【正文】 住宅小區(qū)的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段，以期實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適的家居環(huán)境[14]。國(guó)家也在多個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施方案中將它列入國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展方向。據(jù)悉，國(guó)家將投資15億來(lái)大力的鼓勵(lì)該項(xiàng)目的實(shí)施。到2010年，我過(guò)已經(jīng)有70%的家庭都擁有了Internet設(shè)備。國(guó)家建筑部提出了要求：到2010年，各大小城市要60%的住宅都能實(shí)現(xiàn)家庭智能化。但是由于很多開發(fā)商和媒體的大肆宣傳，消費(fèi)者們對(duì)智能化家居存在認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。但是很少有人需要帶有電子郵件功能的冰箱，熱水器等。 產(chǎn)品開發(fā)的功能模塊，基于國(guó)外智能家居標(biāo)準(zhǔn)的日益成熟，我們國(guó)家在軟硬件，開發(fā)機(jī)制等方面也漸漸地向設(shè)備智能家居化發(fā)展。智能家居網(wǎng)關(guān)是智能家居的終端部件作為智能家居內(nèi)外連接通信的“大腦”，它主要是負(fù)責(zé)公網(wǎng)和家庭內(nèi)部之間的交互，能很好的實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)信息的互相交換。同時(shí)智能家居網(wǎng)關(guān)還和其他的四個(gè)部位相互連接，交互信息，能把他們的信息統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行管理。現(xiàn)在有許多廠家為了在市場(chǎng)上搶得先機(jī)，都推出了自己的家庭網(wǎng)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目的就是建立一個(gè)開放式的服務(wù)規(guī)范，向家庭設(shè)備提供所需要的業(yè)務(wù)，從而制定了家庭外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)家庭設(shè)備所需的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)聯(lián)盟主要是來(lái)解決一些家電怎么連接到家庭網(wǎng)絡(luò)中的問(wèn)題。主要的目的是制定一套完整的家庭網(wǎng)絡(luò)體系，并把他們應(yīng)用到家庭醫(yī)療保健等服務(wù)上。具有智能家居目前更優(yōu)越的切削復(fù)雜的配置系統(tǒng)。本課題提出了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS無(wú)線通信的智能家居技術(shù)結(jié)合起來(lái)的技術(shù)，建立了一個(gè)無(wú)線智能家居系統(tǒng)，把現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，不僅避免了一些在現(xiàn)場(chǎng)布線所帶來(lái)的不必要的問(wèn)題，還能及時(shí)，準(zhǔn)確，全面地反映電設(shè)備的用戶使用，這樣也彌補(bǔ)了那些比較傳統(tǒng)接線方式的缺點(diǎn)。所以，有很多類似的有線通信系統(tǒng)都可以用本課題所研究的模式所替代，而且系統(tǒng)還可以應(yīng)用到更廣的范圍內(nèi)。主要講解本課題所研究背景和意義，闡述本課題的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、研究的目的和意義以及本文所要去完成的主要工作。通過(guò)和其他短距離通信方式對(duì)比詳細(xì)的介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)以及ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理，簡(jiǎn)單介紹了ZigBee應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)所在。本章主要制作了智能家居的總體設(shè)計(jì)流程圖，并簡(jiǎn)要介紹了該系統(tǒng)各部分主要功能和作用。主要完成了智能家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)立，設(shè)計(jì)智能家居的無(wú)線傳輸模塊，選擇數(shù)據(jù)在采集端端無(wú)線收發(fā)芯片及其外圍所需電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)、ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)和其相應(yīng)的接口電路的硬件電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)和介紹。建立智能家居ARM的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，完成了數(shù)據(jù)采集端的軟件設(shè)計(jì)(包括ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì))，對(duì)相應(yīng)的程序進(jìn)行調(diào)試。 第2章 嵌入式及ZigBee技術(shù) 嵌入式系統(tǒng)是為一種特定的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，又稱之為“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)存在生活中的各個(gè)地方，如交通管理、工業(yè)控制、家電信息、家庭智能管理系統(tǒng)、電子商務(wù)、環(huán)境工程與自然等。作為物聯(lián)網(wǎng)重要技術(shù)組成的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的視角有助于深刻地、全面地理解物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。誠(chéng)然，物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計(jì)算、模式識(shí)別等各種智能技術(shù)，擴(kuò)充其應(yīng)用領(lǐng)域。 嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)和設(shè)計(jì)方面都得根據(jù)具體的應(yīng)用任務(wù)的，雖然說(shuō)不同的應(yīng)用所對(duì)應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)差距很大，但它的基本要素都是一樣的，由于現(xiàn)在的人們對(duì)產(chǎn)品成本、功耗、可靠性等要求逐漸提高，嵌入式系統(tǒng)慢慢的通過(guò)計(jì)算機(jī)走進(jìn)了人們的視線，被人熟知。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心通常是一個(gè)只有幾K或幾十K的內(nèi)核，所以它一般用在小型的電子設(shè)備中，資源也相對(duì)的比較有限。（2）專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，所以它必須與具體的應(yīng)用結(jié)合在一起才能發(fā)揮它的最大優(yōu)勢(shì)。嵌入式系統(tǒng)一般在軟件方面沒(méi)有什么明顯的區(qū)分，不需要對(duì)它的設(shè)計(jì)太過(guò)于復(fù)雜，從而還減少了成本。嵌入式軟件基本上都是固態(tài)存儲(chǔ)，來(lái)提高速度；同時(shí)也要求有高可靠性和高質(zhì)量的軟件代碼。所以嵌入式系統(tǒng)還是有比較長(zhǎng)的生命周期的。短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的工作范圍一般從幾厘米到幾百米，大多數(shù)都工作在高頻段，無(wú)線發(fā)射功率一般比較小。在1998年的時(shí)候，該藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議則由多家的公司最后達(dá)成共識(shí)。 ，則由藍(lán)牙小組 (SIG)負(fù)責(zé)進(jìn)行開發(fā) 。 WiFi技術(shù)（Wireless Fidelity）：。但在數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑矫?，它比Bluetooth技術(shù)稍微差一些。WiFi技術(shù)最主要的優(yōu)勢(shì)在于它不需要現(xiàn)場(chǎng)布線，可以不受到布線條件所帶來(lái)的缺點(diǎn)。 紅外技術(shù)（IrDA技術(shù)）：IrDA在1993年成立。不過(guò)IrDA技術(shù)對(duì)于方向性的要求很高，它的核心部件（紅外線LED）的使用壽命也是十分有限的。頻譜范圍有點(diǎn)寬但是發(fā)射功率低。超寬帶技術(shù)最初是用來(lái)雷達(dá)開發(fā)的，認(rèn)為它屬于一種無(wú)載波通信技術(shù)。帶寬極寬，UWB使用的寬帶在1GHz以上，它可以和通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。ZigBee技術(shù)：是一種新型的技術(shù)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低能耗，低成本短距離的雙喜雙向通信。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量最多可以達(dá)到65536個(gè)。在低耗電待機(jī)模式狀態(tài)下，2節(jié)5號(hào)的干電池就可以支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作長(zhǎng)達(dá)24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。（2）低成本。它的每一塊芯片價(jià)格在2美元左右。ZigBee一般工作在20~250kbps速率，分別提供250kbps、40kbps和20kbps的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足其低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求。其傳輸范圍一般在10~100m間，在增加了發(fā)射功率之后，也可以增加到1~3km。（5）短時(shí)延。相比較而言，藍(lán)牙則需要3~10s，WiFi則需要3s。ZigBee可以采用3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)控制著若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)，最多的一個(gè)主節(jié)點(diǎn)甚至可以控制多達(dá)254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；與此同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)還可以由上一層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可形成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)。其使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療頻段，915MHZ（美國(guó)），（全球），868MHZ（歐洲）。 。應(yīng)用層還包括了應(yīng)用支持子層，應(yīng)用框架，ZigBee的設(shè)備對(duì)象以及用戶定義的眾多應(yīng)用對(duì)象。 下面是網(wǎng)絡(luò)層主要功能：（1）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包：網(wǎng)絡(luò)層會(huì)接受來(lái)自應(yīng)用子層的數(shù)據(jù)包，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后再加上適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)層包頭向MAC傳輸；（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚晒δ埽壕W(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如果包的目的節(jié)點(diǎn)就是本節(jié)點(diǎn)，則將該數(shù)據(jù)包發(fā)送到應(yīng)用子層。 ZigBee的應(yīng)用層主要包括安全屬性設(shè)置和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)等功能。同時(shí)在本系統(tǒng)中附加了一層應(yīng)用層協(xié)議完成數(shù)據(jù)的通訊和控制的業(yè)務(wù)。 、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM）頻帶上，它在世界各個(gè)地方都可以得到，但是次頻帶在信號(hào)上會(huì)互相干擾，不能共存。PHY層還主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送和接收，向下直接操作物理傳輸介質(zhì)，向上為MAC層提供服務(wù)。MAC幀結(jié)構(gòu)的子層通過(guò)兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)為高層提供兩種服務(wù)：分別是MAC的數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)通用接口子層接入和MAC管理服務(wù)通過(guò)管理實(shí)體接入。它還支持幾種結(jié)構(gòu)，包括星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MAC層還負(fù)責(zé)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供舒暢的通信線路，為了避免他和直接鄰居發(fā)生沖突，這樣可以提高通信的效率。如圖21所示。像這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器的性能要求非常的重要，正是因?yàn)樗械耐ㄐ判畔⒍嫉猛ㄟ^(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，所以系統(tǒng)的延時(shí)是不可避免的，而且當(dāng)單個(gè)的節(jié)點(diǎn)在遭到破壞時(shí)就會(huì)讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常運(yùn)行，甚至?xí)兂砂c瘓的狀態(tài)。在這點(diǎn)上還是比星型簡(jiǎn)便的。根據(jù)智能家居的最新定義，再參考ZigBee一些獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出了該系統(tǒng)。所謂的智能家居系統(tǒng)，是指只有完整地安裝了所有家居必備的系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要的是速度、成本、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)功能。從而延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。但是在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)使用量不是很大，大大的簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而來(lái)保證數(shù)據(jù)能流暢的進(jìn)行通信。所以在智能家居中還是采取了星狀拓?fù)浼軜?gòu)最適宜，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)成本又低，而且比較容易去實(shí)現(xiàn)，還不涉及相關(guān)路由尋址等功能。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由家庭內(nèi)部控制設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備組成。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)組成了遠(yuǎn)程控制設(shè)備。圖31 整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖現(xiàn)在具體分步驟介紹整個(gè)系統(tǒng)：基于以下因素考慮，本文把計(jì)算機(jī)作為智能家居的系統(tǒng)的主要外部網(wǎng)絡(luò):（1）現(xiàn)在基本上家家戶戶都能使用到計(jì)算機(jī)，這給了智能家居系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。（3）用計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)組成外部的網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)網(wǎng)PC機(jī)和智能手機(jī)作為遠(yuǎn)程的終端工 具。網(wǎng)絡(luò)的接口卡將本地的PC機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)相互連接，從而連接到了遠(yuǎn)程的終端。因此，為了避免此類事件發(fā)生，本設(shè)計(jì)中的網(wǎng)關(guān)采用的是本地PC機(jī)與控制的中心共同構(gòu)成的。以前的智能家居的系統(tǒng)一直存在著布線這一問(wèn)題，所以本設(shè)計(jì)采用的是ZigBee無(wú)線技術(shù)，它組建了家庭網(wǎng)絡(luò)，從而解決了傳統(tǒng)布線的問(wèn)題?，F(xiàn)在逐個(gè)分析他們的主要功能和作用?，F(xiàn)在假設(shè)家庭內(nèi)有五個(gè)房間，分別是臥室1，臥室2，客房，廚房和衛(wèi)生間，并且在每個(gè)房間內(nèi)都裝有ZigBee終端節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬家庭里的設(shè)備：終端節(jié)點(diǎn)可以先通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)過(guò)度，然后再通過(guò)控制中心通信，也可以直接和控制中心進(jìn)行通信。ZigBee家庭的網(wǎng)絡(luò)連接子系統(tǒng)如圖32所示: 圖32 ZigBee的家庭網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)示意圖一些用戶可以在遠(yuǎn)程的PC機(jī)上監(jiān)控家庭網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)里面的各個(gè)設(shè)備，但是除了上面所說(shuō)的條件外還不夠，還要借助于對(duì)應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即為監(jiān)控子系統(tǒng)。不僅本地的監(jiān)控程序通過(guò)本地PC機(jī)的串口模塊進(jìn)行接收和處理來(lái)自控制中心所發(fā)送數(shù)據(jù)，然后利用了計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給了遠(yuǎn)程的監(jiān)控程序。  第4章 智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要的目的是介紹一下系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)原理，系統(tǒng)主要用到ARM的微處理器（S3C2410），下面給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理圖與一些電路圖。首先需要在此操作系統(tǒng)中建立一個(gè)嵌入式的Web服務(wù)器，一種用戶能用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)行遠(yuǎn)程的訪問(wèn)服務(wù)器。家庭的局域網(wǎng)內(nèi)部設(shè)計(jì)采用的是ZigBee技術(shù)，所以硬件的部分工作自然而然地設(shè)計(jì)的是無(wú)線收發(fā)信息，而且采用的則是先進(jìn)的CC2430為芯片的無(wú)線的單片機(jī)。圖41 系統(tǒng)硬件原理圖ARM系列的微處理器在速度、集成性能、功耗等方面都要有優(yōu)勢(shì)。在綜合了成本、功耗、性能等多方面的優(yōu)勢(shì)，我們最終選擇了韓國(guó)三星（Samsung）公司推出的32位微處理器S3C2410。該處理器帶有獨(dú)立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，MMU，還支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IICBUS 接口，IISBUS 接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。外部電壓I/，16KB的數(shù)據(jù)cache，16KB的指令cache，MMU（存儲(chǔ)管理單元）。支持TFT的LCD控制器。 3種通用異步的串行端口，2個(gè)通道的SPI 一個(gè)多主I2C總線，一個(gè)I2S總線的控制器。 2種USB的接口。 56個(gè)中斷源。8通道10位ADC。 內(nèi)置PLL的芯片。 16/32位RISC的體系結(jié)構(gòu)，而使用了ARM920T的CPU內(nèi)核的強(qiáng)大的指令集。（2）系統(tǒng)管理。從 BANK0到BANK6則是系統(tǒng)固定的起始地址。加在一起共8種存儲(chǔ)器的BANK。 兩種存儲(chǔ)器的BANK可用在SDRAM、SRAM與ROM（同步的隨機(jī)的存儲(chǔ)器）。當(dāng)SDRAM出現(xiàn)掉電時(shí)支持自動(dòng)刷新。，I/ 。用電池供電保證系統(tǒng)的掉電后保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘。；。目前為止已經(jīng)慢慢取代了它的半導(dǎo)體的存儲(chǔ)元件，成為了嵌入式的系統(tǒng)之中主要的程序與數(shù)據(jù)的載體。NOR的特點(diǎn)就是可以在芯片的內(nèi)部執(zhí)行程序，而不需要把它的一些代碼讀到了系統(tǒng)的RAM之中。NAND的結(jié)構(gòu)