基于WSN的智能家居节点的设计与实现

单位代码：10293密级：公开专业学位硕士论文论文题目：DesignandImplementationofSmartHomeNodesBasedonWSNThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByLiGangSupervisor:Prof.WuMengApril2013南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。研究生签名：_____________日期：____________南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________摘要随着人们生活水平的提高，家居生活从过去的追求装修豪华发展成为追求家居的智能化。Zigbee具有低功耗、低成本、高可靠性等显著优点，能很好的解决家居智能化中遇到的问题。通过Zigbee技术将家庭中的家用电器、仪器仪表和安防设备等接入无线传感器网络，能够对这些设备实时监控，统一管理。一旦出现故障可以立刻向监控中心预警。还可以根据室内温度，自动调节空调的温度，提高人们的生活质量。Zigbee技术将是智能家居发展的一个重要方向。本文提出了一种无线传感器网络节点解决方案，很适合应用在智能家居的领域。该方案扩展性强，能够方便的扩展不同种类的传感器功能；节点尺寸小，采用SOC解决方案，外围电路较少；节点发射距离远，增加高性能射频前端CC2591，可以灵活控制发射功率，提高发射距离。通过软件实现了CC2531节点的USB虚拟串口，可以方便的用虚拟出的串口与管理节点进行通信。根据提出的方案，对不同功能节点的硬件进行了详细设计，并绘制了PCB图。在搭建的硬件平台上，根据软件的需求，设计了软件的流程图，在此基础上实现了基于Zigbee协议的节点之间无线收发程序。最后对系统软硬件做了调试并验证了程序功能的正确性。实验表明，无线收发的距离可达300米以上，可靠性高。关键词:无线传感器网络，Zigbee，无线收发，CC2531，智能家居IAbstractWiththeimprovementofpeople'slivingstandards,homelifebecomesthepursuitofintelligenthomesincethepursuitofluxurioushomeinthepast.Zigbeehassosignificantadvantagesoflowpowerconsumption,lowcostaswellashighreliabilitythatitcanbeagoodsolutiontotheproblemsencounteredintheintelligenthome.ByusingZigbee,householdappliances,instrumentsandsecurityequipmentcanaccesstotheWSN.Sotheycanbereal-timemonitoredandmanaged.Oncetheyhaveerrors,warningtothemonitoringcenterimmediately.Itimprovesthequalityofpeople'slivesthatair-conditioncanautomaticallyadjustthetemperatureaccordingtotheindoortemperature.TheZigbeetechnologywillbeanimportantdirectionforthedevelopmentofsmarthome.Thisthesispresentsasolutionofwirelesssensornodesanditissuitableforapplicationsinthefieldofintelligenthome.Thesolutionishighlyscalablethatitisconvenienttoexpanddifferenttypesofsensors.ByusingSOCsolutions,nodesizeissmallwithfewperipheralcircuits.Throughtheincreaseofhigh-performanceRFfront-endoftheCC2591,itisveryflexibletocontrolthetransmitpowertoincreasethetransmissiondistance.Atthesametime,USBvirtualserialfirmwareprogramofCC2531nodeisdevelopedtoeasilycommunicatewiththemanagementnode.Basedontheproposedsolution,thehardwareofthenodesisdesignedindetailandthePCBisgiven.Onthishardwareplatform,thesoftwareflowchartisdesignedbasedontherequirementsofthesoftware.Inaccordancewiththeflowchart,thewirelesstransceiverprogramwhichisbasedonZigbeeprotocolbetweendifferentnodesisdeveloped.Finally,thesoftwarewasdebuggedtoverifythecorrectnessoftheprogramfunctions.Theresultsofexperimentsshowthatthewirelesstransceiverdistancecanreachupto300meterswithhighreliability.Keywords:WSN,Zigbee,WirelessTransceiver,CC2531,SmartHomeII目录摘要........................................................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................................................II第一章绪论..........................................................................................................................................11.1课题研究的背景和意义.............................................................................................................11.2智能家居系统研究现状及发展趋势............................................................................................21.2.1国内外智能家居的研究现状.............................................................................................21.2.2发展趋势.........................................................................................................................31.3论文研究内容及章节安排..........................................................................................................4第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术.........................................................................................62.1短距离无线通信技术.................................................................................................................62.2智能家居无线组网技术比较与选择............................................................................................92.3Zigbee协议栈分析.....................................................................................................................92.3.1物理层（PHY）.............................................................................................................102.3.2介质访问控制层（MAC）..............................................................................................112.3.3网络层（NWK）............................................................................................................112.3.4应用层（AP）................................................................................................................122.4Zigbee网络拓扑结构.................................................................................................................122.5基于智能家居的无线传感器节点的需求分析.............................................................................132.5.1功能需求........................................................................................................................132.5.2硬件需求........................................................................................................................142.5.3软件需求........................................................................................................................142.6本章小结.................................................................................................................................15第三章基于WSN的监控节点的总体方案.............................................................................................163.1主流无线传感器节点方案.........................................................................................................163.1.1系统集成的节点解决方案...............................................................................................163.1.2片上系统芯片（SOC）的节点解决方案...........................................................................173.2方案总体结构图.......................................................................................................................173.3WSN节点芯片选择...................................................................................................................193.3.1CC2531处理器模块.........................................................................................................193.3.2CC2591射频前端模块.....................................................................................................223.4本章小结.................................................................................................................................25第四章节点硬件电路设计....................................................................................................................264.1协调器节点设计.......................................................................................................................264.1.1CC2531处理器模块设计..................................................................................................274.1.2USB接口设计.................................................................................................................284.1.3JTAG接口设计................................................................................................................294.1.4射频电路设计.................................................................................................................304.1.5时钟电路设计.................................................................................................................334.1.6电源模块设计.................................................................................................................334.2路由节点设计..........................................................................................................................344.3传感器节点设计.......................................................................................................................344.4硬件电路抗干扰措施................................................................................................................374.5PCB图及实物图.......................................................................................................................384.6本章小结.................................................................................................................................39III第五章无线传感器网络节点的软件设计...............................................................................................405.1软件开发环境..........................................................................................................................405.1.1IAREmbeddedWorkbenchfor8051...................................................................................405.1.2硬件仿真器——CCDebugger..........................................................................................405.1.3ZStack协议栈..................................................................................................................415.2节点的USB虚拟串口通信软件设计.........................................................................................435.2.1USB总线拓扑结构..........................................................................................................435.2.2CC2531USB虚拟串口固件程序实现...............................................................................445.3Zigbee节点之间无线收发程序的设计........................................................................................495.3.1OSAL操作系统任务调度.................................................................................................505.3.2节点无线收发程序实现...................................................................................................515.4系统调试结果..........................................................................................................................555.4.1USB虚拟串口固件程序调试结果.....................................................................................555.4.2节点无线收发程序调试结果............................................................................................565.4.3Zigbee组网调试结果.......................................................................................................585.5本章小结.................................................................................................................................60第六章总结与展望...............................................................................................................................616.1本文总结.................................................................................................................................616.2未来工作展望..........................................................................................................................62参考文献...............................................................................................................................................63致谢......................................................................................................................................................65IV南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论第一章绪论1.1课题研究的背景和意义无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）[1]是一种新型的传感器网络，它由大量廉价的传感器节点以无线多跳的方式自组织成网络，这些传感器节点通常具有较强的感知、通信和计算能力，通过协作的感知、采集和处理目标对象的信息，并通过自组织网络将采集信息传送到管理中心。无线传感器网络相比其他无线通信网络有以下特点[2]：1、无线传感器网络节点体积小（毫米大小的硅芯片到PDA大小不等的设备）。它具有感知、处理和无线通信功能。2、WSN的节点通常用电池供电，不能像手机或笔记本电脑那样定期的充电，而且通常节点部署在难以维护条件下，这样节点的电池供电的时间，往往决定了节点的寿命。因此，WSN节点需要良好的电源管理方法，降低其功耗，延长其工作时间。3、每个节点具有相同对等网络协议，网络节点可以进行自我配置，使得维护较容易。无线传感器网络强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛。近年来，随着微电子技术、传感器技术、无线通信和低功耗嵌入式技术的发展，无线传感器网络的发展朝着更加智能化、功耗更低、价格更低廉、更加安全的方向发展。无线传感器网络技术发展迅速。可以被用于环境监测、反恐救灾、国防军事、医疗卫生、工业控制、智能家居等领域，无线传感器网络近来受到了越来越多的关注[3-8]。美国研究者在《技术评论》这篇期刊中预测了21世纪改变世界的十大技术，无线传感器网络被列在首位。由此可知，无线传感器网络的问世将会给人类社会带来深远影响。因此，对无线传感器网络开展相关的研究具有重要意义。智能家居系统的组网方式有有线和无线两种方式，组网主要是为了实现各种传感器节点之间高效率的数据传输，另外，外网还能通过家庭网关访问和控制内部的无线传感器网络。当前比较成熟的有线组网技术主要有电话线、电力线、以太网等。这些传统的组网技术通常会存在以下缺点：（1）扩展性能差，添加新的设备不方便；（2）系统需要布线，且布线繁琐，影响美观；（3）系统安装麻烦，不易维护；与有线组网技术相比，无线组网技术在智能家居的应用中有以下优点：（1）无需布线，设备可以方便移动；1南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论（2）安装周期短，使用更加方便；（3）维护容易，扩展性好；特别是，近几年无线传感器网络的发展，以及Zigbee技术具有低功耗、低成本、高质量等特点，使得基于Zigbee的WSN很适合应用在智能家居的领域，逐渐发展成为智能家居网络的首选技术。Zigbee网络具有安全性高，网络容量大、网络的自组织能力强等特点。从技术优势来看，基于Zigbee技术的无线传感器网络在智能家居系统中具有很好的应用前景。因此，基于WSN的智能节点的研究具有重要意义。1.2智能家居系统研究现状及发展趋势物联网被誉为又一次的信息产业革命，其应用范围几乎涵盖了各个行业。未来物联网将成为全球信息通信行业的又一个万亿元级新兴产业。智能家居行业是物联网的十大应用之一，它的应用与生活息息相关，与每个家庭紧密相连，是一个容易实施的物联网应用领域。智能家居的市场潜力无限，国内外众多研究机构和公司开始花巨资投入到该领域当中来。1.2.1国内外智能家居的研究现状自从1984年美国联合科技公司利用信息化技术实现了首栋智能化建筑之后，世界各国开始争相推出自己的智能家居解决方案。智能家居在经济比较发达的国家都有了广泛的应用。智能家居在中国也逐渐成为人们关注的焦点。美国研究者在文献[9]中，设计并实现了智能家居中的“智能能源”子系统，通过智能管理应用程序实现家电负载管理。例如，温控系统，通过自动检测和感知室内温度人们研究出了智能空调，对温度实现自动调节；通过风雨感应器，下雨天窗户能自动关窗；一旦发现有火宅，烟雾探测器能自动报警，同时按照业主预先设定的方案采取相应的应急措施。文献[10]中，研究工作者针对智能家居应用中的硬件设计部分，提出了两种有效的方法：快速原型设计和嵌入式设计系统。这两种方法结合使用可以加快智能家居中不同功能器件的实现，具有实现周期短，成本低等优点。为了说明这些优势，作者阐述了他们在智能家居实验室里面利用这些方法设计的智能台灯、身体检测以及门禁系统。日本的智能家居起步较早，早在2004年就提出了u-Japan计划。新加坡是世界上最早使用RFID技术的国家。早在1998年，新加坡政府就已花费数十亿美元用以构建最新的RFID基础设施，以支持智能家居等产业的发展。台湾的智能家居起步较早，但由政府参与推动始于2002年的e-Taiwan计划和2004年的m-Taiwan计划。2005年由行政院内政部主导，推动2南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论智能家居的发展，并由国科会启动“智慧生活与健康照顾创新前瞻研究计划”，由内政部建筑研究院推动“智慧化居住空间产业中网计划”，由经济部推动“智慧化居住空间科技应用整合计划”，如今已经走在智能家居的前沿。欧洲各国特别是北欧四国在智能家居领域的开始较早，著名的家庭无线网络协议z-wave就是由丹麦的ZenSys公司提出的，并很快成为事实上的家庭网络无线标准。在中国，智能家居起步较晚[11;12]，在2000年，这一概念被提出，通过媒体的广泛宣传，人们开始接受智能家居这一概念，开发商的住宅设计者开始考虑到楼宇的智能化。通过引见一些国外的产品，参考设计、研发，成立了国内一些智能家居的研发部门。最初意义上的智能家居示范基地应用在一些高档别墅和写字楼，并不断的推广壮大，不断地自主创新，提升产品种类和质量，智能家居在国内才算真正走向家庭网络的市场。在我国，实现智能家居的条件不断的走向了成熟，为我国智能家居的发展提供的物质基础。首先，智能家居建设所需的基础设施已经具备一定的条件，家庭宽带接入、小区光纤接入Internet已经比较普及。其次，智能家居的标准已经制定，采用TCP/IP协议，解决了不同厂商设备不兼容的问题[13]。再次，智能家居已经从最初的基础研究走向了市场[14]，智能家居已经成为越来越多的房地厂商提供高端具有竞争优势的房源的全新卖点。随着房地产商巨头认识到这一新的理念，智能家居在房地产领域将迅速发展，比如，绿城集团全国范围内就采用了基于TCP/IP的智能家居。1.2.2发展趋势从总的方面来讲，未来智能家居的发展趋势将会是：（1）智能家居开始融入移动互联网的技术，实现方便快捷的管理；（2）智能家居系统的标准化以及规范化是当前急需解决的问题；从技术方面来讲，在以下几个方面会是智能家居的发展趋势：（1）由模拟向数字转变同通信技术的发展一样，智能家居也经历着从模拟到数字的转变。首先，随着电子技术的发展，电路设计上越来越多的采用了功能集成的和性能可靠的集成电路；其次，通过数字高清显示技术，智能家居的人机交互更加清晰方便；再次，信息的数字化使得处理更加方便。（2）组网技术发展趋势：有线——无线无线通信技术具有无需人工布线和移动性好等优点，智能家居系统采用无线通信技术必然成为一种趋势[15]。特别是最近兴起的Zigbee技术，具有低功耗、高密度、安全性高、低成3南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论本、网络组织能力强等特点，使得Zigbee很适合应用在智能家居环境下组网。（3）对硬件平台要求更高随着社会的发展，新时代对智能家居提出了更高的要求。首先，智能家居系统包含了越来越多的功能模块，需要硬件平台具有更高的性能；其次，随着嵌入式系统快速发展，高性能的ARM处理器成本变得很低，使得智能家居中的核心设备（如家庭网关）的成本变低、性能变高。再次，人们除了注重智能家居产品质量外，对用户体验也非常重视，因此，对人机交互和显示效果也提出了更高的要求。（4）远程控制多样化随着移动互联网的飞速发展，远程控制的方式也得到了快速的发展。传统的远程控制方式一般采用有线的方式，随着无线通信和Internet的快速发展，各种终端设备可以借助Internet通信链路，接入到家庭网关，对智能家居的设备进行远程控制。1.3论文研究内容及章节安排本文研究的主要内容有：无线传感器网络在智能家居领域的应用及发展情况；对比主流的短距离无线通信方式，选出Zigbee作为本文的组网方式，并对Zigbee协议栈进行了详细的分析；对比和分析现有的节点硬件解决方案，提出了一种更具优势的无线传感器节点设计方案，按照硬件设计需求，实现了本文的硬件平台；在硬件平台上，开发了节点与管理节点之间的USB虚拟串口通信的固件程序及节点之间无线收发程序的设计，并验证的整个设计的正确性。全文共六章，章节安排如下：第一章绪论，分析了课题的研究背景以及课题的研究意义，并对智能家居的研究现状与发展趋势进行了研究。第二章主要分析了课题的背景知识，具体包括分析常用无线组网技术，并选择Zigbee作为本文的无线通信方式，另外，对Zigbee协议栈的体系结构进行了分析。第三章基于WSN节点的总体设计方案，在课题需求分析的基础上，选择了课题的硬件设计方案，以及选择了具体的芯片型号。并对主控芯片做了调研。第四章是整个课题的硬件平台的详细设计与实现。对各个模块的设计进行了详细的分析。并给出了绘制的PCB图以及实物图。第五章是整个系统的软件实现，首先对软件的开发环境做了简单的说明，主体内容分两部分来说明：一部分是USB虚拟串口的固件程序的详细设计；另一部分是节点之间无线收发4南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论程序的设计与实现，最后给出了调试的验证结果。第六章是对本文的总结与展望。5南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术2.1短距离无线通信技术目前使用较多的短距离无线通信标准有蓝牙、Zigbee、Wi-Fi、IrDA、NFC、UWB等。下面对几种典型的短距离无线通信技术做一个简要分析。（一）蓝牙蓝牙技术是爱立信等5家公司于1998年制定的一种低功耗、低成本的无线通信标准，用于便携设备与其外设之间建立通信，工作在主从模式，是业界广泛关注的短距离无线连接技术[16]。它使用IEEE802.15协议，可以用来实现近距离的数据传输与话音通信，无需收费，成本低，数据传输速率较高。蓝牙系统主要特点[17;18]总结如下：（1）工作的无线电频率为无需申请的2.4GHz的ISM（即工业、科学、医学）频段。（2）典型的发射距离为10米（发射功率1毫瓦）。发射功率提高到100毫瓦时，传输距离最远可达100米。（3）空中的数据速率为1-3Mb/s，发送数据的总时间100m/s。（4）采用自适应快速调频技术增加系统的鲁棒性。（5）在干扰下，采用短数据帧提高信道容量。（6）链路质量可靠时，采用快速确认机制，降低编码开销。（7）高误码率条件下时，话音通信使用CVSD话音编码。（8）采用较灵活的帧方式，应用领域广泛。（9）宽松链路配置，支持成本较低的单芯片集成。（10）保证链路质量的条件下，尽可能减少发射功率。（11）灵活的组网方式。一个蓝牙设备最多可以与另外的7个蓝牙设备组网通信，支持点对点和点对多点的连接方式。蓝牙技术的缺点是芯片的成本较高，传输的距离较短，以及抗干扰性不好。在设备的连接过程中也存在安全的隐患，由于这些原因，蓝牙的应用领域受到了限制。（二）Wi-FiWi-Fi的标准名称是IEEE802.11b，是一种短距离无线通信协议[19]。Wi-Fi速率为1-11Mb/s，根据网络和干扰情况，带宽可以自适应，最高可达11Mb/s。与蓝牙相比，其传输的距离更远，但在安全性上不如蓝牙强。在空旷的空地，其传输距离可达到300米以上，在一些人口密集6南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术的公共热点区域，其覆盖范围可达到100米左右，为人们提供了快速接入互联网的方式。Wi-Fi是如今无线局域网的主流技术。其最突出的优势是传输的数率较快，但容易受环境的影响，传输质量有待进一步提高。Wi-Fi的特点总结如下：（1）信号覆盖区域广，半径100米左右。（2）传输数据速率高，最高可达11Mb/s。（3）绿色节能。对发射功率有严格的要求，实际功率60-70毫瓦。（三）IrDAIrDA即红外数据协会，于1993年成立。使用IrDA标准的设备目前可达到4Mb/s和16Mb/s的传输速率。红外的通信信道采用950nm的红外线频段，其通信的原理是：在接收端对基带二进制信号采用脉码调制，通过红外头发射出去；在接收端，红外接收头对光脉冲信号进行光电转化后，再进行解调还原为二进制信号。在PC、手机等移动终端上广泛使用[20;21]。红外通信是一种点对点通信，其优点是通信成本低廉，工作在免费的频率。通信的速率高，安全保密性好，可以取代电缆实现点对点连接。另外，红外通信的抗干扰性好，易于安装和使用，功耗较低，数据传输安全性高。红外通信也存在一些缺点，这些缺点影响着其使用的范围。红外是一种视距传输方式，它传输会受到障碍物的阻挡。因此传输距离很短，通信时，需要两红外设备的红外接收头之间较好的对准。（四）NFCNFC（NearFieldCommunication）即近场无线通信，由飞利浦和索尼两公司共同开发的一种非接触式识别技术。一般应用在消费电子和移动设备上面，实现数据信息的交换和访问。近场通信最初由非接触的射频识别（RFID）技术演变而来，通信范围只有10厘米左右，工作频段为13.56MHz，设备之间可以达到106kb/s~6780kb/s的无线数据传输速率[22;23]。NFC系统一般包括非接触式读卡器和智能卡，使用者只需手持智能卡或者移动终端（如手机或者PDA），靠近NFC读卡器，即可实现点对点的互连和通信，快速建立设备之间的无线连接，完成数据的认证和交换，操作方便快捷。NFC具有良好的安全性，因此，它将在手机支付领域具有广阔的市场前景。NFC相比于蓝牙，其传输速率较低，最大速率只有422kb/s，其传输距离也只有0.1米左右，但是正因为这样可以提高抗干扰性。另外近场通信的耗电量较低，具有保密性和安全性上的优势。（五）UWB超宽带技术UWB是一种采用时间间隔很短（通常小于1nm）的脉冲进行无线通信的技术，其占用的频谱范围较大，功率谱密度很低，具有扩频通信的特征，具有很好的抗干扰性7南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术能，它不用载波，脉冲成型后的信号可以直接通过天线发射。UWB的通信距离为10米左右，由于其频谱带宽较大，因此以极低的发送功率就能满足通信的要求，耗电少[24]。其通信速率很高，可以达到数Gb/s。UWB的优点是系统容量大，传输速率高，抗干扰性好。主要应用在雷达、室内通信、无线通信等领域。加上其保密性好，功耗低等优点，近来其应用得到了快速发展。UWB与蓝牙和WLAN相比，其具有更高的频谱带宽，更低的功率谱密度，因此在抗干扰性上更具优势。（六）ZigbeeZigbee是一种近距离无线通信技术。Zigbee这一名词来自于蜜蜂觅食的ZigZag舞蹈，是蜜蜂交流和传达信息的一种方式。主要应用在数据速率较低，成本要求较低，功率消耗较低并且适合大规模部署的短距离设备之间的通信领域。目前Zigbee广泛应用在无线传感器网络中，其通信的标准距离是75米，通过改变发射功率，可以提高发射距离。一个Zigbee网络可以最多拥有65000个无线传感器网络节点。每个节点之间可以相互通信。与移动通信不同的是，Zigbee主要应用在工业的自动化控制以及智能家居等领域，实现少量的数据传输和监控。早在2003年，IEEE组织就开始制定了Zigbee的物理层和媒体接入控制层的标准（IEEE802.15.4），目前早已完成。Zigbee网络层及以上层的标准由Zigbee联盟负责制定。在2006年，推出了一个比较完善的Zigbee协议版本Zigbee2006。Zigbee协议工作在2.4GHz（全国通用）的ISM频段。相比于蓝牙，Zigbee速率较低，通常为250kb/s，通过降低传输速率可以提高传输的距离以及通信的可靠性。Zigbee的技术特点[25]主要包括以下几个部分：（1）传输速率低。提供10kb/s~250kb/s吞吐率，Zigbee主要应用在低速传输领域。（2）功耗低。2节普通的干电池在低功耗待机模式下工作，寿命可达6个月以上。（3）成本低。如今Zigbee节点的大规模生产，节点的成本可以减少到4美元以内，随着应用的普及成本将进一步减少。（4）网络容量大。在一个PAN网络中，一个协调器节点可以拥有255个子节点，如果在每个管理节点之上再增加一个管理节点，则最多可以实现65000个节点组网。（5）有效距离小。有效通信距离为10m~100m，根据不同的发射功率可以调节有效的覆盖范围，具体根据应用场合来定，能够覆盖普通的家庭或办公室环境。（6）工作频段灵活。可以工作在2.4GHz、868MHz及915MHzISM频段。8南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术2.2智能家居无线组网技术比较与选择通过对常用的几种无线通信组网方式的性能指标进行比较，得到了表2.1。通过表格可知，Zigbee技术首先具有通信范围10-75m，恰好适合智能家居的距离范围；其次，传输距离最高达250kb/s，对于智能家居的环境监测、压缩后的图像传输、家电智能控制等已经足够。最重要的是Zigbee最显著的优点：低功耗、低成本、高可靠性。Zigbee技术的这些特性非常适合在智能家居这种场所下进行无线组网。因此，本课题选择Zigbee作为系统的组网方式。表2.1无线组网技术比较2.3Zigbee协议栈分析对比常见的无线通信标准，Zigbee协议栈采用分层的OSI结构。Zigbee协议模型[26;27]如图2.1所示。9南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术图2.1Zigbee协议栈模型Zigbee协议栈由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层以及应用层组成。不同的应用（通常包括业务数据流的汇聚以及安全属性的配置）通过应用汇聚层映射到Zigbee网络上。链路层和物理层标准[28]由IEEE组织制定，Zigbee联盟负责制定Zigbee其它层的标准。Ad-Hoc技术被用在Zigbee网络层的路由协议上，实现自组织网络的多跳路由，提高网络的覆盖范围和通信距离。网络具有自组织和自维护能力，最大程度减少维护成本。2.3.1物理层（PHY）物理层主要实现的工作有：信道频率的安排、信号的调制解调方式选择、数据的收发、载波和能量检测、物理层服务定义等。ZigBee可以工作在868MHz（欧洲）、915MHz（美国）频带和2.4GHz（全球通用）频带上。在3个不同频段上可用的带宽分别为0.6MHz（1个信道），2MHz（10个信道）和5MHz（16个信道）。在不同的频段上，分别采用了不同的调试技术，但均采用直接序列扩频技术。在MAC层和物理层之间存在一个无线信道接口，它是通过位于物理层的射频硬件和固件来提供的。位于物理层中的物理层管理实体（PLME）可以调用管理功能函数提供物理层管理服务的接口。物理层还管理和维护着包含PAN网络的基本信息的目标数据库。ZigBee物理层结构模型[29]如下图2.2：10南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术图2.2Zigbee物理层结构模型2.3.2介质访问控制层（MAC）数据链路层包括介质访问控制层[30]（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。LLC子层为网络层提供数据链路服务，保证数据的可靠性，对于网络层的数据包执行包的分段与顺序传输等。MAC层提供该层的一些管理和服务接口，还包括链路的建立和拆除，数据帧的确认等，位于MAC中的MAC层管理实体需要维护该层的PAN数据信息库。MAC层功能总结如下：（1）信标帧同步；（2）节点安全机制实现；（3）支持CSMA-CA载波检测；（4）提供对等MAC实体可靠连接；（5）支持GTS（有保证时隙）机制；（6）PAN的关联和解关联；（7）生成协调器节点的信标帧；2.3.3网络层（NWK）网络层是Zigbee协议栈的核心部分，网络层的功能包括为应用层提供服务接口，处理数据包的路由问题，节点入网与维护，路由查找等功能[31]。网络层主要功能如下；（1）查找、发现网络；（2）节点组网；（3）设备节点连接；11南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术（4）初始化路由节点；（5）设备与网络互连；（6）直接将设备同网络互连；（7）网络连接的断开；（8）复位设备节点；（9）同步接收机；（10）维护信息库。2.3.4应用层（AP）Zigbee应用层主要为方便用户开发自己的应用程序而设计，为应用开发者提供统一的接口，应用层包括应用框架AF（为用户提供开发应用程序的框架和接口）、应用支持子层APS（在同一个网络中提供对等实体的数据传输机制，提供应用层和网络层之间的服务接口等）、Zigbee设备对象。应用支持层还具有维护绑定表等功能。Zigbee为网络层提供了服务接口和必要的函数，同时还具有定义自己的应用对象这一功能。2.4Zigbee网络拓扑结构ZigBee网络组网可以灵活地采用多种拓扑结构[32]，可以采用星形，可以采用网状和树簇状拓扑等。如下图2.3所示：星型拓扑树形拓扑FFDRFD网状拓扑协调器图2.3Zigbee网络拓扑结构Zigbee网络一般有2类物理设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD），其中FFD设备可提供802.15.4标准指定的全部功能。Zigbee在组建网络时，网络协调器必需由FFD设备来充当，终端节点可以是FFD或者RFD中的任何一种，RFD功能有限（可以节省成本），只能做终端节点。FFD可以充当协调器、路由器、终端节点任何一种角色。12南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术星型网络拓扑结构至少有一个FFD充当的主协调器，它作为中心节点和多个从设备连接。从设备既可以是FFD也可以是RFD。在通信网络中，通常将设备分为发起设备和终端设备。主协调器是网络中的主要控制器，它是既可以作为发起设备，也可以做终端设备，还可以作为网络的路由节点，在一种拓扑结构的网络上，每个设备均有唯一的64位长地址码和由协调器分配的一个16位的短地址，长地址可以直接在一个网络中作为通信的地址。或者在PAN中，当节点发起连接时，网络协调器可以为该结点分配16位的短地址码。Zigbee的星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到了应用。在树形拓扑结构中，FFD设备的子节点可以是FFD或者RFD，RFD设备不能有子节点，只能作为FFD的子节点。该树形结构中，两节点（包括兄弟节点）之间的数据通信链路路径是：首先数据向上到协调器节点，然后由协调器节点沿着子节点的方向传递到目标节点。该拓扑结构的缺点是导致了信息的传递路径是唯一的，一旦路径上的某个节点故障，传输将失败。网状拓扑结构是一种对等网络结构，它是一个多跳的网络，终端节点以多跳的方式将数据传输到网络的协调器节点，由于采用多跳的方式每个节点只需以较低的功率发射，单个节点的功耗低，由于该网络结构中节点众多，节点之间通信的链路很多，需要有高效的路由算法计算出最佳路径以及维护和更新邻居节点的路由表，网络的优点是通信可靠性好，网络可以自组织、自愈合。缺点是节点需要维护自身的路由表，系统开销大。2.5基于智能家居的无线传感器节点的需求分析2.5.1功能需求本文是基于无线传感器网络节点的设计，要求节点能实现数据的采集、存储、处理、传输以及与协调器节点之间进行无线通信。为了使设计简化，单独设计了一个基于CC2531的全功能设备（FFD）节点的最小系统，通过扩展槽预留8路传感器通道，可以很方便的实现各种功能节点电路的设计。终端节点是无线传感器网络的感知层，它需要能够采集到各种环境数据或者智能家电的工作参数等，只需要把各种传感器通过扩展槽的排针连接即可很方便的实现不同的传感器节点，这样可以很方便的实现传感器的更换和功能的扩展；对于路由节点电路的实现，传感器模块可有可无，如果添加传感器模块，路由节点除了可以做路由器转发数据外，还可以在空闲的时候采集传感器数据；对于协调器节点的电路设计，可以直接使用该最小系统，通过USB接口可以很方便的与智能家居网关连接和通信。协调器节点也可以13南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术直接通过USB接口与监控中心的上位机通信，将终端节点采集的数据上传到监控中心，监控中心也可以对传感器网络发送控制指令。2.5.2硬件需求本系统的硬件电路需要考虑的主要功能是实现无线传感器网络的数据通信电路设计。需要考虑的硬件需求有如下几点：（1）硬件电路应该提供多种电源接口。硬件电路需要实现各种节点的功能，不同功能的节点功耗、部署场所和条件均不一样，差别很大。对于协调器节点需要使用直流电源供电，而终端节点需要采用电池供电。因此要求至少同时提供电池和直流电源供电接口。（2）选用的处理器应当具有丰富的外设扩展接口和高效的处理能力。例如，扩展传感器的接口，一般都选择通用的接口，如GPIO、I2C、SPI、USART等。另外，为了便于软件的开发还需要提供调试、程序下载的JTAG接口。（3）传感器采集节点一般采用电池供电。因为部署的要求，传感器采集节点一般不用有线的电源供电，而且这种节点一般数量较大，甚至有些节点部署在楼顶等一些不易更换电池的地方，因此要求电路的电池更换次数少，功耗消耗低，选择器件的时候也要尽量考虑一些低功耗的器件。（4）协调器节点、路由节点要求具有足够的系统资源。协调器节点是各种节点信息的汇聚点，要求具备高效的处理能力和存储能力。路由节点除了可以作为终端节点外，还兼有路由节点的作用，需要存储大量的邻居路由表等信息，因此也需要具备较丰富的系统资源。（5）硬件成本低廉。由于部署的节点较多，硬件成本的高低直接影响着该方案的市场需求。因此单个硬件的成本应该尽量低。（6）硬件平台安全稳定可靠运行，具备长时间正常工作能力。让用户一经部署即可使用。设备的长期无故障运行，减少用户的维护成本，让用户切实体会到智能家居带给人的便利。（7）节点体积尽量小。由于节点可能嵌入到智能家电以及考虑部署后家庭美观的要求，节点尺寸要求小，因此一般选用贴片器件，而且可以节省功耗。2.5.3软件需求智能家居监测节点需要实现的软件需求包括数据的采集、存储、处理、传输以及协调器节点同管理节点之间的通信。在硬件上面，协调器节点除了没有传感器模块外和采集终端节点完全一样。主要区别在软件功能的实现上不同。具体的软件需求如下：14南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章Zigbee协议及智能家居无线组网技术（1）数据采集。需要能实现对温度、湿度、光亮度等的采集。（2）数据存储。无线组网成功后，采集到的数据需要与协调器节点进行无线通信，将数据上传到协调器节点。若终端节点采集完数据后每次都上传，过于频繁的通信将大大增加节点的功耗，而且每次可能有很多个节点需要将数据传输给协调器节点，必然导致很大的系统开销。因此，在软件设计上将节点采集的数据先保存在节点自身上，等到协调器节点发送上传采集数据命令时才将存储的数据上传。节点空闲时间可以进入休眠待机状态，节省功耗。（3）数据处理。对于传感器采集的模拟信号要求进行模数转换，对于数字信号还需要按协议打包处理，添加帧起始字符、结束字符，数据校验位等，通过路由节点，转发给协调器节点，协调器节点通过USB或者串口将数据传给监控中心的上位机或者智能家居网关。在通信过程中，采集节点还需要对管理节点的命令和消息进行解析。（4）数据传输。节点之间需要按照Zigbee通信协议完成数据收发的程序。（5）与节点管理器（智能网关或者监控数据中心上位机）通信，实现远程控制。用户可以通过手持终端、PC等方式，通过GPRS与家庭网关连接，发送控制命令和消息，家庭网关将命令发送给协调器节点，协调器节点将命令转发给采集节点，实现远程控制。2.6本章小结本章根据智能家居的组网发展趋势：有线——无线。在分析了常用的短距离无线组网方式基础上，通过比较它们的性能指标、优缺点、适用场合等方面，结合本课题的研究场合——智能家居，选择了本文的无线组网技术，即Zigbee无线组网技术。详细的分析了Zigbee协议栈的模型以及协议栈各层的功能和作用。最后对Zigbee组网的几种拓扑结构进行了说明，分析每种网络拓扑结构的特点，方便选择哪种方式来组网。15南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章基于WSN的监控节点的总体方案第三章基于WSN的监控节点的总体方案3.1主流无线传感器节点方案无线传感器节点主流的解决方案大体上分为两种：第一种是由微处理器+射频收发芯片的系统集成方案；另外一种就是SOC解决方案，即在一块硅片上集成了微处理器、射频收发器等。目前，无论是系统集成方案还是片上系统方案，不同公司和科研单位研制的WSN节点在硬件架构上基本一致，只是芯片内封装资源稍有差别，系统资源大小、种类不同。基本上都是由处理器单元、射频单元、传感器单元、电源管理单元、扩展接口单元等，还有其它分装在片内的资源如：定时器、AES安全协处理器、