【正文】 規(guī)范基礎(chǔ)上，開發(fā)一套具有自主知識(shí)產(chǎn) 權(quán)的針對(duì)家庭自動(dòng)化（ Home Automation）應(yīng)用框架的 Zigbee應(yīng)用模式協(xié)議棧（ Zigbee Stack Profile— HA Stack） , 構(gòu)成一個(gè)通用的無(wú)線家居智能化平臺(tái) 第 頁(yè) 7 系統(tǒng)，進(jìn)而開發(fā)出一套完整的、高性價(jià)比的、實(shí)用化的無(wú)線家庭智能化應(yīng)用產(chǎn)品。 2021年 8月 ， ZigBee聯(lián)盟成立 ， 迄今已吸引了上百家芯片公司 、 無(wú)線設(shè)備公司及產(chǎn)品開發(fā)商 ，同時(shí) 由于 ZigBee 巨大的市場(chǎng)潛力 , 越來(lái)越多的廠商 為最終實(shí)現(xiàn)家居智能化 提供 ZigBee解決方案 ，而更多的國(guó)內(nèi)建筑業(yè)、房地產(chǎn)、數(shù)字家電與 IT設(shè)備制造商如萬(wàn)科、海爾、聯(lián)想集團(tuán)等對(duì)此也表現(xiàn)出濃厚的興趣，預(yù)計(jì)在未來(lái)的十年內(nèi)，國(guó)內(nèi)與此相關(guān)的產(chǎn)品市場(chǎng)份額 達(dá) 1200億之巨 。 而 家庭網(wǎng)絡(luò)通訊 具有以下 特點(diǎn) ：（ 1） 傳輸數(shù)據(jù)量小 ， 無(wú)需太大的傳輸速度 ；（ 2） 網(wǎng)絡(luò)的容量要大 ， 家庭中的各種設(shè)備多 ；（ 3） 信息的實(shí)時(shí)性要好 , 時(shí)延要短。優(yōu)點(diǎn)是布線相對(duì)簡(jiǎn)單。 （ 2）電力載波方案：代表廠商有 X瑞朗、索伯等。缺點(diǎn)是需要預(yù)布控制線、需要的輔助設(shè)備比較多，難安裝、難調(diào)試，難維護(hù)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后往往 會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。 (3) 無(wú)線聯(lián)網(wǎng)方式將成為主流 從有線走向無(wú)線無(wú)線傳輸?shù)氖⑿惺腔谌藗儗?duì)于靈活、便攜、無(wú)所不在的訴求?；谠摷夹g(shù)的產(chǎn)品處理能力顯著提升 ，以往無(wú)法處理的多媒體信息和增值服務(wù)都可以得以實(shí)現(xiàn)，由于采用專門的顯示引擎所以界面更加豐富、美觀，家電控制功能也趨于完善。從事智能家居的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品和系統(tǒng)生產(chǎn)的主要?dú)W美廠家有 Honeywell, Invensys, Home Automation, HomeDirector和 Gatespace等等。 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看 ZigBee技術(shù)將是家庭自動(dòng)化市場(chǎng)的最終贏家。 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) (AES 128) 的對(duì)稱密碼 ， 以靈活確定其安全屬性； （ 8）免執(zhí)照頻段。相比較 ,藍(lán)牙需要 3～ 10s、 WiFi需要 3s。指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。通過大幅簡(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)議專利費(fèi)； （ 3）低速率。 圖 1 Zigbee 協(xié)議棧構(gòu)成 Zigbee的特點(diǎn)突出 ,尤其在低功耗、低成本上 ,主要有以下幾個(gè)方 面 : （ 1）低功耗。 ZigBee是一組基于 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) , ZigBee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成（如圖 1） ,網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由 ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定 , IEEE則制定物理層 (PHY) 和鏈路層 (MAC) 標(biāo)準(zhǔn) 。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) ， 亦包含寓意。 因此， 在國(guó)內(nèi)外對(duì)智能家居及其應(yīng)用研究日漸重視的背景下，適時(shí)啟動(dòng)一些基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能家居關(guān)鍵技術(shù)的研究課題是必要，而且迫切的。目前 ， 智能家居網(wǎng)絡(luò)主要以有線形式為主，有線連接存在著布線困難、維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn) 。 必要性： 隨著信息技術(shù)的發(fā)展 ， 網(wǎng)絡(luò)和家庭信息化已越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中 ， 一個(gè)安全、舒適、便利的生活環(huán)境要求達(dá)到住宅智能多元化 ， 這就需要智能家居網(wǎng)絡(luò) 。而 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過將傳感模塊的嵌入功能，可以使得上述系統(tǒng)通過無(wú)線連接成為一個(gè)高效、智能化與人性化的居住環(huán)境。 第 頁(yè) 1 項(xiàng)目可行性研究報(bào)告 一、前言 項(xiàng)目簡(jiǎn)介 項(xiàng)目簡(jiǎn)介 ： 基于最新 Zigbee 規(guī)范的無(wú)線家居智能化通用平臺(tái)系統(tǒng) 項(xiàng)目實(shí)施單位：深圳大學(xué) 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：王暉 項(xiàng)目選擇的背景： 近年來(lái)信息化的高度發(fā)展，通信的自由化與個(gè)性化，以及人類對(duì)工作環(huán)境的安全性、舒適性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大為增加。 項(xiàng)目主要研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居網(wǎng)絡(luò)并構(gòu)建其網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)系統(tǒng) 。 智能家居網(wǎng)絡(luò)一方面將家庭中各種與信息有關(guān)的通訊設(shè)備、家用電器、家庭保安裝置聯(lián)網(wǎng) ， 進(jìn)行有效地控制和信息交換 ； 另一方面將家居網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián) ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制 。而基于 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有部署方便靈活、擴(kuò)展性好、低能耗與低成本的優(yōu)勢(shì)， 并 能夠?qū)⑶度胗袩o(wú)線傳感器的家俱、家電和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連 ， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制 ， 為我們提供了一個(gè)舒適、方便和人性化的居住環(huán)境 ，因此將在未來(lái)的 智能家居系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。這必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，有助于優(yōu)化深圳市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提升科技競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)加強(qiáng)高校與產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)合，進(jìn)一步的推動(dòng)深圳市“產(chǎn)、學(xué)、研”的發(fā)展。 ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 2021年底由 Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了 1. 0版本規(guī)范 ， 尚未進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用 。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 6～ 24個(gè)月 ,甚至更長(zhǎng)。 Zigbee工作在 20～ 250 kbps的較低速率 ， 分別提供 250 kbps( GHz)、 40 kbps （ 915 MHz) 和 20 kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率 ,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力 ,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 （ 6）高容量。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療 ( ISM) 頻段 ,2. 4 GHz (全球 ) 、 915 高層應(yīng)用規(guī)范 應(yīng)用匯聚層 網(wǎng)絡(luò)層 MAC PHY zigbee IEEE 第 頁(yè) 4 MHz(美國(guó) ) 和 868 MHz(歐洲 )。首先 ZigBee是一個(gè)開放協(xié)議，有眾多的芯片供應(yīng)商和 OEM支持；同時(shí) ZigBee聯(lián)盟也已開始著手解決互操作性問題，從而避免藍(lán)牙技術(shù)所遭遇的困難；最重要的是， ZigBee開發(fā)人員確實(shí)展示了一種能夠降低成本的有效方法，對(duì)于家庭自動(dòng)化領(lǐng)域來(lái)說(shuō)這是首要問題。但這些系統(tǒng)大多數(shù)是在傳統(tǒng)的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)（主要是家庭控制器）基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和網(wǎng)絡(luò)化，不具有開放型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和服務(wù)協(xié)議。 (2) 數(shù)字化并日漸多網(wǎng)融合 在由模擬向數(shù)字化逐步轉(zhuǎn)變?nèi)缤M電視向數(shù)字電視、模擬手機(jī)象數(shù)字手機(jī)的逐步轉(zhuǎn)變一樣，智能家居平臺(tái)也正在經(jīng)歷著一場(chǎng)由模擬到數(shù)字的變革。無(wú)線傳輸特點(diǎn)就是靈活，移動(dòng)性和可擴(kuò)展性是有線傳輸方式所無(wú)法具備的。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)采用強(qiáng)弱電分離的機(jī)制，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性很強(qiáng)。該方案起源于歐美的 70年代，在歐美比較通行。 隨著無(wú)線技術(shù)的日益發(fā)展尤其是 Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的普及，相信會(huì)有更多廠家采用無(wú)線的方案，隨著智能家居的概念日益深入人心，廣大的普通消費(fèi)者也存在著同樣的消費(fèi)需求，所以智能模塊必須變的安裝、維護(hù)、使用都簡(jiǎn)單并且不再依賴于智能家居的中心系統(tǒng)而自成系統(tǒng)。 ZigBee的技術(shù) 優(yōu)勢(shì) 決定了其能很好的滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的上述需求。 三、項(xiàng)目介紹 項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容 鑒于 Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在智能家居方面的顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，全球許多 Zigbee 廠家和智能家居集成商都在積極謀劃或緊密跟 蹤 Zigbee 在家庭智能化方面的應(yīng)用。 （ 1） Zigbee 應(yīng)用模式協(xié)議棧（ Zigbee Stack Profile— HA Stack） 在 Zigbee 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)上，構(gòu)建我們自己的 Zigbee 家庭智能化應(yīng)用模式協(xié)議棧的工作重點(diǎn)是在 Zigbee 公共框架內(nèi)設(shè)計(jì)和創(chuàng)建針對(duì)性應(yīng)用的專有協(xié)議框架。 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用給出了清楚的定義和限制， 從現(xiàn)在開始， ZigBee 聯(lián)盟將在每年公布技術(shù)規(guī)格，目前最新公布的版本叫 ZigBee 2021，你可以期待新的更新和升級(jí)版本將在每年發(fā)布，如 Zigbee 2021 和2021 等。 ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括 (該標(biāo)準(zhǔn)定義了 RF 射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信 )的 PHY 和MAC 層，以及 ZigBee 堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。公共模板可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中的互操作性。 端點(diǎn)之間的通信是通過稱之為簇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。 我們?cè)谠O(shè)計(jì)和創(chuàng)建這些協(xié)議棧模板時(shí)要考慮有些無(wú)線家居終端設(shè)備如家電控制、集中遙控、安防等等需要 設(shè)置他們的協(xié)議棧參數(shù)以匹配公共 模板 所規(guī)定的參數(shù)值，從而確保與采用同一框架的其它解決方案的互操作性。無(wú)線 智能 網(wǎng)關(guān) 控制器 是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的核心， 它有兩方面的功能：控制管理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)關(guān)。安防監(jiān)控子網(wǎng)用來(lái)對(duì)家庭的門、窗等監(jiān)測(cè)和控制。 同時(shí)，系統(tǒng)采用 模糊智能控制技術(shù)， 可以預(yù)先設(shè)置多種現(xiàn)場(chǎng)異常情況監(jiān)控， 一旦預(yù)測(cè)到有災(zāi)情發(fā)生，會(huì)立即進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制。 星型 網(wǎng)格狀 樹狀 無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制器節(jié)點(diǎn)模塊，控制器是由 32位 ARM系統(tǒng)構(gòu)成。 一方面它 接收各種家電、燈具、安防監(jiān)控設(shè)備、居室環(huán)境監(jiān)控單元以及通用遙控器等無(wú)線 設(shè)備 發(fā)送上來(lái)的信息 ， 對(duì)這些信息進(jìn)行智能處理后 ，將監(jiān)控信息再 反饋給相應(yīng)的設(shè)備；另一方面，無(wú)線網(wǎng)關(guān) 控制器 還可以同局域網(wǎng) /互聯(lián)網(wǎng)、公用電話網(wǎng)、短信系統(tǒng)等連 接，在非現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域?qū)彝ゾW(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遙控和監(jiān)測(cè)。 Zigbee 無(wú)線通訊模塊和其他 433M、 無(wú)線通訊模塊可以直接內(nèi)置在無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)上，構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。 無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)還帶有 3 維加速度傳感器，可以檢測(cè)出無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)被異常移動(dòng)的情況，保護(hù)無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)的安全。 它們和 無(wú)線網(wǎng)關(guān) 一起可以形成星型、樹型和網(wǎng)格狀的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。 ◆強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。根據(jù) ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 無(wú)線智能 家庭網(wǎng)絡(luò) 的應(yīng)用特征， Zigbee 無(wú)線 家庭 智能化 網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)包括物理層、 MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層軟件系統(tǒng) ， 如圖 7 所示 。可以同時(shí)接收不同控制終端的各種信息，包括 Web，語(yǔ)言控制， PDA 控制等，還可擴(kuò)展開發(fā)其他種類的控制程序。同時(shí)，家庭智能化的 Zigbee 應(yīng)用協(xié)