基于Zigbee技术的智能家居无线网络研究毕业论文.doc

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1、摘 要 近年来电子信息技术和计算机网络技术的迅猛发展，使家庭信息化、网络化成为当今智能家居系统发展的新趋势。智能家居系统能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统逐渐成为一个新兴的研究领域。本文首先分析了国内外智能家居系统技术的现状，然后针对智能家居系统存在的布线难、造价高、结构复杂等问题，指出基于IEEE802.15.4协议的Zigbee技术是目前最适合智能家居系统的无线标准，并对该标准进行了研究。与传统智能家居系统相比，Zigbee技术具有免布线，维护方便，运行费用低，实时在线监控，对家居内部各种数据进行无线采集和传输等特点。随后探讨

2、了一种采用Zigbee无线通信技术的智能家居系统设计方案。针对智能家居网络特点，本文通过对智能家居网络分析、对比和研究，采用簇状网络组建智能家居内部网，并对智能家居网络进行了设计。利用CC2480 Zigbee模块和PICl8F4620单片机设计了一种低成本、高灵活性、通用的Zigbee无线智能家居网络控制器。该控制器同时具有GPRS远程访问接口，用户可以通过GPRS网络对家居进行远程监控。最后从理论上阐述了智能家居系统的整体设计方案以及各模块的软硬件实现方法。关键词： 智能家居 Zigbee 簇状网络 CC2480Title Research of Smart Home Wireless N

3、etwork Based on Zigbee Technology AbstractIn recent years, the rapid development of electronic information and computer network technology make family informatization and networking become a new trend of todays intelligent home network system development. Smart Home systems can provide mankind with

4、more relaxed, orderly and efficient modern way of life. It is the inevitable development trend of future housing patterns. Therefore, the smart home system has become a new emerged area of research.This paper analyzes the domestic and international status of smart home systems technology at first, T

5、hen for the existence of smart home system wiring is difficult, high cost, complex structure and so on, that the agreement based on IEEE802.15.4 Zigbee technology is most suitable for intelligent home system and researched it. Compared with the traditional smart home system, Zigbee technology is fre

6、e wiring, easy maintenance, low cost, real-time online monitoring, on the home within the various data collection and transmission of wireless features. Then proposed a Zigbee wireless communication technology using of smart home system design.Features for Smart Home Network, After analysis, compari

7、son and research, This paper using cluster intelligent home network set up the within network, and designed the smart home networks. Using PICl8F4620 MCU and CC2480 Zigbee module designed a low cost, high flexibility, general Zigbee wireless smart home network controller. The controller also has GPR

8、S remote access interface, the user of home network via GPRS remote monitoring and control. Finally expound the overall smart home system design and realization of hardware and software modules in theory.Keywords： Smart Home Zigbee Clustered network CC2480目 次1 引言11.1 本课题研究的目地和意义11.2 本文研究的内容11.3 本论文的

9、组织结构22 智能家居概述32.1 智能家居的定义32.2 智能家居的国内外发展现状32.3 智能家居网络选择42.4 本章小结83 Zigbee技术研究93.1 Zigbee技术的起源及特点93.2 Zigbee协议概况和体系结构103.3 Zigbee物理层协议规范113.4 Zigbee MAC层协议规范123.5 Zigbee网络层和应用层123.6 本章小结134 基于Zigbee的智能家居无线网络研究144.1 总体设计方案144.2 Zigbee网络拓扑结构164.3 基于Zigbee的智能家居网络的组建184.4 本章小结205 基于Zigbee智能家居网络的硬件设计215.1

10、 硬件总体设计215.2 处理器215.3 Zigbee无线收发模块225.4 GPRS电路实现235.5 本章小结256 智能家居网络控制器的软件设计266.1 系统主程序设计266.2 中断和初始化程序设计276.3 信息处理程序设计276.4 本章小结28结 论29致 谢30参 考 文 献31III1 引言1.1 本课题研究的目地和意义科技改变生活。伴随着数字化、网络化的进程，人类在经过农耕、工业、电气化等时代后，将进入关注梦想、精神和生活情趣的新社会。你或许憧憬过这样的生活：通过手持遥控器，可以随时在家中的任何一个地方对各种家电设备进行智能控制，调节冰箱温度、打开关闭窗帘、设置空调温度

11、、控制洗衣机洗涤衣物等等；安防系统会随时进行烟雾探测、入侵检测，为主人提供生命安全保障；借助于网络系统，你可以在外出时通过手机或互联网对家中的设备进行远程控制，炎热的夏天,你完全可以在回家之前，提前打开空调智能家居(Smart Home)的出现，让这样的生活场景逐步成为现实。舒适的家庭居住环境是人们对生活的不断追求。近年来随着人民生活水平和知识层次的不断提高，人们也将注意力越来越多的放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，因此也就产生了对家居智能化的需求；与此同时，在科学技术方面,计算机控制技术与电子信息通讯技术的飞速发展也促成了智能家居系统的出现。智能家居系统具有安全、方便、高效、舒适、环

12、保、智能化、个性化的独特魅力，对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义，具有非常广阔的市场前景。基于以上种种，本文将利用现存的各种技术对智能家居网络进行全面研究，以满足21世纪人类对家居生活的新要求。1.2 本文研究的内容在智能家居网络的实现中，由于平台和组网方式的多样化，导致了智能家居网络的实现方案多样化，考虑到成本和性能等多方面因素，本论文采用近年逐渐兴起的Zigbee无线网络技术来实现智能家居网络的组建，重点研究智能家居无线网络的组建和家庭控制网络中设备之间的通信、并在最后讨论了智能家居无线网络的软硬件实现的问题。本文的主要工作有以下几个方面：1.详细

13、了解了智能家居的国内外发展现状，明确研究目的。2.通过几种近距离无线网技术的对比确定了Zigbee技术在智能家居应用中的优势，进而重点研究了Zigbee技术的特点、基本原理，分析了Zigbee协议构架，研究了各协议层的具体功能和作用。3.通过对Zigbee无线网络拓扑结构的分析研究，确立了智能家居无线网络的大体组建方案。4.设计了智能家居系统的整体模型，采用单片机PICl8F4620和无线射频芯片CC2480完成了节点设备的硬件实现。5.在理论上指出了网络控制器各功能模块的程序工作流程。1.3 本论文的组织结构论文总共分为6章，各章具体介绍如下：第1章为引言，介绍了本文的研究内容、意义和全文组

14、织结构；第2章首先给出了智能家居的定义以及国内外发展现状，接着对智能家居网络技术进行了详细介绍，最后对比介绍了有线和无线两种组网方式；第3章对Zigbee技术及其协议进行了较详细的介绍，为下文选择Zigbee技术用于智能家居无线网络设计提供技术基础；第4章首先给出了系统总体设计方案，对系统组成和设计原则进行了介绍。接着对基于Zigbee的智能家居无线网络进行了研究，介绍了Zigbee网络设备类型以及目前三种网络拓扑结构。针对智能家居网络特点，采用簇状网络组建智能家居内部网；第5章主要介绍了智能家居网络的硬件设计。首先给出了硬件总体设计，再分别具体介绍了硬件处理器部分、Zigbee无线收发模块部

15、分和GPRS模块的电路实现；第6章为智能家居网络软件设计实现。分块指出了各功能模块的程序流程。2 智能家居概述2.1 智能家居的定义智能家居（Smart Home）又称为电子家庭(Electronic Home)、e-Home、数字家园(Digital Family)、家庭网络(Homenet/Networks for Home)、网络家居(Network Home)、智能化家庭(Intelligent Home)等，在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。其是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居

16、住环境。智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。实际上家庭自动化产品、家庭网络产品、网络家电产品、信息家电产品等都只是智能家居系统产品里的一种，它们有各自不同的产品特征，不

17、能简单地将它们划等号。当然也有许多概念交叉的产品，例如机顶盒可以理解为是一个家庭网络产品，但同时又是一个信息家电产品。2.2 智能家居的国内外发展现状在国外智能家居已经获得长足发展，自世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康捏迪格州出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能家居方案。国际上对智能家庭网络的研究起于20世纪70年代，主要集中在发达国家。由于这些研究都是各国独立进行，并具有不同的目标和市场战略，因此并没有形成统一的标准。20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现了住宅电子化（HE，Home Electronics）

18、的概念；80年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备综合为一体，形成了家居自动化概念（HA，Home Automation）。80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为智慧屋（WH，Wise Home），在欧洲称为时髦屋（SH，Smart Home）。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、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

19、能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系软件配置等。这种“未来之家”家庭智能化系统，真正投放市场尚需时日。目前在新加坡已有近30个住宅小区近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”。近几年，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成，可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修公司已经积累了很多经验。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当前社会的一个热点问题。而国家政府机构及各大信息家电生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能家居的发展提供了一个开放的标准化平台，指明了智

20、能家居研究领域正确的发展方向。目前我国的家庭智能化系统还处于从无到有的初级发展阶段，家庭智能化系统构成形式和手段还没有统一的标准，各大厂家也适时推出了自己的智能家居系统，如科龙集团研制的“智能网络家居系统”，海信的“智能家居控制系统”，清华同方的“e-Home数字家园”等，一时间国内智能家居领域呈现百家争鸣的局面。尽管智能家居在我国起步较晚，但大有风行正健之势。2.3 智能家居网络选择在智能家居系统设计中，在尽可能保持标准统一的前提下，针对各种信号类来选择合适的有线或无线技术并设计控制器就成为智能家居建设的首要问题。同时考虑到它所安装的地点是普通的私人家居并且使用者是普通居民，所以它还具有自身

21、独有的需求和特点，包括安全性、可用性、可靠性、灵活性、易扩展性、使用的方便性、廉价性、标准化以及体积小、重量轻和安装方便等。目前，智能家居网络技术主要包含两类：有线家庭网络技术和无线家庭网络技术。2.3.1 有线家庭网络技术有线家庭网络连接技术的优点在于数据传输的可靠性强，传输速率高，而缺点在于网络体积庞大，灵活性差，且布线复杂，主要应用于早期点对点网络和星型网络的拓扑结构中。有线网的传输介质主要有以下几种：1.双绞线或同轴电缆（以太网线）这种连接建立在IEEE802.3标准的基础上。经过了多次修改之后，该标准实现了在不同的设备制造商之间的互操作性。基于铜介质的双绞线和同轴电缆能够实现信号的双

22、向传输、有着较高的可靠性，因而被广泛地应用在商业企业中，成为办公室计算机和打印机网络的标准选择。建立这样的网络需要大量的五类电缆（CAT 5），造价昂贵，不易安装。2.铜介质双绞线（电话线）这种连接技术利用大多数家庭已有的电话线来实现家庭网络的连接，是一个经济实惠的方案。在一定的条件下，三类电缆（CAT 3）的传输速率可以达到1Mbps，而且，据估计，不久的将来它的传输速率可以达到10M。采用频分复用技术，可以让使用者在察觉不到的情况下，实现数据传输，语音与Internet服务同时工作。“家庭电话网络联盟”（Home Phone Network Alliance）正在开发一系列标准和规范，解决

23、利用电话线实现家庭网络设备的互联和互操作性问题。虽然这一技术充分利用了现有的资源，但是线路在灵活性和带宽方面的限制阻碍了它的进一步推广。通常一般的家庭里没有足够的电话线接口，要在每一个房间或者电话、计算机和其它设备能够触及的地方安装插座也会带来了技术上和成本上的问题。而且，由于电话线路并非为高速数据传输而设计，其衰减和阻抗特性也不能很好地控制。3.交流电力线交流电力线可以连接整个房屋的每一个角落，而且不像某些无线电波或者红外线，难以穿过钢精混凝土地墙壁和地板，很早就作为家庭网络的连接媒介。其中最具有代表性的就是X-10技术，目前，这种技术已是美国占据市场主流的技术，是全球第一个利用电线来控制灯

24、饰及电子电器产品，并将其商业化的成功模式。X-10是以60Hz为载波，再以120KHz的脉冲为调变波，发展出数位控制的技术，并制订出一套控制规格。其数据传输有很高的可靠性，但是，由于电力线本身的噪声和信号输送能力有限，这种技术不适合数据的高速传输，而且也没有任何标准来保证设备之间的互操作。2.3.2 无线家庭网络技术通过上节讨论我们不难发现，实现有线网络的各种传输介质存在着种种弊端。近几年，多家著名IT企业共同合作，推出一个名为“无线家居”的最新家居理念。“无线家居”是未来家居的发展方向，显然能为人们日常生活与商务活动提供更大限度的舒适和方便，并从而开启一个崭新的信息家居时代。在有线方式中，各

25、传感器和控制器的连接通过总线，它的优点是可以简化各功能单元的设计，缺点就是布线多，结构复杂，也存在总线协议设计选择的问题；而相比有线技术，无线技术不仅不存在布线的问题，而且扩展容易，维护以及使用都较简单。从目前的发展趋势来看，无线技术应用于智能家居中有很大的发展空间，一方面微电子技术的发展促使各种SoC（System on Chip，片上系统）的实现，协议的设计和实现都可以通过IC来完成，大大简化了开发和实施的难度。在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络己是势不可挡，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且它更符合于家庭网络的通讯特点，同时

26、随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。目前，市场上的无线技术种类较多，各自的技术性能不同，应用范围及领域也有所不同，其中，应用最为广泛的有以下几种无线技术：1.蓝牙（Bluetooth）蓝牙技术诞生于1994年，Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。1998年，由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等5家公司达成一致，共同推出了蓝牙协议，主要用于通信和信息设备的无线连接。蓝牙协议的标准版本为802.15.1，由蓝牙小组（SIG）负责开发，规定了PHY层、MAC层、网络和应用层等集成协议栈

27、。蓝牙技术采用跳频技术，工作于2.4G ISM波段。与其它2.4G波段的技术相比蓝牙数据包更短，速度更快。采用前向纠错技术抑止了长距离链路随机噪声，应用二进制调频技术的调频收发器来抑制干扰和防止衰落。蓝牙的传输速率为1Mbps，传输距离为0.1-10米，但是通过增大发射功率可将距离增大至100米。能即时组成微微网网络（Piconet），每个微微网可包含至多8个节点，每个节点都可以作为主机和从机。蓝牙技术存在着一定的局限，突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等，使其应用受到一定的限制。2.Wi-FiWi-Fi是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.1

28、1b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。它的工作频率也是2.4GHz频段。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约l1Mb/s的速度接入Web。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi-Fi的连接速度一般只有几百kbps，在建筑物内的有效传输距离小于户外。Wi-Fi网络节点最大个数为32，传输距离为100m。3.红外技术（IrDA）1993年，由20多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA Infrared Data

29、Association），统一了红外通信标准，该标准就是红外技术，它通常采用850mm的红外光传输数据信息，红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代。它的通讯距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps，通讯介质为波长为900纳米左右的近红外线。它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持，通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。主要是用来取代点对点的线缆连接；保密性强；传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。虽然红外技术在网络发展中已形成趋势，但由于其传输

30、距离有限传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的限制。4.智蜂技术（Zigbee）Zigbee联盟成立于2002年8月，由英国lnvensys、三菱、美国摩托罗拉及荷兰菲利浦组成，至今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商加盟。IEEE专门成立了IEEE802.15.4标准工作组致力于定义一种供廉价的、固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。Zigbee是一种短距离无线网络技术，强调低成本、低耗电、双向传输、传感器网络功能等特色。Zigbee传输速度为20k250kbps，并随着传输距离的延长而减慢，较蓝牙的1Mbps慢。Zigbee适用于一些简单、

31、低成本的无线局域网络，耗电低，只要使用两节五号电池即可维持半年或数年间不用换电池，对于一般工业环境或家庭都很适用。图2.1给出了目前热门的几种短距离无线通信技术之间的比较。图2.1 几种无线技术的比较2.4 本章小结本章首先对智能家居系统进行了简要概述，包括智能家居的定义和国内外智能家居系统的发展，接着对智能家居网络技术分有线和无线两方面分别进行了详细的对比介绍，对于智能家居系统来说，采用无线网络不仅为家居智能化提供灵活简便的网络结构，省去了浪费在布线上的人力和物力，并且更符合家庭网络通讯的特点，通过本章的讨论，明确了智能家居网络的组网方式和采用的无线技术。3 Zigbee技术研究3.1 Zi

32、gbee技术的起源及特点Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和嗡嗡（zig）地抖动翅膀的舞蹈来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。Zigbee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（Zigbee）技术标准。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbe

33、e网络是由协调器发起的，每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且利用Zigbee网络远距离传输，数据不会被其它节点所获得。Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大

34、公司外，该联盟大约已有150家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。Zigbe

35、e技术的具体特点如下：1.设备省电-Zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间；2.通信可靠-Zigbee采用了CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带冲突避免的载波侦听多路访问）的冲突避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；3.网络的自组织能力强-Zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接

36、关系，组成结构化的网络；4.自愈功能强-增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。5.成本低廉-设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本，Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信；6.网络容量大-一个Zigbee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个Zigbee网络；7.数据安全-Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能。3.2 Zigbee协议概况和体系结构Zigbee

37、协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。IEEE802.15.4总共定义了3个工作频带：2.4GHz，915MHz，868MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如，2.4GHz频带总共提供16个信道（信道11-26）、915MHz频带提供10个信道（信道1-l0）而868MHz频带提供1个信道（信道0）。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人区域网（Low-rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN），把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标

38、准。IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：1.在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；2.支持星型和点对点两种网络拓扑结构；3.有16位和64位两种地址格式。64位地址是全球唯一的扩展地址，而16位地址是网内通信短地址；4.支持冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA-CA）；5.支持确认（ACK）机制，保证传输的可靠性。IEEE802.15.4 MAC数据包的最大长度为127字节。每个数据包都由头字节和16位CRC（Cyclic Redundancy Code，循环冗余码）值组成。16位CRC值验证帧的完整性。此外，IEEE

39、802.15.4还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有ACK标志位置1的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了。如果发送帧的时候置位了ACK标志位，但是在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。非常重要的是接收到应答仅仅表示帧被MAC层正确接收，而不表示帧被正确处理。接收节点的MAC层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应。Zigbee技术是一种可靠性高、功耗低的无线通信技术，在Zigbee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。

40、每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。Zigbee技术的体系结构主要由物理（PHY）层、媒体接入控制（MAC）层、网络/安全层以及应用框架层组成，Zigbee技术是建立于IEEE802.15.4协议之上的，IEEE802.15.4工作组主要负责物理层和MAC层协议的制定，上层的应用以及开发均由Zigbee联盟负责。其各层之间分布如图3.1所示。图3.1 Zigbee协议各层的隶属关系3.3 Zigbee物理层协议规范物理层的主要工作是启动与关闭无线传输接收器、传输与接收数据、使用频道的选择、在目前频道上做讯号能量侦测、数据调制传输与接收解

41、调、空闲频道评估和针对接收的封包执行链路品质指示。Zigbee所使用的频率范围主要分为欧洲领域内的868MHz、北美领域内的915MHz以及全球范围内的2.4GHz ISM频段。上述频段无线信道个数分别为1、10、16个。通常Zigbee不能同时兼容这3个工作频段，我国规定Zigbee的使用频段为2.4GHz，发射功率范围为0至+10dBm在IEEE802.15.4标准协议中，规定了2.4GHz物理层的数据传输速率为250kbps，它采用16相位准正交调制技术。在调制前，将数据信号进行转换处理，每4位信息比特组成一个符号数据，根据得到的符号数据，将其映射成一个32位的伪随机序列，最后通过半正弦

42、脉冲形式的O-QPSK调制方法，将码元数据调制到载波信号上。3.4 Zigbee MAC层协议规范MAC层处理所有物理层无线信道的接入，在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。Zigbee MAC的主要工作为支持通讯链路的建立与断开，产生网络协调器网络信标(Beacon)信号，使信标讯号同步，运用CSMA-CA，及处理与维护GTS(Guaranteed Time Slots，有保证的时间槽)。此外，MAC的加密子层可支持通讯加密功能。MAC层的多重存取协议有三种不同的模式，即为时槽式(Slotted CSMA-CA)模式、非时槽式（Unslotted CSMA-CA）模式以及GTS模

43、式，其中GTS主要用于紧急情境或周期性讯号的传递。通用MAC层结构，即MAC层协议数据单元(MPDU)包括MAC层帧头、MAC载荷以及MAC层帧尾。在MAC层，有四种类型帧，它们分别为信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。其中，信标帧一般由网络协调器发送，用于回送设备发起的信标请求命令；数据帧用于在两个对等的MAC层传递数据；确认帧用于对要求确认的帧进行回送确认；MAC命令帧用于在对等MAC层执行MAC命令动作。3.5 Zigbee网络层和应用层Zigbee网络层分为两个部分，即网络层数据部分（Network Layer Data Entity，NLDE）与网络层管理部分（Network La

44、yer Management Entity，NLME）。NLDE负责产生网络层协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）与传输所需的路由。而NLME工作包括负责设定Zigbee元件成为网络协调器，或加入或离开已存在的WPAN，启动WPAN寻址，发现临近Zigbee元件，寻找路由路径，与MAC接收启动控制。Zigbee网络层支持星型、簇型和网状型拓扑结构。在星型拓扑结构中，整个网络由Zigbee协调器来控制，由它负责发起和维持网络正常工作，保持同网络终端设备通信，两终端设备不能通信。在簇型和网状型拓扑结构中，Zigbee协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数，同时，也可以使用

45、Zigbee路由器来扩展网络结构。Zigbee应用层由三个部分组成，APS子层、ZDO（包含ZDO管理平台）和制造商定义的应用对象。其中，APS提供了这样的接口：在网络层和应用层之间，从ZDO到供应商的应用对象的通用服务集。这服务由两个实体实现：APS数据实体（APSDE）和APS管理实体（APSME）。Zigbee设备对象（ZDO），描述了一个基本的功能函数，这个功能在应用对象、设备对象和APS之间提供了一个接口。ZDO位于应用框架和应用支持子层之间。Zigbee应用层主要是透过应用层支持子层（APS）与网络层沟通。3.6 本章小结本章主要对Zigbee技术的协议进行研究。首先对Zigbee

46、技术进行了简要介绍，接着分别对Zigbee的各层协议，如物理层协议，MAC层协议，网络层和应用层的主要功能、职责和工作过程进行了介绍，为后续工作的开展提供技术基础。4 基于Zigbee的智能家居无线网络研究4.1 总体设计方案在智能家居系统设计中，针对各种信号类型来选择合适的总线或无线技术并设计主控制器己成为智能家居建设的首要问题。在有线方式中，各传感器和控制器的连接通过总线，它的优点是可以简化各功能单元的设计，缺点就是布线多，结构复杂，也存在总线协议设计选择的问题。针对智能家居中采用有线方式存在的问题，本文探讨了一种采用Zigbee无线通信技术的新型智能家居系统设计方案，系统组成框图如图4.

47、1所示。图4.1 智能家居系统组成框图由图可知，系统主要由智能家居网络控制器主节点，与智能家居设备相连的智能家居网络控制器分节点，每个房间放置的充当路由器的智能家居网络控制器分节点，功能控制驱动模块和相应的家居设备构成。本文采用的是将功能控制模块和通信模块（智能家居网络控制器）分开实现的方案，功能控制驱动模块实现与各种家居设备的接口，并作为家居设备的功能执行机构，其与相应的智能家居网络控制器分节点进行通信。智能家居网络控制器分节点、每个房间放置的充当路由器功能的分节点和智能家居网络控制器主节点组成Zigbee无线通信网络，是整个智能家居系统的通信网络。每个智能家居网络控制器包括一个Zigbee

48、无线收发模块，其中主节点还扩展有GPRS模块，这样用户可以通过互联网和移动电话对家居设备进行远程监控。系统采用该设计方案，可以方便地组建智能家居系统网络，与各个家居设备进行通信，当加入新的家居设备时，只需要对功能控制模块进行相应的修改，当删除家居设备时，也只需要移除相应的智能家居网络控制器分节点。因此该方案具有设计灵活，通用性好，可扩展性好等优点。系统工作流程如下：首先智能家居网络控制器（主节点）建立Zigbee智能网络，各个网络控制器（分节点）随后加入该网络，他们共同组成一个簇状的Zigbee无线家居网络。当需要对某一家居设备进行控制或者监测时，主节点找到与该家居设备相连的分节点的ID信息，并将控制信息发往该分节