（计算机科学与技术专业论文）基于upnp标准和zigbee网络的混合型智能家庭网络.pdf

顾十研究生学位论文 笨于u p n p 标准和z i g b c e 网络的混合型智能家窿刚络 基于u p n p 标准和z i g b e e 网络的混合型智能家庭网络 摘要 随着计算机的普及和通信技术的发展，生活家电已经开始走向智 能化、网络化，成为了新型的“智能家庭网络”。 智能家庭网络中的信息家电种类繁多和组网方式多样，z i g b e e 网络以其低功耗、低成本、大容量、低速率、操作简单、可移动性强 等优点，在对各种家用电器设备的远程控制、调节、监测，以及防盗、 自动烟雾探测、有害气体检测等安全监控方面有着很大的优势。通用 即插即用( u p n p ) 是一种普遍的点对点网络连接的体系结构，它适用于 智能设备、无线设备和所有种类的个人计算机的互连。它支持零配置、 “不可见”联网，以及对众多厂商的广泛设备类型的自动发现，这种 设计使其设备无论在家里、小型商业厅、公共场所的任何网络的连接 操作都变得容易、灵活、连接标准化。 本文立足于u p n p 标准在智能家庭网络中的研究与应用，提出并 设计、实现了将u p n p 标准和z i 邸e e 网络相结合的混合型智能家庭网 络解决方案。文章首先对智能家庭网络的发展状况，组网技术，以及 行业标准进行了介绍，然后就z i 邸e e 网络和u p n p 协议标准以及它们 在组建智能家庭网络方面的优缺点进行了分析。为了解决z i 邙e e 网 络和u p n p 标准相结合的问题，提出了通过在u p n p 网络和z i 邸e e 网 络间架设嵌入式网桥，建立混合型智能家庭网络的解决方案。本文详 顾 。研究生学位论文 堆十u p n p 标准和z i g b c e 叫络的混合型智能家庭叫络 细阐述了嵌入式网桥方案的设计与实现，包括：嵌入式网桥硬件和软 件架构设计，u p n p 协议框架的实现，控制点的实现，网桥设备端虚 拟多个设备的实现，网桥设备与z i 妒e e 网络互通的实现等等。最后， 通过实验在l i n u x 和w i n d o w s 两种平台下对整个解决方案进行了系统 验证。 关键词 智能家庭网络，u p n p ，z i g b e e ，嵌入式网桥 堡! ! ! 垒兰兰竺丝兰董兰竺些堡童墼! 堡墼塑竺竺堡至竺堡璧垒塞塑丝 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e i o p m e n to fc o m p u t c rs c i e n c ea n dt c i e c o m m n i c a t i o n s ，h o m e 印p l a n c c sa r cb e c o m i n gm o r c 锄dm o r ci n t e i l i g c n t 卸de a s i e rt ob cc o n n e c t e d ，w h i c h l e a d st oan e wk i n do f “i n t e l l i g e n th o m en e t w o r k ” t h e 陀a f em a n yk i n d so fh o m ea p p l i a n c e sa n dv a r i o u sm e t h o d st oc o n n e c lt h e m w i t h i nt h 幅em e t h o d s ，z j g b e en e t w o r kh 弱m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s l o wp o w e r l o w s t ，h i g hc a p a c i t y l o wm t e ，s i m p l eo p e r a t e ，s t m n gm o b i l i t y ，e t c i ti se s p e c i a l l y 留d 0 d a t亿m o t ec o n t m l ， r e g u i a t i n 舀m o n i t o r i n g ，s e c u r i t y a u t o m a t i cs m o k ed e t e c t i o n ， d e t e c t i o no fh a r m f u lg a s c s ，e t c u n i v e 嚣a 圭p l u ga n dp i a y ( u p n p ) i su n i v e f s a lp e e rt 0 p e e rn e t 、o r ka r c h i t e c t u r c i tc a nb el l s e df o ft h ec o n n e d i o no fj n t e l l i 2 e n td e v i c e ， m o b 订ed c v i c ea n do t h e rk i n d so fp e r s o n a lc o m p u t e lns u p p o nz e m c o n f i g u r a t i o n ， i n v i s i b l en e t w o r k j n 臣a n da u t o d e t e c t i o nf b rv a r i o u sd e v i c e sd e v e l o p e db vd i f = f e r e n t m a n u f a c t u r e r s t h i sk j n do fd e s i g nm a k e si te a s i e r ，m o r ef l e x i b l ea n dm o r e s t a n d a r d i z e df o ri t sd e v i c et ob eo p e f a t e da th o m e ，i ns m a l lb u s i n e s sc h a m b e r a n d o t h e fp u b i i cp l a c e s 1 1 l j sp a p e rd o e sr e s e a r c hi nt h ea p p l i c a t i o no fu p n ps t a n d a r di ni n t e l l i g e n th o m e n e t w o r k w ed e s i 印e da n dr e a i i z e ds o l u t i o nt oc o m b i n eu p n ps t a r d a r da n dz i g b e e n e t w o r k w ef i r s td i dr e s e a r c hi nt h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n th o m en e t w o f k n e t 、】l ，o r k j n gm e t h o d sa n di n d u s t r ys t a r d a f d s w ed i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e s 肌d d i s a d v a n t a g c so fz i g b e en e t w o r ka l l du p n ps t a r d a r di nd e v e l o p i n gi l l t e l l i g c n th o m e n e t w o r k i no r d e r t oc o m b i n ez i g b e en e t w o r ka n du p n ps t a r d a r d ，w em a d eas o l u t i o n o fm a k i n 2a ne m b e dn e t w o r kb r i d g eb e t w e e nz i g b e en e t w o r ka n du p n pn e t w o r k w bd i s c i i s s e dt h ed e s ig i la n dr e a l i z a t i o no ft h ee m b e dn e l 、v o r kb r i d g ei nd e t a i l ， i n c l u d i n g ：e m b e dn e t w o f kb r i d g eh a r d w a r ea n ds o f t w a r cd e s i 星皿，t h er e a l i z a t i o no f u p n pp r o t o c o lf r a m e w o r k ，c o n t r o l p o i n t ， t h e d e s i g n o fm u j l i v i r t u a l d e v i c e ， c o n n e c t i o no fz i g b e en e t w o r kt h er c a i i z a t i o no fe m b e ds v s t e m ，e t c f i n a uy ，w e c e n j f vt h ew h o l es v s t e mt h m u g t la r i a lo fe x p e f i m e n t so nb o t hl i n u xo sa n d w i n d o w so s k e yw o r d s h t e l i i g e n th o m en e 腑o r k ，u p n p z i g b c e ，e m b e dn e t w o f kb r i d g c 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 2 兰i 童蒸曼 f 1 期：至业zi ：笪 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期1 日j 论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公佰学位论文的令部或部分内容，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一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。 本人签名：2 型童堑同期：翌2 ：i ：堡 导师签名： ! 蛰薹叠 硕i ：研究生学位论文 摹于u p l i p 标准和z i g b c ch 络的混合型智能家庭州络 1 1 研究背景 第一章绪论 随着计算机的普及和通信技术的发展，2 1 世纪的家庭将不再是一个孤立的信 息孤岛。最突出的表现就是，生活家电已经丌始走向数字化、网络化，成为了新 型的“信息家电”( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，i a ) 。人们在家里就可以联机互访 外界所有可用的信息源，包括网上购物、结算、医疗保健、娱乐、通信和接受远 程教育，甚至在家里实现无纸办公。家庭内部也将是一个智能化系统，房间的设 置可以根据用户需要自动调节，例如对空调、冰箱、音像等家电设备和安全系统 可以随时随地进行监测和控制。 智能家庭网络正足一种能实现这些设想的新型网络技术。在集成协同环境中 把各种计算机、信息家电、度鞋表、照叫能源羟制设备和安令报警控；削设备等相 连接。以实现设备e 1 动发现、动态组网，资源内容j 乍， i i 协h 服务控；制，形成一 个多层次统。的网络，实现家庭资源的共誊和臀理数# 家庭网络在提高人们，扛活 质鼍，保障家居安全，给家庭带来极大的方便和乐趣等方面部宵重要的社会意义 和经济意义。 智能家庭网络中的信息家电种类繁多和组网方式多样，如何屏蔽信息家电下 层的各种硬件设备和连接技术，将各种家庭设备“智能”地连接在一起，成为实 现智能家庭网络的关键。在家庭网络中，不能与企业网络一样要求所有人都必须 学会使用网络。所以智能家庭网络还有一个重要任务，就是使各种家庭网络信息 设备更容易接入网络，且操作简单、智能，在需要的时候还能够随时使用。研究 智能家庭网络技术，解决设备问互联、互通、互操作问题，实现设备连接控制操 作简单化、智能化，对加速信息家电的普及，促进智能家庭网络的发展，提高家 庭信息化水平有着重要的现实意义。 1 2 智能家庭网络 1 2 1 智能家庭网络的定义和业务分析 智能家庭网络是通过家庭网络将公共刚络功能和应用延仲到家庭，并以可灵 活配置的家庭智能布线系统为基础，或者构筑无线环境，连接各种信息终端( 如 家电、p c 等) ，提供集成的话音、数据、多媒体、控制和管理等功能，达到信息 在家庭内部终端与外部公网及家庭内部终端之日j 的充分流通和共享。 通过智能家庭网络可以实现以下的应用m ： ( 1 ) 与i n t e r n e t 互联。通过宽带接入技术，将家庭内的p c 、智能电视机、智 能多媒体设备等智能家电与i n t e r n e t 互联，实现家庭内部信息与外界网 络的高速信息共享，支持个性化的信息订阅服务，以及互动的i n t e r n e t 娱乐游戏服务等等。 颂1 研究生学位论义 桀十u p n p 标准和z j g b c c 喇络的混合型智能家庭州络 ( 2 ) 远程控制。通过家庭网络实现对各种家用电器设备的远程控制、调节和监 测。例如：对微波炉、洗衣机、空调、灯光、电动窗帘、温度和湿度控制 器、风量调节器等的控制。 ( 3 ) 安全监控。实现防盗报警器、自动烟雾探测器、有害气体检测装置自动报 警，并通过网络发送到手机、e m a il 信箱或者小区的管理中心；利用摄像 头等监控设备对家庭安全进行远程实时监控。 总而言之，智能家庭网络的业务可分为四大方面： ( 1 ) 多媒体业务：观看影片、欣常音乐、v o d 、i p t v 、网络游戏等。 ( 2 ) 数据处理业务：对数据信息的处理、资料整理、家庭办公、学习等。 ( 3 ) 通信及广播业务：i p 电话、网上购物和结帐、视频聊天、远程教育、医 疗等。 ( 4 ) 控制和监视业务：安防、家用电器控制、自动抄表、电源管理等。 智能家庭网络从组成上可以分为以下几个部分： ( 1 ) 家庭嘲关：智能家庭网络控制的核心设备，能够实现对网络中所有智能设 备的操控，并对外界刚络提供远程接入功能。 ( 2 ) 各种信息终端设薪和智能家 乜设备。 ( 3 ) 家庭智能联网坏境：通过家庭内部宵线或无线方式的叵联技术，将家庭内 各类智能结点f j ：联，实现家庭网络各信息终端设备和智能家电设备的自组 织联网，并提供自动发现和配嚣功能。 1 2 2 智能家庭网络互联技术 1 2 2 1 组网技术分类与比较 目前智能家庭网络可以采用的组网技术有：u n ( 有线局域网，即以太网) ， w l a n ( 无线局域网，即l e e e8 0 2 1 1 ) ，z i g b e e ，蓝牙，h o m e p n a ( 家庭电话 线网络) 。各组网技术的比较”如下： 组网技术l a nw l a n z i g b e e 蓝牙h p n a 技术复杂性简单复杂简单 简单较复杂 支持业务所有业务所有业务监控业务 简单数据业务简单数据业务 覆盖范围1 0 0 米1 0 0 米7 0 米1 0 米1 0 0 米 数据带宽 1 0 0 m b p s5 4 m b p s 2 5 0 k b p sl m b p s 以下1 0 m b p s 安全性好较好较好 较好较好 标准成熟性成熟标准在发展 标准在发展标准成熟标准滞后 可扩展性需要布线移动性好移动性好移动性好，但距电话线延伸 离较短 建设成本高较高低较低中 维护成本较高较低低 较低 中 就智能家庭网络而占，u 、n 和w i n 能够支持所有业务，传输速率高，特 别适合影音娱乐等多媒体业务和高流量数据业务，但l 气n 不能移动，而且需要 布线，建设和维护成本都比较高。w l 气n 则移动性好，且维护成本较低，是实 现多媒体业务和高流量数据业务的较理想方案。在无线控制和安全监控方面， z i g b e e 网络与其他组网技术相比，有着较大的优势：它技术简单，易于实现， 可移动性强，建设和维护成本低，覆盖范围适中，虽然传输速率不高，但用于对 智能家电的控制与监视已经足够。 1 2 2 2 混合型组网技术 未来的智能家庭网络应该是一个以家庭网关服务器为核心，采用多种网络通 信技术的混合型网络。让各种组网技术发挥其各自的优点，网关服务器通过l a n 或a d s l 与外界网络瓦联，家庭内部的多媒体设备和高流量数据业务终端通过 w l a n 连接到嘲关服务器，其余需要无线控制和监控但不需要高流量数据传输的 设备则通过z i g b e e 网络通信，并通过某种方式与网关服务器互联。 1 2 3 智能家庭网络方案标准 1 2 3 1 三大行业标准 在智能家庭网络方案标准方面，目的世界上主要有三种网络协议层标准：以 m i c r o s o f t 为代表的u p n p 技术，以s u n 为代表的j i n i 技术，以传统家电j 商s o n y 为代表的i 协v i 体系。三者相互竞争，又彼此协作。 ( 1 ) 从w i n d o w s 接口标准扩充而来的u p n p 协议。 u p n ) 是p n p ( p l u ga n dp l a y ) 面向家庭网络的扩充。u p n p 足微软发布的基于 w i n d o w s 的硬件接口标准，以利用p c 和i p 协议为| j 订提条件，目的足在多种传送方 式( i e e e l 3 9 4 、电活线、电力线和无线等) 并存的网络环境中，实现网络吒连。特 别值得一提的是，微软在j f 发u p n p 时，考虑到它同卧v i 之问协同运行的情况，己 把h a v i 作为u p n p 的底层通信m 议使用。 ( 2 ) 分布式网络环境协议i n i 。 j i n i ( j a v ai n t e l l i g e n tn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e ) 的目的是将成组的设备 和软件构建联合成一个单一、动态的分布式系统，它肇于a v a 语占，运行f t c p i p 协议之上，跨平台运行，独立_ 底层操作系统和通信技术，执行网络操作系统的 功能，并且集中解决网络成员之m 的交且通信问题。当采用了j i n i 规范的设备加 入到网络中后，它即向该网络上的搜寻服务器传送一条信息，充当网络搜寻服务 器的设备就将新设备登记在案，详细记录其属性，并向该j i n i 设备发回一条消息， 告诉它在需要时到何处找寻服务器。和u p n p 不同的是，j i n i 重点强调服务的概念， 而u p n p 将重点放在设备上。“。 ( 3 ) 以s o n y 为代表的h a v i 标准。 硕i j 研究生学位论文 幕十u p n p 标准和z i g b c e 嘲络的混合型智能家庭嘲络 h a v i ( h o m ea u d i o v i d e oi n t e r o p e r a b i l i t y ) ，是一种提供家庭中数字音 频、视频无缝瓦操作的家庭网络中间件技术，由h a v i 联盟制定其相关标准和文 档。该标准采用传统的i e e e1 3 9 4 传送通信协议，连接数字化电视机、数字摄录 一体化录像机、游戏机、立体声音响等信息化家电。h a v i 力图建立一个可扩展、 独立于平台和设计语言的丌放结构，目的是主要针对家庭娱乐应用，其并不适用 于家庭自动化等家庭网络应用“1 。 1 2 3 2u p n p 前景展望 就智能家庭网络而占，u p n p 标准，相比于其他两种，有着实现简单，使用方 便，适用范围广的优点，它独立于操作系统和开发语占，而不像j i n i 依赖于j a v a 虚拟机( j v m ) ，资源要求相对较低，可以采用c 语言编写，运行效率高，相信随 着u p n p 架构的进一步推广，u p n p 应用模式的f i 断丰富，u p n p 架构将拥有关好的 发展前景。 1 3 本文的工作 本文立足于u p n p 标准存智能家庭网络中的研究与应用，设计并实现了基于 u p n p 和z i g b e e 网络的混合型智能家庭| j 【) 9 络解决方案。 本文的工作 要体现在： ( 1 ) 对智能家庭网络的发展状况，组网技术，以及行业标准进行了分析。 ( 2 ) 就z i g b e e 技术和u p n p 协议标准以及它们在组建智能家庭网络方面的优缺 点进行了研究。 ( 3 ) 为了解决z i g b e e 网络和u p n p 标准相结合的问题，提出了通过在u p n p 网 络和z i g b e e 网络问架设嵌入式网桥，建立混合型智能家庭网络的解决方 案。 ( 4 ) 设计并实现了该混合型智能家庭网络解决方案，包括： 嵌入式网桥硬件架构设计与实现。 嵌入式网桥软件架构设计与实现。 l i n u x 下u p n p 协议框架的设计与实现( 包括协议各部分的实现，难点在 于线程池机制的实现) 。 l i n u x 下网桥设备端的设计与实现( 包括虚拟多个设备，与z i g b e e 网络 的互通等) 。 控制点的设计与实现( 包括l i n u x 下控制点应用程序和w i n d o w s 下展示 页面的实现) 。 ( 5 ) 通过实验对整个解决方案进行了系统验证( 包括l i n u x 和w i n d 0 w s 两种平 台下与嵌入式网桥、z i g b e e 网络的互通) 。 顾i 研究生学位论文 培十u p i i p 标准和z i g b 网络的混合型智能家庭州络 第二章z i g b e e 技术和u p n p 标准 2 1 z i g b e e 技术 2 1 1 简介 z i g b e e 技术，是z i g b e e 联盟针对人们在家庭自动化、办公自动化、医疗护 理、工业控制等方面应用的需要，提出的近距离、低功耗、低成本、低速率的无 线网络解决方案。和z i g b e e 技术有关的规范有两个：i e e e 8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 规范。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是山i e e e 8 0 2 1 5 4 委员会制定，它定义了用于低速无 线个域网( l r w r a n ) 的物理层和m a c 层。z i g b e e 规范足山z i g b e e 联盟制定的， 它在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的基础之上，构建了网络层、安全层和应用层。 z i g b e e 技术的卡要有如下技术特点： ( 1 ) 数据传输速率低：只有l o k 字节秒到2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用。 ( 2 ) 功耗低：通常在低耗电待机模式下，使用普通干电池可工作数个月，免去 了充电或者频繁更换电池的麻烦，这也是z i g b e e 的支持者所一直引以为豪 的独特优势。 ( 3 ) 成本低：z i g b e e 模块硬件结构不复杂，协议简单，大大降低了成本，且 z i g b e e 协议免收专利费。 ( 4 )网络容量大：z i g b e e 设备在网络中拥有一个1 6 位的网络地址，每个z i g b e e 网络最多可支持6 5 5 3 5 个设备。 ( 5 ) 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 ( 6 ) 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时町以灵活确定其安令属性。 ( 7 ) 有效范围小：有效覆盖范围l o 到7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小 和各种不删的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 ( 8 ) 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z ，8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m l z ( 关 国) ，均为免执照频段。 2 1 2z i g b e e 设备与z i g b e e 网络 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种物理设各类型：全功能设备f f d ( f u l lf u n c t i o n a l d e v i c e ) 和精简功能设备r f d ( r e d u c e df u n c t i o n a ld e v i c e ) 。其中f f d 实现了 全部功能，而r f d 只是实现了部分功能。f f d 设备之间可以直接进行通信，r f d 设备只能和f f d 设备进行通信，不能和其它r f d 设备进行通信。 z i g b e e 规范根据设备所处的角色定义了三种逻辑设备类型：z i g b e e 协调器 ( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 、z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e r ) 和z i g b e e 终端设备 ( z i g b e ee n dd e v i c e ) 。z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器必须是f f d ，z i g b e e 终 端设备可能是f f d ，也可能是r f d 。z i g b e e 协调器负责建立和维护网络，在每个 坝i 研究生学位论义 接十u p n p 杯准和z i g b e e 州络的混合型智能家庭刚络 网络中有且只有一个；z i g b e e 路由器是中继节点，可以选路并转发数据；z i g b e e 终端设备功能比较单一，往往只是发送和接收简单信息。 每个z i g b e e 网络都有一个标识符，用来和其它z i g b e e 网络进行区分，该标 识符是由z i g b e e 协调器在建立网络时确定的。当设备加入网络时会分配一个1 6 位的网络地址，以后该设备就用这个网络地址和其它设备进行通信。z i g b e e 网 络中最多可以拥有6 5 5 3 5 个设备。 z i g b e e 网络支持星形( s t a r ) 、树形( t r e e ) 和网状( m e s h ) 拓扑结构。 ( 1 ) 星形网络是一个单跳网络，包括一个z i g b e e 协调器和多个z i g b e e 终端设 备，所有的z i g b e e 终端设备都只和z i g b e e 协调器进行通信。如果某个 z i g b e e 终端设备要和另外一个z i g b e e 终端设备进行通信，那么它需要将 数据先发送到z i g b e e 协调器，然后再由该z i g b e e 协调器将数据发送到目 的z i g b e e 终端设备。 酗2 一lz i g b e e 星形网络” ( 2 ) 树形网络足一个多跳网络，除了z i g b e e 协调器和z i g b e e 终端设备之外， 还包括z i g b e e 路器。此时z j g b e 。终端设备不仪u f 以关联z i g b c e 协调 器加入嘲络，还可以关联z i g b e e 路由器加入网络，因而z i g b c e 路由器扩 大了网络的覆盖范凼。在树形嘲络中所有数据必须按照加入网络时所彤成 的树形结构进行路出选择。 图2 2z i g b e e 树形网络 ( 3 ) 网状网络也是一个多跳网络，它和树形网络的区别在于z i g b e e 路由器之 间或者z i g b e e 路由器与z i g b e e 协调器之间可以直接建立通信关系( 这两 个设备需要在对方的覆盖范围内) ，而没必要按照加入时形成的树形结构 进行选路，因此可以有效地降低通信时延，同时增强网络的可靠性，不过 也增加了网络的复杂度，并对这些设备提出了更高的存储和计算能力的要 求。 硕i 研究生学位论文 幕十u p n p 标准和z i g b c c 啊络的混合型智能家庭叫络 2 1 3z i g b e e 协议栈 幽2 3z i g b e e 网状网络 a 卵h c a n ( a p l ) b y d ，矗f 三五调 、j 弛t n 悖 c n 乙斟啦 、一 一! 、鎏翟楚塑j 曼曼! ! 黛安。3 图2 4z i g b e e 协议栈 如图2 4 所示，z i g b e e 协议栈符合0 s i 体系结构，共分4 层。每层功能通过 两个实体实现：数据实体和管理实体，其中数据实体实现数据传输功能( 例如： n w km e s s a g eb r o k e r ) ，管理实体提供其它功能( 例如：r e f l e c t o rm a n a g e m e n t ) ， 并通过s a p ( 服务访问点) 为上层提供服务，每个s a p 都支持一些原语。 在这四层中，下面两层，物理层p h y 和媒介访问控制层m a c 是由i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义的。z i g b e e 规范在此基础之上构建了网络层n w k 、应用层a p l 以及安全 坝l 刈f 究生学位论文堆十u p n p 标准和z i g b c em 络的混合型智能家庭叫络 服务s s p 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了三个物理频段：8 6 8 姗z ，9 1 5 m h z ，2 4 g h z 。其中只 有2 4 g h z 频段是全球通用的。 m a c 层通过c s m a c a 机制控制对无线信道的多路访问。这一层的主要任务是 进行信标传输、同步以及提供可靠的点对点通信。 n w k 层提供建立、加入和离开网络，进行选路转发数据的功能。此外，还要 负责路由表和邻接表的维护。 a p l 层包括a p s 子层，应用框架( a f ) ，z d 0 以及应用对象。a p s 子层负责维 护绑定表并且在绑定设备之间转发数据。z d o 负责初始化协议栈并且响应来自应 用对象的各种请求。 2 1 4z i g b e e 设备工作方式 z i g b e e 协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数，供后面使 用。在加电之后，z i g b e e 协凋器前先应当十l 描信道，选择合适的信道和网络标 识建立网络，然后允诈其它设备加入网络，伞此z i g b e e 协调器的初始化一i ：作结 束。进入i f 常操作状念之后，z i g b e e 协调器需要锊理州络中的设备，包括处理 它们的加入和离厅；z i g b e e 协调器：磊要处理束e 其它设备的绑定请求，为f i 同 设备之问的数掘转发建妒相天绑宅信息；它还需要能够处理各种设备和服务查询 请求；当然，它还需要能够发送和接收数据。 z g b e e 路【 | 器在加电之后，应加入或存重新加入网络。如果是加入新网络， 它需要 rj 描信道，选择合适的网络加入：如果是匝新加入网络，它需要手】描信道 查找父设备。在加入网络之后，它需要配置路由器相关的属性。在进入j 下常操作 状念之后，z i g b e e 路由器和z 堙b e e 协调工作方式类似。 z i g b e e 终端设备在加电之后首先也应当加入或者重加入网络。在进入正常操 作状态之后，z i g b e e 终端设备往往只是简单的发送和接收数据，它们并不处理 网络管理等功能，大多数时i h j 都处于休眠状态。 2 2u p n p 标准 2 2 1u p n p 简允 u p n p 是针对智能家电、无线设备以及各种外观尺寸的个人电脑的普遍对等 ( p e e r t o p e e r ) 网络连接而设计的一种架构。它旨在为家庭、小型企业、公共 场所中连接到互联网的a d h o c 网或未管理网络提供易于使用、灵活且基于标准 的连接。u p n p 是一个充分利用t c p i p 和w e b 技术的分布式开放犁网络体系结构， 除能够在家中、办公室和公共场所联网设备之间的完整控制和数据传输之外，还 可建立无缝紧密的连接网络”1 。 u p n p 不仅仅只是即插即用外设模式的简单扩展。它支持零配置、“不可见” 联网，以及对众多厂商的广泛设备类型的自动发现。这就意味着，一台设备能够 硕i ：研究生学位论文 基十u p n p 标准和z j g b c c 嘲络的混合型智能家庭纠络 动态加入一个网络，获取一个i p 地址，通报其功能，以及了解其它设备的存在 和功能。阴c p ( 动态主机配置协议) 和d n s 服务器可作为动态分配i p 和域名解 释的可选服务器。最后，设备能够顺利地自动离线，而不会造成任何不期望的影 响。 u p n p 充分利用了包括i p 、t c p 、u d p 、h t t p 和x 札在内的互联网组件。其协 议内容以x m l 来表达，并通过h t t p 进行传输。i p 协议，凭借其已经被验证的能 力：跨越不同的物理媒体、支持实际的多厂商互操作，以及实现与互联网、大量 家庭和办公室内联网的协作融合等等，而成为u p n p 的一个有力选择。此外，当 成本、技术或传统因素等阻碍了与u p n p 连接的设备运行i p 协议时，u p n p 还可 通过桥接方式支持运行非i p 协议的设备。 u p n p 有着非常高的“通用性”。它不使用设备驱动程序，取而代之的是通用 协议。u p n p 网络不依赖于任意媒体。u p n p 设备可以在任何操作系统上采用任何 编程语言来实现。u p n p 并未针对运行于控制点上的应用而指明或限制a p i 的设 计：操作系统厂商可以创建满足其客户需求的a p i 。u p n p 通过使用浏览器和传统 应用程序控制来使，商能够控制设备的用户界面( u i ) 并实现交互。 2 2 2u p n p 协议 u p n p 论坛定义了控制点以及设备之问的通信协议。u p n p 针对发现、描述、 控制、事件触发和展示采用了以下协议栈： 二二二亘二二 二二三 图2 5u p n p 协议栈”1 在最高一层，消息在逻辑上仅仅包含关于厂商设备的u p n p 厂商特定信息。往 下一层的j 商内锌由u p n p 论坛： 作委员会定义的信息提供。来自以上各层的消息 存储住u p n p 特定协议中，通过采用简单服务发现协议s s d p ( s i m d l es e r v i c e d i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 、通用事件通知架构g e n a ( g e n e r a le v e n tn o t i f i c a t i o n a r c h i t e c t u r e ) 和简单对象访问协议s o a p ( s i m p l e0 b j e c ta c c e s sp r o t o c 0 1 ) 来进 行格式化。然后消息通过运行于u d p 上的多播或单播类h t t p ，或是运行于t c p 上的 标准h t t p 进行传输。最终，以上所有消息均通过i p 进行传输。 顾i ：研究生学位论文 肇十u p n p 标准和z i g b e c 嘲络的混合型智能家庭州络 2 2 2 1 寻址 u p n p 设备能f 常工作的前提就是设备寻址。每一个u p n p 设备都可以具有d h c p 客户端，如果网络上存在d h c p 服务器，那么设备就使用分配给它的地址，如果网 络上不存在d h c p 服务器；这时设备可使用a u t o i p 完成i p 地址的设置，设备在 1 6 9 2 5 4 1 6 9 1 6 范围中查找空闲的地址，在选中一个地址之后，设备使用a r p ( 地 址解析协议) 测试此地址是否在使用。 通过a u t o i p 获得i p 的设备必须周期性发送d h c p - d i s c 0 v e r 消息，以检测d h c p 服务器是否存在，如果接收到d h c p o f f e r s 响应消息，一旦d h c p 分配地址i f 常， 设备可以释放a u t o i p 分配的地址，但是也可以维持一段时| 日j 以保持网络连接后 释放。在从一个i p 地址转化到另一个时，设备必须取消先前所有的宣告消息并重 新发送新的宣告消息。 对于终端用户来说，使用一个便于记忆的名字要比使用t p 更容易。用户只需 要记住名称即可，而不要关心设备i p 的变化，名称到l p 的映射可以人工或者自动 地加入到d n s 数据库中。 2 2 2 2 发现 在获取了一个i p 地址之后，发现是u p n p 网络【 i 的第1 步。当设备破添加到网 络后，u p n p 发现协议允许咳设备多播大苗的发现消息来向网络中的控制点宣告其 服务。同样，当一个控制点破添加剑网络后，u p n i ) 发现协议允许咳控制点监听标 准的多播地址，以获取宣布新能力町用的通知，同时，它町多播磅；发现消息来 搜索感兴趣的设备、服务。畴种情况下的基本交换信息均为一条发现消息，其中 包含关于该设备或其服务之一的少量基础性的细节信息( 例如其类璎、标识符和 指向更详细信息的一个指针) 。所有设备均必须监听这个标准多播地址，在其任 何嵌入式设备或服务与发现消息中的搜索标准相符合时做出响应。控制点发现感 兴趣的设备，可能是由于该设备发送了宣告自己的发现消息，或由于该设备对一 条搜索设备的发现消息做出了响应。 当设备离线后，它应当多播大量的发现消息来撤消其早期宣告，有效地宣布 其嵌入式设备和服务将不再可用。 为了限制 c j 9 络拥塞，每个i p 数据包针对每条多播消息的有效期限( t t l ) 必 须默认为4 ，且应可以配置。 ( 1 ) 宣告 当设备添加到网络后，u p n p 发现协议允许该设备宣告其服务给控制点。这一 点通过将发现消息多播到标准地址和端口( 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 0 ：1 9 0 0 ) 而得以实 现。控制点监听此端口来探测新功能何时在网上可用。一个设备内部可能还包含 若干个设备，则该设备本身被称为“根设备”，其中包含的设备被称为“嵌入式 设备”。为了宣告其全部能力范围，一个设备应对其根设备和每个嵌入式设备及 其服务多播一系列的发现消息。消息应包括直到宣告过期的持续时间，如果设备 仍然可用，则应将宣告一并重新发送( 带有新的持续时日j ) 。如果设备不再可用， 则设备应当明确撤消其宣告，然而如果设备本身不能撤消，则宣告将自动过期。 顾卜研究生学位论文 基十u p n p 标准和z i g b 时络的混合型智能家庭州络 设备对控制点的宣告，使用了简单服务发现协议s s d p 和通用事件通知架构 g e n a ，通过运行于u d p 上的多播类h t t p 发送消息。 设备可用宣告消息格式定义如下： n o t l f y + h 丌p 门1 h o s t ：2 2 5 5 2 5 5 2 5 0 ：1 9 0 0 c a c h e c o n t r ol m a a g e = s e c d n d s 册f ，a d 增r 如e m e mo 加e s l o c a t l 0 n ：u r lf o ru p n pd e s c n d t i o nf o rr o o td e v i n t ：s e a ，c 咖招，口e f n t s ：s s d d ：a i v e s e r v e r ：d s 尼玎o nu p n p 门op r d d l ，c 溉r s ，d r ， u s n ：a d v e n i s e m e mu u | o 设备不可用宣告消息格式“1 定义如下： n o t i f y + h t t p 门1 h o s t ：2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 0 ：1 9 0 0 n t ：s e a r c ，招r 口e f n t s ：s s d p ：b v e b v e u s a d v e r t i s e m e mu u | d 各h t t p 头的含义如下： h o s t 由互联网编号分配组织( i a n a ) 为s s d p 保留的多播信道和端口。 必须是2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 0 ：1 9 0 0 。 c a c h e c o n t r o l m a x a g e ，指代宣告有效存活时间，如果超过此时问自j 隔，控 制点可以认为设备( 或服务) 不再可用，应大于1 8 0 0 秒( 3 0 分钟) ，山u p n p j 商指定。 l ( ) c a t l 0 n 包含根设备u p n p 描述的u r i 。地址，山u p n p 厂商指定。 n t 通知类璎，按照( 1 1 n 姚定填写( 参照f 衷) 。 n t s 通知一f 类型，必须是s s d p ：a l i v e ( 表示设备可用) ，或者 s s d p ：b y e h y e ( 表示设备不町用) 。 s e r v e r 操作系统名称、操作系统版本、u p n p 1 0 、产品名称以及产品 版本等信息，山u p n p 厂商决定。 u s n 唯服务名称( 参照下表) 。 发送宣告消息时，对于根设备，需要发送三条发现消息： 序号 n tu s n l 根设备的u u f d根设备的u u i d 2 设备类型：设备版本 根设备的u u i d ：设备类型：设备版本 3u p n p ：r o o t d e v