（信号与信息处理专业论文）智能家居系统及协调器节点的设计与实现.pdf

论文题目：智能家居系统及协调器节点的设计与实现 专 业：信号与信息处理 硕 士 生：张永飞 (签名) 斯 指导教师：李国民 (签名) 合 摘 要 智能家居系统可以将各种家用电器、安全监测等设备通过信息网络组成一个有机体， 进行统一管理，使居家环境更加安全、智能、舒适。因此智能家居逐渐成为人们对未来住 宅的要求，计算机技术和无线通信技术的高速发展为无线智能家居的实现提供了更加完善 的技术保障。 本文通过分析智能家居系统的需求，设计了一种智能家居系统协调器节点的功能和性 能。通过对几种常见的无线通信技术的分析比较，基于 ieee802.15.4 的 zigbee 技术，提 出了一种智能家居系统协调器节点的组成方案。通过对器件的比较分析，设计了该协调器 节点的硬件电路，包括每个模块的选择及其外围电路。采用 msp430f149 单片机， cc2480 zigbee模块和 faro3.2 gprs 模块实现了所设计硬件电路。通过在实验室搭建测试 平台进行测试，该协调器节点在 50米以内可以正常和各终端节点进行数据通信。并可以 通过手机和协调器节点的 gprs 模块进行通信，以实现对各终端节点进行控制。对协调器 节点的整体测试中，协调器节点具备了信息处理、控制、告警以及数据通信的功能，达到 了预期设计目标。 关 键 词： 智能家居，zigbee，msp430f149， cc2480，gprs 研究类型：应用研究 subject ：a design and implementation of smart home system and the coordinator node specialty ：signal and information process name ：zhang yong fei （signature） e instructor：li guo min （signature） d abstract the smart home system, through the information network, can make up the household appliances, security monitoring devices and other devices an organism. simultaneously, the system can execute unified management of these devices to make a safe, smart and comfortable home environment. the smart home is becoming the requirement of future residential, and the rapid development of computer technology and wireless communication technologies provides the wireless smart home a more complete technical support. by analyzing the requirement of smart home systems, the features and performance of the coordinator node of a smart home system was designed. through the analysis of several common wireless communication technologies, based on ieee 802.15.4 zigbee technology, the composition of the coordinator node of a smart home system was proposed. compared with several devices, hardware circuits of the coordinator node were designed, including the choice of each module and its peripheral circuits. the design use msp430f149 chip and the cc2480 zigbee wireless communication module and faro3.2 gprs module to implement the hardware circuit. tested in the laboratory test platform, the coordinator node can communicate with each terminal node for data communication in 50 meters. and also the coordinator node designed in this paper can communicate with cellphone through the gprs module, in order to achieve the purpose of controlling the terminal node. in the overall test, the coordinator node has the capabilities of information processing, controlling, alarm and data communications and has achieved the desired design goals. key words: smart home, zigbee, msp430f149, cc2480, grps thesis : application research 目录 i 目目 录录 1 绪 论 . 1 1.1 本课题的来源及研究意义 . 1 1.2 家居智能系统的发展现状与趋势 . 2 1.3本文的研究内容与组织结构 . 6 2 智能家居系统的功能与性能分析 . 8 2.1 智能家居系统功能分析 . 8 2.2 智能家居系统性能分析 . 9 2.3 智能家居系统总体方案 . 9 2.4 智能家居系统数据通信格式定义 . 15 2.5 本章小结 . 17 3 协调器节点硬件电路设计 . 18 3.1 协调器节点硬件构成 . 18 3.2 协调器节点硬件电路设计 . 19 3.2.1 处理器和存储器周边电路设计 . 19 3.2.2 通信模块电路设计 . 22 3.2.3 接口电路设计 . 25 3.2.4 电源模块 . 27 3.2.5 其他电路设计 . 29 3.3 协调器节点原理图 . 31 3.4 本章小结 . 31 4 协调器节点的硬件实现与测试 . 32 4.1 协调器节点硬件实现 . 32 4.1.1 协调器节点的 pcb设计 . 32 4.1.2 协调器节点 pcba 测试 . 33 4.2 协调器节点测试 . 34 4.2.1 协调器 zigbee组网测试 . 34 4.2.2 zigbee通信质量测试 . 37 4.2.3 gprs 通信测试 . 38 4.2.4 协调器节点测试总结 . 39 目录 ii 4.3 本章小节 . 39 5 总结与展望 . 40 5.1 总结 . 40 5.2 展望 . 40 致谢 . 42 参考文献 . 43 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 本课题的来源及研究意义 智能家居系统是物联网的主要应用之一，它以家庭住宅为平台，涉及到建筑、网络通 信、信息家电、设备自动化，将各种家用设备进行统一管理和控制，从而创造出舒适、高 效、方便、安全、环保的居住环境。智能家居可以定义为一种系统或者过程,它是指利用 先进的网络技术、计算机技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统进行有机 结合的一个系统1。 随着人们对生活品质要求的不断提高和住宅智能化技术的发展，智能家居的概念已经 越来越多出现在人们的生活之中，而这一切发展最终目的都是为人类提供一个高效、舒 适、便捷的生活环境。物联网的兴起也为智能家居引入了新的概念和发展空间，随着 rfid技术的兴起，家居设备的存储和智能组网能力大大提高，必将促进基于物联网技术 的智能家居系统的快速发展2。 今天的智能家居系统配置也越来越高，拥有的内容和功能也越来越丰富。智能家居系 统包括智能照明控制、智能门锁控制、电动窗帘控制、智能家电控制、煤气泄露探测、消 防报警、远程监控、远程抄表（水、电、煤气）系统、网络通讯、视频点播等系统3,4。 实现智能化的家居，可以实现以下诸多的生活便利： (1) 家居设备控制：对灯具、窗帘、空调、冰箱、电视等家居设备可以进行控制，也 可以利用计算机、移动电话和 pda 等终端通过宽带接入因特网或电信网，进行远程控 制。 (2) 安全监控：对各种报警传感器的信息进行采集并做出相应处理，如紧急按钮、入 侵检测、煤气检测、火警检测等，将报警信息及时通知主人，还可以与住宅小区物业管理 和 110 报警进行联网5。 (3) 家庭医疗保健和监护：利用多种接入手段，实现家庭远程医疗和监护。用户可以 在家中将测量的体温、血压、脉搏等参数传递给医疗保健专家，省去了在医院排队等候的 麻烦。而对于家有老人和孩子的家庭，配备求助系统，可以保障家人的健康和安全。 现在，各大智能家居厂商正在不断推出更为先进的产品和成熟的解决方案，科技的发 展使家居智能化正逐步成为现实。然而，目前各种智能家居体系和产品之间缺乏严格的标 1 绪论 2 准和通用的接口，并且受当前技术条件以及经济成本所制约，智能家居的具体应用并未得 到很好的普及，如何设计一套简便高效、成本低、可扩展性好的智能家居系统6，对于智 能家居在实际应用中的推广具有一定的借鉴意义和推动作用。 1.2 家居智能系统的发展现状与趋势 1、国内外智能家居系统的发展现状 1984 年,世界上第一幢智能建筑在美国被建造出来。此后，欧美和东南亚等经济发达 的国家也先后提出了各种智能家居方案。在智能家居的发展过程中，美国一直处于领先水 平。近年来，智能家居在韩国、日本、新加坡等国也有了广泛应用。 国外智能家居系统发展到现在大致经历了 4 代:第一代主要采用两芯线或同轴线组建 家庭网络，实现和少量安防等功能;第二代主要采用 rs-485线组建家庭网络，具有可视对 讲等功能;第三代实现了智能控制的集中化，业务也得到了大大扩展:第四代基于全 ip 技 术，可根据用户需求定制业务。目前市场上常见的智能家居系统产品大多属于第三代产 品，美国已经对第四代智能家居系统进行了初步的探索，并己经有相应的产品7。 另外，从技术角度来看，国外智能家居系统的相关技术日趋成熟，由开始的以 pc 为 控制中心逐渐转向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式应用领域，采用的技术主要为有线方 式，如美国的 x-10、欧洲的 eib、日本的 hbs 等。 x-10 为国际通用的电力线载波通信协议，支持该协议的家庭设备可以通过电力线相 互通信、协作，电力线既可为家庭设备提供电源又可用于传输控制指令。利用 x-10技术 构建的智能家居系统主要由两部分组成:控制指令发射器和控制指令接收器。 eib系统是一个基于事件控制的分布式总线系统，它通过 eib总线将分散在建筑内部 各处的设备连接起来，各设备之间通过事先编好的程序相互交换信息。eib系统总线采用 主干式拓扑结构，其基本单元为“线路”，每条线路最多可以连接 64个设备，一条主线通 过线路藕合器最多可以拥有巧条“线路”。eib 系统拓扑结构示意图如图 1.1所示: 1 绪论 3 线路耦合器1线路耦合器2 总线设备1 总线设备2 总线设备64 总线设备1 线路耦合器 15 总线设备1 总线设备2总线设备2 总线设备64总线设备64 线路 1 线路 2 线路 15 图 1.1 eib 系统拓扑结构示意图 图 1.1中同一时刻可能存在多个总线设备想要同其他设备通信，为了提高可靠性和尽 可能的达到最大传输速率，eib系统采用 csma/ca 机制解决总线使用问题。另外，一条 主线连同它所包含的所有线路构成一个域，多个域(eib系统最多可以包含巧个域)通过干 线祸合器可以组成更大的总线系统。 hbs 是由松下等公司提出的，用于实现家庭设备互联的系统解决方案，基于该技术的 智能家居系统通过一条同轴电缆和 4对双绞线实现设备互联，同轴电缆用于传输视频、图 像等信息，双绞线用于传输语音、数据、控制信号等信息。基于 hbs 技术的智能家居系 统的一大特色是:用户可以通过电话对家庭网络内的设备进行远程监控8。 我国在智能家居领域的研究起步较晚，最开始只有那些较有实力的家电厂商比如海尔 等涉足。1999年 3 月，微软推出“维纳斯”计划9，这让国内家电厂商、通信设备制造商、 it厂商等都对智能家居有了清晰、深刻的认识。之后他们将研究注意力集中在智能家居系 统构成上。近几年，智能家居系统在国内的发展己全面展开。 从标准制定角度看，2003年 7 月由联想等企业发起、多家单位共同参与的“信息设备 资源共享协同服务”标准工作组(即“闪联”)成立10。2004年 7月由海尔领衔，多家厂商共 同推广的新网络家电标准“e家佳”成立11。2005 年 6月，“闪联”和“e 家佳”同时被信息产 业部确定为行业推荐性标准12。2008年 7月，经国家标准化管理委员会批准，全国智能 1 绪论 4 建筑及居住区数字化标准化技术委员会成立，主要负责智能建筑物数字化系统领域国家标 准的制定工作。近年来，物联网领域的研究受到各国的高度重视。鉴于此，2010 年 2月中 国通信标准化协会泛在网技术委员会成立，智能家居相关标准也已经立项。 从市场产品角度看，2010年 12月在广州举行的“2010中国智能建筑品牌奖”颁奖典礼 揭晓了 2010年十大智能家居品牌，其中包括海尔 u-home、上海索博、安居宝、瑞讯、 霍尼韦尔、深圳普力特等知名品牌13。上海索博智能家居系统采用 plc-bus 技术，该技 术是一种高稳定性、高性价比的双向电力线技术，它主要利用已有电力线实现对灯光、家 用电器等设备的智能控制;深圳普力特智能家居系统采用 hbs 总线技术:海尔 u-home智能 家居系统以 u-home系统为平台，采用有线与无线相结合的方式，把所有设备通过信息传 感设备与网络连接。从技术角度看，国内智能家居系统采用的方案大都是综合布线技术、 无线技术和有线技术为主。图 1.1为国内智能家居技术对比表。 表表 1.1 国内智能家居技术对比表国内智能家居技术对比表 项目 综合布线技术 无线技术 x10 电力载波技术 典型应用成本 30-50万 1-9 万 1-3万 是否需要重新布线 需要 不需要 不需要 设置方便程度 专业人员 一般电工 一般电工 是否按需选配 按设计 积木结构按需选 积木结构按需选 系统稳定性 稳定 稳定 不稳定 终端移动 支持局部无线 全无线 局部无线 系统死机影响 全部瘫痪 个别影响 局部影响 维护成本 高 极低 低 普通手机 gprs 控制 不可 可以 不可以 从上表可以分析得出结论，综合布线技术需要重新布线，成本比较高，系统稳定； 无线技术成本较低，可以按需选配，即使系统瘫痪也只是影响个别终端的运行而且可以通 过手机 gprs 控制终端，比较方便。x-10技术成本低，不需要重新布线，但是由于我国 的实际情况，电力载波容易受电网波动的影响，稳定性不太好，而且电力载波控制有一定 的延时性。 2、智能家居系统存在的问题 目前国内外智能家居系统使用的技术主要用综合布线技术，无线技术，x-10电力载 波技术。但是由于智能家居存在的种种问题，阻碍其正常发展和市场的推广。 (1)标准不统一。智能家居的技术标准难以统一，尤其表现在标准化接口和通讯协议方 面。目前，实现智能家居系统的有线传输方式有(1)lonworks 协议，(2)cebus， 1 绪论 5 (3)bacnet，(4)batibus，(5)apbus，(6)x10协议，(7)homepna，(8)can总线， (9)lin总线等等。没有严格、统一的标准，智能家居系统的发展严重受阻。 (2)功能不完善。智能家居系统在功能上存在两个问题，一是功能单一，目前有些所谓 的智能家居系统仅仅只是实现了智能照明功能，有些仅实现视频监控和报警的功能。二是 功能太多，智能家居系统的功能太多是好事，但是是功能越多，越容易出故障，寿命也缩 短。 (3)智能家居系统产品不够人性化。智能家居融合了多个系统，功能强大，因而操作起 来十分复杂(尽管许多厂家宣称自己的产品是简约化设计、傻瓜化操作)。尤其是有些系 统，设计过于繁杂，缺乏人性化，导致许多用户，尤其是家中的老人用不好或者干脆不愿 用14。有些产品质量不过关，使用寿命短，比如有些小区探测报警系统误报警现象严重， 有些小区因设备故障连起码的远程三表抄送都实现不了，每月还是派人上门抄表，在有些 所谓智能小区，许多用户除了可视对讲外，其他基本都没有用过15。这些都成为智能家居 发展的瓶颈和障碍。 3、智能家居系统的发展趋势 物联网的建设将大大推进智能家居产业化的进程，物联网的概念于 1999 年正式提 出，英文名称为 the internet of things，其意为物物相连的互联网，其中智能家居的应用发 展将以最快的速度拓展开来。现在国内部分城市都在积极建设物联网项目，其中北京、上 海、深圳等城市的发展相对超前。基于对智能家居发展现状的总结与现存问题的分析，智 能家居今后的发展趋势将体现在以下几方面16： (1) 组网技术从有线向无线发展。目前，智能家居内部组网分为有线组网和无线组网 两种技术。现有比较成熟的有线组网技术主要包括电话线、以太网、电力线等，他们都存 在布线繁琐、扩展性能差、影响美观等缺点。相对于传统的有线组网技术而言，无线组网 技术在智能家居的应用上具有无需布线、安装周期短、网络用户容易迁移和增加等优势 17。 (2) 系统综合化和功能模块化。在以往的智能家居系统中，用户需要安装几个独立的 子系统来获得完善的功能，这就增加了安装和使用的复杂性。所以需要实现更多智能家居 子功能采用统一的协议标准，实现统一的控制、管理、联动。从实用的角度来说，就是只 用一个遥控器或者电脑就能统一控制任何一个智能家居子系统，并能实现各子系统间的功 能联动、互动。与此同时，在电路设计上大都实现功能的模块化，便于系统功能的增加和 裁剪，提高系统的兼容性和扩展性。 1 绪论 6 (3) 远程控制手段多样化。以往一般采用电话实现远程控制，方式较单一。现随着移 动网络以及互联网的迅猛发展，实现远程控制的手段越来越丰富18，个人电脑远程控制、 手机控制等方式日益成熟。而 3g技术的迅速发展和普及为智能家居提供了一个良好的应 用平台。在 3g的产业链上，包括电信运营商、网络设备提供商、终端软件提供商等，每 个环节都蕴藏着巨大商机。在 3g和物联网的推动下，智能家居的发展必将迎来一个全新 的变革。 (4) 节能与智能将引领家居消费新趋势。现代人们的消费细节更加注重节能与智能两 方面。消费者在选用传统的节能卫具、灯具来节能的同时，也没有忽视对“智能”生活的要 求。智能化的家居设计可以更好地满足人们对人性化家居的需求，而通过智能家居的应用 不但可以实现智能化，同样也可以起到节能的效果。随着经济的发展，人们对生活质量要 求的提高，智能家居将逐渐引领装修时尚潮流，成为新的消费趋势19。 1.3本文的研究内容与组织结构 本文基于对当前智能家居发展状况的研究与分析，结合单片机技术、短距离无线通信 技术和 gprs 技术，设计一种简便高效、成本低、可扩展性好的智能家居系统协调器节 点，以实现家用设备的室内及远程控制，家庭设备状况的远程监测。 通过比较 wi-fi 技术、蓝牙技术、zigbee技术等短距离无线通信技术，设计和实现一 种基于 zigbee技术的智能家居协调器节点。根据项目设计需求，本模块采用基于 ti公司 的 msp430f149 处理器作为硬件开发平台，应用 ieee802.15.4协议，实现协调器节点与终 端节点的短距离无线数据通信；通过 rs232 串口，实现协调器节点与本地用户的通信；应 用台湾正葳公司的 faro3.2 模块，实现与远程手机用户的通信。 笔者在英华达(上海)有限公司实习，主要从事射频硬件电路的开发，因此本文主要工 作是设计整个智能家居系统的总体功能、性能和方案以及协调器节点的硬件电路的实现。 软件部分由公司的软件工程师帮忙开发来进行测试。笔者对他们无私的帮助表示感谢! 本文的组织结构安排如下： 第一章：绪论。主要介绍了本文的研究背景与意义，智能家居的国内外研究现状和当 前国内智能家居行业存在的问题，指出了智能家居未来的发展方向。 第二章：智能家居系统节点功能和性能分析。首先综合分析了整个智能家居系统中应 具备功能和性能，其次分析了协调器节点和终端节点分别具备的功能，分析了协调器节点 1 绪论 7 和终端节点的工作流程图，提出了基于 zigbee 技术的智能家居系统协调器节点的设计思 路。 第三章：协调器节点硬件电路设计。首先介绍智能家居系统协调器节点的硬件结构 图，然后详细的给出了每个模块的元器件选型及原因分析，最后提出了协调器节点各个模 块的硬件电路原理图与 pcb布板需要注意的事项。 第四章：协调器节点的实现与测试。对协调器节点的 zigbee模块和 gprs 模块分别进 行数据格式定义，并进行 zigbee通讯测试和 gprs 模块进行了通讯测试。 第五章：总结与展望。对本课题的研究工作进行了总结，并指出继续研究和改进的方 向。 2 智能家居系统的功能与性能分析 8 2 智能家居系统的功能与性能分析 2.1 智能家居系统功能分析 典型的智能家居系统由直接控制各类家用设备的终端节点，用于数据传输的协调器节 点以及使用该系统的用户组成。因此，本文设计的智能家居系统应具备信息采集、信息处 理、控制、告警、数据通信等功能。 1、信息采集 智能家居系统应能采集家庭环境中的各种信息数据，例如温湿度信息，光照强度信 息，烟雾信息等。 2、信息处理 智能家居系统能对采集到的信息进行处理，例如判断家庭中的温湿度是否与设定的温 湿度一致，判断家中是否有人入侵，判断家中是否发生火灾，判断家中光照强度是否合适 等等。同时，智能家居系统能根据接收到的短信处理后，执行相应的操作指令。 3、控制 智能家居系统根据系统处理过的信息来进行控制家居中的设备，例如当家庭中有人且 温度较低或较高时，系统能自动打开家中的空调的制热或制冷功能，当家中温度达到合适 温度后，系统控制空调维持在这一温度。当家中光线不好时，打开家中的照明设备等之类 的控制功能。 4、告警 智能家居系统根据采集、处理、判断过的信息进行告警。例如当家中有人入侵时，系 统能通过短信或是电话的方式向主人发送告警信息；或者当家中发生浓烟或火灾时，能报 警同时向预设的手机发送报警短信或电话。 5、数据通信 智能家居系统中协调器节点和终端节点之间能进行通信，终端节点将采集到的数据发 送给协调器节点，同时协调器节点能向终端节点发送控制指令。协调器节点还应能接收用 户发来的短信和向用户发送短信。 2 智能家居系统的功能与性能分析 9 2.2 智能家居系统性能分析 智能家居系统在使用过程中，影响系统性能的指标有数据速率、通信距离以及安全性 等因素。 1、数据速率 智能家居系统中终端节点采集到的数据处理后发送协调器节点，同时协调器节点接收 用户发来的指令向终端节点发送数据指令，协调节点和终端节点之间通信的数据量不是很 大，因此数据速率在 50kbps 即可。 2、通信距离 家庭中的最大距离一般不超过 50米，所以协调器节点和终端节点的通信距离无障碍 的情况下设定为 50米即可。协调器节点的发射功率过大会浪费功耗，并且容易影响到其 他家庭用户系统的使用；发射功率过小，可能会造成协调器节点或者终端节点接收不到信 息从而影响系统的正常使用。同时系统应能保证在家庭范围内信号穿过 3 堵墙后，协调器 和终端节点还能通信。 3、安全性 安全性一方面是指智能家居系统协调器节点和终端节点不受到相邻家庭中系统的影 响，另一方面是指协调器节点能识别本户用户发来的短信指令而不执行其他用户发来短信 指令。因此设计的智能家庭系统能识别本系统和绑定用户短信的功能，同时该智能家居系 统的协调器节点还能识别本系统下的终端节点功能，终端节点能识别本系统的协调器节 点。 2.3 智能家居系统总体方案 1、智能家居系统总体方案 根据前面的功能和性能分析以及数据传输方式的选择，设计智能家居系统总体方案图 如图 2.1所示： 2 智能家居系统的功能与性能分析 10 协调器节点 照明控制节点 窗帘控制节点 空调开关节点 排气扇控制节点 gprs短 消息收 发模块 手机 用户 串口 本地 用户 无线收发 模块 图 2.1 智能家居系统总体方案图 图 2.1中，本地用户通过串口访问协调器节点来查询终端节点的状态和控制终端节 点；手机用户通过发送相应的指令代码到协调器节点，来查询家庭中终端节点的状态和控 制终端设备。终端节点和协调节点通过无线收发器来进行通信。 其中： 照明控制节点应有光照传感器和照明控制电路组成； 空调控制节点应有温度传感器单元和空调控制开关电路组成； 排气扇控制节点由瓦斯传感器和排气扇控制开关电路组成； 窗帘控制节点由控制拉动窗帘的电机组成。 2、智能家居系统内部数据传输方式 在终端节点的移动性、易操作性、易维护性方面，有线的数据传输方式没有无线的传 输方式好。因此本文设计的智能家居系统内部使用无线的数据传输方式。智能家居系统节 点间的无线通信协议包括 802.11协议、zigbee协议、蓝牙协议及 irda等。还有很多芯片 用户可以自己定义双方通信的协议，这些芯片一般工作在 ism 免费频段。为了更明晰地 反映各种无线通信技术的差异，表 2.1对各种短距离无线技术进行一个比较20。 2 智能家居系统的功能与性能分析 11 表表 2.1 短距离无线通信技术参数短距离无线通信技术参数 规范 zigbee bluetooth 802.11(wi-fi) 工作频段 868/915mhz/2.4ghz 2.4ghz 2.4ghz 传输速度 (bps) 0.02/0.04/ 0.06mbps 2.1mbps 11,54mbps 功耗(mw) 1-3mw 1-100mw 60-70mw 使用距离 (m) 几十 10 (class 1) 100(class 2) 300 传输方式 点对多点 点对点 点对多点 安全方式 aes-128 位 120位密钥 wep 加密 复杂性 简单 复杂 非常复杂 扩展性 自动扩展 无 无 成本 低 中 高 主要应用 智能家居 个人网络 局域网 在协议复杂度上，wi-fi 和蓝牙需要较大的系统开销，而 zigbee 协议栈仅为蓝牙的几 十分之一，比起 wi-fi 则更小。这样极其简单的协议栈只需要很少的系统资源，完全可以 利用廉价的 8 位单片机来作为节点的控制器，从而极大的降低系统的成本。 在网络节点数上，蓝牙节点是一对一的，wi-fi 技术的网络节点数是 50个，而 zigbee 支持的最多 255 个节点，如果利用 zigbee 路由器来扩展，可超过 65000 个节点， 如此大的网络容量更利于实现家庭内部传感器网络21。 在成本方面，前两者实现成本远大于后者，目前蓝牙芯片的价格依然徘徊在 80 元人 民币上下，而 zigbee 收发芯片单片价格也仅为 3 美元左右，千片价格则会更低。 在功耗方面，wi-fi 的高带宽是以较高的功耗为代价的；蓝牙和 wi-fi 相比有低功耗 的优势；而 zigbee 收发芯片的发射和接收所消耗的电流在 10-30ma 之间，相比蓝牙和 wi-fi 更低22。 综合上述考虑，本课题选择 zigbee 技术来实现智能家居系统数据传输。 3、智能家居系统功能分配 根据前面的功能和性能分析，结合智能家居系统总体设计方案，协调器节点应具备信 息处理、控制、告警、数据收发，短消息收发的功能，终端节点具备信息采集，处理，控 制设备，数据收发的功能。因此设计的协调器节点和终端节点功能框图如图 2.2 和图 2.3 所示： 2 智能家居系统的功能与性能分析 12 存储器 无线收发器 电源模块 处理器 处理单元 a/dc 短消息 收发模块 图 2.2 协调器节点功能图 存储器 无线收发器 电源模块 处理器 处理单元 a/dc 执行单元 图 2.3 终端节点功能图 4、智能家居系统工作流程 协调器的工作流程如图 2.4所示，具体步骤如下： (1)协调器节点初始化； (2)zigbee模块工作，扫描周围环境，选择合适通道，建立网络； (3)gprs 模块工作，设置通信波特率，设置接入网关，设置移动终端类别，接入电信 服务； (4)若有节点申请加入本网，判断该节点是否为属于本 zigbee 网络的终端节点，若 是，容易其加入该网络并为其分配 ieee地址，否则拒绝其加入本网络。 (5)若没有从 gprs 模块接收到采集信息或者控制指令，则每隔 10分钟向终端节点以 轮询的方式发送采集信息指令，收到后判断终端节点的状态十分正常。若正常，则存储该 2 智能家居系统的功能与性能分析 13 信息数据并进入休眠。若超出正常范围，如煤气检测节点检测数据超过设定值，测通过 gprs 模块向用户发送报警信息同时开启蜂鸣报警功能。若处理器从 gprs 模块接收到用 户的指令，则根据其相应指令进行相应命令。 开始 zigbee模块 初始化 建立网络 建立网络成功 进入检测 状态 有节点加入网络 分配网络 地址 网络地址 成功分配 否 是 是 否 是 否 协调器节点上电 gprs模块 初始化 申请加入 gprs网络 加入网络成功 接收到 短消息 给用户 发送短消息 处理器 是 否 进入检测状 态 图 2.4 协调器节点工作流程 2 智能家居系统的功能与性能分析 14 终端节点工作流程如图 2.5所示，具体工作流程如下： (1)终端节点初始化； (2)扫描周围网络环境是否有网络，若有，申请加入该网络； (3)若加入网络成功，则进入将该终端节点的信息发送给协调器节点，同时采集相应信 息，处理后发送给协调器节点。 (4)终端节点是否收到协调器节点发来的相应操作指令。若有，则判断是采集信号指令 还是执行动作指令，判断后执行相应的动作。动作执行成功后进入待机状态，等待下一次 操作指令的到来。 开始 终端节点 初始化 查找协调器 并申请入网 加入网络成功 等待信息 有信息收到 调用相应 功能子程序 休眠 否 是 是 否 是 执行动作 命令 数据打包 并发送 发送成功 调用相应 功能子程序 执行相应 动作 否 执行成功 系统激活 数据采集 功能 是 否 否 是 图 2.5 终端节点工作流程 2 智能家居系统的功能与性能分析 15 2.4 智能家居系统数据通信格式定义 为了能使智能家居系统节点之间能准确识别对方发来的数据信息，以及协调器节点识 别用户发来的信息，同时用户也能理解协调器节点发来的信息，就必须要为节点之间以及 用户和节点之间定义数据格式。 1、zigbee模块通信数据包格式 为便于 zigbee节点间进行网络信息等数据的传输，本系统为节点间传输的应用数据 包定义了统一的格式。这种具有统一格式的应用数据包是作为 zigbee数据帧的应用层负 载在节点间传输的。通信数据包格式如表 4.1所示。 表表 2.2 自定义通信数据包格式自定义通信数据包格式 cmd device id function id len data reserved 8位 8位 8位 8位 由 len指 定 8位 cmd是命令字段，表示数据包请求的操作或指定操作的响应； deviceid 是设备标志字段，是该命令对应操作的设备 id，由无线管理接口进行动态 分配； functionid是设备功能字段，表示设备所具有的不同功能； len是数据长度字段，表示数据包中数据字段的长度； data是数据字段，其长度由 len字段指定，内容与 cmd 有关； reserved 是保留字段，供以后使用。 2、 通信数据包传输 本系统中定义的通信数据包作为 zigbee 数据帧的应用层负载在 zigbee 节点之间传输 的，它在 zigbee 数据帧中的封装如图 2.6所示，本系统数据的收发采用 msg 格式。 2 智能家居系统的功能与性能分析 16 mac层帧头 nwk层帧头aps层帧头通信数据包帧校验 aps层负载 nwk层负载 mac层负载 cmd device id function id lendatareserved 图 2.6 通信数据包帧格式 3、gprs 模块接收短消息格式定义 为了使手机用户和协调器节点的 gprs 模块之间能正常收发短消息，本文为短消息设 置固定的数据格式。 (1)手机用户给协调器节点发送的短信息格式如下： device name +device no.+ action+终止位 其中： device name为终端设备名称，长度 3位，如空调为 air,灯为 led,煤气监测传感器 为 gas,热水器为 hwt 等，温度传感器为 tmp； device no 为同种终端设备的编号，长度 2位，如家中有多个灯，那么该 no依次为 01,02,03； action 为要执行的动作，长度 3位，如打开为 onn,关闭为 off,查询为 inq； 终止位：意味着本条指令结束，终止位设置为*。 如果同时打开几个设备，则在每句命令后加“；”同时另起一行写第二条指令。 例如：将家中第一台空调（客厅中）打开，将热水器打开，查询家中温度，消息 为： air+01+o