基于无线传感器网络的智能家居系统的设计毕业论文设计.doc

1、1Hefei University毕 业 论 文 （ 设 计 ）BACHELOR DISSERTATION论文题目： 基于无线传感器网络的智能家居系统的设计 （硬件部分） 学位类别： 工 学 学 士 学科专业： 电 气 自 动 化 2基 于 无 线 传 感 器 网 络 的 智 能 家 居 系 统 的 设 计 （ 硬 件 部 分 ）中 文 摘 要随 着 电 子 信 息 技 术 和 计 算 机 网 络 技 术 的 发 展 ， 实 现 家 庭 信 息 化 、 网 络 化 是 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

2、、 有 序 、 高 效 的 现代 化 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 针 对 智 能 家 居 网 络 特 点 通 过 对 智 能 家 居 网 络 分 析 、 对 比 和 研 究 ， 采 用 星 状 网络 组 建 智 能 家 居 网 络 ， 对 智 能 家 居 网 络 进 行 了 设 计 与 实 现 。 利 用 CC2430 的 ZigBee模 块 与 各 种 传 感 器 设 计 了 一 种 低 成 本 、 高 灵 活 性 、 通 用 的 ZigBee

3、无 线 智 能 家 居 网络 控 制 ， 并 最 后 完 成 了 实 现 。主 要 内 容 如 下 ： 采 用 Zigbee 技 术 ， 构 建 无 线 传 感 器 网 络 ， 研 究 无 线 传 感 器 网 络的 通 信 机 理 。 以 及 设 计 微 处 理 器 控 制 模 块 ， 通 信 模 块 、 检 测 模 块 等 硬 件 。关键词：ZigBee；智能家居；无线网络；CC2430Design of smart home system based on wireless sensor network(hardware)AbstractWith the development of el

4、ectronic information technology and computer network technology， there is the new trend of the development of smart home system to realize the home informatization， and networking Smart home system can provide more relaxed， orderly， efficient modern way of life， is the inevitable trend of the develo

5、pment of future residential pattern Therefore， smart home system has gradually become a new research fieldPointing to these features of smart home system， in these paper， a method of adopting star network to establish smart home intranet by analyzing， comparing， researching the smart home network is

6、 given The smart home networt is designed and realized， and a kind of low-cost， high-flexibility， conventional wireless intelligent networt controller is accomplished by using CC2430 ZigBee module and other sensorsAs follows： build wireless sensor networks based on Zigbee technology， research commun

7、ication mechanism for wireless sensor networks. And hardware design of microprocessor control module, communication module, detection module， and so on.KEY WORD： ZigBee； smart home； wireless network； CC24303目 录第 一 章 前 言1.1 智 能 家 居 简 介智 能 家 居 是 以 住 宅 为 平 台 ， 利 用 综 合 布 线 技 术 、 网 络 通 信 技 术 、 智 能 家 居 -系

8、统 设 计 方 案 安 全 防 范 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、 音 视 频 技 术 将 家 居 生 活 有 关 的 设 施 集 成 ，构 建 高 效 的 住 宅 设 施 与 家 庭 日 程 事 务 的 管 理 系 统 ， 提 升 家 居 安 全 性 、 便 利 性 、 舒 适 性 、艺 术 性 ， 并 实 现 环 保 节 能 的 居 住 环 境 1。智 能 家 居 是 一 个 居 住 环 境 ， 是 以 住 宅 为 平 台 安 装 有 智 能 家 居 系 统 的 居 住 环 境 ， 实施 智 能 家 居 系 统 的 过 程 就 称 为 智 能 家 居 集 成 。 由 于 智 能 家

9、 居 采 用 的 技 术 标 准 与 协 议 的不 同 ， 大 多 数 智 能 家 居 系 统 都 采 用 综 合 布 线 方 式 ， 但 少 数 系 统 可 能 并 不 采 用 综 合 布 线技 术 ， 不 论 哪 一 种 情 况 ， 都 一 定 有 对 应 的 网 络 通 信 技 术 来 完 成 所 需 的 信 号 传 输 任 务 ，因 此 网 络 通 信 技 术 是 智 能 家 居 集 成 中 关 键 的 技 术 之 一 。 安 全 防 范 技 术 是 智 能 家 居 系 统中 必 不 可 少 的 技 术 ， 在 小 区 及 户 内 可 视 对 讲 、 家 庭 监 控 、 家 庭 防 盗

10、 报 警 、 与 家 庭 有 关的 小 区 一 卡 通 等 领 域 都 有 广 泛 应 用 。 自 动 控 制 技 术 是 智 能 家 居 系 统 中 必 不 可 少 的 技 术 ，广 泛 应 用 在 智 能 家 居 控 制 中 心 、 家 居 设 备 自 动 控 制 模 块 中 ， 对 于 家 庭 能 源 的 科 学 管 理 、家 庭 设 备 的 日 程 管 理 都 有 十 分 重 要 的 作 用 。 音 视 频 技 术 是 实 现 家 庭 环 境 舒 适 性 、 艺 术性 的 重 要 技 术 ， 体 现 在 音 视 频 集 中 分 配 、 背 景 音 乐 、 家 庭 影 院 等 方 面 ，

11、 已 经 引 起 了许 多 国 家 学 术 界 和 工 业 界 的 高 度 重 视 ， 被 认 为 是 对 21 世 界 产 生 巨 大 影 响 力 的 技 术之 一 2。通 俗 地 说 ， 它 是 融 合 了 自 动 化 控 制 系 统 、 计 算 机 网 络 系 统 和 网 络 通 讯 技 术 于 一 体的 网 络 化 智 能 化 的 家 居 控 制 系 统 。 智 能 家 居 将 让 用 户 有 更 方 便 的 手 段 来 管 理 家 庭 设 备 ，比 如 ， 通 过 家 触 摸 屏 、 无 线 遥 控 器 、 电 话 、 互 联 网 或 者 语 音 识 别 控 制 家 用 设 备 ，

12、更 可以 执 行 场 景 操 作 ， 使 多 个 设 备 形 成 联 动 ； 另 一 方 面 ， 智 能 家 居 内 的 各 种 设 备 相 互 间 可以 通 讯 ， 不 需 要 用 户 指 挥 也 能 根 据 不 同 的 状 态 互 动 运 行 ， 从 而 给 用 户 带 来 最 大 程 度 的高 效 、 便 利 、 舒 适 与 安 全 。1.2 智 能 家 居 系 统 组 成智 能 家 居 系 统 包 含 的 主 要 子 系 统 有 ： 家 居 布 线 系 统 、 家 庭 网 络 系 统 、 智 能 家 居（ 中 央 ） 控 制 管 理 系 统 、 家 居 照 明 控 制 系 统 、 家

13、庭 安 防 系 统 、 背 景 音 乐 系 统 （ 如TVC 平 板 音 响 ） 、 家 庭 影 院 与 、 多 媒 体 系 统 、 家 庭 环 境 控 制 系 统 等 八 大 系 统 。 其 中 ，智 能 家 居 （ 中 央 ） 控 制 管 理 系 统 、 家 居 照 明 控 制 系 统 、 家 庭 安 防 系 统 是 必 备 系 统 ， 家4居 布 线 系 统 、 家 庭 网 络 系 统 、 背 景 音 乐 系 统 、 家 庭 影 院 与 多 媒 体 系 统 、 家 庭 环 境 控 制系 统 为 可 选 系 统 。 在 智 能 家 居 环 境 的 认 定 上 ， 只 有 完 整 地 安 装

14、 了 所 有 的 必 备 系 统 ， 并且 至 少 选 装 了 一 种 及 以 上 的 可 选 系 统 的 智 能 家 居 才 能 称 为 智 能 家 居 3。1、 家 居 布 线 系 统对 于 一 个 智 能 住 宅 需 要 有 一 个 能 支 持 语 音 、 数 据 、 多 媒 体 、 家 庭 自 动 化 、 保 安 等多 种 应 用 的 布 线 系 统 ， 这 个 系 统 也 就 是 智 能 化 住 宅 布 线 系 统 。2、 家 庭 安 防 系 统家 庭 安 防 系 统 包 括 如 下 几 个 方 面 的 内 容 ： 门 磁 开 关 、 紧 急 求 助 、 烟 雾 检 测 报 警 、燃

15、 气 泄 露 报 警 、 碎 玻 探 测 报 警 、 红 外 微 波 探 测 报 警 等 。1.3 智 能 家 居 系 统 的 起 源 和 发 展20 世 纪 80 年 代 初 ， 随 着 大 量 采 用 电 子 技 术 的 家 用 电 器 面 市 ， 住 宅 电 子 化（ HE， Home Electronics） 出 现 。 80 年 代 中 期 ， 将 家 用 电 器 、 通 信 设 备 与 安 保 防 灾设 备 各 自 独 立 的 功 能 综 合 为 一 体 后 ， 形 成 了 住 宅 自 动 化 概 念 （ HA， Home Automation ） 。 80 年 代 末 ， 由 于

16、 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 Smart Home， 也 就 是 现 在 智 能 家 居 的 原 型 。 智 能 家 居 概 念 的 起 源 甚 早 ， 但 一 直 未 有 具体 的 建 筑 案 例 出 现 ， 直 到 1984 年 美 国 联 合 科 技 公 司 （ United Techno1ogies Building System） 将 建 筑 设 备 信 息 化 、 整 合 化 概 念

17、 应 用 于 美 国 康 乃 迪 克 州（ Conneticut)哈 特 佛 市 （ Hartford） 的 CityPlaceBuilding 时 ， 才 出 现 了 首 栋 的“智 能 型 建 筑 ”,从 此 也 揭 开 了 全 世 界 争 相 建 造 智 能 家 居 的 序 幕 。1979 年 ， 美 国 的 斯 坦 福 研 究 所 提 出 了 将 家 电 及 电 气 设 备 的 控 制 线 集 成 在 一 起 的 家庭 总 线 （ HOMEBUS） ， 并 成 立 了 相 应 的 研 究 会 进 行 研 究 ， 1983 年 美 国 电 子 工 业 协 会 组织 专 门 机 构 开 始

18、 制 定 家 庭 电 气 设 计 标 准 ， 并 于 1988 年 编 制 了 第 一 个 适 用 于 家 庭 住 宅的 电 气 设 计 标 准 ， 即 ： 家 庭 自 动 化 系 统 与 通 讯 标 准 ， 也 有 称 之 为 家 庭 总 线 系 统 标准 (HBS， Home Bus System)。 在 其 制 定 的 设 计 规 范 与 标 准 中 ， 智 能 住 宅 的 电 气 设 计要 求 必 须 满 足 以 下 三 个 条 件 ， 即 ： 1、 具 有 家 庭 总 线 系 统 ； 2、 通 过 家 庭 总 线 系 统 提 供 各 种 服 务 功 能 ； 3、 能 和 住 宅 以

19、外 的 外 部 世 界 相 连 接 。物 联 传 感 技 术 是 全 球 第 一 个 利 用 物 联 网 来 控 制 灯 饰 及 电 子 电 器 产 品 （ 我 们 现 在 通5称 为 ZigBee 产 品 ） ， 并 将 其 作 为 智 能 家 居 主 流 产 品 走 向 了 商 业 化 。 ZigBee 最 初 预计 的 应 用 领 域 主 要 包 括 消 费 电 子 、 能 源 管 理 、 卫 生 保 健 、 家 庭 自 动 化 、 建 筑 自 动 化 和工 业 自 动 化 。 随 着 物 联 网 的 兴 起 ， ZigBee 又 获 得 了 新 的 应 用 机 会 。 物 联 网 的

20、网 络 边缘 应 用 最 多 的 就 是 传 感 器 或 控 制 单 元 ， 这 些 是 构 成 物 联 网 的 最 基 础 最 核 心 最 广 泛 的 单元 细 胞 ， 而 ZigBee 能 够 在 数 千 个 微 小 的 传 感 传 动 单 元 之 间 相 互 协 调 实 现 通 信 ， 并 且这 些 单 元 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 网 络 节 点 传 到另 一 个 节 点 ， 所 以 它 的 通 信 效 率 非 常 高 。 这 种 技 术 低 功 耗 、 抗 干 扰 、 高 可 靠 、 易 组 网 、易

21、扩 容 ， 易 使 用 ， 易 维 护 、 便 于 快 速 大 规 模 部 署 等 特 点 顺 应 了 物 联 网 发 展 的 要 求 和 趋势 。 目 前 来 看 ， 物 联 网 和 ZigBee 技 术 在 智 能 家 居 、 工 业 监 测 和 健 康 保 健 等 方 面 的 应用 有 很 大 的 融 合 性 。1.4 智 能 家 居 系 统 的 国 内 外 发 展 新 趋 势随 着 智 能 家 居 的 迅 猛 发 展 ， 越 来 越 多 的 家 居 开 始 引 进 智 能 化 系 统 和 设 备 。 智 能 化系 统 涵 盖 的 内 容 也 从 单 纯 的 方 式 向 多 种 方 式

22、相 结 合 的 方 向 发 展 。 但 较 之 于 欧 美 发 达 国家 ， 我 国 的 我 国 智 能 家 居 系 统 起 步 稍 晚 ， 所 以 目 前 市 场 主 流 的 产 品 （ 系 统 ） 还 无 法 很好 地 解 决 产 品 本 身 与 市 场 需 求 的 矛 盾 ， 使 得 智 能 家 居 市 场 的 僵 冰 还 没 有 被 完 全 打 破 ，所 以 很 大 程 度 上 阻 碍 了 智 能 家 居 产 业 的 发 展 。 在 此 情 形 之 下 ， 从 产 品 （ 系 统 ） 的 技 术角 度 上 看 什 么 才 是 解 决 这 个 难 题 的 方 法 ？ 据 市 场 调 研

23、显 示 ， 只 有 智 能 家 居 交 互 平 台 才是 最 好 的 手 段 之 一 。 智 能 家 居 交 互 平 台 是 一 个 具 有 交 互 能 力 平 台 ， 并 且 通 过 平 台 能 够把 各 种 不 同 的 系 统 、 协 议 、 信 息 、 内 容 、 控 制 在 不 同 的 子 系 统 中 进 行 交 互 、 交 换 4。它 具 有 如 下 特 点 ：1、 每 个 子 系 统 都 可 以 脱 离 交 互 平 台 独 立 运 行智 能 家 居 交 互 平 台 中 ， 各 个 子 系 统 在 脱 离 交 互 平 台 时 能 够 独 立 运 行 ， 如 果 楼 寓 对讲 、 家

24、庭 报 警 、 各 种 电 器 控 制 、 门 禁 、 家 庭 娱 乐 等 等 。 个 子 系 统 在 交 互 平 台 管 理 下 运行 ， 平 台 能 采 集 各 子 系 统 的 运 行 数 据 ， 系 统 的 联 动 。2、 不 同 品 牌 的 产 品 、 不 同 的 控 制 传 输 协 议 能 通 过 这 个 平 台 进 行 交 互由 于 有 了 交 互 平 台 ， 不 同 子 系 统 在 交 户 平 台 的 统 一 管 理 下 ， 可 以 协 同 工 作 和 运 行数 据 额 交 换 、 共 享 ， 给 用 户 最 大 限 度 的 选 择 权 ， 充 分 体 现 智 能 家 居 的 个

25、 性 化 。 同 时 ，它 还 具 有 网 关 的 功 能 ， 通 过 交 互 平 台 ， 能 与 广 域 网 连 接 ， 实 现 远 程 控 制 、 远 程 管 理 。具 有 多 种 主 流 的 控 制 接 口 ， 如 RS485、 RS232、 TCP、 IP 等 ， 同 时 可 以 扩 充 添 加 国 内外 流 行 的 控 制 接 口 ， 如 EIB、 lonwork、 CE-bus、 Canbus， 以 及 无 线 网 络 如 ：WiFi、 GPRS、 蓝 牙 等 。 根 据 客 户 及 市 场 的 变 化 不 断 增 加 各 种 总 线 、 系 统 的 驱 动 软 件 和硬 件 接

26、口 ， 丰 富 多 样 的 通 讯 、 控 制 接 口 ， 为 子 系 统 的 多 样 选 择 提 供 的 基 础 保 障 ， 智 能6家 居 有 了 最 大 限 度 包 容 性 ， 用 户 有 了 更 大 的 选 择 余 地 。3、 智 能 终 端 （ 触 摸 屏 ） 仅 做 为 各 子 系 统 的 显 示 、 操 作 界 面整 个 系 统 在 平 台 的 控 制 、 管 理 下 运 行 ， 智 能 终 端 （ 触 摸 屏 ） 仅 做 为 各 子 系 统 的 显示 、 操 作 界 面 ， 多 智 能 终 端 配 置 容 易 可 行 。 同 时 ， 可 以 记 录 各 子 系 统 的 运 行

27、数 据 、 为系 统 运 行 优 化 、 自 学 习 提 供 依 据 。 交 互 平 台 ， 平 台 可 以 记 录 存 储 各 系 统 的 运 行 数 据 ，对 系 统 的 运 行 可 以 提 供 有 效 的 历 史 数 据 ， 同 时 可 以 根 据 历 史 的 运 行 数 据 ， 总 结 出 主 人的 使 用 习 惯 和 某 种 规 律 ， 让 系 统 能 够 自 学 习 。4、 控 制 软 件 可 编 程 （ DIY） ， 提 供 信 息 服 务此 系 统 方 便 用 户 改 变 控 制 逻 辑 、 控 制 方 式 、 操 作 界 面 ， 用 户 的 控 制 逻 辑 、 操 作 界面

28、可 以 自 定 义 、 可 以 DIY。 在 现 代 的 智 能 家 居 系 统 中 ， 信 息 服 务 是 非 常 重 要 的 不 可 或缺 的 部 分 ， 有 了 信 息 服 务 ， 它 给 智 能 家 居 更 多 的 “智 慧 ”、 给 我 们 的 生 活 提 供 更 多的 信 息 和 资 讯 、 给 智 能 家 居 赋 予 更 生 动 的 生 命 ， 它 是 智 能 家 居 更 高 的 境 界 。 信 息 服 务内 容 包 括 ： 健 康 、 烹 饪 、 交 通 信 息 、 生 活 常 识 、 婴 幼 儿 哺 育 、 儿 童 教 育 、 日 常 购 物 、社 区 信 息 、 家 居 控

29、 制 专 家 等 等 ， 智 能 家 居 已 不 仅 仅 是 面 向 控 制 的 系 统 而 是 信 息 服 务 与控 制 有 机 结 合 的 系 统 。5、 多 种 控 制 手 段在 日 常 家 居 生 活 中 ， 为 了 使 我 们 对 家 庭 的 控 制 系 统 能 随 时 掌 控 、 需 要 的 信 息 随 时获 取 ， 操 作 终 端 的 形 式 非 常 重 要 ， 多 种 形 式 的 智 能 操 作 终 端 是 必 不 可 少 如 ： 智 能 遥 控器 、 移 动 触 摸 屏 、 电 脑 、 手 机 、 PDA 等 。智 能 家 居 控 制 器 可 以 为 系 统 提 供 智 能

30、控 制 方 案 ， 使 住 户 的 控 制 更 便 捷 ， 更 高 效 ，更 能 为 家 庭 的 日 常 活 动 节 约 不 必 要 的 能 耗 。 随 着 科 技 的 提 高 ， 经 济 的 发 展 ， 人 们 的 物质 生 活 水 平 的 提 高 ， 对 家 居 环 境 的 要 求 也 越 来 越 高 ， 作 为 家 居 智 能 化 的 核 心 部 分智 能 家 居 控 制 系 统 也 越 发 显 得 重 要 5。1.5 无 线 网 络 技 术所 谓 无 线 网 络 ， 既 包 括 允 许 用 户 建 立 远 距 离 无 线 连 接 的 全 球 语 音 和 数 据 网 络 ， 也包 括 为

31、 近 距 离 无 线 连 接 进 行 优 化 的 红 外 线 技 术 及 射 频 技 术 ， 与 有 线 网 络 的 用 途 十 分 类似 ， 最 大 的 不 同 在 于 传 输 媒 介 的 不 同 ， 利 用 无 线 电 技 术 取 代 网 线 ， 可 以 和 有 线 网 络 互为 备 份 6。 无 线 技 术 也 分 不 同 种 类 ， 通 常 以 产 生 无 线 信 号 的 方 式 来 区 分 ， 目 前 主 要 的方 式 有 调 频 无 线 技 术 、 红 外 无 线 技 术 和 蓝 牙 无 线 技 术 三 种 ， 其 成 本 和 特 点 也 不 尽 相 同 。广 泛 应 用 于 音

32、响 键 鼠 等 各 项 内 容 ， 有 很 好 的 发 展 前 景 。71.5.1 无 线 网 络 的 标 准常 见 标 准 有 以 下 几 种 ： IEEE 802.11a ： 使 用 5GHz 频 段 ， 传 输 速 度 54Mbps， 与 802.11b 不 兼 容 。IEEE 802.11b ： 使 用 2.4GHz 频 段 ， 传 输 速 度 11Mbps 。 IEEE 802.11g ： 使 用 2.4GHz 频 段 ， 传 输 速 度 主 要 有 54Mbps、 108Mbps， 可 向下 兼 容 802.11b 。 IEEE 802.11n 草 案 ： 使 用 2.4GHz 频

33、 段 ， 传 输 速 度 可 达 300Mbps， 目 前 标 准 尚为 草 案 ， 但 产 品 已 层 出 不 穷 。目 前 IEEE 802.11b 最 常 用 ， 但 IEEE 802.11g 更 具 下 一 代 标 准 的 实 力 ，802.11n 也 在 快 速 发 展 中 。IEEE 802.11b 标 准 含 有 确 保 访 问 控 制 和 加 密 的 两 个 部 分 ， 这 两 个 部 分 必 须 在 无线 LAN 中 的 每 个 设 备 上 配 置 。 拥 有 成 百 上 千 台 无 线 LAN 用 户 的 公 司 需 要 可 靠 的 安 全解 决 方 案 ， 可 以 从 一

34、 个 控 制 中 心 进 行 有 效 的 管 理 。 缺 乏 集 中 的 安 全 控 制 是 无 线 LAN只 在 一 些 相 对 较 的 小 公 司 和 特 定 应 用 中 得 到 使 用 的 根 本 原 因 。IEEE 802.11b 标 准 定 义 了 两 种 机 理 来 提 供 无 线 LAN 的 访 问 控 制 和 保 密 ： 服 务 配置 标 识 符 （ SSID） 和 有 线 等 效 保 密 （ WEP） 。 还 有 一 种 加 密 的 机 制 是 通 过 透 明 运 行 在无 线 LAN 上 的 虚 拟 专 网 （ VPN） 来 进 行 的 。SSID ， 无 线 LAN 中

35、经 常 用 到 的 一 个 特 性 是 称 为 SSID 的 命 名 编 号 ， 它 提 供 低 级别 上 的 访 问 控 制 。 SSID 通 常 是 无 线 LAN 子 系 统 中 设 备 的 网 络 名 称 ； 它 用 于 在 本 地 分割 子 系 统 。 WEP ， IEEE802.11b 标 准 规 定 了 一 种 称 为 有 线 等 效 保 密 （ 或 称 为 WEP） 的 可 选加 密 方 案 ， 提 供 了 确 保 无 线 LAN 数 据 流 的 机 制 。 WEP 利 用 一 个 对 称 的 方 案 ， 在 数 据的 加 密 和 解 密 过 程 中 使 用 相 同 的 密 钥

36、 和 算 法 7。 1.6 ZigBee 技 术ZigBee 技 术 是 一 种 近 距 离 、 低 复 杂 度 、 低 功 耗 、 低 速 率 、 低 成 本 的 双 向 无 线 通讯 技 术 。 主 要 用 于 距 离 短 、 功 耗 低 且 传 输 速 率 不 高 的 各 种 电 子 设 备 之 间 进 行 数 据 传 输以 及 典 型 的 有 周 期 性 数 据 、 间 歇 性 数 据 和 低 反 应 时 间 数 据 传 输 的 应 用 。1.6.1 ZigBee 技 术 简 介蜜 蜂 在 发 现 花 丛 后 会 通 过 一 种 特 殊 的 肢 体 语 言 来 告 知 同 伴 新 发

37、现 的 食 物 源 位 置8等 信 息 ， 这 种 肢 体 语 言 就 是 ZigZag 行 舞 蹈 ， 是 蜜 蜂 之 间 一 种 简 单 传 达 信 息 的 方 式 。借 此 意 义 ZigBee 作 为 新 一 代 无 线 通 讯 技 术 的 命 名 。 在 此 之 前 ZigBee 也 被 称 为“HomeRF Lite”、 “RF- EasyLink”或 “fireFly”无 线 电 技 术 ， 目 前 统 称 为ZigBee8。简 单 的 说 ， ZigBee 是 一 种 高 可 靠 的 无 线 数 传 网 络 ， 类 似 于 CDMA 和 GSM 网 络 。ZigBee 数 传

38、模 块 类 似 于 移 动 网 络 基 站 。 通 讯 距 离 从 标 准 的 75m 到 几 百 米 、 几 公 里 ，并 且 支 持 无 限 扩 展 。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 ，在 整 个 网 络 范 围 内 ， 每 一 个 ZigBee 网 络 数 传 模 块 之 间 可 以 相 互 通 信 ， 每 个 网 络 节 点间 的 距 离 可 以 从 标 准 的 75m 无 限 扩 展 。 与 移 动 通 信 的 CDMA 网 或 GSM 网 不 同 的 是 ，ZigBee 网 络 主

39、 要 是 为 工 业 现 场 自 动 化 控 制 数 据 传 输 而 建 立 ， 因 而 ， 它 必 须 具 有 简 单 ，使 用 方 便 ， 工 作 可 靠 ， 价 格 低 的 特 点 。 而 移 动 通 信 网 主 要 是 为 语 音 通 信 而 建 立 ， 每 个基 站 价 值 一 般 都 在 百 万 元 人 民 币 以 上 ， 而 每 个 ZigBee“基 站 ”却 不 到 1000 元 人 民币 。 每 个 ZigBee 网 络 节 点 不 仅 本 身 可 以 作 为 监 控 对 象 ， 例 如 其 所 连 接 的 传 感 器 直 接进 行 数 据 采 集 和 监 控 ， 还 可 以

40、 自 动 中 转 别 的 网 络 节 点 传 过 来 的 数 据 资 料 。 除 此 之 外 ，每 一 个 ZigBee 网 络 节 点 (FFD)还 可 在 自 己 信 号 覆 盖 的 范 围 内 ， 和 多 个 不 承 担 网 络 信息 中 转 任 务 的 孤 立 的 子 节 点 (RFD)无 线 连 接 。1.6.2 ZigBee 协 议 栈 各 层 结 构Zig Bee 协 议 栈 各 层 的 主 要 功 能 模 块 主 要 包 括 PHY 层 功 能 、 MAC 层 功 能 、 NWK层 功 能 、 APS 子 层 功 能 ， 应 用 框 架 AF(APhcationFram， or

41、k)功 能 及 各 类 应 用 对 象 。PDU (ProtocolDataUnit)表 示 协 议 数 据 单 元 。PHY 层主 要 通 过 无 线 信 道 进 行 收 发 数 据 包 PPDU (PHYProtcoloDataUin)t， 以 及 检 测接 收 包 的 链 路 质 量 LQI(Link alitylndication)值 ， 信 道 选 择 ， 信 道 能 量 检 测ED(Energy Detect)和 空 闲 信 道 评 估 CCA (Clear ChannelAssessment)。AMC 层对 从 即 DU 中 提 取 的 淤 DU 进 行 进 一 步 的 处 理

42、， 同 时 ， 还 提 供 AMC 层 数 据 传 输 机制 ， ED、 ACTIVE 和 ORPN 三 种 扫 描 机 制 ， 和 关 联 /退 出 关 联 功 能 。 AMC 层 的 ED 扫 描调 用 PHY 层 的 ED 检 测 实 现 。NwK 层负 责 NPDU 收 发 ， 组 网 管 理 及 信 息 路 由 的 实 现 。 其 中 组 网 管 理 主 要 包 括 网 络 建 立 、9地 址 分 配 、 节 点 入 网 及 节 点 离 网 。 信 息 路 由 则 包 括 路 径 发 现 、 路 径 维 护 、 信 息 单 播 及信 息 广 播 9。1.6.3 ZigBee 的 技

43、术 特 点ZigBee 是 一 种 无 线 连 接 ， 可 工 作 在 2.4GHz(全 球 流 行 )、 868MHz(欧 洲 流 行 )和915 MHz(美 国 流 行 )3 个 频 段 上 ,分 别 具 有 最 高 250kbit/s、 20kbit/s 和 40kbit/s的 传 输 速 率 ， 它 的 传 输 距 离 在 10-75m 的 范 围 内 ,但 可 以 继 续 增 加 。 作 为 一 种 无 线 通信 技 术 ， ZigBee 具 有 如 下 特 点 ：1、 低 功 耗 : 由 于 ZigBee 的 传 输 速 率 低 ,发 射 功 率 仅 为 1mW,而 且 采 用 了

44、 休 眠 模式 ， 功 耗 低 ,因 此 ZigBee 设 备 非 常 省 电 。 据 估 算 ， ZigBee 设 备 仅 靠 两 节 5 号 电 池就 可 以 维 持 长 达 6 个 月 到 2 年 左 右 的 使 用 时 间 ,这 是 其 它 无 线 设 备 望 尘 莫 及 的 。2、 成 本 低 ： ZigBee 模 块 的 初 始 成 本 在 6 美 元 左 右 ， 估 计 很 快 就 能 降 到 1.52.5美 元 , 并 且 ZigBee 协 议 是 免 专 利 费 的 。 低 成 本 对 于 ZigBee 也 是 一 个 关 键 的 因 素 。3、 时 延 短 ： 通 信 时

45、延 和 从 休 眠 状 态 激 活 的 时 延 都 非 常 短 ， 典 型 的 搜 索 设 备 时 延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 (如 工 业 控 制 场 合 等 )应 用 。 4、 网 络 容 量 大 ： 一 个 星 型 结 构 的 ZigBee 网 络 最 多 可 以 容 纳 254 个 从 设 备 和 一个 主 设 备 ， 一 个 区 域 内 可 以 同 时 存 在 最 多 100 个 ZigBee 网 络 , 而

46、且 网 络 组 成 灵 活 。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 。 如 果 传 输 过 程 中 出 现 问 题 可 以 进 行 重 发 。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

47、 和 认 证 ， 采 用 了 AES-128 的 加 密 算 法 ,各 个 应 用 可 以 灵 活 确 定 其 安 全 属 性 。1.6.4 ZigBee 联 盟 及 标 准 制 定ZigBee 联 盟 是 一 个 高 速 成 长 的 非 盈 利 业 界 组 织 ， 成 员 包 括 国 际 著 名 半 导 体 生 产商 、 技 术 提 供 者 、 技 术 集 成 商 以 及 最 终 使 用 者 。 联 盟 制 定 了 基 于 IEEE802.15.4，具 有 高 可 靠 、 高 性 价 比 、 低 功 耗 的 网 络 应 用 规 格 。 ZigBee 联 盟 的 主 要 目 标 是 以 通 过

48、加 入 无 线 网 络 功 能 ， 为 消 费 者 提 供 更 富 有 弹 性 、 更 容 易 使 用 的 电 子 产 品 。 ZigBee技 术 能 融 入 各 类 电 子 产 品 ， 应 用 范 围 横 跨 全 球 的 民 用 、 商 用 、 公 共 事 业 以 及 工 业 等 市场 。 使 得 联 盟 会 员 可 以 利 用 ZigBee 这 个 标 准 化 无 线 网 络 平 台 ， 设 计 出 简 单 、 可 靠 、10便 宜 又 节 省 电 力 的 各 种 产 品 来 。 ZigBee 联 盟 所 锁 定 的 焦 点 为 制 定 网 络 、 安 全 和 应 用软 件 层 ； 提 供

49、 不 同 产 品 的 协 调 性 及 互 通 性 测 试 规 格 ； 在 世 界 各 地 推 广 ZigBee 品 牌并 争 取 市 场 的 关 注 ， 管 理 技 术 的 发 展 。ZigBee 联 盟 对 ZigBee 标 准 的 制 定 ： IEEE802.15.4 的 物 理 层 、 MAC 层 及 数 据 链路 层 ， 标 准 已 在 2003 年 5 月 发 布 。 ZigBee 网 络 层 、 加 密 层 及 应 用 描 述 层 的 制 定 也取 得 了 较 大 的 进 展 。 V1.0 版 本 已 经 发 布 。 其 他 应 用 领 域 及 其 相 关 的 设 备 描 述 也 会 陆续 发 布 。 由 于 ZigBee 不 仅 只 是 802.15.4 的 代 名 词 ， 而 且 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 。 完 全 协 议用 于 一 次 可 直 接 连 接 到 一 个 设 备 的 基 本