智能家居zigbee协议研究.docx

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智能家居zigbee协议研究

毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

物联网应用中ZigBee协议研究

姓名谢军帅

学号10150101041

院系物理与电子工程系

专业物理学

年级2010级

指导教师申小萌

2014年4月12日

目录

内容摘要1

关键词1

Abstract1

Keywords1

1.引言2

1.1选题背景及研究意义2

1.2物联网的概述2

1.3网络通信协议3

2.ZigBee协议研究5

2.1ZigBee协议概述5

2.2ZigBee网络拓扑结构概述6

2.3ZigBee协议详解8

3.基于ZigBee协议的智能家居13

3.1智能家居系统架构概述13

3.2智能家居系统构想14

3.3智能家居系统的前景及意义16

4．结论与展望17

参考文献18

致谢20

内容摘要：

物联网的出现让我们的生活变得更精彩，一个安全的、有效地、快捷的网络协议十分重要，ZigBee网络协议具有组网灵活方便、成本低廉、能量消耗低等特点，所以WSNs通常采用该网络协议作为其无线通信标准。

本文就基于ZigBee协议的物联网的形成来详细的解析ZigBee协议的优劣，以及ZigBee协议对物联网的影响。

以基于ZigBee协议的物联网形成的智能家居系统为例分析其广泛的应用前景和实际意义。

关键词：

物联网ZigBee协议WSNs智能家居系统

Abstract:

TheemergenceoftheInternetofthingstomakeourlifemorecolorful,Asafe,effectiveandfastnetworkprotocolisveryimportant,ZigBeenetworkprotocolhasflexiblenetworkconvenient,lowcost,lowenergyconsumption,SoWSNsusuallytakesthenetworkprotocolasitswirelesscommunicationstandard.Inthispaper,basedontheZigBeeprotocoloftheformationoftheInternetofthingstodetailedanalysisthemeritsoftheZigBeeprotocol,andtheinfluenceofZigBeeprotocolfortheInternetofthings.BasedontheZigBeeprotocolsmarthomesystemofInternetofthingsasanexampletoanalyzeitsextensiveapplicationprospectandpracticalsignificance.

Keywords:

InternetofThingsZigBeestackWSNsSmartHomeSystem

1.引言

1.1选题背景及研究意义

物联网的概念最初来源于在1999年建立的自动识别中心的美国麻省理工学院MIT提出的网络无线射频识别系统：

把互联网与所有物品通过射频识别等信息传感设备连接起来，实现智能化识别和智能化管理。

“物联网”的概念在2005年国际电信联盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）基尼斯举行的信息社会世界峰会上正式确定了，并随后发布了《ITUInternetreports2005—theInternetofthings》，介绍了物联网的特性、相关的技术、未来的市场机遇和面临的挑战。

ITU在报告中指出，我们正站在一个新的通信技术时代的边缘，信息与通信技术的目标已经从满足人与人之间的交流沟通，发展到实现人与物、物与物之间的无线连接，无所不在的物联网通信时代即将来临。

物联网使我们在信息技术与通信技术的世界里获得一个崭新的沟通维度，将任何时间、任何空间、连接任何人，扩展到连接任何具体的物品，万物之间的连接就形成了物联网。

ITU报告提出的物联网，被看作信息领域一次重大的发展和变革机遇，在全球范围内得到了关注与重视。

很多发达国家都将物联网作为新兴的技术产业，并且出台战略措施予以落实。

一个可靠并且能量有效协议栈的开发对于支持多类型WSNs（无线传感器网络WirelessSensorNetworks）应用具有重要意义。

而面向不同的应用领域，网络内部可能由数百甚至是上千的节点组成。

传感器每个节点通过协议栈可以用多跳的形式将信息传递给Sink节点。

所以就通信而言，协议栈必须能量有效。

在目前，WSNs通信协议栈研究的重点主要集中在数据链路层、网络层、传输层和它们彼此之间的跨层交互。

ZigBee协议以一种低速率网络标准的开发为目标，由2004年推出ZigBee1.0版本规范以来，ZigBee协议的各种各样的修订版本相继发布，这使ZigBee网络更加安全可靠、灵活简单、可扩展性更强，使其特点充分发挥。

1.2物联网的概述

物联网使我们在信息技术与通信技术的世界里获得一个崭新的沟通维度，将任何时间、任何空间、连接任何人，扩展到连接任何具体的物品，万物的连接就形成了物联网。

通过各种传感器来采集目标内的设备、人员及环境信息，利用ZigBee无线网络将收集到的上述各种信息接入物联网网关，再由网关将这些具体的信息转发到互联网中的服务器，用户通过手机的浏览器、计算机上的浏览器和客户端软件登录服务器就可以实时查询各个子系统的信息，继而控制家居设备的运行，从而构建了一个基于物联网的智能家居系统。

目前，基于研究者对物联网思考所的起点各异，对物联网的描述侧重点不同，短期内还没有达成共识，继而有几个具有代表性的物联网定义：

定义1：

由具有标识、虚拟个性的对象所组成的网络，这些标识和个性运行在智能空间，使用智慧的接口与环境、社会和用户的上下文进行连接和通信。

定义2：

物联网是未来网络的整合部分，它是以标准、互通的通信协议为基础，具有自我配置能力的全球性动态网络设施。

在这个网络中，所有实质和虚拟的物品都有特定的编码和物理特性，通过智能界面无缝链接，实现信息共享。

定义3：

物联网指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行通信和信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。

简单的物联网模块如下图1-1所示。

图1-1物联网模块

1.3网络通信协议

要保证物联网的安全和保密性，一个能量有效并且可靠的协议栈的开发研究对于支持多类型WSNs（WirelessSensorNetworks无线传感器网络，是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式。

）应用具有重要意义。

面向不同的应用，网络内部可能由数百甚至上千的节点组成。

每个传感器节点通过协议栈以多跳的形式将信息传递给Sink节点。

因此，就通信而言，协议栈必须能量有效。

目前，WSNs通信协议栈研究的重点集中在数据链路层、网络层、传输层以及它们之间的跨层交互:

<1>数据链路层通过介质访问控制来构建底层基础结构，控制节点的工作模式。

<2>网络层的路由协议决定感知信息的传输路径。

<3>传输层确保了源节点和目的节点处数据的可靠性和高效性。

下面是几种常见的网络协议：

（一）IEEE802.15.4协议是国际无线电委员会定义的底层通信协议，1998年3月，IEEE标准化协会正式批准了IEEE802.15.4工作组，其目标是为个人操作空间内相互通信设备提供通信标准，其目标是低能量消耗、低成本、低速率传输。

（二）6LoWPAN协议：

IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6over802.15.4）工作组，它规定了6lowPan技术底层采取IEEE802.15.4的MAC层以上采取IPv6协议栈。

（三）ZigBee协议是在底层协议IEEE802.15.4的基础上，增加了一些应用层，网络层应用信息，起到了扩充细化IEEE802.15.4协议的作用。

ZigBee协议以低速率网络标准的开发为目标，之后ZigBee联盟和IEEE委员会也加入进来，而这项技术的商业名称就是ZigBee。

目前，两百多家成员公司组成了ZigBee联盟，他们正在积极进行ZigBee规范的制定以及改进工作。

国际电信联盟ITU将射频识别技术、纳米技术、传感器技术、智能嵌入式技术列为物联网技术的关键技术。

目前，物联网所要解决的主要问题之一是底层异构网络与互联网之间的相互融合。

2.ZigBee协议研究

2.1ZigBee协议概述

ZigBee联盟由荷兰菲利浦及美国摩托罗拉等公司于2002年8月牵头成立，至今己吸引了数百家无线设备及芯片制造商加盟。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准而制定的一种低功耗、短距离的无线个人网络通信协议。

它具有近距离、自组织、低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率的特点，适合远程控制和自动控制领域，可以嵌入各种设备以实现设备之间的组网。

简而言之，ZigBee就是一种低功耗的、廉价的近程无线组网技术。

ZigBee的传输速度一般为20k～250kbps,并切传输距离越长速率会越缓慢。

所以ZigBee适用于一些低成本、简单的无线局域网络。

同时，ZigBee设备耗电低，早期主要用于工业环境，但在智能家居中也同样适用。

ZigBee是一种新兴的短距离的、低速率的无线网络技术，是一种可靠的无线数据传输网络，主要用于近距离的无线连接。

ZigBee是一个由几百个到多达65000个无线数传模块组成的一个无线数据网络平台，类似于移动通信的CDMA和GSM网络。

ZigBee数传模块则类似于移动网络基站。

通讯距离从标准75米到几百米甚至几千米，并且支持无限扩展。

ZigBee具有组网灵活方便、低成本、能量消耗低等特点，所以WSNs一般采用该网络协议作为无线通信标准。

ZigBee的宗旨是在保证数据传输质量的基础上达到较小的功率消耗。

虽然ZigBee本身采取了一些方法来降低能耗，比如避免冲突、防碰撞机制、超帧结构的载波检测等多路接入技术。

但目前的研究成果都已证实很多现有的协议都没有将技术的优点完全发挥出来，所以研究人员追求的目标一直是如何尽可能地降低网络能量消耗。

ZigBee的基础是IEEE802.15.4协议，并且扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。

目前对于IEEE802.15.4的物理层研究还比较薄弱，几乎没有协议改进的研究。

IEEE802.15.4媒体接入控制层的研究重点是解决精确同步、隐藏节点、异步唤醒、竞争管理策略等问题。

当然，研究的核心依然是如何节约能量。

目前对于ZigBee网络层的研究相对较少，暂时还没有形成相对成熟的理论体系，大多的研究也只局限于对现有协议的分析以及完善，几乎所有的研究依然是围绕节约能量展开工作的。

由于目前的研究大部分是针对协议本身，内容相对来说很庞杂，所以很难有一个系统的分类。

文献提出了一个短径树路由协议，通过使用ZigBee协议中规定的邻居表内容来减少路由费用，进而减少能量的大量损耗。

由研究了ZigBee网络中树路由算法，并提出了一个基于邻居表的改进树路由算法，该算法在一定程度上可以解决树路由原有算法的不灵活的缺点，提高了路由效率，节省了地址空间。

对于ZigBee网络层，目前和未来的研究方向的重点集中在进一步的降低网络能耗，延长网络使用寿命等路由算法方面。

2.2ZigBee网络拓扑结构概述

为了满足应用的需要ZigBee网络可采用两种网络拓扑结构：

星型拓扑结构和端对端拓扑结构。

在终端设备和中心协调器（PANcoordinator）之间可以实现通信。

终端设备具备一些特定的功能，如检测室内煤气浓度，记录室内光照强度等，其在通讯中作为通讯的发起者、结束者或者同时扮演发起者和结束者。

而协调器PAN可能也会有一定的特殊功能，例如担任一些信息采集与控制，所以它可以发起或者结束一个通讯过程，也可以作为一个协调者，它还可以在网络中为其他的通讯设备安排通信路径。

在个人区域网络中，协调器是个重要的控制模块。

其网络中有两个设备类型：

FFDRFD

<1>FFD:

FullFunctionalDevice，可作为协调器、路由器或端设备，全功能设备，具有全部的通信功能。

<2>RFD:

ReducedFunctionalDevice，端设备，精简设备，具有部分的通信功能。

FFD设备之间以及FFD设备和RFD设备间都可以通信，RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备之间通信或通过一个FFD设备向外传输数据，则这个与RFD相连的FFD设备被称为该RFD设备的协调器。

下面我们将具体介绍下两种拓扑结构。

（1）星型拓扑结构

如图2-1所示，首先一个FFD设备启动，它就能建立自己独立的网络并随之成为网络的协调器。

在这个协调器覆盖范围内，通过选择、区别与其他的已经存在的星型网络的独立的ID，使同一区域内的星型网络都能够独立的、毫无冲突的运行。

一旦某个网络标示被选定，那么协调器就会允许潜在的RFD设备和FFD设备加入自己的网络。

图2-1星形结构

（2）端对端拓扑结构

如图2-2所示，在端对端拓扑结构中，每一个独立的设备都可以和在它无线电信号影响范围内的任意一个其他设备之间相互通讯。

一般来说借助与网络的第一个发起会话的设备来构建网络并设定这第一个设备为中心协调器。

以端对端拓扑结构为基础我们还可以建立其他更多的网络结构：

例如如树状拓扑结构和网状拓扑结构。

图2-2端对端拓扑结构

2.3ZigBee协议详解

ZigBee协议栈是以OSI（OpenSystemsInterconnection）七层结构为参考建立起来的，为了简化协议栈，ZigBee协议由4个层结构组成如图2-3所示：

物理层、介质接入控制层、网络层和应用层。

其中的物理层和控制层是借用的IEEE802.15.4标准定义的物理层和控制层。

而网络层以及应用层则是由ZigBee联盟自行定义的。

每一层结构负责实现协议中的某一个具体部分，并为上一层协议提供服务和支持：

数据实体则是为协议提供数据服务，管理实体则是为协议提供其他服务。

服务实体则通过接入点提供上层构架所需要的服务。

下面我们就分开介绍各层：

图2-3Zigbee协议组

（1）物理层

ZigBee协议的物理层是直接继承于IEEE802.15.4的物理层，其主要功能是：

启动和关闭无线电收发机、当前频道内的能量监测、接收包连接质量指示、为CSMA-CA确认清除频道、数据传输、频道频率选择和接收。

协议定制的27条信道按频段可分为3种：

<1>2.4GHZ频段，传输速率为250Kb/s，信道间隔5MHz全球通用。

<2>915MHZ频段，传输速率为40Kb/s，信道间隔2MHz适用于美国。

<3>868MHZ频段，传输速率为20Kb/s，信道间隔适用于欧洲。

同时ZigBee协议还对这三种27条信道进行了编号，划分为0--26号：

<1>11～26号剩下的16条信道属于2.4GHz频段。

<2>1～10号共10条信道属于915MHz频段。

<3>0号仅一条信道属于868MHz频段。

（2）介质访问控制层（MAC层）

ZigBee协议中的控制层同样也是继承于IEEE802.15.4的控制层--MAC层。

MAC层负责维护物理无线电频道的接口，主要任务是：

对于协调器要负责产生网络信标、对网络信标进行同步、维护设备安全、维护个人局域网的加入和离开、处理与维护GTS机制和在MAC实体内部保证可靠的连接等。

如图2-4所示，MAC层由数据服务实体和管理实体共同组成：

<1>向上通过MAC层数据服务接口和MAC层管理服务接口与网络层相连。

<2>向下通过物理层数据服务接入点和物理层管理服务接入点与物理层相连。

物理层和网络层的MAC层层管理命令分别通过物理层管理服务接入点和MAC层实体服务接入点，传达到MAC层的管理实体，从而MAC层管理实体根据命令提供相应的服务和管理。

同时，由于MAC管理实体中又包含了MAC层个人局域网基本信息,MAC层管理实体还必须负责管理MAC层个人局域网基本信息数据库。

当MAC层通过物理层接入点接收到物理层传输来的数据后，就会在MAC层中提取信息通过MAC层数据服务接入点上传到上一层协议。

图2-4介质访问控制层

（3）网络层

ZigBee网络层由ZigBee联盟自行定义，负责为无线网络提供建立、加入和离幵网络，进行路由转发等功能。

如图2-5所示，网络层由网络层数据服务实体和网络层管理实体共同组成：

<1>向上通过网络层的数据服务接入点和管理服务接入点与应用层的应用支撑子层相连。

<2>向下通过MAC层数据服务接入点和MAC层管理服务接入点与MAC层相连。

应用支撑子层和MAC层的网络层层管理命令分别通过网络层管理实体服务接入点和MAC层管理服务接入点，传达到网络层的网络层管理实体，网络层管理实体则负责根据命令提供相应的服务和管理。

图2-5网络层

（4）应用层

应用层是由应用支撑子层、设备对象和自定义应用对象构成的。

应用层主要由用户根据自己的需要来自行开发，概括来说，应用层要实现的功能一般为：

维持节点功能、发现该节点附近的另外的工作节点、管理和维护多个节点之间的通信。

**.应用支撑子层（APS）

应用支撑子层由该层数据服务实体和该层管理实体共同组成：

<1>向上通过该层数据服务接入点和该层管理服务接入点与上层应用实体相连。

<2>向下通过网络层数据服务接入点和网络层管理服务接入点与网络层相连。

上层应用实体和网络层的管理命令分别通过应用支撑子层管理实体服务接入点和网络层管理服务接入点，传达到应用支撑子层管理实体，应用支撑子层管理实体则根据命令提供相应的服务和管理。

同时，由于应用支撑子层管理实体中又包含了应用支撑子层个人局域网基本数据库，应用支撑子层管理实体还必须责任管理目标数据库，目标数据库中应用支撑子层所维护的包含网络层个人局域网基本信息。

当应用支撑子层通过网络层的数据服务接入点接收到网络层传输来的数据后，就会在应用支撑子层中提取信息通过应用支撑子层的数据服务接入点上传到上一层应用实体。

图2-6应用支撑子层

**.设备对象

ZigBee设备对象位于应用支撑子层的上层，向上提供了公共接口给应用框架内的应用对象，供用户自定义的应用对象调用应用支撑子层的服务和网络层的服务，实现定义设备角色、管理维护、发现地址、维护绑定和保证安全等功能。

设备对象ZDO（ZigBeeDeviceObject）是特殊对象，它在端点0上实现，ZDP（ZigBeeDeviceProfile）是该应用接口的配置文件。

ZDO设备对象是ZigBee协议栈低层部分的接口，通过应用支撑子层的数据实体服务接入点和应用支撑子层的管理实体服务接入点实现数据和控制信息的传输。

ZDO设备对象主要负责：

<1>初始化应用、支持子层、网络层和安全服务提供者。

<2>从终端应用收集各种配置信息来确定和执行发现管理、安全管理、网络管理和绑定管理。

<3>定义设备在网中的角色，如：

终端设备、路由器、协调器。

<4>在网内发现设备并确定其提供的服务种类、发起或响应绑定请求、在网内设备间建立安全可靠的关系。

.

**.应用框架

应用框架AF位于ZigBee协议的最上层是ZigBee网络设备的工作环境。

这一工作环境中，应用对象通过应用支撑子层的数据实体服务接入点来收发数据,透过ZDO公共接口管理和控制应用设备。

在应用框架里，最多可以定义应用对象为240个，每一个对象可对应端口1到240中的一个。

端口0被保留做ZDO的数据接口,而端口255作为广播的数据接口。

3.基于ZigBee协议的智能家居

3.1智能家居系统架构概述

基于物联网的智能家居系统架构根据国际电信联盟ITU的建议，物联网自下向上一般可以分为五个层次：

感知控制层、接入层、互联网层、服务管理层和应用层。

<<1>>感知控制层

该层的主要作用是“感知”电气设备的工作参数及环境参数，并根据需要从而改变电气设备的工作状态。

主要设备包括环境感知器、智能插座、智能开关、具有电能计量功能的智能插座以及智能红外遥控器。

这些智能家居设备具体包括智能电表、智能水表、智能热表和可以进行温度控制或者简单通断控制的供热阀门，还包括烟感探测器、煤气探测器以及紧急报警按钮等安全报警装置。

这些设备均采用无线射频芯片CC2430作为无线传感器网络的无线收发器，作为ZigBee无线接口和接入层的物联网网关相连。

<<2>>接入层

该层的主要设备是物联网网关,它主要负责将感知控制层的众多终端设备接入互联网。

它一方面通过ZigBee或者其它接口与感知控制层的终端通信,将终端发送来的数据转发给服务器或者向终端转发服务器的远程控制命令，另一方面又具有以太网、Wi-Fi或GPRS等各种通信接口接入局域网,从而与远程服务器相连。

网关采用PIC开发板进行设计，采用ENC28J60网络控制芯片来作为物理网关连接无线与有线系统。

<<3>>互联网层

该层的主要设备是那些负责将物联网网关联入局域网继而接入互联网或者直接接入网络运营商的计算机网络的通用网络设备。

前者可以是用户家里的交换机或者路由器等网络设备，后者则可以是CableModem、ADSL调制解调器、无线路由器、光纤路由器等设备,并且两者都包括如今市场上运营商的众多局端设备，且成本较低，无需另行设计。

<<4>>服务管理层

该层主要包括应用服务器、Web服务器和数据库服务器。

应用服务器负责与各个物联网网关定时通信，通过网关获取感知控制层设备的数据，并将其及时保存至数据库服务器中，而Web服务器则负责将这些数据发布到互联网上,供用户通过浏览器远程查看相关信息。

反之，用户需要远程控制某个设备时，则是通过Web服务器将控制命令写入数据库服务器，然后由应用服务器将其从数据库取出后发送给相应的物联网网关，最后由物联网网关负责将该命令转发给被控设备。

因此，对于服务管理层的设计要求较高，需要进行服务器的建设，进行双工通信，也是本文所提出系统的的一个重要的后续研究方向。

<<5>>应用层

该层主要包括便携式电脑、台式电脑、平板电脑以及智能手机等各种设备。

其主要功能是通过客户端软件或Web浏览器为用户提供一个可以与系统进行交互的人机接口。

例如通过浏览器监控住宅内的终端设备运行情况，由于Web服务器的动态网页生成技术，则除了浏览器软件外不需要安装额外的应用软件，因为真正的后台程序在Web服务器上，从而使其简单方便。

所以，设计出一个生动、交互性好的人机交互界面也有着重要的意义。

3.2智能家居系统构想

基于ZigBee物联网智能家居物理结构设计如图3-1所示。

感知控制层该层的主要作用是“感知”环境参数及电气设备的工作参数，并根据需要改变电气设备的工作状态。

主要设备包括环境感知器、智能插座、智能红外遥控器、智能开关、具有电能计量功能的智能插座、智能热表、烟