基于zigbee技术的智能家居控制系统设计—课程设计论文

基于zigbee技术的智能家居控制系统设计—课程设计论文内容摘要：

作了具体的分析。 主要内容包括网络寻址、绑定、路由协议、数据发送函数、网络组建过程和数据接收函数。 第三章 ：智能家居系统的实现。 该章分别从系统硬件和软件两个方面作了具体的阐述。 主要包括传感器模块、数据采集模块和数据汇聚模块以及上位机监控界面等内容。 并对各个模块进行了功能测试，包括组网测试、点对点通信测试和网络整体测试。 第四章 ：结论。 该章对本文所完成的任务做了总结，指出本文设计的智能家居系统的创新点，并对下一步工作做出明确的方向。 上海第二工业大学 本科课程机器人 3（论文） 4 2 ZStack 协议栈 Zigbee 协议介绍 Zigbee 协议栈的结构 Zigbee 协议栈定义了四层。 物理层和媒体访问控制层由 定义，上层的网络层和应用层由 Zigbee 联盟定义。 应用层分别包括 ZDO（ Zigbee设备对象）， APS（应用支持子层）和 AF（应用框架）组成。 Zigbee 协议栈每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务 [3]。 图 Zigbee协议栈结构图 （ 1）物理层：物理层定义了物理无线信道 和 MAC 子层之间的接口，提供物理数据服务单元（ PDSAP）和物理层管理服务（ MLMESAP)。 上海第二工业大学 本科课程机器人 3（论文） 5 （ 2） MAC（介质接入控制子层）： MAC 层负责处理所有物理无线信道的访问，并产生网络信号、同步信号；支持 PAN 连接和分离，提供两个对等的 MAC 实体之间的可靠链路。 （ 3） NWK(网络层 )：网络层是 Zigbee 协议栈的核心部分，网络层主要实现节点加入或者离开网络、接受或者抛弃节点、路由查找及维护等功能。 （ 4） APL（应用层）：应用层包括三部分：应用支持子层（ APS）、 Zigbee设备对象（ ZDO）和应用框架（ AF）。 APS 应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。 Zigbee 设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。 ZDO是一个特殊的应用对象，它驻留在每一个 Zigbee 节点上，其端点编号固定为 0。 AF 应用框架是应用层与 APS 层的接口。 它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。 Zigbee 网络结构 在 ZigBee 网络中存在三种逻辑设备类型： Coordinator(协调器 )， Router(路由器 )和 EndDevice(终端设备 )。 ZigBee 网络由一个 Coordinator 以及多个Router 和多个 End_Device 组成。 图 Zigbee网络结构图 上海第二工业大学 本科课程机器人 3（论文） 6 上图是一个简单的 ZigBee 网络示意图。 其中黑色节点为 Coordinator，红色节点为 Router，白色节点为 EndDevice。 协调器负责启动整个网络。 它也是网络的第一个设备。 协调器选择一个信道和一个网络 ID(也称之为 PAN ID，即 Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。 协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定 (bindings)。 注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。 一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器 (或者消失 go away)。 由于 ZigBee 网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。 路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由 和协助它自己的由电池供电的儿子终端设备的通讯。 通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。 但是当使用树群这种网络模式时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。 终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。 通常，终端设备对存储空间 (特别是 RAM 的需要 )比较小。 Zigbee 网络支持三种拓扑结构：星型、树型和网状型结构。 在星型拓扑结构中，所有的终端设备只和协调器之间进行通信。 树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，设备除 了能与自己的父节点或子节点相互通信外，其他只能通过网络中的树型路由完成通信。 网状型网络是在树型网络的基础上实现的。 与树型网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点相互通信，由路由器中的路由表完成路由查询过程。 ZStack 协议栈介绍 TI 公司的协议栈 ZStack 符合 ZigBee2020 规范，功能强大，协议栈底层已实现，对于简单的应用，开发者只需要在应用层开发即可。 ZStack 还可通过ZigBee 网络无线下载节点更新程序，具备定位感知功能等等。 下面对 ZStack的功能进行介绍。 （ 1） 地址类型 ZigBee 设备有两种类型的地址。 一种是 64位 IEEE 地址，即 MAC 地址，另上海第二工业大学 本科课程机器人 3（论文） 7 一种是 16 位网络地址。 64 位 IEEE 地址是一个全球唯一的地址，并且一经分配就将跟随设备一生。 它通常由制造商或者被安装时设置。 这些地址由 IEEE 组织来维护和分配。 16位网络地址是当设备加入网络后分配的。 它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。 （ 2） 网络地址分配 ZigBee 使用分布式寻址方案来分配网络地址。 这个方案保证在整个网络中所有分配出去的网络地址是唯一的。 这一点是必须的，因为这样才能保证一个具体 的数据包能够发送到它指定的设备，而不出现混乱。 同时，这个寻址算法本身的分布特性保证设备只能与他的父辈设备通讯来接收一个唯一的网络地址。 不需要整个网络范围内通讯的地址分配，这有助于网络的可测量性。 在每个路由加入网络之前，寻址方案需要知道和配。