【正文】 點 5 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及分析 6 7 ZigBee技術(shù) 7 WiFi技術(shù) 7 8 超寬頻技術(shù)(UWB) 8 (NFC) 9 9 本文研究內(nèi)容及創(chuàng)新點 10 本文主要研究內(nèi)容 10 10 2. ZigBee技術(shù)綜述 11 ZigBee技術(shù)介紹 11 ZigBee技術(shù)特點 11 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 12 13 　物理層（PHY） 14 14 15 (MAC) 15 IEEE MAC層超幀結(jié)構(gòu) 16 CSMA/CA工作機制 16 ZigBee協(xié)議分析 18 網(wǎng)絡(luò)層（NWK） 19 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（NLDE） 19 （NLME） 19 應用層（APP） 20 20 應用層框架 20 ZigBee設(shè)備對象 21 本章小結(jié) 21 3. 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 22 系統(tǒng)功能定義 23 系統(tǒng)設(shè)計要求 24 本章小結(jié) 25 4. 系統(tǒng)硬件設(shè)計 26 ZigBee硬件選型 26 節(jié)點硬件設(shè)計 28 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計 28 31 溫濕度傳感器（SHT11） 32 （CO/MF500） 33 光強度傳感器（BH1750FIV） 34 35 5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計 36 開發(fā)環(huán)境介紹 36 37 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計 39 本章小結(jié) 41 結(jié)束語 41 致謝 42 參考文獻 43 47 1. 緒論 本文研究背景與意義千百年來，人類都在關(guān)注著自身的生活和居住條件，并努力改善和提高之。由于人們又了這種想法，由此智能家居(Smart Home)系統(tǒng)也就越來越多的被人們所重視了。本文研究設(shè)計了一種智能家居環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的實時監(jiān)測，實時為用戶提供可靠并且全面的環(huán)境信息。在這個系統(tǒng)中，人們可以獲得實時的居住環(huán)境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強度、火災信息等。因此，智能家居系統(tǒng)為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環(huán)境，從而使環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)成為了智能家居系統(tǒng)的一個非常重要關(guān)鍵部分與基本環(huán)節(jié)，能否擁有一個好的智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵在于能否設(shè)計出好環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，這對改善人們生活環(huán)境的舒適度具有非常重要的意義。為了實現(xiàn)環(huán)境信息監(jiān)測的精確性、全面性并且方便使用，本文的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應具有以下各種特點：(1)多對象監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要檢測多種環(huán)境信息，如：溫濕度、有害氣體濃度、光照強度等。(2)多點監(jiān)測需要對同一環(huán)境參數(shù)在不同地點和不同時間分別進行測量，這是因為環(huán)境中各種環(huán)境信息不同的時間和空間上分布不具有均勻性，由此實現(xiàn)監(jiān)測的全面性和高精度性，甚至有時需要對同一環(huán)境參數(shù)在多點進行測量。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及分析隨著經(jīng)濟的發(fā)展和我們生活質(zhì)量的提高，智能家居的智能化要求也是愈來愈高，智能家居亦成了近幾年來學者們的一個研究熱點。國際上的家庭智能化系統(tǒng)已經(jīng)形成集中以有線為基礎(chǔ)的標準，包括有：美國的X—lO和CEBus、歐洲的EIB、日本的HBS等。近些年來，在各個大公司和媒體的大力宣傳下，我國的家居環(huán)境監(jiān)測行業(yè)開始起步，已經(jīng)有一些前瞻性很強的公司在從事此類系統(tǒng)的開發(fā)。雖然現(xiàn)在的各種有線技術(shù)亦能夠?qū)Νh(huán)境信息進行監(jiān)測與處理，讓各種監(jiān)測設(shè)備之間進行連接通信。采用有線技術(shù)時，對各個監(jiān)測點分別進行布線將是一份復雜龐大的工作，特別是當系統(tǒng)監(jiān)測對象的數(shù)量較多時更是如此，又容易破壞家庭之前裝修的完整性；(2)安裝與維護成本高。(3)系統(tǒng)可擴展性差。硬件可擴展性是有線技術(shù)方案的主要技術(shù)難點之一。由于有線的束縛和影響，其美觀性較無線系統(tǒng)差，不利于家居的后續(xù)裝修。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約27家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負責開發(fā)ZigBee協(xié)議物理層（PHY）和媒體控制層（MAC）技術(shù)標準的工作組。ZigBee協(xié)議則比藍牙技術(shù)、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或 。但相比之下， ZigBee協(xié)議比藍牙更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。此外，單個ZigBee無線模塊就可與254個節(jié)點互聯(lián)，若網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點，則網(wǎng)絡(luò)最大承載量可支持65535個節(jié)點設(shè)備互聯(lián)。 WiFi技術(shù)WiFi，是由一個名為“無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語，中文翻譯為“無線相容認證”。另外它還有兩種空間的協(xié)議，分別是，但隨著技術(shù)的進步，其速度在目前看來較慢，現(xiàn)逐漸退出市場主流，目前世界上最常用的是制式。這個訪問節(jié)點通過無線信號將信息傳到互聯(lián)網(wǎng)上， 一般覆蓋到200米以內(nèi)[[3]韓江洪，張建軍，張利，魏振春，魏臻．智能家居系統(tǒng)與技術(shù)[M]．合肥工業(yè)大學出版，2005]。愛立信公司制定了初始的藍牙技術(shù)，此技術(shù)一開始是愛立信公司的1994的一個研究在移動電話和其他配件間進行的低功耗、低成本的無線通信連接方法的方案。Bluetooth 。為了擴寬藍牙的應用層面和傳輸速度，、以及其他附加新功能，例如EDR（Enhanced Data Rate，將最大傳輸速度提高到3Mbps）、A2DP（Advanced Audio Distribution Profile）、ACRCP（A/V Remote Control Profile）等。藍牙協(xié)議棧的大小在到左右，協(xié)議較復雜，功耗較大，而且若需用藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線通信，則需專門的藍牙芯片來實現(xiàn)，并且其對內(nèi)存的需求也較大，從這方面看，其增加了額外的成本[[4]馬鴻雁等．我國智能化住宅小區(qū)發(fā)展綜述[J]．北京建筑工程學院學報，2003，19(1)：88 超寬頻技術(shù)(UWB) 超寬頻技術(shù)適用于高速、近距離的無線個人通信，它是一種利用納秒級窄脈沖發(fā)射無線信號的技術(shù)。按照的規(guī)定，從到之間的的頻率都是所使用的頻率范圍。寬帶是指相對帶寬在1％到25％之間，窄帶是指相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)小于1％，但相對帶寬大于２５％而且中心頻率大于500MHz的則被稱為超寬帶。超寬帶的信息傳輸是把調(diào)制信息的過程放在一個非常寬的頻帶上進行的，而且在這一過程中所持續(xù)的時間決定了帶寬所占的帶寬頻率的范圍。(NFC) NFC（Near Field Communication，近距離無線傳輸）是由飛利浦，諾基亞和索尼主推的一種類似于非接觸式射頻識別技術(shù)（）的短距無線通信技術(shù)。NFC一開始僅僅是遙控識別和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的合并，但隨著技術(shù)的進步現(xiàn)在已一種無線連接技術(shù)，它的短距離交互則大大簡化了整個識別和認證的過程，更直接、更安全和更清楚地使兩個設(shè)備間互相訪問，而不用再聽到各種電子噪聲。另外，NFC也可以幫助解決記憶多個密碼的麻煩，其通過在單一設(shè)備上組合所有的身份識別應用和服務(wù)，同時又保證了數(shù)據(jù)的安全性，此外NFC還可以為它類型無線通訊(如WiFi和藍牙)提供中繼服務(wù)，擴大其服務(wù)的范圍，從而提供了更快和更遠距離的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。IrDA（Infrared Data Association）是第一種實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)（PAN）的技術(shù)，它是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)。其具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點，但目前來講歲軟它的軟硬件技術(shù)都很成熟，其使用成本也較低，但在小型移動設(shè)備（如手機）的使用上已經(jīng)消失殆盡。事實上，它的短距傳輸?shù)娜秉c注定它終將被淘汰。所以不存在上述問題，況且IrDA目前也已經(jīng)消失殆盡了。近年來隨著家庭裝修時工業(yè)板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內(nèi)的環(huán)境不容樂觀。此課題旨在設(shè)計出一款能夠快速、實時、準確連續(xù)地測出空氣中溫濕度、一氧化碳、光照強度等的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用基于ZigBee 短距無線通訊技術(shù)，環(huán)境信息采集模塊與顯示終端實現(xiàn)無線通信，省去了傳統(tǒng)布線的麻煩。主要介紹了ZigBee協(xié)議中各個部分的組成和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對各層中的重點內(nèi)容進行了詳細的分析；(2)本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以ZigBee技術(shù)紐帶，詳細設(shè)計出的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的兩種節(jié)點協(xié)調(diào)器節(jié)點（控制中心）和傳感器節(jié)點。本文利用ZigBee技術(shù)，以實現(xiàn)無線系統(tǒng)的組網(wǎng)，可以為家居環(huán)境提供多地點、多對象的監(jiān)測，由于ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)性，在增加或減少監(jiān)測終端時系統(tǒng)靈活性較大。終端通過顯示器及數(shù)據(jù)上傳到智能家居系統(tǒng)可以實時顯示并控制空氣凈化器等為家居環(huán)境，實現(xiàn)健康家居。這一名稱來源于蜜蜂的一種名叫Zig的舞蹈，由于通過持續(xù)不斷地跳這種舞蹈來實現(xiàn)對新發(fā)現(xiàn)的食物或其他信息的傳遞，換句話說蜜蜂是依靠這樣的通信方式來實現(xiàn)了一個通信網(wǎng)絡(luò)，而每個個體則是網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。受蜜蜂的這種特殊的通信方式的啟發(fā)，ZigBee技術(shù)的研究也主要是在低速率、低功耗通信領(lǐng)域進行應用，亦可以低成本地嵌入各種設(shè)備中組成龐大的網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee技術(shù)介紹ZigBee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠的各種通信設(shè)備之間。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導體公司共同宣布加盟ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，以研發(fā)名為“ZigBee”的新一代無線通信標準，而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。ZigBee聯(lián)盟負責開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議。ZigBee使用的是波段，采用了跳頻技術(shù)，這和藍牙技術(shù)相似，可以說是同族兄弟了。ZigBee的基本速率是，而若當其速率降到時，傳輸半徑可擴大到米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動化儀器等低速率應用時可以比藍牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域拓展ZigBee的應用[[7]中國智能家居網(wǎng)．：//．]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)進行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，其主要優(yōu)點有以下幾個方面:(1) 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。由于ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強，好多公司均已在二零零三年正式推出自己的ZigBee芯片，競爭較大，近年來應用于主機端的芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢；另外，因為ZigBee技術(shù)的速率要求低，協(xié)議內(nèi)容簡單，從而節(jié)省了開發(fā)的成本，目前南京市場CC2XX0等芯片的零售價格在20~30元之間不等。它的超低功耗也使得在應用中兩節(jié)普通AAA干電池即可使用6個月至2年的時間，這也是ZigBee的最大的一個優(yōu)勢；(4)網(wǎng)絡(luò)容量大。只有10kb/s～250kb/s，符合本設(shè)計需求；(6)工作頻段靈活?；顒釉O(shè)備信道接入延時和休眠激活延時均僅為15ms，而搜索設(shè)備延時時間達到； ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設(shè)定的技術(shù)標準，按功能分其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)，ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee終端設(shè)備(ZigBee End Device)。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、建立并且管理一個網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲節(jié)點信息并且不斷地接收下級節(jié)點所發(fā)來的信息。（3）Zig,Bee終端設(shè)備(ZigBee End Device)：其一般的簡化的功能設(shè)備。 在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時有三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可供選擇：星型結(jié)構(gòu)(Star)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇樹型結(jié)構(gòu)(ClusterTree)，圖21所示。 IEEE （OSI）發(fā)展出來的，每一層在實現(xiàn)一部分通信功能的同時也向著更高的層級提供著支持等服務(wù)。但是MAC子層以上的幾個層次，包括特定服務(wù)的鏈路控制子層（logical link control , LLC），聚合子層（Service Specific Convergence Sub layer, SSCS）等，即ZigBee標準的上層協(xié)議則不在標準所定義的范圍內(nèi)。LLC子層則可以通過使用SSCS的服務(wù)接口來訪問IEEE [[8]ZigBee Alliance． ：//．ZigBee．org]。物理層管理服務(wù)維護由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的一個數(shù)據(jù)庫，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)則是從無線物理信道上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。信道的能量檢測主要測量目標信道中接收信號的功率強度，從而為網(wǎng)絡(luò)層提供信道選擇依據(jù)，由于這個檢測不進行任何的解碼操作，故檢測的結(jié)果則是有效信號功率與噪聲信號功率的和。最后得到的這個信噪比指標是和物理層數(shù)據(jù)單元一起上交給上層級進行處理。IEEE ，它們分別為：（1）通過判斷無線信號的特征來評估信道空閑判斷。 Control Engineering Journal．2005，1 6(2)：2025]。三個頻段共為用戶提供了27個信道（channel）。在868MHz和915MHz這兩個頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率不同，但信號處理的過程是相同的。差分編碼是將數(shù)據(jù)的前后差分編碼所產(chǎn)生的不同的比特進行異或運算，公式為 ，其中是要編碼的原始比特，而則是差分編碼的結(jié)果， En1則是上一次差分編碼的結(jié)果。差分解碼過程則正好編碼過程相反：，對于每個接收到的數(shù)據(jù)包， E1是第一個需要解碼的比特，計算R1時則設(shè)E0=0。擴頻按一定的規(guī)律進行，擴頻后的序列則使用BPSK調(diào)制的方法調(diào)制到載波上。在把符號轉(zhuǎn)換為片序列時候，用符號在十六個近似正的映射表，這個過程則是一直接序列擴頻的過程。物理幀的收發(fā)器在接收前導碼的期間，會據(jù)前導碼序列的特征完成符號的同步和片的同步，它的第一字段則是四個字節(jié)的前導碼。收發(fā)器在接收完前導碼后只能通過搜索字段的值0xA7才能同步到字節(jié)上，否則只能做到數(shù)據(jù)的位