管理信息化物聯(lián)網(wǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設計

管理信息化物聯(lián)網(wǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設計基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設計摘要智能家居系統(tǒng)是利用計算機、嵌入式系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡技術，將各種家用設施(如照明、安防、家電等)通過家庭網(wǎng)絡連接到一起，從而為人們提供更為便利舒適的生活。系統(tǒng)設計。本文主要按照以下幾部分展開論述:IEEE802.15.4的zigbee技術是目前最適合無主控制器與傳感器、攝像頭監(jiān)控、開關控制等功能節(jié)點的設計。關鍵詞：家居控制網(wǎng)，Zigbee，物聯(lián)網(wǎng)ThingsBasedSystemDesignofSmartHomeABSTRACTIntelligenthouseholdsystemisusingaputer,theembeddedsystemandmunicationnetworktechnology,willallsortsofhouseholdfacilities(suchaslighting,security,homeappliance,etc)throughthefamilynetworkconnectivitytotogether,thusprovidepeoplewithmoreconvenientfortablelife.Thetraditionalintelligenthouseholdsystemisgenerallythroughthecablelinewiringandvariouscontrolandmunication,peopleishardtoescapethefettersofvariouscable,andsystemextensibleperformanceisalsoverypoor.Modernsidewallofwirelessmunicationtechnologydevelopmentmakesthepeoplecangetthechains,buildthehouseholdlifemorefortable.Householdnetworkscanberoughlydividedintodatanetworksandcontrolnetworkoftwoparts,thisarticlemainlyaimsatintelligenthouseholdsystemcontrolnetworkrelevanttechnologyandsystemdesign.Thispapermainlyaccordingtothefollowingseveralaspectstodiscuss.

Thispaperfirstlyanalyzesthegeneralintelligenthouseholdsystempositionandcont

rolsysteminintelligenthouseholdposition,andthroughthetraditionalintelligent

householdcharacteristics,thepapersuggeststhatthecurrentmarketthelimitations

oftheintelligenthouseholdsystem,putsforwardtheshort-rangewirelessnetworkbas

edonthemodernintelligenthouseholdsystemisthefuturetrendofdevelopment.Thenth

eintelligenthouseholdcontrolsystemarchitectureandrelatedkeytechnologyareana

lyzedandpared,pointsoutthattheIEEE8O2.Basedonzigbeetechnology15.4isthemosts

uitableforwirelesshomecontrolsystem'swirelessstandards,andthestandardsweres

tudied.ThenfromtheAngleofsystemandapplicationresearchintelligenthouseholdco

ntrolnetwork,designofaclosewirelesstechnologybasedontheintelligenthousehold

controldemonstrationsystem,includingthemaincontrollerandsensor,surveillance

camera,switchcontroldesignoffunctionalnodes.Keywords:homecontrolnets,Zigbee,Contentnetworking目錄摘要IABSTRACTII1緒論11.1智能家居的發(fā)展及應用前景11.2課題的目的和意義21.3系統(tǒng)軟件要求及通訊技術21.4方案論證及系統(tǒng)實現(xiàn)的功能目標5

2Zigbee技術62.1Zigbee聯(lián)盟62.2Zigbee的技術參數(shù)62.3Zigbee協(xié)議棧72.4Zigbee的技術特點及其優(yōu)勢及工程應用：82.5Zigbee與藍牙技術比較92.6Zigbee的應用領域和應用前景10

3基于Zigbee技術的智能家居系統(tǒng)構架113.1基于ZigBee技術的拓撲結構113.2家庭網(wǎng)關113.3傳感器節(jié)點133.4Zigbee網(wǎng)絡的構成14

3.4.1設備分類及功能14

3.4.2地址分配模式153.5Zigbee的網(wǎng)絡拓撲結構153.5.1星型網(wǎng)絡153.5.2樹形網(wǎng)絡163.5.3網(wǎng)型網(wǎng)絡163.5.4智能家居的網(wǎng)絡拓撲選擇174智能家居中的硬件設計184.1底層硬件模塊及Zigbee硬件的實現(xiàn)184.1.1底層硬件模塊184.1.2中間協(xié)議層184.2Zigbee硬件的實現(xiàn)195系統(tǒng)的軟件設計及運行結果215.1Z-STACK平臺軟件結構及開發(fā)環(huán)境215.1.1Z-Stack平臺軟件結構215.1.2開發(fā)環(huán)境215.2軟件結構及接口定義24

5.2.1軟件結構的總體結構24

5.2.2接口定義245.3主節(jié)點的軟件流程245.4終端節(jié)點軟件設計275.4.1終端節(jié)點的功能及要求27

5.4.2終端節(jié)點的工作流程27

5.4.3終端節(jié)點的節(jié)能機制27

5.4.4系統(tǒng)運行結果及評價27

6家居四表抄送系統(tǒng)的典型應用306.1家居四表抄送系統(tǒng)方案306.2四表抄送系統(tǒng)家居智能節(jié)點31

6.2.1四表抄送系統(tǒng)家居智能節(jié)點32

6.2.2無線抄電表模塊336.2.3模塊中Zigbee節(jié)點信息處理描述34

7結束語35參考文獻36致謝37附錄Ⅰ38附錄Ⅱ391緒論1.1智能家居的發(fā)展及應用前景府機構及各大信息家電生產廠商不失時機地開展了中國智能家庭網(wǎng)絡的標準化制定工確的發(fā)展方向。市場范圍；其次，切實分析用戶需求，否則就只是房地產開發(fā)商售樓時一個宣傳賣點。有以下幾個特點：1、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小,因而無需太大的傳輸速度；2、信息的實時性要好，時延要短，尤其在安防信息上；3、網(wǎng)絡的容量要大，因家庭中各種設備、電器很多；4、無論采用何種方式建立家庭網(wǎng)絡，都必須保證數(shù)據(jù)傳送過程中的安全性和的進一步發(fā)展，也必將大大促進家庭智能化、網(wǎng)絡化的進程。目前，無線網(wǎng)絡技術主要可分為射頻（RF）技術、紅外線技術、IEEE802.11b和IEEE802.11a協(xié)議技術、HomeRF協(xié)議、ZigBee(RF)技術已很接，限制太大，并不適合我們通常意義上的家庭網(wǎng)絡；IEEE802.11是IEEE最初制定的不能滿足人們的需要，IEEE小組又相繼推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a兩個新標準，但無論是IEEE802.11b還是IEEE802.11aHomeRF無線標準是由HomeRF于HomeRFZigBee技術和藍牙技術都屬于IEEE802.15協(xié)議，在一定的范圍內有重疊，但其各自的技術特點決ZigBee藍牙更適合于語音業(yè)務及需要更高數(shù)據(jù)量的業(yè)務，如移動電話、耳機等。1.2課題的目的和意義質量。住宅智能化控制的開發(fā)與建設是21世紀發(fā)展的必然趨勢。由于信息技術的大力網(wǎng)，實現(xiàn)交互式數(shù)字視頻業(yè)務。系統(tǒng)硬件要求1小區(qū)物業(yè)管理智能化系統(tǒng)的硬件有信息網(wǎng)絡、計算機、公用設備、計量儀表和電子器汰。2在充分考慮先進性的同時，硬件系統(tǒng)應立足于用戶對整個系統(tǒng)的具體需求。應優(yōu)先選擇先進、適用、技術成熟，最大限度地發(fā)揮投資效益。3無論是系統(tǒng)設備還是網(wǎng)絡拓撲結構，都應具有良好的開放性。網(wǎng)絡化的目的是實現(xiàn)設備資源和信息資源的共享。因此，計算機網(wǎng)絡本身應具有開放性，并應提供標準接口。用戶可根據(jù)需求，對系統(tǒng)進行拓展或升級。4.系統(tǒng)難以升級或拓展。5隨著社會的不斷發(fā)展和進步，住宅小區(qū)物業(yè)管理智能化系統(tǒng)的規(guī)模、自動化程度會不斷擴大和提高，用戶的需求會不斷變化。因此，系統(tǒng)的硬件應充分考慮未來可升級性。1.3系統(tǒng)軟件要求及通訊技術（1）系統(tǒng)軟件要求水平。系統(tǒng)軟件包括:計算機及網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、應用軟件及實時監(jiān)控軟件等。1系統(tǒng)軟件應具有很高的可靠性和安全性。2系統(tǒng)軟件操作方便，采用中文圖形界面，采用多媒體技術，使系統(tǒng)具有處理聲音及圖像的能力。用戶操作界面要適應不同層次住戶及物業(yè)公司人員的素質。34系統(tǒng)軟件應具有功能上的可擴充性。使用的元件的耐壓要求比較高，在安全問題--xOICEBUS等。（2）智能家居系統(tǒng)的通訊技術(雙絞線)用混合型網(wǎng)絡實現(xiàn)。以下我們分別對這幾種方案進行比較:有線通訊技術線進行通訊。(1)電話線網(wǎng)絡計算機廠商與消費電子廠商成立了一個名為HomePNA(家庭電話線網(wǎng)絡聯(lián)盟)的組織1Mbit/s的傳802.3S機制，HomePNA在撇C層制訂了八種優(yōu)先級，10一2h(as裝比較方便，通過頻分多角技術可以使一根電話線利用不同頻率同時傳輸數(shù)據(jù)、Inertnet輸不容易受到干擾。利用電話按鍵可實現(xiàn)簡單、方便、廉價的遠程控制。(2)電力線網(wǎng)絡持移動設備來說無法采用電力線連入家庭網(wǎng)絡。它的缺點在于傳輸速率只有300Kbps，

生活空間有著非常重要的意義。國家智能家居建設綱要對于智能家居系統(tǒng)的要求國家智能家居建設綱要對于智能家居系統(tǒng)的要求如下:系統(tǒng)的功能要求住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)示范工程功能要求，按不同標準，應分別做到以下功能:一星級1安全防范子系統(tǒng)(l)出入口管理及周界防越報替(2)閉路電視監(jiān)控(3)對講與防盜門控(4)住戶報警(5)巡更管理2信息管理子系統(tǒng)(1)對安全防范系統(tǒng)實行監(jiān)控(2)遠程抄收與管理或Ic卡(3)車輛出入與停車管理(4)供電設備、公共照明、電梯、供水等主要設備監(jiān)控管理(5)緊急廣播與背景音樂系統(tǒng)(6)物業(yè)管理計算機系統(tǒng)幾，3信息網(wǎng)絡子系統(tǒng)(1)為實現(xiàn)上述功能科學合理布線(2)每戶不少于兩對電話線和兩個有線電視插座(3)建立有線電視網(wǎng)二星級為主干網(wǎng)。物業(yè)管理計算機系統(tǒng)應配置局部網(wǎng)絡，并可供住戶聯(lián)網(wǎng)使用。三星級三星級應具備二星級的全部功能。其中信息傳輸通道應采用寬帶光纖用戶接入題。有線和無線技術，既是相互競爭的也是相互補充的，既有各自的優(yōu)點也有各自的缺點，優(yōu)先技術，成為最終的發(fā)展趨勢。1.4方案論證及系統(tǒng)實現(xiàn)的功能目標（1）遠程家居智能管理系統(tǒng)設計原則優(yōu)秀的家庭自動化產品應該具有以下設計原則:標準化:家庭自動化產品應當依照國際上流行的相關協(xié)議進行設計，充分保證各廠家產品間的兼容性和相互操作能力。開放性:目前，在智能住宅、家庭自動化、家電網(wǎng)絡領域尚處于一家一戶自行開發(fā)長遠發(fā)展。因此，家庭自動化系統(tǒng)應該具有開放的協(xié)議、統(tǒng)一的接口。模塊化:采用模塊化的設計可以適應各種場合的需要，保障用戶的利益并允許系統(tǒng)的逐步到位。模塊之間遵循一定的協(xié)議，可以相互通訊和協(xié)調。實用性:人們購買家庭自動化產品是為了享有更加便利舒適的生活，絕非追逐潮流的概念。普及化:家庭自動化系統(tǒng)應該面向低成本、高性能的目標設計，住戶對價格較為敏用戶原有電器設備，保護用戶投資。簡潔易用:高科技帶來的應該是一種享受而絕不是一種負擔。好的家庭自動化產品應該簡便易用、用戶界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。（2）系統(tǒng)實現(xiàn)的功能目標體功能目標是:1遠程控制實現(xiàn)人在異地能通過電話網(wǎng)絡對家中的電器設備進行控制的功能。2本地集中控制實現(xiàn)在近距離通過鍵盤控制家用電器設備的工作狀態(tài)。3安全防盜報警。4三表(電表、水表、氣表)的數(shù)據(jù)采集。5實時時鐘顯示的功能。2Zigbee技術Zigbee技術綜述Zigbee低成本的雙向無線通信技術。它主要工作在無須注冊的2.4GHzISM頻段，數(shù)據(jù)速率為20—250kbit/s，最大傳輸范圍在10～75m，典型距離為30m?；赯igbee的無線模塊Zigbee構成的WPAN網(wǎng)絡中能支持高達254個用戶節(jié)點，外加一個全功能器件或主器件，可實現(xiàn)雙向通信。Zigbee及實行嚴格的功率管理機制，例如關機及睡眠模式等方式來降低設備的綜合功耗。IEEE80GHz物理層和868/915MHz個物理層都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrumZigbeeMACZigbee網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為3氣三表數(shù)據(jù)的傳輸;;還有反Zigbee采用了載波偵聽多址/沖突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手協(xié)議。2.1Zigbee聯(lián)盟Zigbee聯(lián)盟成立于2002年8月,由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導體公司組成,如今已吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發(fā)商的加入。Zigbee聯(lián)盟負責制定網(wǎng)絡層及以上層協(xié)議。2.2Zigbee的技術參數(shù)Zigbee協(xié)議定義了兩個物理層標準,它們分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩個物理層都基于直接序列擴頻DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum)技術,使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式,Zigbee無線信道的組成,圖2-1所示;Zigbee的其它技術參數(shù),見圖2-2所示。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段,有助于Zigbee設備的推廣和生產成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用16相高階調制技術能夠提供250Kbps的傳輸速率,有助于獲更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更加省電。圖2-1圖2-22.3Zigbee協(xié)議棧Zigbee協(xié)議棧[5]采用分層結構，包括:物理層(PHYLayer)、媒體接入控制層(MACLayer)、網(wǎng)絡層(NWKLayer)和應用層，如圖2-3所示。圖2-3Zigbee協(xié)議棧結構網(wǎng)絡層以上協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟制定,IEEE組織負責定制PHY層和MAC層包括應用對象終端設備和應用接口層,且最多只能包含31主要負責把不同的應用映射到Zigbee網(wǎng)絡層上,其中包括:安全與鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)ad-hoc技術的網(wǎng)絡協(xié)議,應包含以下功能:通用的網(wǎng)絡層功能,拓撲結構的搭建和維護,命名和關聯(lián)業(yè)務,包含了尋址、路由和安全;同Zigbee協(xié)議標準一樣,非常省電;有自組織、自維護功能,以最大程度減少消費者的開支和維護成本。Zigbee協(xié)議的媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能:設;確認模式的幀傳送與接收;信道接入控制;幀校驗;預留時隙管理;廣播信息管理。Zigbee協(xié)議MAC層定義的4種幀結構:認幀和MAC命令幀,如圖2-4所示。圖2-4Zigbee的幀結構圖2.4Zigbee的技術特點及其優(yōu)勢及工程應用：（1）Zigbee的技術特點及其優(yōu)勢1安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。2避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息；3成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就將降到1.5美元到2.5美元之間，且Zigbee協(xié)議是免專利費的；4Zigbee技術可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2是不同的；5Zigbee網(wǎng)絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個Zigbee網(wǎng)絡；6時延短：針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms。（2）工程應用ZigbeeDCA3000是采用Zigbee技術來實現(xiàn)家庭內部的無線網(wǎng)絡通迅的。在這款系統(tǒng)中主要由家庭網(wǎng)關

和網(wǎng)絡中各子節(jié)點組成，網(wǎng)絡中各子節(jié)點采用Zigbee技術與家庭網(wǎng)關進行無線通訊，

燈及家用電器的控制。在家庭網(wǎng)關和每個字節(jié)點上都接有一個采用Zigbee技術設計無

線網(wǎng)絡收發(fā)模塊,通過這些無線網(wǎng)絡收發(fā)模塊在網(wǎng)關和子節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)的傳送。之

所以采用Zigbee技術除了上面所述的優(yōu)點外，還因為這些應用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐

且在通常狀態(tài)下應具有休眠狀態(tài)，而這正是Zigbee所具備的，它的優(yōu)勢之一就在于低

功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少網(wǎng)絡的維護費用，降低系統(tǒng)的成本。2.5Zigbee與藍牙技術比較IEEE802.15委員會制定了三種不同的WPANQoS能力等。IEEE802.15.3標準是高速率的WPAN標準，適合于多媒體應用，有較高的QoS保證。802.15.1PDAQoS機制適合于語音業(yè)務。802.15.4標準也就是Zigbee技術，目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)QoS2-5Zigbee不同速率下的傳輸功耗。圖2-5Zigbee不同速率下的傳輸功耗圖2-6Zigbee與藍牙比較Zigbee于10米，這在大一點的家庭住宅中是一個極大的障礙，因而很難構成無線通信網(wǎng)絡，而Zigbee的最大傳輸范圍在10-75米，非常適合家庭網(wǎng)絡的建立；其次，在一個藍牙網(wǎng)絡中最多可容納8個節(jié)點，而Zigbee可容納255個節(jié)點，而一般每個家庭網(wǎng)絡中需要100-150ZigbeeZigbee低，如圖2-6所示。雖然藍牙的傳輸數(shù)據(jù)速率要大過Zigbee，但Zigbee的250kbit/s傳輸速率在家庭網(wǎng)絡中已足夠使用?？梢哉f，采用Zigbee技術所架構的無線智能家居成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革。2.6Zigbee的應用領域和應用前景Zigbee置、電腦外設、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機等設備中,應用于小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中。Zigbee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括:工業(yè)控制、消費性電子,符合如下條件之一的應用,均可以考慮采用Zigbee技術作無線傳輸.(1)設備成本較低,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。(2)設備體積較小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊。(3)沒有充足的電力支持,只能使用一次性電池。(4)頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難。(5)需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡中的設備非常多,但僅僅用于監(jiān)測或控制。3基于Zigbee技術的智能家居系統(tǒng)構架3.1基于ZigBee技術的拓撲結構基于Zigbee技術的智能家居系統(tǒng)的拓撲選擇涉及許多設計方案的權衡。該網(wǎng)絡自情況。最后，還要考慮系統(tǒng)的可升降性和權衡能耗/資源的限制。本文智能家居系統(tǒng)的實際情況如下：1、傳感器節(jié)點由電池供電，而家庭網(wǎng)關通過電源供電，所以應該盡量減少傳感器節(jié)點的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點用電。2、智能家居中接入的主要是傳感器和開關，網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復雜的網(wǎng)絡拓撲來保證數(shù)據(jù)通信。因此，星形拓撲結構完全能滿足要求，并且實現(xiàn)簡單，不涉及路由尋址等功能?；赯igbee技術的智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖3-1Zigbee當網(wǎng)絡協(xié)調器，由它主導網(wǎng)絡的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡的正常運行。它配置較多的存儲空間，16bit本地地址給設備以節(jié)省帶寬。其他的無線通信Zigbee子節(jié)點模塊則是精簡功能設備，完成傳感器狀態(tài)采信。圖3-13.2家庭網(wǎng)關和外部網(wǎng)絡互聯(lián)，有兩種選擇，一是公用電話網(wǎng)，而是因特網(wǎng)。這就對應著兩種設備，電話接口和家庭網(wǎng)關。電話接口的數(shù)據(jù)傳輸能力和控制功能都十議比較簡單，要實現(xiàn)它與外部TCP/IP的互聯(lián)，必須實現(xiàn)協(xié)議的轉換，這是家庭網(wǎng)關一個非常重要的作用。從結構上來看，家庭網(wǎng)關就是外部TCP/IP網(wǎng)絡與家庭內部信息網(wǎng)部網(wǎng)絡控制接口，一方面是因為家庭內部通信協(xié)議功能遠不如TCP/IP功能強大，另一控制接口，需要考慮一下幾個問題：1）功能接口，必須有一個完備的接口，能夠通過該接口實現(xiàn)智能家居的全部功能。2）數(shù)據(jù)幀格式，包括內部網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)幀格式，協(xié)議的基本層次和各層次頭部信息格式的確定，協(xié)議的指定必須充分考慮到未來的發(fā)展和擴充。3）傳輸方式，包括數(shù)據(jù)幀的丟失、超時和校驗等情況的處理，盡量做到與物理介質無關，在不同的物理介質上運行，只需要修改最底層的物理協(xié)議即可。PCPC功能控制和網(wǎng)關功能。但是以PC做家庭網(wǎng)關也有它的不足，體積大、功耗大且成本高，因此PC并不是家庭網(wǎng)關的最佳選擇。我們可以采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關，嵌入式方面更適應要求。但相對PC來說，嵌入式不僅包括軟件開發(fā)，還要完成硬件開發(fā)，難等。的匯報集成家庭服務。根據(jù)系統(tǒng)和用戶需求開發(fā)的各種應用程序，并整合傳感器節(jié)點，務，也可用于窗簾的開關服務等。人機界面?；颈仨殞崿F(xiàn)傳感器節(jié)點初始設定界面、接受程度有很大的影響。對內通信。包括和中繼器之間的通信，規(guī)定一套實現(xiàn)以上各種功能的通信協(xié)議。3.3傳感器節(jié)點MCU器節(jié)點包括兩個模塊：1、功能模塊由三個部分組成：應用：負責對傳感器節(jié)點的信號采集功能、通信行為等進行初始化，并根據(jù)實是外部TCP/IP不如TCP/IP功能強大，另一方面也是因為家庭內部網(wǎng)絡的接口規(guī)范和協(xié)議缺乏統(tǒng)一的標準。家庭網(wǎng)關要做到對外的控制接口，需要考慮一下幾個問題：1）功能接口，必須有一個完備的接口，能夠通過該接口實現(xiàn)智能家居的全部功能。2）數(shù)據(jù)幀格式，包括內部網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)幀格式，協(xié)議的基本層次和各層次頭部信息格式的確定，協(xié)議的指定必須充分考慮到未來的發(fā)展和擴充。3）傳輸方式，包括數(shù)據(jù)幀的丟失、超時和校驗等情況的處理，盡量做到與物理介質無關，在不同的物理介質上運行，只需要修改最底層的物理協(xié)議即可。2、家庭網(wǎng)關家庭網(wǎng)關是一個由硬件和軟件共同組成的功能實體，通常是采用PC實現(xiàn)。因為PCPC因此PC并不是家庭網(wǎng)關的最佳選擇。我們可以采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關，嵌入各方面更適應要求。但相對PC來說，嵌入式不僅包括軟件開發(fā)，還要完成硬件開發(fā)，難度增大。包括所有可以采集得到的家庭事務。如傳感器節(jié)點狀態(tài)的改變、中繼器的報告數(shù)據(jù)等。TCP/IP看，家庭網(wǎng)關就驗需要建立統(tǒng)計指標。網(wǎng)絡協(xié)議棧：負責模擬傳感器節(jié)點中無線通信的各層協(xié)議。應用。器和信號采集設備等硬件。如圖3-2所示：圖3-2傳感器節(jié)點模型體系結構3.4Zigbee網(wǎng)絡的構成3.4.1設備分類及功能在ZigBee的網(wǎng)絡中，支持兩種類型的物理設備:全功能設備和精簡功能設備。全功能設備(FFo，F(xiàn)ullFunctionoevice)特點:支持任何拓撲結構;可以成為網(wǎng)絡協(xié)調器或路由;能和任何設備通信。精簡功能設備(ReducedFunctionDevice)特點:只用在星型拓撲中;不能成為網(wǎng)絡協(xié)調器;只能和網(wǎng)絡協(xié)調器通信;實現(xiàn)非常簡單。此外，ZigBee網(wǎng)絡按照節(jié)點類型來分，支持三種節(jié)點:主節(jié)點，路由節(jié)點以及終端FFD并下發(fā)地址。路由節(jié)點也是一個FFD，搜索網(wǎng)絡并加入，給加入路由的終端節(jié)點分配地節(jié)點是網(wǎng)絡中最簡單的節(jié)點，它可以是一個FFD或者RFD。3.4.2地址分配模式所有Zigbee設備均將有一個64bit的IEEE地址，這是一個全球唯一的設備地址，需要得到Zigbee聯(lián)盟的許可和分配。在子網(wǎng)內部，可以分配一個16bit的地址作為網(wǎng)內通信地址，以減小數(shù)據(jù)包的大小。地址模式有兩種:(1)星型拓撲:網(wǎng)絡號加設備標識，本文中采用這種分配模式。(2)點對點拓撲:直接使用源/目的地址。這種地址分配模式，決定了每個zigbee網(wǎng)絡協(xié)調器可以支持多于64000個設備，而個點設備通信的頻率以及該應用對數(shù)據(jù)丟失和重傳的容納程度。3.5Zigbee的網(wǎng)絡拓撲結構前面提到過，Zigbee的網(wǎng)絡拓撲結構有三種:星型網(wǎng)絡，樹形網(wǎng)絡，網(wǎng)型網(wǎng)絡。下面對這三種拓撲網(wǎng)絡進行描述和介紹，并比較選定智能家居所選用的拓撲網(wǎng)絡。3.5.1星型網(wǎng)絡端節(jié)點。圖3-3星型拓撲網(wǎng)絡較低的設備成本、較少的上層路由信息和管理簡便。中心節(jié)點可以承擔許多管理工作。和控制中。3.5.2樹形網(wǎng)絡更廣闊的區(qū)域，就象是植物學中的分支一樣。從技術的觀點來看，樹型拓撲是可以實現(xiàn)網(wǎng)絡范圍內“多跳信息服務的最單的拓撲結少的上層路由信息、較低的存儲器需求，這樣成本必然也較低。圖3-4樹形網(wǎng)絡選擇。3.5.3網(wǎng)型網(wǎng)絡出網(wǎng)絡中任意兩個節(jié)點的通訊路徑不是唯一的。圖3-5網(wǎng)型網(wǎng)絡網(wǎng)絡設計師通常在需要高度可靠、可實現(xiàn)的場合應用網(wǎng)型結構。3.5.4智能家居的網(wǎng)絡拓撲選擇的成本、速度、特點和實現(xiàn)的功能。像家庭這樣的小型局域網(wǎng)通常采用的是星型網(wǎng)絡，100庭網(wǎng)絡的這些特點以及以上介紹的無線技術最大傳輸距離150要。通過使用證明，星型家庭網(wǎng)絡組網(wǎng)簡單，使用可靠。4智能家居中的硬件設計相對于其他無線通信標準,Zigbee協(xié)議棧顯得更為緊湊和簡單。如圖4-1所示,Zigbee協(xié)議棧的體系結構由底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應用層3部分組成。圖4-1Zigbee協(xié)議體系結構4.1底層硬件模塊及Zigbee硬件的實現(xiàn)4.1.1底層硬件模塊底層硬件模塊是ZigBee技術的核心模塊,所有嵌入ZigBee技術的設備都必須包括RF(RadioFrequency)ZigBee無線RF收發(fā)器和底層控制模塊組成。Zigbee標準協(xié)議定義了兩個物理層(PHY)標準,分別是2.4GHz物理層和868/915MHzDSSS技術,使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式;區(qū)別在于工作頻率、調制方式、信號處理過程和傳輸速率。底層控制模塊定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口,提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù);物理層管理服務維護一:激活和休眠射頻收發(fā)器,收發(fā)數(shù)據(jù),信道能量檢測,鏈路質量指示和空閑信道評估。信道能量檢測:為網(wǎng)絡層提供信道選擇依據(jù)。它主要測量目標信道中接收信號的功率強度,由于這個檢測本身不需要進行解碼操作,:為MAC層或要對信號進行解碼,生成一個信噪比指標。這個信噪比指標和物理層數(shù)據(jù)單元一起提交給上層處理?？臻e信道評估:判斷信道是否空閑。Zigbee協(xié)議標準定義了3種空閑信道評估模式:第一種是判斷信道的信號能量,若信號能量低于某一個門限量,則認為信道空閑;第二種是判斷無線信道的特征,這個特征主要包括兩方面,即擴頻信號和載波頻率;第三種模式是前兩種模式的綜合,同時檢測信號強度和信號特征,給出信道空閑判斷。4.1.2中間協(xié)議層中間協(xié)議層由IEEE802.15.4MAC子層、IEEE802.15.4鏈路控制(LLC,LogicalLinkControl)子層、網(wǎng)絡層NWK以及通過業(yè)務相關聚合子層SSCS(ServiceSpecificConvergenceSublayer)協(xié)議承載的IEEE802.2LLC子層(選用協(xié)議層)組成。MAC子層:使用物理層提供的服務實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸,而LLC子層在MAC子層的基礎上,在設備間提供面向連接和非連接的服務。MAC子層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中的正確收發(fā);后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關信息的數(shù)據(jù)庫。NWK層:負責建SSCS和IEEE802.2LLC：只是ZigBee標準協(xié)議中可能的上層協(xié)議,并不在IEEE802.15.4標準的定義范圍之內。SSCS為IEEE802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標準中定義的LLC子層提供聚合服務。LLC子層可以使用SSCS的服務接口訪問IEEE802.15.4網(wǎng)絡,為應用層提供鏈路層服務。高端應用層高端應用層位于Zigbee協(xié)議棧的最上面,主要包括以下5部分:應用支持(APS)子

Zigbee設備對象(ZDO)Zigbee設備配置(ZDC)(APL)和用戶應用

程序組成。APS子層:主要提供Zigbee端點接口。應用程序將使用該層打開或關閉一個

或多個端點,并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。ZDO子層:通過打開和處理目標端點接口來響應接收

和處理遠程設備的不同請求。與其他的端點接口不同,目標端點接口總是在啟動時就被

打開并假設綁定到任何發(fā)往該端口的輸入數(shù)據(jù)幀。ZDC子層:提供標準的Zigbee配置服務,ZDO

,ZDO會調用配置對象以獲取相應

的描述符值。APL層::,為了給用戶提供更廣泛的應

用,該層還提供了面向儀器控制、信息電器和通信設備的嵌入式API,從而可以更廣泛地

實現(xiàn)設備與用戶的應用軟件間的交互。4.2Zigbee硬件的實現(xiàn)隨著ZigBee標準的發(fā)布,世界各大無線芯片生產廠商陸續(xù)推出了支持Zigbee的節(jié)點模塊。圖4-2為Zigbee單芯片硬件模塊結構圖。微處理器通過SPI總線和一些離散控制信號與RF收發(fā)器相連。微處理器充當SPI主器件,而RF收發(fā)器充當從器件?？刂破鲗崿F(xiàn)了IEEE802.15.4MAC子層和Zigbee協(xié)議層,還包含了特定應用的邏輯,并且使用SPI總線與RF收發(fā)器交互。圖4-2Zigbee單芯片硬件模塊結構圖總結起來,一個典型的Zigbee節(jié)點模塊至少必須具備以下組件:1SPI接口的微處理器,如ATmega128PIC18F和HCS08,具體地說,就是負責比特流調制和解調后的所有比特級處理、控制RF收發(fā)器等。2、一個帶有所需外部元件的RF(射頻)收發(fā)器,如Freescale公司推出的MC13192和Chipcon公司推出的CC2420等。射頻收發(fā)器是Zigbee設備的核心,任何Zigbee設備都,功耗低,支持電池供電的設備。射頻收發(fā)器的主要功能包括:信號的調制與解調、信號的發(fā)送和接收,以及幀定時恢復等。3,可以是PCB單極天線、螺旋形天線和環(huán)形天線。對于低功耗應用,建議使用范圍最佳且簡單的1/4波長單極天線。天線必須盡可能靠近集成電路連接。如果天線位置遠離輸入引腳,則必須與提供的傳輸線匹配(50Ω)。Freescale公司推出的Zigbee節(jié)點模塊的應用模型如圖4-3所示。圖4-3Zigbee節(jié)點模塊應用模型5系統(tǒng)的軟件設計及運行結果5.1Z-Stack平臺軟件結構及開發(fā)環(huán)境5.1.1Z-Stack平臺軟件結構Zigbee協(xié)議棧依據(jù)IEEE802.15.4標準和Zigbee協(xié)議規(guī)范。Zigbee網(wǎng)絡中的各種向下一層發(fā)起一個原語操作并且通過下層返回的操作結果來判斷出下一條要執(zhí)行的原語操作。IEEE802.15.4標準和Zigbee協(xié)議規(guī)范中定義的各層原語操作多達數(shù)十條，原入式通信軟件來說，其實現(xiàn)通常需要依靠嵌入式操作系統(tǒng)來完成。挪威半導體公司Chipcon(目前已經(jīng)被TI公司收購)作為業(yè)界領先的Zigbee一站式方案供應商，在推出其CC2530Zigbee協(xié)議棧軟件-Z-Stack業(yè)界領先的商業(yè)級協(xié)議棧，使用CC2530射頻芯片，可以使用戶很容易的開發(fā)出具體的應用程序來。Z-Stack使用瑞典公司IAR開發(fā)的IAREmbeddedWorkbenchforMCS51作為它的集成開發(fā)環(huán)境。Chipcon公司為自己設計的Z-Stack協(xié)議棧中提供了一個名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調度程序。對于用戶來說，除了能夠看到這個調度程序外，時只能夠通過調用API接口來進行，而無權知道Zigbee協(xié)議棧實現(xiàn)的具體細節(jié)。Z-Stack由mainmain2件事：一是系統(tǒng)初始化，另外一件是開始執(zhí)行輪轉查詢式操作系統(tǒng)。圖5-15.1.2開發(fā)環(huán)境TI公司的Z-StackIEEE802.15.4/Zigbee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。Z-StackZigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡（MeshNetwork）下載節(jié)點更新。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)上電后，通過執(zhí)行ZMain文件夾中ZMain.c的ZSEGintmain()函數(shù)實現(xiàn)硬件的初始化，其中包括關總中斷osal_int_disable(INTS_ALL)、初始化板上硬件設置HAL_BOARD_INIT()、初始化I/O口InitBoard(OB_COLD)、初始化HAL層驅動HalDriverInit()、初始化非易失性存儲器sal_nv_init(NULL)、初始化MAC層ZMacInit()、分配64位地址zmain_ext_addr()、初始化操作系統(tǒng)osal_init_system()等。硬件初始化需要根據(jù)HAL文件夾中的hal_board_cfg.h文件配置寄存器8051的寄存器。TI官方發(fā)布Z-stack的配置針對的是TI官方的開發(fā)板CC2430DB、CC2430EMK等，如采hal_board_cfg.h的實驗板與TI官方的I/O口配置略有不同，其中狀態(tài)指示LED2的需要重新設置LED2控制引腳口、通用I/O口方向和控制函數(shù)定義等。osal_start_system()函數(shù)開始運行OSALtasksArr[]中有就緒的任務，則可以使處理器進入睡眠狀態(tài)實現(xiàn)低功耗。程序流程如圖3-13所示。osal_start_system()一旦執(zhí)行，則不再返回Main()函數(shù)。OSAL任務OSAL是協(xié)議棧的核心，Z-stack的任何一個子系統(tǒng)都作為OSAL的一個任務，因此在開

OSALosalInitTasks()函數(shù)

創(chuàng)建OSAL任務，其中TaskID為每個任務的唯一標識號。任何OSAL一是進行任務初始化；二是處理任務事件。任務初始化主要步驟如下：

（1）初始化應用服務變量。constpTaskEventHandlerFntasksArr[]數(shù)組定義系統(tǒng)提供的應用服務和用戶服務變量，

如MAC層服務macEventLoop、用戶服務SampleApp_ProcessEvent等

（2）分配任務ID和分配堆棧內存voidosalInitTasks(void)主要功能是通過調用osal_mem_alloc()函數(shù)給各個任務分配內存空間，和給各個已定義任務指定唯一的標識號。（3）在AF層注冊應用對象通過填入endPointDesc_t數(shù)據(jù)格式的EndPoint變量，調用afRegister()在AF層注冊

EndPoint應用對象。通過在AFafAddrType_t地址類型數(shù)據(jù)包的路由端點，例如用于發(fā)送周期信息的SampleApp_Periodic_DstAddr和發(fā)送LED閃爍指令的SampleApp_Flash_DstAddr。（4）注冊相應的OSAL或則HAL系統(tǒng)服務在協(xié)議棧中，Z-stack提供鍵盤響應和串口活動響應兩種系統(tǒng)服務，但是任何Z-Stask有一個OSALTaskRegisterForKeys()函數(shù)。（5）處理任務事件處理任務事件通過創(chuàng)建“ApplicationName”_ProcessEvent()函數(shù)處理。一個OSAL任務除了強制事件（MandatoryEvents）之外還可以定義15個事件。SYS_EVENT_MSG（0x8000）是強制事件。該事件主要用來發(fā)送全局的系統(tǒng)信息，包括以下信息：AF_DATA_CONFIRM_CMD：該信息用來指示通過喚醒AFDataRequest()函數(shù)發(fā)送的數(shù)據(jù)請求信息的情況。ZSuccess確認數(shù)據(jù)請求成功的發(fā)送。如果數(shù)據(jù)請求是通過AF_ACK_REQUEST置位實現(xiàn)的，那么ZSussess可以確認數(shù)據(jù)正確的到達目的地。否則，ZSucess僅僅能確認數(shù)據(jù)成功的傳輸?shù)搅讼乱粋€路由。AF_INCOMING_MSG_CMD：用來指示接收到的AF信息。KEY_CHANGE：用來確認按鍵動作。ZDO_NEW_DSTADDR：用來指示自動匹配請求。ZDO_STATE_CHANGE：用來指示網(wǎng)絡狀態(tài)的變化。網(wǎng)絡層信息Zigbee1個是64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者擴展

Extendedaddress16Logicaladdress）

或者短地址。64IEEEZigbee網(wǎng)絡被分配一個

等。協(xié)調器（Coordinator）首先在某個頻段發(fā)起一個網(wǎng)絡，網(wǎng)絡頻段的定義放在DEFAULT_CHANLISTZDAPP_CONFIG_PANID定義的PANID是0xFFFF（代表所有的PANID），則協(xié)調器根據(jù)它的IEEE地址隨機確定一個PANID。否則，根據(jù)ZDAPP_CONFIG_PANID的定義建立PANID。當節(jié)點為Router或者EndDevice時，設備將會試圖加入DEFAULT_CHANLISTZDAPP_CONFIG_PANID沒有設為0xFFFF，則Router或者EndDevice會加入ZDAPP_CONFIG_PANID所定義的PANID。入網(wǎng)絡之前先處理其他事件，可以通過定義HOLD_AUTO_START來實現(xiàn)。通過調用ZDApp_StartUpFromApp()來手動定義多久時間之后開始加入網(wǎng)絡。設備如果成功的加入網(wǎng)絡，會將網(wǎng)絡信息存儲在非易失性存儲器（NVFlash）里，掉電的記憶功能。對NVFlash的動作，通過NV_RESTORE()和NV_ITNT()函數(shù)來執(zhí)行。有關網(wǎng)絡參數(shù)的設置大多保存在協(xié)議棧Tools文件夾的f8里。Z-Stack采用無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議AODVHoc動節(jié)點，鏈接失敗和數(shù)據(jù)丟失，能夠自組織和自修復。當一個Router接受到一個信息包之后，NMKRouter的Router將會確認和目的地址相應的路由存儲的下一個hop息包將會被緩存直到發(fā)現(xiàn)一個新的路由信息。ZigbeeEndDevice不會執(zhí)行任何路由函數(shù)，它只是簡單的將信息傳送給前面的可以執(zhí)行路由功能的父設備。因此，如果EndDevice想發(fā)送信息給另外一個EndDevice，在發(fā)送信息之間將會啟動路由探測功能，找到相應的父路由節(jié)點。5.2軟件結構及接口定義5.2.1軟件結構的總體結構軟件分為三層:系統(tǒng)平臺層、協(xié)議層和應用層。系統(tǒng)平臺層通過API(ApplicationProgrammingInterface)實現(xiàn)了基于802.15.4的物理層和鏈路層以及基于Zigbee的網(wǎng)絡層協(xié)議。應用層通過API來調用協(xié)議層提供的服務，實現(xiàn)網(wǎng)絡的管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿铡?.2.2接口定義接口提供上下層相鄰模塊之間交互的方式，一般有兩種方式:基于消息的方式和直比較高，缺點是上下層模塊的耦合性太強。基于消息的接口方式相當于間接函數(shù)調用，移植性。5.3主節(jié)點的軟件流程:MCU的初始化和CC2430的初始化;通信協(xié)議棧的實現(xiàn);端應用程序和接入點的應用程序。1.系統(tǒng)主程序設計12以及圖13主程序源代碼見附錄C。apsFSM監(jiān)控空中的Zigbee數(shù)apsFSM()晶上顯示出來，也同時從串口發(fā)送出來。網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點流程圖：圖5-2網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點流程圖2.中斷和初始化程序設計圖5-1和圖5-2分別為CC2430中斷處理過程與MCU初始化過程的流程圖：圖5-3節(jié)點程序流程圖中斷處理過程：圖5-4中斷處理過程初始化過程圖5-5初始化過程5.4終端節(jié)點軟件設計5.4.1終端節(jié)點的功能及要求協(xié)調器節(jié)點是一個ZigbeeZigbee網(wǎng)絡的啟PANID5.4.2終端節(jié)點的工作流程作子程序完成代碼要求的功能。代碼格式已經(jīng)在主節(jié)點軟件部分說明，這里不再贅述。本課題設計的溫度調節(jié)終端設備以及濕度調節(jié)終端設備的網(wǎng)絡通信功能與設備功能均已實現(xiàn)，并建立了連接，使得它們真正成為了家庭Zigbee網(wǎng)絡中的節(jié)點，具有了遠程12-13新加入網(wǎng)絡的終端設備均可按照此方法具備網(wǎng)絡服務功能，但是，對于新加入的設備，應的操作。5.4.3終端節(jié)點的節(jié)能機制ZigBee網(wǎng)絡的節(jié)能機制正好可以滿足用戶的這種需求，終端設備電池使用時間可長達2年。我們可以在許多方面采取措施來降低終端的能耗，功耗CMOS器件、低功耗顯示技術、低功耗MCU等采取專門措施來降低終端能耗。軟件特點，對Zigbee無線通信協(xié)議棧物理層和MAC層進行了相應的節(jié)能設計，從而降低終端通信子系統(tǒng)的功耗，以延長系統(tǒng)工作的時間。5.4.4系統(tǒng)運行結果及評價(1)系統(tǒng)運行結果本系統(tǒng)作為智能家居的簡化系統(tǒng)(沒有包括智能家居全部功能)自的任務，然后進行總體整合的調試，使整個系統(tǒng)能夠協(xié)調穩(wěn)定的工作。Zigbee新一代SOC芯片CC2430IEEE802.15.4標準RF4CE256個字節(jié)，CC2430是理想ZigbeeRemoTI的ZigbeeRF4CEZigbeeRF4CE兼容的協(xié)議CC2430結合了一個完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個8051微處理器，8kB的RAM，32128/256KB閃存，以及其他強大的支持功能和外設。CC2430提供了101dB——包括2個USART12位ADC和21個通用GPIORF和業(yè)界標準增強8051MCU內核，支持一般的低功耗無線通信，CC2430還可以配備TI的一個標準兼容或專有的網(wǎng)絡協(xié)議棧（RemoTI，Z-Stack，或SimpliciTI）來簡化開發(fā)，使你更快的獲得市場。CC2430可以用于的應用包括遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領域。(2)系統(tǒng)的評價特性描述1、強大無線前端2.4GHzIEEE802.15.4標準射頻收發(fā)器。出色的接收器靈敏度和抗干擾能力?？删幊梯敵龉β蕿椋?.5dBm，總體無線連接102dbm。極少量的外部元件。支持運行網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)，只需要一個晶體。6毫米×6毫米的QFN40封裝。適合系統(tǒng)配臵符合世界范圍的無線電頻率法規(guī)：歐洲電信標準協(xié)會ETSIEN300328和EN300440FCC的CFR47第15部分（美國）和ARIBSTD-T-662、低功耗接收模式：24毫安。發(fā)送模式1dBm：29毫安。功耗模式1（4微秒喚醒）：0.2毫安。

功率模式2（睡眠計時器運行）1微安。

功耗模式3（外部中斷）：0.4微安。

寬電源電壓范圍（2V－3.6V3、微控制器高性能和低功耗8051微控制器內核。32128/或256/kB系統(tǒng)可編程閃存。8KB的內存保持在所有功率模式。硬件調試支持。4、外設強大五通道DMA。IEEE802.15.4標準的MAC定時器，通用定時器（一個16位，2個8紅外發(fā)生電路。32KHZ的睡眠計時器和定時捕獲。CSMA/CA硬件支持。精確的數(shù)字接收信號強度指示/LQI支持。電池監(jiān)視器和溫度傳感器。8通道12位ADC在，可配臵分辨率。AES加密安全協(xié)處理器。兩個強大的通用同步串口。21個通用I/O引腳?？撮T狗定時器。應用范圍2.4GHzIEEE802.15.4標準系統(tǒng)。RF4CE遙控控制系統(tǒng)（需要大于64KBZigBee系統(tǒng)/樓宇自動化。照明系統(tǒng)。工業(yè)控制和監(jiān)測。低功率無線傳感器網(wǎng)絡。消費電子。健康照顧和醫(yī)療保健。6家居四表抄送系統(tǒng)的典型應用隨著信息技術的飛速發(fā)展，家居設施、工業(yè)控制的智能化、自動化水平越來越高，IC各類費用不能及時準確的收繳。IC卡預付費抄表也存在一些問題：IC卡表具直接與用戶接觸，極易造成人為破壞;問題，涉及布管問題、穿線問題，需要預先設計;施工周期長、工程安裝成本及維護成本高:就難以普及；低成本的Zigbee無線網(wǎng)絡技術的出現(xiàn)，無疑將為小區(qū)物業(yè)管理實現(xiàn)真正智能化做出具重要的貢獻。6.1家居四表抄送系統(tǒng)方案系統(tǒng)總體結構在家庭內采用ZigbeeZigbee助GPRS遠程的無線通訊技術，把獲得的數(shù)據(jù)送到遠程的服務器，同時，遠程服務器可以訪問和控制任何一個在Zigbee網(wǎng)絡中的設備，來實現(xiàn)遠程控制等功能。在系統(tǒng)中終ZigbeeZigbee要任務就是收集ZigbeeGPRS息，來控制整個Zigbee網(wǎng)絡。遠程服務器能夠上網(wǎng)，有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，接收和分析MCU選擇32位的ColdFire521X系列，網(wǎng)絡終端的MCU選擇為HCS08微處理器。6.2四表抄送系統(tǒng)家居智能節(jié)點網(wǎng)關以SPI節(jié)點被實時中斷(中斷周期為固定間隔加上隨機時延)喚醒，進行傳感器)狀態(tài)采集，并設定下一次實時中斷的隨機時延。處于停止模式的微型節(jié)點被報警信號IRQ中斷喚醒，由PC機、CC2430MC9SO8GB60、CC2430、水表傳感器、電磁閥水量；數(shù)據(jù)采集終端的PC機可以隨時發(fā)出抄表指令對用戶用水金額進行讀取。當用水LCD主要是對單片機、射頻芯片、SPI等進行初始化；發(fā)射程序將所建立的數(shù)據(jù)包通過單片機SPI接口送至射頻發(fā)射模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進行處理。SPI通信程序uintl6drvread_spil(uint8addr){／*SPI讀函數(shù)*／uintl6_w；／*w[O]是高字節(jié)，w[1]是低字節(jié)*／uint8_temp_value；／*用來暫存SPI數(shù)據(jù)寄存器的值*／temp_value=SPI1S；／*清狀態(tài)寄存器*／temp_value=SPI1D；／*清接收數(shù)據(jù)寄存器*／

irq_value=IRQSC；／*保存IRQSC的值*／

MC13192_IRQ_SOURCE=irq_value&～(0x06)；

／*禁止MC13192產生中斷請求*／AssertCE／*使能MC13192的SPI接口*／

SPI1D=addr＆0x3F)10x80；／*寫人要訪問的6位地址，設置讀*／

while(!(SPI1S_SPRF))；／*等待接收滿標志SPI1S_SPRF置1*／

Temp_value=SPI1D；SPI1D=addr；while(!(SPI1S_SPRF))；((_uint8_*)&w)[0]=SPI1D；／*將高字節(jié)存人w[0]*／6.2.1四表抄送系統(tǒng)家居智能節(jié)點在本系統(tǒng)中主要由家庭網(wǎng)關和網(wǎng)絡中各子節(jié)點組成，網(wǎng)絡中子節(jié)點采用Zigbee技術與()四表數(shù)據(jù)采集。在家庭網(wǎng)關和每個字節(jié)點上都接有一個采用Zigbee技術設計無線網(wǎng)絡收發(fā)模塊，通過網(wǎng)，然后通過基于Zigbee主器件家庭網(wǎng)關與小區(qū)監(jiān)控網(wǎng)連接，最終由小區(qū)網(wǎng)與公共服出了無線抄水表模塊和無線抄電表模塊的組成原理圖。6.2.1無線抄水表模塊無線抄水表模塊包括水表脈沖信號采集部分、MCU、無線發(fā)射與接收部分、按鍵顯示部分等組成。無線抄水表組成原理框圖見圖16。圖6-1無線抄水表組成原理框圖無線水表功能要求：（1,通常有每脈沖10L和每脈沖100L兩種,可以通過脈沖信號的采集來實現(xiàn)計量功能;（2）無線接口功能。無線水表需要無線接口來實現(xiàn)各個用戶的水表的計量信息的集中抄錄,可以采用Zigbee無線網(wǎng)絡技術;（3設計的無線水表抄表系統(tǒng)包括一個監(jiān)控器和幾個終端水表，使用Zigbee技術來實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡,,面,主板包括一個Zigbee無線通信模塊和一個脈沖信號采集器。Zigbee無線通信部分選擇Freescal公司的解決方案,使用MC9S08GT60+CC2430來實現(xiàn)Zigbee通信,自己通過設計模塊實現(xiàn)。信號采集器部分,主要通過CPU的通用外部中斷來采集脈沖信號。這樣設計功耗很低,CPU,通過對Zigbee協(xié)議棧的操作,實現(xiàn)Zigbee無線通信。監(jiān)控器需要把監(jiān)控信息上傳到上位機,也可以處理來自上位機的命令。6.2.2無線抄電表模塊無線抄電表模塊兩部分構成：電能測量與處理部分和無線接收/發(fā)送部分。而硬件具體塊的核心是美國ADI公司的一款高精度單相有功電能計量芯片ADE7753。該芯片集成了數(shù)字積分、參考電壓源和溫度傳感器。它提供了一個和有功能量成比例的脈沖輸出(CF)和數(shù)字系統(tǒng)校準誤差電路()路中有功功率、無功功率和視在功率的測量。ADE7753有電流和電壓兩個通道，共兩路模擬量輸入，分別是電流通道V1P、V1N和電壓通道V2P、V2N。電壓信號經(jīng)可編程放大器(PGA)放大和模數(shù)轉換器進行A/D轉換變?yōu)閿?shù)字信號，然后，電流信號經(jīng)電流通道內的高通濾波器HPF濾除DC分量并數(shù)字積分后，與經(jīng)相位校正后的電壓信號相乘，產生瞬時功率；此信號經(jīng)低通濾波LPF2產生瞬時有功功率信號。利用功率偏差校準寄存器值進行累加，將功率累加值(電能值)存放在電能寄存器中，經(jīng)DOUT引腳輸出。電流和電壓采集電路把交流電變?yōu)榭晒〢DE7753di/dt微分電流傳感器實現(xiàn)電流/電壓變換。無線抄電表組成原理框圖見圖6-2。圖6-2無線抄電表原理框圖6.2.3模塊中Zigbee節(jié)點信息處理描述CC2430與MCU的接口簡單，只需四線的SPI，一個IRQ中斷請求線和三個控制線。SPI用于CC2430和MCU進行雙向的數(shù)據(jù)通信，MCU對CC2430的配置和控制命令也通過SPICC2430發(fā)生的事件通過IRQ管腳通知MCUMCUCC2430RAMMCU接收進來的射頻信號經(jīng)過兩次下變頻之后變成兩路正交信號(I和Q)，片內集成的CCA(空閑信道評估)模塊根據(jù)接收到的基帶信號的能量進行空閑信道評估檢測。CCA和前端的LNA(低噪聲放大器)都要受到AGC(自動增益控制)的控制。數(shù)字接收端通過差分碼片檢測(DCD)后經(jīng)過相關器對直接序列擴頻(DSSS)進行解擴，經(jīng)過符號同步檢測和包處SPI接口傳送到MCU128字節(jié)信號由MCU通過SPI接口傳送到CC2430CC2430正EE802.15.44個比特被32以后的信號送到相位開關調制器上O-QPSK的方式通過直接上變頻調制到載波后通過天線發(fā)射出去。7結束語ZigBee作為一種新出現(xiàn)的無線通信技下幾部分:(1)在分析傳統(tǒng)智能家居特點與不足基礎上，提出了設計智能家居系統(tǒng)應該主要考慮的因素，并建立了本課題智能家居的模型。(2)通過對比的方法分析了藍牙ZigBee無線技術各自特點及應用領域，闡明了選用ZigBee無線技術作為智能家居的組網(wǎng)技術原因及優(yōu)勢。(3)通過對ZigBee的特點，設計了智能家居星形網(wǎng)絡拓撲結構。(4)采用模塊化的思想，設計了主節(jié)點與網(wǎng)關的硬件接口，并制定了網(wǎng)關與主節(jié)點間的通訊協(xié)議，解決了主節(jié)點的可移植性問題，提高了主節(jié)點應用的靈活性。(5)分別設計了具有溫度調節(jié)功能和濕度調節(jié)功能的終端節(jié)點設備，并進行了硬件搭接軟件流程，并對系統(tǒng)進行了相應的測試。(6)ZigBee現(xiàn)了節(jié)能要求，提高了電池壽命。本課題采用遵循IEEE802.15.4標準的低功耗無線收發(fā)器CC2430，開發(fā)無線數(shù)字家用驗證，系統(tǒng)運行正常可靠。本文的研究成果具有良好的通用性，為ZigBee無線技術值。ZigBee技術剛剛出現(xiàn)，相關資料相對欠缺，市場上基于ZigBee技術的模塊也不多，加上個人經(jīng)驗有限，論文改進之處在于:(1)增加無線模塊與不同處理器接口設計，以適應目前多種處理器的應用需求。(2)改進硬件電路，優(yōu)化程序設計，提高系統(tǒng)性能。(3)建立適合于我國無線電標準和行業(yè)市場情況的技術標準。參考文獻[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigbeeE技術及應用.北京航空航天大學出版社，2007.9.[2]李文仲，段朝玉.Zigbee2006無線網(wǎng)絡與無線定位實戰(zhàn).北京航空航天大學出版社，2008.1.[3]寧煥生，張彥.RFID與物聯(lián)網(wǎng)—射頻、中間件、解析與服務.電子工業(yè)出版社.2008.4.[4]金純，羅祖秋，羅鳳，陳前斌.Zigbee技術基礎及案例分析.國防工業(yè)出版社.2008.1.[5]張瑞武.智能建筑.北京:清華大學出版社，1996.[6]李斌，田亞萍.基于無線傳感器網(wǎng)絡的安防系統(tǒng)設計[7]]趙晨，何波，王睿.基于射頻芯片CC2420實現(xiàn)的Zigbee無線通信設計［J算機信息，2007，1-2：101-102.[8]].基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件電路設計[J].自動化信息，2009，93(l):29-3.[9]黎連業(yè)，郭春芳，向東明.無線網(wǎng)絡及其應用技術［M］.北京:清華大學出版社，2005，20-75.[10].ZigBeeJ］.自動化儀表，2005，H(6):4-5.[11]張維勇，馮琳，魏振春。ZigBee2005，7(7):2-3.[12]王秀梅，劉乃安.2.4GHz射頻芯片cc2420實現(xiàn)ZigBee無線通信設計[J].國外電子元器件，2005，8(4):11一15.[13]ZigBeeProtocol://.[14]AmitavaDutta-Roy.NetworksforHome[J].IEEESpectrum,Dec.1999,36(12):26-33.[15]]2420PreliminaryDatasheet(rev1.2)[S].2004，6(5):23一34.[16]IEEEStandards802.15.4TM-2003,WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)SpecificationsforLow–RateWirelessPersonalAreaNet2works(LR-WPANs)[S].致謝歲月如梭，時間如白駒過隙一般從我們眼前劃過，轉眼四年的大學生活即將結束，著我去適應，新的困難等著我去克服。但是我充滿信心，充滿激情和希望。心的感謝！我對他深表謝意！切期望是我不斷前進的動力，是他們的支持和理解，使我順利完成學業(yè)!附錄Ⅰ附錄Ⅱ（1