【正文】 cs） 的概念； 80年代中期，將家 用電器、通訊設(shè)備與4 安保防災(zāi)設(shè)備綜合為一體，形成了家居自動化概念 （ HA， Home Automation） 。這種 “ 未來之家 ” 家庭智能化系統(tǒng)，真正 投 放 市場 尚需時日。而國家政府機(jī)構(gòu)及各大信息家電生產(chǎn)廠商不失時機(jī)地開展了中國智能家庭網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，為中國智能家居的發(fā)展提供了一個開放的標(biāo)準(zhǔn)化平臺，指明了智能家居研究領(lǐng)域正確的發(fā)展方向。同時 考慮到它所安裝的地點是普通的私人家居并且使用者是普通居民，所以它還具有自身獨有的需求和特點，包括安全性、可用性 、 可靠性、靈活性 、 易擴(kuò)展性、使用的方便性、廉價性、標(biāo)準(zhǔn)化以及體積小、重量輕和安裝方便等。經(jīng)過了多次修改之后，該標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了在不同的設(shè)備制造商之間的互操作性。在一定的條件下，三類電纜 （ CAT 3） 的傳輸速率可以達(dá)到 1Mbps，而且，據(jù)估計，不久的將來它的傳輸速率可以達(dá)到 10M。通常 一般的家庭里沒有足夠的 電話線 接口，要在每一個房間或者電話、計算機(jī)和其它設(shè)備能夠觸及的地方安裝插座也會帶來了技術(shù)上和成本上的問題。 X10是以 60Hz為載波，再以 120KHz的脈沖為調(diào)變波，發(fā)展出數(shù)位控制的技術(shù)，并制訂出一套控制規(guī)格?！?無線家居 ” 是未來家居的發(fā) 展方向，顯然能為人們?nèi)粘Ｉ钆c商務(wù)活動提供更大限度的舒適和方便，并從而開啟一個嶄新的信息家居時代。 目前，市場上的無線技術(shù)種類較多，各自的技術(shù)性能不同，應(yīng)用范圍及領(lǐng)域也有所不同，其中，應(yīng)用最為廣泛的有以下幾種無線技術(shù)： （ Bluetooth） 藍(lán)牙技術(shù) 誕生于 1994年， Ericsson當(dāng)時決定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口， 以建立手機(jī)及其附件間的通信。與其它 ，速度更快。藍(lán)牙技術(shù)存在著一定的局限，突出表現(xiàn)在芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能力不強(qiáng)、傳輸距離太短、信息安全問題等，使其應(yīng)用受 到一定的限制。 WiFi是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約 l1Mb/s的速度接入 Web。它的通訊距離一般在 0到 1米之間，傳輸速率最快可達(dá) 16Mbps，通訊介質(zhì)為波長為 900納米左右的近紅外線。 （ Zigbee） Zigbee聯(lián)盟成立于 2002年 8月，由英國 lnvensys、三菱、美國摩托羅拉及荷蘭菲利浦組成，至今已吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商加盟。 Zigbee適用于一些簡單、低成本的無線局域網(wǎng)絡(luò)，耗電低，只要使用兩節(jié)五號電池即可維持半年或數(shù)年 間 不用換電池，對于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都很適用。 這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于 蜜蜂 （ bee） 是靠飛翔和嗡嗡 （ zig）地抖動翅膀的舞蹈來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。 Zi gbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且利用 Zigbee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸，數(shù)據(jù)不會被其它節(jié)點所獲得。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、 IP服務(wù)提供商、消費類電子廠商及 OEM商等，例如 Honeywell、 Eaton和 Invensys Metering Systems等工業(yè)控制和家用自動化公司，甚至還有像 Mattel之類的玩具公司。 Zigbee技術(shù)的具體特點如下： Zigbee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá) 6個月到 2年左右的使用時間； Zigbee采用了 CSMACA（ Carrier Sense Multiple Access with 10 Collision Avoidance，帶沖突避免的載波偵聽多路訪問） 的沖突避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，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(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息； Zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)； 增加或者刪除一個節(jié)點 、 節(jié)點位置發(fā)生變動 、 節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng) 仍然能正常工作。每個頻帶提供固定數(shù)量的信道。 64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址，而 16位地址是網(wǎng)內(nèi)通信短地址； （ CSMACA） ； （ ACK） 機(jī)制，保證傳輸?shù)目煽啃?。此外?。非常重要的是接收到應(yīng)答僅僅表示幀被 MAC層正確接收，而不表示幀被正確處理。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。 Z i g b e e 或 O E M 自 定 義 Z i g b e e 聯(lián) 盟I E E E 組 織應(yīng) 用 類應(yīng) 用 框 架網(wǎng) 絡(luò) 層 / 安 全 層 協(xié) 議M A C 層P H Y 層 圖 Zigbee協(xié)議各層的隸屬關(guān)系 Zigbee 物理層協(xié)議規(guī)范 物理層的主要工作是啟動與關(guān)閉無線傳輸接收器、傳輸與接收數(shù)據(jù)、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數(shù)據(jù)調(diào) 制 傳輸與接收解調(diào)、空閑頻道評估12 和針對接收的封包執(zhí)行鏈路品質(zhì)指示。在調(diào)制前，將數(shù)據(jù)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，每 4位信息比特組成一個符號數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的符號數(shù)據(jù)，將其映射成一個 32位的偽隨機(jī)序列，最后通過半正弦脈沖形式的 OQPSK調(diào)制方法，將碼元數(shù)據(jù)調(diào)制到載 波信號上。 MAC層的多重存取協(xié)議有三種不同的模式，即為時槽式 (Slotted CSMACA)模式、非時槽式 （ Unslotted CSMACA） 模式以及 GTS模式，其中 GTS主要用于緊急情境或周期性訊號的傳遞。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 Zigbee網(wǎng) 絡(luò) 層分為兩個部分，即網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)部分 （ Network Layer Data Entity，NLDE） 與網(wǎng) 絡(luò) 層管理部分 （ Network Layer Management Entity， NLME） 。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，整個網(wǎng)絡(luò)由 Zigbee協(xié)調(diào)器來控制，由它負(fù)責(zé)發(fā)起和維持網(wǎng)絡(luò)正常工作，保持同網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備通信，兩終端設(shè)備不能通信。這服務(wù)由兩個實體實現(xiàn)： APS數(shù)據(jù)實體 （ APSDE）和 APS管理實體 （ APSME） 。 本章小結(jié) 本章主要對 Zigbee技術(shù)的協(xié)議進(jìn)行研究。 針對智能家居中采用有線方式存在的問題，本文 探討 了一種采用 Zigbee無線通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案， 系統(tǒng)組成框圖如 圖 。每個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個 Zigbee無線收發(fā)模塊，其中主節(jié)點還擴(kuò)展有 GPRS模塊，這樣用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)和移動電話對家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)需要對某一家居設(shè)備進(jìn)行控制或者監(jiān)測時，主節(jié)點找到與該家居設(shè)備相連的分節(jié)點的 ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點所在房間的路由器，路由器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的分節(jié)點，分節(jié)點接收到信息后，送入功能驅(qū)動模塊，功能驅(qū)動模塊對該家居設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作；同時主節(jié)點擴(kuò)展了 GPRS模塊，用戶可以通過移動電話或者互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測，用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測時，發(fā)送信息到 GPRS模塊中的 SIM手機(jī)號碼， GPRS模塊接收到該信息，傳給主節(jié)點，主節(jié)點對該信息 進(jìn)行解析，并通過Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的家居設(shè)備。 目前，對于絕大多數(shù)的智能家電而言，其本身的計算能力和存儲能力都非常的有限，依照傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，只有通過提高家電本身的硬件和軟件資 源來實現(xiàn)智能家電的各種功能，這樣必然會出現(xiàn)成本提高的問題，因而影響到智能家電的發(fā)展和普及。這是因為它傳輸 的信息是各種設(shè)備的狀態(tài)和控制信息，它的錯誤不僅可能導(dǎo)致設(shè)備的非正常工作，而且可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。 隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快， 各種新型的家電將設(shè)備不斷進(jìn)入家庭 ，因此系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性，滿足人們不斷 更新 的需要。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)用外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)；路由器的任務(wù)則是增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)物理范圍；終端設(shè)備僅僅只能完成監(jiān)測和控制的功能。但是，在這一個網(wǎng)絡(luò)中至少要求有一個 FFD作為 PAN（ personal area work，個人區(qū)域網(wǎng) ） 協(xié)調(diào)器。任何一個 FFD都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層決定。對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如簇 狀 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 但是 在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個可以充當(dāng)整個點對點網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。 基于 Zigbee 的智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建 目前，大部分的無線智能家居網(wǎng)絡(luò)都采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，以一臺 PC機(jī)作為主控制器，在 PC機(jī)上外接一個 FFD Zigbee模塊，從而充當(dāng)星型網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，但同時也存在著一個很嚴(yán)重的缺點：一旦網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡，整個網(wǎng)絡(luò)將處于癱瘓狀態(tài)，無法實現(xiàn)控制操作，智能家居也失去了意義。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點作為家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即智能家居設(shè)備的主控制器，同時在每一個房間安裝一個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，每個家居設(shè)備也連接一個智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)不同路由器轉(zhuǎn)發(fā)來的信息進(jìn)行分組，20 然后為每個家電分配一個 16位的 PAN ID，再將此家電設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，標(biāo)志終端設(shè)備 （ 家電 ） 被添加到此網(wǎng)絡(luò)中。采用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，實現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)具有復(fù)用性，安裝容易，調(diào)試簡單，通用性好等特點。指令和數(shù)據(jù)總線相互分離的哈佛結(jié)構(gòu)允許 16位指令和 8位數(shù)據(jù)同時在分離的總線上傳輸。 PICl8器件具備特殊功能模塊，減少了外部元件的使用，因此最大限度地降低了成本、提高了系統(tǒng)可靠 性并降低了功耗。其管腳圖如圖 。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實現(xiàn)多點 對多點的快速組網(wǎng)。借助于多時隙綁定和高速編碼方案， GPRS速率理論上最高可達(dá) 。 作為 ， GPRS技術(shù)是 GSM網(wǎng)絡(luò)由 2G向 3G平滑過渡的必由路。尤其適用于間歇性、非周期性數(shù)據(jù)傳輸 （ 相鄰兩次傳輸?shù)臅r間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均傳輸延遲 ） ；少量數(shù)據(jù)的頻繁傳輸 ； 較大容量數(shù)據(jù)的不頻繁傳輸。首先給出了硬件總體設(shè)計，再分別具體介紹了硬件處理器部分、 Zigbee無線收發(fā)模塊部分和 GPRS模塊電路實現(xiàn)。應(yīng)用層通過 API來調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù) ,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的 管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。 控制器軟件設(shè)計，主要包括系統(tǒng)初始化 、 對家居中報警信號的監(jiān)控 、 對遠(yuǎn)程控制指令的處理和執(zhí)行等 。 程序流程如圖 。無線 傳感器技術(shù)被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù)，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。 3．分析研究 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，針對家居分布構(gòu)造等特點，采用簇狀網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的。 本文以家庭智能化為應(yīng)用背景，主要研究智能家居 Zigbee 無線通信網(wǎng)絡(luò)，歸納起來，主要有以下幾項工作： 1．首先對智能家居領(lǐng)域進(jìn)行充分了解和研究，并對目前國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及現(xiàn)有的幾種技術(shù)進(jìn)行分析，針對智能家居中主要存在的布線難，費用高等問題，選擇 Zigbee 技術(shù)作為 智能家居系統(tǒng)中的通信技術(shù)，實現(xiàn)智能家居的數(shù)據(jù)傳輸； 2．研究 Zigbee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。 本章小結(jié) 本章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計思想，首先總述系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)層次，然后分塊列出各功能部分的程序設(shè)計思想，并一一用流程圖示出。 是 否 是報 警 信 號 ？開 機(jī)監(jiān) 聽 來 自 Z i g b e e 主控 制 器 的 信 號系 統(tǒng) 初 始 化監(jiān) 聽 G S M 模 塊短 消 息 是否 合 法 ？發(fā) 送 報 警 信 息 至 用 戶提 取 短 消 息 和 來 電 號 碼相 應(yīng) 處 理 程 序分 析 控 制 指 令向 相 應(yīng) 節(jié) 點 發(fā) 送 指 令發(fā) 送 信 息 至 來 電 用 戶NYYN 圖 智能家居主機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖 27 中斷和初始化程序設(shè)計 圖 所示為 MCU 中斷處理過程與初始化過程的流程圖 。 系統(tǒng)主程序設(shè)計 智能家居設(shè)計中主控制器，采用源代碼開放 、 可移植性強(qiáng)的 Linux操 作系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以為 Zigbee模 塊提供完整的協(xié)議支持 。系統(tǒng)平臺層通過應(yīng)用程序 編程 接口 （ Application Programming Interface, API） 來給協(xié)議層提供服務(wù)。 25 MC55采用 ～ ，必須具有 2A的電流峰峰值，它具有兩個符合 ASC 0和 ASC 1，它們都是站在 DCE（ 數(shù)據(jù)通信設(shè)備 ） 立場上來定義的， 所以與 FPGA的 UART接口不必跳線，本系統(tǒng)中的接口電路如圖 示。而 GSM僅為 ； ：分組交換接入時間縮短為少于 1s，一旦手機(jī)注冊上 GPRS網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)就一直連接在網(wǎng)絡(luò)上； ，可以按流量計費 或 包月制等多種方式計費； WAP業(yè)務(wù)； GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得 GPRS能提供 Inter和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全 球性無線接入。作為移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最主要的承載方式，與其他無線通訊方式相比， GPRS業(yè)務(wù)具有實時傳輸、運營費用 低 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點。 圖 CC2480外圍電路圖 GPRS 電路實現(xiàn) GPRS 介紹 通用分組無線業(yè)務(wù) （ General Packet Radio Service，