【正文】 3．分析研究 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，針對(duì)家居分布構(gòu)造等特點(diǎn)，采用簇狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的。 本文以家庭智能化為應(yīng)用背景，主要研究智能家居 Zigbee 無線通信網(wǎng)絡(luò)，歸納起來，主要有以下幾項(xiàng)工作： 1．首先對(duì)智能家居領(lǐng)域進(jìn)行充分了解和研究，并對(duì)目前國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及現(xiàn)有的幾種技術(shù)進(jìn)行分析，針對(duì)智能家居中主要存在的布線難，費(fèi)用高等問題，選擇 Zigbee 技術(shù)作為 智能家居系統(tǒng)中的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能家居的數(shù)據(jù)傳輸； 2．研究 Zigbee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。無線 傳感器技術(shù)被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù)，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。 本章小結(jié) 本章主要介紹了智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器的軟件設(shè)計(jì)思想，首先總述系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)層次，然后分塊列出各功能部分的程序設(shè)計(jì)思想，并一一用流程圖示出。 程序流程如圖 。 是 否 是報(bào) 警 信 號(hào) ？開 機(jī)監(jiān) 聽 來 自 Z i g b e e 主控 制 器 的 信 號(hào)系 統(tǒng) 初 始 化監(jiān) 聽 G S M 模 塊短 消 息 是否 合 法 ？發(fā) 送 報(bào) 警 信 息 至 用 戶提 取 短 消 息 和 來 電 號(hào) 碼相 應(yīng) 處 理 程 序分 析 控 制 指 令向 相 應(yīng) 節(jié) 點(diǎn) 發(fā) 送 指 令發(fā) 送 信 息 至 來 電 用 戶NYYN 圖 智能家居主機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖 27 中斷和初始化程序設(shè)計(jì) 圖 所示為 MCU 中斷處理過程與初始化過程的流程圖 。 控制器軟件設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)初始化 、 對(duì)家居中報(bào)警信號(hào)的監(jiān)控 、 對(duì)遠(yuǎn)程控制指令的處理和執(zhí)行等 。 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 智能家居設(shè)計(jì)中主控制器，采用源代碼開放 、 可移植性強(qiáng)的 Linux操 作系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以為 Zigbee模 塊提供完整的協(xié)議支持 。應(yīng)用層通過 API來調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù) ,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的 管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。系統(tǒng)平臺(tái)層通過應(yīng)用程序 編程 接口 （ Application Programming Interface, API） 來給協(xié)議層提供服務(wù)。首先給出了硬件總體設(shè)計(jì)，再分別具體介紹了硬件處理器部分、 Zigbee無線收發(fā)模塊部分和 GPRS模塊電路實(shí)現(xiàn)。 25 MC55采用 ～ ，必須具有 2A的電流峰峰值，它具有兩個(gè)符合 ASC 0和 ASC 1，它們都是站在 DCE（ 數(shù)據(jù)通信設(shè)備 ） 立場(chǎng)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。尤其適用于間歇性、非周期性數(shù)據(jù)傳輸 （ 相鄰兩次傳輸?shù)臅r(shí)間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均傳輸延遲 ） ；少量數(shù)據(jù)的頻繁傳輸 ； 較大容量數(shù)據(jù)的不頻繁傳輸。而 GSM僅為 ； ：分組交換接入時(shí)間縮短為少于 1s，一旦手機(jī)注冊(cè)上 GPRS網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)就一直連接在網(wǎng)絡(luò)上； ，可以按流量計(jì)費(fèi) 或 包月制等多種方式計(jì)費(fèi)； WAP業(yè)務(wù)； GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得 GPRS能提供 Inter和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全 球性無線接入。 作為 ， GPRS技術(shù)是 GSM網(wǎng)絡(luò)由 2G向 3G平滑過渡的必由路。作為移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最主要的承載方式，與其他無線通訊方式相比， GPRS業(yè)務(wù)具有實(shí)時(shí)傳輸、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用 低 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。借助于多時(shí)隙綁定和高速編碼方案， GPRS速率理論上最高可達(dá) 。 圖 CC2480外圍電路圖 GPRS 電路實(shí)現(xiàn) GPRS 介紹 通用分組無線業(yè)務(wù) （ General Packet Radio Service， GPRS） 是在現(xiàn)有 GSM技術(shù)基24 礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的承載業(yè)務(wù)， GPRS在移動(dòng)終端與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間提供 了分組傳遞業(yè)務(wù)，這也是 GPRS網(wǎng)絡(luò)與 GSM網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn) 對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 CC2480通過一個(gè) SPI或 UART接口能和任何微處理器通信，不需要學(xué)習(xí)一個(gè)新的微處理器或新工具。其管腳圖如圖 。它的工作電壓只有 ，可直接與高頻芯片通信。 PICl8器件具備特殊功能模塊，減少了外部元件的使用，因此最大限度地降低了成本、提高了系統(tǒng)可靠 性并降低了功耗。指令 共有77條 （ 精簡(jiǎn)指令集 ） 。指令和數(shù)據(jù)總線相互分離的哈佛結(jié)構(gòu)允許 16位指令和 8位數(shù)據(jù)同時(shí)在分離的總線上傳輸。 P I C 1 8 F 4 6 2 0C C 2 4 8 0晶 振電 源人 機(jī) 交 互G P R S通 信 接 口 圖 硬件系統(tǒng)框圖 處理器 硬件處理器采用 Microchip Technology的 PICl8F4620單片機(jī)， PICl8系列是高性能、 CMOS、集成了模數(shù) （ A/D） 轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài) MCU（ Micro Control Unit） 系列。采用該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)具有復(fù)用性，安裝容易，調(diào)試簡(jiǎn)單，通用性好等特點(diǎn)。接著主要對(duì)基于 Zigbee的智能家居網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，介紹了 Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型以及目前三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)不同路由器轉(zhuǎn)發(fā)來的信息進(jìn)行分組，20 然后為每個(gè)家電分配一個(gè) 16位的 PAN ID，再將此家電設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，標(biāo)志終端設(shè)備 （ 家電 ） 被添加到此網(wǎng)絡(luò)中。 G P R S 網(wǎng) 絡(luò)Z i g b e e 網(wǎng) 絡(luò)終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D終 端 設(shè) 備 R F D / F F D路 由 器 1（ F F D ）路 由 器 2（ F F D ）路 由 器 3（ F F D ）無 線 遙 控 器（ F F D ）手 機(jī) 圖 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于這種家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程如下：首先由充當(dāng)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求并建立網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鄰接表，隨后為每個(gè)路由器分配一個(gè) 16位 PAN ID（ 此地址僅在該網(wǎng)絡(luò)中有效 ） ，并將信息添加到該網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的添加就完成了。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器主節(jié)點(diǎn)作為家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即智能家居設(shè)備的主控制器，同時(shí)在每一個(gè)房間安裝一個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，每個(gè)家居設(shè)備也連接一個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)結(jié)合智能家居的實(shí)際情況采用了 Zigbee簇狀結(jié)構(gòu)組建無線智能家居網(wǎng)絡(luò)。 基于 Zigbee 的智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建 目前，大部分的無線智能家居網(wǎng)絡(luò)都采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，以一臺(tái) PC機(jī)作為主控制器，在 PC機(jī)上外接一個(gè) FFD Zigbee模塊，從而充當(dāng)星型網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，但同時(shí)也存在著一個(gè)很嚴(yán)重的缺點(diǎn)：一旦網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將處于癱瘓狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)控制操作，智能家居也失去了意義。 另外，還有一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，他與簇型網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，但最大的不同在于一個(gè) PAN網(wǎng)絡(luò)中，任何兩個(gè)終端設(shè)備，只要是由 FFD構(gòu)成的，相互之間就可直接通信。設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭 （ Cluster Header， CLH） 并將簇標(biāo)識(shí)號(hào) （ Cluster Identifier， CID） 設(shè)置為 0， 同時(shí)為該簇選擇一個(gè)未被使用的 PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)，形成網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)簇，接著，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀。 但是 在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個(gè)可以充當(dāng)整個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。 簇 狀 網(wǎng)絡(luò)是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的一種應(yīng)用，在此 種 網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)的設(shè)備是 FFD設(shè)備，而 RFD設(shè)備總是作為簇樹的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如簇 狀 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果沒有收到回應(yīng)，或者認(rèn)證過程不成功，這個(gè) FFD就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。任何一個(gè) FFD都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層決定。 當(dāng)一個(gè) FFD第一次被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)，將自身成為一個(gè) PAN主協(xié)調(diào)器。但是，在這一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中至少要求有一個(gè) FFD作為 PAN（ personal area work，個(gè)人區(qū)域網(wǎng) ） 協(xié)調(diào)器。 如圖 ，其中的網(wǎng)狀和簇狀結(jié)構(gòu)都屬于對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)；路由器的任務(wù)則是增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)物理范圍；終端設(shè)備僅僅只能完成監(jiān)測(cè)和控制的功能。 FFD可以與任何 Zigbee設(shè)備進(jìn)行通信，但RFD僅能與 FFD通信，兩個(gè) RFD之間如要進(jìn)行通信需通過 FFD的中轉(zhuǎn)傳輸。 隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快， 各種新型的家電將設(shè)備不斷進(jìn)入家庭 ，因此系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性，滿足人們不斷 更新 的需要。因此家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有自組織性和自適 應(yīng)性，以適應(yīng)各種復(fù)雜的場(chǎng)合。這是因?yàn)樗鼈鬏?的信息是各種設(shè)備的狀態(tài)和控制信息，它的錯(cuò)誤不僅可能導(dǎo)致設(shè)備的非正常工作，而且可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。采用 Zigbee無線通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循以下設(shè)計(jì)原則： 16 家居網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)家居設(shè)備組建成網(wǎng)絡(luò)，使之成為一個(gè)有機(jī)協(xié)調(diào)互動(dòng)的整體，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒅饕强刂菩畔⒁约耙恍┪锢砹康膮?shù)。 目前，對(duì)于絕大多數(shù)的智能家電而言，其本身的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力都非常的有限，依照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，只有通過提高家電本身的硬件和軟件資 源來實(shí)現(xiàn)智能家電的各種功能，這樣必然會(huì)出現(xiàn)成本提高的問題，因而影響到智能家電的發(fā)展和普及。 在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中，總線或網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是系統(tǒng)的核心部分，其不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的成本和 施 工長(zhǎng)短，還與系統(tǒng)的安全性、可用性 /可靠性、靈活性 /易擴(kuò)展性有直接的關(guān)聯(lián)。當(dāng)需要對(duì)某一家居設(shè)備進(jìn)行控制或者監(jiān)測(cè)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)找到與該家居設(shè)備相連的分節(jié)點(diǎn)的 ID信息，并將控制信息發(fā)往該分節(jié)點(diǎn)所在房間的路由器，路由器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)接收到信息后，送入功能驅(qū)動(dòng)模塊，功能驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)該家居設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展了 GPRS模塊，用戶可以通過移動(dòng)電話或者互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)，發(fā)送信息到 GPRS模塊中的 SIM手機(jī)號(hào)碼， GPRS模塊接收到該信息，傳給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)對(duì)該信息 進(jìn)行解析，并通過Zigbee智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的家居設(shè)備。因此該方案具有設(shè)計(jì)靈活，通用性好，可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器包括一個(gè) Zigbee無線收發(fā)模塊，其中主節(jié)點(diǎn)還擴(kuò)展有 GPRS模塊，這樣用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)電話對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。 15 本文采用的是將功能控制模塊和通信模塊 （ 智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器 ） 分開實(shí)現(xiàn)的方案，功能控制驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)與各種家居設(shè)備的接口，并 作 為家居設(shè)備的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其與相應(yīng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制器分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信 。 針對(duì)智能家居中采用有線方式存在的問題，本文 探討 了一種采用 Zigbee無線通信技術(shù)的新型智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 系統(tǒng)組成框圖如 圖 。 14 4 基于 Zigbee 的 智能家居 無線 網(wǎng)絡(luò)研究 總體設(shè)計(jì)方案 在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)各種信號(hào)類型來選擇合適的總線或無線技術(shù)并設(shè)計(jì)主控制器己成為智能家居建設(shè)的首要問題。 本章小結(jié) 本章主要對(duì) Zigbee技術(shù)的協(xié)議進(jìn)行研究。 ZDO位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)： APS數(shù)據(jù)實(shí)體 （ APSDE）和 APS管理實(shí)體 （ APSME） 。 Zigbee應(yīng)用層由三個(gè)部分組成， APS子層、 ZDO（ 包含 ZDO管理平臺(tái) ） 和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由 Zigbee協(xié)調(diào)器來控制，由它負(fù)責(zé)發(fā)起和維持網(wǎng)絡(luò)正常工作，保持同網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備通信，兩終端設(shè)備不能通信。而 NLME工作包括負(fù)責(zé)設(shè)定 Zigbee元件成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，或加入或離開已存在的 WPAN，啟動(dòng) WPAN尋址，發(fā)現(xiàn)臨近 Zigbee元件，尋找路由路徑，與 MAC接收啟動(dòng)控制。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 Zigbee網(wǎng) 絡(luò) 層分為兩個(gè)部分，即網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù)據(jù)部分 （ Network Layer Data Entity，NLDE） 與網(wǎng) 絡(luò) 層管理部分 （ Network Layer Management Entity， NLME） 。 在 MAC層，有四種類型幀，它們分別為信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和 MAC命令幀。 MAC層的多重存取協(xié)議有三種不同的模式，即為時(shí)槽式 (Slotted CSMACA)模式、非時(shí)槽式 （ Unslotted CSMACA） 模式以及 GTS模式，其中 GTS主要用于緊急情境或周期性訊號(hào)的傳遞。 Zigbee MAC的主要工作為支持通訊鏈路的建立與斷開，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)信標(biāo) (Beacon)信號(hào)，使信標(biāo)訊號(hào)同步，運(yùn)用 CSMACA，及處理與維護(hù)GTS(Guaranteed Time Slots， 有保證的時(shí)間槽 )。在調(diào)制前，將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，每 4位信息比特組成一個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的符號(hào)數(shù)據(jù)，將其映射成一個(gè) 32位的偽隨機(jī)序列，最后通過半正弦脈沖形式的 OQPSK調(diào)制方法，將碼元數(shù)據(jù)調(diào)制到載 波信號(hào)上。上述頻段無線