 9 7 年1 2 月东芝、日立等六家公司成立了非营利组织e c h o n e t ，该组织的 主要目标是开发可标准化且适用于一般家庭的网络系统。因广泛公布其所开发的 a p i 和通信协议规格，以及积极向外宣传和门槛降低等因素，其发展逐渐成熟。 e c h o n e t 是一种透过网络控制家电的通信标准，透过接上网际网络控制终端， 可对联网家电或装置进行集中控制。事实上e c h o n e t 只规定基本通信协议，对 控制终端与网络家电问的通信媒介并没有限制。e c h o n e t 支持电力线等多种传 输介质，在电力线介质中传输速率为9 6 k 。e c h o n e t 的特点包括：是开放标 准，且有许多家电大厂支持此技术；能为各类服务提供共同的基础架构，有多家 大厂参与生产，且有多种平台可利用；花费成本低，不需重新布线且容易装设， 4 1 2 6 几种现有技术比较 x - 1 0 和e c h o n e t 都是低速低功耗的传输协议，碡1 0 传输开关量只适合灯 光控制，e c h o n e t 仅是日本国内的家庭网络的事实标准。c e b u s 是一个较完整 的开放系统，它定义了在几乎所有传送媒体，任何符合c e b u s 标准的电器产品都 可以直接互联及通信。但由于c e b u s 接口技术比较复杂，价钱也非常贵，因此使 用c e b u s 产品的用户相对较少，c e b u s 在中国的应用也不多见。l o n w o r k s 和 k n x e i b 均提供完整的楼字自控、家庭控制解决方案，都依照i s o 七层模型设 计通信协议，在互操作性上包括错误监测与纠正、信息确认和重发。都具有开放 性、灵活性的特点和比较广泛的市场支持。但是两者也有其局限之处：k n x 只 关注设备的控制，忽视服务发现；区域发展，成为全球性标准还有很长的路。 l o n w o r k s 网络配置需要专业知识，局限于控制，不支持业务发现，仅被一家公 司支持( e c h e l o n 及其合作伙伴) 。 7 1 1 3 几种近距离无线网技术 无线家庭网络主要采用的是近距离无线传输技术。当前几种可应用于家庭的 近距离无线电传输技术包括蓝牙、w i f i 、i r d a 、u w b 、h o m e r f 、zw a v e 。 1 3 1 蓝牙 蓝牙技术诞生于1 9 9 4 年，e r i c s s o n 当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口， 以建立手机及其附件间的通信。1 9 9 8 年，由e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 、t o s h i b a 等5 家公司达成一致，共同推出了蓝牙协议，主要用于通信和信息设备的无线连 接。蓝牙协议的标准版本为8 0 2 1 5 1 ，由蓝牙小组( s i g ) 负责开发，规定了p h y 层、m a c 层、网络和应用层等集成协议栈。蓝牙技术采用跳频技术，工作于 2 4 g i s m 波段。与其它2 4 g 波段的技术相比蓝牙数据包更短，速度更快。采用前 向纠错f e c 技术抑止了长距离链路额随机噪声，应用二进制调频技术的调频收发 器来抑止干扰和防止衰落。蓝牙的传输速率为i m b p s ，传输距离为0 1 1 0 米，但 是通过增大发射功率可将距离增大至1 0 0 米。能即时组成微微网网络( p i c o n e t ) 。 每个微微网可包含至多8 个节点，每个节点都可以作为主机和从机。蓝牙技术存 在着一定的局限，突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输 距离太短、信息安全问题等，使其应用收到一定的限制。【4 】l l l l i l 2 】【1 3 1 【1 4 】1 1 习 1 3 2w i f i w i f i 是一种无线通信协议，正式名称是i e e e 8 0 2 1 1 b ，与蓝牙一样，同属于 5 扣j 海丈学硕卜论文 短距离无线通信技术。它的工作频率也是2 4 g h z 频段。虽然在数据安全性方面 比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达1 0 0m 左右。 w i f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区 域内，就能以最高约l1 m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个用户同时 通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i f i 的连接速度一般只有几百k b p s ， 在建筑物内的有效传输距离小于户外。随着w i f i 协议新版本如8 0 2 1 1 a 和 8 0 2 1 1 9 的先后推出，w i f i 的应用越发广泛。速度更快的8 0 2 1 1 a 工作在5 2 g h z 波段，带宽为5 4 m b p s 。8 0 2 11 9 使用与8 0 2 1 1 b 相同的正交频分多路复用调制技 术。它工作在2 4 g h z 频段，速率达5 4 m b s 。其优异的带宽是以大的功耗为代价 的。w i f i 网络节点最大个数为3 2 ，传输距离为1 0 0 m 。1 1 2 1 1 4 1 6 1 1 1 7 1 1 3 3 i r d a 红外线数据协会i r d a 成立于1 9 9 3 年。i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信 的技术，是第一个实现无线个人局域网( p a n ) 的技术。i r d a 标准的无线设备 传输速率已从1 1 5 k b p s 逐步发展到4 m b p s 、1 6 m b p s ，传输距离为l m 。目前它的 软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，女r l p d a 、手机上广泛使用。事实上，当 今每一个出厂的p d a 及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持i r d a 。i r d a 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动 通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角 度较小，传输上安全性高。i r d a 的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信 的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2 台设备 之间的连接。1 1 2 1 1 1 4 1 1 1 8 1 1 3 4 u w b 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无线载波通信技术，它不采用正 弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很 宽。u w b 可在非常宽的带宽上传输信号，美国f c c 对u w b 的规定为：在3 1 1 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽。在1 0 m 范围内，支持高达1 1 0 m b s 的 数据传输率。u w b 可以利用低功耗、低复杂度的发射接收机实现高速数据传 输。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通 信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。 u w b 主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和 图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高( 大于1 0 0m b s ) 的l a n s 或p a n s 。u w b 最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局 6 河海人学硕f 论文 域网。现有的无线通信方式，8 0 2 1 1 b 和蓝牙的速度太慢，不适合传输视频数据。 5 4m b s 速率的8 0 2 1l a 标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而u w b 有可能 在1 0 m 范围内，支持高达1 1 0 m b s 的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、 简单、经济地完成视频数据处理。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优 点使得u w b 较适合家庭无线消费市场的需求。u w b 适合近距离内高速传送大 量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，让很多商业公司将其看作是一种 很有前途的无线通信技术，应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视 等家庭场合。 1 2 1 1 4 1 1 7 1 0 9 1 1 2 0 1 1 3 5h o m e r f h o m e r f 无线联网标准是于1 9 9 8 年由p r o x i m 等公司发起组建的h o m e r f t 作 组研发的，其初衷旨在为家庭提供一种方便易用、部署成本低廉的通用性无线联 网标准，它汲取了i e e e8 0 2 11 与d e c t 等无线标准优势，能够有效降低语音和数 据传输成本，提供1 m 2 m b p s 的数据传输带宽，h o m e r f2 x 标准的最高数据传 输带宽则可达1 0 m b p s 。该技术标曾在市场上引起了广泛关注，并在家庭无线联 网市场独占鳌头。但由于h o m e r f 技术标准没有公开，仅获数十家公司的支持， 在抗干扰能力等方面尚存在不少欠缺，由于市场营销策略失当、后续研发与技术 升级进展迟缓，因此，2 0 0 0 年之后h o m e r f 市场优势逐渐丧失。与此同时，作为 h o m e r f 技术劲敌的w i f i 技术在商用与家庭无线联网市场双管齐下，在技术标准 升级演化、普及程度和产品价格方面都开始领先于h o m e r f 。尤其是英特尔公司 决定在其面向家庭无线网络市场的a n y p o i n t 产品系列中增加对8 0 2 1l b 标准的支 持后，h o m e r f 的失败已成定局。目前，h o m e r f 因其工作组已经宣告解散而灭 亡。 4 1 0 i i 1 3 i l l s 1 3 6 zw a v e z _ w a v e 是f h z e n s y s 公司和其它6 0 多家公司厂商在2 0 0 5 成立的联盟zw a v e 推 出的是一种基于射频的低成本、低功耗、高可靠性、适用于网络的双向无线通信 技术，工作频带为9 0 8 4 2 m h z ( 美国) 和8 6 8 4 2 m h z ( 欧洲) ，采用f s k 调制方 式，支持窄带宽应用，传输速率为9 6 k b i t s ，信号传输距离为室内3 0 m 以上，室 # v 1 0 0 m 以上，单一区网可以容纳2 3 2 个节点，并且可以通过区域内的组网扩展更 多节点。z _ w a v e 是其联盟专门为低速率应用而推出的无线通信技术，主要用于 家居、商场里的照明控制、身份识别和小型的工业控制。 2 1 1 1 2 1 1 7 塑塑查兰堡主丝苎 1 4z i g b e e 标准 z i g b e e 是由z i g a e e 联盟开发的一种低成本，低功耗，双向无线通讯标准。主 要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2 年下半年，i n v e n s y s 、m i t s u b i s h i 、m o t o r o l a 以及p h i l i p s 半导体公司四大巨头共同宣布加盟z i g a e e 联盟，研发名为z i g b e e 的下一代无线 通信标准。到目前为止，该联盟已有1 5 0 多家成员企业吲。其中很多公司都参加 了负责开) 荧z i g b e e 物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) 技术标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组。z i g b e e 联盟负责制定网络层( n w k ) 以上协议。其目标是应用于 工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域。田】 1 4 1z i g b e e 特点 z i g b e e i 作频段灵活，使用的频段分别为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。数据传输速率在2 4 g h z ( 1 0c h a n n e l s ) 频 段为2 5 0 k b p s ，在9 1 5 m h z ( 6c h a n n e l s ) 频段为4 0 k b p s ，在8 6 8 m h z ( 1c h a n n e l ) 频段为 2 0 k b p s 。有效传输距离为1 0 1 0 0 + m ，具体依据实际发射功率的大小和各种不同 的应用模式而定。支持星型和点对点网络拓扑结构，在一个网络中可包含6 万多 个节点。响应时延短，搜索设备时延为3 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，活动设 备信道接入的时延为1 5 m s 。z i g a e e 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的 通信业务预留了专用时隙，避开发送数据的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确 认的数据传输模式，如果传输过程中出现问题可以进行重发。z i g b e e 网络还具有 自重组和自修复能力，因此具有很强的鲁棒性。采用了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检查功能，a e s 1 2 8 的加密算法，支持鉴权和认证，具有很好 的安全性能。节点功耗很低，在低耗电模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个 月以上。节点成本很低，只需要8 0 c 5 1 之类的低档处理器以及少量的软件即可实 现，并r z i 【g b e e 协议免专利费。 2 4 1 1 2 5 2 6 1 1 4 2z i g , b e e 和其它应用于家庭控制的技术之间关系 根据1 2 节的分析，z i g b e e 相对于x _ 1 0 、c e b u s 、l o n g o r k s 、k n x e i b 、e c h o n e t 家庭控制网的技术，更加适合家庭控制网络。z i g b e e 设计的主要目标市场之一 就是家庭控制，具有低功耗，成本低，安装变更容易，组网灵活等特点，更具有 针对性。【2 7 】【2 8 l 根据1 3 节的分析，蓝牙、w i f i 、i r d a 、u w b 、h o m e r f 、z w a v e 这几种无 线技术都可以用于家庭控制网络1 2 1 1 【”】【2 0 1 。但都具有一定的局限：蓝牙传输距离 8 间海大学顿十论文 短，功耗大；w i f i 功耗大；i r d a 传输距离短且施视距传输；u w b 更适合用于 高速数据传输；h o m e r f 已经退出市场：z w a v e 与z i g b b e e 特点相近，也处于初 步应用阶段。z i g a e e 与它们相比，它们之间存在着一定互补和竞争关系，更加 适合家庭控制网，具有更广阔的市场前景。【2 9 l 图1 1 为z i g b e e 与其它无线标准的关系1 2 3 1 ，图1 2 为z i g b e e 和蓝牙等标准 的信噪比对比图田】【3 0 】 3 h l l l 图1 1z i g b e e 与其它无线标准的关系 葛昝氍疆番曷转卷bh 。飞；波黎醚h 弋 )悸气、 姥x 鼙 、弩 。扩 、 鼍|、 ii | i 、 图1 2z i g b e e 和蓝牙等标准的信噪比对比 9 扣】海大学硕十论文 1 4 3z i g b e e 应用于家庭控制网络的优点和研究意义 z i g b e e 是一种用于无线连接的全球标准。标准建立的重点是可靠性、低成本、 长电池寿命和容易应用。特别适合家庭自动控制，为家庭灯光、空调、自来水、 家电设备和安防系统等家庭内外的智能传感器提供了切实可靠的实现方法。 基于z i g b e e 的家庭无线网络安装容易。因为大量的传感器节点使用电池供电 不需要进行有线布线。 对于已安装基于z i g b e e 的家庭控制网络的灯光、空调和安防系统进行更改适 应新的需求非常方便。可为用户、承包商和供应商节约成本。安装好的