最新基于物聯網的智能家居系統設計-資料下載頁

【導讀】-- I 肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁薁螁莀芄衿袀聿蒀螅袀膂芃蟻衿莄蒈蚇袈肄莁薃袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄襖肀莇薀羄膂薃蒆羃芅莆螄羄薁螀羈膇蒄蚆羀艿蠆薂罿莁蒂袁羈肁芅螇羈膃蒁蚃肇芆芃蕿肆羅葿蒅肅肈節襖肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁肂膄莈袀膁芆薄螆膀荿莇螞腿肈薂薈螆芁蒞薄螅莃蝕袃螄肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁薁螁莀芄衿袀聿蒀螅袀膂芃蟻衿莄蒈蚇袈肄莁薃袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄襖肀莇薀羄膂薃蒆羃芅莆螄羄薁螀羈膇蒄蚆羀艿蠆薂罿莁蒂袁羈肁芅螇羈膃蒁蚃肇芆芃蕿肆羅葿蒅肅肈節襖肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁肂膄莈袀膁芆薄螆膀荿莇螞腿肈薂薈螆芁蒞薄螅莃蝕袃螄肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁薁螁莀芄衿袀聿蒀螅袀膂芃蟻衿莄蒈蚇袈肄莁薃袇膆薆袂袆羋荿螈裊莁薅蚄襖肀莇薀羄膂薃蒆羃芅莆螄羄薁螀羈膇蒄蚆羀艿蠆薂罿莁蒂袁羈肁芅螇羈膃蒁蚃肇芆芃蕿肆羅葿蒅肅肈節襖肄芀薇蝿肅莂莀蚅肂肂薅薁肂膄莈袀膁芆薄螆膀荿莇螞腿肈薂薈螆芁蒞薄螅莃蝕袃螄肅蒃蝿螃膅蠆蚅螂芇蒁

　　

【正文】 . .應 用 接 口 層 （ A P S S u b l a y w e ）網 絡 層 （ N W K L a y e r ） I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4I E E E 平 臺Z i g b e e 聯 盟 平 臺A O S D E S A P N L D E S A PA P S M E S A PN L M E S A PM M E S A PP L M E S A PM C P S S A PP D S A P 圖 23 Zigbee 協議棧結構 網絡層以上協議由 Zigbee 聯盟制定 ,IEEE 組織負責定制 PHY 層和 MAC 層標準。應用層包括應用對象終端設備和應用接口層 ,且最多只能包含 31 個應用對象。應用接口層將主要負責把不同的應用映射到 Zigbee 網絡層上 ,其中包括 :安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現及業務發現。網絡層主要考慮采用基于 adhoc 技術的網絡協議 ,陜西科技大學畢業論文（設計說明書） 8 應包含以下功能 :通用的網絡層功能 ,拓撲結構的搭建和維護 ,命名和關聯業務 ,包含了尋址、路 由和安全 。同 Zigbee 協議標準一樣 ,非常省電 。有自組織、自維護功能 ,以最大程度減少消費者的開支和維護成本。 Zigbee 協議的媒體接入控制層協議包括以下功能 :設備間無線鏈路的建立、維護和取消 。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。 Zigbee 協議 MAC 層定義的 4 種幀結構 :數據幀、標志幀、確認幀和 MAC 命令幀 ,如圖 24 所示。 最 大 1 2 7 字 節2 字 節 1 字 節 0 2 0 字 節 可 變 值 2 字 節幀 控 制 域幀 控 制 域幀 控 制 域幀 控 制 域幀 序 號 域幀 序 號 域幀 序 號 域幀 序 號 域地 址 域地 址 域地 址 域幀 校 驗幀 校 驗數 據幀 校 驗幀 校 驗信 標信 標M A C 協 議 數 據 單 元 （ M A C 幀 ）最 大 1 2 7 字 節物 理 層 服 務 數 據 單 元物 理 層 協 議 數 據 單 元同 步 頭 P H Y 頭物 理 層媒 體 接 入控 制 層數 據 幀確 認 幀命 令 幀標 志 幀 圖 24 Zigbee 的幀結構圖 Zigbee 的技術特點及其優勢及工程應用： （ 1） Zigbee 的技術特點及其優勢 1 安全性： Zigbee 提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用 AES128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。 2 可靠性：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。 MAC 層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息； 3 成本低：模塊的初始成本估計在 6 美元左右，很快就將降到 美元到 美元之間，且 Zigbee 協議是免專利費的； 4 省電：由于工作周期很短、收發信息功耗較低 、并且采用了休眠模式， Zigbee技術可以確保兩節五號電池支持長達 6 個月到 2 年左右的使用時間，當然不同的應用功耗是不同的； 5 網絡容量大：一個 Zigbee 網絡可以容納最多 254 個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多 100 個 Zigbee 網絡； 6 時延短：針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值是 15ms，活動設備信道接入時延為 15ms。 （ 2）工程應用 基于物聯網的智能家居系統設計 9 Zigbee 技術已成功應用于智能家居系統中，比如在某教育社區 DCA3000 系統中，就是采用 Zigbee 技術來實現家庭內部的無線網絡通迅的。在這款系統中主要由家庭網關和網絡中各子節點組成，網絡中各子節點采用 Zigbee 技術與家庭網關進行無線通訊，其中各子節點實現的功能分別為（水、電、氣）三表數據采集、安防報警數據采集、電燈及家用電器的控制。在家庭網關和每個字節點上都接有一個采用 Zigbee 技術設計無線網絡收發模塊 ,通過這些無線網絡收發模塊在網關和子節點之間進行數據的傳送。之所以采用 Zigbee 技術除了上面所述的優點外，還因為這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續的狀態更 新，更為重要的是系統中子節點采用電池供電，因而需要極低的功耗且在通常狀態下應具有休眠狀態，而這正是 Zigbee 所具備的，它的優勢之一就在于低功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少網絡的維護費用，降低系統的成本。 Zigbee 與藍牙技術比較 IEEE 委員會制定了三種不同的 WPAN 標準，區別在于通信速率、 QoS 能力等。 IEEE 標準是高速率的 WPAN 標準，適合于多媒體應用，有較高的 QoS 保證。 標準即藍牙技術，具有中等速率，適合于從蜂窩電話到 PDA 的通信， 其QoS 機制適合于語音業務。 標準也就是 Zigbee 技術，目標市場是工業、家庭以及醫學等需要低功耗、低成本無線通信的應用，對數據速率和 QoS 的要求不高。圖 25 Zigbee 不同速率下的傳輸功耗 。 速 率 / 轉 換 功 率1 m W ( 0 d b m )1 0 m v ( 1 0 d b m ) 1 0 0 m W ( 2 0 d b m )2 5 0 k b p s2 8 k b p s1 3 m2 3 m2 9 m5 4 m6 6 m1 3 4 m 圖 25 Zigbee 不同速率下的傳輸功耗 藍 牙Z i g b e eP H Y F H S SD S S S協 議 層2 5 0 K B 2 8 K B電 池 可 充 不 可 充設 備 / 網 絡8162 162連 接 速 度2 5 0 k b p s1 M b p s 1 0 m~ 3 0 m有 效 距 離 圖 26 Zigbee 與藍牙比較 Zigbee 與藍牙技術相比較有許多相似點，但其優點更顯而易見。藍牙的傳輸距離小于 10 米，這在大一點的 家庭住宅中是一個極大的障礙，因而很難構成無線通信網絡，陜西科技大學畢業論文（設計說明書） 10 而 Zigbee 的最大傳輸范圍在 1075 米，非常適合家庭網絡的建立；其次，在一個藍牙網絡中最多可容納 8 個節點，而 Zigbee 可容納 255 個節點，而一般每個家庭網絡中需要 100150 個設備節點；最后，藍牙模塊的成本較高，這也成為其沒有廣泛應用的原因之一，此外藍牙的功耗與 Zigbee 相比要大很多，而 Zigbee 則成本低廉，而且其功耗極低，如圖 26 所示。雖然藍牙的傳輸數據速率要大過 Zigbee，但 Zigbee 的 250kbit/s 傳輸速率在家庭網絡中已 足夠使用?？梢哉f，采用 Zigbee 技術所架構的無線智能家居系統網絡，由于其低成本、低功耗，較遠的覆蓋范圍及它在全球范圍內的通用，將使其成為智能家居系統中的又一亮點，必將給現代智能家居系統帶來一場新的變革。 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、汽車自動化、農業自動化 和醫用設備控制等。通常 ,符合如下條件之一的應用 ,均可以考慮采用 Zigbee 技術作無線傳輸 . (1)設備成本較低 ,傳輸的數據量較小。 (2)設備體積較小 ,不便放置較大的充電電池或者電源模塊。 (3)沒有充足的電力支持 ,只能使用一次性電池。 (4)頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難。 (5)需要較大范圍的通信覆蓋 ,網絡中的設備非常多 ,但僅僅用于監測或控制。 基于物聯網的智能家居系統設計 11 3 基于 Zigbee 技術的智能家居系統構架 基于 ZigBee 技術的拓撲結構 基 于 Zigbee 技術的智能家居系統的拓撲選擇涉及許多設計方案的權衡。該網絡自身也是一個動態系統，不斷與外界環境相互影響。人們的移動、不間斷地使用電器和外界的干擾源等都可以影響網絡性能。對電池供電的設備來說，復雜的設計目標就是保存電池消耗。通常拓撲結構的選擇要考慮以下幾個問題：首先，我們要考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓撲：應用需要的節點密度和周圍環境狀況；其次，評估可選擇的情況。最后，還要考慮系統的可升降性和權衡能耗 /資源的限制。本文智能家居系統的實際情況如下： 傳感器節點由電池供電，而家庭網關通過電源 供電，所以應該盡量減少傳感器節點的工作量，以節約傳感器節點用電。 智能家居中接入的主要是傳感器和開關，網絡中數據量不大，沒有必要采用復雜的網絡拓撲來保證數據通信。因此，星形拓撲結構完全能滿足要求，并且實現簡單，不涉及路由尋址等功能?；?Zigbee技術的智能家居系統的網絡拓撲結構如圖 31 所示。家庭網關和若干個無線通信 Zigbee傳感器節點模塊組成星形結構的家庭傳感器網絡。其中，家庭網關是全功能設備，它充當網絡協調器，由它主導網絡的建立，監督網絡的正常運行。