无线传感网课程设计.docx
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无线传感网课程设计
无线传感网
课程设计
题目：
基于ZigBee的智能家居系统设计与实现
学院：
计算机科学与技术学院
专业名称：
物联网工程
1.研究背景及意义
随着人们生活水平的提高信息技术的发展，家居越来越智能化。
人们也希望能更加方便的对家用电器进行操作同时对家中的居住环境和安防状态进行监测，享有一个高效，安全，便捷，环保的家居环境，于是智能家居的概念被越来越多的人们提出。
智能家居是一个多功能的综合技术系统,它以家庭住宅为平台,利用计算机、网络、传感、自动化与嵌入式技术,将与家居生活有关的各个子系统如灯光控制、安防预警、家电操作等整合在一起，并通过家居信息管理平台对其进行综合管理，使人们能够方便获取一体化，全方位的家居资源。
国内外的一些技术厂商都在进行市场推广和技术储备，以便在合适的时机退出自己的智能家居产品。
虽然各种产品的功能标准和应用接口不太一样，但是不难想象，智能家居的功能都会基本涵盖一下几个方面：
（1）灯光控制：
不管哪个家庭都会有需要更加方便的对家中灯光进行控制。
（2）家电控制：
为了更加便捷的生活，人们可以在家中方便的对热水器，空调等进行控制，也希望需要时能通过有网路接入的设备对电器进行远程控制，如出差回来的路上打开热水器，回到家可以舒服的洗个热水澡。
（3）安防预警：
居家生活，平安是最大的愿望，通过对家中烟感，入侵等安防信息进行实时监测，免去后顾之忧。
为此设计出一套既有通用性，又可以方便的进行扩展的智能家居系统是前提，我们希望能简化家中控制系统的复杂性，降低安装成本和提高信息传送的安全性，解决实际推广中可能会出现的问题，为智能家居的大规模应用提供一定的借鉴和助推作用，真正的使高效便利的生活触手可及。
2ZigBee
2.1ZigBee技术概述及特点
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个人区域网协议，是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。
ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。
在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层，高层应用和市场推广等工作将由ZigBee联盟负责。
ZigBee技术具有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、安全性高、实现成本低等特点，可以工作在2.4GHz、868MHz和915MHz这3个频段上，分别具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，他的技术特点具体如下：
1、功耗低：
工作非常省电，支持休眠状态；
2、低速率：
ZigBee工作在3个免执照的ISM频段上分别具有250Kb/s（2.4GHz）、40Kb/s（915MHz）、和20Kb/s（868MHz）三种不同峰值数据速率；
3、低成本；
4、组网灵活、网络容量大：
ZigBee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理245个子节点；同时主节点还可由上一场网络节点管理，最多可支持达65000个节点。
5、安全：
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。
6、高保密性：
64位出厂编号和支持AES-128加密。
在ZigBee无线网络协议中定义了两种功能设备：
全功能设备和精简功能设备。
全功能设备FFD（Full-FunctionDevice）可以支持任何一种拓扑结构，主要作为网络协调器和路由器，能够和任何一种设备通信。
精简功能设备RFD（Reduced-FunctionDevice）只支持星型结构，不能成为网络协调器，但可以和网络协调器进行通信，精简功能设备通常嵌入现场设备中使用。
全功能设备之间以及全功能设备与精简功能设备之间都可以通信，但精简功能设备之间不能直接通信，只能与全功能设备通信。
精简功能设备可以通过一个全功能设备向外转发数据，这个与精简功能设备相关联的全功能设备称为该精简功能设备的协调器。
精简功能设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量少，对传输资源和通信资源占用不多，这样精简功能设备可以采用非常廉价的实现方案。
由此可知ZigBee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。
2.2ZigBee的网络拓扑结构
ZigBee技术可以组合出适合不同需求的网络，它有两种网络拓扑结构：
星型的拓扑结构和对等的拓扑结构，如图2.1所示：
[2]
图2.1ZigBee网络拓扑结构图
星型拓扑网络结构有一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个全功能的设备，从设备既可为全功能设备也可为简化功能设备，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理的构造出需要的通信网络。
对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，网状态拓扑网络结构和树簇拓扑结构。
对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网路偶、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应用。
对等拓扑结构可以是基于Adhoc技术的，也可以是自组织式的和自恢复的，并且在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。
其中组网的路由协议，在ZigBee网络层中没有给出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组一个对等网络的路由协议网方式。
一个全功能设备可以扮演三个角色：
协调器（Coordinator）、PAN协调器（PersonalAreaNetworkcoordinator）和设备（device），其中协调器是一个全功能设备，它可以在网络中传递信息，主导信息的流向。
如果一个协调器在一个PAN网络中做主控制器，那我们把它叫做PAN协调器，除此之外就是设备了。
IEEE802.15.4和ZigBee中定义的以上三中角色大体相同，对应的关系如表2.1所示：
表2.1ZigBee与IEEE802.15.4角色对应
ZigBee与IEEE802.15.4中不同角色的对应关系
ZigBee
Coordinator
Router
Enddevice
IEEE802.15.4.
PANCoordinator
Coordinator
device
在一个IEEE802.15.4网络中，无论是哪种拓扑结构，网络总是由PANCoordinator来创建，PANcoordinator控制整个网络，一个被注入PANcoordinator程序（软件）的FFD（硬件）开始工作后，开始着手构建网络，并至少完成以下任务：
（1）给本网络中每个设备指定一个16位或者64位的地址
（2）通过网络发起、结束和传递信息
（3）为本网络选定唯一的PAN网络标识号，这个标识号允许本网络内的设备使用16位的短地址方式，并且可以与其他的独立网络进行通讯。
2.3ZigBee在智能家居中的适用性
当今我们熟悉的短距离无线通信技术有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、UWB、红外等。
他们在不同的领域发挥着他们的特性，相互之间形成互补的作用。
表2.2是几种无线通信技术的对比：
表2.2几种无线通信技术的对比
ZigBee
蓝牙
802．11列
红外
RFID
HomeRF
单点覆盖距离（m）
50-300
10
50（Wi-Fi）
5
1-10
50
网络拓展性
自动拓展
无
无
无
无
有
最大功耗
1~3mW
1~100mW
100mW
10mW
0
50mW
复杂度
简单
复杂
很复杂
简单
复杂
复杂
传输速率
250Kb/s
1Mb/s
1~11Mb/s
1.521,4,16Mb/s
0.212Mb/s
1.2Mb/s
频段
8.68MHz~2.4GHZ
2.4GHz
2.4GHz
820nm
5.8GHz
2.4GHz
网络节点数
65000
8
50
无
无
127
终端设备费用
低
低
高
较低
低
一般
安全性
128bitAES
64bit,128bit
SSID
小角度传输
密钥
50次/秒跳频
集成度可靠性
高
高
一般
一般
一般
一般
使用成本
低
低
一般
低
低
一般
由上表的数据对照综合可知，ZigBee的自动组网、功耗以及成本等方面都比其他的几种无线通信技术在智能家居中更有优势，唯一的竞争是Bluetooth，但ZigBee更简单，速率更慢，功率及费用也更低，且大多数时间处于睡眠模式，更加适用于不需要实时传输或连续更新的场合。
而且ZigBee是当前唯一面向无线传感器网络的技术标准，其网状网组网能力使其应用范围可伸延至数百、甚至数千米的广泛区域，而Bluetooth则只为10~100m范围内的短程网络而设。
就制造成本而言，ZigBee芯片远比Bluetooth芯片便宜，智能家居是ZigBee无线网络的一个主要应用方向，非常适合在组建家庭个人无线区域网。
2.3ZigBee在智能家居中的应用
智能家居是ZigBee无线网络的一个主要应用区域，[4]如图2.2所示ZigBee在智能家居中广泛应用，智能家居中典型的数据速率仅有10Kbps，很多的信息传输都可以用ZigBee。
图2.2ZigBee在智能家居中广泛应用
2.3.1安全系统
一个安全系统可以包括多个传感器，包括运动探测器，玻璃破碎传感器和安全监视器。
这些设备需要通过有线或者无线网络与中心安全面板进行通信，基于ZigBee的安全系统简化了安装和更新的过程。
尽管ZigBee的数据速率很低，但是它仍然可以无线传输图像，传输质量也可以接受。
例如，ZigBee已经被用于无线摄影机系统，用来在家庭门口记录来访者的录像，并将这些录像发送到室内一个专用监视器上。
2.3.2抄表系统
电表需要定期读取数据来获取水电费账单，实现这个目的的一个方法就是在户主的住宅处手动抄表，并将数据录入数据库中。
基于ZigBee的自动抄表系统（AMR）能在居民住宅间建立自形成的无线网状网络，这些住宅的电表都连接到电表公司办事处。
AMR提供了远程监控居民的用电，气和水情况的机会，并且淘汰了人力每月定期上门抄表的方式。
AMR的作用不仅限于传输每月的水电使用数据，它可以收集更加详细的使用信息，自动检测泄露和设备问题，协助入侵检测。
基于ZigBee的无线设备不仅执行监控任务，他们还可以通过和室内的装置通信来管理使用高峰期。
例如，当电量使用激增时，可以暂时关闭ZigBee电热水器一段时间来减少高峰期用电量。
2.3.3灯控系统
电灯控制是在室内或商业建筑中使用ZigBee的一个典型例子。
在传统的电灯安装中，为了实现打开和关闭电灯，必须从电灯到开关扯一根电线。
例如，安装一个新壁灯的时候，需要一条新的到开关的电线。
如果壁灯和开关都配备了ZigBee设备的话，那么电灯和开关之间将不再需要电线连接。
这样，室内的任何开关都可以被指派来打开和关闭一盏特定的电灯。
图2.3是一个墙上开关和电灯间无线连接的例子。
在我们的例子中，电灯位于居民建筑的入口处，居住区和走廊。
入口处的墙上开关可以打开和关闭4盏灯中的任何一盏，相比之下，居住区墙上的开关仅与位于居住区的电灯进行通信。
支持ZigBee的壁灯要比常规的壁灯更贵，但是它的安装费用却较低，因为它不需要额外的电线连接到墙上的开关。
使用无线来遥控电灯已经不是一个新的概念，通过确保较长的电池寿命和来自不同经销商的产品的互操作性，ZigBee提供了在可靠的，低成本的网络中大范围实现这个概念的机会。
除了潜在的成本节省外，在室内，ZigBee电灯还有其他的好处。
例如，嵌入到壁灯内的ZigBee设备可以充当路由器，在房间内转发信息，或者，壁灯可以被编程设计为当电视打开时变暗。
ZigBee灯控机制同样也已经被用于路灯控制。
图2.3墙上开关和电灯间无线连接的例子
3.系统设计与实验方案
3.1系统需求分析
智能家居系统是为了提高人们的生活质量，不但要具有适用性，还要体现出人性与智能的一面，在经历了多年的发展后，使用ZigBee技术组网实现家庭内网，构建家庭网络，以此无线控制家电设备和对安防信息的采集。
系统会有以下几个特点：
（1）系统易操作。
使用方便。
开发出简洁的人机交互界面，界面简洁大方。
（2）多系统支持。
开发出Windows和Linux下的系统控制软件。
（3）多方式控制。
可以在家中使用你的PC机进行现场控制，也可以使用PC机在有网络接入的地方进行非现场控制。
（4）高安全可靠性。
控制信息都是通过加密的防止控制信息被人截取破解后进行随意控制。
（5）信息传输无线化。
采用ZigBee等无线技术作为家庭内网，省去布线带来的额外开销。
3.2系统设计方案
3.2.1系统总体设计概述
居控制系统选择ZigBee技术作为家居内部组网，以方便节点的灵活加入和离开，省去布线的麻烦，并以嵌入式为基础，结合网络，传感器等技术设计出一套简单，易操作，低成本和多方式控制的基于ZigBee的智能家居智能控制系统。
家居内网采用典型的星状网络，即开发出一个PAN协调器来建立和维护整个网络，其他的设备节点根据应用的不同有不同的应用程序。
所有的控制信息都经过了加密处理，防止控制信息被截取后带来的安全隐患。
设计实现了Windows和Linux下的远程控制端，以方便用户多途径方便的控制家中电器设备和对家中安防信息进行监控，远程控制端与集中控制端的连接需要验证用户的控制权限，权限合法后才能进行远程监控，家中的各种安防信息都会在控制软件界面上有着合适的显示。
这样用户就可以实现对家用电器的现场无线遥控操作和安防信息的监控与预警，同时使得有网络接入功能的特定设备可以远程使用本智能控制系统。
[5][6]
以协调器为流程的中心观察点，系统工作的流程如图3.1所示：
图3.1系统工作的流程
3.2.2ZigBee网络拓扑结构及各终端角色
在ZigBee网络中会有星状结构和点对点结构，结合现状综合考虑后，本系统采用星状网络，由一个网络协调器和两个终端设备组成，当一个全功能设备载入了具有网络协调器功能的软件上电后会开始组网，网络层将会请求MAC层对规定的信道或者物理层默认的有效信道进行能量检测扫描，以检查可能的干扰，确定了通信的信道以后就开始确定PANID（PersonalAreaNetworkID个人网络标示符），PANID的出现一般是伴随着信道确定以后，一个网络只有一个PANID，也就是说所有的有相同的PANID的设备组成一个网络，16位的短地址是设备加入网络中分配的，网络中不同设备的通讯一般是由16位短地址来区分的，用来分别设备和发送数据，（当然不同的网络的16位短地址是可以相同的）。
图3.2所示为ZigBee组网流程。
[6][7]
其余的两个终端设备是精简功能设备，一个用于模拟家电控制的，分别模拟灯光、热水器和电视的控制。
另一个终端用于模拟安防信息的采集，分别是烟感，温度和入侵监测。
图3.2ZigBee组网流程
3.3系统实验方案
以系统简单，易操作，低成本和多方式控制为设计目标，针对智能家居的智能化控制问题，本项目设计的基于ZigBee的智能家居智能控制系统实验室模拟方案如图3.3所示
控制系统包含以下控制端：
a.远程控制端（包括PC机和手机等具有网络接入功能的终端设备）
b.集中控制端（接有串口相连的ZigBee协调模块的PC机）
c.家电控制端（有ZigBee无线控制模块的家电设备终端）
远程控制端及集中控制端的连接采用基于TCP/IP协议的C/S软件结构。
当然协调控制端的PC机也有远程控制端同等的控制功能，当加密的命令从远程控制端或者集中控制端发出后，通过串口发送到协调器，协调器通过ZigBee无线发送出去，对应的家电控制端收到命令后对命令进行解析，同时安装有传感器的家电会周期性的把温度，湿度等信息发送给ZigBee协调模块继而转送给用户界面上。
图3.3基于ZigBee的智能家居系统实验室模拟方案
试验方案：
控制系统以家庭PC机为主控制器（家庭服务器），由一个协调器节点、多个路由器节点、多路家电控制（传感器）节点组成，其中命令由协调器节点发出后控制家电，各个传感器节点采集温度、湿度、光照条件等状态通过ZigBee协议与协调器进行数据传输。
为了完成智能家居控制系统的实现，首先需要至少两块带有ZigBee无线模块的开发板，一块用于协调器模块，一块模拟家电终端。
试验方案步骤如下：
首先，完成采用基于TCP/IP协议的C/S结构的远程控制端及协调控制端的连接的安全可靠性，保证只有授权的用户才可以操作和操作命令在网络传输过程中能安全顺利的到达协调控制端。
然后，协调控制端通过串口把命令传输到协调控制节点，
当然，项目的重点和难点在于协调控制节点和路由控制节点的信息传递，需要熟悉ZigBee协议栈并结合应用之。
3.4家电模拟控制及安防信息采集
系统实验的核心功能就是家电的模拟控制和对安防信息的采集。
本节首先介绍使用集中控制端来模拟控制家电，然后介绍对安防信息的采集。
在家电的模拟控制中，要想通过使用串口与PC机连接的协调器向特定的设备发送控制指令，那么首先需要制定一套控制协议，以便协调器解析，所有的控制指令都是一串具有特定格式的字符串。
设备编号
指令类型
指令
说明
附加信息
NUM
TYPE
ORDER
EXP
OTH
用户指令说明：
1）设备编号NUM：
2个字符，表示指令的控制对象或者是指令要求的设备响应编号
2）指令类型TYPE：
1个字符，指令类型有3中，当为字符‘1’时表示部分指向；当为字符‘2’表示全部指向；当为字符‘3’表示探测指令。
3）指令ORDER：
表示指令的具体含义。
4）说明EXP：
对指令的说明，在具体执行的时候没有实际的含义，方便编码和测试时候的时候用。
5）附加信息OTH：
附加信息一般不用，保留待用。
当整个系统启动后，系统各个组成部分进入到待操作状态，此时集中控制端上会有通过串口返回的连接信息：
成功连接协调器，协调器会周期性的处理来自用户的操作。
当用户通过点击界面上的按钮来实现相应的操作时，集中控制端会通过串口向协调器发送相应的操作指令，成功后会触发一个中断，在协调器中的中断服务子程序会根据预先商议的协议解析命令，然后OrderTransfer调用ZigBee的RF功能函数basicRfSendPacket向目标家电终端无线发送指令信息，目标家电终端也会根据协议解析调整家电的状态。
整个家电的控制要求用户在合理的时间范围内适度频率的操作，要求在间隔1秒操作，因为系统不只是要处理家电控制，还要采集安防信息，此外还受到了ZigBee的低数据传输率的限制。
对于安防信息的采集，系统会在5秒钟之内刷新所有的信息。
ZigBee信息采集模块会不间断的对采集的数据进行模数转换，转换后的结果存储在数据缓冲区中，负责安防信息传输的函数会间隔5秒钟打捞缓冲区，然后发送给协调器，协调器通过串口传输给控制端，根据相应的协议进行解析后，用户控制界面上的数据会实时更新。
4.系统功能实现详细介绍
4.1基于ZigBee的无线信息采集与传输
ZigBee是一种高可靠的无线网络，类似于CDMA和GSM网络。
ZigBee数传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。
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。
[8]
在智能家居控制系统中，家居内网采用的是星状网络，当通过串口与PC机相连的协调器上电后会开始组网，组网完成后，此协调器具有控制器的功能，随着另外两个终端设备的加入，系统的家居内网已经完善，开始进行数据的采集与传输。
协调器进行数据的采集与传输流程图如4.1所示：
图4.1协调器进行数据的采集与传输
在星形网络当中数据传输方式有两种：
从一个设备传送到一个协调器以及从一个协调器传送到一个设备，而在同等的设备之间不能传输数据。
要想使得数据从一个设备到另外一个设备，那么首先要解决的事情就是寻址，在网络中的每个设备都需要一个唯一的地址，IEEE802.15.4使用两种寻址方法：
16位短地址和64位扩展地址一个网络可以选择使用16位或者64位的地址。
短地址允许在单个网络内进行通信，使用16位短地址机制可以减少消息长度并能节省所需分配的内存空间。
将唯一的PAN标识符和一个短地址相结合后，可以用做独立网络之间的通信。
64位地址寻址方式意味着网络中的最大设备数可以达到264，因此，IEEE802.15.4无线网络时间上对可以加入网络的设备数是没有限制的。
在本系统中采用的都是16位短地址寻址方式。
4.1.1信息采集与传输的安全性
在一个ZigBee无线家居内网中，发送的消息可能被临近的任何设备接收，包括入侵者。
无线网络中主要有两种安全问题。
第一种是数据的保密，入侵的设备可以通过监听截取发送信息破解后获得敏感信息。
如果在发送之前对消息进行加密可以解决这个保密问题。
在ZigBee中一种加密算法通过使用一种叫做安全密钥的比特字符串来更改一条信息，只有指定的接受者才能给还原原始的信息。
IEEE802.15.4标准支持使用先进加密标准AES（AdvancedEncryptionStandard）来加密他们外发的信息。
第二个安全问题是入侵设备可能会更改和重新发送先前发送的信息之一，即使这些信息加密了，入侵设备在不能破解的情况下可以连续的发送截取的信息，这种垃圾信息也能扰乱系统的正常运行，有一定的破坏作用。
在每个外发帧中加入一个信息完整性代码（MIC）可以使接收者知道信息是否在发送过程中被更改，这个过程叫做数据验证，这种数据验证可以有效的防止垃圾信息扰乱内部网络。
在ZigBee无线网络中使用安全特性的一个主要限制就是资源有限。
网络中的节点主要都是电池供电并且他们的计算能力和内存大小都非常有限。
ZigBee主要是针对低成本应用，硬件节点可能不能防止入侵篡改。
如果一个入侵者得到操作网络中的一个没有防入侵篡改功能的节点，通过一些手段，真实的密码可以被很简单的从设备内存中获取。
一个有防入侵篡改功能的节点在检测到入侵的时候，可以擦除敏感信息，包括安全密码。
4.1.2ZigBee的CSMA/CA机制
在IEEE802.15.4CSMA/CA机制中，网络协调器在网络中，会发出信标给所有的可感应节点，而对于有数据需传送的设备来说，它们会向网络协调器要求进行传送，由于在一个时间内只能有一个设备进行传输，为了避免不良性的竞争，因此所有想要传输的节点设备就会通过CSMA/CA机制来竞争传输媒体的使用权。
所有准备传输数据的设备首先会监测目前的无线传输媒体是否有其他设备在使用中，如果网络为空闲，此时这些设备会产生一个倒退延迟时间，来错开这些设备同时送出数据从而造成碰撞的可能性。
若监测到目前的无线传输媒体是忙碌中的，则这些设备将会在监测到媒体为空闲后，再进行CSMA/CA的竞争。
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