【正文】 附錄 B外文文獻(xiàn) ................................................................................................. 46 附錄 C 附錄 D JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 前言 近幾年金融危機(jī)之后的復(fù)蘇時(shí)期，物 聯(lián)網(wǎng)概念迅速風(fēng)行，受到各國政府的重視。可以從兩方面去理解：其一，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。 智能家居的概念早在上世紀(jì) 80 年代初就已經(jīng)提出。智能家居是一個(gè)以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境。家居智能的基本目標(biāo)是：將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安防裝置通過家庭總線技術(shù) (HBS)連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中或者異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)。物聯(lián)網(wǎng)被預(yù)言為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，一時(shí)間很多人預(yù)見到了一場新的技術(shù)革命 [1]。從字面上解釋，物聯(lián)網(wǎng)就是 ―物物相連的互聯(lián)網(wǎng) ‖。 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義到現(xiàn)在還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，有一個(gè)較為普遍認(rèn)同的定義是物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別 (RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等各種信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò) [2]。但是物聯(lián)網(wǎng)的第一次提出源于 1999 年，美國麻省理工學(xué)院成立 AutoID 研究中心，進(jìn)行 RFID技術(shù)的研發(fā)，將 RFID 與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，提出了產(chǎn)品電子代碼（ EPC）解決方案。 2020 年，美國《技術(shù)評論》提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。近幾年金融危機(jī)之后的復(fù)蘇時(shí)期，物聯(lián)網(wǎng)概念迅速風(fēng)行，受到各國政府的重視。智能家居的概念早在上世紀(jì)80 年代初就已經(jīng)提出，以 “ 住宅電子化 ” 實(shí)現(xiàn)，而后又形成了 “ 住宅自動化 ” 的概念，到了 80 年代末，逐步提出了 “ 住宅智能化 ” ，也就是現(xiàn)在所說的智能家居的原型。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中三個(gè)層次所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最終實(shí)現(xiàn)并得以實(shí)施的重要保證。 智能家居概述 智能家居又稱智能住宅，英文名稱為 ―Smart Home‖。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交互功能，幫助家庭與外部保持信息交流 暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性、舒適性，甚至合理控制各種能源的使用。要完整地理解智能家居，有必要先對幾個(gè)智能家居發(fā)展過程中有著重大影響的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。由于智能家居受產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的限制，在短時(shí)間內(nèi)還沒有統(tǒng)一 的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以一般都是一個(gè)廠家單獨(dú)做系統(tǒng)研發(fā)方案的。進(jìn)人房屋時(shí)，安全系統(tǒng)會對來訪者的面部進(jìn)行掃描，確認(rèn)身份后自動打開房門。此外，每個(gè)房間的墻壁顏色、裝修風(fēng)格和溫度 ,都可以根據(jù)家庭成員的喜好和情緒自動更換。我們可以考慮將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能家居的設(shè)計(jì)中，使我們的家居環(huán)境更加智能化、人性化、高效化。從目前中國的國情來看，實(shí)用型與舒適型應(yīng)當(dāng)成為家庭住宅建設(shè)的主流，舒適型面向中等偏上收入者。 目前在我國，智能家居系統(tǒng)被定義為：利用 4C(自動控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通信、IC 卡 )技術(shù)，通過有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將多元信息 服務(wù)與管理、安全防護(hù)與物業(yè)管理、住宅JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 智能化系統(tǒng)集成，提供高技術(shù)的智能化住宅小區(qū)的服務(wù)于管理為手段，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。 智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn) (1)它的對象是結(jié)構(gòu)和特性完全 相異的各種家用電器，相互之間兼容性比較差，電器之間的數(shù)據(jù) 共享 比較困難。 (3)家電運(yùn)行時(shí)所處環(huán)境有很大差異，對系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求較高。 (5)家電完成的功能各有不同，需要達(dá)到的智能水平也有很大的差異，要針對不同的功能要求，設(shè)計(jì)不同家電的智能水平 (比如說，如果讓電燈也共享 Inter 資源，顯然沒有必要，但是家中的攝像監(jiān)控設(shè)備則 需要較高的智能水平 )。因此，組建智能家庭網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要考慮的問題有很多。在最后又介紹了智能家居系統(tǒng)的幾個(gè)特點(diǎn) ，設(shè)計(jì)智能家居時(shí)需要考慮的一些問題 。 主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。 FFD 之間以及 FFD 和 RFD 之間都可以相互通信；但 RFD 只能與 FFD 通信，而不能與其他 RFD 通信。對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端 [6]。在 網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)稱為 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者 (PAN coordinator)的 FFD 設(shè)備。 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者除了直接參與應(yīng)用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。 在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用星型網(wǎng)絡(luò)，這種星型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對中心節(jié)點(diǎn) (這里是無線數(shù)字家居服務(wù)器或網(wǎng)關(guān) )的依賴性很大，中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題可能造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)以及以 上介紹的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文以家庭網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)星型家庭網(wǎng)絡(luò)。通過實(shí)用證明，星形家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡單。 (1)ZigBee 完整、充分地利用了 定義的功能強(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)； JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS (2)ZigBee 增加了邏輯 網(wǎng)絡(luò) 和應(yīng)用軟件； (3)ZigBee 基于 射頻標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí) ZigBee 聯(lián)盟通過與 IEEE 緊密工作來確保一個(gè)集成的完整的市場解決方案； (4) (PHY)和媒體訪問控制 (MAC)層標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。 ZigBee 聯(lián)盟制定了 MAC 層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 868/915MHz物理層。 ISM頻段，有助于 ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。 868MHz是歐洲的 ISM 頻段， 915MHz是美國的 ISM 頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了 附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。由于這兩個(gè)頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機(jī)靈敏度的要求。 工作頻段和頻率如表 21 所示： 表 21 工作頻段和頻率 Frequency and Frequency Range of Labor 物理層 工作頻率 (MHZ) 頻道數(shù) 碼片率 調(diào)制方 式 傳輸率 數(shù)據(jù)符號 868MHZ 1 300 BPSK 20 二進(jìn)制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二進(jìn)制 16 2020 OQPSK 250 16 狀態(tài)組 在 PHY 層的有關(guān)參數(shù)上，有四個(gè) 重要的參數(shù)： a)傳輸能量 (power)：約 lmW的能量。40 pm。 d)接收信號強(qiáng)度指示的測量 (RSSD)。數(shù)據(jù)碼片序列采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控技術(shù) (OQPSK)調(diào)制，對偶數(shù)序列碼片進(jìn)行同相調(diào)制，而對奇數(shù)序列碼片進(jìn)行正交調(diào)制 ，如圖 22 所示 。經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)位又被映射成 15 位偽隨機(jī)噪聲數(shù)據(jù)碼片JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS (Chip)，數(shù)據(jù)碼片序列采用二相的相移鍵控技術(shù) (BPSK)調(diào)制。 字節(jié) 4 1 1 可變 前同步碼（ Preamble） 幀定界符（ SFD） 幀長度 (7bits) 保留（ 1bit） 物理層數(shù)據(jù)（ PSDU） 同步頭（ SHR） 物理層報(bào)頭（ PHR） 物理層凈荷 圖 23 PPDU 格式 of PPDU 前同步碼域用來為后續(xù)數(shù)據(jù) 的收發(fā)提供碼片或數(shù)據(jù)符號的同步，幀定界符用來標(biāo)識同步域的結(jié)束及報(bào)文數(shù)據(jù)的開始。 (4)MAC 層 為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性， ZigBee 的 MAC 采用了時(shí)隙化的載波偵聽和沖突避免的信道接入 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法。 圖 24 MAC 子層組成及接口模型 MAC Form and Interface Model 的 MAC 協(xié)議包括以下功能：設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束；確認(rèn)模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗(yàn)；預(yù)留時(shí)隙管理；廣播信息管理。通過 MAC 通用部分子層 SAP(MCPSSAP)訪問 MAC 數(shù)據(jù)服務(wù)，用 MAC 層管理實(shí)體 SAP(MLMESAP)訪問MAC 管理服務(wù)。靈活的 MAC 幀結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男枰瑫r(shí)也保證了協(xié)議的簡潔。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee設(shè)備間 MAC 子層功能實(shí)體問控制信息的收發(fā)。若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自 動重傳該幀。 MAC 層的幀格式如圖25 所示： 2 1 020 變量 2 幀控制 序列號 地址信息 凈荷 幀校驗(yàn)系列 圖 25 MAC 層的通用幀格式 General Frame Format of MAC (5) 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層： 標(biāo)準(zhǔn)定義了 LLC，并且通用于諸如 、 及 等系列標(biāo)準(zhǔn)中。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些必須任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。 ZigBee 規(guī)范定義的 NWK 層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) (NLDE)和管理服務(wù) (NLME)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，用于將 APL層提供的數(shù)據(jù)打包成應(yīng)用層協(xié) 議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的 NWK 層；或者將接收到的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給 本節(jié)點(diǎn)的 APL 層 。NLMESAP 是 NWK 層給 APL層提供的管理服務(wù)接口，其邏輯模型如圖 26 所示。 JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS a)配置一個(gè)新設(shè)備 b)開始一個(gè)新網(wǎng)絡(luò) c)加入或者離開 網(wǎng)絡(luò) 圖 26 NWK 層模型 Model of NWK (6) 應(yīng)用層 應(yīng)用會聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用支持子層 (APS)的作用是維護(hù)設(shè)備綁定表，它具有根據(jù)服務(wù)及需求匹配兩設(shè)備的能力，且通過邊界的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。 ZDO 的職責(zé)是定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備的角色。廠商定義的應(yīng)用對象根據(jù) ZigBee 定義的應(yīng)用描述執(zhí)行具體的應(yīng)用。 ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景 ZigBee 技術(shù)將主要嵌入在消費(fèi)性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中。 ZigBee 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。均可以考慮采用 ZigBee 技術(shù)作無線傳輸： ? 設(shè)備成本較低．傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。 ? 沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池。 ZigBee應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵問題 ZigBee 實(shí)現(xiàn)家庭組網(wǎng)的目標(biāo)是：在消費(fèi) 類電子設(shè)備中嵌入 ZigBee 芯片聯(lián)網(wǎng)后，實(shí)現(xiàn)家電等設(shè)備的無線互連和家庭自動化。特別是在手機(jī)或者 PDA 中加入 ZigBee 芯片后就可以被用來控制電視開關(guān)、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度及開啟微波爐等?？梢杂涗浰羞M(jìn)出大門的個(gè)人的信息。 GPRS 無線通信系統(tǒng)基本原理 ： GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù) )是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的