基于Zigbee技术的智能家电控制系统设计.doc

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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 基于Zigbee技术的智能家电控制系统设计摘 要本文采用无线技术进行组建室内家电控制系统网络，使各种家用设施(如照明、家电和室内环境等)通过网络进行互联，体现无线技术的方便和安全。首先，本文在分析了国内外智能家电系统技术现状，针对智能家电系统存在的布线难、造价高、结构复杂等问题，提出采用基于Zigbee无线通信技术的智能家电系统设计方案，进行无线数据的采集和传输。通过对智能家电网络的分析、对比和研究，采用星型网络组建智能家电系统的内部网络；利用TI的射频芯片CC2420 Zigbee模块和Microchip的微控制器PIC18LF4620设计并构架成一

2、种低成本，高灵活性、通用的Zigbee无线智能家电网络。然后，介绍智能家电控制系统的软件部分实现。利用Microchip提供的Zigbee协议，结合具体要实现的功能进行编程。关键词：智能家电；Zigbee；PIC18LF2420；CC2420； The Design of Smart Home Electrical Appliances Based on Zigbee TechnologyAbstractThis article uses the wireless communication technology to carry through the Home electrical app

3、liances network, which makes all kinds of home facility (such as illumination, home electrical and home environment etc.) interconnect, to reflect the convenience and security of the wireless communication technology.First, through the analyze the present status from domestic to overseas contraposed

4、 the problem of hard-routing, high-cost, complex-structure existing in the Smart Home electrical appliances, and proposed a design options by adopting Zigbee wireless communication technology, for the wireless data of gather and transmission.This article on the smart appliance network analysis, comp

5、arison and research, the use of stars to form smart network appliance systems internal network; the use of TIs radio frequency chip CC2420 Zigbee modules and PIC18LF4620 microcontroller Microchip design and architecture into a low-cost, highly flexible, general-purpose network Zigbee wireless intell

6、igent home appliances. And then, this article introduce the smart home appliances control system whose software to achieve, Microchip provides the use of the Zigbee protocol, combined with the functionality to achieve specific program.Key words: Smart Home electrical appliances；Zigbee；PIC18LF2420；CC

7、2420；内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要I第一章 引 言11.1 研究背景11.1.1 智能家电系统的发展现状21.1.2 智能家电控制网络系统特点21.1.3 智能家电的发展方向31.2 智能家电网络技术31.2.1 有线技术41.2.2 家庭无线网络技术41.3 本章小结7第二章 Zigbee组网技术及其协议82.1 IEEE 802.15.482.1.1 IEEE 802.15.482.2 Zigbee体系结构92.2.1 Zigbee简介92.2.2 Zigbee体系结构92.3 控制网络拓扑选择162.3.1 设计原则162.3.2 星型网络结构17第三章 网络

8、控制器的硬件设计193.1 硬件总体设计193.2 主控制器（网络协调器）203.2.1 晶振电路213.2.2 电源电路213.3 Zigbee无线收发模块电路223.3.1 无线芯片介绍233.3.2 射频电路253.3.3 与单片机的接口26第四章 网络控制器的软件设计及调试分析314.1 协调器程序设计314.2 网络的创建和入网324.3 发送消息334.4 接收消息344.5 数据的传输354.6 数据的接收364.7 系统的调试37第五章 总结与展望405.1 本文总结405.2 经验总结405.3 设计展望41参考文献42内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言

9、近年来计算机、自动控制和通信技术的发展，己经深刻地改变了人们的工作方式，极大地提高了企业的生产效率，为社会创造了巨大的财富，相比之下带给个人和家庭生活的好处却十分有限，传统的家居方式并没有因信息时代的到来而产生多大变化.家电产品种类日益增多，分散控制给人们带来了极大的不便。在这样的背景下，人们开始关注居住环境，注重家居环境的安全、健康、便捷和舒适，如何有效地在家居环境内组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，对家电设备进行集中或异地的智能化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流，更好地为人们提供家居环境的各类信息。1.1 研究背景随着人们的生活水平大幅度提高，对生活环境的要求也越来

10、越高，“智能家居”这一概念逐渐进入普通居民的视野，而智能家电作为“智能家居”一个重要组成部分，更是普通居民所普遍关注的问题。数字化、网络化是信息时代的重要特征，自从上世纪八十年代开始，信息化己经开始向社会各领域渗透、发展。从科研、国防到金融、商务直至办公、企业管理。今后几年，社会信息化必然引起家庭信息化，因此，家庭网络化是必然的发展趋势。智能家电控制系统是利用先进的计算机技术、网络技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种家电，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2。与普通家电相比，智能家电系统不仅具有家电的传统功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来

11、的静止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。智能家电控制系统只是智能家居系统的一个部分，它利用智能家居系统的控制网络进行工作。它是将普通家电利用数字技术、网络技术、智能控制技术设计改进的新型家电产品。该系统将家电组成家庭内部网络，同时有能与外部互联网相连接。因此，智能家电控制系统包括两个方面：一是家电之间的互联问题，也就是使不同家电之间能够互相识别，协同工作；二是解决家电网络与外部网络的通信，使家庭中的家电设备进行信息的交换。1.1.1 智能家电系统的发展现状目前，智能家电在发展中遇到了一些问题：系统复杂、

12、价格昂贵、普及率低等，据资料显示，我国的智能家居产业存在没有相关的统一行业标准，各个企业各自为准，导致产品不能相互的兼容；产品的实用性差，操作复杂，供需脱节；价格居高不下。早在70年代，国外便开始研究相关的技术，发展至今有X-10、CEBus、Lon Works、ApBus等。其中发展最成熟的技术、应用最广泛的技术是X-10，其产品以超过5000多种，比如灯光控制、家庭影院等。其在美国的市场占有率是最高的，特点是不需要重新布线、装置成本低、可DIY且技术支持丰富。但其反应速度慢，抗干扰能力差。其工作电压是110伏（美国电压是110伏，中国电压是220伏）。因此，目前我国还处于初级的发展阶段，个

13、大厂家推出了各自的智能家居控制系统，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。1.1.2 智能家电控制网络系统特点本控制系统需要的是低速率、低成本的控制技术。音视频等大数据传输可能需要高速的通信接口来维持，而本网络在于设备的互连和控制功能，不需要高速率的通信技术来支撑。从实用的角度来看，控制系统需要的是能提供更为便利的低成本组网。因此，我们要重点考虑以下特点：(1) 低成本：网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点。(2) 标准化：要求各个家电之间互相通信，标准化十分重要。(3) 自组织：由于用户不能亲身进行系统的配置和管理

14、。因此，网络环境中的电器具备自组织和协同工作是十分必要的。(4) 可自扩展性：系统在不改动的情况下，能够自动进行软件升级和功能扩展。(5) 嵌入式应用：指设备通过嵌入式模块可以直接接入Internet实现信息交换或通过移动通信模块(GSM、GPRS等)直接接入移动通信网络实现远程交互。1.1.3 智能家电的发展方向网络化是未来无线智能家电控制系统的发展方向6，它能提供标准的接口和无线网络互联功能，而且可以通过不同的通信协议来实现。各种家庭互连的无线标准的提出推动了网络无线化和接口标准化的发展，无线互联为人们提供更好的移动便利，而接口的标准化可以使不同厂家产品互相兼容。无线网络技术发展十分迅速，

15、从广域网(Internet、GSMGPRS)到基于IEEE802.11系列的无线局域网(WLAN)、基于蓝牙的无线个人局域网(WPAN)基于Zigbee的低速无线个人局域网(LR-WPAN)3，再加上嵌入式系统的发展，人们可以实现家具设备和微控制器的互连。本文是基于智能家居控制系统的发展方向，提出了一种基于Zigbee技术的智能家电解决方案的设计。该设计实现通过无线个域网对家庭电器进行控制和监控。1.2 智能家电网络技术室内控制网络的实现技术主要解决家庭内部各种家电之间的信息传输，因此，合理选择联网技术就显得非常关键。目前关于室内网络有许多种解决方案，主要是有线和无线方式。有线方式包括电力线载

16、波的X-10和CEBus、以太网的以及专用总线LonWorks等。无线方式包括红外的IrDA、无线局域网的IEEE 802.11系列、家庭射频技术HomeRF、蓝牙的IEEE 802. 15. 1和ZigBee的IEEE 802. 15. 4等。1.2.1 有线技术目前，绝大多数的家庭网络中，仍采用有线技术进行家庭控制网络的组建，大至可以分为以下几种：(1) 电力线交流电力线可以连接整个房屋的每个角落，由于很早就作为家庭网络的连接媒介，因此，X-10技术已发展的十分成熟。这种技术在美国占据着主流的市场，利用该技术可以实现家庭网络的连接，数据传输有很高的可靠性，但是，由于电力线自身的噪声和信号的

17、传输效率等原因，这种技术不适合数据的高速传输，而且也没有技术标准可扩展性较差。(2) 以太网(Ethernet)以太网是需要重新布线的组网技术。它必须采用专门铺设的线缆布网，数据传输率相当高，可达到10Mbps或100Mbps，能够传输电话、数据、视频和家电控制信息，主要用于个人电脑的有线局域网和高速因特网。它的优势在于技术己经十分成熟，以太网的组网设备在市场上可以很容易买到。以太网本身的实现成本并不高，但专门布线需要花大量的费用。(3) 电话线组网电话线组网类似以太网，有可以共享的介质，无需交换机或集线器。同时用户不必在线路上改变，其与以太网设备基本类似但其没有提供足够份额RJ-11接口，这

18、便给设备的扩展带来诸多的不变。1.2.2 家庭无线网络技术随着无线网络技术的发展，人们对家居生活的要求不断的提高，一些著名的IT企业共同合作，推出名为“无线家居”的新理念。“无线家居”是未来的发展方向，在有线方式中，各传感器和控制器的连接都通过总线，其优点是可以简化功能单元的设计，缺点是布线复杂，结构繁复等，而无线技术不仅不存在布线的问题，而且扩展容易，维护以及使用都比较简单。微电子技术的发展促使各种SOC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2。现在，市场上无线技术种类较多，应用范围不同，其中，应用最为广泛的有如下几种无线技术：(1) 家庭无线电射频技术(H

19、ome RF)家庭无线电射频技术无线联网标准是由Proxio、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等发起组建的工作组负责研发的，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。Home RF标准集成了语音和数据传送技术，工作频段为2.4GHz，数据传输速率达到12Mbps，Home RF是对现有无线通信标准的综合和改进。但是，由于技术标准没有公开，仅获得了数十家公司的支持，在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比还存在着不少缺陷，并且后续研发技术升级进展迟缓，在同其他标准协议的竞争中渐渐失利，丧失了其技术的优势地位，有被挤出无线通信标准市场的可能。(2) 蓝牙技术(Bluetoot

20、h)蓝牙技术最初由爱立信创制。1999年5月20日，索尼爱立信、英特尔、诺基亚及东芝等创立蓝牙特别兴趣组，制订蓝牙技术标准。蓝牙用于在不同的设备之间进行无线连接。蓝牙的标准是IEEE 802.15.1，蓝牙协议工作在无需许可的ISM频段2.4GHz。但蓝牙技术的障碍是过于昂贵。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、信息安全问题等等。这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此，业内专家认为，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。(3) RFIDRFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频标记

21、。RFID是一种非接触式自动识频技术，它通过射频信号自动识别对象并获取相关数据。RF专指具有一定波长，可用于无线电通讯的电磁波4，成本过于昂贵。(4) ZigbeeZigbee是一种新的无线连接技术，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网。其名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，即蜜蜂通过跳Zag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。Zigbee技术特点主要包括以下几个部分1、数据传输速率相对较低数据传输速率有20kbps、40kbps、250kbps三种。2、功耗低，设备省电Zigbee技术采用多种节电的工作模式。在低耗电待机模

22、式下，两节普通号干电池可支持长达6个月到2年左右的使用时间。3、成本低因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，并且在的频段是免费的。所以大大降低了成本。4、网络容量大每个Zigbee网络理论上可容纳65536个设备，其网络容量相当可观。5、有效范围小单个设备的有效覆盖范围在10m75m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。6、工作频段灵活(5) 该技术可使用的频段分别有2.4GHz（ISM）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国）其中2.4GHz在工业、科学、医疗方面为全球公用的免费频段。表1.1给出了几种无线技术之间的比较。表1

23、.1 几种无线技术的比较种类Zigbee蓝牙RFIDHomeRF单点覆盖距离50m300m10m1m10m50m网络扩展性自动扩展无无有最大功耗1mW3mW1mW100mW050mW复杂性简单复杂复杂复杂传输速率250Kb/s1Mb/s0.212Mb/s1.2Mb/s工作频段868/915MHz、2.4GHz2.4GHz5.8GHz2.4GHz网络节点数650008无127终端设备费用低低低一般安全性128bit AES64bit, 128bit密钥50s/次集成度和安全性高高一般一般使用成本低低低一般安装使用难用非常简单一般简单一般1.3 本章小结本章首先对智能家电系统作了简要概述，介绍了国

24、内外就发展状况，接着对智能家电网络技术进行介绍，最后得出结论，采用无线网络不仅充分利用了它本身的灵活简便的网络结构，节省了人力和物力成本，并且更符合网络通讯的特点。第二章 Zigbee组网技术及其协议Zigbee是近几年提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。2.1 IEEE 802.15.4 2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组。这个工作组将致力于定义一种廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低成本、低功耗、地速率的无线连接技术。在标准化方面，IEEE80

25、2.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。Zigbee联盟负责网络层及以上层协议。2.1.1 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准是针对于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准。6IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点4：(1) 传输速率有20kb/s，40kb/s和250kb/s三种；(2) 星型对等网络拓扑结构；(3)

26、 设备有16bit短地址和64bit的扩展地址；(4) 保证时障(GTS)的分配；(5) CSMA-C的信道接入；(6) 保证可靠性传输的完全应答机制；(7) 低功率；(8) 能量检测；(9) 链路质量标识；LR-WPAN中含有两种不同类型的设备：全功能设备(FFD)和简单功能设备(RFD)FFD在三种网络频段中可作为整个PAN的网络协调器、路由器或网络中的应用设备。FFD可以和RFD或者FFD通信，而简单功能设备(RFD)只能和FFD通信。RFD设备在网络中主要是一个应用设备，它们相当简单，比如它们可以作为灯的开关或者红外传感器，但不能传输大规模的数据，而且在某一时刻只能和一个FFD相联系。

27、2.2 Zigbee体系结构Zigbee协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层(MAC)和物理层(PHY)。IEEE 802.15.4总共定义了3个工作频段：2.4GHz、915MHz、868MHz。每个频段都提供固定数量的信道。例如，2.4GHz频段总共提供16个信道(信道1126)、915MHz频段提供10个信道(信道110)而868MHz频带提供1个信道(信道0)。符合该标准的解决方案可以嵌入到家庭和楼宇自动化、消费电子产品、工业控制、PC外围、医疗传感器应用以及玩具和游戏当中。2.2.1 Zigbee简介Zigbee技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜的

28、过程中，跳着优美的舞蹈，形成Zigzag的形状，以此来相互交流信息，以便获取共享食物源的方向、距离和位置等信息。又因蜜蜂自身体积小，所需的能量少，又能传送所采集的花粉，因此，人们用Zigbee技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术，中文译名通常为“智蜂”技术。2.2.2 Zigbee体系结构ZigBee体系结构如图2.1所示，以开放系统互联(OSI)7层模型为基础，但它只定义了和实际应用功能相关的层。它采用了IEEE 802.15.4-2003标准制定的物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)作为ZigBee技术底层，ZigBee联盟在此基础之上建立它的网络层(N

29、WK)和应用层框架，这个应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。4图2.1 Zigbee体系结构从图中可以看出，Zigbee技术的协议层结构简单，不同于蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常为7层，而Zigbee技术仅为3层。在Zigbee技术中，PHY层和MAC层采用lEEE802.15.4协议标准，其中，PHY提供了两种类型的服务通过物理层管理实体接口(PLME)对PHY层数据和PHY层管理提供服务5。2.2.2.1 Zigbee物理层协议规范PHY层主要负责处理以下任务4：(1) 无线发射机的激活和关闭；(2) 已有信道的能量检测；(3)

30、 接收分组的链路质量指示；(4) 基于CSMA-CA的空闲信道评估；(5) 信道频率选择；(6) 数据传输和接收。3个频段共有27个信道，编号从026。其中，2.4GHz频段有16个信道 。915MHz频段有10个信道，868MHz频段有1个信道。这些信道的中心频率定义如下：Fc=868.8MHz，k=0； (2-1)Fc=906+2(k-1)MHz，k=1，2，10； (2-2)Fc=24.5+5(k-11)MHz，k=11，12，26。4 (2-3)IEEE802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数

31、据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。图2.2是各物理层各功能实体和服务接入点(SAP)的模型描述：1) PLME：PHY层管理实体，处理与物理层管理相关的原语。2) PHY PIB：PHY层PAN信息数据库，存储物理层PAN相关属性。3) PD-SAP：PHY数据服务访问点，物理层与MAC层的数据接口。接收将要发送的MAC帧、向MAC层报告收到的MAC帧，为MAC层提供PHY数据服务。4) PLME-SAP：PLME服务访问点，物理层与MAC层的管理接口。接收MAC的管理请求原语，向MAC层报告管理指示原语和确认原语，为上层MAC层提供PHY管理服务。5) RF-SAP：射频

32、服务访问点，为PHY层提供射频收发服务。图2.2 物理层参考模型物理层提供两种服务，通过这两种服务接入点(SAP)接入：物理层数据服务(其接入通过物理层数据服务接入点(PD-SAP)、物理层管理服务（其接入通过PLME服务接入点（PLME-SAP）。i. 物理层协议数据单元PPDU在Zigbee物理层协议数据单元PPDU(PHY Protocol Data Unit)数据包格式中，最左边的字段优先发送和接收。在多个字节的字段中，优先发送或接收最低有效字节，而在每一个字节中优先发送最低有效位。同样，在物理层与MAC层之间数据字段的传送也遵循这一规则。ii. 物理层的载波调制Zigbee技术不同于

33、其他无线技术，对于不同的国家和地区，为其提供的工作频率范围不同，Zigbee所使用的频率范围主要分为868/915 MHz和2.4GHz频段。Zigbee设备在三个免许可证的频段分别采取不同的调制和扩频方式。2.4GHz频段物理层采用了16位准正交调制技术，数据的处理过程如图2.3首先将物理协议数据单元(PPDU)的二进制数据中每4位转换为一个符号(symbol)，然后将每个符号转换成长度为32的片序列。在把符号转换为片序列时，用符号在16个准正交的伪随机噪声(PIE序列中选择一个作为该符号的片序列。扩频后，信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。图2.3 频率调制2.2.2.2 Zigbe

34、eMAC层协议规范IEEE802.15.4-2003MAC子层控制使用CSMA-CA机制接入到无线信道。它的职责包括传输信标帧、保持同步提供可靠的传输机制。4MAC层使用PHY层提供的服务实现设备之间数据帧传输，同时MAC层处理高层对物理层PHY层射频信道的所有访问，其主要任务如下：(1) 能产生网络信标(如果设备是协调器)；(2) 同信标保持同步；(3) 支持设备的安全性；(4) 信道接入采用CSMA-CA接入机制；(5) 处理和维护GTU机制；(6) 在对等的MAC实体之间提供可靠传输。MAC层在服务协议汇聚层(SSCS)和物理层之间提供了一个接口。从概念上说，MAC层包括一个管理实体：通

35、常称为MAC层管理实体(MLME)。该实体提供一个服务接口，通过此接口可调入MAC层管理功能。同时，该管理实体还负责维护MAC层固有的管理对象的数据库。该数据库包含了MAC层的个域网信息数据库(PIB)信息。图2.4是MAC层的服务实体和接口。图2.4 MAC子层模型MAC子层提供两种服务，通过两种服务接入点接入。l MAC数据服务，通过公共部分子层数据接入点MCPS-SAP接入；l MAC管理服务，通过MLME-SAP接入。其中数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的服务。MAC层的帧格式和帧类型一个MAC帧通常由MAC

36、层帧头，MAC负载、MAC层帧尾构成。MAC层帧头包含帧控制、帧序列号以及地址域，MAC层帧头中的顺序是一定的；MAC负荷中包含了一些特定帧的信息，它的长度是可变的；MAC层帧尾中包含帧校验序列域(FCS )。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容决定。由于在物理层数据帧中包括了表示MAC帧长度的字段，所以在MAC帧结构中没有表示帧长度的字段。MAC负载长度可以通过物理层帧长和MAC帧头的长度表示出来。IEEE802.15.4标准中共定义了四种类型的帧：信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。具体帧结构请参考文献4说明。2.2.2.3 Zigbee网络层协议规范Zigbee网络层主要功能包

37、括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体(NLDE)通过网络层数据实体服务接入点(NLDE-SAP)提供数据传输服务，网络层管理实体(NLME)通过网络层管理实体服务接入点(NLME-SAP)提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息库(NIB)的维护和管理。如图2.5所示图2.5网络层模型网络层帧的格式，即网络协议数据单元(NPDU)的格式。网络层帧由下列基本部分组成： 网络层帧报头。包含帧控制、地址和

38、序列信息。 网络层帧的可变长有效载荷。包含帧类型所指定的信息。网络层帧格式通常由一个网络层报头和一个网络层有效载荷组成。尽管不是所有的帧都包含地址和序列域，但网络层帧的报头域，还是按照固定的顺序出现。2.2.2.5 Zigbee应用层应用层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体而言包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。应用层由应用支持子层(APS)，Zigbee设备对象(ZDO)及厂商定义的应用对象。应用支持子层(APS)的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。4应用支持子层(APS)的另一作用是设备发现，它能发

39、现在工作范围内操作的其它设备。ZDO的职责是定义网络内其它设备的角色(如Zigbee协调器或末端设备)、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制(如选择公共密钥、对称密钥等)等。厂商定义的应用对象根据Zigbee定义的应用描述执行具体的应用。APS(Application support sub-layer)层主要提供Zigbee端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。它还为键值对(KeyValue Pair KVP)和报文(MSG)数据传输提供了原语。APS层同样也有绑定表。绑定表提供了端点和网络中两个节点间的群集ID对之间的逻辑链路。当首次对协调器编程时

40、绑定表为空。主应用程序必须调用正确的绑定API来创建新的绑定项。2.3 控制网络拓扑选择在整个系统中，总线或网络通信技术是系统的核心部分，其不仅影响整个系统的成本，还与系统的安全性、可用性、可靠性、扩展性有直接的关联。因此本文以下是对系统中的Zigbee无线通信技术网络进行研究。2.3.1 设计原则本文利用家庭内部网络对各种家电进行互连，因此可以利用共享网络资源来大幅度降低成本。采用Zigbee无线通信技术的系统设计必须遵循以下设计原则：1. 提高家庭网络数据传输的可靠性该网络是将各个家电设备组建成网络，使之成为一个有机协调互动的整体，据查阅资料，信号的传输速率可以比较低，一般在数l0Kbps

41、就可满足要求，但是信息传输的可靠性要求比较高。这是因为它传输的信息是各种设备的状态和控制信息，它的错误不仅可能导致设备的非正常工作，而且可能导致设备的损坏。因此网络部分在技术上主要解决的问题是网络结构的选择方案和传输的可靠性。2. 网络具有自组织性，自适用性电器设备位置的频繁更换和网络控制器的瘫痪等，都可能引起网络拓扑结构的变化和网络通信不畅，从而使智能家电系统停止工作等。因此网络应具有自组织性和自适用性，以适应各种复杂的场合。3. 系统具备可扩展性随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，人们开始不太满足短距离控制家居设备，希望能从互联网或手机等远程遥控家居设备，因此系统应具有良好的可扩展性，

42、满足人们功能扩展的需要。由以上的分析可知，一方面系统只要采用星型网络拓扑即可满足控制要求；另一面由于本系统属于智能家居网络的子网络，方便加入整个家居网络。2.3.2 星型网络结构星型网络拓扑结构由PAN主协调器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备(FFD)，从设备既可以是完整功能设备(FFD)也可以是简化功能设备(RFD)，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。在网络通信中，通常把这些设备分为起始设备或者终端设备。在Zigbee应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用电池供电，Zigbee技术的星型网络拓扑结构通常在PC外

43、围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。星型网络的基本结构如图2.6所示，当一个具有完整功能的设备(FFD)第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性，目前，其他无线通信设备的星型网络没有采用这种方式。因此，一旦选定了一个PAN标识符，PAN主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备，还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。图2.6 星型网络基本结构2.4 本章小结本章主要介绍Zigb

44、ee的组网技术，说明Zigbee技术的体系结构，并按各个层进行介绍器具体的协议规范和模型，着重介绍Zigbee所提供的服务及设计所用的帧结构等。接着按照设计遵循的原则进行网络结构的确定，以此来组建家电控制网络。第三章 网络控制器的硬件设计3.1 硬件总体设计建立室内的控制网络，硬件平台是关键基础。它对整个系统的稳定性、低功耗性及可扩展性都有直接的影响。没有硬件平台，应用软件不能在线调试，控制网络的形成更是无从谈起。经过多方面的参阅，决定采用Chipcon的CC2420无线射频模块。无线模块的设计中，采用Microchip Technology推出的PIC18系列单片机作为核心微控制器。微控制器

45、和射频芯片之间使用四线制的SPI方式相互通讯，其中微控制器采用主模式，射频收发器采用从模式。室内家电控制系统的主控制器，也称网络协调器。室内以后需要入网的家电可以在此基础上扩展。室内控制网络系统结构图如图3.1所示，这些模块作为网络中的节点，进行数据传输和控制等通信。图3.1 硬件系统框图 PIC18LF4620是整个系统的控制部分，CC2420是符合IEEE802.15.4的无线收发模块，实现数据的无线发送和接收，通信接口包括常用的RS232和串行总线接口，主要用于与家居设备的接口，完成数据采集，同时还可以与PC机相连，对系统进行调试和监测，电源提供系统电能，晶振提供系统工作时钟信号。3.2

46、 主控制器(网络协调器)硬件处理器采用Microchip Technology的PIC18LF4620单片机，PIC18系列是高性能、CMOS、集成了模数(A/D)转换器的全静态MCU系列。PIC18 MCU采用先进的RISC架构，支持FLASH和OTP器件。PIC18具有增强型内核，32级堆栈和多种内部和外部中断源20。它是一款专为低功耗需求设计的微控制器。它的工作电压只有3.3V，可直接与高频芯片通信。同时具有3986B的RAM，64KB的FALSH。其引脚图如图3.2所示23，主要由以下部分组成：图3.2 PIC18LF4620引脚图1) 20个中断源，1个中断优先使能，可以为中断源分配

47、高或低优先级。2) 36个端口(端口A、 B、 C、D、E)。3) 4个定时器(定时器0可选择为8位或16位，定时器1、3为16位，定时器2为8位)。4) 1个CCP(Capture/Compare/PWM)模块和1个ECCP(Enhanced Capture/Compare/PWM)模块。5) MSSP (Master Synchronous Serial Port)模式的串行口通信以及EUSART(Enhanced Universal Synchronous Receiver Transmitter)串行口通信模式。6) 并行口通信接口。7) 10位A/D(模拟数字转换器)。3.2.1 晶振电路PIC18LF4620有10种不同的晶振工作模式，通过对寄存器FOSC3: FOSCO的配置9，可以选择其中的一种，本系统采用外部晶振振荡模式，其连接图如下：图3.3 晶振电路图3.2.2 电源电路由于本设计采用3.3V供电，所以使用三端稳