【正文】 化 ” 實(shí)現(xiàn)，而后又形成了 “ 住宅自動(dòng)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(shuō)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(chēng)智能住宅，英文名稱(chēng)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(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，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(duì)幾個(gè)智能家居發(fā)展過(guò)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(méi)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(huì)對(duì)來(lái)訪者的面部進(jìn)行掃描，確認(rèn)身份后自動(dòng)打開(kāi)房門(mén)。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(dòng)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(guó)的國(guó)情來(lái)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(guó)，智能家居系統(tǒng)被定義為：利用 4C(自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)通信、IC 卡 )技術(shù)，通過(guò)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、住宅詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 4 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(duì)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(duì)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(duì)不同的功能要求，設(shè)計(jì)不同家電的智能水平 (比如說(shuō)，如果讓電燈也共享 Inter 資源，顯然沒(méi)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(wèn)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(wèn)題 。 主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿(mǎn)足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)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(duì)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(chēng)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(duì)中心節(jié)點(diǎn) (這里是無(wú)線(xiàn)數(shù)字家居服務(wù)器或網(wǎng)關(guān) )的依賴(lài)性很大，中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)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(wú)線(xiàn)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(guò)實(shí)用證明，星形家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡(jiǎn)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)； 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 6 (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(guò)與 IEEE 緊密工作來(lái)確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案； (4) (PHY)和媒體訪問(wèn)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(kāi)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(guó)的 ISM 頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了 附近各種無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的相互干擾。由于這兩個(gè)頻段上無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播損耗較小，因此可以降低對(duì)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(hào) 868MHZ 1 300 BPSK 20 二進(jìn)制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二進(jìn)制 16 2021 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(hào)強(qiáng)度指示的測(cè)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(duì)偶數(shù)序列碼片進(jìn)行同相調(diào)制，而對(duì)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)碼片詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 8 (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(zhǎng)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(lái)為后續(xù)數(shù)據(jù) 的收發(fā)提供碼片或數(shù)據(jù)符號(hào)的同步，幀定界符用來(lái)標(biāo)識(shí)同步域的結(jié)束及報(bào)文數(shù)據(jù)的開(kāi)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(tīng)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(wú)線(xiàn)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(guò) MAC 通用部分子層 SAP(MCPSSAP)訪問(wèn) MAC 數(shù)據(jù)服務(wù)，用 MAC 層管理實(shí)體 SAP(MLMESAP)訪問(wèn)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?，同時(shí)也保證了協(xié)議的簡(jiǎn)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(wèn)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(dòng)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(hào) 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(guò)正確操作鏈路層提供的功能來(lái)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。 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 10 a)配置一個(gè)新設(shè)備 b)開(kāi)始一個(gè)新網(wǎng)絡(luò) c)加入或者離開(kāi) 網(wǎng)絡(luò) 圖 26 NWK 層模型 Model of NWK (6) 應(yīng)用層 應(yīng)用會(huì)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(huì)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(guò)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(duì)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(dòng)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(cè)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(chē)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。均可以考慮采用 ZigBee 技術(shù)作無(wú)線(xiàn)傳輸： ? 設(shè)備成本較低．傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。 ? 沒(méi)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(wèn)題 ZigBee 實(shí)現(xiàn)家庭組網(wǎng)的目標(biāo)是：在消費(fèi) 類(lèi)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(wú)線(xiàn)互連和家庭自動(dòng)化。特別是在手機(jī)或者 PDA 中加入 ZigBee 芯片后就可以被用來(lái)控制電視開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度及開(kāi)啟微波爐等?？梢杂涗浰羞M(jìn)出大門(mén)的個(gè)人的信息。 GPRS 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)基本原理 ： GPRS(通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù) )是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò)。 (2)GPRS 協(xié)議 移 動(dòng)臺(tái) (Ms)和 SGSN 之間的 GPRS 分層協(xié)議模型如圖 27 所示： 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議S N D CL L CM A C物 理 鏈 路R F 接 口M S物 理 鏈 路R F 接 口物 理 鏈 路M A CL L RL A P DL A P DL L CS D N C網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議R S SU mG bU m 圖 27 GPRS 協(xié)議 Agreement of GPRS 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 12 Um 接口是 GSM 的空中接口。 Um接口的物理層為射頻接口部分 ，而物理鏈路層則負(fù)責(zé)提供空中接口的各種邏輯信道。 MAC 的主要作用是定義和分配空中接口控制層。 LLC 層負(fù)責(zé)在高層 SNDC層的 SNDC數(shù)據(jù)單元上形成 LLC地址、幀字段，從而生成完整的 LLC幀。它的主要作用是完成傳送數(shù)據(jù)的分組、打包，確定 TCP/IP 地址和加密方式。 (3)GPRS 的路由管理 GPRS 的路由管理是指 GPRS 網(wǎng)絡(luò)如何進(jìn)行尋址和建立數(shù)據(jù)傳送路由。 第一種情況，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生了一個(gè) PDU(分組數(shù)據(jù)單元 )，這個(gè) PDU 經(jīng)過(guò) SNDC 層處理，稱(chēng)為 SNDC 數(shù)據(jù)單元。 SGSN 把數(shù)據(jù)送到 GGSN， GGSN 把收到的消息進(jìn)行解裝處理，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式 (如 PSPDN 的 PDU)，最終送給公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的用戶(hù)。 第二種情況中，一個(gè)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶(hù)傳送數(shù)據(jù)到移動(dòng)臺(tái)，首先通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立數(shù)據(jù)網(wǎng)和 GGSN 之間的路由。而 GGSN 再把 PDU 送給移動(dòng)臺(tái)所在的SGSN， GSN 把 PDU封裝成 SNDC 數(shù)據(jù)單元，再經(jīng) LLC 層處理為 LLC 幀單元，最終經(jīng)空中接口送給移動(dòng)臺(tái)。 本章小結(jié) 本章介紹了 GPRS 技術(shù)和 ZigBee 技術(shù)在應(yīng)用于智能家居中短距離無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)介紹了 GPRS 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議和路由管理的相關(guān)知識(shí)。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 3 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想 我們應(yīng)用智能家居的基本目標(biāo)是使我們的生活環(huán)境更加舒適、安全、方便和高效。與此同時(shí)，應(yīng)立足于用戶(hù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的具體需求，具有實(shí)用性。網(wǎng)絡(luò)化的目的在于要實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源和信息資源的共享，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)本身具有開(kāi)放性，和共享性。用戶(hù)可根據(jù)其需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新和升級(jí)。這樣可以通過(guò)手機(jī)操控的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)家居監(jiān)控。并且以短消息的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高了效率降低了成本，同時(shí)本系統(tǒng)可以擴(kuò)展應(yīng)用于多種無(wú)人職守地區(qū)的監(jiān)控安防等場(chǎng)所，如圖 31 所示。 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 14 (2)家電遠(yuǎn)程控制 當(dāng)我們需要遠(yuǎn)程控制家用電器的開(kāi)關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過(guò)GPRS 模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識(shí)別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經(jīng)過(guò)處理，通過(guò) ZigBee 模塊的無(wú)線(xiàn)傳輸將命令發(fā)送到與家電相連接的單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電的控制。當(dāng)檢測(cè)到的火災(zāi)存在，將把采集到的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn) ZigBee 模塊發(fā)送到家