【正文】 所示。其軟件設計主要包括 ZigBee 協(xié)調器軟件設計和 ZigBee 終端節(jié)點軟件設計。因此，本文選擇基于 Zstack 協(xié)議棧進行 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡的應用程 序開發(fā)。此外 ， Zstack 提供了很多的例程，在根據(jù)節(jié)點電路移植協(xié)議棧后，通過修改例程可以很快地完成無線傳感網(wǎng)絡的設計。 Zstack 協(xié)議棧已經(jīng)做了很多的工作，用戶只需要在 APL（ 應用層）上實現(xiàn)自己的應用就可以了。該操作系統(tǒng)具有實時性 好，結構簡單，操作方便等特點。 與 ZigBee 協(xié)議像對應 ， Zstack 協(xié)議棧采用分層的結構，如圖 52 所示。 Zstack 是 TI 公司開發(fā)的一款 ZigBee 協(xié)議棧，是對 ZigBee 標準的具體實現(xiàn)。其中物理層和 MAC 層之間是物理層數(shù)據(jù)服務接入點和物理層管理實體服務接入點， MAC 層與網(wǎng)絡層之間是 MAC 層數(shù)據(jù)實體服務接入點和 MAC 層管理實體服務接入點，網(wǎng)絡層與 APS 之間是網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體服務接入點和網(wǎng)絡層管理實體服務接入點， APS 與各應用對象之間是 APS 數(shù)據(jù)實體服務接入點和 APS 管理實體服務接入點。完整的 ZigBee 體系結構由物理層、 MAC 層、網(wǎng)絡層和應用層組成。 ZigBee 設備對象提供設備管理的各項功能，包括設備發(fā)現(xiàn)、服務發(fā)現(xiàn)、綁定管理和網(wǎng)絡管理等。 MAC 層之上 是網(wǎng)絡層，主要提供網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)收發(fā)和路由功能。 山 東 省 應 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設 計 大 賽 15 第 5 章 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡的設計 ZigBee 協(xié)議棧 ZigBee 協(xié)議體系結構如圖 51 所示。當系統(tǒng)處于防盜模式時，盜賊潛入家中，揚聲器自動開啟鳴笛震懾，同時會有短信或電話發(fā)送至主人手機，主人可通過互聯(lián)網(wǎng)，利用視屏實時監(jiān)控，通過攝像頭實時監(jiān)測并處理家中境況，如圖47 所示。當房間內發(fā)生火情時，煙霧傳感器會檢測到火情并啟動揚聲器同時通過 GPRS 模塊發(fā)送相關指令至主人手機，及時遏制火勢蔓延，如圖 46 所示。當房主下班時，可以通過手機遠程控制電飯煲開關，實現(xiàn)自動煮飯的功能，如圖 45 所示。主人也可以按照自己的需求隨時使用遙控器發(fā)送指令控制窗簾的打開與關閉，如圖 44 所示。早晨，當您還在熟睡，臥室的窗簾自動打開，溫暖的陽光灑進房間，呼喚您開始新一 天的生活。當主人回家時就可以馬上舒舒服服的洗澡，如圖 43 所示。 圖 42 燈光 控制硬件框圖 （ 3）太陽能洗浴 —— 輕輕 一點，溫暖你的身心！ 本子系統(tǒng)由電磁閥門、太陽能模型、水位檢測探頭、驅動模塊、手機和 CC2530 終端節(jié)點等相互配合組成。只有當進入本房間的所有人離開時燈光才會自動關閉。 當房主進入房間時，燈光自動打開，房主離開房間時燈光自動關閉。本子系統(tǒng)由電磁鎖、驅動模塊、防盜門模型、手機和 CC2530 終端節(jié)點等組成 ，如圖 41 所示。當客人到訪而家中無人或遇到火情需要救援人員進入家中時，主人可以通過手機遠程遙控打開房門。在此基礎上，又添加了太陽能洗浴、報警系統(tǒng)、自動門禁、與智能管家系統(tǒng)可以實時發(fā)現(xiàn)家居隱患以及家居的安防。本次設計以微分電子公司的物聯(lián)網(wǎng)體驗箱為平臺，平臺提供一個A8 網(wǎng)關、一個協(xié)調器節(jié)點和 6 個終端節(jié)點，因此系統(tǒng)硬件設計的重點在智能家居控制模塊上。 第 4 章 系統(tǒng)硬件設計 智能家居系統(tǒng)中，控制終端（如手機）和受控終端（家居設備）為日常家居中的現(xiàn)成 產(chǎn)品，它們只需通過適當?shù)慕涌诩{入系統(tǒng)架構中即可。終端獲得信息后控制外設傳感器等器件，這些外設就屬于執(zhí)行機構，他們時刻等待命令，一旦接受立即執(zhí)行相應操作。 網(wǎng)絡層由網(wǎng)關做為家居系統(tǒng)的控制心，是整個系統(tǒng)的大腦，它支配整個系統(tǒng)的活動，不僅負責實現(xiàn)系統(tǒng)的內部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡之間的相互通信，并且還需 要通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡對智能終端設備進行實時的監(jiān)控和管理。設計結合智能家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點， 山 東 省 應 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設 計 大 賽 11 如家庭內部無線網(wǎng)絡連接距離較短，分布的節(jié)點并不是太多，并且數(shù)據(jù)的傳輸量也不是太大。 圖 31 智能家居 系統(tǒng)的結構圖 數(shù)據(jù)感知層的終端是 系統(tǒng)的前線，它起著數(shù)據(jù)供給的作用。 系統(tǒng)總體結構 根 據(jù)總體方案畫出了系統(tǒng)的總體設計圖，如圖 31 所示。無線控制模塊負責發(fā)送控制信號，實現(xiàn)窗簾自動開關閉合、模擬燈光自動打開、模擬自動開啟太陽能電磁閥門、模擬開啟電磁鎖等控制功能。 山 東 省 應 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設 計 大 賽 10 第 3 章 系統(tǒng)方案 系統(tǒng)總體方案 基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居網(wǎng)絡主要是由若干執(zhí)行機構、若干無線傳感器節(jié)點、無線協(xié)調機構，輔助機構，家居控制中心組成。 (3)環(huán)境監(jiān)測及設備聯(lián)動 對于各種季節(jié)的環(huán)境，傳感器自動監(jiān)測周圍溫度，通過自動調節(jié)空調來讓家中一直處于一個舒適、溫馨的環(huán)境。 根據(jù)智能家居系 統(tǒng)的特點，智能家居系統(tǒng)應具有如下幾種功能： (1)遠程控制： 通過 WiFi 網(wǎng)絡，使用電腦、智能手機等終端設備，可在本地直接控制家中的燈光、電器等設備，或通過遠程訪問完成控制并查看家中情況。無線家居網(wǎng)絡將人們生活與工作的廣袤空間濃縮于人類的雙手可以掌控的距離。因此，將無線網(wǎng)絡技術應用于家庭網(wǎng)絡己成為大勢所趨。 (4)遠程控制：移動終端設備能夠接入 Inter 并登錄到智能家居控制系統(tǒng)中，進行信息交互，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制。 (2)跨平臺：智能家居系統(tǒng)的使用環(huán)境是一個家居環(huán)境，整個系統(tǒng)中有著錯綜復雜的平臺，不能強制要求用戶能夠對系統(tǒng)進行復雜的配置和管理，網(wǎng)絡環(huán)境下各種資源 的自組織和協(xié)同工作顯得非常重要。與家居數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的應用目的不一樣，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中音、 視頻等大數(shù)據(jù)傳輸需要高速的數(shù)據(jù)通信接口，而家居控制系統(tǒng)需要的是經(jīng)濟、低功耗的 控制網(wǎng)絡，該控制網(wǎng)絡的主要功能在于設備的連接與控制，基本上無需高速的通信方式來支撐。 需求分析 智能家居網(wǎng)絡通常能夠分為家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和家庭控制網(wǎng)絡兩種：家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，提 供高速率的數(shù)據(jù)傳輸服務，如家用計算機和數(shù)字電視、視頻和音 頻播放器、資源共享及高速上網(wǎng)等；家庭控制網(wǎng)絡，提供便捷的和低速率的控制和互連網(wǎng)絡，用于燈光照明控制、家居安防、家居環(huán)境監(jiān)測以及家庭應急求助等功能。從消費者的角度來看，智能家居的需求就是以實用 山 東 省 應 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設 計 大 賽 9 為核心，力求家具設備的實用化、易用化和人性化，這就決定了家居智能控制系統(tǒng)的發(fā)展方向：無線化、網(wǎng)絡化。 智能家居網(wǎng)絡技術在國內的發(fā)展始于 20 世紀 90 年代末，到 2020 年左右智能家居概念開始得到大范圍的宣傳，使我國的普通居民開始了解并接受了智能家居的概念。它的系統(tǒng)功能主要包括三 表遠程抄送功能、安保報警功能、家電控制功能、高速數(shù)據(jù)傳輸功能、 家庭智能控制面 板等。智能家居系統(tǒng)在法國、加拿大、日本等國都有廣泛應用。 世界上第一幢智能建筑 1984 年在美國出現(xiàn)，美國聯(lián)合科技公司在美國康乃迪克州哈特佛市的一座舊式大樓的改造中將智能建筑 的概念應用于大樓的供電、安保、照明等設備，使用計算機對大廈進行監(jiān)測和控制，并提供了先進的語音、數(shù)據(jù)通信和資訊等方面的信息服務，該棟智能型建筑的誕生，揭開了智能家居發(fā)展的序幕。通常智能家居系統(tǒng)利用先進的計算機和網(wǎng) 絡通訊技術將與家居生活有關的各種各樣的子系統(tǒng)，通過特定的網(wǎng)絡有 機地結合在一起，通過科學管理，讓家居生活更加舒適、有效、安全和節(jié)能。由于電子技術的進步，家居產(chǎn)品已與計算機、網(wǎng)絡通信技術緊密地結合在一起，智能化的家用電子電器產(chǎn)品應運而生，智能家居系統(tǒng)越來越得到人們的重視，使得家居智能化勢在必然。人們對于家居的要求已經(jīng)不僅僅是物理意義上的生存空間，更為關注的是個高度安全性、方便、舒適的生活環(huán)境、先進的通訊設備、完備的信息終端、自動 化和智能化的家用電器、信息資源使用的網(wǎng)絡化的需求等等，現(xiàn)代的家居設計理念 越來越追求便捷化、高效化與智能化，家居設備的高度智能化已經(jīng)成為一種強烈的消費 需求。s life style, help people to arrange time effectively, enhance the security of home life, even for a variety of energy cost savings. Key words: Smart home system 、 WiFi、 ZigBee、 Embedded Linux、 Android platform 山 東 省 應 用 物 聯(lián) 網(wǎng) 設 計 大 賽 目錄 摘要 ................................................................................................................................. ii Abstract ............................................................................................................................ ii 第 1章 快速說明 ............................................................................................................. 1 第 2章 背景及需求分析 ................................................................................................... 8 智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ......................................................................... 8 需求分析 ............................................................................................................ 9 第 3章 系統(tǒng)方案 ........................................................................................................... 10 ................................................................................................... 10 系統(tǒng)總體結構 ................................................................................................... 10 第 4章 系統(tǒng)硬件設計 .................................................................................................... 11 第 5章 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的設計 .............................................................................. 15 ZigBee 協(xié)議棧 ................................................................................................. 15 Zstack.......................................................................................................... 15 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡的設計 ............................................................................ 16 協(xié)調器節(jié)點設計 ...................................................................