【正文】 摘要 Ⅰ 摘 要 這篇文章運(yùn)用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行組建室內(nèi)家電控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，讓不同的家庭設(shè)施(如照明、家電和室內(nèi)環(huán)境等 )通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，體現(xiàn)無(wú)線技術(shù)的方便與安全。 本文首先分析了國(guó)內(nèi)外智能家電系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀，然后針對(duì)智能家電系統(tǒng)存在的布線困難、造價(jià)較高、構(gòu)復(fù)雜等其他問題，提出運(yùn)用基于 Zigbee 無(wú)線通信技術(shù)的智能家電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的采集和傳輸。接下來(lái)，介紹智能家電控制系統(tǒng)軟件部分的實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞 ：智能家電； Zigbee； PIC18LF2420； CC2420； 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract Abstract This article uses the wireless unication technology to carry through the Home electrical appliances work, which makes all kinds of home facility (such as illuination, home electrcal and home environment etc.) interconnect, to reflect the conveience and security of the wireless unication technlogy. First, throgh the analyze the prsent status from domestic to overseas contraposed the problem of hardrouting, highcost, plexstructure existing in the Smart Home electrical appliances, and proposed a design options by adopting Zigbee wireless munication technology, for the wireless data of gather and transmission. This article on the smart appliance work analysis, parison and research, the use of stars to form smart work appliance system39。 the use of TI39。在這樣的環(huán)境下，人們便開始關(guān)注居住環(huán)境，關(guān)注家居環(huán)境的安全、健康、便捷，怎樣有效地在家居環(huán)境內(nèi)建立家庭信息網(wǎng)絡(luò)，把各種家電產(chǎn)品結(jié)合成一個(gè)整體，對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行集中或者異地智能化控制與管理，并且能夠和外界進(jìn)行信息交流，更好的為人們提供家居環(huán)境的各種信息。 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是信息時(shí)代的重要特征，自上世紀(jì)八十年代起，信息化己經(jīng)開始向社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域滲透和發(fā)展。今后的幾年，社會(huì)信息化必將引起家居信息化，因此，家居網(wǎng)絡(luò)化是必然的發(fā)展趨勢(shì)。跟普通家電相比，智能家電系統(tǒng)不光具有家電的傳統(tǒng)功能，更為人們提 供舒適、安全、高品位的家庭生活空間，還把原來(lái)的靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外界保持信息暢通，優(yōu)化人們的家居生活方式，幫助人們更有效合理的安排時(shí)間。它是將普通家電利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的新型家電。因此，智能家電控制系統(tǒng)包括兩方面：一是家電之間互聯(lián)的問題，也就是讓不同家電之間能夠互相識(shí)別，協(xié)同工作 ；二是解決家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，使家庭中的家電設(shè)備進(jìn)行信息的交換 。 早在 70年代初，國(guó)外便開始研究相關(guān)的技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)在有 X CEBus、 Lon Works、ApBus 等。其在美國(guó)的市場(chǎng)占有率是最高的，特點(diǎn)是不需要重新布線、裝 置成本低、可 DIY且技術(shù)支持豐富。其工作電壓是 110伏（美國(guó)電壓是 110伏，中國(guó)電壓是 220伏）。 智能家電控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn) 該控制系統(tǒng)需要低速率、低成本的控制技術(shù)。而從實(shí)用的角度來(lái)看，控制系統(tǒng)需要的是能提供更加便利的低成本組網(wǎng)。 ：要求各個(gè)家電之間互相通信，標(biāo)準(zhǔn)化十分重要。因此，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的電器具備自組織和協(xié)同工作是十分必要的。 ：指設(shè)備通過嵌入式模塊可以直接 接入 Inter實(shí)現(xiàn)信息交換或通過移動(dòng)通信模塊 (GSM、 GPRS等 )直接接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互。各種家庭互連的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的提出推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，無(wú)線互聯(lián)為人們提供更好的移動(dòng)便利，而接口的標(biāo)準(zhǔn)化可以使不同廠家產(chǎn)品互相兼容。 本文是基于智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，提出了一種基于 Zigbee技術(shù)的智能家電解決方案的設(shè)計(jì)。 智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 室內(nèi)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要是解決家庭內(nèi)部各種家電之間的信息傳輸，因此，合理的選擇聯(lián)網(wǎng)技術(shù)非常關(guān)鍵。有線方式包括電力線載波的 X10和 CEBus、以太網(wǎng)的以及專用總線 LonWorks等。 有線技術(shù) 目前，絕大多數(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)中，仍是采用有線技術(shù)進(jìn)行家庭控制網(wǎng)絡(luò)的組建，大至可以分為以下幾種： 交流電力線可以連接整個(gè)房屋的每個(gè)角落，由于很早就作為家庭網(wǎng)絡(luò)的連接媒介，所以，X10 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成 熟。 (Ether) 以太網(wǎng)是需要重新布線的組網(wǎng)技術(shù)。它的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)十分成熟，以太網(wǎng)的組網(wǎng)設(shè)備在市場(chǎng)上能夠很容易買到。 電話線組網(wǎng)類似于以太網(wǎng)，有可以共享的價(jià)質(zhì)，不需要交換機(jī)或集線器。 家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)家居生活的要求不斷的提高，一些著名的 IT 企業(yè)共同合作，推出了名為“無(wú)線家居”的新理念。微電子技術(shù)的發(fā)展促使了各種 SOC的實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都可以通過IC來(lái)完成，大大簡(jiǎn)化了開發(fā)和實(shí)施的難度 [2]。 Home RF標(biāo)準(zhǔn)集成了語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，工作頻段是 ，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 1~2Mbps， Home RF是對(duì)目前所擁有的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的綜合和改進(jìn)。 (Bluetooth) 藍(lán)牙技術(shù)最開始是由愛立信創(chuàng)辦研制。藍(lán)牙用在多個(gè)設(shè)備之間通過無(wú)線連接。但歸根結(jié)底藍(lán)牙技術(shù)的障礙始終是過于昂貴。這些問題就使許多用戶不愿意花更多的錢來(lái)購(gòu)買這種無(wú)線設(shè)備，他們會(huì)覺得性價(jià)比不高。 RFID是 Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻標(biāo)記。 RF 專指具有一定波長(zhǎng)，可用于無(wú)線電通訊的電磁波 [4]，成本過于昂貴。它的名字是來(lái)自蜜蜂使用的賴以生存和發(fā)展的通信交流模式，也就是蜜蜂跳 Zag狀的舞來(lái)告訴其它同類食物源的新位 置、方位及距離等問題。 相對(duì)較低的功耗 Zigbee 采用了各種各樣的節(jié)能模式。 廉價(jià)的成本 因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，并且在的頻段免費(fèi)是 Zigbee的幾大優(yōu)勢(shì)。 較大的網(wǎng)絡(luò)容量 任何一個(gè) Zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納 65536個(gè)設(shè)備，如此這般的容量相當(dāng)可觀。 工作頻段靈活 該技術(shù)可使用的頻段分別有 （ ISM）、 868MHz（歐洲）和 915MHz（美國(guó)）其中 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒 論 5 在工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療方面為全球公用的免費(fèi)頻段。 表 幾種無(wú)線技術(shù)的比較 種類 Zigbee 藍(lán)牙 RFID HomeRF 單點(diǎn)覆蓋距離 50m~300m 10m 1m~10m 50m 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性 自動(dòng)擴(kuò)展 無(wú) 無(wú) 有 最大功耗 1mW~3mW 1mW~100mW 0 50mW 復(fù)雜性 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 復(fù)雜 復(fù)雜 傳輸速率 250Kb/s 1Mb/s 工作頻段 868/915MHz 、 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 65000 8 無(wú) 127 終端設(shè)備費(fèi)用 低 低 低 一般 安全性 128bit AES 64bit, 128bit 密鑰 50s/次 集成度和安全性 高 高 一般 一般 使用成本 低 低 低 一般 安 裝使用難用 非常簡(jiǎn)單 一般 簡(jiǎn)單 一般 本章小結(jié) 本章首先對(duì)智能家電系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要概述，介紹了國(guó)內(nèi)外就發(fā)展?fàn)顩r，接著對(duì)智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行介紹，最后得出結(jié)論，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅充分利用了它本身的靈活簡(jiǎn)便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了人力和物力成本，并且更符合網(wǎng)絡(luò)通訊的特點(diǎn)。 2021年 12月 IEEE成立了 。在標(biāo)準(zhǔn)化方面， MAC的協(xié)議，其它協(xié)議主要參考現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE IEEE Lowrate Wireless Personal Area Network， LRWPAN，把能耗低、傳輸速率低、成本低當(dāng)作 重點(diǎn)攻克目標(biāo)，也就是在為個(gè)人或者家庭不同設(shè)備之間低速互連提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 FFD可以和 RFD或者FFD通信，而簡(jiǎn)單功能設(shè)備 (RFD)只能和 FFD通信。 Zigbee 體系結(jié)構(gòu) Zigbee 協(xié)議使用 規(guī)范作為介質(zhì)訪問層 (MAC)和物理層 (PHY)。每個(gè)頻段攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 7 都提供固定數(shù)量的信道。符合該標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可以嵌入到家庭和樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、PC外圍、醫(yī)療傳感器應(yīng)用以及玩具和游戲當(dāng)中。 它的 特點(diǎn)是距離 近 、復(fù)雜度 低 、自組織、功耗 低 、數(shù)據(jù)速率 低 、成本 低 。簡(jiǎn)言之， ZigBee就是一種 價(jià)格低廉的 ，功耗 低 的近距離無(wú)線組網(wǎng) 通訊技術(shù) 。 ZigBee 在這 個(gè)基礎(chǔ)之上建立了網(wǎng)絡(luò)層 ((NWK)以及應(yīng)用層框架，它采取了 IEEE ((PHY)以及介質(zhì)訪問控制層 (MAC)作為 ZigBee技術(shù)底層，該應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層 (APS)、 ZigBee設(shè)備對(duì)象 (ZDO)以及制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。在 Zigbee技術(shù)中， PHY層和 MAC層采用 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 8 準(zhǔn)，其中， PHY提供了兩種類型的服務(wù) —— 通過物理層管理實(shí)體接口 (PLME)對(duì) PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù) [5]。 3個(gè)頻段共有 27個(gè)信道，編號(hào)從 0~26。 915MHz頻段有 10個(gè)信道， 868MHz頻段有 1個(gè)信道。 [4] (23) 的物理層定義了物理信道和 MAC 子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 圖 (SAP)的模型描述： 圖 物理層參考模型 有兩種服務(wù)是由物理層提供的，通過它們的接入點(diǎn) (SAP)接入：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)接入、物理層管理服務(wù)通過 PLME服務(wù)接入點(diǎn)接入。在多個(gè)字節(jié)的字段中，優(yōu)先發(fā)送或接收最低有效字節(jié)，而在每一個(gè)字節(jié)中優(yōu)先發(fā)送最低有效位。 ii. 物理層的載波調(diào)制 Zigbee 是不同于其他無(wú)線技術(shù)的，在不同的國(guó)家和地區(qū)，它提過的工作頻率范圍是完全不一樣的， Zigbee使用的頻率范圍基本上分為 868/915 MHz和 。 列。 圖 頻率調(diào)制 ZigbeeMAC 層協(xié)議規(guī)范 子層控制使用 CSMACA 機(jī)制接入到無(wú)線信道。 [4] MAC 層使用 PHY 層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)幀傳輸，同時(shí) MAC層處理高層對(duì)物理層 PHY 層射頻信道的所有訪問，其主要任務(wù)如下： (1) 能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo) (如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器 )； (2) 同信標(biāo)保持同步； (3) 支持設(shè)備的安全性； (4) 信道接入采用 CSMACA接入機(jī)制； (5) 處理和維護(hù) GTU 機(jī)制； (6) 在對(duì)等的 MAC實(shí)體之間提供可靠傳輸。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 10 圖 MAC 子層模型 MAC 子層提供兩種服務(wù)，通過兩種服務(wù)接入點(diǎn)接入。 其中數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。 MAC 層的幀格式和幀類型 一個(gè) MAC 幀普遍是由 MAC 層幀頭， MAC 負(fù)載、 MAC 層幀尾三項(xiàng)組成。 數(shù)據(jù)幀使用哪種地址是由幀控制字段的內(nèi)容來(lái)決定的。具體幀結(jié)構(gòu)可以參考文獻(xiàn) [4]的 說明。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實(shí)體 (NLDE)是通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn) (NLDESAP)來(lái)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的。下列基本部分組成網(wǎng)絡(luò)層幀： ① 網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長(zhǎng)有 效載荷。 ② 網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭。 網(wǎng)絡(luò)層幀格式普遍情況下是由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層有效載荷和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層報(bào)頭組成。 控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇 在整個(gè)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，還與系統(tǒng)的安全性、可用性、可靠性、擴(kuò)展性有直接的關(guān)聯(lián)。 設(shè)計(jì)原則 本文利用家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對(duì) 各種家電進(jìn)行互連，因此可以利用共享網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)大幅度降低成本。這是因?yàn)樗鼈鬏數(shù)男畔⑹歉鞣N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)