1、独创性声明本人声明所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。毕业设计（论文）作者签名： 签字日期： 年 月 日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权天津城市建设学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）毕业设计（
2、论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要近年来人们对生活环境智能、舒适、安全要求越来越高，并伴随着计算机技术、通信技术的发展，智能家居便应运而生。然而随着智能家居的发展，所需要环境监测数据变越来越多，这就需要一种安装便捷，实用并且价格合适产品出现。有线传感器系统需要大量的布线，安装费用高的同时维护也很不方便，并且在一些建筑物中无法布线。随着物联网的发展，zigbee渐渐走入人们的视野。Zigbee低功耗、低成本、低速率的短距离的优点。Zigbee组成的无线传感器网络具有维护成本低、组网灵活、部署方便的特点，仿佛是为了无线智能家具而生的。将zigbee
3、技术与智能家具结合有很好的应用前景。基于此本文选择了zigbee无线通信技术来组件无线智能家具网络。本文组织结构如下：首先，分析了智能家居的发展、以及无线传感器网络的发展，结合智能楼宇的特点，讨论了无线传感器网络在智能家居中应用的优越性。然后介绍zigbee技术，深入研究ZigBee 协议各个通信协议层的结构与功能，在此基础上，选择采用ZigBee 星型网络拓扑模型实现智能楼宇传感器网络系统。然后介绍本设计采用的硬件，硬件采用无线龙 ZigBee 开发套件。ZigBee 网络无线传感器节点采用低功耗微控制器 CC2530，节点采用 96X16 液晶显示，USB 接口，电池供电，具有经济、高效、
4、方便、快捷、可视性、并可重复使用。软件方面，根据 Zigbee 联盟制定的标准，利用德州仪器(TI)推出业界领先的ZigBee 协议栈(Z-Stack)。Z-Stack 装载在一个基于 IAR 开发环境的工程里。经测试，本文的无线节点数据传输可靠，通讯距离满足需求；节点能量消耗少、估算电池使用寿命长，设计实现了能长时间工作的智能楼宇环境监测系统，具有智能化、低成本、低功耗的特点，同时对ZigBee 的其它扩展应用具有参考价值。关键词：环境监测，智能楼宇，无线传感器网络，ZigBee，CC2530ABSTRACTIn recent years, pepole more and more like
5、 a living environment more smart, comfortable, safety and accompanied by the development of computer technology, communication technology, intelligent home have come into being. With the development of the intelligent home, however, the required environmental monitoring data become more and more, wh
6、ich requires an easy to install, practical, and the price is right product. Wired sensor system requires a lot of wiring, installation costs, while maintenance is also very convenient, and in some buildings can not be wiring. With the development of Internet of Things, the zigbee getting into people
7、s vision. Zigbee is low power, low cost, low-rate short-range . Zigbee wireless sensor networks have to maintain a low cost, flexible networking, and easily deployable, as if born to wireless smart furniture. Zigbee technology and intelligent furniture combined with a good application prospect. Then
8、, this article select zigbee wireless communication technology to the components of wireless smart furniture network. The paper is organized as follows:First of all, thisi article describe the development of the smart home, as well as the development of wireless sensor networks. Then combined with t
9、he characteristics of intelligent buildings, to discuss the advantages of a wireless sensor network applications in the smart home. And then introduce the zigbee technology, in-depth study of the structure and function of each communication protocol layer of the ZigBee protocol, and on this basis, s
10、elect the ZigBee star network topology model of intelligent building sensor network system.Then describes the hardware used in this design. Harware use wireless Long ZigBee development kit.Wireless sensor nodes in a ZigBee network using low-power micro-controller CC2530 nodes ,using 96X16 LCD, USB,
11、battery-powered. This kits is economic, efficient, convenient, fast, visibility, and can be reused. Software, according to the standards developed by the Zigbee Alliance, Texas Instruments (TI) introduced the industry-leading ZigBee protocol stack (Z-Stack). Z-Stack is loaded in a works based on the
12、 IAR development environment.Been tested, this design and implementation of intelligent building environment monitoring system has reliable data transmission of the wireless nodes, the communication distance to meet the demand; node energy consumption is low , battery can work long hours. This syste
13、m has intelligent, low-cost, low powerconsumption characteristics. ZigBee expansion application has a reference valueKey words：environmental monitoring, intelligent buildings, wireless sensor networks, ZigBee, CC2530目录本科毕业论文 1基于 zigbee的智能家居系统设计 1XXXXXXX学院 .1ABSTRACT4第 一 章 绪论 61.1 课题研究背景 61.2智能家居的国内外
14、发展现状 .61.3基于 zigbee的无线传感网络的起源与发展 .71.4无线传感器网络和智能家居结合的必要性 .91.5 论文组织结构 10第二章 zigbee 技术介绍 .122.1 短距离无线通信技术对比 122.1.1 zigbee 的技术标准 .122.2.2 短距离无线技术对比 .122.1.2 蓝牙 .132.1.4 IrDA1321.5 Zigbee 132.1.6 ZigBee 技术抗干扰特性分析 142.1.7 小结 152.2拓扑结构 .152.3zigbee协议分析 .162.3.1物理层协议规范 172.3.2 MAC 层协议规范 182.3.3 网络层 192.3
15、.4应用层协议规范 20第三章 硬件设计 223.1 系统总体设计方案 .223.2 核心部件的设计要求 223.2.1 处理器模块 223.2.2 无线通信模块 233.2.3 传感器模块 233.2.4 外围模块 243.2.5 小结 243.3硬件电路设计 .243.3.1 CC2530 简介 .243.3.2 节点设计 263.4.1 温度传感器模块 .30第四章 系统软件设计 334.1 ZigBee无线软件开发平台 .334.1.1 Z-Stack 简介 .33第 一 章 绪论1.1 课题研究背景物联网被称为继计算机之后，世界信息产业的另一个的技术革命，备受各国家研究机构关注。互联
16、网无处不在，智能家居，智能交通，环境监测，政府的工作，物流，快递，酒店管理，医疗保健都有广泛的应用。只要在日常的事物中配置的RFID标签，便可实现与物联网的联通，形成一个庞大的物联网系统。物联网的存在使得即使在千里之外，仍然可以很容易的得到物品的信息。随着物联网概念的提出及相关技术的发展，随着人们对生活的更加舒适、安全、便利、环保得要求提高，智能家居系统成为物联网应用的一个具体领域便成为必然发展趋势。利用物联网技术，可以实现在住宅集成智能建筑、网络通信、环境监测、家电灯光的家庭自动化系统。物联网需要的各种信息技术和手段，结合数字化社区和互联网可以发挥最好的功能就是生命系。在国内的智能家居物联网
17、的概念尚未提出之前，已经将近十年，但智能家居行业的发展是非常曲折，规模仍然是有限的。事情推大力宣传和媒体企业，社会上的智能家居的关注已经达到前所未有的高度。从传统的家庭不同，智能家居是住宅平台，综合布线技术，网络通信技术，安全技术，自动控制技术，音频和视频技术，和相关设施的家居生活一体化，建立高效的住宅设施的日常事务家庭管理系统，提高家庭安全，方便，舒适，美观，环保节能的居住环境。物联网需要各种信息技术和手段，结合数字化社区和互联网，才能发挥处物联网生活的最佳功能。在物联网的概念还未提出之前，智能家居在国内已经有了近十年的历史，但是智能家居行业的发展十分曲折，规模仍然有限。现在由于政府对物联网
18、的极力推崇和媒体商家的大力宣传，社会各界对智能家居的关注达到了前所未有的高度。与传统家居不同的是，智能家居是指以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、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常事务的管理系统，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。智能家居管理系统功能的实现需要获得大量环境数据作为调控基础，这些数据主要依靠各种类型的传感器获得。随着环境监测功能的增多，所需的传感器也越来越多。使用有线传感器组成的监测网络布线量大、安装和维护费用高、不易扩展，并且在部分建筑物的部分位置难以布线。而无线传感器网络具
19、有成本低、安装和维护方便快捷、运作和更新费用低等优点，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息3-6，适合应用于楼宇内的环境监测，正逐步走向实用。1.2智能家居的国内外发展现状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。智能家居概念的起源很早，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
20、筑设备信息化、整合化概念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 又称智能住宅，在国外常用Smart Home表示。自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，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
21、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。目前在新加坡也有近30个社区(住宅小区所5000户的家庭采用了“家庭智能化系统” ，美国己有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”121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己经积累了很多经验。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统己成为当前社会一个热点问题。而国家政府机构及
22、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。1.3基于zigbee的无线传感网络的起源与发展随着通信技术、计算机网络技术和传感器技术的飞速发展和日益
23、成熟，无线传感器网络(WSN Wireless Sensor Network) 成为当今国内外研究的一大热点。无线传感器网络是由大量的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并具有控制、监视、计算等功能。无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的研究投入了极大的热情。在近年来，无线传感器网络发展迅速，技术已逐渐成熟。无线传感器网络(WSN)最早出现20 世纪70 年代的美国，那时美国正处在冷战时期，为了在海底战争中进一步研究反潜战，每年投资1000 万美元，开发出了一
24、套探测上百公里以外的引擎声音的声音监测系统。除海战以外，美国还相应为空军开发了空中预警及控制系统。这些早期的传感器网络都是采用单点对单点的通信手段，分级处理信息，结构简单且费用昂贵。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。目前美国所有著名高校基=几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究，欧洲很多国家也加入WSN的研究工作。Zigbee 技术由于具有低能量消耗、低成本、低速率传输、构建多种网络等优点，被很多公司重视。像TI、Microchip、Ember、OKI、NEC 等都推出基于ZigBee 的开发平台，TI 推出了CC2430 的开发平台、Free
25、scale 则推出MC13192 的评测平台。无线传感器网络技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。国内在传感器网络系统方面的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999 年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域是五大重点项目之一；2001 年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院WSN 的相关工作；2002 年，北京大学、清华大学、南京大学、哈尔滨工业大学等高校的研究机构都开始了传感器网络系统研究；国家自然科学基金已经审批了与WSN 相关的一个重点课题和多项课题
26、，2003 年国家自然科学基金作为面上项目资助，上海市科学技术委员会列为2003 年度第三批重大科研攻关课题。2004 年，将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论)列为重点研究项目，2005 年，将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。2006 年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也部署了WSN 相关的课题。在一份我国未来20 年预见技术的调查报告中，信息领域157 项技术课题中有7 项与传感器网络直接相关。2006 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3 个前沿方向，其
27、中2 个与WSN 的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010 年远景规划和“十五”计划中，将WSN 列为重点发展的产业之一。总体上国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，大部分工作仍是在针对网络协议的设计仿真和实验阶段，而且国内自行研制的无线智能传感节点较少，都是购买Mote 产品进行前期探索，这方面同国外的差距较大。由国内外无线传感器网络的研究现状可见，无线传感器网络系统研究有着巨大的科学意义和应用前景，已经成为当今前沿性的热点研究方向之一，必将成为对21 世纪产生巨大影响力的高新技术之一。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个
28、协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。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。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。目前，市场上存在诸多无线技术，大多数的应用目标旨在提高所传输数据的速率和传输距离。而对于诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，系统所传输的数据量小，传输速率低
29、，系统所使用的终端设备通常为采用电池供电的嵌入式设备，如无线传感器网络，因此，这些系统必须要求传输设备具有成本低、功耗小的特点，针对这些特点和需求，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司及荷兰飞利浦等公司在2002年共同宣布组成Zigbee技术联盟，共同研究开发Zigbee技术。目前该技术已吸引了上百家芯片公司、软件开发商、系统集成商等公司等的加盟，而且，这个技术联盟还在不断地发展壮大1.4无线传感器网络和智能家居结合的必要性目前国内智能家居控制仍多采用传统控制方式，传统控制系统一般是通过有线的方式来组建的，功能需求越多安装越复杂，它具有以下几个弊端： 1.布线复杂，安
30、装空间大2.电缆用量大，浪费材料 3.系统功能固定，扩展性差 4.运行维护成本高，损耗能量 5.移动性能差，且影响美观 随着Zigbee无线通讯技术的发展，智能家居行业能够冲破这种“有线”的束缚，使民众有望体验安装简单、调试维护方便、价格合适的无线智能家居带来的轻松、便捷的生活。随着时间的推移，Zigbee技术将会变得越来越完善，它在智能家居的应用也会变得越来越多，Zigbee无线智能家居将逐渐成为主流。试想一下，家居设备之间不用通过任何“线”的连接，而是通过Zigbee协议连接成一个物联网络进行通讯。在家居空间内，人们在任意地方可以随意地控制家居环境中的设备，享受智能家居带来的惬意和轻松。
31、新一代的无线智能家居网络，将以无需布线和使用相对自由，建立起人们对无线家居设备的全新体验和享受。它组网灵活，成本低廉，消除了开槽、穿墙等繁琐的工作程序，总体费用低；移动性强、扩张性强，可摆脱“线”的限制，在设定的覆盖范围内，用户可轻松接入到家居设备网络系统。无线家居智能家居主要具有以下几点优势特征： （1）维护简单；由于没有复杂的布线，使智能家居的系统维护变得非常简单，无需破坏墙面等设施就可以轻松进行维护。 （2） 无线自动组网；它能实现无线短距离通信传输，感知信息通过自组织联网实现信息传输。自动组网、自主修复的能力。和上一代采用315M射频技术的智能家居系统相比，Zigbee可以实现自动组网
32、，免去主控机和外围设备之间的手动对码的麻烦，大大简化了智能家居系统的调试，是智能家居系统真正实现智能化。 （3）实现双向通讯功能；Zigbee网络具有双向通讯的功能，使安防报警等需要方向通讯的模块可以通过无线接入到智能家居系统，彻底摆脱布线的烦恼。（4）性价比高；无线家居移动灵活、扩张性强，还具有低成本，低功耗的特点，符合“低碳生活”的绿色家居概念。 （5）安装简易；无需复杂的布线，用一种简易的方式实现家庭设备联网，实现“物与物” 、 “人与物”之间的信息交互，进而轻松实现家庭设备控制智能化。1.5 论文组织结构简要介绍了物联网和智能家居的发展，以及二者结合的可能性和发展前景。介绍了基于zig
33、bee技术的无线传感器网络的发展，zigbee无线传感器网络具有低成本、低数率、功耗低的优点，组网灵活方便，非常适合用在智能家居系统当中。介绍了短距离无线技术，并将它们的优缺点经行对比，最后选择zigbee技术应用在智能家居系统当中。介绍zigbee的三种设备以及zigbee的协议分析。第三章介绍了系统选用的硬件系统，介绍了节点电路，传感器器电路、节点的供电电路、USB转串口电路、扩展接口电路等。第四章介绍了系统的软件开发平台，介绍了协调器节点的软件设计流程，终端节点的软件设计流程，介绍了灯光控制器、窗帘控制器的工作方式。第五章介绍了系统调试结果，以及zigbee发展的前景和展望。第2章 zi
34、gbee技术介绍2.1 短距离无线通信技术对比2.1.1 zigbee的技术标准为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人区域网（WPAN，Wireless Personal Area Network）范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙（Bluetooth） 、ZigBee、无线USB（WirelessUSB） 、无线局域网Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等。WPAN标准的IEEE 802.15的任务组TG4，即IEEE 802.15.4标准为核心的zigbee技术标准适用于低功耗、低速率传输、低成
35、本的无线传输和控制系统。国际电工协会IEEE致力于WAPN网络的网络层和媒体访问层的标准化工作，任务组TG1是蓝牙无线标准；任务组TG2是共存组，为所有工作在2.4GHz的IEEE 802.11解决共存问题；任务组TG3是WAPN在多媒体高速率传输和服务品质应用；任务组TG4针对低俗的WAPN而制定，并成为zigbee协议的底层标准。IEEE802.15.4标准适用于低速率数据传输，是zigbee、wireless和MiWi规范的基础，最大传输速率为250KBps，与目前其他成熟的无线技术比较，zigbee的缺点在于理论传输距离不到100米，但是对于家庭自动化范围内的数据采集和控制信号的传输来
36、说，综合考虑低成本、低功耗、合适的距离和速率参数，zigbee是完全可以胜任的解决方案。2.2.2短距离无线技术对比如今无线传输技术已日渐成熟，各种无线技术的特点都各有千秋，因此用户可以根据不同的要求来选择最适合的技术标准。表2-1是目前主流短距离无线网路标准参数的比较：由上表可知，zigbee的传输速率是最低的，最高速率不超过250Kbps，可见很适合为了家庭自动化这类数据量较低的场合；电池寿命最长，是通过zigbee设备大部分都处于睡眠状态，激活工作周期很短来实现低功耗的；网络节点大大超内容 频段 传输距离 速率 协议标准 网络大小 电池寿命Bluetooth 2.4G射频 10m 1Mb
37、ps 802.15.1a 7 较短WiFi 2.4G射频 1100m 11Mbps 802.11b 30 短IrDA 980nm红外 定向 1m 16Mbps 红外协议 2 长Zigbee 2.4G射频 1100m 20250 K 802.15.4 255/65536 最长过其他短距离传输技术。虽然与蓝牙、WiFi同处于2.4G频段，但是并不会相互间产生干扰。 2.1.2蓝牙蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现
38、相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。蓝牙协议的标准版本为802.15.1，由蓝牙小组（SIG）负责开发。802.15.1的最初标准基于蓝牙1.1实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵，这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。 2.1.3 Wi-Fi技术802.11Wi-Fi(Wireless Fidelity)即无线保真技术是另一种目前流行的技术。它使用的是2.4GHz附近的频段。Wi-Fi基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和IEEE8
39、02.11n。不仅传输的有效距离很长，而且速率还高达上百兆，与各种802.11DSSS设备兼容。目前最新的交换机能把Wi-Fi无线网络从接近100米的通信距离扩大到约6.5公里。另外，使用Wi-Fi的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点” ，并通过高速线路即可接入因特网。2.1.4 IrDAIrDA(InfraredDataAssociation)是点对点的数据传输协议，通信距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps，通信介质为波长900纳米左右的近红外线。其传输具备小角度(30度锥角以内)，短距离，直线数据传输，保密性强，传输速率较高的特点，适
40、于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的使用权，成本低廉。IrDA已被全球范围内的众多厂商采用，目前主流的软硬件平台均提供对它的支持。IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而只适用于2台(非多台)设备之间的连接。21.5 Zigbee紫蜂(ZigBee)技术，新一代的无线传感器网络将采用802154(ZigBee)协议。ZigBee是一种供廉价的固定、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，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。 Zigbee技术的特点主要有：(1)
41、低速率：ZigBee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps(24GHz)、40kbps(915MHz1和20kbps(868MHz)I原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。(2)低时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要-10s，WiFi则需要3s。 (3)低功耗、实现简单：设备可以在电池的驱动下运行数月甚至数年。低功耗意味着较高的可靠性和可维护性，更适合体积小的大量日常应用。 (4)低成本：对用户来说，低成本意味着较低的设备费用、安装费用和维护费用。ZigBee设备可以在标
42、准电池供电的条件下，而不需要任何重换电池或充电操作(低成本、易安装)。(5)网络容量高：ZigBee通过使用IEEE 802154标准的PHY和MAC层，支持几乎任意数目的设备，这对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。ZigBee技术的应用范围非常广泛，其中包括智能建筑、军事领域、工业自动化、医疗设备、智能家居及各种监察系统等。ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。2.1.6 ZigBee 技术抗干扰特性分析在人们享受方便快捷的时候，这些技术的电磁兼容问题日益凸现。由于这些技术均选择了2.4GHz（2.42.483GHz
43、）ISM 频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤， 2.4GHz 频段日益受到重视，原因主要有三：首先它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性；其次，它整体的频宽胜于其他ISM 频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存；第三就是尺寸，2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小。虽然每一种技术标准都进行了必要的设计来减小干扰的影响，但是为了能让各种设备正常运行，对他们之间的干扰、共存分析显然是非常重要的。 ZigBee 技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。
44、ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与Wi-Fi、蓝牙、WirelessUSB以及家用的无绳电话和微波炉共存。 IEEE802.15.4标准中提供了很多机制来保证ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。 IEEE802.15.4物理层在碰撞避免机制（CSMA/CA）中提供空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment）的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment）IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制（CSMACA
45、）中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。DSSS ZigBee芯片数字高频部分，采用了直接序列扩频（DSSS）技术，不仅能够非常方便的实现802.15.4短距离无线通讯标准兼容，而且大大提高了无线通讯的可靠性。CSMA/CA即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（with Collision Avoidance） 。一方面，载波侦听-查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞-通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。 。2.1.7 小结由上述分析可知Zigbee技术的出现仿佛是天生为无线智能家居准备的。在住宅
46、最多100米有限范围内，家庭安防、灯光控制、窗帘控制、环境监控等实用智能家居控制网络非zigbee莫属。引以为豪的低功耗，使电池的使用寿命可以达一年之久。20250Kbps的传输速率足够满足各种数据和控制信息的传输。较低成本味着较低的设备费用、安装费用和维护费用。2.2拓扑结构ZigBee规范定义了三种类型的设备：ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。协调器负责网络正常工作以及保持同网络其它设备的通信。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转
47、发到其它设备。ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。ZigBee终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备，它的存储器容量要求最少，其可以实验ZigBee低功耗设计。上述的三种设备根据功能完整性可分为全功能(FFD)和半功能(RFD)设备。其中全功能设备可作为协调器、路由器和终端设备，而半功能设备只能用于终端设备。一个全功能设备可与多个RFD设备或多个其它FFD设备通信，而一个半功能设备只能与一个FFD通信。网络拓扑结构决定了消息的传播是如何从一个节点路由传输到其他相邻节点的。Zigbee支持星
48、型、树型、网络型拓扑：星型网络是通过中心节点向周围邻近节点传递消息，中心节点是协调器，周围节点是终端节点，整个网络只有一个核心，结构简单；树型网络使用一个分级路由策略在网络中传递数据和控制信息，每一级的父节点是上一级的子节点，就像树叶一样繁衍，消息传递时先向父节点汇合，然后向下一级传播；网状网络与树型网络不同之处在于它的某些枝叶之间可以相互连接，因此更加复杂多变。三种网络拓扑如下图2-2所示2-2网络拓扑2.3zigbee协议分析ZigBee基础是IEEE 802.15.4，它是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE 802
49、.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee不只是802.15.4的名字，IEEE 802.15.4 定义了最低两层：物理层和MAC 层，位于最低层，且与硬件相关；ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)，建立在PHY 和MAC层之上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来极大的方便。2-3ZigBee 协议栈框架图2-3为ZigBee协议栈结构图，从图中可以看出，ZigBee协议栈由一组子层构成，不同层之间通过服务接入点(SAP)进行通信。SAP是某一特定层提供的服务，是用于下层与上层之间进行互访的接口。为实现必需的功能，每一个SAP都支持很多服务原语。ZigBee协议栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。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。2.3.1物理层协议规范物理层定义了物理无线信道和 MAC 子层之间的接口，还提供物理层管理服和物理层数据服务。物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库，物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。数据服务接入点P
