（电路与系统专业论文）基于zigbee技术的智能家居无线网络设计与实现.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s d e s i g n o fw i r e l e s sn e t w o r ki n s m a r th o m eb a s e do n z i g b e e _l c h n o l o g y at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em sd e g r e ei nc i r c u i t & s y s t e m b y z o ul i p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：l i us h o u y i n a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o rs i g n a t u r e 型 a p p r o v e d m a y , 2 0 1 1 帅08i898iy 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 刍f 丽 日期：细1 年j 凡叶日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：刍f 丽 日期夕0 1 1 年j 月砷日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a m s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回重途塞逞变卮溢卮! 旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：刍1 5 丽 日期：即1 年j 月2 f 日 导师签名：加晰 、， 日期：勿，年 月；日 硕士学位论文 m a s t e r st t t e s i s 摘要 随着社会的进步和无线通信技术的发展，人类对居住环境的要求早已不仅仅局 限于物理设施，更多的是注重生活质量，希望居住在一个现代化、科技化、居住环 境安全、便捷、舒适、节能的生活空间，因此“智能家居 一词应运而生。虽然智 能家居的概念起源较早，但一直没有具体的建筑实例出现，直到1 9 8 4 年美国联合 科技公司( u n i t e dt e c h n o l o g i e sb u i l d i n gs y s t e m ) 将设备信息化、整合化的概念应 用于“都市办公大楼 ( “c i t yp l a c eb u i l d i n g ”) 时，全球才出现了首栋智能型的建 筑，从此拉开了全世界争相建造智能家居的序幕。由于无线通信技术、传感器技术 以及微处理器技术的高速发展，智能家居领域在近几年得到了迅速的发展，智能家 居系列产品得到了众多开发商和消费者的青睐，智能家居将是未来的发展趋势。 本文首先对i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 协议进行了深入的研究，针对现有一些智能 家居的特点和发展潜力，从低成本、低功耗、快速组网等角度出发，设计了一种基 于z i g b e e 技术的、应用于智能家居系统中的数据传输网络。 文中介绍了智能家居系统的组成部分：控制系统、无线网络和网关部分，并根 据人类的生活作息过程和物联网的概念设计了三种系统模式和二十一个系统事件。 本文提出的无线网络的数据传输协议，首先参考了2 0 1 0 年z i g b e e 联盟制定的 智能家居协议规范，尽量做到与现有智能家居产品相兼容，其次考虑了未来智能家 居的发展和对技术提出的需求，同时本文采用了对z i g b e e 网络性能大量的实验测 试结果，在节点布置方面做了详细的说明。 在分析比较了各版z i g b e e 协议栈后，本文选用最新发布的z i g b e e 2 0 0 7 版，采 用c c 2 5 3 0 芯片作为网络节点的核心芯片，详细设计了网络中各节点的工作流程。 论文的最后对整个网络系统的各项性能指标做了一系列的测试，验证了本设计的可 行性。 关键词：智能家居；i e e e 8 0 2 1 5 4 ；z i g b e e 技术；无线传感器网络；物联网 b u tp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ol i v i n gq u a l i t yw h oh o p ef o rl i v i n gi nas a f e ，m o d e r n , t e c h n o l o g i c a l l y , c o n v e n i e n t ，c o m f o r t a b l ea n de n e r g y s a v e ds p a c e t h u s ，t h en e wc o n c e p t o f s m 硪h o m e ，h a sb e e nc r e a t e dc o r r e s p o n d i n gt op e o p l e sr e q u e s t s f o rl i v i n g e n v i r o n m e n t ac o n c r e t ec o n s t r u c t i o ne x a m p l eh a sn o ta p p e a r e dt h o u g ht h ec o n c e p th a s a l le a r l vo r i g i n u n t i l19 8 4t h ew o r l d sf i r s ti n t e l l i g e n ta r c h i t e c t u r e 一“c i t yp l a c e b u i l d i n g ，w h i c hw a s b u i l tb yu n i t e dt e c h n o l o g i e sb u i l d i n gs y s t e mw i t ht h ec o n c e p to f e q u i p m e n ti n f o r m a t i o na n di n t e g r a t i o np u t st h ec o n c e p ti n t op r a c t i c e ，w h i c hm e a n s t h e b e g i n n i n go fs m a r th o m et i m e i nr e c e n ty e a r ss m a r th o m ei n d u s t r y ，w h i c hi s t h e t e n d e n c yo fh o u s e h o l di n d u s t r yf u t u r e ，h a so b t a i n e d ar a p i dd e v e l o p m e n tw i t ht h e d e v e l o p m e n to fw 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 y ，t h e s e n s o rt e c h n o l o g ya n d m i c r o p r o c e s s o r a n d t h e s e r i e s o fp r o d u c t sh a v eb e c o m ep o p u l a ra m o n gm a n y d e v e l o p e r sa n dc o n s u m e r s f i r s t l y ，t h i sp a p e r h a ss t u d i e dt h ei e e e 8 0 2 15 4a n dz i g b e ep r o t o c o li ng r e a td e p t h t h e n , o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fs m a r th o m ea n dd e v e l o p m e n t p o t e n t i a l s aw i r e l e s sn e t w o r k h a sb e e nd e s i g n e df r o mt h ep o i n to fl o wc o s t ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dr a p i de s t a b l i s h i n g n e t w o r kv i e w , w h i c hi sb a s e do nt h ez i g b e e t e c h n o l o g ya n dc a nb ea p p l i e dt ot h es m a r th o m e n e t w o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o n e n t so fs m a r th o m es y s t e m ：c o n t r o ls y s t e m ，t h e w i r e l e s sn e t w o r ka n dg a t e w a y s a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fh u m a n sl i f e s t y l e a n d c o n c e p to f t h ei n t e r n e to ft h i n g s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h r e es y s t e mm o d e sa n dt w e n t y o n e s y s t e me v e n t s t h ed a t at r a n s f e rp r o t o c o li nt h i sp a p e rf i r s t l yr e f e r st ot h ep r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n f o r m u l a t e db yz i g b e ea l l i a n c ew h i c ht r i e sb e s tt ob ec o m p a t i b l ew i t hc u r r e n ts m a r t h o m ep r o d u c t s f u r t h e r m o r e ，t h ep r o t o c o la l s oc o n s i d e r st h e f u t u r ed e v e l o p m e n to f s m a r th o m ea n dt h ed e m a n d so ft h et e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，i tm a k e sad e s c r i p t i o no f n o d el a y o u ti nd e t a i la c c o r d i n gt oal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lr e s u l t so fz i g b e e u 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s n e t w o r kp e r f o r m a n c ei nt h ew i r e l e s sn e t w o r k a f t e rm a k i n ga n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ev e r s i o n so ft h ez i g b e ep r o t o c o ls t a c k , t h i sp a p e ra p p l i e st h el a t e s tv e r s i o no fz i g b e e 2 0 0 7 t h ec c 2 5 3 0m o d u l ei sc h o s e na st h e c o r ec h i po fn e t w o r kn o d e s i nt h i sp a p e rt h ew o r k i n gp r o c e s so fd i f f e r e n tk i n d so fn o d e s a l s oh a sb e e na l s od e s i g n e di n d e t a i l f i n a l l y , t h ep a p e rh a st e s t e da l lt h ek i n d so f p e r f o r m a n c ei n d e x e sw h i c hv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h i ss y s t e m k e yw o r d ：s m a r th o m e ；i e e e 8 0 2 15 4 ；z i g b e et e c h n o l o g y ；w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ；t h ei n t e r n e to ft h i n g s i i i a b s t r a c t i i 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 课题国内外的研究现状和发展2 1 2 1 国外智能家居的发展现状2 1 2 2 国内智能家居的发展现状3 1 2 3 智能家居的发展趋势4 1 3 本文的主要工作4 1 4 本文的结构安排4 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议和z i g b e e 技术概述6 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 协议6 2 1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 的概述6 2 1 2 原语7 2 2 基于8 0 2 1 5 4 协议的z i g b e e 技术8 2 2 1z i g b e e 技术概述8 2 2 2z i g b e e 技术的特点8 2 2 3z i g b e e 技术与其他无线技术的比较。9 2 3z i g b e e 协议规范1 2 2 3 1z i g b e e 协议栈的各类版本1 2 2 3 2z i g b e e 各层功能介绍1 4 2 4 本章小结1 9 第3 章智能家居的功能设计2 0 3 1 智能家居与家庭自动化的联系和区别2 0 3 2 未来智能家居畅想2 1 3 3 智能家居无线网络的功能设计2 l 3 3 1 智能家居系统模式设计2 2 3 3 2 智能家居系统事件设计2 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 4 本章小结2 5 第4 章智能家居的无线网络设计实现 2 6 4 1 智能家居的系统框架2 6 4 2h o m ea u t o m a t i o np r o f i l e 概述2 7 4 3 网络节点的硬件设计3 0 4 3 1 芯片的选择3 0 4 3 2 节点的电路和架构3 2 4 4 网络节点的软件设计3 4 4 4 1z s t a c k 协议栈介绍3 4 4 4 2 程序流程的设计3 5 4 4 3 通信协议的设计3 9 4 5 本章小结4 3 第5 章网络结构的设计和系统的性能测试与分析。4 4 5 1z i g b e e 网络拓扑的选择4 4 5 2z i g b e e 网络独立性设计4 5 5 3z i g b e e 网络的节点分布设计4 6 5 4 网络性能测试与分析4 8 5 4 1 两个相邻节点间的通信距离测试4 8 5 4 2 网络重启测试4 9 5 4 3 程序功能测试4 9 5 4 4 通信协议及程序流程测试5 l 5 4 5 无线网络与网关的连接测试5 2 5 5 本章小结5 3 第6 章总结与展望 6 1 工作总结5 4 6 2 研究展望5 4 参考文献5 6 致谢5 9 1 1 课题的研究背景和意义 智能家居( s m a r th o m e ) 也称智能住宅，这一概念首先是由美国、欧洲等一些较 为发达的国家提出。与智能家居的含义近似的还有家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) 、 家庭网络( h o m en 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 ) 、电子家庭 ( e l e c t r o n i ch o m e 、e h o m e ) 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、智能家庭建筑( i n t e l l i g e n t h o m e b u i l d i n g ) 等。智能家居是以住宅为平台，融合移动通信技术、自动化控制技 术和互联网技术，依据人类的生活需求将与家居生活有关的各个子系统如照明控制 系统、信息家电系统、环境监测系统、窗帘控制系统、安防系统、煤气阀控制系统 等有机地结合在一起的信息系统。智能家居不仅包含了传统家居的所有居住功能， 而且提供了更加舒适、安全、便捷、高效管理、高品位、高科技的家庭生活空间， 还将原来静止被动的结构提升为含有“大脑”能动的工具，为人们提供住宅内实时、 全面的信息和内部实现主动信息交换功能，优化人们的生活方式，有效的帮助人们 安排生活时间，加强了家居生活的安全性，甚至为人们节约各种能源费用【lj 。系统 中虽然包含大量的复杂技术，但都被巧妙的隐藏起来，用户看到的只有简单的操作， 实现了“以人为本 的全新家居生活理念。我们可以想象一下未来人们的生活：早 晨起床时间到，耳边响起自己喜爱的音乐唤醒我们，等我们按下“起床”按钮，窗 帘缓缓拉开，咖啡炉自行工作；早间新闻时间到，电视机自动开机，而且调至平常 看的频道；当车从车库开出时，立即启动安防系统，并断开一些家电电源( 如：电 视、空调等) ，让我们可以毫无顾虑地外出工作、游玩；下班快行至家里，通过网 络访问自家的系统，点击“回家”按钮，家里的空调打开并设定好舒适的温度，热 水器开始烧水；就寝时按下“睡觉模式，整栋房子的灯光关闭，窗帘关上；花园 的花草水分不足时浇水的阀f - j 自动打开；家里所有设备可以使用遥控器或是通过网 络来控制 为了实现上述的美好生活，从1 9 8 4 年出现第一栋智能型建筑歼始，人类对实现 智能家居的各类技术的研究就没有停止过，尤其是近几年来传感器网络的飞速发展 为智能家居的实现提供了很好的技术支持。再到2 0 0 9 年8 月温家宝总理提出的“感 知中国 ，正式将物联网列为我国五大新兴战略性产业之一，传感器网络在中国的 硕士举位论文 m a s t e r st h e s i s 关注程度几乎达到巅峰状态，在这个大的社会环境下，基于z i g b e e 的无线传感器 网络也顺势成为我国近来的研究热点。 当今社会，人们的工作节奏不断加快、商品竞争日益加剧，在家务管理上难免 有些力不从心，而智能家居系统具有安全、快捷、高效、方便、智能化、个性化等 特点，它有效的改善现代人类的生活质量，为人类创造便捷、舒适、安全的生活空 间【2 1 。加之信息科技和控制技术的逐渐成熟，智能家居的实施也变的更加的容易和 方便，这将会满足当代人类迫切的生活需求，因此对智能家居中各项技术的研究有 重大而深远的意义。本论文根据市场趋势并结合实际需要设计了基于z i g b e e 技术 的智能家居中的无线网络部分。 1 2 课题国内外的研究现状和发展 “智能家居”一词近几年频频出现在各大新闻报道中，世界各国也争相展示最 新的进展，与智能家居相关的产品公司如雨后春笋般涌现出来。 1 2 1 国外智能家居的发展现状 1 9 8 4 年1 月，在美国康捏迪格州出现了全球第一栋智能大厦“都市办公大 楼 ( c i t yp l a c eb u i l d i n g ) ，大楼客户之一的联合技术建筑系统公司将大楼的空调、 灯光、电梯和防灾设备等使用计算机系统统一监测和控制，这一举动激发了人类对 “智能家居 构想实施的灵感，联合科技公司的这一无意识的创举引发了一个新的 科技时代的到来【3 】。随后，欧洲、加拿大、澳大利亚、东南亚等经济较为发达的国 家也纷纷提出了各类的智能家居实施方案和技术标准。 1 9 9 8 年5 月，新加坡举办了一届“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”， 在会场内推出了新加坡模式的家庭智能化系统未来之家” 4 1 。2 0 0 6 年4 月胡锦 涛主席参观了世界首富比尔盖茨在位于美国西雅图的智能房子，该栋别墅花费了 5 3 亿美元，耗时三年的设计和七年的施工，现今已成为华盛顿湖的一大胜景和智 能家居的典范。在日本大阪m a t s u o k a 博士的智能居所里布置了1 6 7 个传感器节点， 有十九种模式选择，体现了物物通信的“智能p j 。2 0 0 3 年3 月，在美国犹他州成 立了一家从事研发、生产、销售的智能家居产品的企业“c o n t r o l 4 ，截止2 0 0 9 年 底，该公司在全球5 0 多个国家和地区成立了办事机构，共出售了一百多万台基于 z i g b e e 无线技术的智能家居相关产品。2 0 0 4 年2 月，由东芝、索尼、三菱、n e c 、 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 松下等1 4 日本企业共同成立的“泛在开放平台论坛( u o p f ) ”致力于将不同厂商 的设备实现统一的数字家电互联技术标准和指南，到2 0 0 5 年4 月1 日，该组织成 员已达到5 3 家。据称u o p f 目前正在研究“面向家电远程控制的框架标准”等， 而且计划将所制定的标准公开1 6 】。 在新加坡近3 0 个住宅小区里有五千来户的居民住宅安装了“家庭智能化系统”， 美国也有将近四万户的家庭采用同类型系统【_ 7 1 。该类的统计数据也在日益的加大， 相信在未来，家里安装智能家居系统就会像现今安装电话这么普及峭j 。 1 2 2 国内智能家居的发展现状 智能家居最早流行于美国、欧洲等地区，到了二十世纪九十年代后期，我国才 有了智能家居的概念，直至2 0 0 0 年智能家居开始在国内推广。虽然中国对于智能 家居的研究起步比较晚，发展时间也不是很长，但是每年都以高于2 0 的速度迅速 增长，加之各类日趋成熟的相关技术的支持，我国的智能家居产业也在飞速的发展。 经过十几年的发展，智能家居的研究在我国已经达到了一定的深度，尤其是各 类控制技术，已达到成熟的阶段。在中国，智能家居市场潜在着巨大的商机，因此 各大家电和网络电子企业纷纷涉足这一行业。联想、长城、海信、创维、t c l 、长 虹、康佳、比亚迪、国家电网、韩国k e t i 等1 4 7 家联盟企业( 统计截止2 0 1 0 年 1 1 月) 共同组成的闪联产业联盟( i g r s ) 正在积极制订闪联标准。于2 0 1 0 年9 月1 8 1 9 日在武汉召开的第六届中国湖北产学研合作项目洽谈会上，联盟成员长城智能家居 展出的“闪联智慧之家 受湖北省省长李鸿忠等领导的高度赞扬一j 。2 0 1 0 年1 1 月 1 6 日，在深圳的第十二届中国国际高新技术成果交易会上，闪联产业联盟以“智能 绿色家居 为主题的展位中展示了电视、笔记本、高清播放器、h d p l c 、灵犀无 线连接器等一系列的闪联产品0 l 。以海尔为首的“e 家佳( i t o p h o m e ) 成立于 2 0 0 4 年7 月2 6 日，经过七年多的发展，现在的成员包含了中兴、清华同方、上海 广电、美的、飞思卡尔、华南理工大学等2 0 0 多家企业和高校1 1 1 j 。2 0 11 年1 月2 2 日，海尔集团与世界5 0 0 强霍尼韦尔公司( 美国) 签署了全球战略合作备忘录，合 作开发和推广低排放、高能效的解决方案。业内人士推断，海尔集团凭借与霍尼韦 尔的强强联手，海尔的u h o m e 在未来将占领国内甚至国际智能家居行业大份的市 场份额。 3 1 2 3 智能家居的发展趋势 居住环境是人类生活中不可或缺的，随着人类对生活质量要求的提升以及消费 观念的改变，智能家居早已不是富豪财阀的奢侈炫耀品，加之科学技术的日新月异， 让智能家居已不在是人们的梦想和科幻片中的场景，它会如同现今使用手机这般普 通。从国外内各类公司企业急切研究实现智能家居的相关技术和制订通信标准可以 看出，智能家居市场有着广阔的发展空削1 2 】。中国人口数量庞大，近期的房地产业 正蓬勃发展，今后住宅小区和办公大楼的智能化将会成为一项基本要求，智能家居 系统也会是必配设施。智能家居必然成为房地产业新的卖点，“智能化”将会是二 十一世纪房地产销售商推广的主题，这也表明我国的智能家居行业有着巨大的发展 空间和可能。 1 3 本文的主要工作 本论文的主要工作是设计了基于z i g b e e 技术的智能家居无线网络部分的功能 和通信协议，主要研究内容为： ( 1 ) 分析各类无线通信技术，选择合适的技术平台，研究i e e e 8 0 2 1 5 4 的标 准和基于这一标准的z i g b e e 协议。 ( 2 ) 设计智能家居整体框架，采用物联网的概念并依据人类的日常生活作息习 惯设计智能家居系统的功能。 ( 3 ) 深入研究智能家居协议规范，并根据其中的要求制定统一的通信协议，编 写程序实现智能家居无线网络部分的数据传输功能，并搭建网络。 ( 4 ) 研究z i g b e e 协议栈的通信及网络性能，为节点的布置提供理论依据。 ( 5 ) 进行各项性能测试，并分析测试结果，为智能家居的实现提供有力的测试 数据，确保系统的稳定、可靠。 1 4 本文的结构安排 论文在结构上分为六章，具体内容如下： 第一章：绪论。主要讲述了本课题的研究背景和意义，分析了国内外智能家居 的发展现状和未来的发展趋势，最后介绍了本文的主要工作和文章结构安排。 第二章：i e e e 8 0 2 1 5 4 协议和z i g b e e 技术概述。介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的基 4 硕士学位论文 m a s t e r st i i e s i s 本结构和基础原语，简要介绍和比较了各类无线通信技术。之后主要介绍了基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的z i g b e e 技术的特点和各层的协议规范，并对各类版本的z i g b e e 协议栈进行比较。 第三章：智能家居的功能设计。简要说明智能家居和家庭自动化的区别和联系， 并给出未来智能家居实现的模式。接着详细设计了本系统所要实现的智能家居的各 类功能和事件。 第四章：智能家居的无线网络设计实现。首先概述h o m ea u t o m a t i o np r o f i l e ， 并介绍了实现无线网络的节点的软硬件设计，重点说明了节点的程序流程和通信协 议设计。 第五章：网络结构的设计和系统的性能测试与分析。分析了网络拓扑的选择， 接着从理论和实际的角度分析网络节点的物理位置分布并给出总结规律。之后设计 一些简单程序对网络的一些性能进行测试，并分析测试结果。 第六章：总结与展望。总结了本文所做的工作和未完成的部分，指出本文的不 足并给出今后工作的方向。 i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r ，电子电机学会) 8 0 2 15 4 属于i e e e8 0 2 1 5 工作组，它规定了低速率无线个人局域网( 1 0 wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k , l a w p a n ) 中设备的物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒体接入控制 子层( m e d i u ma c c e s sl a y e r ，m a c ) 规范，其中根据活动频带的范围定义了两个物理 层：8 6 8 9 15 m h z 和2 4 g h z 。 2 1i e e e 8 0 2 15 4 协议 2 1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 的概述 i e e e 标准委员会为了满足无线网络的低成本、低功耗、低复杂度等需求于2 0 0 0 年成立了任务四组，开始制订i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准【13 1 。8 0 2 1 5 4 z i g b e e 、w i r e l e s s h a r t 和m i w i 等技术规范的基础，该协议定义了物理层和媒体接入控制子层的规 范。最早的标准于2 0 0 3 年发布，后经由小组修改产生了新的2 0 0 6 年版本。 i e e e8 0 2 1 5 4 协议架构以开放系统互连模型( o s i ) 结构来表示，如图2 1 所 示： 应用层 l l c 层 s s c s 层 m a c 层 物理层( 8 6 8 9 15 m h z 、2 4 g h z ) 图2 18 0 2 1 5 4 协议框图 协议中每一层都只是实现了部分通信功能，并为高层提供相应的服务。物理层 ( p h y ) 包括射频收 发器和底层的控制模块，该层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口， 主要负责从无线物理信道上收发数据，即将接收的数据帧处理后上传至m a c 层以 及把从上层传递下来的数据帧处理完再通过射频发送出去。m a c 子层为高层数据 接入物理层提供服务接口。图中m a c 子层以上的特定服务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i c 6 在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的范围之内。s s c s 为l l c 提供汇聚服务，l l c 可以通过s s c s 的服 务接口访问基于8 0 2 1 5 4 的网络。 2 1 2 原语 原语在8 0 2 1 5 4 协议中是非常重要的一个概念，用来描述层与层之间的所要做 的任务和应该提供的服务。服务原语在用户的服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ， s a p ) 和其通信用户的对等层之间传送。8 0 2 1 5 4 的服务原语关系图如下： 请求恫水 ( r e q u e s t ) 确认 ( c o n f i r m ) 服务用户 ( n u s e r ) 服务提供者 ( n l a y e r ) 服务用户 ( n u s e r 指示 ( i n d i c a t i o n ) 响应 ( r e s p o n s e ) 图 2 2 服务原语犬系图 8 0 2 1 5 4 协议的原语有四种类型： ( 1 ) r e q u e s t ( 请求原语) ：请求原语是由服务用户发送给服务提供者的，用 于发送数据请求服务。 ( 2 ) i n d i c a t i o n ( 指示原语) ：指示原语是由服务提供者发送给服务用户的，用 于指示服务用户的一个内部事件，这个事件有可能与某个远端实体的 请求原语的逻辑有关，或者是有服务提供者的内部触发事件。 ( 3 ) r e s p o n s e ( 响应原语) ：响应原语是由服务用户发送给服务提供者的，用 于响应之前触发的指示原语。 ( 4 ) c o n f i r m ( 确认原语) ：确认原语是由服务提供者发送给服务用户的，用 于告知服务用户之前服务请求的执行结果。 7 2 2 基于8 0 2 15 4 协议的z i g b e e 技术 z i g b e e 技术就是建立在8 0 2 1 5 4 标准之上的，其标准规范主要是由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组制订硬件标准和z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a n c e ) 制订软件标准。z i g b e e 联盟 在8 0 2 1 5 4 定义的物理层和m a c 子层的基础上定义了网络层规范，并对各接1 2 1 进 行了标准化，保证了采用z i g b e e 协议的不同制造商的产品间可以进行通信1 4 】。 2 2 1z i g b e e 技术概述 近年来，大量的应用趋向于无线，例如：环境监测、智能家居、医疗护理、工 业自动化控制等。这些无线系统一般都是要求实时性的传输数据，设备通常采用电 池供电，因此根据实时性、低功耗、低成本等特点和要求，2 0 0 2 年由美国摩托罗 拉公司、日本三菱电气公司、荷兰飞利浦公司等企业共同组成z i g b e e 技术联盟着 手开发z i g b e e 技术，如今该联盟的成员已扩大为1 0 0 多家企业，并在不断的壮大l l 引。 2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟正式发布了首个技术标准z i g b e e l 0 标准( 也叫 z i g b e e 2 0 0 4 ) ，并于第二年9 月提供免费下载。2 0 0 6 年1 2 月，联盟对其进行修改， 推出了z i g b e e l 1 版( 也叫z i g b e e 2 0 0 6 ) 。再于2 0 0 7 年1 0 月推出最新修订版 z i g b e e 2 0 0 7 p r o 。 z i g b e e 技术是一种具有统一标准的短距离、低功耗、低速率、低复杂度、低成 本的双向无线网络技术，它是基于i e e e8 0 2 1 5 4 协议的物理层和m a c 层标准 开发的有关组网、数据传输、安全和应用等方面的无线通信技术，从某种意义上可 以说z i g b e e 技术是8 0 2 1 5 4 技术的商业名称1 1 6 儿1 7 j 。 2 2 2z i g b e e 技术的特点 z i g b e e 技术的名字来源于蜜蜂之间传递信息所用的z i g z a g 形状舞蹈，其主要特 点有以下几点1 1 驯： ( 1 ) 可靠性高：协议中采用c s m a ( c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 机制即载 波侦听多路访问方法减少同一信道上的数据冲突；为需要固定带宽的系统预留了专 属时隙；节点可以动态选择路由，确保信息的可靠传输。 ( 2 ) 网络容量大：在一个z i g b e e 网络中每个节点的1 6 位网络地址都是唯一不 重复的，根据计算可得出6 5 5 3 5 个节点。 8 = 硕士学位论丈 m a s t e r st t i e s i s ( 3 ) 功耗低：z i g b e e 网络中的节点设备可以选择低功耗模式，在这种模式下 设备有休眠机制，采用轮询方式对数据进行处理，节约功耗。两节普通的5 号干电 池就可以使用6 2 4 个月的时间，不但节约成本，还可大大减少频频充电或更换电 池的工作量。 ( 4 ) 时延短：对时延的应用做了优化，搜索信道只要3 0 m s ，信道接入需要1 5 m s ， 激活休眠时延只要1 5 m s ，通信时延也能控制在1 5 - 3 0 m s 以内。 ( 5 ) 有效通信范围大：z i g b e e 网络中点对点的有效通信距离在1 0 1 0 0 m 之间， 可以设置发射功率来调节通信范围，通过功放可以实现近1 0 0 0 m 的通信，完全满足 近距离的无线通信网络的通信距离要求。 ( 6 ) 传输速率低：专注于低速率传输应用，传输速率只有1 0 2 5 0 k b s 。 ( 7 ) 成本低：z i g b e e 协议免专利费，而且协议结构简单( 不到蓝牙的1 1 0 ) ， 降低了对通信控制器存储空间的要求，大大降低了成本。 ( 8 ) 安全性高：z i g b e e 协议提供了三级安全模式，即无安全设定模式、使用 接入控制清单( a c l ) 防止非法获取数据模式和采用a e s 1 2 8 ( 高级对称加密标准) 的 加密模式，可灵活地设定其安全属性【l 纠。 ( 9 ) 网络拓扑能力强：z i g b e e 网络有星形网( s t a r ) 、树形网( c l u s t e rt r e e ) 和网状网( m a s h ) 三种拓扑结构，因此z i g b e e 网络可以实现各种环境的信号覆盖， 适用多种类型的系统模型。 ( 1 0 ) 工作频段灵活：z i g b e e 网络可以在三个免执照频段上工作，分别是 8 6 8 m h z ( 欧洲) 提供1 个2 0 k b s 的信道、9 1 5 m h z ( 美国) 提供1 0 个4 0 k b s 的信 道和2 4 g h z ( 全球) 提供1 6 个2 5 0 k b s 的信道。 在2 0 0 4 年的十大发展最快、市场前景最广阔的最新技术排行表中，z i g b e e 技 术和r f i d 技术就占了其中的两位。z i g b e e 技术起源于外国，但近几年来我国越来 越多人使用和研究这门新技术。 2 2 3z i g b e e 技术与其他无线技术的比较 除了z i g b e e 技术之外，常用的短距离无线通信技术还有红外技术( i r d a ) 、蓝 牙技术( b l u e t o o t h ) 、w i f i 技术、超宽带技术( u w b ) 和z w a v e 等。 各类无线通信技术的具体参数比较如下表： 表2 1 常见的近距离无线通信技术参数比较u 卅 i 通信技术lz i g b e ei 红外| 蓝牙 l w i f i i 超宽带l z w a v e 9 ： 硕士学位论文 m a s t e r st 1 1 e s