【文章內(nèi)容簡介】 傳輸?shù)目煽啃圆荒芤驗(yàn)楦蓴_或者信道阻塞而 下降要保證家居主節(jié)點(diǎn)與家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間安全無差錯的數(shù)據(jù)傳輸 ZigBee的 MAC 返回給發(fā)送方發(fā)送方若在規(guī)定的時間之內(nèi)沒有接收到返回信息即證明發(fā)生了碰撞 數(shù)據(jù)將會再次重新傳輸另外 ZigBee 還提供了鑒權(quán)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能 2 成本在一個家庭中可能有幾十甚至上百個家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)對于眾多的節(jié)點(diǎn) 來說成本是相當(dāng)可觀的目前 ZigBee 芯片的成本大約在 4 美元左右對于大批量應(yīng) 芯片的體積將會變得越來越小價格也會降得更低 3 可擴(kuò)展性在家庭中家居設(shè)備不會一成不變而在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要添加 或者刪減設(shè)備節(jié)點(diǎn)當(dāng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)目發(fā)生變動時系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備一定的機(jī)制擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)而不需要改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中每個 FFD 設(shè)備可連接多達(dá) 255 個節(jié)點(diǎn) 而幾個 FFD 之間則可形成一個更大的無線網(wǎng)絡(luò) ZigBee 網(wǎng)絡(luò) 對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有 限制 6o 4 安全性家居控制網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間的信道不能被非法監(jiān)聽和修改應(yīng)該是 泄漏其標(biāo)識或者被其它節(jié)點(diǎn)獲得 15J 5 信號覆蓋率家庭住宅的范圍在 10～ 100 米之間且房間之間有墻壁阻隔各 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間必須能夠穿透墻壁在一定距離之間進(jìn)行可靠通信 ZigBee的有效覆蓋 范圍可達(dá) 100 米左右并且該頻段對于墻壁有比較好的穿透性具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率 的大小和各種不同的應(yīng)用模式而改變一般都能夠覆蓋辦公室或普通的家庭環(huán)境 2． 2 遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò) 控制技術(shù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)為家庭內(nèi)部控制系統(tǒng)提供了較為完善的網(wǎng)絡(luò)平臺在一定程度上完成了 智能家居控制網(wǎng)絡(luò)中家庭子網(wǎng)的構(gòu)建由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的范圍僅限于家庭住宅之內(nèi) 用戶一旦離開家庭就無法了解家庭狀態(tài)也無法對家中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理因 此家庭控制網(wǎng)絡(luò)必須與外界網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制在智能家居系統(tǒng)中用 一 6 一 大連理工大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文 戶通過 手機(jī)等遠(yuǎn)程移動終端訪問家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)方便地獲取家居狀態(tài)信息實(shí) 現(xiàn)主要的管理功能從而提高智能家居系統(tǒng)的實(shí)用性 2． 2． 1 常用遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制需要遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持常用的遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 主要有數(shù)傳電臺 GSM 短消息 SMS CDMA 和 GPRS 等幾種 1 數(shù)傳電臺 數(shù)傳電臺出現(xiàn)的時間較早應(yīng)用廣泛數(shù)傳電臺信號傳輸實(shí)時性好運(yùn)行費(fèi)用低 是一種便捷的無線數(shù)傳方式但是建網(wǎng)初期投資巨大傳輸范圍有限而且容易受到空 間無線信號的干擾 2 短消息 短信息傳輸在 GSM網(wǎng)絡(luò)的空閑信道里當(dāng) GSM網(wǎng)絡(luò)比較空閑時短消息的實(shí)時 性比較好一般能在幾秒內(nèi)到達(dá)但如果 GSM 網(wǎng)絡(luò)繁忙短消息的延時就會達(dá)到數(shù)分 鐘甚至更長實(shí)時性很差因此短消息這種通信方式不適合實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)另外短消 息不能直接用于圖片聲音和視頻等數(shù)據(jù)的傳輸 3 GSM forMobile GSM Global System 通信網(wǎng)絡(luò) GSM 網(wǎng)絡(luò)的通信 方式為時分多址以電路交換模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸在整個 連接期內(nèi)用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占有無線信道如要滿足家居控制系統(tǒng)的實(shí) 時性要求家庭網(wǎng)關(guān)與移動終端要一直保持電路上的鏈接費(fèi)用較高而且家庭網(wǎng)關(guān)只 能保持對系統(tǒng)中的一個遠(yuǎn)程終端的連接限制了應(yīng)用范圍 7J 4 CDMA Division Access 碼分多址 無線通信技術(shù)是在擴(kuò)頻通信技 CDMA Code Multiple 術(shù)上發(fā)展起來的 一種無線通信技術(shù) CDMA 是一個全新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在技術(shù)先進(jìn)性實(shí) 際數(shù)據(jù)傳輸速度和使用資費(fèi)上 CDMA都比 GPRS要勝上一籌但由于運(yùn)營商的市場策 略等原因目前信號覆蓋的范圍遠(yuǎn)不及 GPRS 網(wǎng)絡(luò)智能家居控制系統(tǒng)要求遠(yuǎn)程移動終 端能隨時隨地訪問家庭網(wǎng)關(guān)從這點(diǎn)看 GPRS 比 CDMA 更具有優(yōu)勢 5 GPRS GPRS GeneralPacketRadio 它傳輸?shù)氖蔷W(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)報 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2． 2． 2GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢 GPRS GeneralPacketRadio Service 通用分組無線業(yè)務(wù) 是第二代移動通信技術(shù) 術(shù) 1994 年由美國 BTCell 公司提出是 GSMPhase 2 規(guī)范實(shí)現(xiàn)內(nèi)容之一是一種基 于 2G 的移動分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)面向用戶提供移動分組的 IP 或者 X． 25 的鏈接 GPRS 是意向高速數(shù)據(jù)處理的科技它以 分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)在移動用戶和數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)之間提供端到端的廣域的無線 IP 鏈接和 X． 25 服務(wù)在現(xiàn)有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上 在網(wǎng)絡(luò)上增加了一些硬件設(shè)備和軟件升級疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)同時增加網(wǎng)關(guān) GPRS GPRS 支持節(jié)點(diǎn) GGSN GatewaySupporting GPRS Supporting 圍了有效利用網(wǎng)絡(luò)資源同一無線信道又可以由多個用戶共享每個用戶可同時占用多 降低了運(yùn)行的成本 GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)在下面幾個方面具有明 顯的優(yōu)勢 Il 應(yīng)用 GPRS 對數(shù)據(jù)傳輸配置有優(yōu)先級可靠性時延數(shù)據(jù)速率等不同的服務(wù)質(zhì)量參 服務(wù)質(zhì)量參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量根據(jù)應(yīng)用的類型和網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)際情況為用戶提供服務(wù) 次鏈接遠(yuǎn)程移動終端不用頻繁建立鏈接就可以長時間保持這種鏈接保持鏈接但不 占用信道時不計(jì)費(fèi)資源利用率高真正體現(xiàn)出實(shí)時性用戶使用更方便只在數(shù)據(jù)傳 輸時才占用信道并被計(jì)費(fèi)不必支付傳輸間隙時的費(fèi)用計(jì)費(fèi)更加合理 現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無線鏈接接入速度快無需經(jīng)過 PSTN 等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接接入速度僅幾秒 鐘就可以直接與 IP 網(wǎng)或 X． 25 網(wǎng)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)互通 4 移動性能好用戶無須擔(dān)心 GPRS 的線路維護(hù)導(dǎo)致通信中斷并且可以按照需 要隨意分布和移動自己的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)此外中國移動通信公司的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)很早便開始 商用相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)較為成熟又為企業(yè)構(gòu)建企業(yè)級 VPN 網(wǎng)絡(luò)的能力可以保證網(wǎng) 絡(luò)的通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)交換的安全性 一 8 一 大連理工大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩十學(xué)位論文 綜上所述 GPRS 網(wǎng)絡(luò)向用戶提供了一種低成本高效的無 線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特別 適用于家庭控制這種間斷的頻繁的突發(fā)性的少量的數(shù)據(jù)傳輸也適用于偶發(fā)的大 數(shù)據(jù)量傳輸就本系統(tǒng)而言 GPRS 通信方式從成本可靠性性能等方面都可以滿足 動終端上進(jìn)行簡單配置即可接入到 Intemet 與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信這將大大方便對智能 家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理 目前市場上銷售的大部分智能手機(jī)均帶有 GPRS 模塊本文將在第 4 章中詳細(xì)介紹 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的接八方法 2． 3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 術(shù) GPRS 無線通信建立起來的一套完整的家居控制系統(tǒng)設(shè)訓(xùn)目的是將家庭中的家居 設(shè)各連 接到網(wǎng)絡(luò)之中使傳統(tǒng)家居設(shè)各具有網(wǎng)絡(luò)化自動化智能化的新特征本系統(tǒng) 需要在家居設(shè)備之上安裝與之功能相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)模塊這些節(jié)點(diǎn)模塊包括了傳感器執(zhí) 行器和通信模塊各個節(jié)點(diǎn)模塊將各自采集的信息經(jīng)過處理之后通過家庭控制子網(wǎng)傳輸 到家庭控制中心家庭控制中心將信息上傳到家庭網(wǎng)關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)響應(yīng)用戶遠(yuǎn)程提交的 查詢指令通過 Intemet 將結(jié)果反饋到用戶手中的移動終端之上用廣的控制指令按照相 同的路徑傳輸給節(jié)點(diǎn)模塊執(zhí)行設(shè)定操作 從功能層次來分智能家居系統(tǒng)一般由家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)家居主節(jié)點(diǎn)家庭網(wǎng)關(guān)手 機(jī)移 動終端幾部分來組成從網(wǎng)絡(luò)層次上分為家庭外部網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)兩部分分 別對應(yīng) Intemet 網(wǎng)和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)圖 2． 1 是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖 a 酚 Ⅻ 5 射 鼓 國回 擘 劃 ＆ 氣 55∞∞ 遠(yuǎn)程控制目絡(luò) 家窿控制目镕 圈 2 系統(tǒng)總體框圖 2l architecture Fig System 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)包括以下三部分部件射頻收發(fā)模塊運(yùn)算和控制單元傳感和執(zhí)行 模塊射頻收發(fā)模塊作為系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò) 無線連接和無線數(shù)據(jù)或指令的收發(fā)節(jié)點(diǎn)終端的傳感和執(zhí)行模塊主要進(jìn)行非法闖入或 者有毒氣體等意外災(zāi)難情況的探測三表數(shù)據(jù)的采集對各種網(wǎng)絡(luò)家電的控制這種控 制或者檢測功能需要通過運(yùn)算和控制單元操作完成在本系統(tǒng)中家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)的硬件核 心為基于 CC2430 的 ZigBee 無線收發(fā)模塊 在家庭子網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 FFD設(shè)備充當(dāng)家居主節(jié)點(diǎn) FFD負(fù)責(zé)監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn) 行由它主導(dǎo) ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立完成網(wǎng)絡(luò)的初始化設(shè)備控制數(shù)據(jù)采 集等功能子網(wǎng)中精簡功能設(shè)備充當(dāng)家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要完成傳感采集查詢響應(yīng)等功 能家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)相互之間不能進(jìn)行通信只能與家居主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信家居主節(jié)點(diǎn)與 家庭網(wǎng)關(guān)之間使用串口連接可將數(shù)據(jù)上傳到家庭網(wǎng)關(guān)中 家庭網(wǎng)關(guān)是智能家居控制系統(tǒng)的核心部分主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備之間的 信息交換和信息共享以及同外部通信網(wǎng) 絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能同時網(wǎng)關(guān)一般還負(fù)責(zé) 家庭家居設(shè)備的管理和控制 戶可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄到家庭網(wǎng)關(guān)智能家居管理系統(tǒng)對系統(tǒng)進(jìn)行管理和控 制對家中的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問或者控制 大連理工大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文 3 ZigBee 無線通信技術(shù) 短距離無線通信技術(shù)目前已成為無線通信的一個重要分支在現(xiàn)實(shí)中環(huán)境監(jiān)測工 業(yè)控制汽車電子商業(yè)監(jiān)控家庭數(shù)字控制等許多應(yīng)用場合系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常 為少量的突發(fā)信號以數(shù)據(jù)量小要求進(jìn)行實(shí) 時傳送為數(shù)據(jù)特征如采用傳統(tǒng)的無線通 信技術(shù)既是能夠滿足上述要求也存在著設(shè)備成本高體積大和功耗較高的突出問題 針對這類應(yīng)用場合人們希望出現(xiàn)一種低功耗低成本和較低傳輸速率的短距離無線通 信技術(shù)在這種背景下 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用而生