杨景淇毕设论文正式版毕业论文.doc

华北电力大学本科毕业设计 论文 1 基于基于 ZigBeeZigBee 网络的智能家居的设网络的智能家居的设 计毕业论文计毕业论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 3 1 1 选题背景及意义 3 1 2 国内外研究现状 4 1 3 论文的主要内容 6 第 2 章 基于 ZIGBEE 网络的智能家居系统总体设计 7 2 1 系统总体设计 7 2 2 系统设计方案的比较与选择 8 2 2 1 中央控制器芯片的分析与选择 9 2 2 2 远程通信模块的分析与选择 9 2 2 3 近程传输网络的分析与选择 10 第 3 章 ZIGBEE 无线通信技术 12 3 1 IEEE802 15 4 协议概述 12 3 2 802 15 4 协议架构及其技术特点 12 3 3 802 15 4 协议网络组成及拓扑结构 13 3 4 ZIGBEE网络层 14 3 5 ZIGBEE应用层 17 第 4 章 智能家居系统的硬件设计 19 4 1 家庭控制子网的组建 19 4 1 1 家居设备子节点 19 4 1 2 家居设备主节点 21 4 1 3 子网通讯协议 23 4 2 家庭网关的构建 24 4 3 中央控制器的设计 26 4 4 GPRS 模组的硬件电路设计 27 4 5 传感器模块的硬件电路设计 29 4 6 摄像模块的硬件电路设计 31 第 5 章 智能家居系统的软件设计 33 5 1 软件系统开发环境与设计流程 33 5 1 1 LINUX开发环境的建立 33 5 1 2 LINUX应用系统开发流程 35 华北电力大学本科毕业设计 论文 2 5 2 远程 PC 子系统的软件设计 35 5 2 1 BOA服务器概述 35 5 2 2 BOA服务器的搭建 36 5 2 3 CGI 的软件设计 38 5 3 远程手机子系统的软件设计 39 5 4 安防报警子系统的软件设计 40 5 4 1 摄像头子系统的软件设计 40 5 4 2 温湿度传感器的软件设计 40 第 6 章 智能家居系统的软硬件联合调试 41 6 1 系统硬件调试 41 6 2 系统软件调试 41 6 2 1 中央控制器控制安防系统的功能测试 41 6 2 2 手机短信报警功能测试 51 第 7 章 总结与展望 58 参 考 文 献 59 附录 A CGI 程序 60 附录 B UART 和 GPRS 初始化程序 71 附录 C 发送和接收短信程序 74 附录 D 远程控制开发板程序 81 致 谢 82 华北电力大学本科毕业设计 论文 3 第 1 章 绪论 1 1 选题背景及意义 随着社会信息化的加快 人们的工作 生活和通讯 信息的关系日益紧密 信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时 也对传统的住宅提出了挑 战 社会 技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变 人们对家居的要求 早已不只是物理空间 更为关注的是一个安全 方便 舒适的居家环境 家居智能化技术起源于美国 它是以家为平台进行设计的 兼备建筑 自 动化 智能化于一体的高效 舒适 安全 便利的家居环境 智能家居是现代 社会最热门的话题之一 它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居 电器等的智能控制 使其能够按照人们的设定工作运行 而不论距离的远近 智能化与远程控制是智能家居的两大特点 智能家居控制系统是以 HFC 以太网 现场总线 公共电话网 无线网的 传输网络为物理平台 计算机网络技术为技术平台 现场总线为应用操作平台 构成一个完整的集家庭通信 家庭设备自动控制 家庭安全防范等功能的控制 系统 智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术 网络技术 控制技 术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统 以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平 大型的智能家居控制系统通常由系统服务器 家庭控制器 各种模块 各 种路由器 电缆调制解调器头端设备 CMTS 交换机 通讯器 控制器 无线 收发器 各种探测器 各种传感器 各种执行机构 打印机等主要部分组成 智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统 利用先进的计算机 技术 网络通讯技术 综合布线技术 将与家居生活有关的各种子系统 有机 地结合在一起 通过统筹管理 让家居生活更加舒适 安全 有效 与普通家 居相比 智能家居不仅具有传统的居住功能 提供舒适安全 高品位且宜人的 家庭生活空间 还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具 提供全 方位的信息交换功能 帮助家庭与外部保持信息交换畅通 优化人们的生活方 式 帮助人们有效安排时间 增强家居生活的安全性 甚至为各种能源费用节 约资金 系统的网络化功能可以提供遥控 家电 空调 热水器等 控制 照明控 制 室内外遥控 窗帘自控 防盗报警 电话远程控制 可编程定时控制及计 华北电力大学本科毕业设计 论文 4 算机控制等多种功能和手段 使生活更加舒适 便利和安全 因智能家居控制 系统简单 功能灵活 扩展容易而被人们广泛接受和应用 家居生活的智能化是当今计算机网络与通讯技术最人性化的应用 给人们 的家居生活带来了全新的感受 今天 借助电话控制或互联网 您几乎可以在 任何地方 任何时候监控您的家居状况 为您的家居生活带来前所未有的方便 随着社会全面的信息化 智能化和自动化 家庭智能化必将成为未来家居装饰 潮流发展的最新方向 物联网是在计算机互联网的基础上 利用 RFID 无线数据通信等技术 构 造一个覆盖世界上万事万物的 Internet of Things 在这个网络中 物品能够彼 此进行 交流 无需人的干预 物联网繁多的应用 造就了一个庞大的产业链 从互联网 电脑 手机 天线等 IT 通讯领域 到智能卡 芯片 传感器 红外线产品等工业领域 再到 冰箱 电视机等制造领域 环环相扣 商机巨大 美国独立市场研究机构 FORESTER 预测 到 2020 年全球 物物互联 业务 与 人与人通信 业务之比将 达到 30 1 物联网因其巨大的应用前景 将是智能家居产业发展过程中一个比较现实 的突破口 对智能家居的产业发展具有重大意义 通过对这一课题的学习 能让我将大学四年来所学的专业知识又系统地巩 固一遍 通过对单片机应用系统的硬件设计和软件设计 能提高我在单片机应 用系统方面的设计能力 同时也能增强我的动手实践能力 学习了解物联网与 智能家居的相关概念与应用 为我以后的职业生涯提供了一个新的方向 1 2 国内外研究现状 随着经济的发展 社会信息化的程度不断提高 智能家居的概念逐步走进 了人们的生活 1 国外智能家居的发展情况 自从世界上第 1 幢智能建筑 1984 年在美国出现后 美国 加拿大 欧洲 澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案 智 能家居在美国 德国 新加坡 日本等国都有广泛的应用 智能化家庭与智能大厦概念与定义一样 至今尚没有取得一致的认同 美 国电子工业协会于 1988 年编制了第 1 个适用于家庭住宅的电气设计标准 即 家庭自动化系统与通讯标准 也有称之为家庭总线系标准 HBS 我国也 从 1997 年初开始制定 小康住宅电气设计 标准 导则 讨论稿 在 导则 中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下要求 高度的安全性 舒适 华北电力大学本科毕业设计 论文 5 的生活环境 便利的通讯方式 综合的信息服务 家庭智能化系统 同时也对 小康住宅与小区建设在安全防范 家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提 出了三级设计标准 第一级为 理想目标 第二级为 普及目标 第三级为 最 低目标 智能家居最终目的是让家庭更舒适 更方便 更安全 更符合环保 随着 人类消费需求和住宅智能化的不断发展 今天的智能家居系统将拥有更加丰富 的内容 系统配置也越来越复杂 智能家居包括网络接入系统 防盗报警系统 消防报警系统 电视对讲门禁系统 煤气泄露探测系统 远程抄表 水表 电 表 煤气表 系统 紧急求助系统 远程医疗诊断及护理系统 室内电器自动 控制管理及开发系统 集中供冷热系统 网上购物系统 语音与传真 电子邮 件 服务系统 网上教育系统 股票操作系统 视频点播 付费电视系统 有 线电视系统等等 各种新鲜名词逐渐成为智能家居中的组成部分 2 国内智能家居的发展现状 我国将住宅小区智能化定义为 利用 4C 即计算机 通讯与网络 自控 IC 卡 技术 通过有效的传输网络 将多元信息服务与管理 物业管理与安防 住宅智能化系统集成 为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段 以 期实现快捷高效的超值服务与管理 提供安全舒适的家居环境 目前智能家居一般要求有三大功能单元 第一 要求有一个家庭布线系统 第二 必须有一个兼容性强的智能家居中央处理平台 家庭信息平台 第三 真正的智能家庭生活至少需要三种网络的支持 宽带互联网 家庭互联网和家庭 控制网络 目前已经出现的智能家居家庭信息处理平台大致分为三类 第一类 平台是机顶盒技术 第二类平台是家庭网关 第三类平台是拥有自主知识产权 的软组合家庭信息平台 它是可选择上网方式的电器大管家平台 以软组合方 式与家用电器 音像电器 摄像装置 上网装置 卫星接收装置 保安装置 照明装置以及功能扩展接口等 结成一体 具有可供选择的机顶盒 电脑接口 它与机顶盒结成一体 就兼有第一类平台的功能 它与电脑结成一体 就兼有 第二类平台的功能 这种平台除了具有家居平台的一般功能外 还具有独特优 势 特别适于根据我国国情 民情 实现 智能化家居几步走 可兼顾 激活 目前家庭里已经大量存在的非智能家电 方便需要通过电视实现上网的几千万 人 特别适于智能家居的 DIY 对家庭电器具有多种功能开发 信息处理增值 人机保护等功能 智能化家居发展将大大推动我国实现家庭信息化进程 智能家居能够为人 们提供更加轻松 有序 高效的现代生活方式 在不久的将来 没有智能家居 系统的住宅肯定不合潮流 智能家居系统是一个大的社会系统工程 应当加快 华北电力大学本科毕业设计 论文 6 我国智能家居标准进程 积极协调宽带接入工程 根据我国国情 民情 鼓励 智能家居建设分 几步走 和 一步到位 共举 鼓励使用可充分开发利用大量传 统家电 非智能家电 的家庭平台 重视几万人需要通过电视实现上网的群体 重视小区局域网以外智能家居的市场需求 1 3 论文的主要内容 本文将围绕以下内容展开研究 单片机和嵌入式系统的硬件结构 工作原 理和应用 相关开发软件 传感器技术及其应用 无线网络传输技术和射频芯 片应用 图像处理技术 论文的预期目标是以单片机和嵌入式芯片为控制核心 并利用传感器技术 无线网络传输技术 射频技术 图像处理技术 设计智能 家居系统 华北电力大学本科毕业设计 论文 7 第 2 章 基于 Zigbee 网络的智能家居系统总体设计 2 1 系统总体设计 为了将家庭中的家居设备连接到网络之中 使传统家居设备具有网络化 自动化 智能化的特征 本系统需要在家居设备之上安装与之功能相对应的节 点模块 这些节点模块包括了传感器 执行器和通信模块 各个节点模块将各 自采集的信息经过处理之后通过家庭控制子网传输到家庭控制中心 家庭控制 中心将信息上传到家庭网关 家庭网关响应用户远程提交的查询指令 通过 Intemet 将结果反馈到用户手中的移动终端 用户的控制指令按照相同的路径传 输给节点模块执行设定操作 从功能层次来分 智能家居系统一般由家居设备 节点 家居主节点 家庭网关 手机移动终端几部分来组成 从网络层次上分 为家庭外部网络和家庭内部网络两部分 分别对应 Internet 网和 ZigBee 网络 网络拓扑如图 2 1 所示 图 2 1 智能家居网络拓扑图 家居设备节点包括以下三部分部件 射频收发模块 运算和控制单元 传 感和执行模块 射频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口 进行网络中 各节点设备的网络无线连接和无线数据或指令的收发 节点终端的传感和执行 模块 主要进行非法闯入或者有毒气体等意外灾难情况的探测 三表数据的采 华北电力大学本科毕业设计 论文 8 集 对各种网络家电的控制 这种控制或者检测功能需要通过运算和控制单元 操作完成 在本系统中家居设备节点的硬件核心为基于 S3C2440 的 ZigBee 无 线收发模块 在家庭子网中网络协调器 FFD 设备 全功能设备 充当家居主节点 FFD 负 责监督网络的正常运行 由它主导 ZigBee 无线传感器网络的建立 完成网络的 初始化 设备控制 数据采集等功能 子网中精简功能设备充当家居设备节点 主要完成传感采集 查询响应等功能 家居设备节点相互之间不能进行通信 只能与家居主节点进行通信 家居主节点与家庭网关之间使用串口连接 可将 数据上传到家庭网关中 家庭网关是智能家居控制系统的核心部分 主要完成 家庭内部网络各种设备之间的信息交换和信息共享 以及同外部通信网络之间 的数据交换功能 同时网关一般还负责家庭家居设备的管理和控制 外部网络 为智能家居系统提供高速 Internet 接入和 GPRS 无线广域网接口 使得用户可 以通过无线通信网络远程登录到家庭网关智能家居管理系统 对系统进行管理 和控制 对家中的终端节点进行数据访问或者控制 2 2 系统设计方案的比较与选择 整个家居系统可分为若干个子系统如中央控制室 安防子系统 空调子系 统 热水器子系统 室内环境子系统 门禁子系统等 系统设计框图如图 2 2 所示 中央控制室可以与加入互联网的设备 PC 手机 传感器模块 进行通 信 实现智能家居的安全报警 网络远程控制 手机远程控制和查看 Zigb ee GPRS 图 2 2 智能家居系统总体结构框图 远程远程 PC 远程手机远程手机 路由器路由器GPRS 中央控制器中央控制器 Zigbee 协调器协调器 空调子系统空调子系统 室内环境系统室内环境系统 安防子系统安防子系统 热水器子系统热水器子系统 门禁系统门禁系统Zigb ee Zigb ee Zigb ee 华北电力大学本科毕业设计 论文 9 2 2 1 中央控制器芯片的分析与选择 核心处理芯片需要完成处理和支持整个系统的功能需求 主要完成 AD DA 数据转换算法 提供实时的 GPRS 与 ZigBee 通信 完成短信息接收 模拟量输出功能 为完成上述功能 实现人机交互 对处理芯片进行选型 对比现有处理芯 片的优缺点 中央控制器选择 ARM9 S3C2440 芯片作为系统的核心处理芯片 安防系统使用凌阳公司自主开发的十六位单片机 SPCE061A 作为主控芯片 S3C2440 处理器工作频率为 400MHZ 适用于开发各种高端手持设备 小型终 端 车载及网络运用产品 S3C2440 芯片在 ARM920T 核的同时 增加了丰富 的外围资源 主要包括 外部扩充存储器 SRAM 控制器和芯片选择逻辑 1 个 LCD 控制器 4 个通道的 DMA 3 个通道的 UART 4 个 PWM 功能的 16 位定时 计数器和 1 个 16 位内部定时器 16 位看门狗定时器 117 位通用 I O 口和 24 位外部中断源 8 通道 10 位 ADC 触摸屏接口 IIS 总线接口 2 个 USB 主机接口 1 个 USB 设备接口 2 个 SPI 接口 电源管理 2 2 2 远程通信模块的分析与选择 通信模块需要完成远程的无线通讯的功能 目前主流的无线传输技术主要 有 GPRS 与 CDMA GPRS General Packet Radio Service 通用无线分组业务 作为第二代移动通 信技术 GSM 向第三代移动通信 3G 的过渡技术 是一种基于 GSM 的移动分组 数据业务 面向用户提供移动分组的 IP 或者 X 25 连接 GPRS 能给用户提供 端到端的 广域的无线 IP 连接 通俗地讲 GPRS 是一项无线高速数据传输技 术 它以分组交换技术为基础 用户通过 GPRS 可以在移动状态下使用各种高 速数据业务 包括收发 E mail 进行 Internet 浏览 即时聊天等 CDMA Code Division Multiple Access 码分多址 是在数字技术上的分支 扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术 CDMA 技术的原理是基 于扩频技术 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据 用一个带宽远大于信 号带宽的高速伪随机码进行调制 使原数据信号的带宽被扩展 再经载波调制 并发送出去 接收端使用完全相同的伪随机码 与接收的带宽信号作相关处理 把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩 以实现数据传输 本系统选用 GPRS 无线传输技术 其具有实时在线 高速传输等优点 符 合本系统传输模块的功能要求 华北电力大学本科毕业设计 论文 10 2 2 3 近程传输网络的分析与选择 智能家居网络通常能够分为家庭数据网络和家庭控制网络两种 家庭数据 网络提供高速率的数据传输服务 如家用计算机和数字电视 视频和音频播放 器 资源共享及高速上网等 家庭控制网络 提供便捷和低速率的控制和互连 网络 用于灯光照明控制 家居安防 家居环境监测以及家庭应急求助等功能 智能家庭控制网络是智能住宅系统的重要组成部分 家庭控制网络子网和远程 管理是该系统的重点和难点 与家居数据通信网络的应用目的不一样 数据通 信网络中音视频等大数据传输需要高速数据通信接口 而家居控制系统需要经 济 低功耗的控制网络 该控制网络的主要功能在于设备的连接与控制 基本 上无需高速的通信方式来支撑 在家居网络中 我们要考虑以下特点 1 低成本 大量的家电和传感器终端节点是家庭控制网络中控制的主要对 象 这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术 2 跨平台 智能家居系统的使用环境是一个家居环境 整个系统中有着错 综复杂的平台 不能强制要求用户能够对系统进行复杂的配置和管理 网络环 境下各种资源的自组织和协同工作显得非常重要 3 可扩展性 能够在系统主架构不做改动的情况下进行维护和扩展 加入 新的家居设备 4 远程控制 移动终端设备能够接入 Internet 并登录到智能家居控制系统 中 进行信息交互 实现远程监控和控制 传统的家居智能控制系统一般采用 有线方式来组建 如同轴电缆 USB CAN 总线等 但有线网络具有布线麻烦 可扩展性差等固有的缺点 限制了有线网络技术在智能家居系统中的发展 因 此 将无线网络技术应用于家庭网络己成为大势所趋 这不仅仅因为无线网络 具有更大的灵活性 流动性 省去了布线的麻烦 更重要的是它符合家居控制 网络的通讯特点 无线家居网络将人们生活与工作的广扩空间浓缩于人类的双 手可以掌控的距离 红外 蓝牙 ZigBee WiFi 等一系列无线网络技术的进一 步发展 必将大大促进家居设备无线化 智能化的进程 本文研究的无线智能 家居控制网络系统在家庭组网中采 ZigBee 技术 它是一种近距离 低成本 低 能耗 低数据速率的无线网络技术 它符合 IEEE802 15 4 标准 是 IEEE 工作 组专门为短距离通讯制定的标准 家庭控制网络是整个智能家居控制系统的神经和核心 对于家庭控制网络 Zigbee 在智能家居中的应用而言 必须满足如下要求 1 可靠性 家居控制网络要求数据传输的可靠性不能因为干扰或者信道阻 塞而下降 要保证家居主节点与家居设备节点之间安全 无差错的数据传输 华北电力大学本科毕业设计 论文 11 ZigBee 的 MAC 层采用 talk when ready 碰撞避免机制 这种方式大大提高了系 统数据传输的可靠性 在 talk when ready 机制下 数据接收端收到每一个数据 包之后都会进行确认并将确认信息返回给发送方 发送方若在规定的时间之内 没有接收到返回信息 即证明发生了 碰撞 数据将会再次重新传输 另外 ZigBee 还提供了鉴权和数据校验功能 2 成本 在一个家庭中可能有几十甚至上百个家居设备节点 对于众多的 节点来说 成本是相当可观的 目前 ZigBee 芯片的成本大约在 4 美元左右 对于大批量应用而言 ZigBee 设备的成本可以做到 2 美元以下 随着半导体集成 技术的发展 ZigBee 芯片的体积将会变得越来越小 价格也会降得更低 3 可扩展性 在家庭中家居设备不会一成不变 而在实际应用中经常需要 添加或者删减设备节点 当设备节点数目发生变动时 系统应当具备一定的机 制扩充网络节点 而不需要改变网络的结构 ZigBee 网络中每个 FFD 设备可连 接多达 255 个节点 而几个 FFD 之间则可形成一个更大的无线网络 ZigBee 网 络对路由传输的数目则没有限制 4 安全性 家居控制网络中的节点之间的信道不能被非法监听和修改 应 该是可靠加密的 ZigBee 采用加密机制进行数据传输 并可以灵活确定其加密 属性 ZigBee 联盟开发了 ZigBee 的安全层 以保证在远距离的数据传输中节 点不会意外泄漏其标识或者被其它节点获得 5 信号覆盖率 家庭住宅的范围在 10 100 米之间 且房间之间有墙壁阻 隔 各设备网络节点之间必须能够穿透墙壁在一定距离之间进行可靠通信 ZigBee 的有效覆盖范围可达 100 米左右 并且该频段对于墙壁有比较好的穿透 性 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而改变 一般都能够 覆盖办公室或普通的家庭环境 华北电力大学本科毕业设计 论文 12 第 3 章 ZigBee 无线通信技术 ZigBee 具有设备功耗低 复杂度低 实现成本小等特点 并能满足在低成 本设备之间实现低数据率的传输 3 1 IEEE802 15 4 协议概述 LR WPAN 是一种结构简单 低功耗 低成本的无线网络 它实现了低功 耗和低数据吞吐量的无线连接 为满足这些需求 IEEE802 15 4 工作组为 LR WPAN 专门制定了物理层和 MAC 子层的标准 它具备以下主要特征 星型和 点到点 P2P 两种拓扑结构 20kbps 40kbps 100kbps 250kbps 四种不同的传 输数率 16 位和 64 位两种地址方式 其中 64 位地址是全球唯一的扩展地址 16 位地址是由协调器分配的 时槽保障 GTS Guaranteed Time Slots 机制 信 道访问机制采用带冲突避免的载波侦听多路访问模式 CSMA CA Carrier sense multiple access with collision avoidance 低功耗机制 为保证可靠传输而支持 ACK 机制 信道基于 ZigBee 技术的智能家居系统设计能量检测机制 ED Energy Detection 链路质量指示机 1J LQI Link quality indication 选 择在 ISM 频段工作 所有的这些相关策略都是为了保证数据安全 3 2 802 15 4 协议架构及其技术特点 IEEE802 15 4 满足国际标准组织 ISO 制定的开放系统互连 OSI 参考模式 该模型定义了 MAC 层和物理层 如图 3 1 所示 华北电力大学本科毕业设计 论文 13 高层 IEEE802 15 4 LLC 802 2LLC SSCS IEEE802 15 4 MAC 子层 868 915 PHY 物理层 2400PHY 图 3 1 802 15 4 协议栈架构 Zigbee 在智能家居中应用多种 LLC 标准在 IEEE802 15 4 的 MAC 层得到支 持 通过 SSCS Service Specific Convergence Sub layer 业务相关的会聚子层 协议承载 IEEE802 2 类型一的 LLC 标准 其他 LLC 标准可以直接使用 IEEE802 15 4 的 MAC 层服务 LLC 子层主要用于保障传输可靠性和控制数据 包的分段与重组 IEEE802 4 的 MAC15 协议主要功能 确认模式的帧传送与接 收 设备间无线链路的建立 维护和结束 帧校验 预留时隙管理 广播时隙 管理 数据包的顺序传输 信道接入控制 IEEE802 15 4 定义了 2 4GHz 物理层 和 868 915MHz 物理层两个物理层标准 它们都基于直接序列扩频技术 工作 频率 调制技术 扩频码片长度和传输速率不同 但使用相同的物理层数据包 格式 ZigBee 可以使用全球统一的无需申请的 2 4GHzISM 频段 这样有效降 低了 ZigBee 设备的生产成本 促进了 ZigBee 技术的发展 2 4GHz 的物理层通 过采用高阶调制技术能够提供 250kbps 的传输速率 有助于获得更高的吞吐量 更小的通信时延和更短的工作周期 从而更加省电 美国的 ISM 频段为 915MHz 868MHz 是欧洲的 ISM 频段 这两个频段的引入避免了 2 4GHz 附近 各种无线通信设备之间的干扰 868MHz 和 916MHz 这两个频段上无线信号传 播损耗较小 因此可以提高接收机的灵敏度 有效通信距离得到较大的提高 从而可以扩展设备的覆盖区域 3 3 802 15 4 协议网络组成及拓扑结构 在 IEEE802 15 4 中定义了两种设备 简化功能设备 RFD Reduced Function Device 和全功能设备 FFD Full Function Device 在 华北电力大学本科毕业设计 论文 14 通信能力上 RFD 只能和与其关联的 FFD 进行通信 而 FFD 不仅可以与其它 FFD 设备通信 还能与 RFD 之间通信 FFD 比 RFD 在硬件功能上比较完备 如 RFD 采用电池供电 通常 FFD 为保证充足的能耗而采用主电源 与 RFD 相 关联的设备称为该 RFD 的协调器 Coordinator 在一个 ZigBee 网络中 必须有 一个 FFD 充当网络的协调器 PAN Coordinator 网络协调器除直接参与应用外 还需要完成链路状态信息管理成员 身份管理以及分组转发等任务 完整的 ZigBee 协议框架由网络层 应用层 数据链路层和物理层组成 其中 IEEE802 15 4 负责物理层和链路层标准 网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定 3 4 ZigBee 网络层 ZigBee 协议要求总体架构上延续 IEEE802 15 4 协议的规范 将无线通信网 络的网络层分为管理实体 NLME Network Layer Management Entity 和数据实 体 NLDE Network Layer Data Entity 管理实体接口用于向上层架构提供内部 参数的访问接口 管理和配置网络连接 数据实体用于向上层架构提供特定的 常规数据通信服务 ZigBee 标准确定了 ZigBee 网络中的三种设备 协调器 路由器和终端设备 协调器 每个 Zigbee 网络都必须包含一台 ZigBee 协调器 ZigBee 协调 器负责监督网络的建立 并且负责选择合适的无线信道 分配网络标示符等操 作 路由器 路由器是设备之间用来做数据中继的环节 ZigBee 路由器之间 可以互相连接以组成范围更大的网络 在网络中作为远程设备之间的中继器来 进行大范围的通信 另外通过特定的算法在两个设备之间搜索最佳的传输路径 为设备建立端到端的数据连接 终端设备 Zigbee 终端设备是整个系统的端点 用以传输该节点的传感 器数据 在家居控制网络中终端设备主要负责数据采集 网络层的数据服务由 数据实体提供 应用层和 MAC 层的接口分别为网络层数据访问接口 MAC 层 数据访问接口 实现两个对等的应用层之间的传输 在接受到高层的数据请求 原语之后 网络层先组织一个网络协议数据单元 NPDU 然后根据相关的路由 算法确定下一条的设备目标地址 路由查询机制在当高层需要发送数据时启动 以满足相关的功能要求 管理实体提供了网络层控制 网络层信息库 NIB 维护 其中主要提供以下服务 首先 配置网络中的新设备 根据要求配置协议栈 并通过一系列操作 能够为网络协调器提供管理功能 因此应用层的接口是网络层的核心技术 主 要包括 建立新网络 定义新网络的建立过程 加入和离开网络 主要是路由 华北电力大学本科毕业设计 论文 15 和节点网络的建立 以及网络的离开与撤销 地址分配 定义了协调器 Coordinator 和路由 Router 如何为加入网络的设备分配地址 邻居发现 发现无 需路由在单跳范围内即可到达的设备 并将邻居节点的信息记录在邻居表中 并对其进行维护 路由发现 在目的设备不在单跳范围内的情况下 申请路由 转发与查找功能 将查找到的设备路径记录在路由表中 以便网络的建立与后 续的数据传输 接收控制 控制接收器开关和进入休眠状态的时间 以达到降 低功耗的目的 使能物理层同步以及数据接收功能 图 3 2 图 3 3 图 3 4 分 别给出了各种设备网络层的功能模块 首先需要对网络层进行初始化 协调器 在网络的组建过程中对网络进行初始化 路由器和节点在发现后申请加入到该 网络中 同时进行网络地址的分配 在传输过程中 需要进行路由功能的配置 对路由算法进行选择 维护并建立邻居表 图 3 2 Coordinator 功能模块图 设备启动后可以直接加入一个网络 也可以通过关联操作加入网络 ZigBee 网络层通过 NLME JOIN request 原语来支持这一操作 ZigBee 网络的网 络层在接受到该原语后 调用物理子层的 SCAN 功能 分析信标帧中 network descriptor 标记来决定其父节点并选择可能的父设备 这里有 LQI 链路质量指示 值 和网络深度两个主要指标 其中 LQI 的值越高说明链路质量越高 数据传输就 越可靠 而网络深度指标 表明了该设备到达协调器的路由最小跳数 因此 在网络中协调器的深度为 0 其子设备深度为 l 网络的最大深度由网络协调器 决定 在 LQI 值相同的情况下 设备优先选择网络深度大的作为其父设备 协调器主要利用物理子层提供的扫描功能设定合适的信道 PANID 个域网 ID 以及网络地址后 便开始向网络发送信标帧 等待其他设备请求加入该网络 华北电力大学本科毕业设计 论文 16 只有尚未加入网络的 ZigBee 协调器才可以建立网络 一个 ZigBee 网络的建立 通常需要某个设备节点发起 协调器建立网络的过程通过 NLME NETWORK FORMATION request 原语来启动 网络中的设备选择到合适的父设备之后 在物理子层向该父设备发起连接 请求 连接请求通过 MLME ASSOCIATE request 原语发送 父设备收到设备请 求之后将更新邻居表 将发出请求的设备加入其中 并分配相应的网络地址 图 3 3 Router 功能模块图 ZigBee 无线传感器网络中所有的路由器和协调器都维护一张路由表 这张 路由表中记录着网络节点之间路由路径的信息 在 ZigBee 网络中 设备离开网 络有如下两种方式 通常情况下 设备离开网络的过程中 两种情况都有可能 发生 第一种是子设备向父设备请求离开该网络 第二种是父设备向子设备发 送请求 并将其从网络中断开 华北电力大学本科毕业设计 论文 17 图 3 4 End Device 功能模块图 当一个子设备收到父设备要求其离开网络的请求后 父设备通过 NLME LEAVE request 原语要求所有的子设备离开网络 所有子设备拆除连接 之后 父设备重新分配网络地址 在父设备分配完所有的网络地址之后 将不 允许其他的设备加入该网络 需要加入该网络的设备必须请求其他具有可用地 址的父设备 协调器规定了在这个过程中最大的路由器数目 对于一个 ZigBee 网络来说有以下几种路由方式 第一 查看目标设备是否 在设备的邻居列表中 第二 检查路由表记录信息 第三 采用树形路由 在 这些路由结构中树形路由结构较为简单 同时有效性较强 适用于本文构架的 小规模且移动性不高的网络可以考虑采用这种路由方式 ZigBee 路由器可以缓 存信息 保证当设备休眠时依然能够找到正确的网络路径 以便充分利用网络 中已经建立起来的路由表 在设备没有路由能力或者没有相关的路由信息的情 况下 网络只能根据邻居列表进行树形路由 并且尝试通过路由发现方法 来 补充完整现有的路由表 3 5 ZigBee 应用层 ZigBee 应用层由制造商定义的应用对象 APS 子层和 ZDO 三个部分组成 APS 子层的主要任务是负责设备之间的信息传输 ZDO 在网络中负责发现网络 中的设备 定义网络中设备的角色是 ZigBee 路由器还是终端设备并且判定这些 设备提供何种服务 确保网络设备之间安全准确的传输途径 另外还负责初始 华北电力大学本科毕业设计 论文 18 化和响应绑定请求 一个 ZigBee 网络中同时存在全功能设备 FFD 和精简功能设备 RFD 两种类 型的功能设备 其中全功能设备指的是在 ZigBee 网络中具有完整功能的设备 全功能设备及可以当做普通网络节点 也可以作为协调器或者路由器 一个全 功能设备可以和多个全能型设备和多个精简型设备通信 RFD 是指简化型设备 简化型设备一次只能和网络中的一个全能型设备进行通信 在网络中充当终端 节点 网络协调器提供管理功能 是 ZigBee 网络的核心节点 在网络组建的过程 中协调器选择没有被占用的空闲信道进行传输 并且设定相应的网络标号 并 配置网络的拓扑类型 层次深度 节点数等参数 网络创建并且配置完成之后 协调器的工作方式与路由器相同 因为 ZigBee 的分布式操作特点和特殊的网络 组织方式 一旦网络连接建立之后 协调器便不再参与网络的运行 综合以上 内容可以知道 ZigBee 网络中路由器是网络中重要的通信设备 其他设备需要 通过路由器来介入网络 路由器在网络中还需要完成数据收发 路由选择等功 能 同时由于规定了 ZigBee 网络中两个独立的终端设备之间不能相互通信 和 移动终端之间进行数据传输时需要路由器来协助完成 在智能家居系统的家庭 控制网络子网中 协调器是家庭子网的核心节点 负责发起网络 选择关键的 家庭子网参数和维持子网的正常工作 路由器用来扩展家庭子网的网络结构 根据路由协议转发数据并协助家居设备节点之间进行通信 协调器和路由器必 须由 FFD 担任 终端设备仅实现特定的简单功能 无需参与到网络的配置与管 理之中 例如作为温度传感器或者电源控制器 此类设备可由 RFD 或 FFD 担 任 华北电力大学本科毕业设计 论文 19 第 4 章 智能家居系统的硬件设计 4 1 家庭控制子网的组建 4 1 1 家居设备子节点 智能家居系统在家庭环境中布置 ZigBee 模块作为家居设备节点以无线通信 方式组织成网络 设备节点负责监测周围一定范围内的环境状态 收发信号并 进行数据处理 智能设备节点使用 TI 公司的 CC2430 综合解决方案作为主要硬 件平台 CC2430 模块中除了 ZigBee 收发模块之外 还包含了一个具有较高处 理能力的 MCU 内核 单片机根据预先写入的程序 采集传感器信息 转发命 令和状态信息 通过继电器控制家居设备的工作 智能设备节点的底层终端主要包括三表计量节点 环境温度湿度监测和控 制节点 报警信号采集节点 家电控制节点 灯光控制节点等 设备节点单元 主要包含射频收发模块和传感器或受控终端以及两者之间的接口控制模块 射 频收发模块作为系统中各网络节点的通信接口 进行网络中各节点设备的无线 连接和无线数据或指令的收发 系统的终端传感或受控单元 主要进行环境中 温度 湿度等各种数据的采集 非法闯入 火灾或有毒气体等意外灾难情况的 探测以及对各种家电设备的控制 在家庭控制网络中家居设备节点根据其输入输出属性的不同分为五类 表 4 1 家居设备节点的类型 编号类型传感或执行单元适用设备 000B模拟读取模数转换器温度传感器等 001B模拟控制数模转换器调光灯等 011B开关量读取无报警器等 010B开关量控制继电器 可控硅家用电器开关 100B数据量输入输出专用数字采集控制模块三表 遥控器 摄像 头 由于每个 ZigBee 节点设备在网络中只能与家居控制中心进行通信 通常既 可以由 ZigBee 全能型设备担当 又可以由精简型设备担当 在系统中一个子网 的设备个数不多于 254 个 每个家居节点设备在同一时刻只能与一个上层节点 进行通信 这个上层节点即家居主节点由全能型设备构成 家居主节点在网络 的建立与管理中作为协调器存在 由于家居设备节点在网络中不需要与邻近的 华北电力大学本科毕业设计 论文 20 节点之间进行协调 因此家居主节点不支持路由功能 终端节点在网络建立完 成后即可关闭收发器进入节电模式 开始离线工作 且不影响网络的连通性 家居设备节点在 ZigBee 网络中作为终端设备 由嵌入到家电设备中的 ZigBee 通信模块 传感器 执行器等单元共同构成 加入家庭控制网络子网的家居设备节点按照功能进行分类可以分为网络通 信功能和设备功能两大部分 本系统中家居设备节点采用 ZigBee 精简型设备 家居主节点采用全能型设备 因此家居设备节点的网络通信功能部分相对于家 居主节点来说比较简单 在网络中为了保证家居设备节点响应网络请求 必须 要建立应用程序和网络通信功能之间的接口 在网络通信功能与设备功能之间 建立连接 连接的建立过程也就是设备根据相关的通信协议进行通信的过程 按照通信协议 不同的数据位和数据值代表不同的请求与参数 家居设备节点 和家居主节点之间根据通信协议规定的请求与参数调用相应的操作子程序控制 传感器和执行器完成代码要求的操作 图 4 1 为家居设备节点工作流程 华北电力大学本科毕业设计 论文 21 程序初始化 NO PRIMITIVEY 是否已经 加入网络 是否要加 入网络 是否作为 老节点加 入 是否发现 网络 是否要发 送数据 发送数据 加入原有网络 成功加入网络 Y N N Y N Y YN N Y 图 4 1 家居设备节点工作流程 4 1 2 家居设备主节点 家居主节点是家庭控制网络的主控设备 要求必须由至少一个 ZigBee 网络 的 FFD 设备组成 一方面它主导家庭内部网络建立的整个过程 主要包括系统 初始化 网络的建立 地址的分配和成员的加入 节点设备数据的更新 数据 转发表 设备关联表等几个方面 另一方面作为家庭网关和设备节点之间的桥 梁 完成家庭网关和家居设备节点的通信 家居主节点作为协调器 处于 ZigBee 网络的最上层 功能较为复杂 因此 智能家居系统对家居主节点的硬件配置也有较高的要求 系统上电后 家居主 节点首先选择一个空闲信道 采集活动节点信息 并为之分配一个唯一的节点 号 完成系统地址表的初始化 系统运行过程中 家居主节点要与众多设备节 华北电力大学本科毕业设计 论文 22 点进行通信 并对它们进行相应的控制 除此之外 家居主节点必须能发现网 络拓扑结构的改变 如设备节点的插入和拆除 修改和维护网络地址表的信息 实现网络的自组织功能 家居主节点的具体工作过程如下 1 系统初始化 系统上电以后 家居主节点选择网络中的空闲信道 以广 播的方式通知已上电运行的设备节点初始化 家居设备节点收到家居主节点的 数据帧之后 产生一个 0 255 的随机数 这个随机数用于计算本节点的时延 每个节点等待随机时延后向协调器发出入网请求 延时时间由随机数与时延基 数相乘得出 家居主节点收到家居设备节点的请求后分配给该设备节点一个 16 位的网络地址 并将该设备节点的相关信息记录在地址表中 进行网络设备关 联 若设备节点向主节点发送入网请求后一分钟内没有得到回应 则重新产生 一个随机数 等待随机时延再次向家居主节点发送入网请求 家居主节点完成 所有上电的设备节点初始状态的采集 完成网络的组建与配置过程 2 网络拓扑结构更新 当网络拓扑结构发生变化时 家居主节点必须具有 能够发现这种变化并修改地址表信息的功能 设备节点的接入和拆除会引起网 络拓扑结构发生变化 ZigBee 网络具有自组织功能 设备节点的插入 在网络运行中 新设备节点通电后会主动发送入网请求 家居主节点首先判断该节点是否存在于地址列表中 如果该节点不在当前的网 络地址列表中 即该节点当前不在网 同时网络中的设备节点数还没有超过网 络最大容量 则家居主节点记录该节点的初始信息 并给该节点分配一个唯一 的节点号 如果设备节点的入网请求在规定时间内没有得到回应 则等待随机 时延后重新发送入网请求 这样就完成了节点的插入 华北电力大学本科毕业设计 论文 23 Y N N Y Y N N Y Y N N Y Y 结束 家居控制中心广播初始化 节点随机延时后请求入网 节点入网成功 节点进入低功耗状态 节点电量低 控制中心 唤醒节点 节点响应控制中心 节点执行指定操作 节点返回相关信息 i 0 通信成功 i i 1 i 3 拆除异常设备节点 系统上电 响应 RIQ 中断 电量低 产生报警信息 等待随机延时 i 0 通信完成 N 图 4 2 网络组建流程图 华北电力大学本科毕业设计 论文 24 设备节点的拆除 设备节点的拆除根据发起者的不同分为两种情况 一种 是设备节点请求拆除 家居主节点收到节点拆除请求命令后 修改地址表中对 应该节点的信息 回收节点号 并告知节点拆除操作成功 另一种拆除是由家 居主节点主动发起 如果家居主节点和设备节点 3 次通信均不成功 家居主节 点将拆除该节点 如果该节点向家居主节点发送了 3 次入网请求都没有得到回 应 则该节点需重新发送新的入网请求 以获得新的网络节点号 3 节点通信功能 设备节点只能与家居主节点通信 设备节点相互之间不能进行信息交互 根据节点输出的数据类型不同 家居主节点把它们分成两类 一类节点的数据 需要周期性的进行采集 对于这里节点 家居主节点以轮询的方式周期性的与 它们进行通信 另一类设备节点只在报警时才输出数据 这类传感器的输出将 以中断的方式触发它们和家居主节点之间的通信 家居主节点不仅要完成设备 节点的信息采集 还要实现对节点的控制 包括节点的设置 节点操作和节点 重启等 所谓节点设置 就是家居主节点对节点的某个参数值进行设定 譬如 说烟雾传感器报警的门限值 节点操作主要是家居主节点控制相应的设备节点 譬如进行报警的撤防 灯光控制等等 节点重启就是当控制中心发现某节点上 传的数据出现连续错误时 可以关闭该节点再重新启动实现复位功能 系统运行过程中还有需要注意的其他问题 首先 传感器电源的监测是个 重要的问题 如果传感器电源电压过低 它可能输出错误的信息 家居主节点 不能发现这种情况 则不能保证采集的数据的正确性 因此 家庭网关必须要 监测设备节点的电量 发现节点电量低时应发出相应的警报 拆除该节点并将 相应的信息发送到远程管理终端 其次 为了降低设备节点上的功耗 当无数 据通信时 让节点进入等待或休眠等低功耗模式 家居主节点必须记录该节点 的状态 并能够以适当的方式唤醒该传感器节点 智能家居系统的 ZigBee 网络 就是通过这样的方式组建 4 1 3 子网通讯协议 为了使各个设备之间能够识别发送给自己的数据所代表的信息含义 家居 设备节点和家居主节点之间必须制定统一的通信协议 家居主节点对家居设备 节点的操作主要有两种 一种是查看设备节点的状态 另一种就是对设备节点 进行功能性的操作 所以需要在家居主节点和家居