基于zigbee协议的智能家居系统设计

基于zigbee协议的智能家居系统设计内容摘要：

的 ROM， 可以免费 使用 TI 提供的 ZigBee 协议，协议功能比较强大，支持 adhoc 和多跳，支持 mesh 网。 对比发现， TI 公司的 CC2530 芯片 除了具有优秀的 RF 性能和业界标准增强 8051MCU 内核， 简化了硬件设计 ， 同时， CC2530 还可以配备 TI 的标准网络协议栈（ RemoTI,， ZStack 或 SimpliciTI）来简化开发。 因此，本设计决定围绕 CC2530 芯片展开硬件电路的设计。 传感器选型 智能家居系统 将 ZigBee 模块设备和传感器、家电控制器连接在一起，组建 Zi gBee 智能家居无线网络 ，本设计传感器模块主要包括：温湿度传感器、烟雾传感器、红外热释电传感器。 （ 1）温湿度传感器 SHT10 是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。 它采用专利的 CMOSens 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。 传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电山东科技大学本科毕业设计（论文） 11 路实现无缝连接。 每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在 OTP 内存中，用于内部的信号 校准。 两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。 该产品具有 体积 小 、功耗 低、抗干扰能力强、响应迅速、性价比高等优点。 （ 2）烟雾传感器 MQ2 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 （ SnO2）。 当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。 使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ2 气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。 这种传感器 可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 （ 3） 红外热释电传感器 HCSR501 是基于红外线技术的自动控制模块，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式。 全自动感应功能， 人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。 采用温度补偿和光敏控制技术，能适应不同环境下的测量。 具有感应封锁时间 ， 可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 山东科技大学本科毕业设计（论文） 12 第 3 章 ZigBee 无线协议分析 短距离无线通信技术目前已成为无线通信的一个重要分支。 在现实中家庭数字控制、环境监测、工业控制等许多应用场合， 系统所传输的数据通常为少量的突发信号，以数据量小、要求进行实时传送为数据特征。 针对这类应用场合，人们希望出现一种低功耗、低成本和较低传输速率的短距离无线通信技术 [11]。 在这种背景下， ZigBee 技术应运而生。 ZigBee 技术在 标准的推动下，在工业、农业、医疗、环境、军事等传统领域取得了成功的应用。 在 标准之上， ZigBee联盟对 ZigBee 标准中网络层协议和 API 部分进行了标准化。 标准定义了物理层（ physical layer， PHY）和媒体访问控制层（ medium access contrl sublayer， MAC）， ZigBee 标准在这个基础上扩展了应用层框架和网络层（ work layer， NWK）。 标准介绍 2020 年 12 月 IEEE 成立了 工作组。 这个工作组将致力于定义一种廉价的固定、便携或移动设备使用的低成本、低复杂度、低功耗、低速率的无线连接技术。 协议概述 WPAN 是一种结构简单、低成本、低功耗的无线网络，它 实现了低功耗和低数据吞吐量的无线连接。 为满足这些需求， 工作组 致力于 WPAN 网络的 物理层 和媒体访问层的标准化工作 [12]，它具备以下主要特征： （ 1） 在不同的载波频率下实现了 20kbps、 40kbps 和 250kbps 三种不同的 传输速率 ； 山东科技大学本科毕业设计（论文） 13 （ 2） 有 16 位和 64 位两种地 址格式，其中 64 位地址是全球惟一 的 扩展地址 ； （ 3）支持星型和点对点两种网络拓扑结构 ； （ 4） 支持冲突避免的载波多路侦听技术（ carrier sense multiple access with collision avoidance,， CSMACA） ； （ 5） 支持确认（ ACK）机制，保证传输可靠性。 协议网络组成及拓扑结构 IEEE 网络 中 根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（ FFD）和精简功能设备（ RFD）。 FFD 设备 之间以及 FFD 设备与 RFD设备之间都可以通信。 RFD 设备之间不能直接通信，只能与 FFD 设备通信，或者通过一个 FFD 设备向外转发数据。 这个与 RFD 相关联的 FFD 设备称为该 RFD 的协调器。 IEEE 网络中， 必须 有一个 FFD 设备 作为 PAN网络协调器（ PAN coordinator）。 PAN 网络协调器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 [13]。 LRWPAN可以工作于星型网络拓扑和点到点（ P2P）的网络拓扑这两种拓扑结构。 在星型网络中，各个终端设备直接与 网络协调器进行关联和数据传输，由中心的网络协调者集中控制整个网络的形成以及数据的传输。 首先，网络协调器为整个网络选择一个可用的通信信道和唯一的标识符，然后允许其他设备通过扫描、关联等步骤加入到自己的网络中，并且为其他终端设备转发数据。 点到点的网络中也需要一个网络协调器，和星型网络拓扑的结构不同的是，网络中的所有设备可以和在信号辐射范围之内的所有其他设备通信，因此点到点网络拓扑能够形成多级簇树网络、 Mesh网络等更为复杂的网络形式。 点到点网络一般是自修复和自组织的形式，它可以通过多跳路由等方式实现数据的安全传 输，因此更适合无限传感网络、工业控制、货物仓储及安全相关方面的应用。 整个网络的建立与维护由网山东科技大学本科毕业设计（论文） 14 络的协调器负责。 物理层协议规范 物理层定义了物理无线信道和与 MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和管理服务。 IEEE 据收发，在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面都存在着一定的差异。 物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。 物理层主要负责处理以下任务 [14]： （ 1） 无线发射 机的激活和关闭； （ 2） 已有信道的能量检测； （ 3）链路质量检测 ； （ 4） 基于 CSMACA 的空闲信道评估； （ 5） 信道选择； （ 6）数据的发送与接收。 其模型如图 所示。 P L M E S A P 数 据 服 务 接入 点P D S A P 物 理 层 数 据 接 入点P H Y P I B 物 理 层 个 域 网信 息 数 据 库R F S A P 射 频 服 务 接 入 点物 理 管 理 实 体 P L M EP H Y 物 理 层 图 PHY 模型 山东科技大学本科毕业设计（论文） 15 MAC 层协议规范 与物理层类似， MAC 层也包括管理实体 （ MLME） 和数据实体 （ MLDE），其逻辑模型如图 所示。 MAC 层管理实体提供可以唤醒 MAC 层管理服务的服务接口，同时也维护一个与 MAC 层相关的管理对象 数据库 （ MIB）。 M A C 公 共 部 分 子 层 服 务接 入 点 M C P S S A PM A C 层 管 理 实 体 服 务 接入 点 M L M E S A P物 理 层 数 据 服 务 接 入 点P D S A P物 理 层 管 理 实 体 服 务 接入 点 P L M E S A PM A C 层 个 域 网 信息 库M A C 层 管 理 实 体M L M EM A C 层 公 共 部 分 子 层 图 MAC 层参考模型 MAC 层与物理层之间通过 和 进行通信，通过 MAC数据实体服务点 （ ） 和 MAC 层管理实体服务接入点（ ） 向 qlt 服 务相关子层提供 MAC 层数据和管理服务。 另外，MAC 层能支持多种 LLC 标准，通过业务相关会聚子层 （ SSCS） 协议承载 类型的 LLC 标准。 MAC 主要 层功能如下 [14]： （ 1） 网络协调器产生并发送网络信标帧 （ beacon） ，普通设备通过 beacon与协调器同步； （ 2）支 持个域网 （ PAN） 链路的建立和断 开； （ 3） 信 道接入方式采用载波侦听多址接入 /冲突避免 （ CSMA/CA） 机制； （ 4）处理和维护 保护时隙机制； 山东科技大学本科毕业设计（论文） 16 （ 5） 设备的无线通信信道安全提供支持； （ 6） 两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。 ZigBee 中的 MAC 和物理层协议是网状网络的应用基础，高容错和低功耗的特点能保证网状网络所必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络 自组特性。 而且对于经典的隐藏终端和暴露终端问题、协议的接入公平 性问题、服务质量问题等都有良好的解决。 在网状网络中， MAC 层的传输调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，影响网络层路由性能，所以网络层必须感知 MAC 层性能的变化，才可以自适应的方式改变路由，改善网络性能。 ZigBee 体系结构 ZigBee 技术是一组基于 IEEE 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。 ZigBee 协议标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供所有其他的服务。 IEEE 定义了底层协议：物理 层和媒体访问控制层。 ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层和应用层架构。 ZigBee 的网络层采用基于 Ad hoc 的路由协议，除了具有通用的网络层功能外，还要实现网络的自组织和自维护，同时支持低功耗，以最大限度方便消费者使用，降低网络的维护成本。 网络层协议规范 ZigBee 网络层主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。 为了与应用层进行更好的通信， 网络层 定义了 两个服务实体，分别为数据服务实体和管理服务实体。 网络层数据实体 （ NLDE） 通过网络层数据实 体服务接入点提供数据传输服山东科技大学本科毕业设计（论文） 17 务，网络层管理实体 (NLME)通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。 网络层参考模型 如图 所示。 N L D E S A P N L M E S A PM C P S S A P M L M E S A P网 络 层 数 据 实 体网 络 层 管 理 实 体上 层 实 体M A C 层 实 体 图 网络层模型 应用层协议规范 应用层包括应用支持层 (APS)、 ZigBee 设备对象 (ZDO)和制造商所定义的应用对象。 应用支持层 (APS)的功能包括维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。 ZigBee 应用层除了提供一些必要的函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能就是应用者可在 这一层定义自己的应用对象。 全功能设备能够发送和接收 ZigBee 所定义的所有类型的命令帧，而对于半功能设备来说，所执行的命令帧将有所限制。 所以在各节点设备在发送或接收帧之前，需要对节点设备参数进行配置。 ZigBee 网络拓扑结构选择 ZigBee 网络根据应用的需要可以组织成星型网络、网状网络和簇型网络 3 种拓扑结构 [12]，如图 所示。 在星型结构中，所有的设备都与中心设备 ——PAN 网络协调者通信，协调器一般使用电力系统供电，而其他设备采用电池供电。 星型网络适合家庭自动化、个人计算机外设以及个人健康山东科技大学本科毕业设计（论文） 18 护 理等小范围的室内应用。 与星型网络不同，网状网络 (mesh)只要彼此在对方的无线辐射范围内，任何两个 FFD 设备之间都能直接通信，在 Mesh中每一个 FFD 设备都可以认为是网络路由器，都可以实现对网络报文的路由转发功能， Mesh 网络在构建时比较复杂，节点所要维护的信息较多；对于簇状网络实际上可以看做是一个复杂的星型网络，一个扩展的星形拓扑或是由多个简单的星型网络组成的拓扑结构，在簇状网络中，协调器、路由器和终端设备功能清晰，相对于 Mesh，构建簇状网络比较简单，所需资源相对较少，并且能实现路由转发功能，扩大网络通 信范围。 本课题中，家庭网络范围较小，室内布线较繁杂，故采用星型网络拓扑结构。 其中协调器电力供电，其他节点电池供电，简化繁琐工序的同时组建方便建立和维护的网络系统。 星 型（ S t a r ）网 状（。