【正文】 協(xié)議規(guī)定的請求與參數(shù)調(diào)用相應的操作子程序控制傳感器和執(zhí)行器完成代碼要求的操作。本系統(tǒng)中家居設備節(jié)點采用 ZigBee 精簡型設備，家居主節(jié)點采用全能型設備，因此家居設備節(jié)點的網(wǎng)絡通信功能部分相對于家居主節(jié)點來說比較簡單，在網(wǎng)絡中為了保證家居設備節(jié)點響應網(wǎng)絡請求，必須要建立應用程序和網(wǎng)絡通信功能之間的接口，在網(wǎng)絡通信功能與設備功能之間建立連接。家居設備節(jié)點在 ZigBee 網(wǎng)絡中作為終端設備，由嵌入到家電設備中的 ZigBee通信模塊、傳感器、執(zhí)行器等單元共同構成。家居主節(jié)點在網(wǎng)絡的建立與管理中作為協(xié)調(diào)器存在，由于家居設備節(jié)點在網(wǎng)絡中不需要與鄰近的華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）20節(jié)點之間進行協(xié)調(diào)，因此家居主節(jié)點不支持路由功能。在系統(tǒng)中一個子網(wǎng)的設備個數(shù)不多于 254 個。系統(tǒng)的終端傳感或受控單元，主要進行環(huán)境中溫度、濕度等各種數(shù)據(jù)的采集、非法闖入、火災或有毒氣體等意外災難情況的探測以及對各種家電設備的控制。設備節(jié)點單元主要包含射頻收發(fā)模塊和傳感器或受控終端以及兩者之間的接口控制模塊。智能設備節(jié)點使用 TI 公司的 CC2430 綜合解決方案作為主要硬件平臺，CC2430 模塊中除了 ZigBee 收發(fā)模塊之外，還包含了一個具有較高處理能力的 MCU 內(nèi)核，單片機根據(jù)預先寫入的程序，采集傳感器信息、轉發(fā)命令和狀態(tài)信息，通過繼電器控制家居設備的工作。終端設備僅實現(xiàn)特定的簡單功能，無需參與到網(wǎng)絡的配置與管理之中，例如作為溫度傳感器或者電源控制器，此類設備可由 RFD 或 FFD 擔任。路由器用來擴展家庭子網(wǎng)的網(wǎng)絡結構，根據(jù)路由協(xié)議轉發(fā)數(shù)據(jù)并協(xié)助家居設備節(jié)點之間進行通信。綜合以上內(nèi)容可以知道，ZigBee 網(wǎng)絡中路由器是網(wǎng)絡中重要的通信設備，其他設備需要通過路由器來介入網(wǎng)絡，路由器在網(wǎng)絡中還需要完成數(shù)據(jù)收發(fā)、路由選擇等功能，同時由于規(guī)定了 ZigBee 網(wǎng)絡中兩個獨立的終端設備之間不能相互通信，和移動終端之間進行數(shù)據(jù)傳輸時需要路由器來協(xié)助完成。網(wǎng)絡創(chuàng)建并且配置完成之后，協(xié)調(diào)器的工作方式與路由器相同。其中全功能設備指的是在 ZigBee 網(wǎng)絡中具有完整功能的設備，全功能設備及可以當做普通網(wǎng)絡節(jié)點，也可以作為協(xié)調(diào)器或者路由器，一個全功能設備可以和多個全能型設備和多個精簡型設備通信；RFD 是指簡化型設備，簡化型設備一次只能和網(wǎng)絡中的一個全能型設備進行通信，在網(wǎng)絡中充當終端節(jié)點。ZDO 在網(wǎng)絡中負責發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備、定義網(wǎng)絡中設備的角色是 ZigBee 路由器還是終端設備并且判定這些設備提供何種服務，確保網(wǎng)絡設備之間安全準確的傳輸途徑，另外還負責初始華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）18化和響應綁定請求。 ZigBee 應用層ZigBee 應用層由制造商定義的應用對象、APS 子層和 ZDO 三個部分組成。在這些路由結構中樹形路由結構較為簡單，同時有效性較強，適用于本文構架的小規(guī)模且移動性不高的網(wǎng)絡可以考慮采用這種路由方式。協(xié)調(diào)器規(guī)定了在這個過程中最大的路由器數(shù)目。所有子設備拆除連接之后，父設備重新分配網(wǎng)絡地址，在父設備分配完所有的網(wǎng)絡地址之后，將不允許其他的設備加入該網(wǎng)絡。第一種是子設備向父設備請求離開該網(wǎng)絡；第二種是父設備向子設備發(fā)送請求，并將其從網(wǎng)絡中斷開。在 ZigBee 網(wǎng)絡中，設備離開網(wǎng)絡有如下兩種方式。網(wǎng)絡中的設備選擇到合適的父設備之后，在物理子層向該父設備發(fā)起連接請求，連接請求通過 原語發(fā)送，父設備收到設備請求之后將更新鄰居表，將發(fā)出請求的設備加入其中，并分配相應的網(wǎng)絡地址。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）16只有尚未加入網(wǎng)絡的 ZigBee 協(xié)調(diào)器才可以建立網(wǎng)絡，一個 ZigBee 網(wǎng)絡的建立通常需要某個設備節(jié)點發(fā)起。在 LQI 值相同的情況下，設備優(yōu)先選擇網(wǎng)絡深度大的作為其父設備。其中 LQI 的值越高說明鏈路質量越高，數(shù)據(jù)傳輸就越可靠；而網(wǎng)絡深度指標，表明了該設備到達協(xié)調(diào)器的路由最小跳數(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層在接受到該原語后，調(diào)用物理子層的 SCAN 功能，分析信標幀中 work descriptor 標記來決定其父節(jié)點并選擇可能的父設備。在傳輸過程中，需要進行路由功能的配置，對路由算法進行選擇，維護并建立鄰居表。管理實體提供了網(wǎng)絡層控制、網(wǎng)絡層信息庫(NIB)維護，其中主要提供以下服務：首先，配置網(wǎng)絡中的新設備，根據(jù)要求配置協(xié)議棧，并通過一系列操作，能夠為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器提供管理功能，因此應用層的接口是網(wǎng)絡層的核心技術，主要包括：建立新網(wǎng)絡，定義新網(wǎng)絡的建立過程；加入和離開網(wǎng)絡，主要是路由華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）15和節(jié)點網(wǎng)絡的建立，以及網(wǎng)絡的離開與撤銷；地址分配，定義了協(xié)調(diào)器Coordinator 和路由 Router 如何為加入網(wǎng)絡的設備分配地址；鄰居發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)無需路由在單跳范圍內(nèi)即可到達的設備，并將鄰居節(jié)點的信息記錄在鄰居表中，并對其進行維護；路由發(fā)現(xiàn)，在目的設備不在單跳范圍內(nèi)的情況下，申請路由轉發(fā)與查找功能，將查找到的設備路徑記錄在路由表中，以便網(wǎng)絡的建立與后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸；接收控制；控制接收器開關和進入休眠狀態(tài)的時間，以達到降低功耗的目的，使能物理層同步以及數(shù)據(jù)接收功能。在接受到高層的數(shù)據(jù)請求原語之后，網(wǎng)絡層先組織一個網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)，然后根據(jù)相關的路由算法確定下一條的設備目標地址。在家居控制網(wǎng)絡中終端設備主要負責數(shù)據(jù)采集。②路由器：路由器是設備之間用來做數(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，在網(wǎng)絡中作為遠程設備之間的中繼器來進行大范圍的通信，另外通過特定的算法在兩個設備之間搜索最佳的傳輸路徑，為設備建立端到端的數(shù)據(jù)連接。ZigBee 標準確定了 ZigBee 網(wǎng)絡中的三種設備：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備。其中， 負責物理層和鏈路層標準，網(wǎng)絡層以上協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟制定。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器除直接參與應用外，還需要完成鏈路狀態(tài)信息管理成員、身份管理以及分組轉發(fā)等任務。FFD 比 RFD 在硬件功能上比較完備，如 RFD 采用電池供電，通常 FFD 為保證充足的能耗而采用主電源。 協(xié)議網(wǎng)絡組成及拓撲結構在 中定義了兩種設備：簡化功能設備(RFD， Device)和全功能設備(FFD ， Device)。美國的 ISM 頻段為915MHz，868MHz 是歐洲的 ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了 附近各種無線通信設備之間的干擾。ZigBee 可以使用全球統(tǒng)一的無需申請的 頻段，這樣有效降低了 ZigBee 設備的生產(chǎn)成本，促進了 ZigBee 技術的發(fā)展。 定義了 物理層和 868／915MHz 物理層兩個物理層標準。 LLC 子層主要用于保障傳輸可靠性和控制數(shù)據(jù)包的分段與重組。 協(xié)議架構及其技術特點 滿足國際標準組織(ISO)制定的開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式，該模型定義了 MAC 層和物理層，如圖 31 所示。為滿足這些需求， 工作組為 LRWPAN 專門制定了物理層和 MAC 子層的標準，它具備以下主要特征：星型和點到點(P2P)兩種拓撲結構；20kbps、40kbps、100kbps 、250kbps 四種不同的傳輸數(shù)率；16 位和 64 位兩種地址方式，其中 64 位地址是全球唯一的擴展地址，16 位地址是由協(xié)調(diào)器分配的；時槽保障(GTS，Guaranteed Time Slots)機制；信道訪問機制采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問模式(，Carrier sense multiple access with collision avoidance)；低功耗機制；為保證可靠傳輸而支持ACK 機制；信道基于 ZigBee 技術的智能家居系統(tǒng)設計能量檢測機制(ED，Energy Detection)；鏈路質量指示機$1J(LQI，Link quality indication) ；選擇在 ISM 頻段工作。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）12第 3 章 ZigBee 無線通信技術ZigBee 具有設備功耗低、復雜度低、實現(xiàn)成本小等特點，并能滿足在低成本設備之間實現(xiàn)低數(shù)據(jù)率的傳輸。(5)信號覆蓋率：家庭住宅的范圍在 10～100 米之間，且房間之間有墻壁阻隔，各設備網(wǎng)絡節(jié)點之間必須能夠穿透墻壁在一定距離之間進行可靠通信。ZigBee 采用加密機制進行數(shù)據(jù)傳輸，并可以靈活確定其加密屬性。ZigBee 網(wǎng)絡中每個 FFD 設備可連接多達 255 個節(jié)點，而幾個 FFD 之間則可形成一個更大的無線網(wǎng)絡，ZigBee 網(wǎng)絡對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。隨著半導體集成技術的發(fā)展，ZigBee 芯片的體積將會變得越來越小，價格也會降得更低。(2)成本：在一個家庭中可能有幾十甚至上百個家居設備節(jié)點，對于眾多的節(jié)點來說，成本是相當可觀的。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）11ZigBee 的 MAC 層采用 碰撞避免機制，這種方式大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本文研究的無線智能家居控制網(wǎng)絡系統(tǒng)在家庭組網(wǎng)中采 ZigBee 技術，它是一種近距離、低成本、低能耗、低數(shù)據(jù)速率的無線網(wǎng)絡技術，它符合 標準，是 IEEE 工作組專門為短距離通訊制定的標準。無線家居網(wǎng)絡將人們生活與工作的廣擴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。傳統(tǒng)的家居智能控制系統(tǒng)一般采用有線方式來組建，如同軸電纜、USB、CAN 總線等。(3)可擴展性：能夠在系統(tǒng)主架構不做改動的情況下進行維護和擴展，加入新的家居設備。在家居網(wǎng)絡中，我們要考慮以下特點：(1)低成本：大量的家電和傳感器終端節(jié)點是家庭控制網(wǎng)絡中控制的主要對象，這種較大規(guī)模的網(wǎng)絡需要一個低成本的節(jié)點組網(wǎng)技術。智能家庭控制網(wǎng)絡是智能住宅系統(tǒng)的重要組成部分，家庭控制網(wǎng)絡子網(wǎng)和遠程管理是該系統(tǒng)的重點和難點。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）10 近程傳輸網(wǎng)絡的分析與選擇智能家居網(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。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)是在數(shù)字技術上的分支——擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種新的無線通信技術。GPRS 能給用戶提供端到端的、廣域的無線 IP 連接。 遠程通信模塊的分析與選擇通信模塊需要完成遠程的無線通訊的功能，目前主流的無線傳輸技術主要有 GPRS 與 CDMA。S3C2440 處理器工作頻率為 400MHZ，適用于開發(fā)各種高端手持設備、小型終端、車載及網(wǎng)絡運用產(chǎn)品。ZigbeeGPRS圖 22 智能家居系統(tǒng)總體結構框圖遠程 PC遠程手機路由器GPRS中央控制器Zigbee協(xié)調(diào)器空調(diào)子系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)安防子系統(tǒng)熱水器子系統(tǒng)門禁系統(tǒng)ZigbeeZigbeeZigbee華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）9 中央控制器芯片的分析與選擇核心處理芯片需要完成處理和支持整個系統(tǒng)的功能需求，主要完成AD、DA 數(shù)據(jù)轉換算法，提供實時的 GPRS 與 ZigBee 通信，完成短信息接收，模擬量輸出功能。 系統(tǒng)設計方案的比較與選擇整個家居系統(tǒng)可分為若干個子系統(tǒng)如中央控制室、安防子系統(tǒng)、空調(diào)子系統(tǒng)、熱水器子系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)等，系統(tǒng)設計框圖如圖 22所示。家庭網(wǎng)關是智能家居控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡各種設備之間的信息交換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時網(wǎng)關一般還負責家庭家居設備的管理和控制。子網(wǎng)中精簡功能設備充當家居設備節(jié)點，主要完成傳感采集、查詢響應等功能，家居設備節(jié)點相互之間不能進行通信，只能與家居主節(jié)點進行通信。在本系統(tǒng)中家居設備節(jié)點的硬件核心為基于 S3C2440 的 ZigBee 無線收發(fā)模塊。節(jié)點終端的傳感和執(zhí)行模塊，主要進行非法闖入或者有毒氣體等意外災難情況的探測、三表數(shù)據(jù)的采華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）8集、對各種網(wǎng)絡家電的控制。圖 21 智能家居網(wǎng)絡拓撲圖家居設備節(jié)點包括以下三部分部件：射頻收發(fā)模塊、運算和控制單元、傳感和執(zhí)行模塊。從功能層次來分，智能家居系統(tǒng)一般由家居設備節(jié)點、家居主節(jié)點、家庭網(wǎng)關、手機移動終端幾部分來組成。各個節(jié)點模塊將各自采集的信息經(jīng)過處理之后通過家庭控制子網(wǎng)傳輸?shù)郊彝タ刂浦行模彝タ刂浦行膶⑿畔⑸蟼鞯郊彝ゾW(wǎng)關，家庭網(wǎng)關響應用戶遠程提交的查詢指令，通過Intemet 將結果反饋到用戶手中的移動終端。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）7第 2 章 基于 Zigbee 網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)總體設計為了將家庭中的家居設備連接到網(wǎng)絡之中，使傳統(tǒng)家居設備具有網(wǎng)絡化、自動化、智能化的特征。 論文的主要內(nèi)容本文將圍繞以下內(nèi)容展開研究：單片機和嵌入式系統(tǒng)的硬件結構、工作原理和應用、相關開發(fā)軟件，傳感器技術及其應用，無線網(wǎng)絡傳輸技術和射頻芯片應用，圖像處理技術。智能家居能夠為人們提供更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式，在不久的將來，沒有智能家居系統(tǒng)的住宅肯定不合潮流。可兼顧、激活目前家庭里已經(jīng)大量存在的非智能家電；方便需要通過電視實現(xiàn)上網(wǎng)的幾千萬人，特別適于智能家居的 DIY；對家庭電器具有多種功能開發(fā)、信息處理增值、人機保護等功能。以軟組合方式與家用電器（音像電器、攝像裝置、上網(wǎng)裝置、衛(wèi)星接收裝置、保安裝置、照明裝置以及功能擴展接口等）結成一體，具有可供選擇的機頂盒、電腦接口，它與機頂盒結成一體，就兼有第一類平臺的功能；它與電