智能家居系统设计与实现（毕业论文）

1、基于zigbee的智能家居系统设计与实现摘要：随着人们生活水平的提高及物联网技术的飞速发展,人们对于家居环境提出了更高的要求,智能家居也就应运而生,人们希望能通过各种家居设备来享有更加舒适，便捷的居住环境。但是传统家居设备的控制信息传输主要靠布线技术，不但系统升级麻烦，且成本过高，实际的应用效果也不明显，并没有很大的改善人们的生活。zigbee的出现使的这一现象得到有效的应解，zigbee是一种低成本、低功耗无线通信技术，它的自组网技术可以方便的使家中的各种设备组成一个区域网，信息传送的可靠性也极高。使用zigbee作为家居内网可以方便的对家电进行控制和对安防预警信息进行采集。本文首先介绍了智

2、能家居的研究背景和国内外的发展现状，然后对zigbee技术进行介绍，比较详细的介绍了zigbee协议框架中各层次扮演的角色及特点，并对zigbee技术在智能家居中内部组网技术的适用性作了比较分析。最后综合讲解了智能家居系统的设计方案，包括系统功能及特色等。集中控制端在个人pc机上模拟实现，与之构成c/s结构的远程控制端有windows和linux端，他们之间采用面向连接的socket加密通信。家居内网采用基于cc2530的soc建立强大的网络，以协调器为核心节点，组合其他设备终端节点进行家居网内信息的采集和传输，实现家电控制和温度、湿度、入侵等安防信息采集。同时设计便捷、易用的软件界面，既可以

3、在家中使用，也可以在任何有网络接入的设备上实现远程控制。测试表明：使用远程控制端或集中控制端都能可靠的对家电进行控制和安防信息的采集，系统具有一定的稳定性和扩展性，达到预期目标。关键字： zigbee 智能家居 家居内网 多方式控制design and implement of smart homebased on zigbeeabstract: traditional home device control information transmission mainly depends on wire line technology, this kind of control system

4、not only upgrade is very troublesome, but also the cost is too high, and the actual effect is not obvious, and peoples lives are no significant improvement. while zigbee come into being, this phenomenon wont happen again, zigbee is a low-cost, low-power wireless communication technology, the automat

5、ically set up network features ,which makes a variety of devices composed of a wpan at home easily, and the information transmit reliability is very high. using zigbee as internal home network is very appropriate to control home appliances and collect security warning information. the paper first in

6、troduces the research of smart house background and current development at home and abroad, and then introduces the zigbee technology, a more detailed description of the role and characteristics of the zigbee protocol framework at all levels.at last i integrated explain how to design the smart house

7、 system, including system functions and characteristics. the centralized control side simulation on a personal computer, which forms c/s structure of the remote control side, including windows and linux side, and they communicate each other with connection-oriented and encrypted socket. within the h

8、ome network to build a strong network nodes which are based on the soc of the cc2530 , coordinator for the core node, the combination of terminal nodes of other devices within the home network information acquisition and transmission, appliance control, and temperature, humidity, intrusion and other

9、 security information collection. at the same time the design is convenient, easy-to-use software interface, we can use at home easily and also access remote control of network equipments. the experiments show that: using the remote control system or centralized control system can control home appli

10、ances and collect security warning information easily. the system has a certain stability and scalability, which can achieve the desired goal.keywords: zigbee smart home internal home network multiple control 目 录第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究概况及发展趋势21.2.1 国外研究发展概况21.2.2 国内研究发展概况21.2.2 智能家居发展趋势31.3 研究内

11、容及组织结构41.4 本章小结5第二章 无线通信与zigbee技术62.1 无线通信概述62.2 zigbee技术简介62.2.1 zigbee技术概述及特点62.2.2 zigbee的网络拓扑结构82.3 zigbee在智能家居中的适用性102.3 zigbee协议体系结构112.3.1 物理层122.3.2 mac层142.3.3 网络层152.3.4 应用层162.4 zigbee在智能家居中的应用172.4.1 安全系统172.4.2 抄表系统182.4.3 灯控系统182.4.4 多区域hvac系统192.4.5 消费类电子202.5 zigbee的价值和应用前景202.6 本章小结

12、21第三章 系统设计与实验方案223.1 系统需求分析223.2 系统设计方案223.2.1 系统总体设计概述223.2.2 zigbee网络拓扑结构及各终端角色233.2.3 系统实现目标及特色243.3 系统实验方案253.4 家电模拟控制及安防信息采集263.5 本章小结27第四章 系统功能实现详细介绍284.1 基于zigbee的无线信息采集与传输284.1.1 信息采集与传输的安全性294.1.2 zigbee的csma/ca 机制304.1.3 zigbee的网络工作方式324.1.4 网络协调器的收发数据324.2 linux环境下的远程控制端设计与实现334.3 集中控制端的介

13、绍354.4 本章小结35第五章 系统开发环境与测试365.1 zigbee 片上系统365.2 软件平台375.2.1iar 7.51375.2.2zigbee协议栈385.3 系统运行与测试395.4本章小结40第六章 工作总结与展望416.1 工作总结416.2 展 望41参考文献42致 谢43附录a44第一章 绪论1.1 研究背景及意义随着人们生活水平的提高及生活节奏的加快，人们的住宅也开始电子信息化。家用电器、通信设备与安防设备逐渐的进入家庭，加之通信与信息技术的发展，家居越来越智能化。人们也希望能更加方便的对家用电器进行操作同时对家中的居住环境和安防状态进行监测，享有一个高效，安全

14、，便捷，环保的家居环境，于是智能家居的概念被越来越多的人们提出。智能家居是一个多功能的综合技术系统,它以家庭住宅为平台,利用计算机、网络、传感、自动化与嵌入式技术,将与家居生活有关的各个子系统如灯光控制、安防预警、家电操作等整合在一起，并通过家居信息管理平台对其进行综合管理，使人们能够方便获取一体化，全方位的家居资源。随着互联网技术的深入发展和成熟，“物联网时代”到来的呼声日益高涨，国家“十二五”规划中也明确将物联网作为战略性新兴产业来培育发展。而国内外各大家电生产厂商生产的各种高端家电也开始预留信息控制接口，准备着迎接物联网时代的到来。智能家居也是物联网产业的一部分，也是物联网在明生应用领域

15、的重点部分，加之近年来房地产的迅猛发展和媒体宣传造势，智能家居呈现耳熟能详化，为此智能家居必将得到高速发展。国内外的一些技术厂商都在进行市场推广和技术储备，以便在合适的时机退出自己的智能家居产品。虽然各种产品的功能标准和应用接口不太一样，但是不难想象，智能家居的功能都会基本涵盖一下几个方面：(1) 灯光控制：不管哪个家庭都会有需要更加方便的对家中灯光进行控制。(2) 家电控制：为了更加便捷的生活，人们可以在家中方便的对热水器，空调等进行控制，也希望需要时能通过有网路接入的设备对电器进行远程控制，如出差回来的路上打开热水器，回到家可以舒服的洗个热水澡。(3) 安防预警：居家生活，平安是最大的愿望

16、，通过对家中烟感，入侵等安防信息进行实时监测，免去后顾之忧。 为此设计出一套既有通用性，又可以方便的进行扩展的智能家居系统是前提，我们希望能简化家中控制系统的复杂性，降低安装成本和提高信息传送的安全性，解决实际推广中可能会出现的问题，为智能家居的大规模应用提供一定的借鉴和助推作用，真正的使高效便利的生活触手可及。1.2 国内外研究概况及发展趋势1.2.1 国外研究发展概况 自从世界上第一幢智能建筑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不同的智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。11998年新加坡举办的“98亚洲家

17、庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、 家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。目前在新加坡也有近30个社区(住宅小区)近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”，相信到了21世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。目前美国有一种占据市场主流的产品x-10，销售已超过1亿个，

18、设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过400万个家庭在使用。韩国三星从今年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。在日本智能家居也很发达，日本secom(西科姆)安全公司是举世闻名的智能家居公司，他的产品能使家中的电器自动联网，甚至有了生物识别实现自动门禁功能，人只要站在门口几秒钟，就可以自动解除门禁。由于智能家居的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食智能家居市场。虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样

19、的信念：山那边遍地是金。1.2.2 国内研究发展概况智能家居在我国起步比较晚，最早从事智能家居的企业是天津瑞朗智能家居电子科技有限公司，这几年来，智能家居作为一个方兴未艾的产业，受到越来越多行业者的追捧，发展非常快，生产厂家非常多，产品也是各种各样，遍布智能家居生产的各个环节。比如海尔的u-home智能家居系统，现在已经比较成熟了，他构建室内家电、多媒体、环境检测、远程监护等全方位数字生活,利用“智能物联网”作为住区服务和管理系统,实现绿色低碳住宅产业，但是像这样的龙头企业却比较少。在外观和产品质量上，总体与国外还有较大的差距，但有些产品，比如家庭智能终端，中国的几个厂家的产品已经做得很好了，

20、不但美观漂亮，而且功能很多，与国外的品牌比非常有竞争力。智能家居是未来居家生活的前进方向，受我国经济现状的限制，智能家居现在普及比较少，多是有一定经济能力的专属，不过现在已经慢慢有廉价的产品出现，进入普通百姓家，比如家庭的情景灯光系统，这个比较实用，价格也不是太高，目前也比较容易让老百姓接受。特别是近几年以来，伴随着房地产业的火爆，给国内智能领域带来了发展的机遇。众所周知，中国人口众多，城市住宅建设也多选择密集型的住宅小区方式，因此很多房地产商会站在整个小区的角度来看智能化，也就出现了目前一统天下、无所不包的“智能小区”的模式。“智能小区”是一个多功能的系统，每个功能子系统都可以单独使用。诸多

21、功能子系统还要具有协同配合的能力。这些系统包括：小区对讲系统、门禁系统、小区周界防范系统、监控系统、背景音乐系统、停车场系统、自动抄表系统等等。在房地产和媒体的助推下，与智能小区紧密相连的智能家居也会逐渐的进入千家万户，但是在发展的同时，也遇到了很多不容忽视的问题：(1)没有统一的技术标准。没有标准就造成了百花齐放的局面，不同厂家的产品之间相互之间彼此不兼容，用户很难有选择性，换代或者升级很麻烦，成本也很高，用户在实际使用时存在很大的困惑。(2)市场定位太高。大部分的智能家居品牌都是定位在高端客户，目标就是高档住宅和别墅，这就造成了市场非常的狭窄，初期投入非常的大，就是大客户也不会冒然的投资，

22、市场局面无法打开。1.2.3 智能家居发展趋势 智能家居的提出到现在已经有很多年了。从第一代单一智能家居产品到现在的百花齐放，智能家居发展已经非常的迅速，特别是距互联网技术的又一革命性的技术物联网的提出和全世界对物联网的热情投入，物联网的发展也必将推动智能家居的发展，智能家居作为物联网产业应用最广泛的一环也必将得到迅猛发展。当今的智能家居产品品质参差不齐，相互之间兼容性也很差，规范不统一。未来的智能家居将依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、淋浴器等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本

23、”的全新家居生活体验并更加的人性化、实用、易用，真正的提高人们的生活品质，智能家居的发展趋势会朝着以下几个方面发展: (1) 家居内网无线化。以往的智能家居产品之间的信息交换大都是靠有线传输，有线传输带来的问题很明显，布线麻烦，系统升级困难，更重要的是有线控制限制了产品的智能化，除干线区域采用布线控制外，家居内网的无线化使得控制更加的方便，安装和维护也会更加的方便。(2) 控制系统的高度集成化。随着社会和经济的高速发展，人们的生活水平也相应的得到提高，电子产品越来越多，但是各个产品之间没有任何的联系，几乎每个产品都有单独的遥控器，如果能用一个终端控制、监控所有的家电，给生活带来的便利不言而喻。

24、(3) 控制方式多样化。传统的智能家居控制方式单一，随着网络和电子终端产品的发展，控制软件可以运行在各种智能手机和有网络接入功能的其他电子产品中。特别是智能手机，将成为未来智能家居最重要的移动式智能控制终端，通过手机的智能家居客户端软件或web方式，实现对家庭内部的远程监控与控制，对家里远程开锁，客人图像确认，远程开启空调以及暖器设备。(4) 功能更加智能化。随着生活节奏的加快和生活压力的增大，人们都希望能有一个温馨的港湾能够放松疲惫的身心.回到家后人们希望能根据外部环境来调节室内的温度和湿度等，同时也希望能够在开电视的时候自动调暗灯光等。而随着物联网技术的发展，甚至家中的每一件物品的状态都能

25、查询到，比如冰箱的存储状态，热水器的水温。而一旦家中有安全威胁或者家中老人的有突发情况，系统也会相应的进行报警。1.3 研究内容及组织结构本文根据国内外智能家居的历程，结合当前的发展现状的不足之处，选择zigbee无线网作为家庭内网。并以嵌入式为基础，结合网络，传感器等技术设计出一套简单，易操作，低成本和多方式控制的基于zigbee的智能家居智能控制系统。实现对家用电器的现场无线遥控操作和安防信息的监控与预警，同时使得有网络接入功能的特定设备可以远程使用本智能控制系统。本论文的研究内容如下：(1) 开发不同环境的远程控制端的设计与实现，以方便用户多途径方便的控制家中电器设备和对家中安防信息进行

26、监控。(2) 开发集中控制端，验证远程控制端用户的控制权限，在权限合法后对远程指令进行解析后通过串口转发给相应的目标设备。(3) 远程控制信息的加密处理，防止控制信息被截取后带来的安全隐患。(4) 利用zigbee技术来进行家居内部组网，以方便节点的灵活加入和离开，省去布线的麻烦。(5) 开发简洁，美观，易操作的用户界面，方便用户使用。本论文的组织结构安排如下：第一章：介绍智能家居的研究背景和意义，以及智能家居在国内外的研究概况、展望智能家居在未来发展趋势，同时对本文研究内容、设计、实现和文章组织结构作安排。第二章：介绍了无线通信技术的发展，并对zigbee和其他几种无线技术进行对比介绍后，分

27、析zigbee在智能家居内部组网的适用性，然后对zigbee协议的各层次进行比较详细的介绍。第三章：根据对智能家居系统进行的需求分析，设计出智能家居系统的方案后，定位系统方案要能达到的目标，对系统各结构的具体功能作详细介绍。第四章：详细介绍基于zigbee的无线信息采集与传输和linux下的远程控制端的设计与实现，同时简单介绍集中控制端。第五章：介绍智能家居系统开发用到的硬件和系统开发平台，然后对系统进行的测试结果进行分析。 第六章：对工作进行总结，提出系统设计中还需要完善和改进的地方，并对本文的意义和价值作介绍。1.4 本章小结 本章首先介绍了智能家居的研究背景和意义，随着人们生活节奏的加快

28、，智能家居会扮演越来重要的角色。随后介绍了智能家居在国内外的研究概况和发展现状，智能家居在欧美日韩等发达国家起步早，现在也走在技术的前端，国内虽起步晚，但发展迅猛。最后综合现状和环境，展望了智能家居在未来的发展趋势。第二章 无线通信与zigbee技术2.1 无线通信概述随着科学技术的不断发展，通信技术已深入到人类的各个方面,为了摆脱各种线缆对个人终端的束缚，人们对能够随时随地提供信息服务的移动计算和无线通信的需求越来越迫切。无线通信是指利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。近些年在通信领域中，发展最快、应用最广泛的就是无线通信技术。自从马可尼发明无线电以来，无线通

29、信技术一直向着不断提高数据速率、传输距离、安全和稳定的方向发展。 从七十年代开始，人们就开始了无线网的研究，而伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补有线之短，也赢得了特定的市场认可，为了规范和更好的发展，ieee制订了802.11无线局域网标准，主要对网络的物理层和媒质访问控制层进行规定，这样就使得无线网的多点接入和多网段互联能更加方便、廉价的实现。 无线通信已深入到人们生活和工作的各个方面，包括日常使用的手机、无线电话等，当然也有当今很热门的3g、wlan、宽带卫星系统等应用。2000年成立的ieee 802.15.4工作组将致力于提供一种廉价的固定、便

30、携或移动设备使用的极低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，而zigbee正是这种无线技术的商业命名。2.2 zigbee技术简介2.2.1 zigbee技术概述及特点 zigbee是基于ieee802.15.4标准的低功耗个人区域网协议，是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。 zigbee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式， 蜜蜂通过跳 zigzag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。在标准化方面，ieee802.15.4工作组主要负责制定物理层和mac层，高层应用和市场推广等工作将

31、由zigbee联盟负责。 zigbee技术具有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、安全性高、实现成本低等特点，可以工作在2.4ghz、868mhz和915mhz这3个频段上，分别具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，他的技术特点具体如下：(1) 低功耗: 由于zigbee的传输速率低,发射功率仅为1mw,而且采用了休眠模式，功耗低,因此zigbee设备非常省电。据估算，zigbee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。 (2) 成本低： zigbee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.

32、5美元, 并且zigbee协议是免专利费的。低成本对于zigbee也是一个关键的因素。 (3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此zigbee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 (4) 网络容量大：一个星型结构的zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个zigbee网络, 而且网络组成灵活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。mac层采用

33、了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 (6) 安全： zigbee提供了基于循环冗余校验(crc)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了aes-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。在zigbee无线网络协议中定义了两种功能设备：全功能设备和精简功能设备 。全功能设备 ffd (full-function device) 可以支持任何一种拓扑结构，主要作为网络协调器和路由器，能够和任何一种设备通信。精简功能设备rfd(reduced-function device) 只支持星型结构，不能成为网络协调器，

34、但可以和网络协调器进行通信，精简功能设备通常嵌入现场设备中使用。全功能设备之间以及 全功能设备与精简功能设备之间都可以通信，但精简功能设备之间不能直接通信 ，只能与全功能设备通信。精简功能设备可以通过一个全功能设备向外转发数据 ，这个与精简功能设备相关联的全功能设备称为该精简功能设备的协调器。 精简功能设备主要用于简单的控制应用 ，如灯的开关、 被动式红外线传感器等，传输的数据量少，对传输资源和通信资源占用不多，这样精简功能设备可以采用非常廉价的实现方案。由此可知zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间

35、进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。2.2.2 zigbee的网络拓扑结构zigbee技术可以组合出适合不同需求的网络，它有两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构，如图2.1所示：2图2.1 zigbee网络拓扑结构图星型拓扑网络结构有一个叫做pan主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个全功能的设备，从设备既可为全功能设备也可为简化功能设备，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理的构造出需要的通信网络。对于星型网络结构的形成当一个具有全功能的设备第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个pan主

36、协调器。所有星型网络的操作独立于当前其它星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的pan主协调器，通过选择一个pan标识符确保网络的唯一性，目前其它无线通信技术的星型网络没有用这种方式。因此，一旦选定了一个pan标识符，pan主协调器就会允许其它从设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备，还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，网状态拓扑网络结构和树簇拓扑结构。对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网路偶、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应用。对等拓扑结构可以是基于ad hoc技术的，也可以是自组织式

37、的和自恢复的，并且在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。其中组网的路由协议，在zigbee网络层中没有给出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组一个对等网络的路由协议网方式。在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。任何一个设备都可定义为pan主协调器，例如，可将信道中第一个通信的设备定义为pan主协调器。未来的网络结构很可能不仅仅局限为对等的拓扑结构，而是在构造网络的过程中，对拓扑结构进行某些限制。例如，树簇拓扑结构是对等网络拓扑结构的一种应用形式，在对等网络中的设备可以为全功能设

38、备，也可以为精简功能设备。而在树簇中的大部分设备为全功能设备，精简设备只能作为树枝末尾处的叶节点上，这主要是由于精简设备一次只能连接一个全功能设备。任何一个全功能设备都可以作为主协调器，为其它从设备或主设备提供同步服务。在整个pan中，只要该设备相对于pan中其它设备具有更多计算资源，比如具有更快的计算能力、更大的存储空间以及更多的宫殿能力等，这样的设备都可以成为该pan的主协调器，通常称该设备为pan主协调器。在建立一个pan时，首先，pan主协调器将其自身设置成一个簇标识符（cid）为0的簇头（clh），选择一个没有使用的pan标识符，并向临近的其他设备以广播的形式发送信标帧，从而形成第一

39、簇网络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果pan主协调器允许该设备加入，那么主协调器会将该设备作为子节点加到她的临近表中，同时，请求加入的设备将pan主协调器作为它的父节点加到邻近列表中，成为从设备。一个全功能设备可以扮演三个角色：协调器（ coordinator） 、pan 协调器（personal area network coordinator）和设备（device)，其中协调器是一个全功能设备 ，它可以在网络中传递信息，主导信息的流向 。如果一个协调器在一个pan网络中做主控制器，那我们把它叫做 pan 协调器， 除此之外就是设备了。ieee 802.15.4和zi

40、gbee中定义的以上三中角色大体相同，对应的关系如表2.1所示：表2.1 zigbee与ieee 802.15.4角色对应zigbee与ieee 802.15.4中不同角色的对应关系zigbeecoordinatorrouterend deviceieee802.15.4.pan coordinatorcoordinatordevice在一个 ieee 802.15.4网络中，无论是哪种拓扑结构，网络总是由 pan coordinator来创建，pan coordinator 控制整个网络，一个被注入 pan coordinator程序（ 软件）的ffd（ 硬件）开始工作后，开始着手构建网络，

41、并至少完成以下任务：（1）给本网络中每个设备指定一个16位或者64位的地址（2）通过网络发起、结束和传递信息（3）为本网络选定唯一的 pan 网络标识号，这个标识号允许本网络内的设备使用16位的短地址方式，并且可以与其他的独立网络进行通讯。在整个网络中，只有一个 pan coordinator，所以pan coordinator 往往需要长时间在工作状态，所以它常需要连接稳压电源，而不是电池。但其他设备往往都是用电池来供电的，一个最小的网络包括两个设备，一个 pan coordinator与一个device。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位长地址码，该地址码可以在pan中用于直接

42、通信，或者当设备发起连接时，可以将其转变为16位的短地址码分配给pan设备，因此，在设备发起连接时，应采用64位的长地址码，只有在连接成功后，系统分配了pan的标识符后，才能采用16位的短地址进行连接，因此，短地址码是一个相对地址码，长地址码是一个绝对地址码。2.3 zigbee在智能家居中的适用性当今我们熟悉的短距离无线通信技术有bluetooth、zigbee、wi-fi、uwb、红外等。他们在不同的领域发挥着他们的特性，相互之间形成互补的作用。表2.2是几种无线通信技术的对比：表2.2 几种无线通信技术的对比zigbee蓝 牙80211列红 外rfidhomerf单点覆盖距离（m）50-

43、3001050(wi-fi)51-1050网络拓展性自动拓展无无无无有最大功耗13mw1100mw100mw10 mw050 mw复杂度简单复杂很复杂简单复杂复杂传输速率250kb/s1m b/s111mb/s1.521,4,16mb/s0.212mb/s1.2mb/s频段8.68mhz2.4ghz2.4ghz2.4ghz820nm5.8ghz2.4ghz网络节点数65000850无无127终端设备费用低低高较低低一般安全性128 bit aes64bit,128bitssid小角度传输密钥50次/秒跳频集成度可靠性高高一般一般一般一般使用成本低低一般低低一般由上表的数据对照综合可知，zigb

44、ee的自动组网、功耗以及成本等方面都比其他的几种无线通信技术在智能家居中更有优势，唯一的竞争是bluetooth，但zigbee更简单，速率更慢，功率及费用也更低，且大多数时间处于睡眠模式，更加适用于不需要实时传输或连续更新的场合。而且zigbee是当前唯一面向无线传感器网络的技术标准，其网状网组网能力使其应用范围可伸延至数百、甚至数千米的广泛区域，而bluetooth则只为10100m范围内的短程网络而设。就制造成本而言，zigbee芯片远比bluetooth芯片便宜，智能家居是zigbee无线网络的一个主要应用方向，非常适合在组建家庭个人无线区域网。2.3 zigbee协议体系结构 zig

45、bee协议体系可以大体分为物理层、mac层、网络层和应用层,详细的体系结构如表2.3所示所示：3表2.3 zigbee协议体系结构图用户应用程序高端应用层应用层设备配置（zdo）子层设备对象（zdo）子层应用支持（aps）子层网络层（nwk）中间协议层ieee 802.15.4llc逻辑链路控制数据指定汇集子层服务指定汇集子层ieee 802.15.4 macieee 802.15.4868/915mhz phyieee 802.15.42.4ghz phy底层硬件模块底层控制模块rf收发器在介绍zigbee协议的时候首先阐明一个概念：原语。zigbee协议体系结构由一组称为层的块组成，每个层

46、为上一层执行指定的一套服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供所有的其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（server access point：sap）为上层提供一个接口，每个sap支持一些服务原语来完成必须的功能。服务原语是抽象的概念，它仅仅指定提供的服务，而不指定谁提供服务。用“原语”的概念来描述相邻两个层间的服务，层间调用函数或者传递信息，都可以用原语来表示。虽然，在整个系统中，有很多不同的层，但是层间的通讯方式是非常相似的。比如phy、mac与nwk层都为他们的上一级提供数据服务，其请求数据服务的机制类似：高层通过d-sap向下级请求传输，下级传输成功后将状态返回给上级。 正

47、是由于这种相似性，才让“服务原语”这种方式显得格外重要。每一个原语要么执行一个指令，要么返回一个之前指令的运行结果。原语也会带着指令运行需要的参数,在对n用户与n层之间信息流的描述来指定服务时，通过描述服务原语和其特征参数来指定服务，参数带有要求提供服务的信息。一个服务可能有一个或多个相关的原语，这些原语组成特定服务相关行为。原语通常可以分为以下几种基本类型：（1） request：请求原语是从n用户传递到n层，用来请求发起服务。（2） indication：指示原语是从n层传递到n用户，用以指示一个内部n层事件对于n用户有重要的意义。（3） response:响应原语是从n用户传递到n层，用

48、完成指示原语先前调用的程序。（4） confirm：确认原语是从n层传递到n用户，用以传送一个或多个先前相关的服务请求结果。2.3.1 物理层 zigbee物理层（physical layer,物理层）主要负责无线发射机的激活和关闭，在已有的信道上进行能量检测，基于csma-ca的空闲信道评估（cca），信道频率选择，数据的传输和接收。最终把二进制0和1送到空气中。概括的说就是物理层数据服务和物理层管理服务。物理层操作两个分离的频率范围，低频的868mhz欧洲频段和在澳大利亚和美国的使用的915mhz，2.4ghz的高频供全世界范围使用， 物理层通过rf固件和硬件为mac子层和物理层无线信道提

49、供接口。能量检测ed就像航空领域中一样，“比特”想要“飞”起来，也是有“航空管制”的，在起飞前要确认下航道有没有被占用，这可不能像开车，塞车了就等会，飞机要在空中停了，就会掉下来（当然不是所有的飞机）。能量检测就是用来实现这个目的的，当然，这只是个“能量”检测，它不会去区分到底是谁在占用“航道”，它只检测有或者没有。这也是物理层的上级-mac层给他的任务之一，不过允许他不用百分百准确，允许10db的误差，结果会以一个8比特的字节向上报告。载波检测cs载波检测也是检测当前频道能不能用的，但与ed不同，上面说了ed不会去区分到底是谁在占用“航道”，但是cs会的，它会根据载波的特征去判断当前占用“航

50、道”的是不是与自己一样的ieee 802.15.4物理层信号，如果是，那不管ed值是多少，都会返回一个“频道忙”的信息。连接质量指示lqi我们大多数都用过带无线网卡的笔记本，在进行无线连接的时候，会看到连接名后面有对应的信号强度表示信号质量，在802.15.4中，有两种检测连接质量的方法，一个是检测“接收信号强度”rss，另外一个是检测“信噪比”snr。rss值是通过检测接收到的信号的全部能量情况来判断的。空闲频道评估cca空闲频道评估即“载波侦听多点接入/冲突避免”， 当物理层的负责发送一个比特的时候要面临很多选择，通过能量监测，质量监测后发现两个设备在竞争同一个空间和时间的时候，就要仲裁谁

51、在某一时刻有使用权。这种仲裁制度的执行工作叫“空闲频道评估”cca，而且这个工作不能只做仲裁一次就汇报，要检测8个符号周期，在ieee 802.15.4物理层协议中，有三种cca模式：(1)只检测ed值。只要ed值高于一个门限就认为当前频道被占用。这个门限值可以由设计者来定义。 (2)只由cs结果来决定。只要cs的检测结果为: 当前频道被ieee 802.15.4定义的设备占用，则返回频道忙。 (3)由上述两个值的“与”或者“或”逻辑来决定。也说是说 ed值高于门限“并且”有802.15.4设备占用，则认为频道忙 ed值高于门限“或者”有802.15.4设备占用，则认为频道忙物理层服务物理层提

52、供了两种类型的服务，一种叫物理层管理服务，一种是数据服务。顾名思义，物理层中包含了一个叫物理层管理实体-plme的一个管理单元，物理层管理服务是通过plme-sap来实现的。数据服务通过无线电波对物理协议层数据单元-ppdu进行发送和接收，数据服务是通过pd-sap实现的。数据服务中向上层payload数据(这部分信息是主体，其他的是附加信息)。phy的payload就是整个mac层数据，mac层的payload就是整个nwk层数据，以此类推。每一层都会增加一些本层的辅助信息，然后传递给下层去传输。物理层的数据服务就是为mac层提供了“mac协议层数据单元”-mpdu的传输，如果传输服务失败，

53、会返回发送器工作不正常，发送器忙或者发送器在接收模式，一个设备同时只能在接收和发送中的一种状态。在物理层的数据服务中，服务接入点支持在对等的mac子层实体之间传输mac协议数据单元（mpdu），表2.4是物理层数据服务接入点所支持的原语。表2.4 物理层数据服务接入点所支持的原语。pd-sap 原语请求(request)确认(confirm)指示（indication）2.3.2 mac层 介质访问控制（mediumaccesscontrol，mac层）实现ieee802.15.4规范要求的功能，负责同物理层交互。使用csmaca机制接入到无线信道，他的职责包括传输信标帧、保持同步和提供可靠的

54、传输机制，具体包括以下几个方面：（1）如果设备是协调器的话负责产生网络信标（2）同信标保持同步（3）支持pan的连接与断开（4）支持设备的安全性（5）信道采用csma-ca接入机制（6）处理和维护gts机制（7）在对等的mac实体之间提供一个可靠的通信链路在zigbee网络中（ieee 802.15.4也是一样的）所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此mac层采用了csma/ca的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一

55、个最大值，即如果上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时间要增倍，这样做的原因是如果多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时间，避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。在mac层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标(beacon)模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非

56、信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同步，但这种同步网络的规模不会很大。实际上，在zigbee当中用得更多的可能是非信标模式。 mac子层提供两种服务，通过两种服务接入点接入：一是mac数据服务，通过mcps-sap（mac common part sub layer-service access point公共部分子层数据接入点）接入；二是mac管理服务，通过mlme-sap（mac sub layer management entity 管理实体服务接入点）接入。2.3.3 网络层 zigbee网络层是由zigbee联盟定义的。他的责任包括加入和离开一个网络所用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，另外在两个设备为中路由的发现和维护也被移交到了网络层。zigbee协调器的网络层负责建立一个新的网络，在适当的时候，把地址分配到新的设备。 为了确保正确的操作mac子层和为应用层提供服务接口，网络层从概念上包含两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体（nlde）通过连接的sap为数据传输服务，提供的服务允许一个应用程序在两个或者更多的设备之间来传输应用协议数据单元，这些设备都必须放置在相同的网络中间。网络层管理实体（nlme）用nlde完成它的