基于物联网的智能家居设计说明

1、 PAGE57 / NUMPAGES63摘要随着物联网技术的发展和人们对物质生活水平的要求的不断提高，人们对生活的安全、舒适、便捷等方面的要求也越来越高。近年来人们对家庭住宅观念发生了巨大改变，智能家居将成为现代化住宅的发展趋势。对于它的研究和开发，是一项有关自动控制、无线连接、无线通信多学科交叉的研究课题。本文以物联网的发展为背景，通过学习研究物联网的相关技术，明确物联网的关键技术包括：RFID标识技术、传感网技术、M2M技术。在硬件方面，采用了GPRS模块作为远程人机交互手段，接收和发送信息。利用器件组成ZigBee网络实现短距离的无线网络通信，并详细阐述了各硬件模块的功能和实现方法。GP

2、RS模块软件方面，利用AT指令编写程序，实现用户手机的短信收发过程；利用单片机实现了对家用电器的控制。在智能家居控制系统中应用了星型网的网络拓扑，通过ZigBee网实现了节点之间无线通信。关键词：物联网；智能家居；ZigBee；GPRS；远程控制ABSTRACTAs the development of the Internet of Things，the standards of material life are continually improved. The requires of the safe, comfortable and convenient are also raise

3、d. In recent years, there are huge changes on the concept of family house on peoples mind; and the smart home will be the trend of modern house. The research and development of it is about the automatic control, wireless connection and wireless communications study subjects. This article is based on

4、 the development of the Internet of Things.By studying the technology of the Internet of Things, and kowing that the key technologys include ：RFID identify the network technology, sensing technology, M2M. In the hardware, the module GPRS is used as the remote interaction of man-machine; by sending a

5、nd receiving messages.To realize wireless communication in short distance, some equipment are used to form a ZigBee net. And tell the details of every modules function and method to realize. In GPRS software modules, the program is edited by AT instruction and realized the process of sending and rec

6、eiving messages. The control of household appliances becomes true by the single chip. Network topology structure of star is applied in the smart house control system; by using the net of ZigBee that the wireless communication between nodes is realized.Key words: Internet of Things; Smart Home; ZigBe

7、e; GPRS; Remote Control目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295676715前言 PAGEREF _Toc295676715 h 1HYPERLINK l _Toc2956767161 绪论 PAGEREF _Toc295676716 h 2HYPERLINK l _Toc2956767171.1 物联网技术概述 PAGEREF _Toc295676717 h 2HYPERLINK l _Toc2956767181.2 智能家居概述 PAGEREF _Toc295676718 h 3HYPERLINK l _Toc2956767191.

8、3 智能家居的发展 PAGEREF _Toc295676719 h 3HYPERLINK l _Toc2956767201.4 智能家居系统的特点 PAGEREF _Toc295676720 h 4HYPERLINK l _Toc2956767211.5 本章小结 PAGEREF _Toc295676721 h 4HYPERLINK l _Toc2956767222 物联网相关通信技术的原理 PAGEREF _Toc295676722 h 5HYPERLINK l _Toc2956767232.1 ZigBee无线技术 PAGEREF _Toc295676723 h 5HYPERLINK l

9、_Toc2956767242.1.1 ZigBee的概念 PAGEREF _Toc295676724 h 5HYPERLINK l _Toc2956767252.1.2 ZigBee的协议栈 PAGEREF _Toc295676725 h 5HYPERLINK l _Toc2956767262.1.3 ZigBee的应用领域和应用前景 PAGEREF _Toc295676726 h 10HYPERLINK l _Toc2956767272.1.4 ZigBee应用于家庭网络中的关键问题 PAGEREF _Toc295676727 h 10HYPERLINK l _Toc2956767282.2

10、 GPRS网络技术 PAGEREF _Toc295676728 h 11HYPERLINK l _Toc2956767292.3 本章小结 PAGEREF _Toc295676729 h 12HYPERLINK l _Toc2956767303. 智能家居系统设计方案 PAGEREF _Toc295676730 h 13HYPERLINK l _Toc2956767313.1 智能家居系统总体设计思想 PAGEREF _Toc295676731 h 13HYPERLINK l _Toc2956767323.2 系统工作过程 PAGEREF _Toc295676732 h 14HYPERLINK

11、 l _Toc2956767333.3 应用技术分析 PAGEREF _Toc295676733 h 14HYPERLINK l _Toc2956767343.3.1 无线传输技术 PAGEREF _Toc295676734 h 14HYPERLINK l _Toc2956767353.3.2 GPRS技术 PAGEREF _Toc295676735 h 15HYPERLINK l _Toc2956767363.3.3 系统控制器技术 PAGEREF _Toc295676736 h 17HYPERLINK l _Toc2956767373.4智能家居的系统设计 PAGEREF _Toc2956

12、76737 h 18HYPERLINK l _Toc2956767383.4.1 主处理器的选取 PAGEREF _Toc295676738 h 18HYPERLINK l _Toc2956767393.4.2模块框架结构 PAGEREF _Toc295676739 h 18HYPERLINK l _Toc2956767403.5 本章小结 PAGEREF _Toc295676740 h 19HYPERLINK l _Toc2956767414 系统硬件设计 PAGEREF _Toc295676741 h 20HYPERLINK l _Toc2956767424.1复位电路 PAGEREF _

13、Toc295676742 h 20HYPERLINK l _Toc2956767434.2 单片机晶振电路 PAGEREF _Toc295676743 h 21HYPERLINK l _Toc2956767444.3 ZigBee无线传输电路 PAGEREF _Toc295676744 h 21HYPERLINK l _Toc2956767454.4 GPRS无线传输电路 PAGEREF _Toc295676745 h 22HYPERLINK l _Toc2956767464.5 家电控制电路 PAGEREF _Toc295676746 h 24HYPERLINK l _Toc29567674

14、74.6 本章小结 PAGEREF _Toc295676747 h 24HYPERLINK l _Toc2956767485 智能家居系统软件设计 PAGEREF _Toc295676748 h 25HYPERLINK l _Toc2956767495.1 通信协议的定义 PAGEREF _Toc295676749 h 25HYPERLINK l _Toc2956767505.1.1 手机与TC35i模块之间的通信协议 PAGEREF _Toc295676750 h 25HYPERLINK l _Toc2956767515.1.2 ZigBee模块与上位机的通信协议 PAGEREF _Toc2

15、95676751 h 25HYPERLINK l _Toc2956767525.2 系统程序设计 PAGEREF _Toc295676752 h 25HYPERLINK l _Toc2956767535.2.1 TC35i短信收发程序 PAGEREF _Toc295676753 h 26HYPERLINK l _Toc2956767545.2.2 单片机对继电器的控制 PAGEREF _Toc295676754 h 30HYPERLINK l _Toc2956767555.3 本章小结 PAGEREF _Toc295676755 h 32HYPERLINK l _Toc2956767566 总

16、结与展望 PAGEREF _Toc295676756 h 33HYPERLINK l _Toc2956767576.1 总结 PAGEREF _Toc295676757 h 33HYPERLINK l _Toc2956767586.2 展望 PAGEREF _Toc295676758 h 33HYPERLINK l _Toc295676759致 PAGEREF _Toc295676759 h 34HYPERLINK l _Toc295676760参考文献 PAGEREF _Toc295676760 h 35HYPERLINK l _Toc295676761附录A外文译文 PAGEREF _To

17、c295676761 h 37HYPERLINK l _Toc295676762附录B外文文献 PAGEREF _Toc295676762 h 46附录C附录D前言近几年金融危机之后的复时期，物联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。物联网技术得到越来越多的应用，但关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。可以从两方面去理解：其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。研究这项技术的重大意义在于这将使我们周围的一切物体联系到一起，社会变得更加

18、智能，更加方便安全。智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出。以“住宅电子化”实现，到了80年代末，逐步提出了住宅智能化，也就是现在所说的智能家居的原型。智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。它的研究与设计将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、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。家居智能的基本目标是：将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。1 绪论1.1 物联网技术概述2009年1月，IBM公司提

19、出了“智慧地球”的理念；2009年8月，温家宝在中科院高新微纳传感网工程技术研发中心考察时，提出了“感知中国”。物联网被预言为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，一时间很多人预见到了一场新的技术革命1。物联网的概念：物联网的英文名称为“The Internet of Things”，简称IOT。从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。可以从两方面去理解：其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信2。关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义，有一个较为普遍认

20、同的定义是物联网通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络2。究其来源，其实只不过是在20多年前，提出的“泛在计算”框架下的一个小分支。但是物联网的第一次提出源于1999年，美国麻省理工学院成立Auto-ID研究中心，进行RFID技术的研发，将RFID与互联网结合，提出了产品电子代码（EPC）解决方案。这是物联网的雏形，一直到现在为止，RFID的发展还是物联网发展的重要部分。2003年，美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技

21、术之首。2005年，在突尼斯举行的世界电联报告中明确提出了“物联网”的概念，国际电信联盟(ITU)发布了ITU互联网报告2005：物联网1。近几年金融危机之后的复时期，物联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。我国的国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将物联网列入重点研究领域。智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出，以“住宅电子化”实现，而后又形成了“住宅自动化”的概念，到了80年代末，逐步提出了“住宅智能化”，也就是现在所说的智能家居的原型。物联网的关键技术包括：RFID标识技术、传感网技术、M2M技术。物联网体系架构中三个层次所

22、涉与的关键技术是物联网最终实现并得以实施的重要保证。物联网中涉与的关键技术其中无线传感网（传感器网关、传感器）、中间件、客户端软件、用户卡鉴权和安全、远距通信（移动网/互联网等）、安全和隐私、智能处理技术（云计算等）已经广泛应用4。1.2 智能家居概述智能家居又称智能住宅，英文名称为“Smart Home”。是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、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；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全

23、方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，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、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。家居智能的基本目标是，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。要完整地理解智能家居，有必要先对几个智能家居发展过程中有着重大影响的系统进行介绍。智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。由于智能家居受产品生产厂家的限制，在短时间还没有统一的标准协议，所以一般都是一个厂家单独做系统研发

24、方案的。其中较为有影响力的一次是2007年微软推出的“未来之屋”，是物联网技术应用于日常生活的一个样板5。进人房屋时，安全系统会对来访者的面部进行扫描，确认身份后自动打开房门。客厅冰箱上的液晶显示器能列出保存的食物清单，厨房水槽能够根据使用者的身高调节高度，而排风机会根据油烟浓度自动开启。此外，每个房间的墙壁颜色、装修风格和温度,都可以根据家庭成员的喜好和情绪自动更换。这一概念的提出在推广普与上还需加以时日，但是随着技术的革新，我们这里将把能够实现远程监控、智能照明、以与智能音响的智能家居。我们可以考虑将物联网技术应用到智能家居的设计中，使我们的家居环境更加智能化、人性化、高效化。1.3 智能

25、家居的发展相比于国外，我国对智能家居系统的相关产品的研发起步较晚。从目前中国的国情来看，实用型与舒适型应当成为家庭住宅建设的主流，舒适型面向中等偏上收入者。但是住宅是一项使用寿命较长、一次投资较大的特殊商品，因此，建设时的标准必须具有一定的前瞻性。目前在我国，智能家居系统被定义为：利用4C(自动控制、计算机网络、无线通信、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、安全防护与物业管理、住宅智能化系统集成，提供高技术的智能化住宅小区的服务于管理为手段，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。目前智能家居系统一般要求有三大功能单元：第一，必须要有一个功能非常强大的智能

26、家庭系统平台；第二，必须要有一个完整的综合性的家居布线系统；第三，必须要有家庭部进行控制的互联网、连接外网的宽带互联网和家庭部各种家电进行控制的家庭控制网络这三种网络支持的系统才能叫做真正的智能家居系统3。1.4 智能家居系统的特点(1)它的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器，相互之间兼容性比较差，电器之间的数据共享比较困难。(2)家电的信息量小但对实时性要求较高，必须针对当时的家庭环境进行实时的调整。(3)家电运行时所处环境有很大差异，对系统的抗干扰性和稳定性要求较高。(4)家庭用户对于价格要求比较高，必须把组建网络的费用降低到一定程度，才能被广泛认可和接受。(5)家电完成的功能各有不同

27、，需要达到的智能水平也有很大的差异，要针对不同的功能要求，设计不同家电的智能水平(比如说，如果让电灯也共享Internet资源，显然没有必要，但是家中的摄像监控设备则需要较高的智能水平)。(6)从用户的角度来说，用户需要简化家电的操作过程，统一家电的操作方法(比如说用统一的遥控器实现所有电器的控制)。因此，组建智能家庭网络时需要考虑的问题有很多。1.5 本章小结本章首先介绍了关于物联网的概念以与技术，指出物联网的应用畴，接着介绍了智能家居的概念和具体实现的功能，提出智能家居使人们的生活更加高效更加人性，更加方便的理念。在最后又介绍了智能家居系统的几个特点，设计智能家居时需要考虑的一些问题。2

28、物联网相关通信技术的原理2.1 ZigBee无线技术2.1.1 ZigBee的概念ZigBee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。在IEEE802.15.4网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备(full-function device，FFD)和精简功能设备(reduced-function device，RFD)。FFD之间以与FFD和RFD之间都可以相互通信；但RFD只能与FFD通信，而不能与其他RFD通信。RFD主要用于简单的控制应用，传输的数据量

29、较少。对传输资源和通信资源占用不多，可以采用非常廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端6。FFD一般需要功能相对比较强大的MCU，一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能。在IEEE802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调者(PAN coordinator)的FFD设备。是LR-WPAN的网络中的主控制器。PAN网络协调者除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以与分组转发等任务。无线通信信道的特性是动态变化的，节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖围是不确定的，在进行网络协议的设计时

30、必须要考虑到无线信道的这个特点。在智能家居系统设计中，采用星型网络，这种星型结构的特点是对中心节点(这里是无线数字家居服务器或网关)的依赖性很大，中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪。家庭部无线网络连接距离较短，一般在l00米以，家用电器位置容易改变，家庭电器等的数量也容易变化，网络中的信息传送主要在无线数字家居服务器和其它室终端之间。根据家庭网络的这些特点以与以上介绍的无线网络拓扑结构，本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭网络。ZigBee技术最大传输距离150米，完全满足家庭网络需要。通过实用证明，星形家庭网络组网简单。2.1.2 ZigBee的协议栈ZigBee与IEEE802.1

31、5.4的联系人们常会把ZigBee和IEEE802.15.4等同起来，其实两者之间还是有所区别的如图2-1所示6。(1)ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定义的功能强大的物理特性的优点；(2)ZigBee增加了逻辑网络和应用软件；(3)ZigBee基于IEEE802.15.4射频标准，同时ZigBee联盟通过与IEEE紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案；(4)802.15.4工作组主要负责制定物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层标准，而ZigBee负责网络层和应用层的开发。图2-1 ZigBee的结构和分工Fig.2-1 ZigBee Structure an

32、d Division of Labor802.15.4协议架构与其技术特点IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式，定义了单一的MAC层和多样的物理层。ZigBee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。(1) 物理层物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要完成功能：激活，休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免(CSMA-CA)进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送与接收等。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理

33、层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)，使用一样的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。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。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的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的相互干扰。868MHz

34、的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求。获得比较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。工作频段和频率如表2-1所示：表2-1工作频段和频率Tab.2-2 Frequency and Frequency Range of Labor物理层 工作频率(MHZ) 频道数 码片率 调制方式 传输率 数据符号868MHZ 868-868.6 1 300 BPSK 20 二进制915MHZ 902-928 10 600 BPSK 40 二进制2.4G 2400-2483.5 16 2000 O-QPSK

35、250 16状态组在PHY层的有关参数上，有四个重要的参数：a)传输能量(power)：约lmW的能量。b)传输中心频率的兼容性：约40 pm。c)接收器之感度：-85dBm-92dBm(868、915 ram)，1%分组差错率(PSDU=20bytes)。d)接收信号强度指示的测量(RSSD)。(2)调制与扩频图2-2 2.4G物理层调制与扩频功能模块Fig.2-22.4G the Physical Layer Modulation and Spread Frequency Functional Modules2.4G物理层将数据(PPDU)每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号(Sym

36、bol)，每种数据符号又被映射成32位伪随机噪声数据码片(Chip)。数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术(O-QPSK)调制，对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制，如图2-2所示。868/915MHZ物理层先将PPDU二进制数据进行差分编码，差分编码是将当前数据位与前一编码位以模为2异或而成。经编码的数据位又被映射成15位伪随机噪声数据码片(Chip)，数据码片序列采用二相的相移键控技术(BPSK)调制。(3)PPDU格式PPDU报文数据由用于数据流同步的同步头(SHR)、含有帧长度信息的物理层报头(PHR)以与承载有MAC帧数据的净荷组成，具体结构如图2

37、-3所示。字节411可变前同步码（Preamble）帧定界符（SFD）帧长度(7bits)保留（1bit）物理层数据（PSDU）同步头（SHR）物理层报头（PHR）物理层净荷图2-3 PPDU格式Fig.2-3Format of PPDU前同步码域用来为后续数据的收发提供码片或数据符号的同步，帧定界符用来标识同步域的结束与报文数据的开始。物理层数据域长度根据情况可变(长度为5字节或大于7字节)，承载了物理层报文数据，包含有MAC层数据帧。(4)MAC层为了提高传输数据的可靠性，ZigBee的MAC采用了时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入CSMA-CA(Carrier Sense Multip

38、le Access with Collision Avoidance)算法。MAC子层的组成与接口模型如图2-4 所示。MAC 通用部分分子层（MCPS-SAP）MAC层管理实体（LME-SAP）PAN信息库PHY层管理实 体PHY层数据（PD-SAP）MAC命令子 层MAC层管理实体（MLME）图2-4 MAC子层组成与接口模型Fig.2-4 MAC Form and Interface ModelIEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通

39、过两个服务访问点(SAP)访问高层。通过MAC通用部分子层SAP(MCPS-SAP)访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP(MLME-SAP)访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。灵活的MAC帧结构适应了不同的应用与网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。IEEE802.15.4 MAC子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧等4种帧类型。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和MAC命令帧则用于ZigBee设备间MAC子层功能实体问控制信息的收发。广播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和MAC命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要

40、确认，如果需要确认，并且已经通过了CRC校验，接收方将立即发送确认帧。若发送方在一定时间收不到确认帧，将自动重传该帧。这就是MAC子层可靠传输的基本过程。MAC层的帧格式如图2-5所示：2 1 0-20 变量 2帧控制序列号地址信息净荷帧校验系列图2-5 MAC层的通用帧格式Fig.2-5 General Frame Format of MAC(5) 网络层网络层包括逻辑链路控制子层：802.2标准定义了LLC，并且通用于诸如802.3、802.11与802.15.1等系列标准中。而MAC子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协

41、同完成寻址、路由与安全这些必须任务。NWK层是位于MAC层之上与APL层交互的一个协议层。网络层的任务是通过正确操作链路层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。为了与应用层交互，网络层逻辑上包含两个服务实体：数据服务实体(NLDE)和管理服务实体(NLME)。ZigBee规定义的NWK层协议，提供数据传输服务(NLDE)和管理服务(NLME)的数据服务接口，用于将APL层提供的数据打包成应用层协议数据单元，并将其传输给相应的节点的NWK层；或者将接收到的应用层协议数据单元进行解包，并将解包后得到的数据传送给本节点的APL层。也就是说NLDE-SAP实现两个APL层之间的数据传输。NLME-S

42、AP是NWK层给APL层提供的管理服务接口，其逻辑模型如图2-6所示。NLDE-SAP是NWK层提供给APL层的数据服务接口，MCPS-SAP是由MAC层提供给NWK层的数据服务接口，MLME-SAP是MAC层提供给NWK层的管理服务接口。a)配置一个新设备 b)开始一个新网络c)加入或者离开网络NLDE-SAPNLME-SAPMCPS-SAPMLME-SAPNLDENWK PIB图2-6 NWK层模型Fig.2-6 Model of NWK(6) 应用层应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。应用层有应用支

43、持子层(APS)，ZigBee设备对象(ZDO)与厂商定义的应用对象。应用支持子层(APS)的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务与需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。应用支持子层(APS)的另一作用是设备发现，它能发现在工作围操作的其它设备。ZDO的职责是定义网络其它设备的角色。如ZigBee协调器或末端设备、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制(如选择公共密钥、对称密钥等)等。厂商定义的应用对象根据ZigBee定义的应用描述执行具体的应用。在本系统中附加了一层应用层协议完成数据的通讯和控制的业务。2.1.3 ZigBee的应用领域和应用前景ZigBee技术将主要嵌入在消

44、费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中。应用于小围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括：工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。通常，符合如下条件之一的应用。均可以考虑采用ZigBee技术作无线传输：设备成本较低传输的数据量较小。设备体积较小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。没有充足的电力支持，只能使用一次性电池。频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难。2.1.4 ZigBee应用于家庭网络中的关键问题ZigBee实现家庭组网的目标是：在消费类电子设备中嵌入Zi

45、gBee芯片联网后，实现家电等设备的无线互连和家庭自动化。利用ZigBee技术可较容易实现相机或者摄像机的自拍、窗户远距离开关、室照明系统的遥控以与窗帘的自动调整等功能。特别是在手机或者PDA中加入ZigBee芯片后就可以被用来控制电视开关、调节空调温度与开启微波炉等。基于ZigBee技术个人身份卡能够代替家居和办公室的门禁卡。可以记录所有进出大门的个人的信息。2.2 GPRS网络技术(1)GPRS网络总体结构GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN(OPRS网关支持节点1和SGSN(GPRS服务支持节点)来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据8。GPRS无线通信系统基本原

46、理：GPRS(通用无线分组业务)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线连接网络。GPRS网络是在原有的GSM网络上，增加SGSN(GPRS服务支持节点)以与GGSN(网关GPRS支持节点)两种数据交换结点设备，使得用户在端到端分组方式下发送和接收数据，同时兼容电路型数据和分组交换数据。 (2)GPRS协议移动台(Ms)和SGSN之间的GPRS分层协议模型如图2-7所示：图2-7 GPRS协议Fig.2-7 Agreement of GPRSUm接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC(Medium Access Control)

47、层、LLC以Logical Link Control),层、SNDC(Sub network Dependant Convergence)层和网络层。Um接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。MAC质接入控制层。MAC的主要作用是定义和分配空中接口控制层。它是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议。LLC层负责在高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。SNDC被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定TCP/IP地址和加密方式。网络层的协议目前主要是Phase 1阶段提供的TCP/IP

48、和x.25协议，这些协议对于传统的GSM网络设备(如BSS和NSS等设备)是透明的。(3)GPRS的路由管理GPRS的路由管理是指GPRS网络如何进行寻址和建立数据传送路由。GPRS的路由管理表现在以下三个方面：移动台发送数据的路由建立、移动台接收数据的路由建立、以与移动台处于漫游时数据路由的建立。第一种情况，当移动台产生了一个PDU(分组数据单元)，这个PDU经过SNDC层处理，称为SNDC数据单元。然后经过LLC层处理为LLC帧，通过空中接口送到GSM网络中移动台所处的SGSN。SGSN把数据送到GGSN，GGSN把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式(如PSPDN的P

49、DU)，最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率并保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据压缩和加密处理。第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动台，首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由。数据网用户发出的数据单元(如PSPDN中的PDU)，通过建立好的路由把数据单元PDU送给GGSN。而GGSN再把PDU送给移动台所在的SGSN，GSN把PDU封装成SNDC数据单元，再经LLC层处理为LLC帧单元，最终经空中接口送给移动台。第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户，其方式和第二种情况类似，但不同的是其数据必须经过归属地的GGSN，然后送到移动用户。

50、2.3 本章小结本章介绍了GPRS技术和ZigBee技术在应用于智能家居中短距离无线通信的优势，详细介绍了GPRS技术的网络结构、协议和路由管理的相关知识。协议栈，应用领域以与选用星型网络作为智能家居的组网方式等。3智能家居系统设计方案3.1 智能家居系统总体设计思想我们应用智能家居的基本目标是使我们的生活环境更加舒适、安全、方便和高效。因此智能家居系统的硬件和软件都应具有先进性，避免短期因技术旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。与此同时，应立足于用户对整个系统的具体需求，具有实用性。不管是系统中的设备、软件还是网络拓扑结构，都应具有良好的开放性。网络化的目的在于要实现设备资源和信息资源的共享，

51、由于计算机网络本身具有开放性，和共享性。因此我们应设计提供标准接口。用户可根据其需求，对系统进行更新和升级。这个系统采用GPRS技术和短消息的方式来实现无线传输短消息，并且控制器将把短消息分析翻译成为可以识别的命令编码。这样可以通过手机操控的方式来实现家居监控。用GPRS接入的好处是可以满足部分Internet普与率不是很高的现状，同时用手机对家庭进行监控弥补了通常智能家居控制器的操作距离短、地域限制等问题。并且以短消息的方式对系统进行控制，提高了效率降低了成本，同时本系统可以扩展应用于多种无人职守地区的监控安防等场所，如图3-1所示。图3-1 系统总体结构图Fig.3-1 Overall S

52、ystem Chart系统主要实现功能：(1)防盗警报当家庭遭到非法入侵的时候，例如玻璃被打破、门窗被撬等，相应传感器将检测到情况，立刻通过室的无线网络，将采集到的信号发送到家庭控制器，再经过家庭控制器处理，最后将警报信息通过GPRS模块以短消息的方式发送到主人的手机上，从而实现了家庭的安防功能。(2)家电远程控制 当我们需要远程控制家用电器的开关时，只要用手机发送指定命令的短信息，通过GPRS模块的接收，并将短信息翻译成为可以识别的命令传输给家庭控制器，控制器经过处理，通过ZigBee模块的无线传输将命令发送到与家电相连接的单片机上，通过对单片机的控制实现了对家电的控制。(3)火灾监控安装在

53、室的感温探测器与感烟探测器将实时监控各个房间有无火灾的发生。当检测到的火灾存在，将把采集到的信息通过无线ZigBee模块发送到家庭控制器，家庭控制器通过GPRS模块将信息以短消息的方式发送到主人的手机。3.2 系统工作过程智能家居的系统主要有GPRS模块、基于单片机的主控制模块、ZigBee无线传输模块、家电端的控制模块、和传感信号采集发送模块几部分组成。其中，GPRS模块的主要功能是接收用户手机所发送的短消息，并将短消息解析成为一段可以识别的命令传输给主控制器。基于单片机的主控制器的作用是将接收到的命令做出响应。ZigBee模块是将主控制器所下达的命令通过无线的ZigBee网传输到家电端。传

54、感信号采集发送模块的作用是通过实时的监控，不断确认是否达到预订的警报值，如果达到了预定值，就将警报信号发送给主控制器，主控制器通过分析判断出该警报信号是从哪个家电终端发送的，在经过GPRS模块发送给用户手机，从而实现了对家庭各个方面的防护。3.3 应用技术分析3.3.1 无线传输技术室无线传输采用基于ZigBee射频芯片CC2430设计的终端节点，通过覆盖在家中的无线网络把信息发送到总控制器9。此射频收发模块的特点如下：(1)低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长。(2)低成本。通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微

55、控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。(3)低速率。ZigBee工作在20-250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHZ)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。(4)近距离。传输围一般介于10-100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。(5)短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较而言，蓝牙需要3-10s、WiFi需要35s

56、。(6)高容量。ZigBee可采用星状、网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。(7)高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以与采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。(8)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。CC2430芯片的特点如下：高性能和低功耗的8051微控制器核。 集成符合IEEE802.15.4标准的2.

57、4 GHz的 RF无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 在休眠模式时仅0.9 A的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6 A的流耗，外部的中断能唤醒系统。 硬件支持CSMA/CA功能。 较宽的电压围(2.03.6 V)，强大和灵活的开发工具。 数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。 具有电池监测和温度感测功能。 集成了14位模数转换的ADC，集成AES安全协处理器。带有2个强大的支持几组协议的USART，以与1个符合IEEE 802.15.4规的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。从这些特点我们看出，此ZigBee射频模块组网可

58、以满足我们对信号传输的要求。CC2430模块本身集成了51核的单片机，在基于ZigBee协议的基础上可以进行简单编程对传感器发出来的数据进行分析处理发送到主控制器，同时可以对接收到的数据进行处理。3.3.2 GPRS技术智能家居的控制系统与用户手机的通信是通过GPRS技术来实现的。GPRS网络是在现有的GSM网络基础上引入SGSN(GPRS业务支撑节点)、GGSN(GPRS网关节点)、和PCU(分组控制单元)。在这个系统中，我们选用了TC35i来实现。西门子公司的TC35i模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在900MHz和1800MHz双频段，可以传输语音和数据信号。TC35i的

59、数据接口通过AT命令可双向传输指令和数据，可选波特率为300b/s115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS。它由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF(零插拔力)连接器、天线接口等6部分组成。TC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。TC35i主要特性与技术指标包括以下几点： 频段为双频GSM900MHz和GSMl800MHz (phase 2/2+)； 支持数据、语音、短消息和 ； 高集成度(54.5mm36mm3.6mm)； 质量为9g；电源电压为单一电压3.34.8V； 可选波特率300bps

60、115kbps，动波特率 4.8115kbps； 电流消耗休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA(平均)，2.5A峰值； 温度围 正常操作-20+55，存放-30+85；SIM电压为3V/1.8V。系统的工作原理是：将系统分成监测和控制两大类。当系统开始运行时，MCU一边侦听监测端口的报警信号，一边等待接收从GSM网络传来的短信控制指令。当系统的监控传感器发现危险情况，立即触发MCU的外部中断，然后MCU将向TC35i发送AT指令，从而控制TC35i向指定的移动用户发送预先存储在SIM卡中的报警短信。当TC35i模块接收到用户发来的短信时，会触发MCU的串行中断，MCU