1、目錄 HYPERLINK l _Toc31483 摘要：1 HYPERLINK l _Toc14616 Abstract：1 HYPERLINK l _Toc18180 1 緒論2 HYPERLINK l _Toc26923 1.1 課題的提出2 HYPERLINK l _Toc28898 1.2 課題的研究意義2 HYPERLINK l _Toc22886 1.3 課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3 HYPERLINK l _Toc590 1.4 課題的研究內容3 HYPERLINK l _Toc31725 2 系統(tǒng)總體方案設計4 HYPERLINK l _Toc7932 2.1 ZigBee技術簡

2、介4 HYPERLINK l _Toc32569 2.2 無線控制系統(tǒng)的總體結構4 HYPERLINK l _Toc22196 2.3 ZigBee設備的電路設計5 HYPERLINK l _Toc10848 2.4 GPRS電路設計8 HYPERLINK l _Toc6388 2.5 ZigBee控制照明的途徑研究10 HYPERLINK l _Toc26783 2.6 ZigBee設備實現(xiàn)家居安防的方式及電路的研究12 HYPERLINK l _Toc24281 2.7 ZigBee技術實現(xiàn)無線家居電器的途徑研究13 HYPERLINK l _Toc26155 3 實現(xiàn)智能家居的無線組網(wǎng)1

3、4 HYPERLINK l _Toc1318 3.1 ZigBee中的設備類型14 HYPERLINK l _Toc28819 3.2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構15 HYPERLINK l _Toc24476 3.3 ZigBee組網(wǎng)設計19 HYPERLINK l _Toc8002 4.ZigBee協(xié)議研究20 HYPERLINK l _Toc6148 4.1 ZigBee協(xié)議各個不同的版本20 HYPERLINK l _Toc11474 4.2 ZigBee2006和ZigBee2007的區(qū)別21 HYPERLINK l _Toc16026 4.3 Zig Bee2006和ZigBee 2

4、007的兼容性方案21 HYPERLINK l _Toc28764 5.歸納總結24摘要：近些年來科技飛速的進步，生活質量這個詞匯在人們的生活中變得越來越重要，而設備智能化這一現(xiàn)象也變得越來越常見，對我們的生活產生了重大的影響，這些智能設備使我們的生活環(huán)境、生活方式、生活品質等方面都有了重大的提高。而在智能家居系統(tǒng)中，無線通信方式的研究也是大家關注的熱點，在研究市場上各種無線通信方式后，我在本文中選擇了ZigBee技術作為智能家居的無線通信技術。這一技術短距離、低成本、低功耗以及實時性強的特點是我們智能家居系統(tǒng)當中非常需要的。本文中對ZigBee技術做了一些比較深入的研究，研究如下：在第一章當

5、中介紹了智能家居發(fā)展前景以及為何選擇ZigBee技術及本文的主要研究內容，第二章中選擇了CC2430芯片作為我們無線通信技術的主要芯片并且介紹了相關電路，第三章中研究了不同的網(wǎng)絡拓撲結構的優(yōu)劣勢，并且選擇了網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，第四章中介紹了ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)議，并且分析解決了協(xié)議間的兼容問題。論文結尾對本文所有的步驟進行了分析與總結。Abstract：In recent years, with the rapid development of technology, the quality of life has become more and more important in peoples

6、daily life, and the phenomenon of device intelligence is becoming increasingly common. These intelligent devices have greatly improved the level of our living environment, lifestyle, quality of life and so on, and have the huge effect to our life. In the smart home system, people always focus on the

7、 research of wireless communication technology. After studying various wireless communication modes in the market, this paper chooses ZigBee technology as the wireless communication technology of smart home system. This technology is short distance, low cost, low power consumption and strong real-ti

8、me, which is needed in our smart home system. This paper has carried on some thorough research on ZigBee technology, in the first chapter, this paper introduce the prospects of smart home, and why we choose ZigBee technology and the main research contents of this paper. In the second chapter, we cho

9、se the CC2430 chip as our main chip in wireless communication technology and introduced the relevant circuit. In the third chapter, we analysis the advantages and disadvantages of different network topology, and then we select the mesh network structure. The fourth chapter introduces the protocosl o

10、f ZigBee network and solve the compatibility issues between the protocols. At the end of the paper, we summarize all the steps in hereinbefore.1 緒論1.1 課題的提出隨著時間的流逝，技術快速的發(fā)展，科技飛速的進步，生活質量這個詞匯在人們的生活中變得越來越重要，而設備智能化這一現(xiàn)象也變得越來越常見，對我們的生活產生了重大的影響，這些智能設備使我們的生活環(huán)境、生活方式、生活品質等方面都有了重大的提高。世界上第一個智能化建筑物在1984年的美國出現(xiàn)。從那以

11、后，東南亞以及歐美等發(fā)達國家都各自提出了智能家居解決方案。我國智能家居在近一些年才剛剛開始有了一點點進展，到了這幾年，這個行業(yè)有了一些小的進步，總體來說還是不錯的，一些公司加入到這一個行業(yè)并且開始有了基礎的產業(yè)，所生產的產品無論是技術還是實用性都有了巨大的提升。在這一過程中有各種各樣的東西被造出來，同時，智能人性化的物品也越來越多【7】。中國正在接受時代的召喚，同世界相接軌，“十二五”國 家 戰(zhàn) 略 性新 興 產 業(yè) 發(fā)展規(guī)劃中，大篇幅的描述了以后中國的發(fā)展前景，創(chuàng)新的發(fā)展是最重要的，而智能家居、物聯(lián)網(wǎng)技術是將來發(fā)展方向中的重中之重。同時智能家居能夠迅速有效的實現(xiàn)低碳經(jīng)濟與綠色環(huán)保經(jīng)濟，因此，

12、智能化成為了中國國家戰(zhàn)略的重要一步，智能家居行業(yè)就好像一株小草遇到了春雨的好時節(jié)，正是發(fā)展的好時機。1.2 課題的研究意義 智能家居系統(tǒng)結合了多種技術，將其完美的融合來完成的，目前綜合了軟件硬件及通信協(xié)議等方面，其中通信技術是其核心，在不加入這一技術時，家庭中的各種家居設備都是不相互關聯(lián)的，再加入這一技術之后，可以十分牢固的將它們連接成一個系統(tǒng)，這一個完整的系統(tǒng)對我們生活品質的提高是巨大的，在降低能源使用，降低污染的產生等方面效用也是十分突出的。日前中國智能家居市場還處于萌芽階段。所以它有著巨大的市場潛能，而智能家居產業(yè)的發(fā)展速度也是眾所周知的。在現(xiàn)在的許多家庭中，智能家居已經(jīng)有了許多方面的應

13、用。未來智慧城市的建設使智能家居的快速普及有了最起碼的保障。智能家居的部署中，無線通信技術也起到了十分重要的作用，而低功耗的通信將是智能家居產業(yè)的首要要求。1.3 課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 智能家居這個概念由來已久，然而直到1984年在美國聯(lián)合科技公司才有了全球第一個實例。該公司用智能家居系統(tǒng)改造了一座舊式大樓，把智能家居這一概念貫穿該大樓的供電、照明及安保當中，使用計算機來實時監(jiān)控大樓，同時為它搭配最好的語音，通信等一連串的信息服務，一個時代的發(fā)展大幕由此揭開。在那之后，其他技術相對領先的國家，也紛紛提出了相應方案，這一系統(tǒng)在北美、日本，法國、新加坡等較為發(fā)達的國家都有了非常大的發(fā)展。 19

14、98年，新加坡創(chuàng)辦了“家 庭 電 器 與 電 子 產品 展 覽 會”，在這一場展覽會上面，新加坡的一家前沿科技公司向廣大來參觀的人們展示了一套智能家居系統(tǒng)。這一套系統(tǒng)在當時看來已經(jīng)很完善了，它可以在家庭安全受到威脅時開啟安保報警，及智能化的控制家居電器。這一套家庭智能家居系統(tǒng)是當時的前沿科技，雖然不能夠與最終投放市場上相比。但這一展覽無疑證明了科技飛速發(fā)展使智能家居系統(tǒng)離我們的生活越來越近，人們對這一系統(tǒng)的信心也越來越足，智能家居系統(tǒng)也受到人們的廣泛關注【8】。在國內，這一技術的發(fā)展開始于1990年代，近些年來，國內的人民群眾也開始向智能家居投入了關注，開始慢慢了解了這一概念，且表現(xiàn)出了感興趣

15、、接受這一概念的姿態(tài)。目前有許多開發(fā)商把智能化建設放入設計過程考慮范圍之中，一小部分的高檔小區(qū)甚至完全實現(xiàn)了“智能化”，把智能化家居作為他們的重大賣點。假如說大家?guī)胱约哼M入消費者的位置，可以看到，對一個新的系統(tǒng)，我們對它最大的要求就是安全及實用。所以，這一系統(tǒng)不可以因為要智能化便強行使其智能，而是要充分發(fā)揮家居電器本身的功能，而智能家居電器之間的協(xié)調工作則是智能家居中必不可少的，所以無線化和網(wǎng)絡化的實現(xiàn)非常重要【9】。而對于一般的使用者來說，這個系統(tǒng)是能夠是家庭生活變得更加方便快捷的，使用者通過手機等設備在公司等地方便可以對家庭電器遙控指揮，這無疑說明了無線通信技術是智能家居系統(tǒng)的核心。1.

16、4 課題的研究內容 在這些年，我國科技得到很大的進步，尤其在網(wǎng)絡、計算機技術這兩個方面，與此同時，生活水平的進步促使人們對生活質量的需求的提高，在現(xiàn)代化的家居中，生活的質量環(huán)境都是大家重點關注的地方，智能化的家居生活將是未來家居的必由之路。而如今研究的焦點就在于如何將計算機技術、通信技術、控制技術和傳統(tǒng)的家具電器有機的結合在一起。本文主要研究無線通信技術在智能家居中的應用，用戶可以手機這類的移動設備對家中的電器進行遠程的監(jiān)控【10】。以下為本課題的主要研究內容： （1）在廣泛研讀智能家居方面的書籍資料，對這一系統(tǒng)特點有了初步的了解后，我在這篇論文中描述了目前智能家居環(huán)境檢測系統(tǒng)以及它運用的總線

17、技術，分析了當前的各種短距離通信技術的特征和主要缺點，最終選定ZigBee這一技術作為設計核心。（2）對家居當中的燈光照明、溫度調節(jié)空調系統(tǒng)、智能自動控制家居電器系統(tǒng)、安防系統(tǒng)以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)這些家庭系統(tǒng)的組成構造、完成系統(tǒng)的方法及原理等進行分析研究，分析研究如何使用ZigBee技術來構造智能家居系統(tǒng)的無線通信模塊，應用ZigBee模塊將各級子模塊引入至智能家居無線網(wǎng)絡中。（3）使用ZigBee技術的一些其本身的技術特性把各級家居設備及系統(tǒng)相連接起來，把家居設備，系統(tǒng)相互通信的無線通信模塊構建起來，研究ZigBee技術傳輸路徑的選擇原理，降低傳輸所耗費的傳輸成本。（4）研究不同Z I g B

18、e e協(xié)議之間的兼 容 性、互 通 性，Z I g B e e技術是公 開 源 代 碼的，目前它的協(xié) 議 版 本 有0 4、0 6、0 7這幾個版本，與不同的Z I g B e e芯片相對應的協(xié)議不同，本文會研究采用不同Z i g B e e協(xié)議的Z i g B e e設備在同一家居無線網(wǎng)絡中的兼容，互通性應用。2 系統(tǒng)總體方案設計2.1 ZigBee技術簡介上個世紀80年代，單片機技術以及廣泛的普及了，51單片機正如日中天之時，那時人們使用的無線通訊工具還是大哥大這樣價值萬元的大磚頭，語音通信的速度極慢，無線通訊技術還像是在實驗室中的新生兒【11】。知道本世紀ZigBee技術的出現(xiàn)，ZigB

19、ee技術源自于蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢時的一種傳遞食物源信息的方式，這種通信方式是一種短程、低速、低成本、低耗電的無線通信技術【12】。越來越多的無線數(shù)字產品隨著無線網(wǎng)絡技術的普及和更新出現(xiàn)了，用來傳遞各種信息的無線傳輸協(xié)議也越來越成熟。然而，傳感和控制設備在無線網(wǎng)絡中的信息和數(shù)據(jù)的傳遞卻沒有一個成熟完善的協(xié)議標準，現(xiàn)有的許多通信協(xié)議都無法更好的實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信，在這樣的要求下，ZigBee技術完善的解決了傳感和控制設備在無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信問題。ZigBee技術特點如下：（1）低功耗。2節(jié)5號電池可以支持單一節(jié)點工作在待機模式下一至兩年，甚至更長。這一優(yōu)勢在各種通信技術中尤為突出。與之相比較，

20、藍牙只能連續(xù)工作數(shù)周，而WiFi更短，只可工作數(shù)個小時。（2）低速率。Z i g B e e在860M H z與910MHz頻段時的數(shù)據(jù)吞吐率大概只有20k b p s，工作在國際通用頻段2.4GHz時，原始數(shù)據(jù)吞吐率最高可達250kbps。這一速度完全可以滿足低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆＃?）低成本。在應用ZigBee無線通信技術時，因為其實際應用時的需要。我們并不需要完整的協(xié)議，而協(xié)議越小我們對通信控制器的要求便越小，那么我們便可以簡化協(xié)議，使通信控制器的選擇變得廉價，以此可以做到低成本。（4）近距離。ZigBee技術的傳輸范圍一般不遠，介于10至100米之間，這一距離在智能家居這一領域已經(jīng)完全足

21、夠。（5）。短時延。ZigBee技術重要優(yōu)點在于其實時性，ZigBee技術從待機模式轉換到主動模式用時極短，僅需15ms，而其尋找網(wǎng)絡到加入網(wǎng)絡只需要30ms。（6）高安全。ZigBee技術十分安全，它有三種安全模式。第一種是無設置的無安全模式，第二種安全模式的工作方式為除了已經(jīng)接入到通信網(wǎng)絡的設備外，其他設備不可加入網(wǎng)絡，第三種方式顯得比較的有技術含量，原理是使用了一種特殊的數(shù)據(jù)算法加密數(shù)據(jù)。ZigBee技術在無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的優(yōu)秀的自配置和自愈能力在許多應用上面都能夠很好地適應，這一技術在無線抄表、汽車電子等方面有非常高的使用率【13】。2.2 無線控制系統(tǒng)的總體結構在這篇文章中，我們把Zig

22、Bee作為技術核心，完成智能家居的設計，分為三個部分：家居設備照明、家居安防、家居電器的無線監(jiān)控。在下圖中可以看到，通過ZigBee設備和家居當中的照明、安全防衛(wèi)、電器的互相接連，完成家庭電器的無線控制，再利用ZigBee的組網(wǎng)技術將這些家局電器共同完成一個無線網(wǎng)絡。Z i g B e e控制中心以及G P R S設備、WiFi設備的互聯(lián)建立網(wǎng)關，使家庭內的家居無線網(wǎng)絡和家庭外的Internet、GPRS網(wǎng)絡完成對接，由此可以實現(xiàn)遠距離的檢測家局當中的實時環(huán)境，如通過網(wǎng)頁或者短信查看家居狀況。在本章中，我對Z i g B e e設備、ZigBee設備控制家居照明、ZigBee設備監(jiān)控家居安防、

23、ZigBee設備同GPRS設備的互相連接，分別設計了硬件電路。對ZigBee設備控制家具電器的方式進行了研究。Internet用戶手機PDA設備PC機GPRS設備ZigBee設備（控制中心）WiFi設備ZigBee設備家居安防ZigBee設備ZigBee設備家具電器家居照明圖2.1 家居無線控制方案設計總體框圖2.3 ZigBee設備的電路設計在本設計方案中，引入ZigBee通信模塊來把家居設備歸入家居無線網(wǎng)絡的ZigBee設備，ZigBee通信模塊與家居安防、家居照明、家具電器相連采集家具設備與家居環(huán)境信息，把采集到的信息傳給ZigBee控制中心通信模塊，通過ZigBee控制中心使其他模塊處

24、理其發(fā)出的指令，以此實現(xiàn)家居的無線控制。我們的設計方案里面最重要的模塊便是無線通信模塊嗎，這一模塊采用了T1公司的CC2430芯片，一這一芯片來完成通信基本要求，和ZigBee技術比較適配的芯片在市場上有很多，在這里我們選擇了CC2430，因為它是目前市場上價格及性能都比較合適的，許多小型的通信網(wǎng)絡都會使用該芯片。2.3.1 CC2430基本參數(shù)圖2.2CC2430引腳圖CC2430芯片在解決組建ZigBee技術無線通信網(wǎng)絡是十分合適的一種芯片。它能夠完全滿足小型無線通信網(wǎng)絡對芯片的要求，同時這一芯片低成本，低功耗的特點也使廣大使用者在選擇時對它青睞。在這個芯片中含有一個射頻收發(fā)器核心，這一射

25、頻核心是十分高性能的，以及一顆8051控制器，這一控制器可以用來控制其下接的8051芯片。CC2430芯片當中含有 二十一I/O口引腳，這21個引腳可以用來編程其輸入輸出，P0、P1、P2三個口共同組成，P1和P0都提供了8個，P2只提供了5個可編程I/O口。同時能夠給其SFR寄存器編寫程序來控制這些端口。I/O 口有下列這些基本特點:（1）我們可以把P0、P1、P2的這21個引腳作為一般的I/O口，也可將其作為外圍I/O口來使用。（2）可以為其直接接入上拉電阻或者下拉電阻來工作。（3）所有的輸入輸出端口都可以響應外部中斷，如需要使用中斷功能，可以通過編寫中斷的指令來開始其中斷功能。P1.2至

26、P1.7引腳: 它的驅動能力為4毫安。P1.0及P1.1引腳: 它們的驅動能力為20毫安。P0.0至P0.7以及這枚芯片的43到48這6個引腳: 它們的驅動能力同樣只有4毫安。 2.3.2 通信模塊的原理圖設計 CC2430有8千比特的含量的運存以及擁有著強勁的周邊模塊，共有如下三個版本，分別是根據(jù)不同的閃存大小來組合而成的。在本設計中，可以根據(jù)不同的功能選擇32、64機238kByte這三種不同的閃存，通過對ZigBee協(xié)議的大幅度簡化，降低其對控制通信的要求。按照簡化后來預測，構建全部的模塊，完成所有程序的設計，大概僅僅需要32千比特的代碼，其下屬功能模塊僅僅只需4千比特的代碼。在本設計中

27、，代碼是十分重要的我們通過各種代碼組成的應用程序來控制電燈的開啟與關閉、完成對各式各樣家居電器的控制、智能的判斷并且及時的開啟安全報警的開關。本模塊設計中采取的CC2430芯片為給用戶足夠的編程空間，全部采用128kb的RAM。 天線的選用，在本設計中，考慮到通信距離短及需要其體積小，我們選用50歐頻率為2.4GHZ的貼片陶瓷天線。2.4GHZ的普通天線大約7.5cm長，而同頻段的陶瓷貼片天線只有大約7mm長，體積也比普通天線縮小了許多。所以我們采用了這種貼片陶瓷天線，它可以很輕易便捷的放入家居設備當中。由于在家具電器之間通信距離一般較短，所以這種天線完全可以滿足家居環(huán)境通信要求，因此我們選擇

28、了這種價格較為昂貴的芯片。 將全部的電源引腳接一個小的電容接入地極，以這種方式可以做到去除耦合效應，防止電源對高頻模擬信號產生干擾。由于在這個系統(tǒng)中的組成部分，分別有模擬電路、數(shù)字電路，可以通過把模擬信號與數(shù)字信號的端口分開接入地極，這一接法可以使他們之間互相干擾的現(xiàn)象降到最低。圖2.3 CC2430通信模塊電路如上圖所示， CC2430芯片設計添加了天線電路之后還為CC2430芯片加入了兩個晶振電路，CC2430芯片已可正常工作，將端口P1.1與端口P1.2連接兩個LED燈作指示燈。 圖2.4 CC2430的晶振設計電路圖如圖2.4所示，可以看到左邊是32K赫茲的RC震蕩電路，右邊的電路是3

29、2M赫茲的晶體振蕩電路。 圖2.5 CC2430的天線匹配電路示意圖如上圖所示，C C2430芯片使用射頻信號是用來平衡它的輸出，而它的射頻信號從平衡轉化到非平衡信號的實現(xiàn)，是采用一個均衡器來完成的。 圖2.6 CC2430的擴展引腳電路圖 如上圖所示，我們?yōu)镃C2430的通信模塊拓展了數(shù)個引腳：十七個I/O口、電源引腳、復位引腳及一個接地端。其中2個串口與I/O引腳復用。2.4 GPRS電路設計在我們的設計中，研究選用了MC39i來作為與手機進行通信的GPRS模塊，MC39i模塊可以支持語音、數(shù)據(jù)、短信的傳輸，把這一模塊同控制中心模塊互相接連，MC39i在1000至2000赫茲工作，而Zig

30、Bee主要在2.5GHZ這一頻段當中正常工作，所以二者之間并不會有影響，把二者串口連接以實現(xiàn)他們之間的通信，而我們選擇的ZigBee設備可以采集家居中的信息，之后ZigBee設備可以將這些信息傳輸至控制中心，控制中心通過GPRS模塊把這些信息傳輸?shù)绞褂谜叩氖謾C上面，使用者也可以通過發(fā)送短信這種方式來控制家居電器。以這種方式來實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能。 圖2.8 MC39i連接插槽電路在上圖中。U8是外部時鐘的輸入口，U11是用來插入SIM卡的。圖2.9 外部定時器電路上圖為定時器電路，為我們的通信模塊提供時鐘信號。圖2.10 圖2.11以上兩圖分別為MC39i模塊與CC2430模塊的外部電源電路。2

31、.5 ZigBee控制照明的途徑研究 在智能家居中最重要的是要體現(xiàn)其智能化以及人性化的特點，一樣的，在家居照明方面當然也要體現(xiàn)智能家居的這一特點，在本設計中，我們要求該系統(tǒng)可以智能的根據(jù)家庭中的明暗，有無人等來調節(jié)家居照明，在手動控制家居照明的基礎上，我們新增了智能開關，采用這種新型開關實施分布式控制家居照明設備【14】。照明控制模塊的實現(xiàn)，在本設計中我們考慮了很多種方法，最后選擇了用CC2430與雙向可控硅相結合這一方式。雙向可控硅為三級交流開關，也可以稱之為雙向晶閘管，英文名為TRIAC。它是三端的，三個端口分別為第一主電極、第二主電極與控制極。同單相電力調整器最大的不同便是它結正反向電壓

32、都能夠導通，下面將為大家展示它的符號及造型。可以看出，只要有信號加入T1、T2之間導通，相反情況下，無信號加入時，T1、T2之間不導通【15】。 A符號 B.構造圖2.12 TRIAC雙向可控硅雙向可控硅的T1主電極接至5伏的交流電源上，T2主電級直接接地，同時要求CC2430通信模塊端口P0_3與TRIAC的觸發(fā)端相連接，通過P0_3口來輸出高低電平以控制TRIAC在導通和截止之間轉變。將CC2430和光敏傳感器連接，把收集到的家居中的明暗信息傳遞給控制模塊。照明環(huán)境流程圖如下所示。 CC2430控制中心通信模塊 照明設備TRIAC高低電平CC2430通信模塊指令光傳感器CC2430通信模塊

33、圖2.13 照明環(huán)境控制框圖在本設計中，我主要是以這種方式來實現(xiàn)智能化，人性化的，在CC2430控制中心中開發(fā)應用程序。這樣便可完成按要求的控制家居照明環(huán)境。當人們進入家門，根據(jù)人們當時的需求，智能的啟動家庭中的照明設備，如智能的啟動客廳，臥室的照明設備等。本設計通過光敏傳感器收集家居明暗環(huán)境的信息，把這一信息傳遞給CC2430控制中心模塊進行判別，實時保證家居中的光線敏感強度適中。當人們選擇自動調節(jié)家居中的明暗程度這一模式時，每過一段時間光敏傳感器便會將采集到的明暗信息傳遞給CC2430控制中心，而再通過接受信息并且判斷該光線強度是否和設定的強度有區(qū)別，如果有，通過開啟或者關閉家居照明設備來

34、調節(jié)明暗。如下圖所示，可以看到家居控制照明電路圖。J1、J2為電燈的電源底座，J1一端與交流電源連接，另一端同雙向可控硅的主電極連接。J2一端接交流電源，另一端直接接地。Q1為TRIAC器件，通過CC2430的I/O口觸發(fā)，控制J1上照明設備的亮暗。圖2.14 照明控制電路原理圖2.6 ZigBee設備實現(xiàn)家居安防的方式及電路的研究家庭中安全防范是至關重要的，但是人的精力畢竟是有限的，不可能所有時候都能警惕及時的發(fā)現(xiàn)各種安全問題，而智能家居系統(tǒng)可以實時智能的監(jiān)控家庭中的安全境況，并且在發(fā)現(xiàn)安全問題時會控制安防設備進行簡單的處理，并且報警?？梢钥吹?，我們在這一設計中，采用了各種傳感器來收集家居環(huán)

35、境信息，而在監(jiān)控采集安全方面的信息時，我們主要使用了溫濕度傳感器以及煙霧傳感器收集到的信息這兩個來判斷是否有火災發(fā)生，使用了紅外觸發(fā)傳感器采集信息，以它采集到的信息來判斷，分辨是否被歹徒進入到家中， 這些傳感器都可以通過CC2430通信模塊把收集到的各種信息傳遞給CC2430控制中心處理。這一過程可以參照如下流程圖CC2430控制中心模塊紅外傳感器CC2430通信模塊煙霧傳感器CC2430通信模塊溫濕度傳感器CC2430通信模塊串口電話短信用戶手機安防單位MC39iCC2430通信模塊安防設備圖2.15 家居安全環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)框圖下圖為CC2430通信模塊和溫濕度傳感器（SHT10）相連接的

36、電路圖。圖2.16 CC2430與溫濕度傳感器連接電路圖用戶可以通過設置，使溫濕度傳感器采集家居中的信息，然后通過CC2430通信模塊把采集到的信息傳遞給C C 2 4 3 0控制中心。CC2430控制中心在接收到溫濕度信息后可以調用應用程序對其處理，來判斷是否有火災的發(fā)生，如果有，便可以通過GPRS模塊向用戶發(fā)送短信并且電話報警，然后對家居中的其他設備發(fā)出相應的指令：打開水龍頭，關閉電源等等一系列的措施。2.7 ZigBee技術實現(xiàn)無線家居電器的途徑研究家居電器一共有三種方式來控制：開關 量控制、紅外線 控制以及無 線電遙 控，這一小節(jié)的重點在于Z igBee技術與紅 外遙控及其與無線電遙控

37、的結合。如上文中所說到的，CC2430通信模塊通過T RIAC與開關量控制的電器電源接口連接，以實現(xiàn)開關 量控制家居電器這一方式。紅外遙控以及無線電遙控這兩種技術的原理其實大同小異，都是首先將指令進行2進制編碼，不需要非常高的加密標準，在下圖中可以看到，因為直接發(fā)送會受到較大的干擾，所以我們通過載波調制再發(fā)送，接收器接受編碼后將其解碼，然后運 行控 制指令。由于家居環(huán)境中的通信對保密性并沒有很高的要求，這兩種方式下一般采用固定的編碼模式，識別碼也是固定的。圖2.17 遙控編碼序列示意圖用戶可以通過發(fā)送短信的方式及使用PC機控制界面向CC2430控制中心發(fā)送指令，控制中心在接受指令后，調用閃存中

38、的紅外或者無線電遙控編碼，向目標設備對應的通信模塊發(fā)送含有遙控編碼的數(shù)據(jù)幀，目標C C2430通信 模 塊收到數(shù) 據(jù) 幀后取出其中的遙控編碼，由應用程序讀取編碼，再控制紅外發(fā) 射 模塊或無線電發(fā)射 模塊 發(fā)射編 碼對應控制信號，這樣便可以完成家 居 紅 外與無線電 遙控來控制電器的操作。PC機家居控制界面用戶手機Internet串口短信W I F I模塊CC2430控制中心M C39i模塊無線電發(fā)射模塊CC2430通信模塊紅外發(fā)射模塊紅外遙控家居電器無線電遙控家居電器圖2.18 應 用C C2430模塊 遙 控框圖如上圖所示，以上使用三種無線控制方案來實現(xiàn)對多個家居電器的遙控，這些遙控手段在現(xiàn)

39、在是非常常見的。3 實現(xiàn)智能家居的無線組網(wǎng)在本章中，我們主要研究了ZigBee技術的組網(wǎng)技術，應用這一技術把它們組成一個家居無線網(wǎng)絡的方案，使網(wǎng)絡當 中 的各個節(jié)點可以協(xié)調工作。3.1 ZigBee中的設備類型如圖所示，可以看到Z ig B e e網(wǎng) 絡中一共有三種邏輯設備：R o uter（路 由器），End- Device（終端設備）以及C oordinator（協(xié) 調 器）。ZigBee網(wǎng)絡的組成，僅僅只需要一個協(xié)調器，同時還需要多個路由器和終端設備【16】。圖3.1 ZigBee技術通信網(wǎng)絡設備協(xié)調器是整個網(wǎng)絡的首個設備。它負責對整個Zig Bee網(wǎng)絡的啟動。在它啟動之后，它會選擇一個

40、信 道和一個網(wǎng) 絡ID（也稱之為P A N ID），接著便會啟動整個網(wǎng)絡及下級節(jié)點分配網(wǎng) 絡地址。協(xié)調器在整個網(wǎng)絡當中屬于一個比較特殊的器件，它負責啟動網(wǎng)絡，還有給其他路由設備配置網(wǎng)絡，做完了這些任務，它在網(wǎng)絡中就好像一個路由器一樣工作，接下來整個網(wǎng)絡的工作就并不需要協(xié)調器了。路由器主要是這樣的一種設備，主要的功能是當其他的ZigBee設備需要加入網(wǎng)絡時，他可以允許其他設備的加入。終端設備 并不能對網(wǎng)絡的結構產生影響 ，它只 能選擇已經(jīng)存在的 網(wǎng)絡加入，在通信方面也有一定的局限性，它只能夠和 它的父節(jié)點通信，并且不能作為父節(jié)點接入其他設備。一般情況下，終端設備對RAM閃存的要求不是很高。在本文

41、中的設計，負責采集家居各種傳感器信息并且和其他家居設備通信的C C2430通信模塊便是終 端節(jié)點類型。3.2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構如下圖所示，ZigBee網(wǎng)絡一共有如下三種拓撲結構，他們分別是星狀拓撲結構、樹狀拓撲結構和網(wǎng)狀拓撲結構【17】.他們的主要區(qū)別在于路由方式的不同。圖3.2 ZigBee拓撲結構圖星狀拓撲結構是最簡單的通信網(wǎng)絡，另外兩種較為復雜，但更加有序。3.2.1 樹狀拓撲網(wǎng)絡結構該網(wǎng)絡拓撲結構采用的是樹 形 地 址分配 機 制，它的特點便是在結構圖中可以明顯的看出樹枝一樣的結構。當協(xié)調 器設備啟動時，第一步便是 配置網(wǎng)絡，它把0X0000這一網(wǎng)絡地址分配給自己，并且使自己的

42、網(wǎng)絡深度為0。假如說有一個新的節(jié)點a想要通過已 在該網(wǎng) 絡中的 節(jié)點b接入一個ZigBee網(wǎng)絡，那么把節(jié)點b稱作節(jié)點a的父節(jié)點。ZigBee網(wǎng)絡會參考節(jié)點b的網(wǎng)絡地址以及網(wǎng)絡深度給新的節(jié)點配置新的網(wǎng)絡地址和網(wǎng)絡深度，a的網(wǎng)絡深度為節(jié)點b的網(wǎng)絡深度加1【18】。在樹狀拓撲結構中，網(wǎng)絡深度的含義是一個數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)絑igBee協(xié)調器所需的最小傳遞次數(shù)。ZigBee樹狀拓撲結構中的協(xié)調器的網(wǎng)絡深度為0，因為它的子節(jié)點傳輸?shù)絽f(xié)調器只需要經(jīng)過一個設備，所以它的所有子節(jié)點的網(wǎng)絡深度都為1。ZigBee樹狀拓撲網(wǎng)絡結構如下。參數(shù)C M表示在樹狀網(wǎng)絡中，一個路由器節(jié)點最多可以接受多少個子節(jié)點。參數(shù)R M可以說明

43、，一個路由器節(jié)點連接的所有子節(jié)點中，不是終端設備的節(jié)點的個數(shù)的最大值，除去這些 數(shù)值，剩 下節(jié)點數(shù)便是終端節(jié)點數(shù)值。圖3.3 ZigBee樹型結構樹狀拓撲網(wǎng)絡結構中為統(tǒng)一深度層分配節(jié)點 時，會根據(jù)節(jié)點 的不同 類 型如終端節(jié)點，路由器節(jié)點等采 取相對應的地 址 分 配的方法。如果是一個終端子節(jié)點a加入樹狀拓撲網(wǎng)絡當中。根據(jù)其父 節(jié)點b（協(xié)調器）的網(wǎng)絡深 度d，可以為其配 置 網(wǎng)絡地址： Addre ss（a）=Add re ss（b）+Csk ip（d）RM+n 式（3.1） 如果是一個路由器加入了樹狀網(wǎng)絡，它的父節(jié)點將為其設定一個網(wǎng)絡地址： A d d r e s s（a）=A d d r

44、e s s（b）+1 +C s k I p（d）（n-1） 式（3.2）Cskip是其配置參數(shù) 式（3.3）參數(shù)nwkMaxDepth（LM）表示樹狀網(wǎng)絡允許的最大網(wǎng)絡深度值【19】。圖3.4 Csk ip位置 配置 范例如上圖所示使用樹狀拓撲結構來配置 地址，可以應用樹 狀路 由 機 制。 樹狀路由機制是指當一個網(wǎng)絡地址為A、網(wǎng)絡深度為d的路由器節(jié)點把數(shù)據(jù)幀傳輸至網(wǎng)絡地址D時，這個時候判斷式（3.4）便會發(fā)生它的作用，使用它來對目標地址進行判斷： ADA+Cskip(d-1) 式（3.4）這個判斷式可以判斷該地址的目標是否為自己的 網(wǎng)絡子節(jié)點。如果判斷式判斷的結果是確為自己的子節(jié)點地址，則數(shù)

45、據(jù)幀便會直接發(fā)送至它的子節(jié)點，下一跳的網(wǎng)絡地址為： 式（3.5）但是如果上一邏輯判 斷式不成立，說明其目標地址與路由 器的子節(jié)點的地址不相符，路由器把數(shù)據(jù) 幀傳遞 給它的父節(jié)點，其父節(jié)點進 行同樣的判斷。其算 法流程如下圖所示。圖3.5 樹狀網(wǎng)絡路由算法流程圖3.2.2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡算法分析網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構說的是在樹 狀網(wǎng)絡拓撲結構的基礎上，加入了Z-AODV路由技術并且把這二者完美結合的一種混合路由 結構。Z-AODV路由協(xié)議是將AODV協(xié)議改進并且提升優(yōu)化后的一種路由協(xié)議。Z-AODV路由協(xié)議在AODV的基礎上多增加了了一項參數(shù)：路由成本，這個參數(shù)是非常有意義的，因為它可以度量能量消耗以此來判

46、斷一個路由好還是不好。為了讓這個量度更加的有意義，又有了一個新的詞匯鏈路成本，所有鏈路成本加起來便是路由成本 假如說一個路徑所經(jīng)過的路由設備為L，那么它的路由成本為： C=C【Di，Di+1】 式（3.6）其中，C【Di，Di+1】表示在這一鏈路中，從節(jié)點Di到節(jié)點Di+1的成本，對于路由中的一段鏈路l其成本為： 式（3.7）該式中的Pl表示的含義是信息在l鏈路中傳遞的概率。7表示的含義是指再具體操作時以7作為鏈路成本以便于計算。至于Pl值的得到則是一個難題。通過查閱資料，我們發(fā)現(xiàn)可以通過統(tǒng)計一段時間內在這一鏈路中的丟幀率來計算Pl，目前我們認為這種方式算得的Pl是最精確的。還有另一種方法，查

47、閱MAC和PHY層提供的每幀平均LQI值來估計Pl，這種方式是最簡單的【20】。其實獲得了LQ I值 便 可 以 通 過 查 表 來 得 到 鏈 路成 本。LQI鏈路成本大于75150-753小于507表3.1 LCQ對應鏈路成本字段名字段長度備注目的地址2字節(jié)終端目的設備的16位網(wǎng)絡地址狀態(tài)3位路由狀態(tài)下一跳地址2字節(jié)下一跳的16位網(wǎng)絡地址表3.2 路由表具體內容路由表中記錄了網(wǎng)絡當中的路由信息，把這些信息存在其專用存儲空間上面。路由表當中記錄的路由信息可以隨時被更優(yōu)的路由更新掉。數(shù)值狀態(tài)0 x0A C T I V E0 x1D I S C O V ERY_U N D E R WAY0 x2

48、D IS CO V ER_F A IL E D0 x3IN A C TI V E0 x4-0 x7預留表3.3 路由表路由狀態(tài)信息表上表可以看出路由信息一共有4種狀態(tài)，這四種狀態(tài)分別是可用、路由地址在建、建立路由失敗、路由無效。字段名字段長度/字描述路由請求標志1路由請求命令幀的序號源地址2路由請求發(fā)起的設備的16位網(wǎng)絡地址發(fā)送地址2最新發(fā)送最低成本路由設備的網(wǎng)絡地址前期成本1從路由請求源地址設備到當前設備的路徑成本后期成本1從當前設備到目的設備的路徑成本到期時間2設定路由到期時間的遞減定時器上的時間表3.4 路由發(fā)現(xiàn)信息表圖3.6 Z-AODV路由協(xié)議流程圖網(wǎng)絡當中的任意一個節(jié)點接收到信息時

49、，分析這一數(shù)據(jù)幀，判斷這個數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送的目的地址是不是廣播地址，如果是廣播地址，便把這個數(shù)據(jù)幀進行廣播；不是的話，便判斷這一幀的目的地址是不是這個設備地址及其子節(jié)點地址，若是則直接發(fā)送至其子地址，若不是，則將在路由表記錄當中查詢是否存在該數(shù)據(jù)幀目標地址的路由設備，并且它的狀態(tài)是否顯示為可用，是的話便可以直接給路由表中下一跳地址節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。否則，該路由節(jié)點便會打開其特殊功能路由發(fā)現(xiàn)功能，以這一功能來尋找路由成本最低的線路，同時更新路由表，接 著 把 數(shù) 據(jù) 幀 按照路由發(fā)現(xiàn)出來的線路傳送【21】.路由發(fā)現(xiàn)不成功則將該數(shù)據(jù)幀丟棄。ZigBee網(wǎng)狀拓撲結構中尋找發(fā)現(xiàn)新的路由是設定參數(shù)值選擇路由

50、方式發(fā)現(xiàn)的。共有以下三種方式：抑制路由表發(fā)現(xiàn)、使能路由表發(fā)現(xiàn)以及強制路由表發(fā)現(xiàn)。3.3 ZigBee組網(wǎng)設計3.3.1 ZigBee技術中網(wǎng)絡結構的選擇 在三個網(wǎng)絡當中結構最簡單的網(wǎng)絡是星狀網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡是協(xié)調器與其他所有設備直接通信的結構，中心節(jié)點的通信壓力較大。但是星狀節(jié)點只適合小面積的簡單的情況，而在我們的智能家居系統(tǒng)當中，有著復雜的環(huán)境，一些家居設備也可能會成為通信的障礙物，所以我們在無線網(wǎng)絡結構的選擇這方面不會考慮星狀結構，而剩下來的便是在樹狀網(wǎng)絡拓撲結構及網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構中挑選了。 之前，我們分析了網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構及樹狀網(wǎng)絡拓撲結構?？梢院苊黠@的看出網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構更加的有優(yōu)勢，相

51、對于樹狀網(wǎng)絡拓撲結構，它可以智能的選擇最優(yōu)路由線路，并且避免了樹狀網(wǎng)絡結構的網(wǎng)絡穩(wěn)定性不好的問題。而在本設計中我們做的是智能家居，現(xiàn)在家庭中最重要的一點便是穩(wěn)定可靠，所以我們選擇了網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構來構造智能家居網(wǎng)絡。3.3.2 家居無線網(wǎng)絡設計的結構構建所需的網(wǎng)狀結構是這樣做到的，把設定好的ZigBee設備合理的放置在家庭中的各個位置。首先設定好Z i gBe e設備：傳感器收集信息并發(fā)送給C C2430控制中心，設置數(shù) 據(jù) 幀 控 制 域 的發(fā)現(xiàn)路由子域的值為0 x01，調用路由表，選擇 使能 路由發(fā) 現(xiàn)，選 擇 最佳路由鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)。C C2430控制中心接受用 戶傳遞 的指令時，設置數(shù)

52、據(jù) 幀控制域的發(fā)現(xiàn)路由子域值為0 x00，選擇抑制路由發(fā)現(xiàn)，快速傳遞數(shù)據(jù)幀。本篇文章 中家居網(wǎng)絡結構如下圖所示，2級跳的通信 距離大概有60米為半徑的一個圓形 區(qū)域，通信時 間也僅需20多毫秒。完全可以滿 足 智 能 家 居 的要求。圖3.7 家居無線網(wǎng)絡框圖4.ZigBee協(xié)議研究4.1 ZigBee協(xié)議各個不同的版本ZigBee協(xié)議研究機構于2004年推出了zigbee的初級1.0標準，即ZigBee2 004。在2006年12月，又相繼推出了相應的修訂版ZigBee1.1，及（ZigBee20 06）。2007年10月又推出了修訂版zigbee pro（ZigBee2007 ），這個版本

53、是建立在ZigBee1.1的基礎上。ZigBee2006是ZigBee協(xié)議的一個重要的改變點，因為在這之前ZigBee2006與ZigBee2004并不能相互兼容。然而隨著ZigBee2006的出現(xiàn)，所有的ZigBee協(xié)議都可以向下一個修訂標準兼容。Zig Bee芯片在當前的市場上有著十分之多的流通的的種類，這些芯片都可以與任意的協(xié)議相互兼容。使用同一ZigBee 協(xié)議的不同ZigBee設備通過設置相對應的網(wǎng)絡公共參數(shù)，由于在每個協(xié)議層的數(shù)據(jù)封包格式都相同，這些設備可以做到相互識別數(shù)據(jù)的信息，同時也可以在ZigBee網(wǎng)絡中進行相互混合使用。因為標準的相關變動，不同的協(xié)議版本，在相對應協(xié)議層封包

54、數(shù)據(jù)時會采用不同的格式。而不同協(xié)議的Zig Bee設備在同一個網(wǎng)絡中可以很好地使用是需要具體的設置的，需要的除了設置與之相對應的網(wǎng)絡公共參數(shù)之外，還要根據(jù)各層的數(shù)據(jù)封包格式進行專用化的參數(shù)設置。在此次設計中我們采用的CC2430芯片主要應用的是ZigBee 2006協(xié)議，而在某些情況下我們需要使用到ZigBee2007協(xié)議條件下的設備，而對這些設備的兼容問題（ZigBee2004協(xié)議不能向后進行兼容）是本章當中研究的重點。4.2 ZigBee2006和ZigBee2007的區(qū)別ZigBee 2007定義了兩個特性子集，分別為ZigBee和Zig Bee pro， Zig Bee和Zig Bee

55、2006的特性規(guī)范保持了一致性，它們之間的區(qū)別是可以后者可選頻率捷變，并且為拆分提供更多的選擇空間。ZigBee pro對ZigBee2006的修改和增強有很多表現(xiàn)，主要在于應用層，網(wǎng)絡層和安全服務上。在網(wǎng)絡層使用了隨機分配取代了CSKIP位置分配算法，樹狀路由功能，同時也增加了多對一路由功能。在應用層新增了一些新的功能，比如分割傳輸功能，大數(shù)據(jù)的可分段傳送。在安全層新增了高級安全模式。這些新增的算法合協(xié)議一定程度上改變了各層數(shù)據(jù)包的封裝標準。4.3 Zig Bee2006和ZigBee 2007的兼容性方案我們通過對比分析Zig Bee2006和ZigBee2007各層的數(shù)據(jù)封包，進一步的去

56、探究如何在ZigBee2006的CC2430無線網(wǎng)絡中對Zig Bee2007設備進行兼容的可行方法。4.3.1 網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)封包格式的比較和分析 表4.1 ZigBee2006網(wǎng)絡層數(shù)數(shù)據(jù)封包格式 t字節(jié)：222110/80/80/1變量變量幀控制域目標地域源地址安全模式信道編號目標IEEE地址源IEEE地址多點發(fā)射控制源路由子幀幀負載網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包頭負載 表4.2 ZigBee2007網(wǎng)絡層數(shù)數(shù)據(jù)封包格式 字節(jié)：222110/80/80/1變量變量幀控制域目標地域源地址安全模式信道編號目標IEEE地址源IEEE地址多點發(fā)射控制源路由子幀幀負載網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包頭負載 如上表4.1和4.2可以看出，網(wǎng)

57、絡層的數(shù)據(jù) 封包格式是相同的，網(wǎng)絡層 是可以互通的。 使用多對一的路由功能時，可以采用ZigBee pro特性子集。ZigBee2007的廣 播地址的標志可以是0 xfffb， 然而ZigBee2006協(xié)議標準則不具有這種功能，因為ZigBee2006協(xié)議標準并沒有定義這個標志位，見下圖4.3。但是當加入ZigBee2006的網(wǎng)絡中，ZigBee2007選擇用到ZigBee pro子集進行多對一路由的時候，網(wǎng)絡就不能識別這項功能了。這是因為ZigBee Pro和ZigBee2006的網(wǎng)絡地址分配機制的差異，導致路由的方式也會有所不同。我們的結論是在同一個網(wǎng)絡中如果存在兩種路由的方式，網(wǎng)絡將會無法進行相互識別的，網(wǎng)絡也