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1、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：物联网工程班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二O一六 年 七 月 1. 研究背景及意义12 ZigBee22.1 ZigBee技术概述及特点22.2 ZigBee的网络拓扑结构32.3 ZigBee在智能家居中的适用性52.3 ZigBee在智能家居中的应用62.3.1 安全系统62.3.2 抄表系统72.3.3 灯控系统73.系统设计与实验方案83.1 系统需求分析83.2 系统设计方案93.2.1 系统总体设计概述93.2.2 ZigBee网络拓扑结构及各终端角色103.3 系统实验方
2、案113.4 家电模拟控制及安防信息采集134. 系统功能实现详细介绍144.1 基于ZigBee的无线信息采集与传输144.1.1 信息采集与传输的安全性154.1.2 ZigBee的CSMA/CA 机制164.1.3 ZigBee的网络工作方式184.1.4 网络协调器的收发数据194.2 集中控制端的介绍206.工作总结217.参考资料：211. 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
3、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
4、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。2 ZigBee2.1 ZigBee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
5、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
6、：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
7、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-Function Device) 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-Function Device) 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
8、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。2.2 ZigBee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2.1 ZigBee网络拓扑结构图星型拓扑网络结构有一个叫做PAN主协调
9、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Ad hoc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Zig
10、Bee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（Personal Area Network coordinator）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。IEEE 802.15.4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2.1 ZigBee与IEEE 802.15.4角色对应ZigBe
11、e与IEEE 802.15.4中不同角色的对应关系ZigBeeCoordinatorRouterEnd deviceIEEE802.15.4.PAN CoordinatorCoordinatordevice在一个 IEEE 802.15.4网络中，无论是哪种拓扑结构，网络总是由 PAN Coordinator来创建，PAN coordinator 控制整个网络，一个被注入 PAN coordinator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
12、 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。2.3 ZigBee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80211列红 外RFIDHomeRF单点覆盖距离（m）50-3001050(Wi-Fi)51-1050网络拓展性自动拓展无无无无有最大功耗13mW1100mW100mW10 mW050 mW复杂度简单复杂很复杂简
13、单复杂复杂传输速率250Kb/s1M b/s111Mb/s1.521,4,16Mb/s0.212Mb/s1.2Mb/s频段8.68MHz2.4GHZ2.4GHz2.4GHz820nm5.8GHz2.4GHz网络节点数65000850无无127终端设备费用低低高较低低一般安全性128 bit AES64bit,128bitSSID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
14、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10100m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。2.3 ZigBee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
15、输都可以用ZigBee。 图 2.2 ZigBee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
