【正文】 亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家先后提出了各種智能家居的方案。1998年5月新加坡舉辦的“98亞洲家庭電器與電子消費(fèi)品國(guó)際展覽會(huì)”上，通過(guò)在場(chǎng)內(nèi)模擬“未來(lái)之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系統(tǒng)。這種“未來(lái)之家”家庭智能化系統(tǒng)，市場(chǎng)真正啟動(dòng)尚需時(shí)日。如何建立一個(gè)高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)己成為當(dāng)前社會(huì)一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。 目前我國(guó)的家庭智能化系統(tǒng)還處于從無(wú)到有的初級(jí)發(fā)展階段，家庭智能化系統(tǒng)構(gòu)成形式和手段還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各大廠家也適時(shí)推出了自己的智能家居系統(tǒng)，如科龍集團(tuán)研制的“智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng)”，海信的“智能家居控制系統(tǒng)”，清華同方的“eHome數(shù)字家園”等，一時(shí)間國(guó)內(nèi)智能家居領(lǐng)域呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的局面。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN Wireless Sensor Network) 成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)和科研人員對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究投入了極大的熱情。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)最早出現(xiàn)20 世紀(jì)70 年代的美國(guó)，那時(shí)美國(guó)正處在冷戰(zhàn)時(shí)期，為了在海底戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)一步研究反潛戰(zhàn)，每年投資1000 萬(wàn)美元，開(kāi)發(fā)出了一套探測(cè)上百公里以外的引擎聲音的聲音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些早期的傳感器網(wǎng)絡(luò)都是采用單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的通信手段，分級(jí)處理信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且費(fèi)用昂貴。目前美國(guó)所有著名高校基=幾乎都有研究小組在從事WSN相關(guān)技術(shù)的研究，歐洲很多國(guó)家也加入WSN的研究工作。像TI、Microchip、Ember、OKI、NEC 等都推出基于ZigBee 的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，TI 推出了CC2430 的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Freescale 則推出MC13192 的評(píng)測(cè)平臺(tái)。國(guó)內(nèi)在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面的研究起步較晚，首次正式啟動(dòng)出現(xiàn)于1999 年中國(guó)科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，該領(lǐng)域是五大重點(diǎn)項(xiàng)目之一；2001 年中國(guó)科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院WSN 的相關(guān)工作；2002 年，北京大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校的研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)始了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究；國(guó)家自然科學(xué)基金已經(jīng)審批了與WSN 相關(guān)的一個(gè)重點(diǎn)課題和多項(xiàng)課題，2003 年國(guó)家自然科學(xué)基金作為面上項(xiàng)目資助，上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)列為2003 年度第三批重大科研攻關(guān)課題。2006 年將水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。在一份我國(guó)未來(lái)20 年預(yù)見(jiàn)技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中，信息領(lǐng)域157 項(xiàng)技術(shù)課題中有7 項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。我國(guó)2010 年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十五”計(jì)劃中，將WSN 列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。由國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀可見(jiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究有著巨大的科學(xué)意義和應(yīng)用前景，已經(jīng)成為當(dāng)今前沿性的熱點(diǎn)研究方向之一，必將成為對(duì)21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的高新技術(shù)之一。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。而對(duì)于諸如工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低，系統(tǒng)所使用的終端設(shè)備通常為采用電池供電的嵌入式設(shè)備，如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此，這些系統(tǒng)必須要求傳輸設(shè)備具有成本低、功耗小的特點(diǎn)，針對(duì)這些特點(diǎn)和需求，由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦等公司在2002年共同宣布組成Zigbee技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開(kāi)發(fā)Zigbee技術(shù)。隨著時(shí)間的推移，Zigbee技術(shù)將會(huì)變得越來(lái)越完善，它在智能家居的應(yīng)用也會(huì)變得越來(lái)越多，Zigbee無(wú)線智能家居將逐漸成為主流。在家居空間內(nèi)，人們?cè)谌我獾胤娇梢噪S意地控制家居環(huán)境中的設(shè)備，享受智能家居帶來(lái)的愜意和輕松。它組網(wǎng)靈活，成本低廉，消除了開(kāi)槽、穿墻等繁瑣的工作程序，總體費(fèi)用低；移動(dòng)性強(qiáng)、擴(kuò)張性強(qiáng)，可擺脫“線”的限制，在設(shè)定的覆蓋范圍內(nèi)，用戶可輕松接入到家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 　　 （2） 無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng)；它能實(shí)現(xiàn)無(wú)線短距離通信傳輸，感知信息通過(guò)自組織聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。和上一代采用315M射頻技術(shù)的智能家居系統(tǒng)相比，Zigbee可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，免去主控機(jī)和外圍設(shè)備之間的手動(dòng)對(duì)碼的麻煩，大大簡(jiǎn)化了智能家居系統(tǒng)的調(diào)試，是智能家居系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)智能化?！　?（4） 性價(jià)比高；無(wú)線家居移動(dòng)靈活、擴(kuò)張性強(qiáng)，還具有低成本，低功耗的特點(diǎn)，符合“低碳生活”的綠色家居概念。 論文組織結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)要介紹了物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的發(fā)展，以及二者結(jié)合的可能性和發(fā)展前景。 介紹了短距離無(wú)線技術(shù)，并將它們的優(yōu)缺點(diǎn)經(jīng)行對(duì)比，最后選擇zigbee技術(shù)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)當(dāng)中。 第三章介紹了系統(tǒng)選用的硬件系統(tǒng)，介紹了節(jié)點(diǎn)電路，傳感器器電路、節(jié)點(diǎn)的供電電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、擴(kuò)展接口電路等。 第五章介紹了系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果，以及zigbee發(fā)展的前景和展望。WPAN標(biāo)準(zhǔn)的IEEE ，即IEEE 、低速率傳輸、低成本的無(wú)線傳輸和控制系統(tǒng)。是zigbee、wireless和MiWi規(guī)范的基礎(chǔ)，最大傳輸速率為250KBps，與目前其他成熟的無(wú)線技術(shù)比較，zigbee的缺點(diǎn)在于理論傳輸距離不到100米，但是對(duì)于家庭自動(dòng)化范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸來(lái)說(shuō)，綜合考慮低成本、低功耗、合適的距離和速率參數(shù)，zigbee是完全可以勝任的解決方案。表21是目前主流短距離無(wú)線網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的比較：內(nèi)容 頻段 傳輸距離速率協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 網(wǎng)絡(luò)大小電池壽命Bluetooth 10m1Mbps7較短WiFi 1~100m11Mbps 30 短IrDA980nm紅外 定向1m 16Mbps 紅外協(xié)議2長(zhǎng)Zigbee 1~100m 20~250 K 255/65536最長(zhǎng)由上表可知，zigbee的傳輸速率是最低的，最高速率不超過(guò)250Kbps，可見(jiàn)很適合為了家庭自動(dòng)化這類數(shù)據(jù)量較低的場(chǎng)合；電池壽命最長(zhǎng)，是通過(guò)zigbee設(shè)備大部分都處于睡眠狀態(tài)，激活工作周期很短來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大大超過(guò)其他短距離傳輸技術(shù)。 藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無(wú)線接口，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，使各種設(shè)備在沒(méi)有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。，由藍(lán)牙小組（SIG）負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)。但藍(lán)牙技術(shù)遭遇了最大的障礙是過(guò)于昂貴，這就使得許多用戶不愿意花大價(jià)錢來(lái)購(gòu)買這種無(wú)線設(shè)備。、。另外，使用WiFi的門檻較低。 IrDAIrDA(InfraredDataAssociation)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0到1米之間，傳輸速率最快可達(dá)16Mbps，通信介質(zhì)為波長(zhǎng)900納米左右的近紅外線。并且無(wú)需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，成本低廉。IrDA的不足在于它是一種視距傳輸，2個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，中間不能被其他物體阻隔，因而只適用于2臺(tái)(非多臺(tái))設(shè)備之間的連接。ZigBee是一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。(2)低時(shí)延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms．節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。 (3)低功耗、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單：設(shè)備可以在電池的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。 (4)低成本：對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，低成本意味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。(5)網(wǎng)絡(luò)容量高：ZigBee通過(guò)使用IEEEZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，其中包括智能建筑、軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、智能家居及各種監(jiān)察系統(tǒng)等。 ZigBee 技術(shù)抗干擾特性分析在人們享受方便快捷的時(shí)候，這些技術(shù)的電磁兼容問(wèn)題日益凸現(xiàn)。雖然每一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了必要的設(shè)計(jì)來(lái)減小干擾的影響，但是為了能讓各種設(shè)備正常運(yùn)行，對(duì)他們之間的干擾、共存分析顯然是非常重要的。對(duì)于同頻干擾的抵御能力是極為重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙皆O(shè)備的性能。 ?？臻e信道評(píng)估（CCA，Clear Channel Assessment）IEEE 物理層在碰撞避免機(jī)制（CSMACA）中提供CCA的能力，即如果信道被其他設(shè)備占用，允許傳輸退出而不必考慮采用的通信協(xié)議。CSMA/CA即載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/避免沖撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。 小結(jié)由上述分析可知Zigbee技術(shù)的出現(xiàn)仿佛是天生為無(wú)線智能家居準(zhǔn)備的。引以為豪的低功耗，使電池的使用壽命可以達(dá)一年之久。較低成本味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其它活動(dòng)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee網(wǎng)格或樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器。ZigBee終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其它需要與其通信的設(shè)備，它的存儲(chǔ)器容量要求最少，其可以實(shí)驗(yàn)ZigBee低功耗設(shè)計(jì)。其中全功能設(shè)備可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，而半功能設(shè)備只能用于終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了消息的傳播是如何從一個(gè)節(jié)點(diǎn)路由傳輸?shù)狡渌噜徆?jié)點(diǎn)的。三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D22所示22網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋃igBee基礎(chǔ)是IEEE ，它是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Personal Area Network，PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE (ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。分層的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)極大的方便。SAP是某一特定層提供的服務(wù)，是用于下層與上層之間進(jìn)行互訪的接口。ZigBee協(xié)議棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)。物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。物理層主要負(fù)責(zé)下列事件：1）啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器；2）選擇信道頻率；3）通過(guò)物理媒體發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；4）進(jìn)行能量檢測(cè)，評(píng)估所選信道的頻帶內(nèi)信號(hào)的能量，以確認(rèn)信道是否為空能否發(fā)送數(shù)據(jù)；5）生成LQI，來(lái)指示收到的數(shù)據(jù)包的質(zhì)量；6）ZigBee 技術(shù)不同于其他無(wú)線技術(shù)，對(duì)于不同的國(guó)家和地區(qū)，為其提供的工作頻率范圍不同，(ISM)頻段，定義了兩個(gè)工作頻段。表21 zigbee工作頻段信道編號(hào) 中心頻率(MHz) 信道間隔(MHz)頻率上限(MHz)頻率下限(MHz)K=0 K=1,2,3…10 906+2(k1) 2 K=11,12,13…26 2401+5(K11) 5 圖25信道、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。例如，對(duì)于有些計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備與互動(dòng)式玩具，可能需要250kb/s速率，而對(duì)于其他許多應(yīng)用，如各種傳感器、智能標(biāo)記和家用電器等，20kb/s這樣的低速率就能滿足要求。例如：868/915MHz頻段物理層的低速率換取了較好的靈敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)。 MAC 層協(xié)議規(guī)范類似于物理層，MAC 層也提供了管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。圖26 MAC層協(xié)議MAC 層主要負(fù)責(zé)以下幾項(xiàng)功能：1) 生成并發(fā)送信標(biāo)幀（如果該設(shè)備是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）；2) 將設(shè)備與信標(biāo)同步；3) 使用 CSMACA 機(jī)制訪問(wèn)信道；4) 管理時(shí)槽保障信道訪問(wèn)；5) 為兩個(gè)不同設(shè)備中對(duì)等的MAC 實(shí)體提供可靠連接；6) 支持 PAN 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作；7) 提供安全支持，MAC 有自己的安全進(jìn)程，但使用的安全級(jí)別是由上層協(xié)議規(guī)定的。網(wǎng)絡(luò)層有自己的參數(shù)和常量所有的常量都以nwkc 開(kāi)頭，所有的參數(shù)都以nwk 開(kāi)頭并存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)層信息庫(kù)中。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)層中為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配16 位地址，如果一個(gè)新加入的節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)MAC 地址，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也在網(wǎng)絡(luò)層為之分配， 的MAC 地址相同。網(wǎng)絡(luò)層的功能主要有：1）配置一個(gè)新的設(shè)備，可將其配置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，也可嘗試加入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)；2）啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)；3）加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；4）應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層安全；5）發(fā)現(xiàn)和維護(hù)設(shè)備之間的路線；6）發(fā)現(xiàn)單跳鄰居并存儲(chǔ)相關(guān)信息，單跳鄰居是不需要通過(guò)中繼服務(wù)就能直接通信的設(shè)備；7）為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址，ZigBee 的終端節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)此功能。APS 為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接口， 所示，和其他各層類似，APS 也支持?jǐn)?shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)類型。ZDO 為APS 和應(yīng)用框架提供接口，它包含所有ZigBee 協(xié)議棧的應(yīng)用函數(shù)，把ZigBee 設(shè)備配置成協(xié)調(diào)器、路由器或是終端設(shè)備就是它的功能之一。第三章 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，主要由協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器應(yīng)配置較多的存儲(chǔ)空間，完成網(wǎng)絡(luò)初始化、數(shù)據(jù)采集、程序存儲(chǔ)、設(shè)備控制等功能。圖31無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式終端節(jié)點(diǎn)則都是功