（模式识别与智能系统专业论文）zigbee无线技术在室内控制网络中应用的研究.pdf

摘要 随着网络经济的发展，智能家居逐渐成为热门话题。同时网络技术的发展， 也为智能家居的实现奠定了实用化的基础。室内控制网络属于智能家居系统的一 部分，它是将各种家用设施( 如照明、家电、安防控制等) 通过网络进行互联，使 家居生活更舒适、安全、有效。 本文摆脱传统中通过有线方式进行家居的控制设计，而是通过无线技术实现 家居控制网络的设计。 首先，本文通过对智能家居中使用的相关技术进行分析和比较，指出z i g b 无线技术是目前适合用在智能家居系统中的技术标准之一。并详细分析了z i g a 技术标准体系，这是搞z i g a e e 应用开发必须奠定的基础知识。 接着，进行无线模块的硬件设计。本系统的硬件模块的核心采用飞思卡尔公 司提供的微控制器m c 9 s 0 8 g ，r 6 0 和射频芯片m c l 3 1 9 2 。在此基础上建立了家居 中的无线模块，比如开关控制模块、灯光调节模块、温度采集模块和红外通信模 块等。在硬件设计过程中，提出将飞思卡尔的铜膜天线改成陶瓷天线，增强了信 号强度，扩大无线模块的覆盖范围。同时，对模块的软件测试作了详细的分析， 有微控制器模块上的串口通信模块、f l a s h 擦写模块，也有微控制器和射频模块 之间进行互访的s p i 测试程序的设计。 然后，描述了室内控制网络的实现。系统的软件平台是c o d e w a r r i o r 集成开发 环境，软件的设计采用c 和汇编语言混合编程，借鉴飞思卡尔提供的s m a c 协 议建立自己的应用程序，在访问信道冲突问题上，提出使用空闲信道评估检测 ( c c a ) 的物理载波侦听和虚拟载波侦听方式设计多用户访问信道防碰撞冲突的 算法。最终形成一个简单的室内控制网络，并对网络进行演示，同时指出开发中 的问题和不足。 最后，对课题的研究情况做出总结，同时提出课题进一步的研究方向。 关键字：智能家居、室内控制网络、z i g b e e 技术标准、网络拓扑 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h en e t w o r ke c o n o m yd e v e l o p m e n t , t h es m a r th o m eb e c o m e st h eh o t t o p i co f d i s c u s s i o ng r a d u a l l y s i m u l t a n e o u s l ya l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n o l o g y , t h er e a l i z a t i o no ft h es m a r th o m eh a sl a i dt h ep r a c t i c a lf o u n d a t i o n t h e r o o mc o n t r o ln e t w o r kb e l o n g st oap a r to ft h es m a r th o m es y s t e m , w h i c hm a k e sa 1 1 k i n d so fh o m eu s ef a c i l i t y ( s u c ha si l l u m i n a t i o n , h o m ee l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，e n t r a n c e g u a r dc o n t r o le t c ) i n t e r c o n n e c t , a n dc a u s e sp e o p l e sl i f et ol i v ea th o m et ob em o r e c o m f o r t a b l e ，t ob es a f ea n de f f e c t i v e t i l i sa r t i c l eg e t sr i do f c a r r y i n go nt h ed e s i g nt h r o u g ht h ew i r e dw a yi nt h et r a d i f i o n ，o nt h ec o n t r a r yiu s et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i ct oc a l r yt h r o u g ht h e s m a r th o m en e t w o r kd e s i g n f i r s t , t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dt h ec o m p a r i s o nf o rr e l a t e dt e c h n o l o g yu s e di nt h e s m a r th o m e ，ip o i n t e do u ta tp r e s e n tt h ez i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yi so n eo ft h e s u i t a b l et e c h n i c a ls t a n d a r du s e di nt h es m a r th o m es y s t e m s i m u t a n e o u s l y , 1w e n t d e e pi n t oa n a l y z i n gz i g b e et e c h n i c a ls t a n d a r d ，w h i c hw a st h ee l e m e n t a r yk n o w l e d g e b e f o r ec a r r y i n gt h r o u g hd e v e l o p m e n ta b o u tz i g , b e e i ns u c c e s s i o n ic a r r i e do nt h ed e s i g no f w i r e l e s sm o d u l e s n eh a r d w a r em o d u l e c o r eo ft h i s s y s t e mu s e df r e e s c a l e s m i c r oc o n t r o l l e rm c 9 s 0 8 g t 6 0a n dr a d i o f r e q u e n c yc h i pm c l 3 1 9 2 o nt h eb a s eie s t a b l i s h e dt h ew i r e l e s sm o d u l ef o r t h es m a r t h o m e ，s u c ha ss w i t c hc o n t r o lm o d u l e ，l i g h ta d j u s t m e n tm o d u l e ，t e m p e r a t u r eg a t h e r i n g m o d u l ea n di n f r a r e dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds oo n i nt h eh a r d w a r ed e s i g n p r o c e s s ，ib r o u g h tf o r w a r dr e p l a c i n gf r e e s c a l e sc o p p e rm e m b r a n ea n t e n n ab yt h e c e r a m i ca n t e n n a , w h i c hb o o s t e du pt h es i g n a ls t r e n g t h ，a n de x p a n d e dt h ec o v c rs c o p e o fw i r e l e s sm o d u l e a tt h es a m et i m e ，ig a v ead e t a i l e da n a l y s i st ot h em o d u l e s o f t w a r et e s t ，s u c ha ss e r i a lp o r tc o n n e c t i o nm o d u l et e s t ，w rf l a s hm o d u l et e s t ，a n d s p it e s tb e t w e e nm c 9 s 0 8 g t 6 0a n dm c l 3 1 9 2 t h e n id e s c r i b e dt h er e a l i z a t i o no fr o o mc o n t r o ln e t w o r k t h es y s t e ms o f t w a r e p l a t f o r mi st h ec o d e w a r r i o ri d e iu s e dca n da s m i np r o c e s so f t h es o r w a r ed e s i g n , r e f e r r e dt os m a co f f e r e db yf r e e s c a l e ，a n dt h e ne s t a b l i s h e do w na p p l i c a t i o n p r o c e d u r e i nt h ec h a n n e la c c e s sc o n f l i c tq u e s t i o n , p u tf o r w a r du s i n gc c a t or e s o l v e i t u l t i m a t e l yf o r m e das i m p l er o o mc o n t r o ln e t w o r k ，a n da f f o r d e dt h ed e m o n s t r a t i o n t ot h en e t w o r k , s i m u l t a n e o u s l yp o i n t e do u tt h eq u e s t i o na n di n s u f f i c i e n c yi nt h e d e v e l o p m e n t f i n a l l y , m a d et h es u m m a r yt ot h er e s e a r c hs i t u a t i o nf o rt h i st o p i c ，s i m u l t a n e o u s l y p o i n t e do u tt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o no f t h et o p i c k e yw o r d s ：s m a r th o m e ，r o o mc o n t r o ln e t w o r k ，z i g b e et e c h n i c a ls t a n d a r d ，n e t w o r k t o p o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名： 徕刊唧 签字日期：切叼年f 月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 琢刊卿 签字日期：伽1 年f 月矸日 导师签名 签字嗍叩年m 7 日 学位论文的主要创新点 一、提出将z i g b e e 近距离无线通信技术用到智能家居中的室内控制 网络系统中，具有较强的实用价值。 二、参考f r e e s c a l e 提供的资料，设计自己的开发板，提出将 f r e e s c a l e 的铜膜天线改用陶瓷天线，增加天线的增益，提高无线模 块的发射距离。 三、在z i g b e e 协议的底层软件设计中涉及到m a c 层信道多用户访问 的问题，提出使用空闲信道评估c c a 的物理载波侦听和虚拟载波侦听 方式，实现带冲突避免的载波侦听多路访问机制，降低无线信道传输 数据时发生冲突的可能性，提高信道传输数据的成功率。 第一章绪论 第一章绪论 通过一个遥控器就能控制家里所有的电器( 包括电视机、影碟机、空调、音 响、风扇、窗帘，家电的原配遥控器可以通通待岗) ，这样的家很好。 睡觉前，按一下遥控器就可以控制室内所有需要关闭的灯光和电器设备，同 时安防系统自动开启处于警戒状态，这样的家很方便。 家里的客厅装了很多筒灯或背景灯，所有的灯具亮度明暗、开、关可以任意 组合，比如晚餐灯光效果、影院灯光效果、会客灯光效果等等，并且可以一键实 现，这样的家很有情调。 家人急救、窃贼入室、燃气泄漏可以自动拨打户主设定的电话、手机号码报 警，这样的家更人性和安全。 像这样安全、舒适、便利的生活环境，随着高科技和信息技术的广泛应用， 诸如b l u e t o o t h ，z i g b e e ，u w b ，w l a n ，w i m a x 这样的一系列无线技术 标准的涌现，将不再是一个遥远的梦想。这些针对于无线个人局域网( w p a n ) 、 无线局域同j ( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 等无线技术标准，传输距离由近到远， 使得无线空间可以“无限”延伸到人们工作生活中的每一个触角。同时随着现代 无线通信技术、计算机技术和自动控制技术的发展，使得我们可以通过空中无线 接口来实现系统与传感器的交互，这极大地方便了人们的生活，使得我们的日常 生活能够脱离各种缆线的羁绊，能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生 活环境。它的具体实现便是无线、移动和传感控制技术融合而成的现代无线智能 家居控制网络。 1 1 智能家居控制系统的发展 1 1 1 智能家居概念的提出 随着网络经济的发展，家庭网络同益受到人们的关注，开始成为热门的话题。 家庭网络的出现和发展，是信息社会发展的必然趋势，同时，技术的发展也为家 庭网络提供了实用化的基础。 数字化、网络化是信息时代的重要特征，自从上世纪八十年代开始，信息化 已经开始向社会各领域渗透、发展。从科研、国防到金融、商务直至办公、企业 管理。今后几年，社会信息化必然引起家庭信息化，因此，家庭网络是必然的发 第一章绪论 展趋势。 科学的发展已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了 人们的生活质量，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。同时 传感器技术、微机电系统、无线通信技术、现代网络技术和控制技术的飞速发展， 推动了具有现代意义的智能家居的产生和发展。家居智能化也正是在这种形势下 应运而生的。 智能家居，或称智能住宅，在英文中常用s m a r th o m e 。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。 从家居系统服务特征上来看，它一般包括为人们提供照明、报警、室内通风、 事务管理等服务，而控制功能几乎渗透每一个家居予系统。 通常，智能家居被定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、 网络通讯技术和综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一 起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。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， 还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功 能，帮助家庭与外部保持信息交流，优化人们的生活方式，帮助人们有效地安排 时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 1 1 2 控制网络在智能家居系统中的作用和特点 从技术上讲，智能家居所要实现的主要的功能有： 1 对白色家电和其他设备的控制、调节和监测。比如微波炉、灯光、电动窗 帘、防盗报警器、烟雾探测器、温度和湿度控制器、各种手动的开关和遥控器等。 2 使黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间进行沟通。其中包 括：计算机、摄像机、数码照相机等。同时还可以实现对它们的控制和监测。 3 通过对外的接口，实现远程控制和信息交换。如：电话线、有线电视电缆、 市电电源线、双绞线和无线通讯方式等。 智能家居中控制网络主要是控制家庭中各种设备的运行状况，在这个网络上 传输控制信息以及一些物理量的参数。这些信息对传输的速率要求不高，但是要 求传输的可靠性。 本文研究主要是基于简单低速的家庭控制网络的研究，不考虑高q o s ( 服务 质量) 和高速率大数据量的家庭数据网络。控制网络中一般有大量的节点设备， 而这些受控设备的节点控制模块使用电池供电，又要具备网络和通信能力，所以 成本和功耗是组建家庭控制网络中最为突出的两个要素。家居无线控制网络需要 2 第一章绪论 的是低功耗、低成本、低复杂度、长电池寿命的标准。 1 1 3 国内外智能家居的研究现状 现阶段，智能家居在我国的发展遇到了三个大问题：系统复杂、价格昂贵、 不切实际，我们又要怎样去解决? 进入数字时代，“智能家居”的概念炒得炙手可热，但是，它离普通百姓家庭 却很遥远，因为智能家居必须迈过“系统复杂、价格昂贵、不切实际”这三道门槛， 才能迎来其大发展的黄金时期。 据业内人士介绍，目前我国智能家居产业存在3 个方面的问题：一是由于智 能家居产业国家还没有统一的行业标准，很多中小企业各自为政，相互间的产品 不具兼容性；二是由于技术人员没有做深入的市场调查，开发出的产品虽然技术 上具有先进性，但实用性差，操作复杂，与市场需求脱节；三是由于技术上需要 投入大量研发资金，一些中小企业没有能力持续创新，更难形成规模生产，造成 产品价格居高不下。 智能化家居在国内的发展可谓步履维艰，一个新兴事物，人们或许对它的概 念还是很模糊；那么，热衷于智能家居开发研究二十多年的美国、加拿大、欧洲、 澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家，发展又是如何? 早在7 0 年代，国外便开始研究智能家居涉及到的相关技术，发展至今最主 要的产品有x - 1 0 、c e b u s 、l o nw o r k s 、a p b u s 等。其中发展最成熟，应用最广 泛的技术是x - 1 0 ，其产品已超过5 0 0 0 多种，比如灯光控制、保安系统、家庭影 院等产品。该产品在美国的市场占有率是最高的，目前约有超过4 0 0 万个家庭在 使用它。其主要特点是不需重新布线、装置成本低、且技术支持丰富。但是其反 应速度慢( 在6 0 h z 供电系统中，传送一个指令需时0 8 8 3 秒) ，抗干扰能力差( 因 为在电力线中传送，所以干扰是再所难免的) 。另外x 1 0 技术电压不稳定，很容 易烧电器，美国电压是1 1 0 伏，中国电压是2 2 0 伏，这一点是不符合我国国情的。 由于智能家居的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日， 但并未能阻止企业去争食智能家居市场。虽然每家公司的策略各不相同，但它们 都坚持同样的信念：山那边遍地是金。m m 公司的迈克尔。凯罗斯克说：“这是 个不容m m 公司忽视的市场机会。” 1 1 4 智能家居控制网络中应考虑因素 针对家庭网络的使用环境和应用特点，家庭网络应做到： l 控制可靠，布线简单，价格便宜： 2 传输距离和控制节点数符合家庭环境的需要； 3 第一章绪论 3 符合国家相关标准，例如无线网络可用的频率、功率限制，电力线的载波 频率、干扰、安全性要求等。 智能家居控制网络可以归纳成是一个各种家庭设备互连和控制的网络，互连 是满足人们数据通信的基础，控制是家居自动化、智能化的根本。 实现智能家居的技术现在也有很多种，比如有线的x 1 0 、c a n b u s 、e t h e r n c t 等技术，无线的b l u e t o o t h 、z i g b e e 、w i f i 、u w b 。传统的智能家居控制系统一 般是有线的方式来组建的。一些技术发展已经相对比较成熟，而且在行业中已经 具有一定的标准性和通用性，但普遍还存在以下缺点： l 基于有线的方案具有明显的缺点；布线麻烦，增减设备需要重新布线，而 且影响美观；另一方面系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差。 2 通信标准不统一。 针对以上提出的目前智能家居控制领域存在的不足，我们从技术发展的角度 来考查设计中要考虑的要素。 l 低成本。家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节 点，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。 2 标准化。需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化工作很重要。 3 自组织。不能期望用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各 种资源的自组织和协同工作显得十分重要。 4 可扩展性。系统不做改动的情况下，能够自动地进行软件升级和功能扩展。 5 嵌入式应用。嵌入式技术是指设备通过嵌入式模块，而非p c 系统，直接 接入i n t e r n e t 实现信息交互的过程，或者通过移动通信模块，直接接入移动网络 实现远程交互的过程。这样避免系统对传统p c 机的依赖造成的耗电和故障问题。 1 1 5 智能家居的发展方向 虽然科技飞速发展，信息技术日新月异，连c p u 运算速度的提升都已经突 破了摩尔定律，但是如何将这些技术引入智能家居产品之中，如何打造出真正实 用的智能家居产品，有关人士提出，如今智能家居产业所体现的两大技术趋势是 领先的无线移动和不依靠p c 的独立形态。 智能家居产品要与应用接轨，很多问题并不在于技术水平的高低，而在于怎 样去做到实用、易用、人性化。只有更加贴近实用、易用和人性化的智能家居产 品，才能真正提高人们的生活品质，才能真i f 体现智能家居的价值，这也是现代 科技价值的核心所在。智能家居怎样做到实用、易用、人性化，真正提高人们的 生活品质，才是今后智能家居的发展方向。 实用为本智能家居的发展方向。在未来，没有智能家居系统的住宅将像今 4 第一章绪论 天不能上网的住宅那样不合潮流。 因此，今后几年智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现几 家规模比较大，品牌影响力好的厂家。从产品角度来讲，以后的智能家居产品会 朝着实用化、傻瓜化( 操作简单) 、模块化的方向发展，所谓模块化就是产品开 发商把智能家居产品做成模块化的，可以根据用户的实际需求任意搭配。这样不 仅可满足不同层次用户的需要，而且可以节约成本。 1 2z i g b e e 技术特点 z i g b c c 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。z i g b e e 名字来源于蜂群使用 的赖以生存和发展的通信方式，即蜜蜂通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现 的食物源的位置、距离和方向等信息。 z i g b e e 技术特点主要包括以下几个部分： 。 1 数据传输速率相对较低 数据传输速率有2 0 k b p s 、4 0 k b p s 、2 5 0 k b p s 三种。 2 功耗低，设备省电 z i g b e e 技术采用了多种节电的工作模式，在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。这也是z i g b e c 的支持者所 一直引以为豪的独特优势。 3 成本低 因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，并且在2 4 g h z 的频段是免费的。 所以大大降低了成本。 4 网络容量大 每个z i g b c c 网络理论上可容纳6 5 5 3 6 多个设备，因此其网络容量相当可观。 5 有效范围小 单个设备的有效覆盖范围在1 0 7 5 m 之白j ，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，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 6i 作频段灵活 该技术可使用的频段分别有2 4 g h z ( i s m ) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 和9 1 5 m h z ( 美 国) ，其中2 4 g h z 在工业、科学、医疗方面为全球公用的免费频段。 1 2 1z i g b e e 技术的网络体系结构 z i g a e e 标准是建立在i e e e8 0 2 1 5 4 协议的基础之上，具备了强大的设备联 s 第一章绪论 网功能。它主要支持三种自组织的无线网络类型。它们是星型网络( 图1 - 1 ) 、对 等网络( 图1 2 ) 、簇树状网络( c l u s t e rt r e e ) ( 图1 - 3 ) 。网络系统节点具有多跳路 由功能，特别是能够组成蜂窝网状网络结构，因此，具有很强的网络健壮性和系 统可靠性。 ! 终端设备( m d ) 图1 - 1z i g , b e e 星状网络拓扑结构图 星型网络特点：在星型拓扑结构中，只有一个网络协调器控制整个网络的通 信，它主要完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在网络中，终端设备之间 不能直接通信，只能通过网络协调器配合完成设备之间的通信。因此星状网络适 合圆形分散、距离较近的设备联网。 网络协调器( f f d ) 终端设备( f f d ) 图l - 2 对等网络拓扑结构图 对等网络特点：网络中的设备要存储网络层的路由信息表，因此设备由全功 能设备承担。该网络中，任何全功能设备在其允许的通信范围内都可以和其他的 全功能设备进行通信，通过多跳路由转发可以延伸到全功能设备通信范围之外。 6 x。6 ， d 袅i 第一章绪论 图l - 3 簇树网络拓扑结构图 簇树网络特点：在网络中有网络协调器和簇头，前者是整个网络的核心，后 者是子网络的操作核心。加入簇头以后，形成多级簇树状管理网络，有利于增加 网络的通信覆盖范围，而且此多级网络管理，如果没有直接通路，信息可以按“多 跳”方式通过不同的路径转发，因此又增加了通信的可靠性。除此之外，网络还 具备自组织、自修复功能。 从上面的网络拓扑结构分析，可以看到在一个l r - w p a - n 网络中可以加入两 种不同类型的设备，一种是全功能设备( f f d ) ，另一种是精简功能设备( r f d ) 。 f f d 有三种操作模式，一是作为p a n 的协调器，二是普通的协调器，三是一个 普通的设备。一个f f d 可以和r f d 或者其他的f f d 进行通讯，而一个r f d 只 能和f f d 进行通讯。一个r f d 用于极其简单的应用，如灯的开关或者一个被动 的数据采集模块，它不需要发送大量的数据，在某个时刻它只和一个简单的f f d 通讯。因此，r f d 可以用最少的资源和存储能力来实现。在同一个物理通道所 构成的w p a n 中可以由两个或更多的设备在个人操作空日j 中进行通讯。但是， 一个网络至少应该包括一个f f d ，作为p a n 的协调器。 1 2 2z i g b e e 技术的节点体系结构 z i g b e e 节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块 四部分组成，如图l - 4 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换； 处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其 他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控 7 第一章绪论 制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常 采用微型电池，而网络协调器可以采用市电。 图1 4z i g b 节点体系结构 1 3 课题提出和主要目标 智能家居目前的市场定位还是以高端市场为主。智能家居虽然在应用方面有 了一定的进步，但是从整个市场来看，智能家居产品的普及还是很艰难，发展得 比较缓慢，现在还没有实现真正意义上的智能家居生活。 智能家居的基本目标就是以人为本，为消费者提供一个舒适、安全、方便和 高效率的生活环境，智能家居要达到真正意义上的普及，还需要一段时间的发展。 但是，现在已经有许多商家和科研机构看准了这个炙手可热的市场。 在2 0 0 6 年初，我们学校f r e e s c a l e 实验室成立之时，便开始了基于z i g b e e 无 线技术室内控制网络的研究。研究目标是逐步实现硬件平台的搭建，实现简单的 星型网络拓扑。 课题的硬件平台也就是网络节点的设计。每个节点主要包含处理器模块和射 频模块，功能强的节点增加一个与上位机通信的串口模块板。处理器模块主要功 能是采集、处理和存储数据以及进行控制等。射频模块主要功能是向周围的空间 中发送和接收数据。 从功耗、硬件资源需求、可靠性、扩展性等多方面考虑，处理器采用f r e e s c a l e 公司提供的h c s 0 8 系列当中的m c 9 s 0 8 g t 6 0 处理器( 简称g t 6 0 ) ，这样处理器 模块的硬件结构就围绕主处理器g t 6 0 扩展出满足系统需求的各个模块。其中包 含电源模块、r s 2 3 2 模块、传感器模块、扩展模块接口、键盘和l e d 模块等。 详细设计请参照第四章的硬件设计。 g 第一章绪论 从与i e e e8 0 2 1 5 4 协议的兼容性以及外围电路的简便可靠性角度考虑，射 频芯片采用f r e e s c a l e 公司生产的m c l 3 1 9 2 芯片。以m c l 3 1 9 2 为中心，增加时 钟和天线等外围电路便构成了射频模块。详细设计请参照第四章的硬件设计。 z i g b 无线网络是由多个网络节点构成，根据功能和任务的不同，将网络节 点分为r f d ( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 节点和f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) 节点。两 者的区别只在于软件设计的功能不同，其中r f d 只完成数据的采集，而f f d 要 完成建立和维护网络、存储路由信息表并进行路由选择等相对复杂的功能。相对 r f d 来说，f f d 由于需要更多的内部存储资源，而g t 6 0 内部有6 4 k 的f l a s h 空 间和4 k 的r a m 空间，并且有多种低功耗模式，而且芯片成本低，足以满足r f d 和f f d 的需求。 z i g b e e 星形网络就是在建立在这个硬件平台基础上，参考协议栈，分别构建 出运行在r f d 和f f d 节点上的应用程序，在r f d 和f f d 的交互下，无线z i 9 8 星形网络便完成了。r f d 与f f d 的交互过程以及软件构架程序流程请参照第五 章室内控制网络结构的研究。 1 4 论文的结构安排 整篇论文结构的设计分配如下： 第一章介绍了课题的研究背景、课题相关技术发展以及课题的研究意义。 首先提出智能家居的概念，给出了控制网络在智能家居系统中的作用和特点，然 后分析了国内外智能家居的发展现状，进一步说明了智能家居控制网络设计中需 要考虑的特点和因素，并指出了无线智能家居控制网络是一种未来智能家居控制 系统的发展方向，最后介绍了z i 9 8 e e 技术的特点，并对z i 9 8 e e 技术实现的网络 结构拓扑和z i 9 8 技术构成的网络结点结构均做了具体的介绍。 第二章讨论了实现室内控制网络的相关技术并对这些技术做了简单的比 较，重点分析了低速率、近距离无线网络技术，并指出正在发展中的低速率、低 功耗无线网络标准z i g b 技术标准是一种适合无线智能家居系统特点的无线 通信技术标准。 第三章对z i 9 8 协议的结构体系进行分解并详细阐述。首先介绍了该协议 中使用的专用术语；然后分析使用z i 9 8 e e 技术实现的网络，具体分析网络之间 的配置及网络之间的关联关系；接着描述软件实现的接口函数；最后介绍该技术 的应用领域并将该技术与其他无线通信技术作比较，分析采用该技术的优势所 在。 第四章描述了系统实现的硬件设计及软件测试的过程。包括硬件的选型， 9 第一章绪论 各个芯片的功能特点，主要电路模块的具体设计以及系统中主要模块的测试。 第五章描述室内控制网络的设计和实现，同时指出开发中的问题和不足。 并对无线通信过程中涉及到的访问冲突问题进行理论分析，描述了物理无线信道 的访问机制，提出一种符合控制网络的以c s m a c a 为核心的基于竞争机制的信 道接入方法。 第六章总结全文，对课题的研究情况做出总结，并指出不足，同时提出课 题进一步的研究方向。 1 0 第二章室内控制网络结构与实现方式比较 第二章室内控制网络结构与实现方式比较 2 1 室内控制网络的实现技术 室内控制网络的实现技术主要解决家庭内部各种信息家电之间的信息传输， 因此，合理选择联网技术就显得非常关键。 目前关于室内网络有许多种解决方案，主要是有线和无线方式。有线方式包 括电力线载波的x 1 0 和c e b u s 、电话线的h o m e p n a 、以太网的i e e e 8 0 2 3 以 及专用总线l o n w o r k s 和e e l 3 9 4 等。无线方式包括红外的k d a 、无线局 域网的m e e8 0 2 1 1 系列、家庭射频技术的h o m e r f 、蓝牙的瑾e e8 0 2 1 5 1 和 z i g b 的也e e8 0 2 1 5 4 等。 2 1 1 有线技术 现有的家庭网络中。采用有线技术进行家庭控制网络的组建还是相当普遍， 不过看着一条条网线依着墙角走向不同的房间，有点大伤风景。这类方案总的特 点是扩展性能差，布线繁琐，影响美观。 2 1 1 1 电力线 它是采用电力线作为传输介质，在家庭网络中一般采用扩频通讯方式。使用 电力线的最大优势在于不用改动家庭布线，利用现有的电源线、插座就可以方便 实现家用电器的联网，不需要另外铺设电缆，降低了施工难度。但对于家庭中所 使用的手持移动设备来说就无法采用电力线连入家庭网络。它的缺点还在于电力 系统的基础设施并不具备提供高数据传输服务质量的功能，而且，由于家庭电器 产生的电磁波会对通信产生干扰，所以使用电力线进行通信时经常会发生一些不 可预知的错误传输速率，另外电力系统的基础设施和使用特性决定了它是一个开 放性结构，虽然采用了技术保护措施，但还不能保证其信息的安全，保密性较差。 2 1 1 2 电话线 h o m e p n a ( 家庭电话线网络联盟，h o m ep h o n e l i n en e t w o r k i n ga l l i 锄c e ) 旨在 尽快向家庭用户推出易于使用、成本低廉，用于解决没有网络连接的家庭的上网 问题。它是通过在电话线上加载高频载波信号来实现信息的传递，可同时满足 x d s l ，电话业务、家庭内部数据传输，且互不干扰。通过系统的调整和改善可 以达到1 m b p s 的传输速率。该方案采用8 0 2 3 标准，支持q o s 机制，h o m e p n a 第二章室内控制网络结构与实现方式比较 在m a c 层制订了八种优先级，改进了冲突解决技术，可将语音等实时性数据的 延迟控制在1 0 2 0 m s 。利用家里墙壁上预留的电话插座，可以避免重新布线的烦 恼，但是家庭中不可能随处都安装有电话插座，当买来新家电时还是会面临重新 布线的烦恼。 2 1 1 3 以太网 以太( e t h c r n e t ) 是需要重新布线的组网技术。它必须采用专门铺设的线缆布 网，数据传输率相当高，可达到1 0 m b p s 或1 0 0 m b p s ，能够传输电话、数据、视 频和家电控制信息，主要用于个人电脑的有线局域网和高速因特网。它的优势在 于技术已经十分成熟，以太网的组网设备在市场上可以很容易买到。以太网本身 的实现成本并不高，但专门布线需要花大量的费用。家庭中的用户可能更愿意使 用已布好的电缆和电话线，而不愿意另外重新安装。 2 1 1 4u s b u s b 的出现是为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口间的矛 盾。u s b 有高速和低速两种运行方式，速率分别为1 2 m b p s 和1 5 m b p s 。并且所 有的u s b 设各都支持热拔插。u s b 共有四种传输模式，分别是控制传输、同步 传输、中断传输和批量传输。目前u s b 己经成为p c 外设连接的一种标准接口， p c 上一般都安装了u s b 接口，u s b 外设也越来越多。但由于u s b 技术本身的 制约，一个u s b 拓扑结构中只能有一个主设备，两个主u s b 设备之间无法直接 通信，因此在家庭网络中u s b 主要适合与p c 相关的局部应用，比如低速或中 速外设与p c 的连接。 2 1 1 5i e e e l 3 9 4 它是i e e e 制定的计算机及外围设备连接的高速通用串行数字接口标准，它 侧重于线缆的连接应用。该标准定义了介质拓扑和传输协议，是一个硬件和软件 的集成标准。i e e e l 3 9 4 是一项具有视频数据传输速度的串行接口标准。它的定 位目标是消费电子和高速计算机外设。i e e e l 3 9 4 也支持外设的热插拔，同时为 外设提供电源。目前它的传输速率可达4 0 0 m b p s 。由于 e e e l 3 9 4 的数据传输速 率在现有的有线互连标准中是最高的，所以特别适用于家庭中视频设备和音频设 备的互连。但它的缺点是成本比较高。 2 1 2 无线技术 无线传输是基于人们对于灵活、便携、无所不在的追求。因此，无线技术得 1 2 第二章室内控制网络结构与实现方式比较 到了迅猛发展，下面对这些技术作简单的分析。 2 1 2 1 红外技术 k d a ( i n f a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是红外数据协会的简称，k d a 制订的一系列红 外数据通讯标准形成了红外数据通讯技术的基础。红外通讯技术是一种点对点的 数据传输协议。它的通讯距离一般在0 到l o 米之间，传输速率最快可达1 6 m b p s ， 通讯介质为波长为8 2 0 纳米左右的近红外线。采用该技术的设备简单、价格低， 很容易普及。但是，红外很容易受到光线干扰，而且红外技术实现的收发器之间 必须相对视，属于点对点的半双工通信方式，这虽然会使数据传输受到干扰较少， 但却无法灵活地构成网络。因此，红外技术实现的无线通信方式明显不适合于家 庭组网。 2 1 2 2 家庭射频技术 家庭射频技术缩写是h o m e r f ，该技术是由美国家用射频委员会工作组开发 的，适合家庭区域范围内，在p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放 性工业标准。采用该技术的设备工作频段为2 4 g h z ，数据传输速率在l 2 m b p s 之间，在w l a n 的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。h o m e r f 是对现 有无线通信标准的综合和改进。当进行数据通信时，采用i e e e8 0 2 1 1 规范中的 t c p i p 传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是， 该标准与8 0 2 1 l b 不兼容，并且在功能上过于局限于家庭应用。另外的劣势是开 放性不好，它的技术规范没有对外公布，而且其技术本身还存在抗干扰性差等缺 点，这些都对h o m e r f 未来的发展造成了不利影响。 2 1 2 3 蓝牙技术 蓝牙技术是一种支持点对点或点对多点的话音、数据业务的短距离无线通信 技术。它支持设备短距离通信( 一般是1 0 m 之内) 的无线电技术。蓝牙的标准 是i e e e8 0 2 1 5 ，工作在2 4 g h z 频带，带宽为l m b s 。蓝牙系统的网络结构的拓 扑结构有微微网( p i e o n e t ) 和分布式网络( s e a t t e r n e t ) 两种形式。微微网是由一 台主设备和最多接入的7 台从设备组成。分布式网络是由多个独立的非同步的微 微网组成的，以特定的方式连接在一起。蓝牙技术主要支持小范围内的通信速度 稍高的场合，比如移动电话、p d a 、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设 备之间进行无线信息交换。 1 3 第二章室内控制网络结构与实现方式比较 2 1 2 4z i g b e e 技术 i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年1 2 月份正式批准并成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组。 任务是开发一个低数据率的w p a n ( l r - w p a n ) 标准。该小组负责制定物理层和 链路层标准。i e e e8 0 2 1 5 4 规范是一种经济、高效、低数据速率、工作在2 4g h z 和8 6 8 9 1 5m n z 的无线技术。该规范是基于d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ，直接序列扩频) 技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作 频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2 4 g h z 波段为全球统一的无需申 请的i s m 频段，有助于z i g a e c 设备的推广和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层 通过采用高阶调制技术能够提供2 5 0 k b p s 的传输速率，有助于获得更高的吞吐 量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。后两个频段上无线信号 传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离， 从而可以用较少的设备覆盖给定的