【導(dǎo)讀】-- I 肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁薁螁莀芄衿袀聿蒀螅袀膂芃蟻衿莄蒈蚇袈肄莁薃袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄襖肀莇薀羄膂薃蒆羃芅莆螄羄薁螀羈膇蒄蚆羀艿蠆薂罿莁蒂袁羈肁芅螇羈膃蒁蚃肇芆芃蕿肆羅葿蒅肅肈節(jié)襖肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁肂膄莈袀膁芆薄螆膀荿莇螞腿肈薂薈螆芁蒞薄螅莃蝕袃螄肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁薁螁莀芄衿袀聿蒀螅袀膂芃蟻衿莄蒈蚇袈肄莁薃袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄襖肀莇薀羄膂薃蒆羃芅莆螄羄薁螀羈膇蒄蚆羀艿蠆薂罿莁蒂袁羈肁芅螇羈膃蒁蚃肇芆芃蕿肆羅葿蒅肅肈節(jié)襖肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁肂膄莈袀膁芆薄螆膀荿莇螞腿肈薂薈螆芁蒞薄螅莃蝕袃螄肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁薁螁莀芄衿袀聿蒀螅袀膂芃蟻衿莄蒈蚇袈肄莁薃袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄襖肀莇薀羄膂薃蒆羃芅莆螄羄薁螀羈膇蒄蚆羀艿蠆薂罿莁蒂袁羈肁芅螇羈膃蒁蚃肇芆芃蕿肆羅葿蒅肅肈節(jié)襖肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁肂膄莈袀膁芆薄螆膀荿莇螞腿肈薂薈螆芁蒞薄螅莃蝕袃螄肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁

　　

【正文】 . .應(yīng) 用 接 口 層 （ A P S S u b l a y w e ）網(wǎng) 絡(luò) 層 （ N W K L a y e r ） I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4I E E E 平 臺Z i g b e e 聯(lián) 盟 平 臺A O S D E S A P N L D E S A PA P S M E S A PN L M E S A PM M E S A PP L M E S A PM C P S S A PP D S A P 圖 23 Zigbee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 Zigbee 聯(lián)盟制定 ,IEEE 組織負(fù)責(zé)定制 PHY 層和 MAC 層標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層包括應(yīng)用對象終端設(shè)備和應(yīng)用接口層 ,且最多只能包含 31 個應(yīng)用對象。應(yīng)用接口層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層上 ,其中包括 :安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)及業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮采用基于 adhoc 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ,陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 8 應(yīng)包含以下功能 :通用的網(wǎng)絡(luò)層功能 ,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù) ,命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù) ,包含了尋址、路 由和安全 。同 Zigbee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一樣 ,非常省電 。有自組織、自維護(hù)功能 ,以最大程度減少消費者的開支和維護(hù)成本。 Zigbee 協(xié)議的媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能 :設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和取消 。確認(rèn)模式的幀傳送與接收 。信道接入控制 。幀校驗 。預(yù)留時隙管理 。廣播信息管理。 Zigbee 協(xié)議 MAC 層定義的 4 種幀結(jié)構(gòu) :數(shù)據(jù)幀、標(biāo)志幀、確認(rèn)幀和 MAC 命令幀 ,如圖 24 所示。 最 大 1 2 7 字 節(jié)2 字 節(jié) 1 字 節(jié) 0 2 0 字 節(jié) 可 變 值 2 字 節(jié)幀 控 制 域幀 控 制 域幀 控 制 域幀 控 制 域幀 序 號 域幀 序 號 域幀 序 號 域幀 序 號 域地 址 域地 址 域地 址 域幀 校 驗幀 校 驗數(shù) 據(jù)幀 校 驗幀 校 驗信 標(biāo)信 標(biāo)M A C 協(xié) 議 數(shù) 據(jù) 單 元 （ M A C 幀 ）最 大 1 2 7 字 節(jié)物 理 層 服 務(wù) 數(shù) 據(jù) 單 元物 理 層 協(xié) 議 數(shù) 據(jù) 單 元同 步 頭 P H Y 頭物 理 層媒 體 接 入控 制 層數(shù) 據(jù) 幀確 認(rèn) 幀命 令 幀標(biāo) 志 幀 圖 24 Zigbee 的幀結(jié)構(gòu)圖 Zigbee 的技術(shù)特點及其優(yōu)勢及工程應(yīng)用： （ 1） Zigbee 的技術(shù)特點及其優(yōu)勢 1 安全性： Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 2 可靠性：采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息； 3 成本低：模塊的初始成本估計在 6 美元左右，很快就將降到 美元到 美元之間，且 Zigbee 協(xié)議是免專利費的； 4 省電：由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低 、并且采用了休眠模式， Zigbee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá) 6 個月到 2 年左右的使用時間，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的； 5 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100 個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)； 6 時延短：針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值是 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms。 （ 2）工程應(yīng)用 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計 9 Zigbee 技術(shù)已成功應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中，比如在某教育社區(qū) DCA3000 系統(tǒng)中，就是采用 Zigbee 技術(shù)來實現(xiàn)家庭內(nèi)部的無線網(wǎng)絡(luò)通迅的。在這款系統(tǒng)中主要由家庭網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點組成，網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點采用 Zigbee 技術(shù)與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線通訊，其中各子節(jié)點實現(xiàn)的功能分別為（水、電、氣）三表數(shù)據(jù)采集、安防報警數(shù)據(jù)采集、電燈及家用電器的控制。在家庭網(wǎng)關(guān)和每個字節(jié)點上都接有一個采用 Zigbee 技術(shù)設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊 ,通過這些無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊在網(wǎng)關(guān)和子節(jié)點之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。之所以采用 Zigbee 技術(shù)除了上面所述的優(yōu)點外，還因為這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更 新，更為重要的是系統(tǒng)中子節(jié)點采用電池供電，因而需要極低的功耗且在通常狀態(tài)下應(yīng)具有休眠狀態(tài)，而這正是 Zigbee 所具備的，它的優(yōu)勢之一就在于低功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)費用，降低系統(tǒng)的成本。 Zigbee 與藍(lán)牙技術(shù)比較 IEEE 委員會制定了三種不同的 WPAN 標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、 QoS 能力等。 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)是高速率的 WPAN 標(biāo)準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的 QoS 保證。 標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)，具有中等速率，適合于從蜂窩電話到 PDA 的通信， 其QoS 機(jī)制適合于語音業(yè)務(wù)。 標(biāo)準(zhǔn)也就是 Zigbee 技術(shù)，目標(biāo)市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用，對數(shù)據(jù)速率和 QoS 的要求不高。圖 25 Zigbee 不同速率下的傳輸功耗 。 速 率 / 轉(zhuǎn) 換 功 率1 m W ( 0 d b m )1 0 m v ( 1 0 d b m ) 1 0 0 m W ( 2 0 d b m )2 5 0 k b p s2 8 k b p s1 3 m2 3 m2 9 m5 4 m6 6 m1 3 4 m 圖 25 Zigbee 不同速率下的傳輸功耗 藍(lán) 牙Z i g b e eP H Y F H S SD S S S協(xié) 議 層2 5 0 K B 2 8 K B電 池 可 充 不 可 充設(shè) 備 / 網(wǎng) 絡(luò)8162 162連 接 速 度2 5 0 k b p s1 M b p s 1 0 m~ 3 0 m有 效 距 離 圖 26 Zigbee 與藍(lán)牙比較 Zigbee 與藍(lán)牙技術(shù)相比較有許多相似點，但其優(yōu)點更顯而易見。藍(lán)牙的傳輸距離小于 10 米，這在大一點的 家庭住宅中是一個極大的障礙，因而很難構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 10 而 Zigbee 的最大傳輸范圍在 1075 米，非常適合家庭網(wǎng)絡(luò)的建立；其次，在一個藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中最多可容納 8 個節(jié)點，而 Zigbee 可容納 255 個節(jié)點，而一般每個家庭網(wǎng)絡(luò)中需要 100150 個設(shè)備節(jié)點；最后，藍(lán)牙模塊的成本較高，這也成為其沒有廣泛應(yīng)用的原因之一，此外藍(lán)牙的功耗與 Zigbee 相比要大很多，而 Zigbee 則成本低廉，而且其功耗極低，如圖 26 所示。雖然藍(lán)牙的傳輸數(shù)據(jù)速率要大過 Zigbee，但 Zigbee 的 250kbit/s 傳輸速率在家庭網(wǎng)絡(luò)中已 足夠使用?？梢哉f，采用 Zigbee 技術(shù)所架構(gòu)的無線智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，由于其低成本、低功耗，較遠(yuǎn)的覆蓋范圍及它在全球范圍內(nèi)的通用，將使其成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革。 Zigbee 的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景 Zigbee 技術(shù)將主要嵌入在消費性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中 ,應(yīng)用于小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領(lǐng)域中。 Zigbee 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括 :工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化 和醫(yī)用設(shè)備控制等。通常 ,符合如下條件之一的應(yīng)用 ,均可以考慮采用 Zigbee 技術(shù)作無線傳輸 . (1)設(shè)備成本較低 ,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。 (2)設(shè)備體積較小 ,不便放置較大的充電電池或者電源模塊。 (3)沒有充足的電力支持 ,只能使用一次性電池。 (4)頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難。 (5)需要較大范圍的通信覆蓋 ,網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多 ,但僅僅用于監(jiān)測或控制。 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計 11 3 基于 Zigbee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)架 基于 ZigBee 技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基 于 Zigbee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的拓?fù)溥x擇涉及許多設(shè)計方案的權(quán)衡。該網(wǎng)絡(luò)自身也是一個動態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響。人們的移動、不間斷地使用電器和外界的干擾源等都可以影響網(wǎng)絡(luò)性能。對電池供電的設(shè)備來說，復(fù)雜的設(shè)計目標(biāo)就是保存電池消耗。通常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要考慮以下幾個問題：首先，我們要考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓?fù)洌簯?yīng)用需要的節(jié)點密度和周圍環(huán)境狀況；其次，評估可選擇的情況。最后，還要考慮系統(tǒng)的可升降性和權(quán)衡能耗 /資源的限制。本文智能家居系統(tǒng)的實際情況如下： 傳感器節(jié)點由電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)通過電源 供電，所以應(yīng)該盡量減少傳感器節(jié)點的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點用電。 智能家居中接入的主要是傳感器和開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量不大，沒有必要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪肀ＷC數(shù)據(jù)通信。因此，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且實現(xiàn)簡單，不涉及路由尋址等功能。基于 Zigbee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 31 所示。家庭網(wǎng)關(guān)和若干個無線通信 Zigbee傳感器節(jié)點模塊組成星形結(jié)構(gòu)的家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是全功能設(shè)備，它充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由它主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運行。