【正文】 的工具，提供全方位的信息交互功能。物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線傳感器應(yīng)用對(duì)家庭的智能防災(zāi)，燈光控制，以及家電聯(lián)網(wǎng)都提供了一種很好的解決辦法。而且使用GPRS通信模塊，可以將家庭中的突發(fā)事件信息告知戶(hù)主，并且進(jìn)行智能報(bào)警。這樣就極大降低了家庭意外災(zāi)難的損失[3]。 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)現(xiàn)狀智能家居是利用微處理電子技術(shù)，來(lái)集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)。家庭網(wǎng)絡(luò)是在家庭范圍內(nèi)（可擴(kuò)展至鄰居、小區(qū)）將PC、家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和廣域網(wǎng)相連接的一種新技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)家電是將普通家用電器利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的新型家電產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)家電是一種價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)、帶有PC主要功能的家電產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)智能家居現(xiàn)在處于起步階段，由于智能家居受產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的限制，在短時(shí)間內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以一般都是一個(gè)廠家單獨(dú)做系統(tǒng)研發(fā)的。智能家居產(chǎn)品大規(guī)模批量化生產(chǎn)還需要時(shí)間加之協(xié)議不統(tǒng)一，隨之帶來(lái)的就是產(chǎn)品成本相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)從事智能家居行業(yè)的生產(chǎn)廠家魚(yú)龍混雜，良莠不齊，有獨(dú)立從事智能家居系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)，有家電行業(yè)兼做智能家居系統(tǒng)，有安防企業(yè)兼做智能家居系統(tǒng)的，還有運(yùn)營(yíng)商也參與到智能家居行業(yè)的，各自的出發(fā)點(diǎn)不同，所以生產(chǎn)出的產(chǎn)品也就各不相同產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，影響了消費(fèi)者對(duì)智能家居產(chǎn)品的信任；再者智能家居行業(yè)的售后服務(wù)水平較低，智能家居系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性較大，出問(wèn)題的幾率相對(duì)較高，這時(shí)候如果售后服務(wù)不能到位的話則會(huì)嚴(yán)重影響客戶(hù)對(duì)智能家居產(chǎn)品的滿(mǎn)意度。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了智能家居行業(yè)的發(fā)展。所以目前在中國(guó)只有少部分用于試點(diǎn)研究安裝，真正用于生活的還不多見(jiàn)。 論文的結(jié)構(gòu)論文的結(jié)構(gòu)主要分四個(gè)部分：1. 緒論。主要介紹物聯(lián)網(wǎng)智能家居的背景、意義、現(xiàn)狀。2. 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具。主要介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的技術(shù)工具。3. 需求分析。主要介紹系統(tǒng)功能需求性。4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要介紹系統(tǒng)各個(gè)部分設(shè)計(jì)。2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具該部分主要介紹系統(tǒng)所采用的技術(shù)及開(kāi)發(fā)工具，涉及,采用的架構(gòu)ZigBee技術(shù)的模塊、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、GPRS通信模塊等。 ZigBee技術(shù)無(wú)線傳感器技術(shù)是目前無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶(hù)終端。所謂傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在一定區(qū)域內(nèi)的、具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間距離很短，一般采用多跳(multihop)的無(wú)線通信方式通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶(hù)遠(yuǎn)程訪問(wèn)[4]。ZigBee技術(shù)譯為紫蜂技術(shù)，是一個(gè)有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)， (ZigBee) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)化方面，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制領(lǐng)域， 可以嵌入各種設(shè)備中， 同時(shí)支持地理定位功能。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用層、 應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。其協(xié)議如圖21所示： 應(yīng)用層匯聚層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層LLCMAC物理層圖21 ／915MHz物理層，它們都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，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(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。， 有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低，該頻段的物理層使用了16個(gè)信道、250kb/s的傳輸速率。 數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)。LLC子層功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸；MAC層通過(guò)SSCS ( Service — Specific Convergence Sub layer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層) 協(xié)議能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，其功能包括設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和拆除、確認(rèn)模式的幀傳送與接收、信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理。 網(wǎng)絡(luò)層采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 功能包括拓?fù)涔芾怼?MAC管理、 路由管理和安全管理根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設(shè)備 (Full Function Device；FFD)與精簡(jiǎn)功能設(shè)備(Reduced Function Device；RFD)。前者具備控制器(Controller)的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換；后者電路較為簡(jiǎn)單且存儲(chǔ)體容量較小，只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)。應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)層上，包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。 應(yīng)用層定義了各種類(lèi)型的應(yīng)用業(yè)務(wù)是協(xié)議棧的最上層用戶(hù)。 ZgBee特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由大量的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自組織網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)成，一般節(jié)點(diǎn)通過(guò)各種方式大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線自組織傳輸網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)的信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析[5]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖22所示(虛線表示無(wú)線鏈路，實(shí)線表示有線鏈路)。圖22 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1. 無(wú)中心。WSN 沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。2. 自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴(lài)于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為,節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以快速、 自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。3. 動(dòng)態(tài)拓?fù)?。WSN 是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其它故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。4. 節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣。這樣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備一定的軟、硬件健壯性和容錯(cuò)性。 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)1. 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。2. 低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。3. 低速率。ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿(mǎn)足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。4. 近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到13km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。5. 短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要310s、WiFi需要3s。6. 高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。7. 高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性。8. 免執(zhí)照頻段。(全球) (ISM)頻段。ZigBee的這些特點(diǎn)使之最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, 簡(jiǎn)稱(chēng)WSN）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanism System,簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC， System on Chip）、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知的一場(chǎng)變革。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)[6]。 很多人都認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計(jì)算機(jī)能夠訪問(wèn)各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱(chēng)為一種全新類(lèi)型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過(guò)去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。然而從很多方面來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在 1970 年的因特網(wǎng)，那時(shí)因特網(wǎng)僅僅連接了不到 200所大學(xué)和軍事實(shí)驗(yàn)室，并且研究者還在試驗(yàn)各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到 100個(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)以及通訊線路會(huì)使其變得十分復(fù)雜難纏而無(wú)法正常工作。另外一個(gè)原因是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個(gè)月。不過(guò)這些問(wèn)題并不是不可逾越的，一些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會(huì)在幾年之內(nèi)出現(xiàn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類(lèi)型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。 GPRS通信模塊GPRS是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是GSM移動(dòng)電話用戶(hù)可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可以說(shuō)是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS經(jīng)常被描述成“”，也就是說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶(hù)數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無(wú)線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。如此，使用者既可聯(lián)機(jī)上網(wǎng)，參加視訊會(huì)議等互動(dòng)傳播，而且在同一個(gè)視訊網(wǎng)絡(luò)上（VRN）的使用者，甚至可以無(wú)需通過(guò)撥號(hào)上網(wǎng)，而持續(xù)與網(wǎng)絡(luò)連接。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長(zhǎng)度的包（分組），每個(gè)包的前面有一個(gè)分組頭（其中的地址標(biāo)志指明該分組發(fā)往何處）。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預(yù)先分配信道，建立連接。而是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭中的信息（如目的地址），臨時(shí)尋找一個(gè)可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒(méi)有固定的占用關(guān)系，信道資源可以看作是由