（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的智能家居控制系统研究.pdf

摘要 随着经济的发展，特别是近年来计算机技术、网络通信技术、自动化控制技 术和传感器技术的突飞猛进，彻底改变了人们的生产和生活方式。人们对家居生 活方式有了新的理念，在舒适性、便利性和安全性方面有了更高的要求。智能家 居的蓬勃发展也由此拉开了序幕。它利用网络通信、嵌入式等技术使家庭设备网 络化、自动化，同时能够与外部网络进行通信。智能家居的诞生提高了人们生活 的舒适性、便利性和安全性。 本文分析了现有智能家居控制系统的发展现状，研究了多种网络通信技术的 特点，提出了一种可行的智能家居控制系统方案。并以l e d 灯控制为例做了详 细设计。本文主要内容及创新如下： 1 )本文在充分研究智能家居系统内部通信结构以的基础上，对现有无线网 络技术进行分析比较，决定采用z i g b e e 技术作为智能家居系统内部网络的通信 协议，并对z i g b e e 协议栈整体架构及各层功能作了应用研究，为下面的设计打 下理论基础。 2 )采用最新的z i g b e e 片上系统c c 2 5 3 0 为核心处理器，完成了协调器和 z i g b e e 传感器节点的硬件设计。除了核心处理模块外还包括电源、传感器、l e d 灯、按键、l c d 显示、串口等功能模块，整个通信平台具有较大的灵活性和扩 展性。 3 )设计完成了由a r m 嵌入式网关、z i g b e e 协调器、z i g b e e 传感器节点构 成的智能家居控制系统，经由相关实验表明：该系统架构合理，工作稳定、可靠。 4 )提出了一种新的传感器节点布置策略。把智能家居照明系统与控制系统 有机结合在一起，不仅去除了传统传感器网络能量受限的弊端，而且降低了整个 系统的成本、提高了控制网络的稳定性。 关键词。z i g b e e ，智能家居，嵌入式技术，c c 2 5 3 0 ，网状网络 a b s t r a c t a c c o r d i n gt or a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n de c o n o m i c ，p e o p l ep u r s u e h i g h e rq u a l i t yo fl i f ea n dl i v i n ge n v i r o n m e n t n o to n l yp e o p l eh a v em o r er e q u i r e m e n t o fl i v i n gs p a c ea n df a m i l ye q u i p m e n t s ，b u ta l s ot h e yw i s hh o m el i f eb e c o m e m o r e i n t e l l i g e n t , s e c u r ea n dc o n v e n i e n t s m a r th o m ea r i s e sa tt h a tm o m e n ti nt h i s b a c k g r o u n d i tm a k e sf a m i l ye q u i p m e n t sn e t w o r k i n g ，c o n t r o l l i n gf a m i l yi n t e r n a l n e t w o r k 、 r i t l lc o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e dt e c h n o l o g y a n di tc a nc o m m u n i c a t e 、 ，i t i le x t e r n a ln e t w o r ka tt h es a m et i r n c t h eb i r t ho fs m a r th o m ei m p r o v e sc o m f o r t , s a f e t ya n dc o n v e n i e n c eo fp e o p l e s l i f e t i l i sa r t i c l et a k e st h es m a r th o m ea st h er e s e a r c ho b j e c ta n dc o m b i n e sf u n c t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i co fs m a r th o m e l a u n c ht h er e s e a r c ho ne m b e d d e dp l a t f o m lo f a r m ，z i g b e ep r o t o c o l ，n e t w o r kt o p o l o g y ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fg a t e w a y a n ds e n s o rn o d e sa n ds oo n m a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o no ft h i sp a p e ra r ei l l u s t r a t e d a sf o l l o w s ： 1 ) a c c o r d i n g t ot h ef e a t u r eo fs m a r th o m e sc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z i n ga n d c o m p a r ec u r r e n tw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l et a k e sz i g b e et e c h n o l o g ya s i n t e r n a ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm e a ni ns m a r th o m ec o n t r o ls y s t e m r e s e a r c h i n gt h e z i g b e ep r o t o c o la r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o no fe a c hp r o t o c o ll a y e rt ol a ya t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h ef o l l o w i n g 2 ) b a s e do nt h em o d u l a rd e s i g ni d e a s ，u s i n gc c 2 5 3 0a st h ec o r ep r o c e s s o r d e s i g ns m a r th o m es y s t e mc o r em o d u l e a n do nt h i sb a s i s ，a d dp o w e r ，s e n s o r s ，l e d l i g h t s ，b u t t o n s ，l c dd i s p l a y ，s e r i a la n do t h e rf u n c t i o n a lm o d u l e s ，c o m p l e t e dt h e c o o r d i n a t o ra n dz i g b c es e n s o rn o d eh a r d w a r ed e s i g n n ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r m h a sg r e a t e rf l e x i b i l i t ya n ds e a l a b i l i t y 3 ) d e s i g nt h es m a r th o m ec o n t r o ls y s t e m 诵mt h ea r m e m b e d d e dg a t e w a y ， z i g b e ec o o r d i n a t o ra n dz i g b c es e n s o rn o d e s ，a n dt h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：t h e s y s t e ma r c h i t e c t u r ei sr e a s o n a b l e ，s t a b l ea n dr e l i a b l e 4 )an e ws e n s o rn o d el a y o u ts t r a t e g yi sp r o p o s e d ，a f t e ra n a l y z i n gt h er e a s o n s o fh i g hp r i c ea n dp o o rs t a b i l i t yo fe x i s t i n gs m a r th o m ec o n t r o ls y s t e m c o m b i n i n gt h e s m a r th o m e l i g h t i n gs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mt o g e t h e rn o to n l yr e m o v e st h el i m i to f e n e r g yo fc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s or e d u c e st h ep r i c eo f t h ew h o l es y s t e ma n di m p r o v e s t h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ln e t w o r k k e yw o r d s ：z i g b e e ：s m a r th o m e ；e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；c c 2 5 3 0 ；m e s h n e t w o r k 1 1 1 - 主要符号表 伊a nl e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k f c c f h f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e f r e q u e n c yh o p p i n g u w bu l t r aw i d eb a n d a p s p p d u p l m 哐 n l d e r f d f f d a p i o s a l v i - a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r p h yp r o t o c o ld a t au n i t p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y n w k l a y e rd a t ae n t i t y r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e f u l lf u n c t i o nd e v i c e a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e o p e r a t i n gs y s t e ma b s t r a c ts y s t e m 无线个域网络 美国联邦通信委员会 跳频 超宽带 应用支持子层 物理层协议数据包 物理层管理实体 网络层数据实体 精简功能设备 全功能设备 应用程序编程接口 操作系统抽象层 上海师范人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着经济的发展和科学技术的突飞猛进，彻底改变了人们的生产和生活方 式。住宅内的电气设备越来越多，包括电饭煲、电磁炉、微波炉、电冰箱、洗衣 机、吸尘器、电热水器、空调、无绳电话、电脑、音响、游戏机等等。所有这些 电器为日常生活中的照明、烹饪、取暖、清洁、洗浴、娱乐等各方面带来了更多 的便利、舒适。但是如何有效地管理这些设备，使得它们工作更加安全、高效， 同时兼顾节能、环保成了人们重新思考的问题。在此背景下，智能家居应运而生， 也由此拉开了智能家居蓬勃发展的序幕【i 】。 智能家居是指利用网络通信、嵌入式、传感器等技术使家庭设备网络化、自 动化，同时能够与外部网络进行通信【2 川。智能家居系统实现了住宅设施的统一 管理，使人们的生活更加安全、舒适、便捷【4 弓l 。 1 2 智能家居的发展与现状 智能家居的发展起源于2 0 世纪8 0 年代，将电子技术、网络通信技术用于对 各种家电设备的监视、控制和管理，它的商用系统就是如今智能家居的原型1 6 。 第一幢拥有智能家居系统的建筑诞生于美国，它利用计算机技术、综合布线技术 将整幢楼的照明、空调、电梯等设备进行统一的监控和管理。不久之后，北美、 欧洲、澳洲以及东南亚等地区的发达国家也相距提出了自己的智能家居方案i 丌。 经过近3 0 年的发展，国外的智能家居系统相对比较成熟，也有了自己稳定 的客户群。占领市场份额较大的有霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 、c o n t r o l 4 、快思聪 ( c r e s t r o n ) 等知名公司，都成功地推出过自己的智能家居系统案例1 7 】。霍尼 韦尔的智能家居产品比较齐全，它以智能家居中央控制系统为核心，结合智能灯 光系统、空调与地暖控制系统、安全防盗报警系统等为用户提供一个安全、舒适、 便捷的家居环境【8 】。霍尼韦尔采用多种组网方式相结合的方式，取长补短，大大 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 提高了智能家居系统的灵活性与稳定性。在2 0 1 0 年的拉斯维加斯国际消费电子 展会上，c o n 订0 1 4 公布了针对黑莓和a n d r o i d 的新的导航系统。c o n 仃0 1 4 一直比 较注重移动平台的应用开发，源源不断地为市场提供易于操作的应用程序。 九十年代后期智能家居的概念开始在国内出现，并逐渐被人们所接受。经过 十多年的发展，出现了一大批从事智能家居的企业。从整体上看整个国内智能家 居行业结构比较复杂，有从安防类、传统家电类和网络通信类发展而来的主流厂 家，也有专业从事智能家居的后起之秀【4 l 。如英诺维科技设备有限的感应式 ( 删l i d ) 智能门锁，它采用无线r f 感应技术，并根据需要设置多级权限， 实现酒店、办公大楼等安全出入的统一管理；天敏科技公司的d v r 4 0 0 0 h s 四路 嵌入式硬盘录像机，采用了嵌入式处理器和嵌入式操作系统，结合视音频压缩 解压缩、大容量硬盘记录、t c p i p 网络等技术，即可以单独工作，也可以与外 网连接组成一个覆盖面更大的监控网络，非常适合金融、司法、家居、医疗等领 域的安全防范；天津朗瑞智能家居系统采用x 1 0 电力载波通信技术，安装简单， 操作方便，采用中央控制系统将家居的照明系统、空调地热系统、安防系统等结 合在一起提供一个更加舒适、安全、便捷和节能家居环境。 总的说来，目前智能家居处于蓬勃发展期，多样化的产品满足了人们的大部 分需求，提高了人们的生活品质，但是还存在一些不足，罗列如下： 1 ) 缺乏统一的标准。因为现在国内外关于智能家居内部网络通信没有形成 统一的标准，这导致了各个商家产品之间很大的兼容性问题，减少了用户的 选择余地，也给以后的升级换代留下了隐患【9 l 。 2 ) 价格昂贵。前期的开发必须注入大量的资金，而且各种通信协议和软件 的实现必须有相应的硬件来支持，以及系统的安装维护等等使智能家居系统 的产品居高不下，很多时候成了普通大众眼中的奢侈品。 3 ) 操作复杂。智能家居是以住宅为平台的系统，其复杂程度远远超过了现 在家庭中的单件设备。要对整个系统进行有效地日常操作、维护和必要的设 置和修改，如果没有人性化的操作界面和专业知识，多数用户会觉得无从下 手。 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 课题的目的及意义 现在大部分智能家居控制系统采用的是有线连接，包括串口线、以太网、同 轴电缆等【l o 】。有线连接方式的优点是技术比较成熟，传输可靠，速度快，但需 要在室内( 外) 进行大量的布线工作，不仅扩展性差、成本较高，而且还影响美 观。所以在无线技术迅猛发展的今天，将无线通信技术应用于智能家居控制领域 必然成为今后的发展趋势【1 1j 。 与其他短距离无线技术相比，基于z i g b e e 技术的无线传感器网络以其低速 率、低成本、低功耗、大节点容量等特点成为了组建智能家居控制网络的首选方 案【1 2 1 。与现有方案相比，采用无线传感器网络技术的最大特点是解除了数据线 对传感器节点的束缚，极大地提高了网络的扩展性和传感器节点布置的灵活性， 也方便了日后的维护和升级，同时降低了成本。传感器节点可以根据功能、环境 以及z i g b e e 技术自身的特点选择最佳的布置位子，保证覆盖率的情况下，最优 化传感器网络的拓扑结构和性能。 在智能家居控制网络方面，虽然出现了很多可用的通信标准，但因为各个地 区发展不平衡、知识产权等，业界还没有达成统一。采用无线通信技术作为智能 家居控制系统仍然比较少，而且其中多数又存在高成本、高能耗、网络覆盖范围 小、稳定性差等问题。本课题针对现有智能家居控制系统的现状，提出一种以 z i g b e e 技术为底层通信标准，结合嵌入式、传感器等技术优势的新设计方案和 节点布置策略，目的在于降低整个系统的成本、提高控制网络的稳定性。 1 4 本文研究的主要内容 本文针对当前智能家居控制系统的不足，发挥当前发展迅速的短距离无线技 术标准的优势，提出一种以z i g b e e 无线技术为网络通信协议，智能家居控制系 统与照明系统相结合的设计方案，并在n s 2 平台作了部分仿真。考虑到家居环 境空间结构的复杂性和传感器节点分布的随机性，决定采用m e s h 网状网络以提 高网络的稳定性。为了节能与环保，在节点设备的软硬件设计时都采用了低功耗 设计；为了操作的便利性，本文在a r m 多功能网关中移植了嵌入式l i n u x 操作 系统。最后在此基础上用实验验证了此方案的可行性。本文主要内容安排如下： 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章，简单论述了本课题研究背景、目的及意义，分析了现在国内外智能 家居控制系统的现状，最后交代了本文的主要内容和结构安排。 第二章，比较了多种热点无线技术，结合家居环境的特点、智能家居控制网 络的发展趋势选择z i g b e e 无线技术作为智能家居的底层通信标准。此外重点研 究了z i g b e e 协议栈各层应用，为下文进一步设计做了铺垫。 第三章，完成了智能家居控制系统的整体设计。其中包括最新片上系统 c c 2 5 3 0 的节点软硬件设计和a r m 多功能网关的软件设计。此外还提出了一种 新的网络控制网络节点布置策略，降低了整个智能家居控制系统的成本，提高了 系统的稳定性，并在n s 2 网络平台上做了仿真和验证。 第四章，主要介绍了z i g b e e 传感器节点间通信有关的两个实验，结果表明 本文提出的新的设计方案和节点布置策略具有较高的可行性，为真正实现智能家 居系统提供了必要的参考。 第五章，对本文做了总结。归纳了全文的主要内容，并指出了其中的不足， 并指出了以后进行进一步研究工作的努力方向。 上海师范人学硕士学位论文 第二章z i g b e e 协议及网络 第二章z i g b e e 协议及网络 2 1 组网方案选择 现在的智能家居产品多数采用有线的形式组成其控制网络，与之相对应的 技术有：如x 10 ，r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 ，c a n b u s ，c e b u s ，l o n w o r k s 和t c p i p 等。有 线连接最大的有点是可靠，但也有着明显的缺点：布线复杂，系统安装、维护成 本较高；系统扩展性差，设备的移动、增加和减少都需要重新布线。而无线技术 的兴起给了智能家居控制网络更多的选择。 2 1 1 热门w p a n 简介 1 ) 蓝牙 蓝牙( b l u e t o o t h ) 起源于2 0 世纪9 0 年代爱立信公司对一种新的低功耗、低 成本的空中接口研究，目前最流行的是2 0 0 4 年推出的b l u e t o o t h2 0 + e d r 标准， 速度为1 8 - - - 2 1m b i t s 。它是一种短距离无线通信技术的全球性开放式技术规范， 支持语言传输。工作频段为2 4g h z ( i s m 开放频段) ，整个带宽被分为7 9 个物 理信道，每个信道的带宽为lm h z ，并采用g f s k 调制。出于阻碍同频干扰和 多路效应以及在不同的微微网中提供多种接入形式，蓝牙还采用了跳频 ( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) 技术【1 3 1 。 蓝牙普遍应用于各种耳机、键盘和移动设备1 1 4 l 。它具有很高的安全性，芯 片的价格也相对比较便宜，但由于采用了跳频技术，电池寿命没有z i g b e e 设备 长。一般来说，蓝牙设备的电池寿命为几天，而z i g b e e 设备则为几个月甚至几 年。此外，蓝牙最多支持7 个节点设备，而z i g b e e 理论上能支持6 5 0 0 0 个。 2 ) w i - f i w i - f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线保真) ，是“无线以太网相容联盟 ( w i r e l e s s e t h e m e tc o m p a t i b i l i t ya l l i a n c e ，w e c a ) 发布的业界术语【15 1 。它一开始指的是 8 0 2 1 l b ，现已经成了i e e e8 0 2 1 1 无线网络标准的代名词。w i f i 工作在2 4g h z 频段，采用d s s s ( d i r e c t - s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 直序扩频) 。其标准传输速 上海师范大学硕士学位论文第二章z i g b e e 协议及网络 率为l lm b s ，当信号质量不能支持这个速度时，可动态地调整为5 5m b s ，如果 还不能维持当前的传输速率，可再次降低至2m b s ，甚至lm b p s 以下。传输速率 的自动调整，使得在信号较弱或者有干扰的情况下提高了网络的稳定性和可靠 性。 w i f i 也开始应用于传感器网络和控制领域。它是一种通用、易懂的无线局 域网接入技术，之前主要致力于个人p c 机和笔记本。其成本也比z i g b e e 设备 高了很多，它需要更大的c p u 来运行整个协议栈。w i f i 也能和z i g b e e 一样组 成网状网络【1 6 】，但是还没有可用于交互的标准。由于其高传输速率和复杂度， w i f i 不太适合于采用电池供电，它能在几小时内耗尽电池的能源储备，而z i g b e e 设备能用数月甚至几年，但并不是所有的控制网络都要求使用电池供电。 3 ) 超宽带技术( u w b ) u w b 采用冲激无线电( i i m p u l s er a d i o ) 也称作脉冲无线电( p u l s er a d i o ) 它是以占空比很低的窄脉冲而不是以正弦波作为信息载体的无线电技术，工 作频段为3 g h z l l 7 1 。u w b 无线通信具有隐蔽性强、高处理增益、多径分辨能力、 高传输速率、空间容量大、穿透能力强等特点。纳秒级的窄脉冲，使得超宽带技 术用于定位时可达厘米级的定位精度，很容易将测距、定位和通信合一，而常规 无线通信很难做到这一点。 u w b 适用于室内外的短距离无线高速传输，速度可达1g b p s ，如无线局域 网、高速无线l a n 、无绳电话、短距离雷达等领域。由于其实现的复杂度，在 成本方面相对来说比z i g b e e 设备高，但传输速度比z i g b e e 设备高了很多。如果 都应用于智能家居领域，u w b 更适合于多媒体、定位跟踪等，从而在某种程度 形成互补，不会发生较大的冲突【1 引。 4 ) z i g b e e 技术 z i g b e e 是一个标准，它为低数据速率、窄带无线网络定义了一系列通信协 议【1 9 1 。基于z i g b e e 的无线设备工作在2 4g h z 频段，最大的通信速率是2 5 0k b p s 。 z i g b e e 主要面向那些低传输速率、低成本、低功耗的用电池供电的应用。在很 多的z i g b e e 应用中，无线设备处于任何一种活跃状态的总时间是非常有限的： 设备在多数时间处于省电模式，或者称之为睡眠模式。因此，采用z i g b e e 方案 的无线设备能够运行几个月甚至数年而不用换电池。 除了以上介绍的几种无线通信技术外，还有红外线、r f i d 等，就不一一介 上海师范大学硕士学位论文 第二章z i g b c e 协议及网络 绍了。每一种无线通信技术都有其自己的频段和调制编码技术，无线网络工程师 可根据不同的应用场合的需要选择恰当的无线通信技术。表2 - 1 是对上述几种无 线通信技术在频段、调制技术和最大数据传输速率等多个技术方面的比较。 表2 1 几种无线通信技术的比较 z i g b e e 蓝牙 w i f i u 、v b 频段 2 4g h z2 4g h z2 4g h z 3 1 1 0g h z 调制技术 b p s k 、o o p s kg f s k q p s k ( c c k ) 最大数据传输 2 5 0k b p s 1 3m b p s 1 1 1m b p s 1g b p s 速率 安全性高高高高 可靠性高 高一般高 功耗低中等高低 复杂度简单复杂非常复杂复杂 网络节点数 6 5 0 0 0 85 01 0 有效通信距离 1 0 枸0m2 1 0m3 0 恂oml om 通过上表可以看出，z i g b e e 无线通信技术跟蓝牙、w i f i 一样工作在i s m 免 费频段：算法复杂度较低，意味着容易实现，代码所占的空间小，这在一定程度 上降低了专用芯片的成本和自身的功耗；较高的可靠性和安全性保证了z i g b e e 无线通信的质量以及通信的保密性：1 0 0 米左右的有效通信距离保证了视距范围 内的正常通信；与其他无线技术相比z i g b e e 的最大特点是网络容量大，理论上 可达6 5 0 0 0 个：较低的数据传输率，但面对于一天开关1 0 次左右的电器设备来 说已经足以。所有这些特性使得z i g b e e 技术非常适合于智能家居、楼宇自动化、 医疗看护等领域。 2 1 2 家居环境的特点 随着建筑材料、家电品种的不断增多以及建筑装潢技术的不断提高，使得如 今的家居环境发生了巨大的变化。除了满足人们日常的起居生活外，家居环境变 得越来越美观、舒适和安全。同样对于无线通信环境而言，也发生了巨大的变化， 其特点总结如下1 2 0 】： 上海师范大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 协议及网络 1 ) 建筑格局复杂。除了支撑墙外，还有起到隔离作用的非实心墙，玻璃墙， 立地橱柜，屏风等形成了一个复杂多变的家居环境。 2 ) 典型的多径环境。室内有着很多反射平面，如光滑的玻璃门窗、桌面、 地板等。 3 ) 噪声多。可能存在多种无线电信号，如w i f i 、蓝牙、红外线、无绳电话 甚至微波炉。 4 ) 电器设备、传感器多。现代化的住宅少不了各种家电和设备，而且其中 的一部分已经具备了一定的“智能”，因为它有自己感知器官传感器和 计算判断能力微处理器或者逻辑器件。所有这些带“智能”的和不带“智 能 的器件都有可能成为智能家居系统的控制对象。 5 ) 可变性强。人是家居环境中一个不可忽略的因素，四处走动和其他行为， 包括门窗、电子设备等的开启和关闭都是一种动态的变化。 2 1 3 智能家居控制网络的发展趋势 智能家居控制系统在智能家居系统中处于核心低位。通过智能家居控制网 络，各种受控对象才能有机地结合在一起，使原来零散的各自独立工作的家电设 备组成了一个整体，为智能家居系统的统一管理奠定了基础。结合现代家居环境 的特点和现有智能家居控制网络的不足，下一代的智能家居控制网络必须具有以 下特征t 2 1 】： 1 ) 扩展性好 智能家居系统的控制对象的数量具有不确定性。控制系统必须预留足够的地 址，随时准备接入新的受控设备，同时也允许移除已经加入网络的被控设备。 2 ) 容量大 系统内受控设备的数量决定了智能家居控制网络的最小容量。现代化的家居 环境中，所有的家电设备都是潜在的受控设备。此外还有渐渐增多的各种传感器， 少则几十个。多则成百上千个。 3 ) 覆盖范围广 智能家居系统很可能会以小区为单位，对小区内各种设备和子系统进行统一 的管理，比如安防系统、喷灌系统和路灯等。这对智能控制系统的覆盖范围提出 上海师范大学硕：1 ：学位论文 第二章z i g b c c 协议及网络 了更大的要求，覆盖的半径最好有几百米甚至上千米。 4 ) 功耗低 在能源越来越紧缺的今天，节能不仅仅是成本的问题，它也是可持续发展的 重要措施之一。绿色环保是当今发展的主题，“低碳生活 也逐渐为人们所接受， 并慢慢地体现在的消费习惯中。 5 ) 标准化 智能家居系统可以为不同的客户量身定制。最小的智能家居系统包括智能家 居( 中央) 控制系统、照明系统和安防系统。为了方便下一次的功能扩展或者升 级，各商家需要一个统一的接入标准才能避免不同产品之间的兼容性问题。不然 就有废弃前期投资的可能，或者带来拆除旧系统再次安装新系统的麻烦。重复性 的建设必将造成极大的资源浪费，这不符合可持续发展的要求。 6 ) 成本低 成本的高低是产品是否能推广的重要因素之一。智能家居系统的主要用户是 千千万万的普通家庭，目前多数家庭的心里预期在5 1 5 万元之间【6 j 。智能家居 控制系统的成本必须控制在较低的范围内。 7 ) 移动性 智能家居控制网络的移动性要求来自于人的移动性。比如家居环境的重新布 置，导致某些被控设备的位置的变动：而某些终端设备本来就要就可移动的，如 手持遥控器。 通过前面章节的介绍以及分析比较，z i g b e e 技术以其自身的优势，更适应 用于智能家居控制领域。因此，本文选择z i g b e e 技术来设计和组建智能家居控 制网络。 2 2z i gb e e 协议栈构架 本文采用的是z i g b e e p r o 2 0 0 7 协议规范，其协议栈构架如图2 - 1 所示【2 2 】： 上海师范大学硕士学位论文第二章z i g , b e e 协议及网络 图2 - 1z i g , b e e 协议栈架构 协议栈中的每一层都对上层协议一无所知。可以把上层协议看成下层协议的上 司，下层协议在上层协议的命令下展开工作。在下层的基础上，上层可以变得越 来越复杂。 z i g b e e 没有严格地遵行o s i 七层协议模型，但有些是一样的，包括物理层 ( p h y ) 、m a c 层和网络层( n 、胍) 。其他4 7 层( 传输层、会话层、描述层和 应用层) 包括在了z i g b e e 协议栈模型的a p s 层和z d o 层。 在层与层之间都有服务接入点( s a p ) 。s a p 提供了应用程序接口( a p i ) ， 从而使得上下层能独立工作。和i e e e8 0 2 1 5 4 规范一样，z i g b e e 协议栈的每一 层都有两个服务接入点，分别用于数据和管理。例如，所有的进出网络层数据都 是通过网络层数据实体服务接入点( n l d e s a p ) 。 2 2 1 物理层p h y 物理层处于z i g b e e 协议栈的最底层，由i e e e8 0 2 1 5 4 规范定义1 。i e e e 上海师范火学硕士学位论文第二章z i g b e e 协议及网络 8 0 2 1 5 4 规范定义了三种物理层基带模式，分别工作在8 6 8m h z 、9 1 5m h z 和 2 4g h z 频段，但z i g b e e 协议栈只采用了2 4g h z 这一频段1 2 4 】一共有1 6 个信 道，编号“l l ”到“2 6 ”。其中心频率由公式( 2 1 ) 计算得出： 正= 2 0 4 5 + 5 ( k l1 ) m h k = 1 1 ，1 2 ，1 3 ，人，2 6( 2 - 1 ) 这不仅是因为工作在2 4g h z 频段提供了更高的速率( 2 4g h z 为2 5 0 k p s ， 8 6 8 m h z 为2 0 k p s ，9 1 5 m h z 为4 0 k p s ) ，而且2 4g h z 频段在全球范围内通用。 物理层提供两种服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层通过某一 物理信道提供物理层协议数据包( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ，p p d u ) 的收发数据 服务；物理层管理实体通过p l m e s a p ( 物理层管理实体服务接入点) 向上层提 供管理服务。物理层管理实体同时也维护物理层个域网络信息库( p h yp a n i n f o r m a t i o nb a s e ，p h y - p i b ) 。物理层的结构模型如图2 2 所示。 图2 - 2 物理层结构模型 物理层的主要功能是实现两个物理无线设备之间的数据收发。z i g b e e 协议 栈采用一问一答的形式来实现物理帧的空间传送。此外还包括对信道能量水平的 检测、空闲信道评估和数据信号质量测量等。 2 2 2m a c 层 m a c 层是媒体控制接入层的简称，顾名思义该层主要功能是管理设备的通 信资源，使之在网络中和一个或者多个设备正常通信。z i g b e e 协议栈的m a c 层 上海师范大学硕士学位论文 第二章z i g b c e 协议及网络 由i e e e8 0 2 1 5 4 定义，提供了信道接入、本地网络建立维护和同步、安全、可 靠通信等功能。 网络中的每个设备都必须有一个地址，在m a c 层m a c 地址是通信设备的 标识。m a c 层规定两种地址，既短地址和扩展地址。短地址是设备加入p a n 网络时，协调器临时分配的一个地址，长度为1 6 个比特。而扩展地址一般是出 厂时就已经固化的长期地址，长度为6 4 个比特。在通信中，如果使用扩展地址 可以唯一区分不同的设备，但相对最大净荷只有1 2 7 字节的物理层帧来说开销比 较大。短地址的引出就是为了节省开销，但引入了地址冲突的可能。目前，i e e e 8 0 2 1 5 4 中m a c 层并没有规定短地址冲突检测和解决的方法，而z i g b e e 协议网 络层中规定了解决此问题的机制。 m a c 层数据需经物理层封装后才能发送出去，接收设备再经过解封装从新 得到m a c 数据。m a c 层帧包括帧头、净荷和帧校验序列( f c s ) ，具体结构如 下表： 表2 - 2 m a c 帧结构 2 ( 字节) l0 20 2 8o 20 2 80 5 6 1 0 1 4可变2 帧控制序列目的目的源源地安装认证头净荷帧校 县p a n 地址p a n址验 标识标识 符符 地址域 m a c 帧头 m a cm a c 负载帧尾 m a c 提供了两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。网络层数据 实体( n w kl a y e rd a t ae n t i t y ，n l d e ) 通过m a c 层通用部分支持子层服务接 入点( m a cc o m m o np a r ts u b l a y c rs a p ，m c p s s a p ) 提供数据服务。m a c 管 理服务则是通过m a c 层管理实体服务接入点( m l m e - s a p ) 提供服务。具体m a c 结构模型如图2 3 所示。 上海师范大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 协议及网络 2 2 3 网络层n w k 图2 - 3m a c 层结构模型 由z i g b e e 协议栈架构可知，网络层是z i g b e e 联盟定义的协议层1 2 5 1 。在逻辑 上网络层内部分为网络层数据实体( n l d e ) 和网络管理实体( n l m e ) 两部分， 如图2 - 4 所示。对上，网络层数据实体通过访问服务接口n l d e s a p 为上层( 一 般是应用层) 提供数据服务；数据管理实体通过访问服务接口n l m e s a p 为上 层提供网络层的管理服务。对下，网络层数据实体通过m a c 层通用支持子层访 问服务接口获得数据服务；数据管理层通过m a c 层管理实体访问服务接口获得 管理服务。 上海师范大学硕士学位论文第二章z i g b e e 协议及网络 图2 4 网络层结构模型 在设备启动时，网络层会针对不同的设备类型初始化设备：如果是协调器， 则应该具备初始化并建立一个新的网络的能力，包括支持其他设备的加入、离开， 以及为其他设备分配地址等功能；如果是路由器应具备发现、报告和记录相邻设 备信息的能力；如果是终端设备则应具备最基本的数据接收和发送功能。 2 2 4 应用层 应用层是整个z i g b e e 协议栈的最高一层。z i g b e e 应用层由三个部分组成， 如图2 - 5 所示：应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和应用框架。 图2 - 5 应用层结构框图 应用支持子层( a p s ) 在网络层( n w k ) 和应用层之间提供了一个接口。 跟低层协议相似，应用支持子层支持两种服务：数据和管理。应用支持子层数据 实体( a p s d e ) 通过a p s d e 访问服务接口( s a p ) 提供数据服务；应用支持子 层管理实体( a p s m e ) 通过a p s m e s a p 体现管理能力。 在z i g b e e 设备中应用层框架是应用对象的支撑，同时也管理着协议层。所 有应用对象都是供应商开发的，这也为用户提供了应用的多样化。在一个设备中 最多可以嵌入多达2 4 0 个应用对象。 在对等之间应用对象之间通过a p s d e s a p 发送和接收数据( 如图2 5 ) 。每 上海师范入学硕j ：学位论文 第二章z i g b e c 协议及网络 一个应用都有一个唯一的端点地址( 端点l 至端点2 4 0 ) 。端点地址o 为z d o 保 留。如果要广播一个消息至所有应用对象，那么它的端点地址必须设置为2 5 5 。 端点编址允许多个设备共享一个无线电收发器。例如在智能家居照明系统中多个 灯连接在一个无线电收发器上，每个灯都被分配了一个唯一的端点地址，都能被 独立地开启和关闭。 z d o 提供了一个在应用支持子层和应用框架层之间的服务接口【2 6 】。它包括 了z i g b e e 协议栈中所有应用的通用函数。例如把一个设备配置成协调器、路由 器还是终端设备是z d o 其中的一个功能。z d o 利用原语履行它的职责，通过管 理接口a p s m e s a p 获得a p s 的管理实体，应用框架层通过z d o 公共接口和 z d o 联系在一起。 2 3z i g b e e 的设备和网络 2 3 1 设备的分类 根据功能的不同，z i g b e e 设备可分为两种，一种称为精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) ，另一种称为全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 。之 所以要把设备分为两种，是为了降低整个网络的成本。不是每个网络设备都需要 所有的功能，如果只需要一些基本的功能，就可以简化网络设备的软硬件设计。 从组网的角度，设备又可分成三类：p a n 协调器( 弹闲c o o r d i n a t o r ) 、协调 器( c o o r d i n a t o r ) 和设备( d e v i c e ) 【2 7 1 。p a n 协调器负责组建整个网络，功能最 强、成本最高；协调器承担部分网络维护功能，成本居中；而设备一般是网络的 终端节点，功能最简单、成本最低。协调器必须是f f d ，而终端节点可以是r f d 或者f f d 。 不同类型的设备组成了一个个不同的p a n 网络，但是每个p a n 网络都只能 有一个p a n 协调器，但可以有多个协调器和网络终端设备；协调器和协调器( 包 括p a n 协调器) 可以直接相互通信，也可以间接通信，网络终端设备只能通过协 调中转间接和其他设备通信。 上海师范大学硕士学位论文第二章z i g b e e 协议及网络 2 3 2 网络拓扑选择 z i g b e e 协议支持三种拓扑结构：星型、树型和网型结构，如图2 - 6 所示【2 8 】。 图2 - 6 网络拓扑结构 星型网络是一个以协调器为中心的辐射状的结构。网络中只有协调器可以转 发数据，其他设备之间需要传输数据必须通过协调器中转。星型网络最大的优点 就是结构简单，上层的路由信息较少，便于管理。但它的缺点也比较明显：网络 容量小、覆盖范围小。因为只有一个设备( 协调器) 允许其他设备加入该网络， 虽然理论上最多能支持2 5 5 个从设备，但是随着从设备的增加必然会导致网络拥 堵、误包率增加、性能下降。星型网络是一个单跳系统，协调器和终端设备之间 的距离受到两个设备之间有效通信距离的限制。如果终端设备的布置超出了有限 通信距离的范围，在星型拓扑结构下只能提高设备的发射功率来维持通信的质 量。再者提高发射功率的幅度有限，也