基于Zigbee组网的智能家居系统设计与实验.docx

基于Zigbee组网的智能家居系统设计与实验.docx

《基于Zigbee组网的智能家居系统设计与实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Zigbee组网的智能家居系统设计与实验.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于Zigbee组网的智能家居系统设计与实验

摘要

Abstract

安徽大学

学位论文原创性声明

学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1课题研究背景及科学意义

随着计算机技术、信息技术、控制技术的发展以及人们物质生活水平的提高，社会信息化速度的加快促使人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密，信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。

人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个高度安全性、方便、舒适的居家环境，先进的通讯设施，完备的信息终端设备、家用设备的自动化和智能化、资源使用及支付方式的网络化、家庭工作模式（SOHO）的需求等等，导致家庭智能化势在必然。

所谓的家居智能化就是通过家居智能管理系统的设施来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。

智能家居网络可以分为家庭数据网络和家庭控制网络两种。

家庭数据网络提供高速率的数据传输服务，如电脑和电视、VCD、音响连接及Internet连接等。

而家庭控制网络提供简单低速的控制和互连，也具备网络和通信能力，用于灯光照明控制、家居环境监测、家居安防、家庭应急功能等。

控制网络中一般有大量的节点设备，这些受控设备的节点控制模块使用电池供电，成本和功耗是组建家庭控制网络中最为重要的两个要素，因此家庭控制网络要突出低功耗、低成本、低复杂度、长电池寿命的特点。

传统的家居智能控制系统一般以有线方式来组建，如LonWorks、CEBus、X-10、CANBus等。

由于有线网络固有的缺点，布线麻烦，可扩展性差等，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。

这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。

无线传感将人们工作与生活的广阔空间浓缩于双手可以掌控得距离。

Bluetooth、zigbee、UWB、WLAN等一系列无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家庭网络智能化的进程。

这些使得无线智能家居系统成为可能。

本文研究设计的无线智能家居控制网络系统采用ZigBee技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，符合基于ZigBee技术的家居智能控制系统设计IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准[9]

本课题通过设计基于Zigbee组网的家居智能控制系统从而实现家庭的智能管理控制，将对我国数字化社区建设起到一定的推动作用。

1.2国内外家居智能控制系统的研究现状及发展趋势

自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，智能建筑的系统集成经历了从子系统功能集成到控制系统与控制网络的集成，再到当前的信息系统与网络集成的发展阶段。

从媒体内容一级上进行综合与集成，可将他们无缝地统一在应用的框架平台下，按应用需求来进行连接，配置和整合，以达到系统的总体目标。

一些经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。

智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。

1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。

它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。

这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。

科技的发展使人们坚定不移地追求更高品质的生活，智能家居作为高品质信息生活的代表得到越来越多的瞩目。

国内对于智能家居系统的研究起步相对较晚，但也形成了很多不同的标准，以下是目前国内有代表性的几种智能家居系统。

（1）科龙集团研制的“智能网络家居系统”：

由科龙集团研制的“智能网络家居系统”，它由家庭网关、抄表控制器、安防控制器、家电控制器、灯控制器及家庭总线组成。

通过远程互联网，可异地控制家庭设备;可以通过电视机遥控器就地关灯；空调、冰箱在不同的季节，其控制方法也会随时而变等自适应的特点。

（2）海信的“智能家居控制系统”：

它除了实现一般电脑所能实现的各种功能以外，还能够独立担当家庭的“信息家电控制中心”的角色。

用户可以通过几乎是一步到位的简单编排控制把诸如电视机、空调、VCD、功放等多种家用电器的控制功能分门别类地储存起来，以便在需要的时候随时调用。

（3）清华同方的e-Home数字家园：

它是清华同方基于家庭自动化和建筑自动化技术，配合相关的网络、计算机、软件技术，为中国家庭及社区提供全方高校教师硕士学位论文位的数字化服务产品。

e-Home数字家园包括三个层次，家庭自动化、小区智能化、社区信息化，目的是使人们的生活工作网络化。

（4）“卓越3000”的家用电器智能控制：

方正“卓越3000”能将包括电视机、录像机、VCD、摄像机、家用空调等在内的全部家用电器通过控制电路联结在一起，进行集中智能管理，大大提高了家用电器的工作效率和使用效益，成为了用户家庭中的“家电主管”。

从消费者的角度来看，家居智能的需求就是以实用为核心，力求实用、易用、人性化，因此家居智能控制系统的有发展方向为：

无线化、网络化、不依靠PC的独立存在。

对普通用户来说，最为使用方便的就是握着一个无线遥控器在手中指挥，这正是无线移动技术在家居智能领域大受青睐的原因。

而正如计算机摆脱大型机进入PC才开始大发展，脱离了PC独立状态的智能家居才能有更大发展空间：

不会由于电脑的突然瘫痪而一筹莫展，一切都更加灵活，更加随意。

领先的无线移动和不依靠PC的独立形态，将使家变成真正的自由数码空间。

未来的家庭将充满用各种无线技术连接起来的数字设备，从而使得家庭内有必要的每一个家用电器和设备都能上网，使用无线技术以形成自己独立的网络，再通过远程的已经连接到Internet上的计算机来控制和监测家庭中的各种设备，真正实现家电信息化、网络化。

1.3研究内容

家居控制系统中的无线通信技术，常用的短距离无线通信技术和Zigbee技术，根据家居智能控制系统的功能要求，给出了基于ZigBee组网的无线家庭控制系统的硬件实现方案和软件实现方案。

在硬件设计中给出具体的设计电路图和PCB制图，软件给出了具体设计流程和设计程序。

1.4论文结构

（1）绪论，介绍了课题研究背景及科学意义，国内外家居智能控制系统的研究现状及发展趋势和主要的研究内容

（2）介绍了家居智能控制系统的技术基础,家庭网络组网技术,ZigBee技术

（3）介绍了基于zigbee技术家居智能控制系统的总体设计及透传模块的说明

（4）介绍了基于zigbee技术家居智能控制系统的软硬件设计

（5）结束语总结了本论文所做的工作以及不足之处和有待改进的方面

（6）附录附上了一些芯片的引脚和设计的电路图以及程序

第二章家居智能控制系统的技术基础

2.1家庭网络组网技术的研究

家庭内部网络的组网方式多种多样，各种组网方式的特点各不相同，大胆大体上可以分为两大类，即有线方式和无线方式。

2.1.1有线方式

有线方式是相对来说更为成熟的方式，按传输介质的不同可以分为很多种，目前主要的传输介质有电话线、双绞线、电缆、电力线等等，按照不同的安装方式又可以分为利用已有布线和重新布线两种方式。

2.1.1.1利用已有布线

在根据不同安装方式分类的有线组网技术中，利用已有布线的方式是最简单最方便的一种，其中利用家中现有的电力线是采用最为多的，大多数家用电器和设备都是采用交流电源供电，因此利用现有的电源线和插座就能将各种设备连入网络。

但是电力线易受闪电、电火花等的干扰，从而限制了传输信号的带宽和数据的传输速率。

目前国际上采用电力线作为传输介质的组网方案有X-10，CEBus等。

利用电话线作为家庭组网传输介质也是一种可选方案，电话是线代家庭的必备设施，利用电话线组网施工和安装比较方便。

利用频分多路技术在一条电话线上划分出多个信道，同时满足宽带业务、电话业务、家庭内部数据传输的需要，互不干扰。

电话线组网方式价格低廉、抗干扰能力较强，但是一般住宅预留的电话线家口未必可以满足大规模智能家庭网络的需要。

HomePNA技术是目前较为流行的使用电话线建设智能家庭网络的协议规范。

2.1.1.2重新布线

利用以太网进行家庭网络布线也是一种很有吸引力的技术方案。

其优势在于以太网技术发展至今已十分成熟，设备容易购买，同时成本较低，可靠度较高。

可以说以太网技术是目前组建局域网的主要技术。

器缺点在于，组建以太网必须重新安装双绞线和网络设备，这必将影响到居室整体的协调与美观，而且不宜与日常的维护。

因此，以太网技术并非组建家庭网络的最佳选择方案。

IEEE1394总新标准是家庭内部重新布线构建家庭网络的另一方案。

它主要采用双绞线或者光纤作为传输介质，在一条总线上支持63个设备。

新的IEEE1394.b标准的传输速率最高可达惊人的Gbps的数量级，并且具有可调数据传输速率。

因此，它主要用来构建家庭高速A/V子网，用于传输大容量的家庭音频、视频信号。

器缺点是相对其他技术成本较高，不易推广。

2.1.2无线方式

目前，存在有很多短距离无线通信技术，在此将这些相关技术进行简单的介

绍分析比较，目的在于更好的了解它们各自的技术性能和应用领域[19]

。

1.蓝牙技术（BluetoothTechnology）

蓝牙技术是使用2.4GHz的ISM公用频道的一种短距离、低成本的无线接

入技术，主要应用于近距离的语言和数据传输业务。

蓝牙设备的工作频段选用全

世界范围内都可自由使用的2.4GHzISM频段。

用户无需申请可使用，频道采用

23个或79个频道间隔为1MHz时分双工方式。

采用跳频速率为1600跳/秒，使

得蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，设备简单性能优越。

根据其发射功率的不

同，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10～100m。

蓝牙设备组网灵活，提供

点对点和点对多点的无线连接基于TDMA原理组网，蓝牙技术安全除采用跳频

扩展技术和低发射功率等常规安全技术还采用三级安全模式进行管理控制[3]

。

2.Wi-Fi（IEEE802.11WirelessFidelity）

Wi-Fi使用IEEE802.11b或802.11a无线电技术提供安全、可靠、快速的

无线连通性。

Wi-Fi网络可以使用来互连电脑链接电脑上互连网。

Wi-Fi网络在

无执照的2.4和5千兆Hz的无线电频带经营，数据速率可达11Mbps（802.11b）～

54Mbps（802.11a），或包含以上两条频带的产品（双重频带）。

Wi-Fi覆盖范围很

广，可达100m，但其电波易受干扰速度较快。

提供个人及公司内部人员使用局

域网，用户不再使用Cable上网。

由于使用电波作为传送媒介，资料包被截取的

可能性高，这也成为用户所担心问题。

现在Wi-Fi产品利用WED（Wired

EquivalentPrivacy）技术作资料加密之用。

3.超宽带（UWB：

Ultra-WideBand）无线技术

UWB是一个新兴的高速短距离通信技术，根据2002年2月14日美国FFC

（FederalCommunicationCommission，联邦通信委员会）从信号带宽的角度给

出了UWB信号的确切定义：

UWB信号是指“－10dB功率点处的相对带宽大于高校教师硕士学位论文

7

25％或射频的绝对带宽大于1.5GHz”的信号。

该技术覆盖的频谱范围为3.1～

10.6GHz，频谱范围很宽，但是发射功率非常低，低于－41dbm。

在短距离（13m

以下）有很大优势，最高传输速度可达1Gb/S。

而传统的窄带技术在长距离、

低速传输具有优势。

UWB技术目前可以支持114Mb/S的传输速度，距离13m

完全可以满足短距离家庭娱乐应用需求，直接传输宽带视频数码流。

4.ZigBee（IEEE802.15.4）

ZigBee是一种新兴的短距离、低功率低速率无线接入技术。

工作在2.4GHz

ISM频段，速率为10M～250Kb/S，传输距离为10~75m，技术和蓝牙接近。

但

大多时候处于睡眠模式，适合于不需实时传输或连续更新的场合。

ZigBee是

IEEE802.15.4的扩展集。

目前ZigBee联盟包含有70多成员。

物理层标准采用

三个频段：

北美2.4G和915MHz、欧洲868MHz。

ZigBee采用基本的主从结构

配合静态的星型网络，因此更适合于使用频率低、传输速率低的设备。

激活时延

短、仅15ms、低功耗等特点，将成为未来自动监控、遥控领域的新技术[4][5][6]

。

5.IrDA（Infrared）红外技术

1993年，由20多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA：

InfraredData

Association）统一了红外通信标准，该标准就是红外（IrDA）技术，最初传输速

率为4Mbps，目前其传输速率已经达到了16Mbps,采用4PPM调制解调。

红外通

讯一般采用红外波段内的近红外线、波长0.75µm和25µm之间。

由于波长短，

对障碍物的衍射能差，通信距离通常最大不超过10m，并且通信角度不能超过

30

。

，所以更适合应用在需要短距离无线点对点场合。

目前其应用已相当成熟，

其规范协议主要有：

物理层规范、连接建立协议和连接管理协议等。

6.数字增强无绳电话技术

数字增强无绳电话（DECT）技术为欧洲下一代无绳电话标准，DECT采用

1.8GHz频带以及微微小区蜂窝结构，话音编码采用32kbps的ADPCM，无线接

口技术基于TDMA/FDMA/MC（MultipleCarrier）技术，一个终端可在所有载频和

任意组合时隙单元中进行无线寻址，传输的信息通常为话音信息，但随着技术的

发展和社会的需要，其技术也在不断地发展和改进，在不影响话音信息传输质量

的基础上，增加了数字传输业务，数据可在同一信道上传送，因此，数字增强无

绳电话标准可支持羽化、高速数据和视频传输，它主要用于住宅、商业区、居民基于ZigBee技术的家居智能控制系统设计

8

区、公众区域的本地环路内慢速移动设备之间的通信。

7.家庭无线电射频技术

家庭无线电射频（HomeRF）无线联网标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉、

康柏电脑等技术巨头于1998年发起组建的HomeRF工作组负责研发的，其研发

初衷旨在为家庭无线联网提供一种组网方便、易用、成本低廉的通用性标准，它

汲取了IEEE802.11与DECT等无线标准优势，能够有效降低话音和数据传输成

本，可提供1～2Mbps的数据传输带宽，新的HomeRF2.x标准的最高数据传输

带宽则可达10Mbps，该技术工作频率为2.4GHz,其主要应用于家庭无线组网，

可链接127个设备。

该技术标准一推出，就在市场上引起了广泛关注，并取得了

极大成功。

8.射频识别技术

无线射频识别（RFID：

RadioFrequencyIdentification）或称射频识别技术，

是一种非接触式的自动识别技术，是二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动

识别技术。

它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并

获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。

射频卡实现了免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿

透性好，抗污染能力和耐久性强，而且，可以在恶劣环境下工作，对环境要求低，

读取距离远，无需与目标接触就可以得到数据，支持写入数据，无需重新制作新

的标签，可重复使用，并且使用了防冲撞技术，能够识别高速运动物体并可同时

识别多个射频卡。

2.2ZigBee技术

2.2.1ZigBee技术的特点及应用优势

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和

MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用

层的开发应用根据用户自己的应用需求，对其进行开发利用，因此该技术能够为

用户提供机动、灵活的组网方式。

其技术特点如下[9]

：

（1）低速率：

数据传输速率只有20～250kb／s，分别提供250kb／s（2.

4GHz）、40kb／s（915MHz）和20kb／s（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低高校教师硕士学位论文

9

速率传输数据的应用需求。

（2）低功耗：

在低耗电待机模式下，两节普通5号电池可使用6～24个月，

免去了频繁更换电池的麻烦。

（3）低成本：

因为Zigbee数据传输速率低、协议简单，所以大大降低成本。

且ZigBee协议免收专利费、成本低，由于数据传输速率低、协议简单，所以大

大地降低了产品成本。

积极投入ZigBee产品开发的Motorola以及Philips等公

司．2003年就已经正式推出较蓝牙技术更为便宜的应用产品芯片。

（4）时延短：

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备的

时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。

因此

ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制等应用。

（5）可靠：

采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专

用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。

MAC层采用了完全确认的数据传输模

式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

（6）安全：

ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，

支持鉴权和认证，采用AES－128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属

性。

（7）网络容量大：

每个ZigBee网络最多可支持255台设备，也就是说每个

ZigBee设备可以与另外254台设备再进行连接，即网络上最大可连接64770台

设备。

（8）有效范围小：

有效覆盖范围10～75m之间，具体依据实际发射功率的大

小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

工作频段灵活：

网络上可使用的频段分别为2.4GHZ、868MHZ（欧洲）及

915MHZ（美国），均为非控带无线频段。

现有的无线局域网技术大部分使用免费频段，但传输速度和发射功率各不相

同。

各种用电器对网络的要求也不同，如多媒体设备要求较高的数据传输速度和

较好的服务质量，而家电设备要求低速但安全可靠的传输控制指令，所以各种无

线技术的设计诉求不尽相同。

鉴于ZigBee的技术特性，它非常适合于家电和小

型电子设备的无线控制指令传输。

ZigBee联盟认为，ZigBee可以用于PC外设

（鼠标、键盘和游戏操控杆）、消费类电子设备、家庭智能控制（照明、煤气表基于ZigBee技术的家居智能控制系统设计

10

及报警等）、电子玩具、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动

控制设备）等领域。

2.2.2ZigBee协议

无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议（包括MAC层、路由、网络层、应用层等），传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。

Zigbee的基础是IEEE802.15.但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。

主要用于近距离无线连接。

它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：

需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可靠性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

值得注意的是，在已经发布的ZIGBEEV1.0中并没有规定具体的路由协议，具体协议由协议栈实现。

ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。

ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4（该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信）的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：

网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层。

图1给出了这些组件的概况。

ZigBee堆栈层

　　每个ZigBee设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。

这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。

公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。

　　设备是由模板定义的，并以应用对象（ApplicationObjects）的形式实现（见图）。

每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件。

　　从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接（例如，一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮）。

　　端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。

这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。

图2就是设备及其接口的一个例子：

　　每个接口都能接收（用于输入）或发送（用于输出）簇格式的数据。

一共有二个特殊的端点，即端点0和端点255。

端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理。

应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初始化和配置。

附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象（ZD0）。

端点255用于向所有端点的广播。

端点241到254是保留端点。

　　所有端点都使用应用支持子层（APS）提供的服务。

APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同但兼容的设备，比如带灯的开关。

　　APS使用网络层（NWK）提供的服务。

NWK负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。

应用层可以通过ZigBee设备对象（ZD0）对网络层参数进行配置和访问。

802.15.4MAC层

　　IEEE802.15.4标准为低速率无线个人域网（LR-WPAN）定义了OSI模型开始的两层。

PHY层定义了无线射频应该具备的特征，它支持二种不同的射频信号，分别位于2450MHz波段和868/915MHz波段。

2450MHz波段射频可以提供250kbps的数据速率和16个不同的信道。

868/915MHz波