智能家居系统的研究与设计VIP专享VIP免费

智能家居系统的研究与设计摘要：分析了现代智能家居的特点，重点剖析了ZigBee技术及其协议，提出了一种基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与实现方案。重点阐述了该系统的组成、网络拓扑结构、主控制器以及ZigBee无线通信节点的软硬件设计。该系统能满足现代智能家居的要求，具有良好的通用性和可扩展性。智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。智能家居集成是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，如电力载波，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。安全防范技术是智能家居系统中必不可少的技术，在小区及户内可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术，广泛应用在智能家居控制中心、家居设备自动控制模块中，对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。音视频技术是实现家庭环境舒适性、艺术性的重要技术，体现在音视频集中分配、背景音乐、家庭影院等方面。综合这些特点，ZigBee技术是实现智能家居比较合适的选择。1ZigBee协议ZigBee技术是一种可靠性高、功耗低的无线通信技术，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。完整的ZigBee协议[2]包括物理层、MAC层、网络层、安全服务层、应用层及高级应用层规范。IEEE802.15.4[3]定义了最下面的两层：物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）。ZigBee联盟提供了网络层、安全服务层和应用层（APL）框架的设计。应用层的结构包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和用户自定义的应用服务。与其他的无线通信标准相比，ZigBee协议组件简单紧凑，对某种具体实现的要求很低，实现相对容易。ZigBee协议栈结构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提供服务。下面的层为上面的层执行一组特定的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供管理服务。每个服务实体通过一个服务接入点SAP为上层提供一个接口，每个SAP支持多种服务原语来实现要求的功能。1.1ZigBee技术的特点是：（1）低成本：每块ZigBee芯片的价格大约为2美元，且Zigbee协议免专利费；（2）低功耗：在待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月；（3）低速率：数据传输速率只有20kb/s～250kb/s；（4）近距离：单个设备的有效覆盖范围在10m～75m之间，具体取决于实际发射功率的大小和各种不同的应用模式；（5）短时延：通信时延和从休眠状态激活的时延都很短。典型的设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；（6）高可靠：采取碰撞避免机制，避免发送数据时的竞争和冲突；（7）网络容量大，组网灵活：支持多种组网方式和大量的网络节点，每个ZigBee网络理论上可容纳大约65000个设备；（8）高安全：提供了数据完整性检查和鉴权功能，提供三级安全性，采用AES-128加密算法，同时各个应用可以灵活确定其安全属性；（9）工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、915MHz（美国）及868MHz（欧洲），均为免执照频段。2基于ZigBee协议的组网技术2.1ZigBee设备ZigBee其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee网络中的设备通常可以划分为两种类型[4]，一种是全功能器件（FFD），它可以承担网络协调者的功能，可以与网络中的任何设备通信；另一种是简化功能器件（RFD），它不能作为网络协调者，只能与FFD通信，两个RFD之间不能直接通信。ZigBee网络定义了...