基于物聯網的智能家居設計t(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 之間都可以相互通信；但 RFD 只能與 FFD 通信，而不能與其他 RFD 通信。 RFD 主要用于簡單的控制應用，傳輸的數據量較少。對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價的實現方案，在網絡結構中一般作為通信終端 [6]。 FFD 一般需要功能相對比較強大的 MCU，一般在網絡結構中用作于網絡控制和管理功能。在 網絡中，有一個稱為 PAN 網絡協調者 (PAN coordinator)的 FFD 設備。是 LRWPAN 的網絡中的主控制器。 PAN 網絡協調者除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。無線通信信道的特性是動態變化的，節點位置或天線方向 的微小改變、物體移動等周圍環境的變化都有可能引起通信鏈路強度和質量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍是不確定的，在進行網絡協議的設計時必須要考慮到無線信道的這個特點。 在智能家居系統設計中，采用星型網絡，這種星型結構的特點是對中心節點 (這里是無線數字家居服務器或網關 )的依賴性很大，中心節點出現問題可能造成整個網絡的癱瘓。家庭內部無線網絡連接距離較短，一般在 l00 米以內，家用電器位置容易改變，家庭電器等的數量也容易變化，網絡中的信息傳送主要在無線數字家居服務器和其它室內終端之間。根據家庭網絡的這些特點以及以 上介紹的無線網絡拓撲結構，本文以家庭網關為中心節點組建一個星型家庭網絡。 ZigBee 技術最大傳輸距離 150 米，完全滿足家庭網絡需要。通過實用證明，星形家庭網絡組網簡單。 ZigBee的協議棧 ZigBee 與 的聯系人們常會把 ZigBee 和 等同起來，其實兩者之間還是有所區別的如圖 21 所示 [6]。 (1)ZigBee 完整、充分地利用了 定義的功能強大的物理特性的優點； 詹旭：基于物聯網的智能家居設計 6 (2)ZigBee 增加了邏輯 網絡 和應用軟件； (3)ZigBee 基于 射頻標準，同時 ZigBee 聯盟通過與 IEEE 緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案； (4) (PHY)和媒體訪問控制 (MAC)層標準，而 ZigBee負責網絡層和應用層的開發。 應用層應用接口網絡層數據鏈路層介質訪問層物理層芯片ZigBeStack應用程序用戶ZigBe聯盟IE 圖 21 ZigBee 的結構和分工 ZigBee Structure and Division of Labor 協議架構及其技術特點 滿足國際標準組織 (ISO)開放系統互連(OSI)參考模式，定義了單一的 MAC 層和多樣的物理層。 ZigBee 聯盟制定了 MAC 層以上協議，其協議套件由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。 (1) 物理層 物理層提供了媒體訪問控制層與無線物理通道之間的接口，主要完成功能：激活，休眠無線收發設備、對當前頻道進行能量檢測、鏈路質量指示、為載波檢測多址與碰撞避免(CSMACA)進行空閑頻道評估、頻道選擇、數據的發送及接收等。 定義了兩個物理層標準，分別是 868/915MHz物理層。兩個物理層都基于 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻 )，使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。 ISM頻段，有助于 ZigBee 設備的推廣和生產成本的降低。 250kbps 的傳輸速率，有助于遼寧工程技術大學畢業設計（論文） 7 獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。 868MHz是歐洲的 ISM 頻段， 915MHz是美國的 ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了 附近各種無線通信設備的相互干擾。 868MHz 的傳輸速率為 20kb/s， 916MHz 是40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求。獲得比較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。 工作頻段和頻率如表 21 所示： 表 21 工作頻段和頻率 Frequency and Frequency Range of Labor 物理層 工作頻率 (MHZ) 頻道數 碼片率 調制方 式 傳輸率 數據符號 868MHZ 1 300 BPSK 20 二進制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二進制 16 2020 OQPSK 250 16 狀態組 在 PHY 層的有關參數上，有四個 重要的參數： a)傳輸能量 (power)：約 lmW的能量。 b)傳輸中心頻率的兼容性：約 177。40 pm。 c)接收器之感度： 85dBm92dBm(86 915 ram)， 1%分組差錯率 (PSDU=20bytes)。 d)接收信號強度指示的測量 (RSSD)。 (2)調制及擴頻 二 進 制符 號 數數 據 符 號數 據 碼偏 移 四 相移 相 調 控P P D U 二 進 制數 據已 調 制 的數 據 圖 22 物理層調制及擴頻功能模塊 the Physical Layer Modulation and Spread Frequency Functional Modules 物理層將數據 (PPDU)每字節的低四位與高四位分別映射組成數據符號 (Symbol)，每種數據符號又被映射成 32 位偽隨機噪聲數據碼片 (Chip)。數據碼片序列采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控技術 (OQPSK)調制，對偶數序列碼片進行同相調制，而對奇數序列碼片進行正交調制 ，如圖 22 所示 。 868/915MHZ 物理層先將 PPDU 二進制數據進行差分編碼，差分編碼是將當前數據位與前一編碼位以模為 2 異或而成。經編碼的數據位又被映射成 15 位偽隨機噪聲數據碼片詹旭：基于物聯網的智能家居設計 8 (Chip)，數據碼片序列采用二相的相移鍵控技術 (BPSK)調制。 (3)PPDU格式 PPDU 報文數據由用于數據流同步的同步頭 (SHR)、含有幀長度信息的物理層報頭(PHR)以及承載有 MAC 幀數據的凈荷組成，具體結構如圖 23 所示。 字節 4 1 1 可變 前同步碼（ Preamble） 幀定界符（ SFD） 幀長度 (7bits) 保留（ 1bit） 物理層數據（ PSDU） 同步頭（ SHR） 物理層報頭（ PHR） 物理層凈荷 圖 23 PPDU 格式 of PPDU 前同步碼域用來為后續數據 的收發提供碼片或數據符號的同步，幀定界符用來標識同步域的結束及報文數據的開始。物理層數據域長度根據情況可變 (長度為 5 字節或大于 7 字節 )，承載了物理層報文數據，包含有 MAC 層數據幀。 (4)MAC 層 為了提高傳輸數據的可靠性， ZigBee 的 MAC 采用了時隙化的載波偵聽和沖突避免的信道接入 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法。 MAC 子層的組成及接口模型如圖 24 所示。 圖 24 MAC 子層組成及接口模型 MAC Form and Interface Model 的 MAC 協議包括以下功能：設備間無線鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預留時隙管理；廣播信息管理。 MACMAC 通用部分分子層（ MCPSSAP） MAC 層管理實體（ LMESAP） PAN 信息庫 PHY 層管理 實 體 PHY 層數據（ PDSAP） MAC 命令子 層 MAC 層管理實體（ MLME） 遼寧工程技術大學畢業設計（論文） 9 子層提供兩個服務與高層聯系，即通過兩個服務訪問點 (SAP)訪問高層。通過 MAC 通用部分子層 SAP(MCPSSAP)訪問 MAC 數據服務，用 MAC 層管理實體 SAP(MLMESAP)訪問MAC 管理服務。這兩個服務為網絡層和物理層提供 了一個接口。靈活的 MAC 幀結構適應了不同的應用及網絡拓撲的需要，同時也保證了協議的簡潔。 MAC 子層定義了廣播幀、數據幀、確認幀和 MAC 命令幀等 4 種幀類型。只有廣播幀和數據幀包含了高層控制命令或者數據，確認幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee設備間 MAC 子層功能實體問控制信息的收發。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認，而數據幀和 MAC 命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認，如果需要確認，并且已經通過了 CRC 校驗，接收方將立即發送確認幀。若發送方在一定時間內收不到確認幀，將自 動重傳該幀。這就是 MAC 子層可靠傳輸的基本過程。 MAC 層的幀格式如圖25 所示： 2 1 020 變量 2 幀控制 序列號 地址信息 凈荷 幀校驗系列 圖 25 MAC 層的通用幀格式 General Frame Format of MAC (5) 網絡層 網絡層包括邏輯鏈路控制子層： 標準定義了 LLC，并且通用于諸如 、 及 等系列標準中。而 MAC 子層與硬件聯系較為緊密，并隨不同的物理層實現而變化。網絡層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務，它們協同完成尋址、路由及安全這些必須任務。 NWK 層是位于 MAC 層之上與 APL 層交互的一個協議層。網絡層的任務是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應用層提供合適的服務接口。為了與應用層交互，網絡層邏輯上包含兩個服務實體：數據服務實體 (NLDE)和管理服務實體 (NLME)。 ZigBee 規范定義的 NWK 層協議，提供數據傳輸服務 (NLDE)和管理服務 (NLME)的數據服務接口，用于將 APL層提供的數據打包成應用層協 議數據單元，并將其傳輸給相應的節點的 NWK 層；或者將接收到的應用層協議數據單元進行解包，并將解包后得到的數據傳送給 本節點的 APL 層 。也就是說 NLDESAP 實現兩個 APL 層之間的數據傳輸。NLMESAP 是 NWK 層給 APL層提供的管理服務接口，其邏輯模型如圖 26 所示。 NLDESAP 是 NWK 層提供給 APL層的數據服務接口， MCPSSAP 是由 MAC 層提供給 NWK 層的數據服務接口， MLMESAP 是 MAC 層提供給 NWK 層的管理服務接口。 詹旭：基于物聯網的智能家居設計 10 a)配置一個新設備 b)開始一個新網絡 c)加入或者離開 網絡 圖 26 NWK 層模型 Model of NWK (6) 應用層 應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到 ZigBee 網絡上，具體而言包括：安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現、業務發現。應用層有應用支持子層 (APS)， ZigBee設備對象 (ZDO)及廠商定義的應用對象。應用支持子層 (APS)的作用是維護設備綁定表，它具有根據服務及需求匹配兩設備的能力，且通過邊界的設備轉發信息。應用支持子層 (APS)的另一作用是設備發現，它能 發現在工作范圍內操作的其它設備。 ZDO 的職責是定義網絡內其它設備的角色。如 ZigBee 協調器或末端設備、發起或回應綁定請求、在網絡設備間建立安全機制 (如選擇公共密鑰、對稱密鑰等 )等。廠商定義的應用對象根據 ZigBee 定義的應用描述執行具體的應用。在本系統中附加了一層應用層協議完成數據的通訊和控制的業務。 ZigBee的應用領域和應用前景 ZigBee 技術將主要嵌入在消費性電子設備、家庭和建筑物自動化設備、工業控制裝置、電腦外設、醫用傳感器、玩具和游戲機等設備中。應用于小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中。 ZigBee 聯盟預測的主要應用領域包括：工業控制、消費性電子設備、汽車