基于Zigbee技术的智能家居无线网络研究.docx

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基于Zigbee技术的智能家居无线网络研究

TitleResearchofSmartHomeWirelessNetwork

BasedonZigbeeTechnology

Abstract

Inrecentyears,therapiddevelopmentofelectronicinformationandcomputernetworktechnologymakefamilyinformatizationandnetworkingbecomeanewtrendoftoday’sintelligenthomenetworksystemdevelopment.SmartHomesystemscanprovidemankindwithmorerelaxed,orderlyandefficientmodernwayoflife.Itistheinevitabledevelopmenttrendoffuturehousingpatterns.Therefore,thesmarthomesystemhasbecomeanewemergedareaofresearch.

Thispaperanalyzesthedomesticandinternationalstatusofsmarthomesystemstechnologyatfirst,Thenfortheexistenceofsmarthomesystemwiringisdifficult,highcost,complexstructureandsoon,thattheagreementbasedonIEEE802.15.4Zigbeetechnologyismostsuitableforintelligenthomesystemandresearchedit.Comparedwiththetraditionalsmarthomesystem,Zigbeetechnologyisfreewiring,easymaintenance,lowcost,real-timeonlinemonitoring,onthehomewithinthevariousdatacollectionandtransmissionofwirelessfeatures.ThenproposedaZigbeewirelesscommunicationtechnologyusingofsmarthomesystemdesign.

FeaturesforSmartHomeNetwork,Afteranalysis,comparisonandresearch,Thispaperusingclusterintelligenthomenetworksetupthewithinnetwork,anddesignedthesmarthomenetworks.UsingPICl8F4620MCUandCC2480Zigbeemoduledesignedalowcost,highflexibility,generalZigbeewirelesssmarthomenetworkcontroller.ThecontrolleralsohasGPRSremoteaccessinterface,theuserofhomenetworkviaGPRSremotemonitoringandcontrol.Finallyexpoundtheoverallsmarthomesystemdesignandrealizationofhardwareandsoftwaremodulesintheory.

Keywords：

SmartHomeZigbeeClusterednetworkCC2480

目次

1引言1

1.1本课题研究的目地和意义1

1.2本文研究的内容1

1.3本论文的组织结构2

2智能家居概述3

2.1智能家居的定义3

2.2智能家居的国内外发展现状3

2.3智能家居网络选择4

2.4本章小结8

3Zigbee技术研究9

3.1Zigbee技术的起源及特点9

3.2Zigbee协议概况和体系结构10

3.3Zigbee物理层协议规范11

3.4ZigbeeMAC层协议规范12

3.5Zigbee网络层和应用层12

3.6本章小结13

4基于Zigbee的智能家居无线网络研究14

4.1总体设计方案14

4.2Zigbee网络拓扑结构16

4.3基于Zigbee的智能家居网络的组建18

4.4本章小结20

5基于Zigbee智能家居网络的硬件设计21

5.1硬件总体设计21

5.2处理器21

5.3Zigbee无线收发模块22

5.4GPRS电路实现23

5.5本章小结25

6智能家居网络控制器的软件设计26

6.1系统主程序设计26

6.2中断和初始化程序设计27

6.3信息处理程序设计27

6.4本章小结28

结论29

致谢30

参考文献31

1引言

1.1本课题研究的目地和意义

科技改变生活。

伴随着数字化、网络化的进程，人类在经过农耕、工业、电气化等时代后，将进入关注梦想、精神和生活情趣的新社会。

你或许憧憬过这样的生活：

通过手持遥控器，可以随时在家中的任何一个地方对各种家电设备进行智能控制，调节冰箱温度、打开关闭窗帘、设置空调温度、控制洗衣机洗涤衣物等等；安防系统会随时进行烟雾探测、入侵检测，为主人提供生命安全保障；借助于网络系统，你可以在外出时通过手机或互联网对家中的设备进行远程控制，炎热的夏天,你完全可以在回家之前，提前打开空调……智能家居（SmartHome）的出现，让这样的生活场景逐步成为现实。

舒适的家庭居住环境是人们对生活的不断追求。

近年来随着人民生活水平和知识层次的不断提高，人们也将注意力越来越多的放在了生活环境的安全性、舒适性和便利性上，因此也就产生了对家居智能化的需求；与此同时，在科学技术方面,计算机控制技术与电子信息通讯技术的飞速发展也促成了智能家居系统的出现。

智能家居系统具有安全、方便、高效、舒适、环保、智能化、个性化的独特魅力，对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义，具有非常广阔的市场前景。

基于以上种种，本文将利用现存的各种技术对智能家居网络进行全面研究，以满足21世纪人类对家居生活的新要求。

1.2本文研究的内容

在智能家居网络的实现中，由于平台和组网方式的多样化，导致了智能家居网络的实现方案多样化，考虑到成本和性能等多方面因素，本论文采用近年逐渐兴起的Zigbee无线网络技术来实现智能家居网络的组建，重点研究智能家居无线网络的组建和家庭控制网络中设备之间的通信、并在最后讨论了智能家居无线网络的软硬件实现的问题。

本文的主要工作有以下几个方面：

1.详细了解了智能家居的国内外发展现状，明确研究目的。

2.通过几种近距离无线网技术的对比确定了Zigbee技术在智能家居应用中的优势，进而重点研究了Zigbee技术的特点、基本原理，分析了Zigbee协议构架，研究了各协议层的具体功能和作用。

3.通过对Zigbee无线网络拓扑结构的分析研究，确立了智能家居无线网络的大体组建方案。

4.设计了智能家居系统的整体模型，采用单片机PICl8F4620和无线射频芯片CC2480完成了节点设备的硬件实现。

5.在理论上指出了网络控制器各功能模块的程序工作流程。

1.3本论文的组织结构

论文总共分为6章，各章具体介绍如下：

第1章为引言，介绍了本文的研究内容、意义和全文组织结构；

第2章首先给出了智能家居的定义以及国内外发展现状，接着对智能家居网络技术进行了详细介绍，最后对比介绍了有线和无线两种组网方式；

第3章对Zigbee技术及其协议进行了较详细的介绍，为下文选择Zigbee技术用于智能家居无线网络设计提供技术基础；

第4章首先给出了系统总体设计方案，对系统组成和设计原则进行了介绍。

接着对基于Zigbee的智能家居无线网络进行了研究，介绍了Zigbee网络设备类型以及目前三种网络拓扑结构。

针对智能家居网络特点，采用簇状网络组建智能家居内部网；

第5章主要介绍了智能家居网络的硬件设计。

首先给出了硬件总体设计，再分别具体介绍了硬件处理器部分、Zigbee无线收发模块部分和GPRS模块的电路实现；

第6章为智能家居网络软件设计实现。

分块指出了各功能模块的程序流程。

2智能家居概述

2.1智能家居的定义

智能家居（SmartHome）又称为电子家庭（ElectronicHome）、e-Home、数字家

园（DigitalFamily）、家庭网络（Homenet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能化家庭（IntelligentHome）等，在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。

其是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。

利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构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，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

实际上家庭自动化产品、家庭网络产品、网络家电产品、信息家电产品等都只是智能家居系统产品里的一种，它们有各自不同的产品特征，不能简单地将它们划等号。

当然也有许多概念交叉的产品，例如机顶盒可以理解为是一个家庭网络产品，但同时又是一个信息家电产品。

2.2智能家居的国内外发展现状

在国外智能家居已经获得长足发展，自世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康捏迪格州出现后，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和地区先后提出了各种智能家居方案。

国际上对智能家庭网络的研究起于20世纪70年代，主要集中在发达国家。

由于这些研究都是各国独立进行，并具有不同的目标和市场战略，因此并没有形成统一的标准。

20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现了住宅电子化（HE，HomeElectronics）的概念；80年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备综合为一体，形成了家居自动化概念（HA，HomeAutomation）。

80年代末，由于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，这在美国称为智慧屋（WH，WiseHome），在欧洲称为时髦屋（SH，SmartHome）。

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表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、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、宽带网接入和系软件配置等。

这种“未来之家”家庭智能化系统，真正投放市场尚需时日。

目前在新加坡已有近30个住宅小区近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”。

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已经积累了很多经验。

如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当前社会的一个热点问题。

而国家政府机构及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。

2.3智能家居网络选择

在智能家居系统设计中，在尽可能保持标准统一的前提下，针对各种信号类来选择合适的有线或无线技术并设计控制器就成为智能家居建设的首要问题。

同时考虑到它所安装的地点是普通的私人家居并且使用者是普通居民，所以它还具有自身独有的需求和特点，包括安全性、可用性、可靠性、灵活性、易扩展性、使用的方便性、廉价性、标准化以及体积小、重量轻和安装方便等。

目前，智能家居网络技术主要包含两类：

有线家庭网络技术和无线家庭网络技术。

2.3.1有线家庭网络技术

有线家庭网络连接技术的优点在于数据传输的可靠性强，传输速率高，而缺点在于网络体积庞大，灵活性差，且布线复杂，主要应用于早期点对点网络和星型网络的拓扑结构中。

有线网的传输介质主要有以下几种：

1.双绞线或同轴电缆（以太网线）

这种连接建立在IEEE802.3标准的基础上。

经过了多次修改之后，该标准实现了在不同的设备制造商之间的互操作性。

基于铜介质的双绞线和同轴电缆能够实现信号的双向传输、有着较高的可靠性，因而被广泛地应用在商业企业中，成为办公室计算机和打印机网络的标准选择。

建立这样的网络需要大量的五类电缆（CAT5），造价昂贵，不易安装。

2.铜介质双绞线（电话线）

这种连接技术利用大多数家庭已有的电话线来实现家庭网络的连接，是一个经济实惠的方案。

在一定的条件下，三类电缆（CAT3）的传输速率可以达到1Mbps，而且，据估计，不久的将来它的传输速率可以达到10M。

采用频分复用技术，可以让使用者在察觉不到的情况下，实现数据传输，语音与Internet服务同时工作。

“家庭电话网络联盟”（HomePhoneNetworkAlliance）正在开发一系列标准和规范，解决利用电话线实现家庭网络设备的互联和互操作性问题。

虽然这一技术充分利用了现有的资源，但是线路在灵活性和带宽方面的限制阻碍了它的进一步推广。

通常一般的家庭里没有足够的电话线接口，要在每一个房间或者电话、计算机和其它设备能够触及的地方安装插座也会带来了技术上和成本上的问题。

而且，由于电话线路并非为高速数据传输而设计，其衰减和阻抗特性也不能很好地控制。

3.交流电力线

交流电力线可以连接整个房屋的每一个角落，而且不像某些无线电波或者红外线，难以穿过钢精混凝土地墙壁和地板，很早就作为家庭网络的连接媒介。

其中最具有代表性的就是X-10技术，目前，这种技术已是美国占据市场主流的技术，是全球第一个利用电线来控制灯饰及电子电器产品，并将其商业化的成功模式。

X-10是以60Hz为载波，再以120KHz的脉冲为调变波，发展出数位控制的技术，并制订出一套控制规格。

其数据传输有很高的可靠性，但是，由于电力线本身的噪声和信号输送能力有限，这种技术不适合数据的高速传输，而且也没有任何标准来保证设备之间的互操作。

2.3.2无线家庭网络技术

通过上节讨论我们不难发现，实现有线网络的各种传输介质存在着种种弊端。

近几年，多家著名IT企业共同合作，推出一个名为“无线家居”的最新家居理念。

“无线家居”是未来家居的发展方向，显然能为人们日常生活与商务活动提供更大限度的舒适和方便，并从而开启一个崭新的信息家居时代。

在有线方式中，各传感器和控制器的连接通过总线，它的优点是可以简化各功能单元的设计，缺点就是布线多，结构复杂，也存在总线协议设计选择的问题；而相比有线技术，无线技术不仅不存在布线的问题，而且扩展容易，维护以及使用都较简单。

从目前的发展趋势来看，无线技术应用于智能家居中有很大的发展空间，一方面微电子技术的发展促使各种SoC（SystemonChip，片上系统）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。

在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络己是势不可挡，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且它更符合于家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。

目前，市场上的无线技术种类较多，各自的技术性能不同，应用范围及领域也有所不同，其中，应用最为广泛的有以下几种无线技术：

1.蓝牙（Bluetooth）

蓝牙技术诞生于1994年，Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，

以建立手机及其附件间的通信。

1998年，由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba

等5家公司达成一致，共同推出了蓝牙协议，主要用于通信和信息设备的无线连接。

蓝牙协议的标准版本为802.15.1，由蓝牙小组（SIG）负责开发，规定了PHY层、MAC层、网络和应用层等集成协议栈。

蓝牙技术采用跳频技术，工作于2.4GISM波段。

与其它2.4G波段的技术相比蓝牙数据包更短，速度更快。

采用前向纠错技术抑止了长距离链路随机噪声，应用二进制调频技术的调频收发器来抑制干扰和防止衰落。

蓝牙的传输速率为1Mbps，传输距离为0.1-10米，但是通过增大发射功率可将距离增大至100米。

能即时组成微微网网络（Piconet），每个微微网可包含至多8个节点，每个节点都可以作为主机和从机。

蓝牙技术存在着一定的局限，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，使其应用受到一定的限制。

2.Wi-Fi

Wi-Fi是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。

它的工作频率也是2.4GHz频段。

虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。

Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约l1Mb/s的速度接入Web。

但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi-Fi的连接速度一般只有几百kbps，在建筑物内的有效传输距离小于户外。

Wi-Fi网络节点最大个数为32，传输距离为100m。

3.红外技术（IrDA）

1993年，由20多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDAInfraredDataAssociation），统一了红外通信标准，该标准就是红外技术，它通常采用850mm的红外光传输数据信息，红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代。

它的通讯距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps，通讯介质为波长为900纳米左右的近红外线。

它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持，通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

主要是用来取代点对点的线缆连接；保密性强；传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。

虽然红外技术在网络发展中已形成趋势，但由于其传输距离有限．传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的限制。

4.智蜂技术（Zigbee）

Zigbee联盟成立于2002年8月，由英国lnvensys、三菱、美国摩托罗拉及荷兰菲利浦组成，至今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商加盟。

IEEE专门成立了IEEE802.15.4标准工作组致力于定义一种供廉价的、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。

Zigbee是一种短距离无线网络技术，强调低成本、低耗电、双向传输、传感器网络功能等特色。

Zigbee传输速度为20k～250kbps，并随着传输距离的延长而减慢，较蓝牙的1Mbps慢。

Zigbee适用于一些简单、低成本的无线局域网络，耗电低，只要使用两节五号电池即可维持半年或数年间不用换电池，对于一般工业环境或家庭都很适用。

图2.1给出了目前热门的几种短距离无线通信技术之间的比较。

图2.1几种无线技术的比较

2.4本章小结

本章首先对智能家居系统进行了简要概述，包括智能家居的定义和国内外智能家居系统的发展，接着对智能家居网络技术分有线和无线两方面分别进行了详细的对比介绍，对于智能家居系统来说，采用无线网络不仅为家居智能化提供灵活简便的网络结构，省去了浪费在布线上的人力和物力，并且更符合家庭网络通讯的特点，通过本章的讨论，明确了智能家居网络的组网方式和采用的无线技术。

3Zigbee技术研究

3.1Zigbee技术的起源及特点

Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。

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。

Zigbee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（Zigbee）技术标准。

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。

Zigbee网络是由协调器发起的，每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。

Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且利用Zigbee网络远距离传输，数据不会被其它节点所获得。

Zigbee联盟成立于2001年8月。

2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。

到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有150家成员企业，并在迅速发展壮大。

其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。

所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。

1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。

低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。

Zigbee技术的具体特点如下：

1.设备省电--Zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使