一种智能家居网关系统的设计与实现设计说明.doc

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1、I/41II/41一种智能家居网关系统的设计与实现摘要摘要随着社会经济的快速发展,家庭家居要求的档次也越来越高，而在我们生活必用的家居中则充满了人性化和智能化。其中在现实生活中物联网的智能电子产品和技术在智能家居的电子产品当中得到了广泛认知和应用。通讯技术与计算机网络之间的相互应用，则给人们的家居生活带来一种全新感受。智能家居实现了对家庭设备间之间的互通互联以与全方位的监控和控制。智能家居网关作为智能家居外连接通信的核心，是进行远程控制、多媒体通信等的载体，是实现智能家居系统与 Internet 相连的关键设备。本文在分析了现有的家庭网关方案和家庭短距离通信技术的基础上，提出了利用ARM 微处

2、理器(S3C2410)和一种基于 Zigbee 技术构建嵌入式智能家居网关的方案。这种方案是根据 ZigBee 技术在低速率、耗能小等无线通信方面的优势，利用 Chipcon公司的射频芯片 CC2430，实现远程网络监控和数据采集。通过对智能家居系统的技术要求分析，采用 ZigBee 技术来实现智能家居是一个比较理想的解决方案。在实际应用当中，根据用户摆放的电器位置的不同来分布，设计一个比较理想的家居网关系统，实现控制器对 Zigbee 通信模块进行相应配置并无线接收 Zigbee 终端节点的数据。关键词：关键词：ZigBee；嵌入式；S3C2410；智能家居；网关；III/41IV/41Ab

3、stractAbstractWith the rapid development of social economy,the family Home Furnishingrequirements are increasingly high grades,but the Home Furnishing where we live isfull of humanization and intelligent.In the real life of IOT intelligent electronic productsand technologies in the electronic produc

4、ts ofintelligent Home Furnishing has beenwidely recognition and application.The use of each other between communicationtechnology and computer network,to the peoples Home Furnishing life brings a newfeel.Smart home realized the interconnection between family between the equipmentand a full range of

5、monitoring and control.As the core of smart home gatewayconnecting communication smart home inside and outside,is the carrier of remotecontrol,multimedia communication,is the key equipment for realizing smart homesystem connected with Internet.Based on the analysis of the scheme of existing home gat

6、eway and home forshort distance communication technology,proposes the use of ARM microprocessor(S3C2410)and an embedded smart home gateway technology scheme based onZigbee.This scheme is based on the ZigBee technology in the low rate,lowconsumption of wireless communication advantages,Using the Chip

7、con RF chipCC2430,the realization of remote network monitoring and data collection.Throughthe smart home system requirements analysis,to realize the smart home is a relativelyideal solution by using ZigBee Technology.In practical application,according to theuser display appliance in different positi

8、on to distribution,design a more ideal smartV/41homegatewaysystem,realizethecontrollertocarryoutthecorrespondingconfigurationandwirelessreceivingterminalZigbeenodetotheZigbeecommunication module data.Keywords:Keywords:ZigBee;embedded system;S3C2410;smart home;gateway;VI/41目录目录第一章第一章 绪论绪论 1 11.1 课题研究

9、背景与意义 11.2 智能家居的简介 11.3 国外现状与发展趋势 11.3.1 国外发展现状 11.3.2 国发展现状 21.4 智能家居网关发展趋势 31.5 本论文的主要工作和章节安排 4第第 2 2 章章 嵌入式与嵌入式与 ZigBeeZigBee 技术技术 52.1 嵌入式系统概述 52.1.1 嵌入式系统定义 52.1.2 物联网嵌入式系统 52.1.3 嵌入式系统的特点 52.2 几种短距离无线通讯技术概况 62.2.1 ZigBee 技术 7第第 3 3 章章 本系统的总体设计方案本系统的总体设计方案 12VII/413.1 本系统解决方案 123.2 整个系统数据流程图设计方

10、案 12第第 4 4 章章 智能家居系统的硬件设计智能家居系统的硬件设计 154.1 系统硬件框图简介 15VIII/414.2 器件选型和单元电路设计 164.2.1 嵌入式微处理器 161.微处理器的选择 162.S3C2410 的简介 164.2.2 电源模块 174.2.3 Nand Flash 存储系统 184.2.4 SDRAM 设计 194.2.5 串口电路 204.2.6 晶振与复位电路 204.2.7 CC2430 协调器 21第第 5 5 章章 智能家居系统的软件设计与调试智能家居系统的软件设计与调试 235.1 本课题的软件框架设计 235.2 ZigBee 节点软件设计

11、 245.2.1 软件开发环境 245.2.2 ZigBee 软件设计 245.2.3 主要程序代码 27第第 6 6 章章 实验结论与展望实验结论与展望 30IX/41致致 31参考文献参考文献 311/41第一章第一章 绪论绪论1.11.1 课题研究背景与意义课题研究背景与意义当人类发明蒸汽机的时候，则预示着人类进入了新工业时代，而网络的出现无疑将信息化深深地刻印在人类文明丰富多彩的画卷上。随着电子信息技术，控制技术的日益提高，社会信息化进程正在步步加快。人们在工作、生活、学习和交流的方面日益密切，在改变人们的生活习惯的同时，它也对我们的传统住宅带来新的挑战。看看周围很容易的发现，我们对家

12、居的理解不再仅仅是一个简单的物理空间，更为关注的是一个安全，舒适，美观和方便的生活环境。现在人们日益膨胀的需求使得家居智能化已成为一种新趋势。近年来，随着我国房地产的火爆局面，给国的一些智能化带来了发展的机遇。众所周知，中国人口基数大，城市住房建设相对多的选择在更密集的住宅区，许多房地产开发商基于小区智能化的角度，也出现了目前一统天下，无所不包的“智能化住宅”模式。“智能化住宅”是一个系统的功能，这个系统的各个功能可都以单独的使用。许多子系统的功能还需要有足够的协调能力。这些住户在能够使用的智能系统仅仅是一小部分。而致力于家庭智能化系统的开发的，这就是所谓的智能家居。1.21.2 智能家居的简

13、介智能家居的简介智能家居与普通家居比起来的话更好，智能家居不但拥有了传统家居的居住功能，而且还是个具备舒适安全、品味高和气氛温馨的家庭生活空间。原来的结构是比较古板，而现在是变成可以移动智能的工具，拥有各方面的信息交换的功能，保证能在外面可以和家庭信息进行流畅的交流，提高家庭生活的方式，帮助人们能够更好的、合理的安排时间，提高生活的舒适性，也可以为各种能源减少不必要的费用。智能家居还能够自动管理和控制家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供高效便利、安全舒适的学习生活与工作的环境。家居智能化系统将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器以与家庭保安装置通过有线或无线的方式连接

14、起来，并进行集中或者异地的管理、监控，保持家庭住宅环境的协调、舒适。1.31.3 国外现状与发展趋势国外现状与发展趋势1.3.11.3.1 国外发展现状国外发展现状2/41自从世界上第一智能大厦 1984 在美国出现，发达的美国，加拿大，欧洲，澳大利亚和南洋经济的国家已经提出了多种智能家居方案。智能家居的广泛应用于美国，德国，新加坡，日本和其他国家。智能家居系统包括三个复制功能，新加坡模型的安全报警，视频对讲功能，监控中心的功能，家电控制功能，有线电视接入，家庭信息留言功能，智能家居控制面板，智能布线箱，宽带互联网接入和系统软件配置等。几年前，一些经济发达的国家，提出了“智能住宅”的概念，住宅

15、智能化是领先的智能家居，智能家居是智能住宅的核心。以什么样的标准可以被称为智能家庭？智能家居和智能大厦的概念和定义为还没有达成共识。电气设计标准的第一个适用于家庭住宅的 1988 美国电子工业协会，即“家庭自动化系统和通信标准”也被称为家庭总线系统标准（HBS）；中国也已开始从 1997 年初制定的“小康住宅电气设计（标准）指南（草案）中的“指南“在小康住宅电气设计规定应满足下列要求：一个高水平的安全、舒适的环境，便利的交通，综合信息服务，家庭智能化系统。目前市场上出现更多的智能家居控制系统主要包括：（1）X-10（美国），该系统是电力线作为网络平台的使用，集中控制方式的实现。这套系统的功能更

16、加强大，和其他家居控制系统如 ABB，c_bus 上升更容易接受，使用也比较简单。因为实现同样的功能，X-10 家居控制系统是 220V 电源线 X-10信号传输使用传输从发射机到接收机，从而实现智能化控制，使系统不需要额外的布线，这一优势也是大多数这样的系统，因为其他系统基本需要低线布在墙上或地面，开槽，钻井，施工难度大，成本高，建设周期长。但由于国缺乏市场条件和价格昂贵，该系统在国应用的罕见。（2）EIB 系统（德国），系统采用了嵌入式总线和中央控制的方式实现控制功能。但由于其复杂的工程的实际要求，且价格较高，所以一直无法打开国市场。（3）8X（新加坡），该系统采用预处理总线与集中控制方式

17、的实现。本实用新型具有使用产品的优势，系统的扩展，该系统是更成熟，更适合中国国情的。但是，由于系统结构的灵活性，以与产品的价格是很难满足要求，因此目前在中国已较少应用。1.3.21.3.2 国发展现状国发展现状智能家居在中国与国外相比起步较晚，尚未形成一定的国家标准。但是我国住宅智能化正在由智能大厦走向智能住宅小区，以后会慢慢地走进各个家庭。我国将住宅小区智能化定义为：利用 4C（即计算机、通讯与网络、自控、IC 卡）技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的

18、家居环境14。现代社会的家庭正在慢3/41慢地走智能化的道路，这种家庭智能化能给用户带来很多的方便，它可以让你在外出的时候很好的控制家庭部的设备，它已经作为一种理想的目标被广大群众所追求。国家也在多个工程项目实施方案中将它列入国家的重点发展方向。因此国家还成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技术体系已经作为国家重点专业项目来培养。据悉，国家将投资 15 亿来大力的鼓励该项目的实施。预计有 30000户用户将率先实施该项目。到 2010 年，我过已经有 70%的家庭都拥有了 Internet设备。此外，更有 50%以上的用户拥有多台设备。国家建筑部提出了要求：到 2010年，各大小城市要 60

19、%的住宅都能实现家庭智能化。由于智能家居系统能够给人们带来方便，高效的生活方式，智能家居系统已经和网络一样成为以后生活必不可少的部分。但是由于很多开发商和媒体的大肆宣传，消费者们对智能化家居存在认识上的误区。据调查，在美国，有 38%的家庭希望拥有家庭网络。但是很少有人需要带有电子功能的冰箱，热水器等。所以，用户应该根据自己的实际需求来选择，而不是盲目的追求。产品开发的功能模块，基于国外智能家居标准的日益成熟，我们国家在软硬件，开发机制等方面也渐渐地向设备智能家居化发展。此外，为了解决当前智能产品实用性差，使用复杂昂贵的缺陷，我国的技术创新也逐渐向国际先进水平靠拢，让我们真正的享受舒服温馨的的

20、家庭生活，这是值得期待的未来。1.41.4 智能家居网关发展趋势智能家居网关发展趋势智能家居网关是智能家居的终端部件作为智能家居外连接通信的“大脑”，它主要是负责公网和家庭部之间的交互，能很好的实现外部网络和家庭部网信息的互相交换。智能家居系统是为适应当今社会家庭风格而慢慢转变成一种多变化，多形式化的网络系统。同时智能家居网关还和其他的四个部位相互连接，交互信息，能把他们的信息统一起来进行管理。而且智能家居得网关还可以很好的接入到外部的网络，使使用它的人即使出门在外的同时能对家庭部各个网络进行方便、安全的管理。现在有许多厂家为了在市场上抢得先机，都推出了自己的家庭网关标准。下面是比较主要的几种

21、：（1）首先介绍的是开放式服务网关组织，它诞生于 1999 年，好多国的知名供应商都在里面。目的就是建立一个开放式的服务规，向家庭设备提供所需要的业务，从而制定了家庭外部网络对家庭设备所需的服务标准。（2）互联网家庭联盟；诞生于 21 世纪初期，主要的成员包括现在知名的松下，惠普微软等公司。这个联盟主要是来解决一些家电怎么连接到家庭网络中的问题。（3）ECHONET 协会；该协会诞生于 1997 年，它是一个国际组织。主要的目的是制定一套完整的家庭网络体系，并把他们应用到家庭医疗保健等服务上。同时还有好多的国家都相继提出了不同的智能家居方案，例如，包括早期的新加坡模型的智能家居系统：安全报警，

22、三表抄送，监测，控制，家居智能布线箱，宽带4/41上网等。具有智能家居目前更优越的切削复杂的配置系统。例如，在网上买东西，远程报警，紧急情况和其他新功能是基于现代社会的发展，人们越来越高的要求而设计的发展。1.51.5 本论文的主要工作和章节安排本论文的主要工作和章节安排本课题提出了一种基于 ZigBee 技术和 GPRS 无线通信的智能家居技术结合起来的技术，建立了一个无线智能家居系统，把现代通信技术和计算机技术结合在一起，不仅避免了一些在现场布线所带来的不必要的问题，还能与时，准确，全面地反映电设备的用户使用，这样也弥补了那些比较传统接线方式的缺点。由于基于 GPRS 技术的数据传输终端系

23、统的设计，用户可以使用标准的 TCP/IP 通信模式并利用互联网格局和用户计算机和手机直接进行数据交换，不必在乎的是如何传输数据的。所以，有很多类似的有线通信系统都可以用本课题所研究的模式所替代，而且系统还可以应用到更广的围。所以本论文结构安排如下:第 1 章:绪论。主要讲解本课题所研究背景和意义，阐述本课题的国外发展现状、研究的目的和意义以与本文所要去完成的主要工作。第 2 章：ZigBee 技术介绍。通过和其他短距离通信方式对比详细的介绍了 ZigBee技术的特点以与 ZigBee 协议栈结构和原理，简单介绍了 ZigBee 应用在物联网优势所在。第 3 章:智能家居总体设计方案。本章主要

24、制作了智能家居的总体设计流程图，并简要介绍了该系统各部分主要功能和作用。第 4 章:智能家居系统的硬件设计。主要完成了智能家庭网关的设立，设计智能家居的无线传输模块，选择数据在采集端端无线收发芯片与其外围所需电路的设计数据，对 ZigBee 节点、ZigBee 终端采集节点和其相应的接口电路的硬件电路的详细设计和介绍。第 5 章:智能家居的软件设计与调试。建立智能家居 ARM 的网关平台，完成了数据采集端的软件设计(包括 ZigBee 协调器、路由器和终端节点的设计)，对相应的程序进行调试。第 6 章：实验结论与展望：通过这次实验的出理想的结论，从而总结出本课题研究的成果与不足，以与对以后研究

25、的展望和憧憬。5/41第第 2 2 章章 嵌入式与嵌入式与 ZigBeeZigBee 技术技术2.12.1 嵌入式系统概述嵌入式系统概述2.1.12.1.1 嵌入式系统定义嵌入式系统定义嵌入式系统是为一种特定的应用而专门设计的计算机系统，又称之为“嵌入式计算机系统”。嵌入式系统很难给它下一个准确的定义，根据英国电气工程师协会的定义，嵌入式系统通常执行的是带有特殊要求的事先定义好的任务，而国认同的嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专业性，必须结合实际系统特定需求进行合理的裁剪利用。嵌入式系统存在生活中的各个地方，如交通管理、工业控制、家电信息、家庭智能管理系统、电子商务、环境工程与自然等

26、。2.1.22.1.2 物联网嵌入式系统物联网嵌入式系统随着医疗电子、智能家居、物流管理和电力控制等方面的不断风靡，嵌入式系统利用自身积累的底蕴经验，重视和把握这个机会，想办法在已经成熟的平台和产品基础上与应用传感单元的结合，扩展物联和感知的支持能力，发掘某种领域物联网应用。作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统的视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制，这就是我们嵌入式系统所能做到的。诚然，物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析

27、、加工和处理出有意义的数据15，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。2.1.32.1.3 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点嵌入式系统在开发和设计方面都得根据具体的应用任务的，虽然说不同的应用所对应的嵌入式系统差距很大，但它的基本要素都是一样的，由于现在的人们对产品成本、功耗、可靠性等要求逐渐提高，嵌入式系统慢慢的通过计算机走进了人们的视线，被人熟知。从定义中我们总结了几个嵌入式系统的重要特征：（1）核比较小。目前的嵌入式系统的核心通常是一个只有几 K 或几十 K 的核，所以它一般用在小型的电子设备中，资源也相对的比较有限。它和 windows 的核简直没有可比性。（2）专用性

28、强。嵌入式系统的个性化较强，它通常针对一项特殊的任务。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，所以它必须与具体的应用结合在一起才能发挥它的最大优势。6/41（3）系统简单。嵌入式系统一般在软件方面没有什么明显的区分，不需要对它的设计太过于复杂，从而还减少了成本。（4）高实时性。嵌入式软件基本上都是固态存储，来提高速度；同时也要求有高可靠性和高质量的软件代码。（5）嵌入式系统是与应用结合在一起的，更新换代也是同时进行的。所以嵌入式系统还是有比较长的生命周期的。（6）嵌入式系统由于自身限制没有开发能力，用户在它被设计完成后也不能对程序进行修改，所以嵌入式系统开发需要开发工具和环境。2.22.2

29、 几种短距离无线通讯技术概况几种短距离无线通讯技术概况短距离无线通信系统的工作围一般从几厘米到几百米，大多数都工作在高频段，无线发射功率一般比较小。迄今为止，已经得到广泛应用的短距离无线通信技术主要有以下几种：蓝牙技术（蓝牙技术（BluetoothBluetooth TechnologyTechnology）：蓝牙技术在 1994 年问世，在被大家所关注一些近距离的无线连接的技术中，它则是一个语音通信与无线数据开放性的全球典，并且它以其低成本短距离的无线连接为基础，可以为固定或者移动终端的设备带来一些廉价接入的服务。在 1998 年的时候，该蓝牙技术的协议则由多家的公司最后达成共识。它传输频段

30、则为全球公众的通用 2.4G 赫兹 ISM 频段，它传输的速率为 1Mpbs，传输的距离则为 10 米。本蓝牙协议标准版本则是 802.15.1，则由蓝牙小组(SIG)负责进行开发。最初的标准是蓝牙 1.1，而后来已经构建到现在很多的蓝牙技术设备中7。Wi-FiWi-Fi 技术（技术（WirelessWireless FidelityFidelity）：它是通过 1999 版 IEEE802.11 协议的修改并加以补充。也被称作为 IEEE802.11b。和蓝牙技术一样，它也工作在 2.4GHZ 频段，不同的是，它的数据传输率最大可以达到 54Mbit/s。但在数据传输的安全性方面，它比 Bl

31、uetooth技术稍微差一些。不过它的电波覆盖围达到了 100m 左右，相对于蓝牙技术略胜一筹。Wi-Fi 技术最主要的优势在于它不需要现场布线，可以不受到布线条件所带来的缺点。所以它非常满足那些移动办公的用户，此外由于它的发射信号功率低于 100mw，比手机发射功率还低，所以选择 Wi-Fi 上网相对也是最安全最健康的。红外技术（红外技术（IrDAIrDA 技术技术）：IrDA 在 1993 年成立。IrDA 技术是一种利用波长在 0.75um到 25um 之间的近红外线进行无线通信的技术。目前有 SIR、FIR、UFIR 等几个协议版本，它的通信距离是从 5cm1m 之间。不过 IrDA

32、技术对于方向性的要求很高，它的核心部件（红外线 LED）的使用寿命也是十分有限的。超宽带（超宽带（UWBUWB）技术：）技术：它是一种不用载波，而采用时间间隔极端的脉冲进行通信的技术，也称作脉冲无线电、时域或无载波通信。UWB 使用的中心频率为 4.1GHz，带宽为 1.4GHz，频谱围有点宽但是发射功率低。通信速度在 250Kbit 到 10Mbit 之间。超宽带技术最初是用来雷达开发的，认为它属于一种无载波通信技术。和蓝牙相比，它7/41的抗干扰能力强，传输速率高，最高可达到蓝牙的 100 倍。带宽极宽，UWB 使用的宽带在 1GHz 以上，它可以和通信系统同时工作而互不干扰。消耗电能小，

33、UWB 不使用载波，只需要发出瞬间脉冲电波，并且在需要的时候才发送，所以消耗点能小。ZigBeeZigBee 技术技术：是一种新型的技术，其目标是实现低能耗，低成本短距离的双喜双向通信。它的标准是由 IEEE802.15 委员会负责制定的，因而被称作 IEEE802.15.4 技术标准。它有 3 种可供选择的频段，即 2.4GHZ、868MHZ（欧洲）与 915MHZ（美国），传输速率在 10kbps 到 250kbps，有效的覆盖围为 10M75M。每个 ZigBee 网络设备的数量最多可以达到 65536 个。ZigBee 和其他几种短距离无线通信技术的比较如下图 2-1所示：表 2-1

34、ZigBee 和其他几种短距离无线通信技术的比较2.2.12.2.1 ZigBeeZigBee 技术技术2.2.1.12.2.1.1 ZigBeeZigBee 的特点的特点（1）低功耗。在低耗电待机模式状态下，2 节 5 号的干电池就可以支持 1 个节点工作8/41长达 24 个月，甚至更长时间。这是 ZigBee 相比较蓝牙和 WiFi 的优势所在。（2）低成本。通过大幅度的简化协议，具体点就是不到 Bluetooth 的 1/10，极大降低了其对通信控制器的要求，按照预测值来分析，用 8051 的 8 位微控制器进行计算，它的全功能主节点需要 32Kb 代码，而其子功能节点少至 4KB 代

35、码，而且 ZigBee 免去协议专利费。它的每一块芯片价格在 2 美元左右。（3）低速率。ZigBee 一般工作在 20250kbps 速率，分别提供 250kbps、40kbps和 20kbps 的原始数据吞吐率，满足其低速率传输数据的应用要求。（4）短距离。其传输围一般在 10100m 间，在增加了发射功率之后，也可以增加到13km。如果其能通过路由器和节点间通信接力，传输距离将可以达到更远。（5）短时延。ZigBee 响应的速度比较快，一般的从睡眠转入到工作状态只需要短短的 15ms，节点连接网络需要 30ms，进一步的节省了其电能。相比较而言，蓝牙则需要 310s，WiFi 则需要 3

36、s。（6）比较高的容量。ZigBee 可以采用 3 种网络结构，它由一个主节点控制着若干个子节点，最多的一个主节点甚至可以控制多达 254 个子节点；与此同时，主节点还可以由上一层的网络节点管理，最多可形成 65000 个节点的大型网络。（7）免执照频段。其使用工业科学医疗频段，915MHZ（美国），2.4GHZ（全球），868MHZ（欧洲）。2.2.1.2ZigBee2.2.1.2ZigBee 协议结构协议结构ZigBee/IEEE802.15.4 标准架构是在 OSI 七层模型的最下面两层：物理层 PHY和介质访问控制子层 MAC，ZigBee 联盟在它的基础上定义了网络层 NWK 和应用

37、层 APL 这两层。其结构如图 2.1 所示。9/41图 2.1 为 OSI 七层模型 ZigBee 标准架构2.2.1.3ZigBee2.2.1.3ZigBee 协议的详解协议的详解ZigBee 的堆栈是建立在 IEEE802.15.4 标准上的。ZigBee 设备包括了 IEEE802.15.4的物理层（PHY）和控制层（MAC），以与 ZigBee 堆栈层：APL、NWK 和安全服务提供层。应用层还包括了应用支持子层，应用框架，ZigBee 的设备对象以与用户定义的众多应用对象，图 2.2 给出了这些组件之间的关系。图 2.2 ZigBee 堆栈框架1.ZigBee1.ZigBee 网络

38、层网络层网络层需要和 IEEE802.15.4 标准的功能要相互兼容，要保证 ZigBee 的介质访问控制层能平稳正常的工作，而且还要为上面的应用层提供合格的接口。下面是网络层主要功能：（1）产生网络层的数据包：网络层会接受来自应用子层的数据包，此时网络层就对数据包进行解析，然后再加上适当的网络层向 MAC 传输；（2）网络拓扑的路由功能：网络层会提供路由数据包的功能，如果包的目的节点就是本节点，则将该数据包发送到应用子层。反之，则将数据包转发给路由表下一节点16；10/41（3）配置新的器件参数：网络层可以给网络配置合适的协议；（4）建立有效的 PAN 网络；（5）接入或脱离 PAN 网络：

39、网络层可以提供接入或脱离网络的功能，如果此节点是协调器或者路由器的话，还能够要求它的子节点从网络中脱离；分配网络地址：若本节点是协调器或者路由器的话，则接入该节点的子节点的网络地址就由网络层控制；（6）发现相邻节点：网络层可以发现和维护网络邻居信息；（7）建立路由线路：网络层能够提供路由功能；（8）控制接收：网络层可以控制着接收器的接收时间。2.ZigBee2.ZigBee 应用层应用层ZigBee 的应用层主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚、设备发现、业务发现等功能。应用层由应用支持子层(APS)、ZigBee 设备对象（ZOD）与厂商定义的应用对象。同时在本系统中附加了一层应用层协

40、议完成数据的通讯和控制的业务。3.ZigBee3.ZigBee 物理层物理层IEEE802.15.4拥有两个相对的物理层（PHY）：2.4GHZ 物理层和868/915MHz 物理层，两个物理层存在着区别，他们的通频不同。2.4GHz 的物理层运作在2.4GHz工业、科学、医学（ISM）频带上，它在世界各个地方都可以得到，但是次频带在信号上会互相干扰，不能共存。868/915MHz 物理层能运作在不同的频带上，在欧洲能运行在868MHz 频带上，在美国能运行在915MHz 频带上，但和2.4GHZ 物理层不同的是，该物理层不会受到其他标准的干扰，并且在运行的消耗上也比较低的。PHY 层还主要负

41、责数据的调制与解调、发送和接收，向下直接操作物理传输介质，向上为MAC 层提供服务。4.ZigBee4.ZigBee 控制层控制层IEEE802.15.4还提供介质接入控制层（MAC）：它可以解决在局域网中如果一个信道被多个使用产生竞争时，如何分配好信道的使用权问题。MAC 帧结构的子层通过两个服务接入点为高层提供两种服务：分别是 MAC 的数据服务通过通用接口子层接入和 MAC 管理服务通过管理实体接入。同时还合理定义了同一区域同时工作的多个802.15.4无线电信号，还可以共享空道。它还支持几种结构，包括星状拓扑结构、树状拓扑结构和网络拓扑结构，MAC 层还负责为一个节点提供舒畅的通信线路

42、，为了避免他和直接邻居发生冲突，这样可以提高通信的效率。5.5.ZigBeeZigBee 网络拓扑结构网络拓扑结构11/41ZigBee 它支持多种不同的网络拓扑结构，典型的结构有：星型，树状型，网状型。如图2-1所示。星型网络是由一个协调器周围连接多个终端节点而组合成的网络结构，通过终端点的所有信息都通过协调器来转发。像这样的网络结构，协调器的性能要求非常的重要，正是因为所有的通信信息都得通过协调器来转发，所以系统的延时是不可避免的，而且当单个的节点在遭到破坏时就会让整个网络不能正常运行，甚至会变成瘫痪的状态。树状型和网状型在等对等的网络中，也存在一个 PAN 协调器，但是它起到的作用主要是

43、发起网络个组网，还有就是和星型不同的是，它也不需要转发它的所有信息。在这点上还是比星型简便的。12/41图 2-1 ZigBee 网络拓扑图第第 3 3 章章 本系统的总体设计方案本系统的总体设计方案3.13.1 本系统解决方案本系统解决方案智能家居是以其住宅为载体的，它把许多有关的设备集合在一起，包括：音视频的技术、安全防的技术、网络通信的技术、自动控制的技术、综合布线的技术，构建了比较丰富的住宅设施和家庭部管理系统，从而进一步地提高了家居的安全性、艺术性和便利性，更重要的是智能家居还能给用户带来一个即环保又节能的舒适环境。根据智能家居的最新定义，再参考 ZigBee 一些独特的技术特点，从

44、而设计出了该系统。该系统在一些智能家居所必要的系统(家庭安全防护系统、家居照明灯控制系统和智能家居中央控制管理系统)的基础上，再加入家庭环境的控制系统、背景音乐控制系统、家庭网络控制系统与家居布线控制系统。所谓的智能家居系统，是指只有完整地安装了所有家居必备的系统，并且至少选装了一种与以上的可选系统的家居系统才能称为智能家居。要想建立一个合理的无线网络系统，需要一个合适的网络拓扑结构来作为基础。一个合适的网络拓扑结构需要的是速度、成本、特点和实现功能。本文的智能家居设计情况如下：1、传感器用电池供电，而家庭网关是用电源供电，这样的话就可以节约相应传感器节点所带来的不必要的电量损耗。从而延长了电

45、池的使用时间。2、传感器和节点是智能家居中的主要接入点。但是在网络中数据使用量不是很大，大大的简化了网络拓扑结构，从而来保证数据能流畅的进行通信。3、而控制网络中，它所涉与的围不是很大，设计的时候在室达到 30 多米的距离都可以满足需要。所以在智能家居中还是采取了星状拓扑架构最适宜，因为该结构成本又低，而且比较容易去实现，还不涉与相关路由寻址等功能。3.23.2 整个系统数据流程图设计方案整个系统数据流程图设计方案本系统的设计是由家庭部控制设备和远程控制设备组成。其中家庭部控制设备主要有能访问 Internet 的计算机、家庭网关监控中心和家用电器控制器与管理系统。远程计算机和智能手机组成了远

46、程控制设备。具体的系统组成如图3-1所示。13/41图 3-1 整个系统数据流程图现在具体分步骤介绍整个系统：1.1.外部网络外部网络基于以下因素考虑，本文把计算机作为智能家居的系统的主要外部网络:（1）现在基本上家家户户都能使用到计算机，这给了智能家居系统提供了良好的基础;（2）计算机能进行数据信息与控制信息，这方面则具备了更好的优势;（3）用计算机和智能手机组成外部的网络，联网 PC 机和智能手机作为远程的终端工具。2.2.家庭网关家庭网关该课题设计的家庭网关则是由家庭网络系统和本地 PC 机的控制中心两部分所组成的，二者之间的连接是通过串口通信来实现的。网络的接口卡将本地的 PC 机和互

47、联网相互连接，从而连接到了远程的终端。本课题采用的是无线龙公司的 CslRF-3-PK开发系统，它是硬件平台设计出的基于 ZigBee 无线技术家庭网络系统，由于无线龙14/41公司的 CslRF-3-PK 硬件资源是有限的，所以无法提供不了互联网的网络接口，进而不能访问互联网。因此，为了避免此类事件发生，本设计中的网关采用的是本地 PC 机与控制的中心共同构成的。这个设计中使得本地的 PC 机可以随意地访问互联网上的任意资源，从而很好的解决了家庭网络系统无法访问互联网的问题。3.3.家庭网络系统家庭网络系统以前的智能家居的系统一直存在着布线这一问题，所以本设计采用的是 ZigBee无线技术，

48、它组建了家庭网络，从而解决了传统布线的问题。该 ZigBee 无线家庭网络主要3个设备是：路由节点、系统终端节点、控制中心。现在逐个分析他们的主要功能和作用。（1）控制中心主要是负责网络的组建，如果路由节点或者终端节点发来入网申请，控制中心就会响应他们发来的申请；（2）路由节点主要增加了家庭网络在家庭部覆盖的围，终端节点或者控制中心的数据都是通过路由节点转发的；同时还采集环境所带来的参数数据并循环性的将数据传输到家庭网关的终端节点来监视各个设备的电压并且执行家庭网关发来的控制命令等。现在假设家庭有五个房间，分别是卧室1，卧室2，客房，厨房和卫生间，并且在每个房间都装有 ZigBee 终端节点来

49、模拟家庭里的设备：终端节点可以先通过路由节点过度，然后再通过控制中心通信，也可以直接和控制中心进行通信。家庭网络子系统像个树簇一样，所以，我们就采用树簇型来作为家庭网络的拓扑结构。ZigBee 家庭的网络连接子系统如图3-2所示:图3-2 ZigBee 的家庭网络子系统示意图15/414.4.监控子系统监控子系统一些用户可以在远程的 PC 机上监控家庭网络子系统里面的各个设备，但是除了上面所说的条件外还不够，还要借助于对应的软件来实现，即为监控子系统。所谓的监控子系统则是运行在本地PC机上本地所监控的程序与运行在远程的PC机上远程所监控的程序两个所构成的。不仅本地的监控程序通过本地 PC 机的

50、串口模块进行接收和处理来自控制中心所发送数据，然后利用了计算机的网络发送给了远程的监控程序;而且本地所监控的程序利用计算机的网络接收和处理远程监控的程序发送数据，最后其利用串口模块再发送给控制中心。第第 4 4 章章 智能家居系统的硬件设计智能家居系统的硬件设计4.14.1 系统硬件框图简介系统硬件框图简介本章主要的目的是介绍一下系统的硬件电路设计原理，系统主要用到 ARM 的微处理器（S3C2410），下面给出系统设计的原理图与一些电路图。智能家居网关系统采用了高性能，低功耗的嵌入式处理器 S3C2410，同时还运用了 Linux 操作系统。首先需要在此操作系统中建立一个嵌入式的 Web 服