（计算机应用技术专业论文）基于zigbee的家庭控制网络的应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，出现了多种短距离无线通信技术，如 h o m e r f 、i r d a 、b l u e l 如t h 以及z i g b 等。无线通信技术和网络技术的结合，形成无线 网络技术，出现了无线网络技术标准。z i g b c c 技术就是在众多无线网络技术标准中的一 种，且是一种短距离无线网络技术，强调低成本、低耗电、双向传输、传感器网络功能 等特点，非常适用于家庭控制网络、建筑自动化、工业监控、数据采集等领域。本文就 是通过分析研究z i g b e e 技术标准，将其应用于家庭控制网络中，实现家庭控制网络的 无线连接功能，希望能为以后在家庭控制网中的实际应用中提供一定指导和参考。 在家庭网络中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为 无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了在综合布线上的费用和精力，而且是其 更符合家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭 的智能化和网络化进程。 本文首先介绍了z i g b e e 协议规范中的基本概念、协议栈的架构、详细分析了各协 议层的主要功能：根据z i g b e e 网络的拓扑结构和不同网络结构的特点及应用领域选择 了树型网络作为家庭控制网络的拓扑结构；选择了片上系统( s o c ) 解决方案一c c 2 4 3 0 z i g b e e 集成模块作为本课题的硬件设计模块。 接着分析了家庭网络模型，将家庭网络分为家庭内部网、家庭网关和家庭外部网络 并分析了各个模块的功能；在基于z i g b e e 技术的家庭控制网络的设计中，详细介绍了 协调器建立网络的过程和设备加入网络的子、父节点的处理流程，并在此基础上进一步 分析和完成了应用终设备( e n d p o i n t ) 的通信设计。 其次完成了z i g b e e 网络中协调器节点和家庭控制网络中的不同终设备节点的软、 硬件设计，分别是温湿度传感器节点、门禁射频读卡模块节点和灯光模块节点；完成了 z i g b e e 控制网络的测试：在家庭网关中，实现了e m a i l 、基于g s m g p r s 模块的电话、 短信报警功能。 最后分析了家庭网络的安全，介绍了高级加密标准( a e s ) ，实现了基于a e s 的加 密标准的数据的网络加密传输。 关键词： z i g b e c ， 家庭网络，无线网络，a e s 加密， c c 2 4 3 0 h i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m 锄to fs 锄i c o n d u c t o rt a 曲m o l o 霉! y锄dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t 。c h n o l o g y ，m a n yv a r i e t i e so fs h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc 0 m m u n i c a t i o nt e c i m o l o g i e sh a v e p r 器e m e 也s u c h 嬲h o m e r f ，i r d a ，b l u e l o t h ，z ig b 锄i d o n t h ec o m b i n a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dn e 啊o r kt e i l m o l o p f o 肌sw i r e l e s sn 咖o r kt e c h n o l o g 觚d a p p e a 塔aw i r e l 懿st e c h n o l o g ys t 觚d a r d z i g b t e c l l l l o l o g yi so n eo ft h ew i r c l e s si l e l 时o d 【 t e c i l n o l o g ys t 锄d a r d s a m di ti sas h o r t - d i s t a n c cw i r e l 豁sn e t 、v o d 【t e c i l i l o l o g y s 骶s s i n g l o w c o s t ， l o wp o w e rc o n s 啪p t i o n ，觚o w a yt r 赳l s m i s s i o na n ds e n s o rn e t 、v o r k s 劬c t i o n a l c h a r a c t 耐s t i e t c b e i n ge x 讯釉e l y 印p l i c a b l et o t h ef 锄i l yc o n t r o ln e 帆o d ( ，b u i l d i n g a u t o m a t i o n ，i n d u s t r i a lm o i l i t o r i n g d a t ac o n e c t i n g 锄do t h e rf i e l d s n 哟u 曲o f 锄a 1 ) ，z i n g 觚dr e s e a r c h i n gz 追b e et e c l l i l o l o g ys t a n d 矾s 鲫da p p l 如n gt ot h e h o m ec o m r o ln e 附o r ki nt h er e a l i z a t i o no ft h ew i r e l e s sh o m en e 铆o r kc o m l e c t i v i t v 锄dm d i ( i n g 印p l i c a t i o no ft h eg u i d a i l c e 锄dr e 衙e n c et om eh o m ec o n t r o ln e 附o r ki nm ep r t i c a l i i lm eh o m en e 眦o r ks y s t 1 w i r e l e s sn e m o r kt c c l l o l o g yu s e di nh o m en 酣w o 出sh 鹞 b e c o m ea nu n s t o p p a b l et r e n d n o to n l yb e c a u s ew i r e l e s sn e 伽o r k sc a np i o v i d e 田e a t e rf l e x i - b i l i 吼m o b i l i t ) ，s a v i n gm t h ei n t e 黟a t e dw i r i n go nm ec o s ta n de 仟。几b u ta l s 0m o r e 跚i t a b l e w i t l lt h ec h a m c t 甜s t i c so fh o m en e m o r k i n gc o m m u n i c a t i o n s ，a to n et i m ew i mm ef h r t h 盯 d e v e l o p m e n to fw i r e l e s s n e t w o r kt e d m o l o g y 锄dw i na l s o 伊e a t l yp r o m o t ef 抽i l yo f i n t e l l i g 锄t 锄dn e t 、o r kp r o c e s s f i r s t l yi n t r o d u c e sm ez i 擘口e ep r o t o c o ln o 肌so fb a s i cc o n c e p t s ，t l l es t m c t u r eo ft h e p r o t o c o ls t a c k 觚dd e t a i l e d 锄a l y s i st h em a i nn m c t i o n so fe v e r yp r o t o c o l ，a 1 1 di n 绷r d a n c e w i t l lz i 霉$ e en e t w d d ( t o p o l o 擘：y 锄ds t m 曲1 1 1 e ：o ft h ed l a r a c t e r i s t i c so fd i 仃e i 翎tn e t w o d ( s 锄d a p p l i c a t i o n s ，s e l e c t st 1 1 et r n e t 、) v o r k 鹤ah o m en e t 、0 d ( t e c h n o l o g ya n dt h es o cs o l u t i o n c c 2 4 3 0z i g b e ei n t e 掣锨e dm o d u l e 弱t h es u b i e c to fh a r d w a r cd e s i 鼬m o d u l e s s e c o n d l ya n a l y s i sn 前w o r km o d e lo ft 1 1 ef a m i l y ，h o m en e t 、帅r kd i “d 鹤m eh o m ei n t 舐0 r n e m o r k ，h o m eg a t e w a y 锄dt h eh o m ee x t 甜o rn e 咐o r k ，西n gab 订e f i n go nt 1 1 e 向n c t i o 啮绷d t l l ea c l l i e v e i n e n to fe a c hm o d u l e i i l l eh o m ei n t e r i o rc o n t r o ln 娟o d ( d e s i 毋1 i n 舀b a s i n go n t h ez i g b e et e c l l i l o l o g y ，i td 髓嘶b 髓i nd e t a i lt l l ep r o c e 豁f o rc o p r o c 懿s 0 r s 销t a b l i s h l n 饥to f n e 帆o r ka 1 1 dt l l ep r o c 懿so fe q u i p m tj o i n i n gt h es o n ，t l l ef a t h e rn o d e so ft h en e t 、o d 【，肌do n t h i sb 捌st o 矗l n h e r 柚a l y s i s 锄da c h i e v e 印p l i c a t i o no fc o i l l m 岫i c 撕o nd e s i g n i n gi nt h ee n d e q u i p m 饥t ( e n d p o i m ) t l l i r d l ya c c o m p l i s h 鼯o nc 0 p r o c e s s 0 rn o d 懿o ft h ez i g b e en e t w o r k ，h a r d w a r e 锄d s o 胁a r ed e s i g n i n gd i f f e r e n te n de q u i p m e n tn o d ei nt h e i l y ，t h e r ea r et 锄讲玳m l r e 锄d h u m i d i t ys e n s o rn o d e s ，a c c e s sc o n t r o ln o d e s 锄dr fc a r dr e a d e rm o d u l e s i i lt h eh o m e g a t e w a y s ，e m a i l ，b 嬲e do nt l l eg s m g p r sm o d u l ep h o 鹏孤dt e x tm 懿s a g e sw 锄i n g m n c t i o nc a nb ea 出e v e d f i n a l l y ，i t 锄a l y s e st h eh o m en e m o r ks 删饥锄di n 觚d u c 韶t l l ea d v 觚c e de n c r ) ，p t i o n s t 锄d 捌( a e s ) 觚di m p l 锄t st l l en e t 、q d ( 蚰c r y p t e d 胁s m i s s i o nb 勰e do nm ea e s 朗c d r p t i o ns t 锄d a r d k e yw o r d s ：z i g b ， h o m en e m o d ( ，w i r e l 懿sn e t 、) i ，o r l ( a e se n c 呷t i o i l c c 2 4 3 0 i v 江苏大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囹。 学位论文作者签名：关。虫掀 噼6 月f d 日 指导教师签名：荔纰 辨月归日 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：苌史寺氏 日期：z 户。毫年占月加日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究目的与意义 舒适的家庭居住环境是人们对生活的不断追求，随着传感器技术、嵌入式技术以及 通信和半导体技术以及无线技术的飞速发展，人们对生活质量有着更高的要求，生活需 要更舒适更智能化的空问。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。如何建立一个具有高效率、低成本、安全的智能 化的家庭网络系统已成为当今世界的一个热点问题。数字家庭网络的概念和个域网无 线技术的发展，在构建家庭网络方面起着至关重要的作用【l 】。 随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，无线传感器网络已经成为计算机科学 领域一个活跃的研究分支，引起了学术界和工业界的高度重视，被认为是将对2 1 世纪 产生巨大影响了的技术之一【2 】。目前，已经得到应用的无线通信技术有很多，比如红外 ( i r d a ) 技术、家庭无线电射频( h o m e r f ) 技术、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术、以及超宽 带( u w b ) 无线通信技术等。在无线技术应用中，应用终端要求系统在能量消耗上要 尽量的节省，因此在无线应用终端要节省信息处理和信号发送，对于无线传感器网络中 的网络协议要求简洁避免交互应答信令简单以便节省系统开销。j 下是基于无线传感器网 络终端的要求z i g b e e 协议应用而生。z i g b e e 技术是最近提出的j 种近距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领 域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的【3 】。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【4 j 【5 1 。 家庭网络系统指的是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平 台，是在家庭范围内，实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、 照明设备、保安( 监控) 装置及水、电、气、热表等设备、家庭求助报警等设备互联和 管理，以及数据和多媒体信息共享的系统，是数字化家庭的发展方向【6 1 。其中在家庭控 制网络中有大量的节点设备，而这些受控设备的节点控制模块通常使用的是电池供电而 且模块又要有网络通信能力，所以成本和功耗是家庭控制网络中最为突出的要素。 将z i g b e e 技术应用于无线家庭控制网络中，网络的组建将会非常容易。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。对己安装的基于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 江苏大学硕士学位论文 应商节约成本。安装好的网络节点可以方便的移动重新布置。添加网络节点容易，新节点 加入网络只需要请求邻近的网络协调器加入网络即可以。 采用z i g b 的家庭控制网络对于设备的控制可以进行灵活的配置，可以控制一个特 定的设备，也可以用一个控制器控制将家庭中的多个独立的设备。多个设备可以独立工作 也可以共同联合工作以完成一系列功能。对于功能更强的z i g b e e 家庭控制网络，用户可 以更加有效调节他们的生活环境。安装了z i g b e e 的家庭控制网可以自动调节家电的使 用时间，节约电量的使用，节约用户使用费用。将z i g b e e 技术应用于家庭网络中，将极大 的方便于我们的生活，使得我们的同常生活能够脱离各种电缆线的缺点，人们可以随时 自由的接入h l t 锄e t 享受更多的业务和服务，也可以在远离家庭的时候了解家罩的安全 情况，甚至可以控制家庭中的电饭锅开始做饭沈衣机洗衣等它的实现将是将无线、移动 和传感控制技术的融合。 z i g b e e 技术的发展，各种z i g b e e 集成模块可安装在电视、灯泡、遥控器、门禁系 统、空调系统以及手机等各种各样的电子产品中，并可通过家庭网关与外网进行远程通 信，从而实现家庭网络的远程控制，使人类的居家生活更加方便、灵活、舒适，使那些 在科幻小说中的一些情景不在是科幻，家庭网络更加智能化。使得智能家庭可能在未来 的2 到3 年内走入人们的生活中。 z i g b e e 的优良性能、极低的功耗、高集成度和低价位，具有非常强大的市场竞争 能力。市场分析人士认为到2 0 0 6 年，z i g b e e 设备达到了每年4 亿台的市场规模，并 在6 7 年内占据三分之二的家庭自动化市场【丌。安全意识的提高使得人们对住宅的要 求不断提高，不仅要便利、舒适，而且更安全，而z i g b e e 网络的安全性能对家庭的居 家安全保护也具有十分重要的意义。 无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可 以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，更是因为它符合家 庭网络的通讯特点，z i g b e e 技术应用于家庭控制网络，具有巨大的商业价值。因此研究 基于z i g b 无线技术的家庭控制网络具有其现实意义和广阔的市场应用价值 1 2z i g b e e 的发展与应用现状 z i g b e e 是由z i g b 联盟开发的一种低成本、低功耗、双向近距离无线通信标准。 英国i n v 锄s y s 公司、同本的三菱电气公司、美国的m o t o l 盯公司以及荷兰飞利浦公司于 2 0 0 2 年共同组成了的z i g b 联盟，共同研究开发了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的短距离无线网 络技术即z i g b e e 技术标准，其技术标准被称为z i g b 协议规划引。z i g b 技术的特点 和优良的特性决定了其可以广泛应用于很多领域1 9 j 。 一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相 2 江苏大学硕士学位论文 对于现有的各种无线通信技术，z i g b 技术将是最低功耗和成本的技术【i o l 。同时由于 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 据流量较小的业务。所以z i g b e e 联盟预测的主要应用领域包括工业家庭控制、消费性 电子设备、汽车自动化和医用设备控制等【l 。 1 智能家庭 尽管智能家庭的概念已经提出很多年了，但是由于相应的通信技术及应用方面的发 展速度缓慢，智能家庭一直没有走向实用化。 通过z i g b e e 网络，我们可以远程控制家罩的电器、门窗等。下班前可以在路上就 打开家罩的空调；下雨的时候可以远程关闭门窗；家中有非法入侵时可以及时得到通知； 方便的采集水电煤气的使用量；通过一个z i g b e e 遥控器，控制所有的家电设备。 2 智能建筑 随着智能楼宇控制技术的发展，基于无线的控制网络的应用需求越来越强烈，通过建 立完备的z i g b e e 网络，智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患，及早提供相关信 息；根据人员分布情况自动控制中央空调，实现能源的节约；及时掌握酒店客房内客人 的出入信息，以便在突发事件时及时准确地发出通知【l 引。在机场，持有z i g b e e 终端的 乘客们可以随时得到导航信息，比如登机口的位置，航班的变动，甚至附近有什么商店 等。 3 工业自动化领域 在工业自动化领域，人们可以通过z i g b e e 网络实现厂房内不同区域温湿度的监控； 及时得到机器运转状况的信息；结合r f i d 标签，可以方便的统计库存量。 4 医疗领域 在医院，z i g b e e 网络可以帮助医生及时准确地收集急诊病人的信息和检查结果，快 速准确的作出诊断。带有z i g b e e 终端的患者可以得到2 4 小时的体温、脉搏监控；配有 z i g b e e 终端的担架可以遥控电梯门的开关，在医院，时间就是生命，z i g b e e 网络可以 帮助医生和患者争取每一秒的时间【1 3 】。 z i g b e e 联盟从2 0 0 4 年底成立之初到2 0 0 6 年中，z i g b e e 从最初的1 3 家公司发展到 有全球1 5 0 多家知名厂商加盟的商业团体【1 4 】，目前其成员已经突破2 l o 家。其中包括中 国的华为。在众多厂商的追捧之下，z i g b e e 技术呈现出蓬勃的发展念势。其协议规范从 最初的初步标准发展到z i g b e e 2 0 0 6 也就是z i g b e e 协议标准v 1 o ，以及最新的 z i g b v 1 4 规范，其协议标准也在进一步完善中。并且其以后的协议标准命名将按照年 份来命名，即z i g b 泓x x x 。 随着z i g b 技术的进一步发展和成熟，基于z i g b 技术的应用层出不穷。在国外， z i g b e e 技术的应用异常活跃，仅最近两年就出现了很多基于z i g b c e 的应用方案，2 0 0 7 年4 月r 本n e c 公司展示了其通过z i g b 的传感器网络来掌握路况信息的实现方案， 3 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 7 年7 月英国捷力利用z i g b e e 实现l k m 通信和音乐传输；韩国c 谢t c lc o m m 明i c a t i o 他 公司宣布，他们已经丌始研制世界上第一款z i g b e e 手机，该手机将可通过无线的方式 将家中或是办公室内的个人电脑、家用设备和电动丌关连接起来。美国1 1 1 s t a t m d r 于 2 0 0 7 年9 月l 同公布了关于近距离无线通信规格z i g b e c ( i e e e8 0 2 1 5 4 ) ”的前景的调查 结果。该调查结果显示，预计2 0 0 8 年支持z i g b e e 设备的发货数量将超过l 亿5 0 0 0 万 台。在韩国，其家庭网络一直采用p l c ( 电源线通讯) 。但p l c 需要噪声滤波器因而增加 了成本；且因没有专门的标准，不同供货商的产品间存在互通作业性问题。所以，消费 电子制造商转向具有标准的z i g b e e ；从2 0 0 8 丌始，z i g b e e 芯片将以家庭网络的形式进 入新建筑中【l 引。 我国两大智能家庭标准组织闪联和e 家佳在推进数字家电互联互通的同时带动了无 线技术应用的增长，他们在产业化进程方面的努力预示着无线技术应用进入快速普及阶 段。 海尔集团技术研发中心高明新表示，无线通讯技术在e 家佳联盟数字家庭网络构建 中具有举足轻重的地位，w l a n 、叭v b 、b l u e t 0 0 t h 、z i g b e e 等无线通讯技术是e 家佳 联盟目前j 下在大力推广的技术。e 家佳联盟成员海尔继去年推出基于u w b 技术的无线 高清产品后，又进行了基于8 0 2 1 l n 技术的无线通讯产品的研发工作，并于2 0 0 6 年初完 成样机展示工作。采用8 0 2 1 1 n 技术的无线多媒体产品无论是在传输带宽、传输距离方 面，还是在q o s 质量保障方面，都有良好的表现。今后e 家佳联盟还会大规模推广l u i d 技术在家庭网络中应用，主要用于供应链管理、家庭及小区物业管理、门禁控制等方面 【5 l 。无线技术是闪联产品重要的通信手段，闪联要求产品具有与其他闪联产品进行通 讯的能力。在闪联应用的无线技术中，因、m f i 与蓝牙性价比较高，应用得比较广【l 卯。 z i g b e e 技术的进一步的发展，国内的一些厂商和企业也在对z i g b e e 技术进行研究和应 用，走在国内通信领域前沿的科技型企业上海爱吉信息技术有限公司，在i p v 6 协议栈 丌发和z i g b e e 嵌入式产品的研发上都取得了相当的成果。最近的东京嵌入式产品展示 会上，爱吉公司的z i g b 体温脉搏感知手表得到了与会者的极大肯定【i 叫。 除上述之外已经得到应用的解决方案还有，基于z i g b e e 技术的无线点餐系统、管 道监测无线数据传输网络和家庭三表远程抄表系统以及基于z i g b e e 智能交通控制系统 无线通信方案。我们相信随着国内外对z i g b e e 技术的进一步的研究，将会出现越来越 多的应用解决方案。 随着z i g b 技术的进一步发展和完善，未来的z i g b ，将向着以下两个方面发展： ( 1 ) 更廉价、更省电 根据最新的信息，一节电池工作3 年的z i g b e e 产品已经面世。在同本的神户机场， 所有z i g b e e 节点仅仅依靠一小块太阳能电池板供电。而随着应用的不断增加，更大的 产量必然导致更低廉的价格。 4 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) i p v 6 和z i g b e e 的结合 i p v 6 拥有巨大的地址空间，可以为每一个z i g b e e 节点分配一个全球唯一的网络地 址，同时提供安全的通信保障和优良的q o s 保证。i p v 6 和z i g b e e 的结合是一个必然趋 势【。6 1 。 可以预见，在未来的几年之内，z i g b 产品将以各种各样的方式走向我们，成为我 们工作生活中不可或缺的一部分。 总之，z i g b e e 是一个开放协议，有众多的芯片供应商和o e m 支持；同时z i g b 联盟也己开始着手解决互操作性问题，从而避免蓝牙技术所遭遇的困难；最重要的是， z i g b e e 开发人员确实展示了一种能够降低成本的有效方法，对于家庭自动化领域来说这 是首要问题。上述三个方面将对z i g b e e 占领家庭自动化市场起至关重要的作用【1 7 】。 z i g b e e 在家庭网络中最主要的作用是远程监测和控制，应用领域包括室内照明和空 调系统控制、家电遥控、无线计算机外设( 无线鼠标、键盘等) 、安全监控、烟雾或c 0 2 监测，z i g b e e 的优良性能、极低的功耗、高集成度和低价位，具有非常强大的市场竞 争能力。市场分析人士认为z i g b c e 在6 到7 年内，在家庭自动化市场将有巨大的市场 规模。 随着无线、电力线通信技术的发展，低功耗无线射频通信和电力线通信作为家庭控 制子网的底层通信技术成为可能，家庭网络标准工作组已经在进行相关技术和产品的研 发，为用户提供多种选择，从技术、实现成本、可靠性等多个方面研究在家庭控制子网 中采用无线射频通信和电力线通信技术的可行性。可见国家家庭网络标准化工作小组， 也一直在做家庭控制子网的低功耗无线实现技术的研究工作。因此希望自己对z i g b e e 技术的研究，能够为将来z i g b e c 应用于家庭控制网络中起到一定作用。 1 3 论文研究的内容 在家庭网络领域中，由于平台和组网方式的多样化，导致了家庭网络的实现方案的 多样化，考虑到成本和性能等多方面因素，本课题采用近年逐渐兴起的z i g b e e 无线网 络技术来实现家庭网络内部控制网络组建，重点研究家庭控制网络的组建和家庭控制网 络中设备之问的通信、并在最后研究了家庭无线网络的安全问题。本文的主要工作有以 下几个方面： ( 1 ) 介绍并分析了z i g b e e 技术的发展现状，研究了z i g b e e 协议规范和协议栈的 构架和各层之问的作用，通过对z i g b 网络的拓扑结构和家庭网络的特点分析，选择 树型网络作为家庭控制网路的拓扑结构，完成家庭控制网络的构建。 ( 2 ) 对无线家庭网络中无线网主节点和终设备节点的硬件设计，实现家庭无线网 络之间的通信。 5 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 完成主节点和终设备节点的外围设备电路的设计和接口驱动程序设计，分析 了协调器组建网络的过程和终设备节点加入网络的流程，并介绍了应用设备之间的通信 的实现。 ( 4 ) 完成了家庭控制网络中各种应用节点的设计，实现了基于g s m g p r s 模块远 程短信、电话以及基于e m a i l 的报警功能以及射频卡门禁功能的设计。 ( 5 ) 研究了无线z i g b e e 网络的信息安全加密标准( a e s ) ，并分析家庭无线网络 中信息加密通信的实现。 1 4 论文的组织 论文总共分六章，各章主要内容概括如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义、国内外发展状态和本文的主要 研究内容，并给出了论文的框架。 第二章主要介绍了z i g b e e 协议规范中的基本概念、协议栈的架构以及各协议层的 主要功能。其中重点介绍z i g b e e 设备问的通信方式和z i g b e e 网络的拓扑结构，分析了 不同网络结构的特点和应用领域，最后分析了目前的两种z i g b e e 技术解决方案，通过 比较选择了s o c 解决方案，。 第三章详细介绍了z i g b c e 协调器建立网络的过程和设备加入网络的子、父节点的 处理流程，并在此基础上进一步分析和实现了终设备( e n d p o i n t ) 的不同绑定方式。 第四章主要介绍z i g b e e 网络中协调器节点和家庭中的不同终设备节点的设计以及 测试结果，具体是温湿度传感器节点、门禁系统节点和基于g s m g p r s 模块家庭报警 节点的设计。 第五章主要分析了家庭网络的信息安全，分析了高级加密标准( a e s ) 技术并实现了 基于a e s 的加密标准的家庭网络与外界网络的加密传输。 第六章对本文的内容进行了总结，并提出在此基础之上可以进一步完善和展丌的工 作。 1 5 本章小结 本章为论文的绪论部分，对课题研究的背景、目的意义以及z i g b e e 技术的国内外 研究发展应用现状，最后介绍了论文的研究的内容和论文的组织结构。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术分析 短距离无线通信技术已为无线通信技术的一个重要分支，这是因为在许多应用领域 中，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传 送，如采用传统的无线技术，虽然能满足要求但存在着设备的成本高、体积大和能耗较 大的特点。针对这样的应用领域，希望能有一种有成本低、体积小和能耗低的短距离无 线通信技术，z i g b e e 技术应运而生，而随着通信技术和无线传输技术的发展，出现了无 线个人区域网络( w i r c l e s sp e r s 0 n a la r e an e 帆o r k ) 的概念，其是将几米到几十米范围内的 多种设备通过无线方式连接在一起，并使他们可以相互通信，从而组建成个人网络甚至 将其接入到i i l t e n l e t l j 。 2 1z i g b e e 协议框架 z i g b 协议栈象其它网络协议一样采用的是分层的结构，其中底层采用基于 i e e e 8 0 2 15 4 标准的底层协议，即i e e e8 0 2 15 4 工作组主要负责制订物理层及媒体接 入层的协议规范，z i g b e e 联盟是在i e e e 8 0 2 1 5 4 的基础之上定义了网络层、设备对象 层，应用支持层，应用层和安全方面的协议规范，应用对象是指各种应用提供商提供的 应用层之上的协议规范1 1 9 1 1 2 0 】【2 l j 。其协议框如图2 1 。 jl 应刈对象 z i g b e do e m 1r j 虑刚框架设备对象层 7 ：一d 一“日爿 厶i g d e e 状盥 网络层安全层 - m a c p h y i e e e 8 0 2 t5 4 2 4 g h z8 6 8 9 15 m h z ， 图2 1 z i g b 协议框架 在介绍各个分层的具体功能之前，首先介绍在z i g b e e 协议规范中所特别需要说明 的一些基本术语和概念。 7 江苏大学硕士学位论文 2 2z i g b e e 技术中的基本术语 2 2 1 服务原语 在z i g b e e 的各个层之间，层和层之间是通过服务接入点( s e r v e r a c c 骼sp o i n t ) 来 实现相互通信的，服务接入点( s a p ) 是本层为上层提供的服务接口，该接口的实现通 过服务原语( 服务原语包括数据服务原语和管理服务原语) 来进行通信，每一个服务接 入点都有一定数量的服务原语【5 】【2 2 1 。s a p 是层与层之间的唯一接口，而具体的服务类 型是由相应的服务原语来提供给上层的调用。上层在调用下层的服务时，只需要遵循统 一的原语规范，并不需要去了解原语如何处理。这样就做到了层与层之白j 的透明传输。 层和层之问的服务原语有四种，他们的关系如图2 2 。 r e q u e s t c o n f b 咖 r e s p o n s e i n d i c a l i 伽 幽2 2 服务原语及类型 请求原语( r e q u e s t ) ：请求原语用于上层对下层请求指定的服务如数据发送，信道检 测，设备关联请求等。 确认原语( c o n f o n n ) ：确认原语是服务提供层传达给先前的服务请求原语的所请 求的服务结果。如数据确认、关联和非关联确认等。 指示原语( i n d i c a t i o n ) ：指示原语是服务提供层即是本层提供给上层的本层所发生 的某一内部事件指示如数据指示，加入和离丌网络指示原语等。 响应原语( r e s p o n s e ) ：响应原语是用于响应本层发出的指示原语如关联响应原语和 孤立节点加入响应原语等5 】【2 2 】。 2 2 2 网络关联 在星型网络配置中，终端设备在可以执行任何数据传输之前将总是先搜索网络。新 的网络首先是由协调器建立，协调器在启动时，将会首先搜索附近的其它协调器，如果 没有找到协调器，它就会建立一个自己的网络并选择一个唯一的1 6 位p a ni d 。一旦新 网络建立，就会允许一个或多个终端设备与此网络相关联嘲。所谓的关联就是子设备节 江苏大学硕士学位论文 点加入网络的过程，即是在父设备节点中实现注册，获取到网络短地址，完成加入网络 的过程；父设备节点会在非易失性存储器中存储所有网络关联信息，称为邻居表。 终端节点可以通过直接关联方式和孤立通知过程实现与网络关联，直接方式的实现 是由子设备发送关联请求，因为每个子设备分配有不同的唯一的一个“位的长地址， 为了完成关联过程，父设备将搜索其邻居表，以确定是否有一个相匹配的6 4 位地址与 其匹配，若有则终止该过程并向上层报告该设备节点已经与网络关联，否则网络层管理 实体将为新设备节点分配一个1 6 位的网络地址，且该网络地址是唯一的。在已经同网 络关联子设备但与该父设备失去了联系，子设备将执行孤立通知过程重新与网络关联。 子设备若在网络层中不断的收到m a c 层发送的通信失败的通知，子设备将会发起孤立 通知过程，重新加入网络。 此外与网络关联的终端节点，可选择通过执行解除关联过程与该网络解除关联。如 果需要的话，协调器本身也会启动解除关联过程来强制节点离开网络。z i g b 协议栈的 当前版本支持关联和孤立通知过程。但仅支持由终端设备启动的解除网络关联的过程。 2 2 3p r o f i l e ( 应用框架) p r 0 6 l e ( 应用框架) 的书面意思是框架、轮廓，在这罩它的意思是应用框架【5 】【2 2 1 。是 由z i g b e e 技术开发商提供，应用于特定的应用场合，也是用户进行z i g b e e 技术开发的基 础。p r o f i l 髂是一种规范，规定了不同设备对不同消息数据帧的处理行为，使不同的设备之 间可以通过发送命令、数据请求来实现互操作，且是和各种不同的具体应用相对应的。 2 2 4e n d p o i n t ( 终设备节点) e n d p o i n t ( 终设备节点) 【5 j 是一种网络通信中的数据通道，它是无线通信节点的一个通 信部件，如果选择“绑定”方式实现节点问的通信，那么可以直接对e n d p o i n t 操作，而不需要 知道绑定的两个节点的地址信息。每个z i g b e e 设备支持多达2 4 0 个这样的e n d p o i n t s 。 e n d p o i n t 的值和i e e e 长地址、1 6 位短地址一样，是唯一确定的网络地址，通常结合绑定 功能一起使用。例如家庭网络中的一盏灯，一个开关等都是一个设备i d 也就有一个 e n d p o i n t 号。 2 2 5a t t r i b u t e ( 属性) a t t r i b u t e ( 属性) 是一个数据实体，它代表一个物理量或一种状态，可以通过这个网络变 量在设备之问传递数据和命令【5 】。 z i g b 通信有两种协议帧格式，分别是“l p 格式和“m e s s a g e 格式【5 1 。m e s s a g f 格 9 江苏大学硕士学位论文 式是用户自定义的一种帧格式，而“k v p ”格式就是z i g b e e 联盟定义的，它就用到了网络 属性( a t t r i b u t e ) 变量来传递数据和命令。 2 2 6c l u s t e r ( 集群) c l u s t e r ( 集群) 是属性变量( a t t 曲u t e s ) 的集合【5 | ，当然如果将通信帧属性选择为 “m e s s a g e ”时，它也可以没有任何网络变量。在同一个p r o f i l e 中，c l u s t e ri d 是惟一的。 在间接寻址方式中，建立绑定表时需要搞清楚c l u s t e r 的含义与属性。可以建立绑定 关系的两个节点，它们的c l u s t e r 的属性必须一个选择“输入”，另一个选择“输出”，且c l u s t e r i d 值相等，只有这样，它们彼此才能建立绑定而在直接寻址方式中，常用c l u s t e ri d 作为参 数来将数据或命令发送到对应地址的c 1 u s t e r 上【2 3 】。 2 2 7b i n d i n g ( 绑定) 绑定将会涉及到两个或多个网络节点，且在协调器中会有一个设备绑定表来存储设 备的绑定信息，在绑定表中包含i e e e 地址、终设备节点( e n d p o i n t ) i d 【5 】【2 引。其中e n d p o i n t 描述信息中的c l u s t e ri d 且值必须相等，而且绑定的双发的属性方向相反。节点问的绑定， 通常是通过e n d p o i n t 的绑定来实现的。例如节点a 的e n d p o i n t 可以和节点b 中的一个 或多个e n d p o i n t 实现绑定，节点a 的e n d p o i n t 也可以和多个节点中的e n d p o i n t 进行绑定。 但是绑定有个条件是：只有输入设备和输出设备爿能建立绑定关系且必须属于相同的集 群i d 。在z i g b e e 网络中，设备之间可以通过使用i e e e 地址或短地址来通信，也可以通 过绑定在各个节点问建立联系，然后通过e n d p o i n t 和c l u s t e r 信息来进行通信。绑定关系 可借助图2 3 丌关和灯的绑定关系来说明。 图2 3z i g b e e 的设备绑定示意图 1 0 江苏大学硕士学位论文 图2 3 中开关终设备节点号分别为2 l 、2 2 其对应的绑定终设备号为：2 、3 、4 、5 。 其中e p 2 l 对应的绑定终设备节点号有e p 2 、e p 3 、e p 4 以及e p 2 2 对应的绑定设备节点 为e p 5 。即通过绑定表可以实现，开关e p 2 l 对灯e p 2 、e p 3 、e p 4 的控制和开关e p 2 2 对灯e p 5 的控制。 假如，如果需要将来自我们的i o 节点的数字输入l 的数据发送到控制器节点的控 制信道l ，我们就必须请求协调器创建一个绑定表项，此绑定表项将i o 节点的数字输 入1 端点作为源端点，将控制器节点的控制信道l 作为目标端点。一旦创建了绑定表项， 任何时候i o 节点从数字输入1 端点发送数据时，协调