【導(dǎo)讀】基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)。隨著生活質(zhì)量的日益改善和生活節(jié)奏的不斷加快人們的工作生活日益。信息化社會改變了人們的生活方式與工作習(xí)慣使得家居系統(tǒng)的智能化成為。求智能家居系統(tǒng)越來越被重視因此將家庭中各種通信設(shè)備家用電器和家庭。裝置通過家居控制系統(tǒng)進(jìn)行整合并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理已經(jīng)成為近年來一。究課題本設(shè)計(jì)采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)GPRS通信技術(shù)相結(jié)合的方式搭建。套較為完善的智能家居控制系統(tǒng)。首先本文結(jié)合智能家居控制系統(tǒng)的特點(diǎn)提出了以ZigBee無線傳感器網(wǎng)。用開發(fā)的相關(guān)概念研究了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)配置網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)端點(diǎn)綁定及數(shù)據(jù)。機(jī)制在此基礎(chǔ)上完成了各個功能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)家庭控制子網(wǎng)的組建子網(wǎng)通信。再次本文介紹了．NET框架的體系結(jié)構(gòu)探討了基于．NET框架的PC機(jī)應(yīng)。Socket網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)研究了GPRS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的接入手段并編寫了家庭。序和WindOWSMobile智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制程序。制經(jīng)過與其他部分聯(lián)合調(diào)試和進(jìn)一步優(yōu)化后能夠滿足普通家庭用戶的需求。設(shè)計(jì)合理可行基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　

【正文】 各種組件每個協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中可連 接多 達(dá) 255 個節(jié)點(diǎn)設(shè)備而幾個協(xié)調(diào)器互相間接則可以組成一個更大的網(wǎng)絡(luò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)沒 有限制網(wǎng)絡(luò)中路由傳輸?shù)臄?shù)目 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)僅僅處理低級 MAC 層和物理層協(xié)議 在 ZigBee 技術(shù)中各個簡化標(biāo)準(zhǔn)通常使用層 這個概念來描述每個層按照設(shè) 計(jì)完成相應(yīng)的功能并且向上層提供特定的服務(wù) 其體系結(jié)構(gòu)通常用層來描述它的各個簡化標(biāo)準(zhǔn)每一層負(fù)責(zé)完成特定的任務(wù) 并向上層提供服務(wù) ZigBee 技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理層媒體接入控制層網(wǎng)絡(luò)／安 全層以及應(yīng)用框架層組成其各層之間分布如圖 3． 3 所示 各層之間的通過接口進(jìn)行連 接連接服務(wù)需要通過定義的邏輯鏈路來提供 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 簡單在 ZigBee 技術(shù)中 MAC 層和媒體接入層直接使用 IEEE 技術(shù)聯(lián)盟獨(dú)立定義了網(wǎng)絡(luò)／安全層和應(yīng)用框架層 媒體接入控制層 f 物理層 i 圖 3． 3ZigBee 協(xié)議的結(jié)構(gòu) Structure Fig． 3． 3 ofZigBeeprotocol Zigbee 各協(xié)議層的功能及作用 ①媒體接入控制層 媒體接入控制層的特征功能是信標(biāo)管理發(fā)送連接及斷開連接請求時隙管理發(fā) 送確 認(rèn)幀信道接入 ② MAC 層 MAC 層的特征功能是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)模塊能量檢測鏈路質(zhì)量信道選擇 清除信道評估以及通過物理手段對數(shù)據(jù)包進(jìn)行收發(fā) ⑨網(wǎng)絡(luò)／安全層 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等由網(wǎng)絡(luò)／安全層負(fù)責(zé) ④應(yīng)用框架層 應(yīng)用框架層的作用是提供一些應(yīng)用程序的模型便于系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用但是不同 的模型在不同的應(yīng)用場合中功能又有所不同 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要 ZigBee 技術(shù)可以支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌鼈兎謩e是星型 Star 簇樹型 Cluster 3． 4 所示 圖 3． 4ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) work Fig． 3． 4TopologyofZigBee 完整的 ZigBee 體系結(jié)構(gòu)如圖 3． 5 所示 用戶應(yīng)用程序 高端 應(yīng)用層 APL 應(yīng)用 設(shè)備配置 ZDC 子層設(shè)備對象 ZDO 子層 層 應(yīng)用支持 APS 子層 網(wǎng)絡(luò)層剛 WK 中間 lEEE802． 2LLC IEEE802． 15． 4 協(xié)議 LLC SSCS 層 IEEE802． 15． 4MAC IEEE802． 15． 4 lEEE802． 15． 4 底層 868／ 915MHZPHY 2． 4GHzPHY 4 硬件 底層控制模塊 RF 收發(fā)器 模塊 圖 3． 5ZigBee 體系結(jié)構(gòu) Structure Fig． 3． 5ZigBee 完整的 ZigBee 協(xié)議框架由網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成其中 IEEE802． 15． 4 負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟制定 1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層功能實(shí)現(xiàn) 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 絡(luò)層分為管理實(shí)體 NLMENetwork LayerManagement Network 管理和配置網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)實(shí)體用于向上層架構(gòu)提供特定的常規(guī)數(shù)據(jù)通信服務(wù) ZigBee標(biāo)準(zhǔn)確定了 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的三種設(shè)備協(xié)調(diào)器路由器和終端設(shè)備 ①協(xié)調(diào)器 立網(wǎng)絡(luò)的組件并且負(fù)責(zé)選擇合適的無線信道分配網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符等操作 ②路由器 路由器是設(shè)備之間用來做數(shù)據(jù)中繼的環(huán)節(jié) ZigBee 路由器之間可以互相連接以組成 范圍更大的網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)中作為遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來進(jìn)行大范圍的通信另外通過 特定的算法在兩個設(shè)備之間搜索最佳的傳輸路徑為設(shè)備建立端到端的數(shù)據(jù)連接 ③終端設(shè)備 Zigbee 終端設(shè)備是整個系統(tǒng)的端點(diǎn)用以傳輸該節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)在家居控制網(wǎng) 絡(luò)中終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集 網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)由數(shù)據(jù)實(shí)體提供應(yīng)用層和 MAC 層的接口分別為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)訪 問接口 MAC 層數(shù)據(jù)訪問接口實(shí)現(xiàn)兩個對 等的應(yīng)用層之間的傳輸在接受到高層的 數(shù)據(jù)請求原語之后網(wǎng)絡(luò)層先組織一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 NPDU 然后根據(jù)相關(guān)的 路由算法確定下一條的設(shè)備目標(biāo)地址路由查詢機(jī)制在當(dāng)高層需要發(fā)送數(shù)據(jù)時啟動以 滿足相關(guān)的功能要求 管理實(shí)體提供了網(wǎng)絡(luò)層控制網(wǎng)絡(luò)層信息庫 NIB 維護(hù)其中主要提供以下服務(wù) 首先配置網(wǎng)絡(luò)中的新設(shè)備根據(jù)要求配置協(xié)議棧并通過一系列操作能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器提供管理功能因此應(yīng)用層的接口是網(wǎng)絡(luò)層的核心技術(shù)主要包括建立新網(wǎng)絡(luò) 定義新網(wǎng)絡(luò)的建立過程加入和離開網(wǎng)絡(luò)主要是路由和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的建 立以及網(wǎng)絡(luò)的 備分配地址鄰居發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)無需路由在單跳范圍內(nèi)即可到達(dá)的設(shè)備并將鄰居節(jié)點(diǎn)的 信息記錄在鄰居表中并對其進(jìn)行維護(hù)路由發(fā)現(xiàn)在目的設(shè)備不在單跳范圍內(nèi)的情況 下申請路由轉(zhuǎn)發(fā)與查找功能將查找到的設(shè)備路徑記錄在路由表中以便網(wǎng)絡(luò)的建立 與后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸接收控制控制接收器開關(guān)和進(jìn)入休眠狀態(tài)的時間以達(dá)到降低功 耗的目的使能物理層同步以及數(shù)據(jù)接收功能 圖 3． 6 圖 3． 7 圖 3． 8 分別給出了各種設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層的功能模塊首先需要對網(wǎng)絡(luò)層 進(jìn)行初始化協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)的組建過程中對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化路由器和 節(jié)點(diǎn)在發(fā)現(xiàn)后申 大連理工大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文 請加入到該網(wǎng)絡(luò)中同時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址的分配在傳輸過程中需要進(jìn)行路由功能的配 置對路由算法進(jìn)行選擇維護(hù)并建立鄰居表 圖 3． 6Coordinator 功能模塊圖 Module ofcoordinatorfunction Fig． 3． 6 diagram 設(shè)備啟動后可以直接加入一個網(wǎng)絡(luò)也可以通過關(guān)聯(lián)操作加入網(wǎng)絡(luò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層 調(diào)用物理子層的 SCAN 功能分析信標(biāo)幀中 work descriptor 標(biāo)記來決定其父節(jié)點(diǎn)并選 擇可能的父設(shè)備這里有 LQI 鏈路質(zhì)量指示 值和網(wǎng)絡(luò)深度兩個主要指標(biāo)其中 LQI 的值越高說明鏈路質(zhì)量越高數(shù)據(jù)傳輸就越可靠而網(wǎng)絡(luò)深度指標(biāo)表明了該設(shè)備到達(dá) 協(xié)調(diào)器的路由最小跳數(shù)因此在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的深度為 0 其子設(shè)備深度為 l網(wǎng)絡(luò) 的最大深度由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定在 LQI 值相同的情況下設(shè)備優(yōu)先選擇網(wǎng)絡(luò)深度大的作 為其父設(shè)備 協(xié)調(diào)器主要利用物理子層提供的掃描功能設(shè)定合適的信道 PANID 個域網(wǎng) ID 以及網(wǎng)絡(luò)地址后便開始向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信標(biāo)幀等待其他設(shè)備請求加入該網(wǎng)絡(luò)只有尚未 來啟動 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備選擇到合適的父設(shè)備之后在物理子層向該父設(shè)備發(fā)起連接請求連 居表將發(fā)出請求的設(shè)備加入其中并分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 3． 7Router 功能模塊圖 of Module Routerfunction Fig． 3． 7 diagram ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的路由器和協(xié)調(diào)器都維護(hù)一張路由表這張路由表中 記錄著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間路由路徑的信息在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) 中設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)有如下兩種方 式通常情況下設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的過程中兩種情況都有可能發(fā)生第一種是子設(shè)備向 父設(shè)備請求離開該網(wǎng)絡(luò)第二種是父設(shè)備向子設(shè)備發(fā)送請求并將其從網(wǎng)絡(luò)中斷開 v／ ／ End 圖 3． 8 device 功能模塊圖 Module ofEnddevicefunction Fig． 3． 8 diagram 當(dāng)一個子設(shè)備收到父設(shè)備要求其離開網(wǎng)絡(luò)的請求后父設(shè)備通過NLME． LEAVE． request 原語要求所有的子設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)所有子設(shè)備拆除連接之后父設(shè)備重新分配網(wǎng) 大連理工大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文 絡(luò)地址在父設(shè)備分配完所有的網(wǎng)絡(luò)地址之后將不允許其他的設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)需要 加入該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須請求其他具有可用地址的父設(shè)備協(xié)調(diào)器規(guī) 定了在這個過程中最 大的路由器數(shù)目 對于一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)來說有以下幾種路由方式第一查看目標(biāo)設(shè)備是否在設(shè)備 的鄰居列表中第二檢查路由表記錄信息第三采用樹形路由在這些路由結(jié)構(gòu)中