【正文】 28 結 束開 始傳 感 器 節(jié) 點 Z i g b e e模 塊 發(fā) 起 連 接 請 求連 接 成 功 ？向 家 庭 網 關 發(fā) 送 數 據傳 感 器 節(jié) 點 Z i g b e e模 塊 發(fā) 起 斷 開 連 接 請 求發(fā) 送 數 據 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)的調試， 還應該 設計 一個 上位機監(jiān)控軟件，用于對智能家居網絡 控制的主節(jié)點和分節(jié)點進行調試和監(jiān)控， 限于本論文的研究范圍，這部分予以省略。 GPRS 電路設計 本設計采用西門子公司的 MC55模塊，該模塊具有以下特點： ，僅 ； ： 900， 1800和 1900MHz； ； Microsoft Windows Mobile TM平臺的設備 (smart phones and Pocket PCs)； TCP/IP協議棧。 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，經過最小的開發(fā)努力就能實現完全的 Zigbee功能。 本章小結 針對智能家居系統(tǒng)的特點和發(fā)展趨勢，本章首先介紹了系統(tǒng)組成 ， 并對系統(tǒng)各個部分進行了簡要的介紹，隨后給出了系統(tǒng)設計原則。網絡協調器可能和網絡中其他設備一樣，也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。根據應用的需求 Zigbee技術網絡有兩種拓撲 結構：星型的 拓撲結構和對等的拓撲結構 。同時考慮到整個家居網絡的健全性，一旦主節(jié)點發(fā)生癱瘓，采用相應策略由某個房間的路由器充當主節(jié)點功能。 Zigbee設備對象 （ ZDO） ，描述了一個基本的功能函數，這個功能在應用對象、設備 對象 和 APS之間 提供了一個接口。 Zigbee MAC 層協議規(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實體之間提供一個可靠的通信鏈路。使用這種方法，所有ACK標志位置 1的幀均會被它們的接收器應答。所有這些公司都參加了負責開發(fā) Zigbee物理和媒體控制層技術標準的 。 IEEE專門成立了 、固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。采用前向糾錯技術抑止了長距離鏈路隨機噪聲，應用二進制調頻技術的調頻收發(fā)器來抑制干擾和防止衰落。而且，由于電話線路并非為高速數據傳輸而設計，其衰減和阻抗特性也不能很好地控制。 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)構成形式和手段還沒有統(tǒng)一的標準，各大廠家也適時推出了自己的智能家居系統(tǒng)，如科龍集團研制的 “ 智能網絡家居系統(tǒng) ” ，海信的 “ 智能家居控制系統(tǒng) ” ，清華同方的 “ eHome數字家園 ” 等，一時間國內智能家居領域呈現百家爭鳴的局面。利用先進的計算機技術、網絡通訊技術、綜合布線技術將與家居生活有關的各種子系統(tǒng) 有機地結合在一起， 通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效 。 智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、舒適、環(huán)保、智能化、個性化的獨特魅力，對于改善現代人類的生活質量，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。 2020 屆畢業(yè)生 畢業(yè)論文 題 目 : 基于 Zigbee 技術的智能家居無線網絡研究 院系名稱： 信息科學與工程學院 專業(yè)班級： 電子信息工程 06 級 3 班 學生姓名： 劉勇 學 號： 20204300310 指導教師： 韓琳 教 師職稱： 講師 2020 年 6 月 2 日 I 摘 要 近年來 電子信息技術和計算機網絡技術的 迅猛 發(fā)展， 使 家庭信息化、網絡化成為 當今智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。 基于以上種種， 本文將利用現存的各種技術對智能家居網絡進行全面研究 ，以滿足 21世紀人類對家居生活的新要求。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構轉變?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，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。盡管智能家居在我國起步較晚，但大有風行正 健之勢 。 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，很早就作為家庭網絡的連接 媒介。藍牙的傳輸 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。 Zigbee是一種短距離無線網絡技術，強調低成本、低耗電 、雙向傳輸、傳感器網絡功能等特色。 1999年，藍牙熱潮席卷全球，然而發(fā)展數年，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。這就可以確定 幀 實際上已經被傳遞了。 Zigbee MAC的主要工作為支持通訊鏈路的建立與斷開，產生網絡協調器網絡信標 (Beacon)信號，使信標訊號同步，運用 CSMACA，及處理與維護GTS(Guaranteed Time Slots， 有保證的時間槽 )。 ZDO位于應用框架和應用支持子層之間。 在整個智能家居系統(tǒng)中，總線或網絡通信技術是系統(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 /易擴展性有直接的關聯。 如圖 ，其中的網狀和簇狀結構都屬于對等拓撲結構。 網絡協調器首先將自己設為簇頭 （ Cluster Header， CLH） 并將簇標識號 （ Cluster Identifier， CID） 設置為 0， 同時為該簇選擇一個未被使用的 PAN網絡標識號，形成網絡的第一個簇，接著，網絡協調器開始廣播信標幀。接著主要對基于 Zigbee的智能家居網絡進行了研究，介紹了 Zigbee網絡設備類型以及目前三種網絡拓撲結構。 CC2480通過一個 SPI或 UART接口能和任何微處理器通信，不需要學習一個新的微處理器或新工具。 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（ 數據通信設備 ） 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。 本章小結 本章主要介紹了智能家居網絡控制器的軟件設計思想，首先總述系統(tǒng)軟件的結構層次，然后分塊列出各功能部分的程序設計思想，并一一用流程圖示出。 程序流程如圖 。尤其適用于間歇性、非周期性數據傳輸 （ 相鄰兩次傳輸的時間間隔遠遠大于平均傳輸延遲 ） ；少量數據的頻繁傳輸 ； 較大容量數據的不頻繁傳輸。其管腳圖如圖 。網絡協調器根據不同路由器轉發(fā)來的信息進行分組，20 然后為每個家電分配一個 16位的 PAN ID，再將此家電設備添加到網絡鄰接表中，標志終端設備 （ 家電 ） 被添加到此網絡中。 但是 在這些協調器中，只有一個可以充當整個點對點網絡的網絡協調器。網絡協調器除了直接參與應用外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉發(fā)等任務；路由器的任務則是增加網絡節(jié)點數量和擴展網絡物理范圍；終端設備僅僅只能完成監(jiān)測和控制的功能。當需要對某一家居設備進行控制或者監(jiān)測時，主節(jié)點找到與該家居設備相連的分節(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，路由器再將信息轉發(fā)給對應的分節(jié)點，分節(jié)點接收到信息后，送入功能驅動模塊，功能驅動模塊對該家居設備進行相應的操作；同時主節(jié)點擴展了 GPRS模塊，用戶可以通過移動電話或者互聯網遠程監(jiān)測，用戶遠程監(jiān)測時，發(fā)送信息到 GPRS模塊中的 SIM手機號碼， GPRS模塊接收到該信息，傳給主節(jié)點，主節(jié)點對該信息 進行解析，并通過Zigbee智能網絡發(fā)送到相應的家居設備。這服務由兩個實體實現： APS數據實體 （ APSDE）和 APS管理實體 （ APSME） 。在調制前，將數據信號進行轉換處理，每 4位信息比特組成一個符號數據，根據得到的符號數據，將其映射成一個 32位的偽隨機序列，最后通過半正弦脈沖形式的 OQPSK調制方法，將碼元數據調制到載 波信號上。此外， 。其中涵蓋了半導體生產商、 IP服務提供商、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） Zigbee聯盟成立于 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、無線設備公司和開發(fā)商加盟。與其它 ，速度更快。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、計算機和其它設備能夠觸及的地方安裝插座也會帶來了技術上和成本上的問題。而國家政府機構及各大信息家電生產廠商不失時機地開展了中國智能家庭網絡的標準化制定工作，為中國智能家居的發(fā)展提供了一個開放的標準化平臺，指明了智能家居研究領域正確的發(fā)展方向。 智能家居可以定義為一個過程 或者一個系統(tǒng)。 近年來隨著人民生活水平和知識層次的不斷提高，人們也將注意力越來越多的放在了生活環(huán)境的安全性、舒適性和便利性 上，因此也就產生了對家居智能化的需求；與此同時，在科學技術方面 ,計算機控制技術與電子信息通訊技術的飛速發(fā)展也促成了智能家居系統(tǒng)的出現。智能家居系統(tǒng)能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現代生活方式，是未來居住模式的必然發(fā)展趨勢。 本文研究的內容 在 智能家居 網絡 的實現 中，由于平臺和組網方式的多樣化，導致了 智能家居 網絡的實現方案多樣化，考慮到成本和性能等多方面因素，本 論文 采用近年逐漸興起的 Zigbee無線網絡技術來實現 智能家居 網絡 的 組建，重點研究 智能家居無線 網絡的組建和家庭控制網絡中設備之 間 的通信、并在最后 討論了智能家居無線網絡的軟硬件實現的 問題。 實際上家庭自動化產品、家庭網絡產品、網絡家電產品、信息家電產品 等 都只是智能家居系統(tǒng)產品里的一種，它們有各自不同的產品特征，不能簡單地將它們劃等號。 智能家居網絡選擇 在智能家居系統(tǒng)設計中，在盡可能保持標準統(tǒng)一的前提下，針對各種信號類來選擇合適的 有 線或無線技術并設計控制器就成為智能家居建設的首要問題。其中最具有代表性 的 就是 X10技術，目前，這種技術已是美國占據市場主流的技術，是 全球第 一個利用電線來控制燈飾及電子電器產品，并將其商業(yè)化的成功模式。能即時組成微微網網絡 （ Pico） ， 每個微微網可包含至多 8個節(jié)點，每個節(jié)點都可以作為主機和從機。 Zigbee傳輸速度為 20k～ 250kbps，并隨著傳輸距離的延長而減慢，較藍牙的 1Mbps慢。低功耗、低成本的無線網絡要求令 Zi gbee應運而生，大幅簡化藍牙的復雜規(guī)格，專注于低傳輸應用。如果發(fā)送幀的時候置位了 ACK標志位，但是在一定的超時期限內沒有收到應答，發(fā)送器將重復進行固定次數的發(fā)送，如仍無應答就宣布發(fā)生錯誤。此外， MAC的加密子層可支持通訊加密功能。 Zigbee應用層主要是透過應用層支持子層 （ APS） 與網絡層溝通。因此本文主要對智能家居系統(tǒng)中的 Zi gbee無線通信技術進行了研究。 17 Z i g b e e 協 調 器Z i g b e e 路 由 器Z i g b e e 設 備S t a rC l u s t e r t r e eM e s h 圖 網絡拓撲結構模型 在 Zigbee網絡拓撲結構中，最基本的單元是設備，這個設備可以是一個 RFD也可以是 FFD；在同一物理信道的通信范圍內，兩個或者兩個以上的設備可構成一個WPAN。臨近設備收到信標幀后，就可以申請加入該簇。針對智能家居的實際情況，采用了 Zigbee簇狀結構組建無線智能家居網絡，并給出了相 應的家居網絡結構圖。 CC2480的選擇性和敏感性指數超過了 ，可確保短距離通信的有效性和可靠性。 M C 5 5P I C 1 8 F 4 6 2 0T X D 0R X D 0ASCOR C 6R C 7 圖 GPRS 模塊與單片機接口電路 本章小結 本章主要介紹了智能家居網絡控制器的硬件設計。 29 結 論 現代無線通信技術、計算機技術和自動控制技術的發(fā)展，使得我們可以通過空中無線接口來實現系統(tǒng)與傳感器節(jié)點的交互，這極大地方便了人們的各種活動，改善了人們的生活方式。 進 入 中 斷 處 理 上 電軟 件 去 毛 刺進 入 復 位 矢 量是 否 為真 中 斷 ？讀 取 4 6 2 0 中 斷 狀 態(tài) 字分 析 中 斷 狀 態(tài) 字執(zhí) 行 相 應 的中 斷 處 理 程 序中 斷 處 理 結 束M C U 初 始 化 結 束堆 棧 初 始 化