基于物联网的智能家居设计的设计与实现整理版

基于物联网的智能家居设计的设计与实现整理版内容摘要：

FKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 2 物联网相关通信技术的原理 ZigBee无线技术 ZigBee的概念 ZigBee 是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。 主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。 在 网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备 (fullfunction device， FFD)和精简功能设备 (reducedfunction device， RFD)。 FFD 之间以及 FFD 和 RFD 之间都可以相互通信；但 RFD 只能与 FFD 通信，而不能与其他 RFD 通信。 RFD 主要用于简单的控制应用，传输的数据量较少。 对传输资源和通信资源占用不多，可以采用非常廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端 [6]。 FFD 一般需要功能相对比较强大的 MCU，一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能。 在 网络中，有一个称为 PAN 网络协调者 (PAN coordinator)的 FFD 设备。 是 LRWPAN 的网络中的主控制器。 PAN 网络协调者除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。 无线通信信道的特性是动态变化的，节点位置或天线方向 的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围是不确定的，在进行网络协议的设计时必须要考虑到无线信道的这个特点。 在智能家居系统设计中，采用星型网络，这种星型结构的特点是对中心节点 (这里是无线数字家居服务器或网关 )的依赖性很大，中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪。 家庭内部无线网络连接距离较短，一般在 l00 米以内，家用电器位置容易改变，家庭电器等的数量也容易变化，网络中的信息传送主要在无线数字家居服务器和其它室内终端之间。 根据家庭网络的这些特点以及以 上介绍的无线网络拓扑结构，本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭网络。 ZigBee 技术最大传输距离 150 米，完全满足家庭网络需要。 通过实用证明，星形家庭网络组网简单。 ZigBee的协议栈 ZigBee 与 的联系人们常会把 ZigBee 和 等同起来，其实两者之间还是有所区别的如图 21 所示 [6]。 (1)ZigBee 完整、充分地利用了 定义的功能强大的物理特性的优点； JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS (2)ZigBee 增加了逻辑 网络 和应用软件； (3)ZigBee 基于 射频标准，同时 ZigBee 联盟通过与 IEEE 紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案； (4) (PHY)和媒体访问控制 (MAC)层标准，而 ZigBee负责网络层和应用层的开发。 应用层应用接口网络层数据链路层介质访问层物理层芯片ZigBeStack应用程序用户ZigBe联盟IE 图 21 ZigBee 的结构和分工 ZigBee Structure and Division of Labor 协议架构及其技术特点 满足国际标准组织 (ISO)开放系统互连(OSI)参考模式，定义了单一的 MAC 层和多样的物理层。 ZigBee 联盟制定了 MAC 层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 (1) 物理层 物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要完成功能：激活，休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免(CSMACA)进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等。 定义了两个物理层标准，分别是 868/915MHz物理层。 两个物理层都基于 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频 )，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。 ISM频段，有助于 ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。 250kbps 的传输速率，有助于JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。 868MHz是欧洲的 ISM 频段， 915MHz是美国的 ISM 频段，这两个频段的引入避免了 附近各种无线通信设备的相互干扰。 868MHz 的传输速率为 20kb/s， 916MHz 是40kb/s。 由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求。 获得比较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 工作频段和频率如表 21 所示： 表 21 工作频段和频率 Frequency and Frequency Range of Labor 物理层 工作频率 (MHZ) 频道数 码片率 调制方 式 传输率 数据符号 868MHZ 1 300 BPSK 20 二进制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二进制 16 2020 OQPSK 250 16 状态组 在 PHY 层的有关参数上，有四个 重要的参数： a)传输能量 (power)：约 lmW的能量。 b)传输中心频率的兼容性：约 177。 40 pm。 c)接收器之感度： 85dBm92dBm(86 915 ram)， 1%分组差错率 (PSDU=20bytes)。 d)接收信号强度指示的测量 (RSSD)。 (2)调制及扩频 二 进 制符 号 数数 据 符 号数 据 码偏 移 四 相移 相 调 控P P D U 二 进 制数 据已 调 制 的数 据 图 22 物理层调制及扩频功能模块 the Physical Layer Modulation and Spread Frequency Functional Modules 物理层将数据 (PPDU)每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号 (Symbol)，每种数据符号又被映射成 32 位伪随机噪声数据码片 (Chip)。 数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术 (OQPSK)调制，对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制 ，如图 22 所示。 868/915MHZ 物理层先将 PPDU 二进制数据进行差分编码，差分编码是将当前数据位与前一编码位以模为 2 异或而成。 经编码的数据位又被映射成 15 位伪随机噪声数据码片JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS (Chip)，数据码片序列采用二相的相移键控技术 (BPSK)调制。 (3)PPDU格式 PPDU 报文数据由用于数据流同步的同步头 (SHR)、含有帧长度信息的物理层报头(PHR)以及承载有 MAC 帧数据的净荷组成，具体结构如图 23 所示。 字节 4 1 1 可变 前同步码（ Preamble） 帧定界符（ SFD） 帧长度 (7bits) 保留（ 1bit） 物理层数据（ PSDU） 同步头（ SHR） 物理层报头（ PHR） 物理层净荷 图 23 PPDU 格式 of PPDU 前同步码域用来为后续数据 的收发提供码片或数据符号的同步，帧定界符用来标识同步域的结束及报文数据的开始。 物理层数据域长度根据情况可变 (长度为 5 字节或大于 7 字节 )，承载了物理层报文数据，包含有 MAC 层数据帧。 (4)MAC 层 为了提高传输数据的可靠性， ZigBee 的 MAC 采用了时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法。 MAC 子层的组成及接口模型如图 24 所示。 图 24 MAC 子层组成及接口模型 MAC Form and Interface Model 的 MAC 协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。 MACMAC 通用部分分子层（ MCPSSAP） MAC 层管理实体（ LMESAP） PAN 信息库 PHY 层管理 实 体 PHY 层数据（ PDSAP） MAC 命令子 层 MAC 层管理实体（ MLME） JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点 (SAP)访问高层。 通过 MAC 通用部分子层 SAP(MCPSSAP)访问 MAC 数据服务，用 MAC 层管理实体 SAP(MLMESAP)访问MAC 管理服务。 这两个服务为网络层和物理层提供 了一个接口。 灵活的 MAC 帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。 MAC 子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和 MAC 命令帧等 4 种帧类型。 只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和 MAC 命令帧则用于 ZigBee设备间 MAC 子层功能实体问控制信息的收发。 广播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和 MAC 命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认，并且已经通过了 CRC 校验，接收方将立即发送确认帧。 若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自 动重传该帧。 这就是 MAC 子层可靠传输的基本过程。 MAC 层的帧格式如图25 所示： 2 1 020 变量 2 帧控制 序列号 地址信息 净荷 帧校验系列 图 25 MAC 层的通用帧格式 General Frame Format of MAC (5) 网络层 网络层包括逻辑链路控制子层： 标准定义了 LLC，并且通用于诸如 、 及 等系列标准中。 而 MAC 子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。 网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须任务。 NWK 层是位于 MAC 层之上与 APL 层交互的一个协议层。 网络层的任务是通过正确操作链路层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。 为了与应用层交互，网络层逻辑上包含两个服务实体：数据服务实体 (NLDE)和管理服务实体 (NLME)。 ZigBee 规范定义的 NWK 层协议，提供数据传输服务 (NLDE)和管理服务 (NLME)的数据服务接口，用于将 APL层提供的数据打包成应用层协 议数据单元，并将其传输给相应的节点的 NWK 层；或者将接收到的应用层协议数据单元进行解包，并将解包后得到的数据传送给 本节点的 APL 层。 也就是说 NLDESAP 实现两个 APL 层之间的数据传输。 NLMESAP 是 NWK 层给 APL层提供的管理服务接口，其逻辑模型如图 26 所示。 NLDESAP 是 NWK 层提供给 APL层的数据服务接口， MCPSSAP 是由 MAC 层提供给 NWK 层的数据服务接口， MLMESAP 是 MAC 层提供给 NWK 层的管理服务接口。 JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS a)配置一个新设备 b)开始一个新网络 c)加入或者离开 网络 图 26 NWK 层模型 Model of NWK (6) 应用层 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上，具体而言包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。 应用层有应用支持子层 (APS)， ZigBee设备对象 (ZDO)及厂商定义的应用对象。