【正文】 它。家庭網(wǎng)關(guān)和若干個(gè)無線通信 Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)模塊組成星形結(jié)構(gòu)的家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足要求，并且實(shí)現(xiàn)簡單，不涉及路由尋址等功能。本文智能家居系統(tǒng)的實(shí)際情況如下： 傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的工作量，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)用電。通常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要考慮以下幾個(gè)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(diǎn)密度和周圍環(huán)境狀況；其次，評(píng)估可選擇的情況。人們的移動(dòng)、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。 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jì)方案的權(quán)衡。 (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。 (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。 Zigbee 聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括 :工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化 和醫(yī)用設(shè)備控制等?？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(diǎn)，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革。藍(lán)牙的傳輸距離小于 10 米，這在大一點(diǎn)的 家庭住宅中是一個(gè)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(jì)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(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中最多可容納 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，而 Zigbee 可容納 255 個(gè)節(jié)點(diǎn)，而一般每個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)中需要 100150 個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)；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。圖 25 Zigbee 不同速率下的傳輸功耗 。 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)。 Zigbee 與藍(lán)牙技術(shù)比較 IEEE 委員會(huì)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。在家庭網(wǎng)關(guān)和每個(gè)字節(jié)點(diǎn)上都接有一個(gè)采用 Zigbee 技術(shù)設(shè)計(jì)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(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。 （ 2）工程應(yīng)用 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的無線網(wǎng)絡(luò)通迅的。 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)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(jì)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(fèi)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(hào)電池支持長達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的使用時(shí)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(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多 100 個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)； 6 時(shí)延短：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 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(hào) 域幀 序 號(hào) 域幀 序 號(hào) 域幀 序 號(hào) 域地 址 域地 址 域地 址 域幀 校 驗(yàn)幀 校 驗(yàn)數(shù) 據(jù)幀 校 驗(yàn)幀 校 驗(yàn)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(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)及工程應(yīng)用： （ 1） Zigbee 的技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì) 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(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。廣播信息管理。幀校驗(yàn) 。確認(rèn)模式的幀傳送與接收 。有自組織、自維護(hù)功能 ,以最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本。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(jì)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 。應(yīng)用層包括應(yīng)用對(duì)象終端設(shè)備和應(yīng)用接口層 ,且最多只能包含 31 個(gè)應(yīng)用對(duì)象。 圖 22 Zigbee 協(xié)議棧 Zigbee 協(xié)議棧 [5]采用分層結(jié)構(gòu)，包括 :物理層 (PHY Layer)、媒體接入控制層 (MAC Layer)、網(wǎng)絡(luò)層 (NWK Layer)和應(yīng)用層，如圖 23 所示。非 常 低 的 占 空 比 ， 可 小 于 0 . 1 % ； 具 有 工 作 周 期 短 ， 收 發(fā) 功 耗 低 的 特 點(diǎn) 。 網(wǎng) 狀 。網(wǎng) 絡(luò) 拓 撲 星 型 。尋 址 時(shí) 延 6 4 b i t 的 I E E E 地 址 ， 1 6 b i t 的 本 地 地 址 。 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 中 心 頻 率/ M H z8 6 9 . 39 0 6 + 3 2 ( k 1 )2 4 0 5 + ( k 1 1 )信 道 編 號(hào)K = 0K = 1 . 2 . . . 2 6K = 1 1 . 1 2 … 2 6頻 率 數(shù) 量11 01 6信 道 間隔 / M H z_25速 率/ K b ps2 04 02 5 0調(diào) 制方 式B O S KH P S KO Q P S K頻 率 上限 / M H z8 6 8 . 29 2 8 . 02 4 8 3 . 5頻 率 下限 / M H z8 6 8 . 09 0 2 . 02 4 0 0 . 0 圖 21 名 稱 內(nèi) 容傳 輸 距 離 可 達(dá) 1 0 7 5 m 依 賴 功 率 輸 出 和 環(huán) 境 特 性 。 GHz 波段為全球統(tǒng)一的無需申請(qǐng)的 ISM 頻段 ,有助于 Zigbee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù) ,使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式 ,區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速Zigbee 無線信道的組成 , 圖 21 所示 。 Zigbee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層及以上層協(xié)議。為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性， Zigbee 采用了載波偵聽多址 /沖突避免（ CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手協(xié)議。 間斷 性數(shù)據(jù)如電燈、家用電器的控制即安防報(bào)警數(shù)據(jù)的傳輸 。 Zigbee MAC 層的設(shè)計(jì)則主要考慮到盡可能地降低成本，容易實(shí)現(xiàn)，可靠的數(shù)據(jù)傳輸，短距離操作及非常低的功耗。 定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 物理層和 868/915MHz 物理層。在以 Zigbee 構(gòu)成的 WPAN 網(wǎng)絡(luò)中能支持高達(dá) 254 個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，外加一個(gè)全功能器件或主器件，可實(shí)現(xiàn)雙 向通信。它主要工作在無須注冊(cè)的 ISM 頻段，數(shù)據(jù)速率為20—250kbit/s，最大傳輸范圍在 10～ 75m，典型距離為 30m。 5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示的功能。 3 安全防盜報(bào)警。具體功能目標(biāo)是 : 1 遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)人在異地能通過電話網(wǎng)絡(luò)對(duì)家中的電器設(shè)備進(jìn)行控制的功能。好的家庭自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)該簡便易用、用戶界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。同時(shí)，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該能最大程度兼容用戶原有電器設(shè)備，保護(hù)用戶投資。 實(shí)用性 :人們購買家庭自動(dòng)化產(chǎn)品是為了享有更加便利舒適的生活，絕非追逐潮流的概念。 模塊化 :采用模塊化的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)各種場合的需要，保障用戶的利益并允許系統(tǒng)的逐步到位。 開放性 :目前，在智能住宅、家庭自動(dòng)化、家電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域尚處于一家一戶自行開發(fā)的局面，而實(shí)際上用戶不可能全部使用同一廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，這將極大阻 礙互聯(lián)互通和長遠(yuǎn)發(fā)展。但隨著無線技術(shù)的發(fā)展成熟，無線技術(shù)必將取代基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 優(yōu)先技術(shù)，成為最終的發(fā)展趨勢(shì)。其中信息傳輸通道應(yīng)采用寬帶光纖用戶接入題。物業(yè)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)配置局部網(wǎng)絡(luò)，并可供住戶聯(lián)網(wǎng)使用。 國家智能家居建設(shè)綱要對(duì)于智能家居系統(tǒng)的要求 國家智能家居建設(shè)綱要對(duì)于智能家居系統(tǒng)的要求如下 : 系統(tǒng)的功能要求 住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)示范工程功能要求，按不同標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)分別做到以下功能 : 一星級(jí) 1 安全防范子系統(tǒng) (l)出入口管理及周界防越報(bào)替 (2)閉路電視監(jiān)控 (3)對(duì)講與防盜門控 (4)住戶報(bào)警 (5)巡更管理 2 信息管理子系統(tǒng) (1)對(duì)安全防范系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)控 (2)遠(yuǎn)程抄收與管理或 Ic 卡 (3)車輛出入與停車管理 (4)供電設(shè)備、公共照明、電梯、供水等主要設(shè)備監(jiān)控