【正文】 家居智能化也正是在這種形勢下應運而生，因此，基于 Zigbee技術(shù)的無線智能家居系統(tǒng)的研究具有重大的現(xiàn)實意義。 圖 。 26 6 智能家居網(wǎng)絡 控制器 的軟件設計 系統(tǒng)軟件分為 3層 ： 系統(tǒng)平臺層、協(xié)議層和應用層。與 2G（ GSM） 相比較，其具有以下技術(shù)優(yōu)勢： ，最大達到 。 CC2480芯片主要性能特點 ： Zigbee2020協(xié)議棧 ； SPI（ Serial Peripheral interface， 串行外圍設備接口 ） 或UART（ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter， 通用異步 收 /發(fā) 裝置 ） 接口 ； 任何類型的 Ziggbee設備：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備 ； 23 ，在閑置期間自動進入低功耗模式 ； 、 高接收靈敏度 、強抗干擾能力 ； DSSS RF收發(fā)器 ； VCO、 LNA、 PA以及電源整流器，采用低電壓供電 （ ～ ） ； 本系統(tǒng)的 CC2480外圍電路圖如 圖 。 考慮到單片機與高頻芯片的通信，以及以后系統(tǒng)的性能擴展和程序存儲等的要22 求，在設計的時候選擇了 40管腳 PDIP封裝的 PICl8F4620微控制器，它是一款專為低功耗需求設計的。 21 5 基于 Zigbee 智能家居網(wǎng)絡的硬件設計 硬件總體設計 智能家居網(wǎng)絡控制器硬件主要由單片機， Zigbee無線收發(fā)模塊， GPRS模塊，人機交互等組成， 本論文中 的單片機采用 美國微芯公司的 PICl8F4620， Zigbee無線收發(fā)模塊采用 TI公司的 CC2480， GPRS模塊采用 德國西門子公司的 MC55， 其硬件框圖如圖 。這樣組成一個小型 家庭簇狀網(wǎng)絡，如圖 。如果請求被 允許，則該設備將作為簇的字設備加入到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的鄰居節(jié)點列表中 。在對等拓撲結(jié)構(gòu)中，任何一個設備都可定義為 PAN主協(xié)調(diào)器，例如，可將信道中第一個 通信的設備定義為 PAN主協(xié)調(diào)器。 星型 網(wǎng)絡 拓撲結(jié)構(gòu) 星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)由 PAN主協(xié)調(diào)器和多個從設備組成，主協(xié)調(diào)器必須為一個 FFD，從設備既可為 FFD也可為 RFD，整個網(wǎng)絡以主協(xié)調(diào)器為中心，所有設備只能 與網(wǎng)絡主協(xié)調(diào)器 PAN進行通信 。 Zigbee 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu) Zigbee設備共分為兩種類型： 全功能設備 FFD（ Full Function Dcvice） 和 精簡功能設備 RFD（ Reduced Function Device） 。本文利用家庭內(nèi)部網(wǎng)絡對各種智能家電進行互連，因此可以利用共享網(wǎng)絡資源來大幅度降低成本。系統(tǒng)采用該設計方案，可以方便地組建智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡，與各個家居設備進行通信，當加入 新的 家居設備時，只需要對功能控制模塊進行相應的修改，當刪除家居設備時，也只需要移除相應的智能家居網(wǎng)絡控制器分節(jié)點。首先對 Zigbee技術(shù)進行了簡要介紹，接著分別對 Zigbee的各層協(xié)議，如物理層協(xié)議， MAC層協(xié)議，網(wǎng)絡層和應用層的主要功能、職責和工作過程進行了介紹，為后 續(xù) 工作的開展提供技術(shù)基礎。在 簇 型和網(wǎng)狀型拓撲結(jié)構(gòu)中， Zigbee協(xié)調(diào)器負責啟動網(wǎng)絡以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡參數(shù)，同時，也可以使用 Zigbee路由器來擴展網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。通用 MAC層結(jié)構(gòu)，即 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (MPDU)包括MAC層幀頭、 MAC載荷以及 MAC層幀尾。 Zigbee所使用的頻率范圍主要分為歐洲領(lǐng)域內(nèi)的 868MHz、北美領(lǐng)域內(nèi)的915MHz以及 全球范圍內(nèi)的 ISM頻段。接收節(jié)點的 MAC層可能 正確地接收并應答了一 個幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄。 11 MAC數(shù)據(jù)包的最大長度為 127字節(jié)。 設備的復雜程度低，且 Zigbee協(xié)議是免專利費的，這些可以有效地降低設備成本， Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的 ，就是沒有使用費的無線通信； 一個 Zigbee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(nèi)可以同時存在 200多個 Zigbee網(wǎng)絡； Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能 。 Zigbee聯(lián)盟成立于 2001年 8月。 圖 熱門的幾種短距離無線通信技術(shù)之間的比較。它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺所支持 ， 通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。 7 WiFi是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是 ，與藍牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。 1998年，由 Ericsson、 IBM、 Intel、 NOKIA、 Toshiba 等 5家公司達成一致，共同推出了藍牙協(xié)議，主要用于通信和信息設備的無線連接。其數(shù)據(jù)傳輸有很高的可靠性，但是，由于電力線本身的噪聲和信號輸送能力有限，這種技術(shù)不適合數(shù)據(jù)的高速傳輸，而且也沒有任何標準來保證設備之間的互操作。采用 頻 分 復 用技術(shù)，可以讓使用者在察覺不到的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，語音與 Inter服務同時工作。目前，智能家居網(wǎng)絡技術(shù)主要包含兩類：有線 家庭 網(wǎng)絡技術(shù)和無線 家庭 網(wǎng)絡技術(shù)。目前在新加坡 已 有近 30個住宅小區(qū)近 5000戶的家庭采用了 “ 家庭智能化系統(tǒng) ” ，美國已有近四萬戶家庭安裝了這一類的 “ 家庭智能化系統(tǒng) ” 。 智能家居的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在國外智能家居已經(jīng)獲得長足發(fā)展，自世界上第一幢智能建筑于 1984年在美國康捏迪格州出現(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟比較發(fā)達的國家和地區(qū)先后提出了各種智能家居方案。 分塊指出了 各 功能模塊的程序流程 。 Zigbee技術(shù)在智能家居應用中的優(yōu)勢，進而重點 研究了 Zigbee技術(shù)的特點、基本原理，分析了 Zigbee協(xié)議構(gòu)架， 研究了2 各協(xié)議層的具體功能和作用。 伴隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡化的進程，人類在經(jīng)過農(nóng)耕、工業(yè)、電氣化等時代后，將進入關(guān)注夢想、精神和生活情趣的新社會。 本文 首先 分析了國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀， 然后 針對智能家居系統(tǒng)存在的布線難、造價高、結(jié)構(gòu)復雜等問題， 指出基于 議 的 Zigbee技術(shù)是目前最適合 智能 家居系統(tǒng)的 無線標準，并對該標準進行了研究。 與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比， Zigbee技術(shù) 具 有免布線 ，維護方便，運行費用低，實時在線監(jiān)控，對家居內(nèi)部各種數(shù)據(jù)進行無線采集和傳輸?shù)忍攸c。你或許憧憬過這樣的生活：通過手持遙控器，可以隨時在家中的任何一個地方對各種家電設備進行智能控制，調(diào)節(jié)冰箱溫度、打開關(guān)閉窗簾、設置空調(diào)溫度、控制洗衣機洗滌衣物等等；安防系統(tǒng)會隨時進行煙霧探測、入侵檢測，為主人提供生命安全保障；借助于網(wǎng)絡系統(tǒng)，你可 以在外出時通過手機或互聯(lián)網(wǎng)對家中的設備進行遠程控制，炎熱的夏天 ,你完全可以在回家之前，提前打開空調(diào) ?? 智 能家居 (Smart Home)的出現(xiàn)，讓這樣的生活場景逐步成為現(xiàn)實。 Zi gbee無線 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的分析研究， 確立 了智能家居 無線 網(wǎng)絡 的大體組建方案 。 3 2 智能家居概述 智能家居的定義 智能家居 （ Smart Home） 又稱為電子家庭 (Electronic Home)、 eHome、數(shù)字家 園 (Digital Family)、 家庭網(wǎng)絡 (Home/Networks for Home)、網(wǎng)絡家居 (Network Home)、智能化家庭 (Intelligent Home)等， 在我國香港和臺灣等地區(qū)，還有數(shù)碼家庭、數(shù)碼家居等稱法。 國際上對智能家庭網(wǎng)絡的研究起于 20世紀 70年代，主要集中在發(fā)達國家。 近幾年，在各大公司和媒體的強大概念宣傳攻勢下，我國智能家居行業(yè)逐漸形成，可用的、接近現(xiàn)實需求的產(chǎn)品不斷增加，集成商、開發(fā)商以及裝修公司已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗。 5 有線 家庭網(wǎng)絡技術(shù) 有線家庭網(wǎng)絡連接技術(shù)的優(yōu)點在于數(shù) 據(jù)傳輸?shù)目煽啃詮姡瑐鬏斔俾矢?，而缺點在于網(wǎng)絡體積龐大，靈活性差，且布線復雜，主要應用于早期點對點網(wǎng)絡和星型網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)中。 “ 家庭電話網(wǎng)絡聯(lián)盟 ”（ Home Phone Network Alliance） 正在開發(fā)一系列標準和規(guī)范，解決利用電話線實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡設備的互聯(lián)和互操作性問題。 6 無線 家庭網(wǎng)絡技術(shù) 通過上節(jié)討論我們不難發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)有線網(wǎng)絡的各種傳輸介質(zhì)存在著種種弊端。藍牙協(xié)議 的標準版本為 ，由藍牙小組 （ SIG） 負責開發(fā)，規(guī)定了 PHY層、 MAC層、網(wǎng)絡和應用層等集成協(xié)議 棧 。它的工作頻率也是 。主要是用來取代點對點的線纜連接；保密性強；傳輸速率較高，目前 4M速率的 FIR技術(shù)已被廣泛使用， 16M速率的 VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。 8 8 0 2 . 1 5 . 38 0 2 . 1 5 . 3 a8 0 2 . 1 5 . 3 cW i F i8 0 2 . 1 1W i M a x8 0 2 . 1 6I E E E 8 0 2 . 2 0I E E E 8 0 2B l u e t o o t h8 0 2 . 1 5 . 1Z i g b e e8 0 2 . 1 5 . 40 . 0 1 0 . 1 1 1 01 0 0W W A NW P A NW L A NW M A N數(shù) 據(jù) 速 率 （ M b p s ）圖 幾種無線技術(shù)的比較 本章小結(jié) 本章首先 對智能家居系統(tǒng)進行了簡要概述，包括智能家居的定義和國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，接著對智能家居網(wǎng)絡技術(shù) 分有線和無線兩方面分別進行了詳細的對比 介紹，對于智能家居系統(tǒng)來說，采用無線網(wǎng)絡不僅為家居智能化提供靈活簡便的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，省去了浪費在布線上的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡通訊的特點，通過本章的討論，明確了智能家居網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式和采用的無線技術(shù)。 2002年下半年，英國 Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟 “ Zigbee聯(lián)盟 ” ，以研發(fā)名為 “ Zigbee” 的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。 Zigbee 協(xié)議概況和體系結(jié)構(gòu) Zigbee協(xié)議使用 （ MAC） 和物理層 （ PHY） 。每個數(shù)據(jù)包都由頭字節(jié)和 16位 CRC（ Cyclic Redundancy Code， 循環(huán)冗余碼 ） 值組成。因此，很多上層和應用程序要求其他的應答響應。上述頻段無線信道個數(shù)分別為 16個。 在 MAC層，有四種類型幀，它們分別為信標幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和 MAC命令幀。 Zigbee應用層由三個部分組成， APS子層、 ZDO（ 包含 ZDO管理平臺 ） 和制造商定義的應用對象。 14 4 基于 Zigbee 的 智能家居 無線 網(wǎng)絡研究 總體設計方案 在智能家居系統(tǒng)設計中，針對各種信號類型來選擇合適的總線或無線技術(shù)并設計主控制器己成為智能家居建設的首要問題。因此該方案具有設計靈活，通用性好，可擴展性好等優(yōu)點。采用 Zigbee無線通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設計必須遵循以下設計原則： 16 家居網(wǎng)絡將各個家居設備組建成網(wǎng)絡，使之成為一個有機協(xié)調(diào)互動的整體，在這個網(wǎng)絡上傳輸?shù)男畔⒅饕强刂菩畔⒁约耙恍┪锢砹康膮?shù)。 FFD可以與任何 Zigbee設備進行通信，但RFD僅能與 FFD通信，兩個 RFD之間如要進行通信需通過 FFD的中轉(zhuǎn)傳輸。 當一個 FFD第一次被激活后，它就會建立一個自己的網(wǎng)絡，將自身成為一個 PAN主協(xié)調(diào)器。 簇 狀 網(wǎng)絡是對等網(wǎng)絡的一種應用，在此 種 網(wǎng)絡中，絕大多數(shù)的設備是 FFD設備，而 RFD設備總是作為簇樹的葉設備連接到網(wǎng)絡中。 另外，還有一種對等網(wǎng)絡 網(wǎng)狀網(wǎng)絡，他與簇型網(wǎng)絡有很多相似之處，但最大的不同在于一個 PAN網(wǎng)絡中，任何兩個終端設備，只要是由 FFD構(gòu)成的，相互之間就可直接通信。 G P R S 網(wǎng) 絡Z i g b e e 網(wǎng) 絡終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D終 端 設 備 R F D / F F D路 由 器 1（ F F D ）路 由 器 2（ F F D ）路 由 器 3（ F F D ）無 線 遙 控 器（ F F D ）手 機 圖 Zigbee 網(wǎng)絡智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于這種家居網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設計網(wǎng)絡組網(wǎng)流程如下：首先由充當協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡控制器主節(jié)點發(fā)起請求并建立網(wǎng)絡，同時創(chuàng)建一個網(wǎng)絡鄰接表，隨后為每個路由器分配一個 16位 PAN ID（ 此地址僅在該網(wǎng)絡中有效 ） ，并將信息添加到該網(wǎng)絡鄰接表中，網(wǎng)絡節(jié)點的添加就完成了。 P I C 1 8 F 4 6 2 0C C 2 4 8 0晶 振電 源人 機 交 互G P R S通 信 接 口 圖 硬件系統(tǒng)框圖 處理器 硬件處理器采用 Microchip Technology的 PICl8F4620單片