【正文】 支持 。 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。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(shí)時傳輸、運(yùn)營費(fèi)用 低 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。 CC2480通過一個 SPI或 UART接口能和任何微處理器通信，不需要學(xué)習(xí)一個新的微處理器或新工具。指令 共有77條 （ 精簡指令集 ） 。接著主要對基于 Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，介紹了 Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，本系統(tǒng)結(jié)合智能家居的實(shí)際情況采用了 Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無線智能家居網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭 （ Cluster Header， CLH） 并將簇標(biāo)識號 （ Cluster Identifier， CID） 設(shè)置為 0， 同時為該簇選擇一個未被使用的 PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識號，形成網(wǎng)絡(luò)的第一個簇，接著，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀。如果沒有收到回應(yīng)，或者認(rèn)證過程不成功，這個 FFD就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。 如圖 ，其中的網(wǎng)狀和簇狀結(jié)構(gòu)都屬于對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有自組織性和自適 應(yīng)性，以適應(yīng)各種復(fù)雜的場合。 在整個智能家居系統(tǒng)中，總線或網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是系統(tǒng)的核心部分，其不僅影響整個系統(tǒng)的成本和 施 工長短，還與系統(tǒng)的安全性、可用性 /可靠性、靈活性 /易擴(kuò)展性有直接的關(guān)聯(lián)。 15 本文采用的是將功能控制模塊和通信模塊 （ 智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器 ） 分開實(shí)現(xiàn)的方案，功能控制驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口，并 作 為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信 。 ZDO位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。而 NLME工作包括負(fù)責(zé)設(shè)定 Zigbee元件成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，或加入或離開已存在的 WPAN，啟動 WPAN尋址，發(fā)現(xiàn)臨近 Zigbee元件，尋找路由路徑，與 MAC接收啟動控制。 Zigbee MAC的主要工作為支持通訊鏈路的建立與斷開，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)信標(biāo) (Beacon)信號，使信標(biāo)訊號同步，運(yùn)用 CSMACA，及處理與維護(hù)GTS(Guaranteed Time Slots， 有保證的時間槽 )。 Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理 （ PHY） 層、媒體接入控制 （ MAC） 層、網(wǎng)絡(luò) /安全層以及應(yīng)用框架層組成， Zigbee技術(shù)是建立于 ， 要負(fù)責(zé) 物理層和 MAC層協(xié)議的制定，上層的應(yīng)用以及開發(fā)均由 Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。這就可以確定 幀 實(shí)際上已經(jīng)被傳遞了。 低速無線個人區(qū)域網(wǎng) （ Lowrate Wireless Personal Area Network， LRWPAN） ，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間 低速互連提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 1999年，藍(lán)牙熱潮席卷全球，然而發(fā)展數(shù)年，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。IEEE僅處理低級 MAC層和物理層協(xié)議，因此 Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。 Zigbee是一種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)低成本、低耗電 、雙向傳輸、傳感器網(wǎng)絡(luò)功能等特色。 WiFi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最大個數(shù)為 32，傳輸距離為 100m。藍(lán)牙的傳輸 速率為 1Mbps，傳輸距離為 ，但是通過增大發(fā)射功率可將距離增大至 100米。從目前的發(fā)展趨勢來看，無線技術(shù)應(yīng)用于智能家居中有很 大 的發(fā)展空間，一方面微電子技術(shù)的發(fā)展促使各種 SoC（ System on Chip，片上系統(tǒng) ） 的實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)都可以通過 IC來完成，大大 簡化了開發(fā)和實(shí)施的難度。 交流電力線可以連接整個房屋的每一個角落，而且不 像 某些無線電波或者紅 外線，難以穿過鋼精混凝土地墻壁和地板，很早就作為家庭網(wǎng)絡(luò)的連接 媒介。建立這樣的網(wǎng)絡(luò)需要大量的五類電纜 （ CAT 5） ，造價昂貴，不易安裝。盡管智能家居在我國起步較晚，但大有風(fēng)行正 健之勢 。 1998年 5月新加坡舉辦的 “ 98亞洲家庭電器與電子消費(fèi)品國際展覽會 ” 上，通過在場內(nèi)模擬 “ 未來之家 ” ，推出了新加坡模式的家庭智能化系統(tǒng)。與普通家居相比，智能家居 不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間 ， 還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔粨Q功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。接著對基于 Zigbee的智能家居 無線 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，介紹了 Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型以及目前三種網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。 基于以上種種， 本文將利用現(xiàn)存的各種技術(shù)對智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面研究 ，以滿足 21世紀(jì)人類對家居生活的新要求。該控制器同時具有 GPRS遠(yuǎn)程訪問接口，用 戶可以通過 GPRS網(wǎng)絡(luò)對家居進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。 2020 屆畢業(yè)生 畢業(yè)論文 題 目 : 基于 Zigbee 技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)研究 院系名稱： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電子信息工程 06 級 3 班 學(xué)生姓名： 劉勇 學(xué) 號： 20204300310 指導(dǎo)教師： 韓琳 教 師職稱： 講師 2020 年 6 月 2 日 I 摘 要 近年來 電子信息技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 迅猛 發(fā)展， 使 家庭信息化、網(wǎng)絡(luò)化成為 當(dāng)今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。 利用 CC2480 Zigbee模塊 和 PICl8F4620單 片機(jī)設(shè)計了一種低成本 、 高靈活性、通用的 Zigbee無線智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器。 智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、舒適、環(huán)保、智能化、個性化的獨(dú)特魅力，對于改善現(xiàn)代人類的生活質(zhì)量，創(chuàng)造舒適、安全、便利的生活空間有著非常重要的意義，具有非常 廣闊的市場前景。 本論文的組織結(jié)構(gòu) 論 文總共分為 6章，各章具體介紹如下： 第 1章為引言，介紹了本文的研究內(nèi)容、意義和全文組織結(jié)構(gòu)； 第 2章首先給出了智能家居的定義以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，接著對智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后 對比介紹了有線和無線兩種組網(wǎng)方式 ； 第 3章 對 Zigbee技術(shù)及其協(xié)議進(jìn)行了 較詳細(xì)的 介紹 ，為下文選擇 Zigbee技術(shù)用于智能家居 無線 網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ) ； 第 4章首先給出了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，對系統(tǒng)組成和設(shè)計原則進(jìn)行了介紹。利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng) 有機(jī)地結(jié)合在一起， 通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效 。 80年代末，由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了對住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備通過總線技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為智慧屋 （ WH， Wise Home） ，在歐洲稱為時髦屋 （ SH， Smart Home） 。 目前我國的家庭智能化系統(tǒng)還處于從無到有的初級發(fā)展階段，家庭智能化系統(tǒng)構(gòu)成形式和手段還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各大廠家也適時推出了自己的智能家居系統(tǒng)，如科龍集團(tuán)研制的 “ 智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng) ” ，海信的 “ 智能家居控制系統(tǒng) ” ，清華同方的 “ eHome數(shù)字家園 ” 等，一時間國內(nèi)智能家居領(lǐng)域呈現(xiàn)百家爭鳴的局面。基于銅介質(zhì)的雙絞線和同軸電纜能夠?qū)崿F(xiàn)信號的雙向傳輸 、 有著較高的可靠性，因而被廣泛地應(yīng)用在商業(yè)企業(yè)中，成為辦公室計算機(jī)和打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)選擇。而且，由于電話線路并非為高速數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計，其衰減和阻抗特性也不能很好地控制。 在有線方式中，各傳感器和控制器的連接通過總線，它的優(yōu)點(diǎn)是可以簡化各功能單元的設(shè)計，缺點(diǎn)就是布線多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計選擇的問題；而相比 有 線技術(shù)，無線技術(shù)不僅不存在布線的問題，而且擴(kuò)展容易，維護(hù)以及使用都較簡單。采用前向糾錯技術(shù)抑止了長距離鏈路隨機(jī)噪聲，應(yīng)用二進(jìn)制調(diào)頻技術(shù)的調(diào)頻收發(fā)器來抑制干擾和防止衰落。但實(shí)際上，如果有多個用戶同時通過一個點(diǎn)接入，帶寬被多個用戶分享， WiFi的連接速度一般只有幾百 kbps，在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外。 IEEE專門成立了 、固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。 Zigbee的基礎(chǔ)是 ，這是 IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng) （ Wireless Personal Area Network， WPAN） 工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作 （ Zigbee） 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 。所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā) Zigbee物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 。例如， 16個信道 （ 信道 1126） 、 915MHz頻帶提供 10個信道 （ 信道 1l0） 而 868MHz頻帶提供 1個信道 （ 信道 0） 。使用這種方法，所有ACK標(biāo)志位置 1的幀均會被它們的接收器應(yīng)答。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。 Zigbee MAC 層協(xié)議規(guī)范 MAC層處理所有物理層無線信道的接入，在兩個對等的 MAC實(shí)體之間提供一個可靠的通信鏈路。 NLDE負(fù)責(zé)產(chǎn)生網(wǎng) 絡(luò) 層協(xié)議數(shù)據(jù) 單元（ Protocol Data Unit， PDU） 與傳輸所需的路由。 Zigbee設(shè)備對象 （ ZDO） ，描述了一個基本的功能函數(shù)，這個功能在應(yīng)用對象、設(shè)備 對象 和 APS之間 提供了一個接口。 家 居 設(shè) 備 1移 動 電 話智 能 家 居 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 器 （ 主 節(jié) 點(diǎn) ）智 能 家 居 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 器（ 分 節(jié) 點(diǎn) ） 路 由 器智 能 家 居 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 器（ 分 節(jié) 點(diǎn) 1 ）功 能 驅(qū) 動 模 塊房 間 n互 聯(lián) 網(wǎng)家 居 設(shè) 備 n家 居 設(shè) 備 2功 能 驅(qū) 動 模 塊功 能 驅(qū) 動 模 塊智 能 家 居 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 器（ 分 節(jié) 點(diǎn) n ）智 能 家 居 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 器（ 分 節(jié) 點(diǎn) 2 ）房 間 1Z i g b e e 無 線 網(wǎng) 絡(luò)G P R S 網(wǎng) 絡(luò) 圖 智能家居 系統(tǒng)組成框圖 由圖可知，系統(tǒng)主要由智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)，與智能家居設(shè)備相連的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，每個房 間 放置的充當(dāng)路由器的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)，功能控制驅(qū)動模塊和相應(yīng)的家居設(shè)備構(gòu)成。同時考慮到整個家居網(wǎng)絡(luò)的健全性，一旦主節(jié)點(diǎn)發(fā)生癱瘓，采用相應(yīng)策略由某個房間的路由器充當(dāng)主節(jié)點(diǎn)功能。 ，自適 應(yīng) 性 家居設(shè)備位置的頻繁更換和網(wǎng)絡(luò)控制器的癱瘓等，都可能引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和網(wǎng)絡(luò)通信不暢，從而使智能家居系統(tǒng)停止工作等。根據(jù)應(yīng)用的需求 Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有兩種拓?fù)?結(jié)構(gòu)：星型的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。一個簡單的策略是：一個 FFD在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器，再通 過一 個 系 統(tǒng)認(rèn)證過程，設(shè)備就成為了該網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可能和網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備一樣，也可能擁有比其他設(shè)備更多的計算資源和能量資源。 通過上節(jié)的介紹我們又知道 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相比之下價格昂貴，對于智能家居實(shí)現(xiàn)低成本的目的來說不太適用，并且由于可通信節(jié)點(diǎn)過多，容易產(chǎn)生 信道沖突，會增加消息傳遞的延遲和通信開銷。 本章小結(jié) 針對智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，本章首先介紹了系統(tǒng)組成 ， 并對系統(tǒng)各個部分進(jìn)行了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設(shè)計原則。兩級指令流水線使得除了程序跳轉(zhuǎn)指令需要兩個周期外，其余所有指令在一個周期內(nèi)執(zhí)行。 圖 PICl8LF4620 管腳圖 Zigbee 無線收發(fā)模塊 TI公司的 CC2480，是一款符合 、低功耗的ZAccel Zigbee處理器，經(jīng)過最小的開發(fā)努力就能實(shí)現(xiàn)完全的 Zigbee功能。從 2002年 5月起，中國移動的 GPRS網(wǎng)絡(luò)正式開始商用，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍包括了全國所有省會城市和大部分大中城市。 GPRS 電路設(shè)計 本設(shè)計采用西門子公司的 MC55模塊，該模塊具有以下特點(diǎn)： ，僅 ； ： 900， 1800和 1900MHz； ； Microsoft Windows Mobile TM平臺的設(shè)備 (smart phones and Pocket PCs)； TCP/IP協(xié)議棧。軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)初始化 、 通信協(xié)議棧、系統(tǒng)應(yīng)用程序等。 28 結(jié) 束開 始傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) Z i g b e e模 塊 發(fā) 起 連 接 請 求連 接 成 功 ？向 家 庭 網(wǎng) 關(guān) 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) Z i g b e e模 塊 發(fā) 起 斷 開 連 接 請 求發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 完 畢 ？斷 開 連 接 成 功 ？YNYNYN 圖 系統(tǒng)通信程序流程圖 為了方便系統(tǒng)的調(diào)試， 還應(yīng)該 設(shè)計 一個 上位機(jī)監(jiān)控軟件，用于對智能家居網(wǎng)絡(luò) 控制的主節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)控， 限于本論文的研究范圍，這部分予以省略