智能家居网络系统的设计与实现.docx

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1、贵州理工学院本科毕业设计（论文）设计（论文）题目：智能家居网络系统的设计与实现学 院： 大数据学院 专 业： 网络工程 班 级： 网络152 学 号： 2015060056 学生姓名： 李长胜 指导教师： 李云冀 2019年 6 月7 日 贵州理工学院本科毕业设计（论文）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业设计（论文），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。设计（论文）作者签名：日期：目录摘 要IIIAbstractIV第1章 前言11.1 设计的目的和意义11.2 国内外现状和发展趋势1第2章 Z

2、igBee技术22.1 ZigBee概念22.2 ZigBee特点22.3 ZigBee协议22.3.1 PHY32.3.2 MAC层42.3.3 网络层52.3.4 APL62.4 本章小结6第3章 系统硬件，技术方案的选择设计73.1 硬件方案的选择设计73.1.1 芯片的选择设计73.1.2 技术的选择设计83. 2 系统总体方案设计83. 3 本章小结8第4章 智能家居系统架构设计104.1 紫蜂的网络拓扑结构介绍104.1.1 星型拓扑（Star）104.1.2 树簇拓扑（Tree cluster）104.1.3 网状拓扑（Mesh）114.2 智能家居网络系统结构设计124.2.1

3、 家庭网关124.2.2 内部网124.3 本章小结13第5章 家庭内网设计145.1 CC2530芯片145.2 CC2530功能介绍155.2.1 CPU155.2.2 时钟155.2.3 外部设备155.2.4 RF收发器155.2.5 无线通信165.2.6 CC2530外围设计165.3 协议栈设计165.3.1 协议架构165.3.2 源文件组成175.4 家庭内网组网方案设计175.4.1 拓扑结构选择185.4.2 组网原理概述185.4.3 射频收发模块设计185.5 本章小结20第6章 家庭网关设计216.1 软件系统框架设计216.2 Web服务器网页设计226.2.1

4、WeX5简介226.2.2 开发工具简介226.2.3 Eclipse简介236.2.4 页面设计246.3 本章小结30第7章 结束语31参考文献32致谢34智能家居网络系统的设计与实现摘 要随着时间的流逝，时代的变迁，物联网的发展和人们对智能、舒适的生活环境提出了比之前更高的要求。从最开始的解决温饱问题，到先富带动后富，再到每个人都进入小康社会，人们不再仅仅满足于温饱，而开始向往美好的物质生活，也就造就了智能系统的兴起。智能系统在这个时代可以说是一个新兴的产业，是每个国家重点近年来重点发展的产业之一。人们对住宅的观念有了一定的变化，智能家居已经在逐步的进入人们的生活。智能家居系统采用通信网

5、络等技术，为人们提供更方便舒适的生活。本文设计了基于ZigBee的智能家居网络系统，本次设计包括室内的光线，窗帘的控制，煤气阀值浓度的检测。文中介绍了智能家居的背景，ZigBee技术，硬件设计方案，介绍了软件设计，通过界面控制电灯和窗帘的开关，以及煤气浓度达到一定阀值时进行预警和报警。关键词：智能家居,Zigbee,界面控制Design and implementation of intelligent home network systemAbstractWith the passage of time, the changes of the times, the development o

6、f the Internet of Things and people put forward higher requirements for the intelligent and comfortable living environment than before. This created the rise of the smart system. Intelligent systems can be said to be an emerging industry in this era, and it is one of the key industries that each cou

7、ntry has focused on in recent years. People have a certain change in the concept of housing, and smart homes are gradually entering peoples lives. Smart room system has designed a smart home network system based on ZigBee, providing more convenient and comfortable life using technologies such as com

8、munication networks. This design includes indoor light, curtain control, and gas threshold concentration detection. The background of smart room, ZigBee technology and hardware design are introduced, and the interface is controlled by the port, and design, controls the switch of electric lights and

9、curtains through the interface, and provides early warning and alarm when the gas concentration reaches a certain threshold.Keywords：Smart home, ZigBee, interface controlIV贵州理工学院本科毕业设计（论文） 第 3 页第1章 前言人们的物质生活在慢慢的变好，为智能家居的普及打下了一定的基础，可以让每天不辞辛劳上完班回到家中的人们能够享受到舒适，简单的待遇，缓解人们的疲劳。在智能家居设计规划方案中，其目的是让人们享受生活，将华为

10、手机、海尔、欧普照明小灯泡这些设备作为一个整体进行管理规划。最终的目的是让人们能够拥有一个自己觉得喜欢让家人感到舒适，方便并且安全的生活环境。研究和设计智能家居系统可以大大改善人们的生活水平，让人们能高效率地安排自己的时间，提高家庭生活舒适性。1.1 设计的目的和意义研究目的：随着时代的快速更替，计算机技术越来越成熟，人们开始着眼于高物质生活，不再止步于温饱，而在于享受。对于自己住宅也有一定的智能需求。首先，每个智能家居系统都会在每个住宅处建立一个通讯网络，这便可有了一个通路，在操作系统的检测，控制下，通过无线设备等，实现对家庭中的一些家电进行控制等。智能家居网络系统的设计是为了能更好的满足人

11、们对方便，舒适，安全的需求。研究意义：促进智能家居的发展，使得家居越来越多样化，研发出各种不同的智能化家居产品，能够让设备按照我们所想的为我们服务，能让我们更加的便捷。系统使用无线自动组网，可短距离无线传输。性价比高，移动灵活，成本低，低碳生活。1.2 国内外现状和发展趋势国外：1984年，世界第一栋智能建筑出现在美国，当时许多的经济发达国家争先恐后的提出了有关智能家居的方案6。国内：领前的是在国内的一些高端的市场，比如别墅，智能小区，目前增长很快的则是智慧酒店和智能办公，前者是能够让人们享受优质的服务，后者是便捷控制、节能。开发最慢的则是普通住宅，虽说市场很大，但是价格过高。趋势：智能家居还

12、有好几年的时间要慢慢度过。通过传输网络，将信息服务进行统合表现出了其智能方面。21世纪，在高度物质文明乡下，绿色环境，低碳生活已经成为主导，生活信息化，完全，舒适，便捷是居家必不可少的象征。每户人家都具有智能居家网络系统是必然的趋势。第2章 ZigBee技术2.1 ZigBee概念ZigBee技术是运用在100米左右的范围，输入，输出功率差额较低，平民化的双向无线通信。用于2个设备的数据传输1。ZigBee兼容的新产品正在不断地推出，在这一领域显示出了极大的生命力。ZigBee还有一种叫法，称其为紫蜂，它的优点有，功耗低，成本低，支持大量网上节点、支持多种网上拓扑等。主要运用于自动控制领域，嵌

13、入各种设备。ZigBee协议由5个部分组成（APL，ACL，NWK，MAC和PHY）2。网络间设备由于功耗低，必须发挥各自的功能，有效地协同工作。2.2 ZigBee特点ZigBee的特点：（1）数据传输速率低，只有20250KB/s（2.4GHz），40KB/s（915VHZ），20KB/s（868MHZ），少量数据传输而传输功率仅为1mw，支持睡眠模式，因此，Intranet在无线传感器网络系列中，数据量节点相对较小，ZigBee传输速率完全可以满足控制平台之间的内部网络数据通信。（2）成本低：ZigBee协议栈设计简单，因此研发和生产成本低。ZigBee协议是免版税的，允许开发人员下载免

14、费的开放式酸。（3）短延迟：从休眠到正常这个过程非常的快21。每一个设备的连入、退出不到半秒，可以说一个眨眼的功夫不到便完成了一个命令。所以，ZigBee技术非常适合用控制住宅中的设备。（4）安全性：有三级安全模式，没有安全设置级别，USES访问控制列表（ACL），以防止非法访问数据级别，并提供CRC包完整性验证功能。通过支持身份验证和身份验证，确定其安全属性。在数据的传输、传入时，我们就不用去担心被他人劫走3。2.3 ZigBee协议ZigBee协议栈由4个子层组成4，当每层之间需要进行通信的时候，就需要通过服务访问点（SAP）。就像我们学生在进入学校时需要学生证才能进入学校一样。SAP犹如

15、一个通道，从下而上，是上下层访问的接口5。它支出各式各样的原语，这样便能够在需要的时候实现一定的功能。ZigBee协议栈有两个接口。数据实体接口：向上层提供数据服务。管理实体接口顾名思义，就是管理访问7。如图2-1是协议栈的体系结构图，无线收发器，接口组成物理层，通过无线信道实现数据传输。节点之间的传输链路是由控制子层提供的。能够实现数据共享以及提高节点通信的有效性。基于MAC层，网络层使得数据传输更加可靠，还能实现路由寻址等功能。物理层，链路层，网络层等等每一层的协议结构，内容，功能都是不相同的，那么下面将给各位描述它们的不同。图2-1 协议体系结构2.3.1 PHY1.PHY的结构：Zig

16、Bee服务如下图所示，上层PHY提供PD-SAP和PLME-SAP两个接口17 ，在无线信号的直接管理下进行发送和接收。图2-2 PHY结构贵州理工学院本科毕业设计（论文） 第 34 页2.PHY调制频率：因为国家的不同，导致ZigBee的频率也不同，可分为2.4GHz和868/915MHz两种频率，频率有2种，那物理层的标准也就有了2个，2.4GHz PHY和868/915MHz PHY18。2个都采用一样的数据格式，但是速率方面有着些许差异19。3.PHY的功能：PHY的数据通信是通过无线信道来传送的，没有信道就传输不了数据。其功能是20：检测信道的条件和选择来确定出工作的频率和其他功能，

17、在闭合时转换发送和接收状态，对接受分组进行分析，将结果呈现给MAC层。2.3.2 MAC层1.MAC层的结构模型：MAC层的作用：为SSC（服务协议聚合层）和物理层的相连提供一个接口9。具有管理MAC层实体的MLME-SAP，它不仅能够提供调用MAC的管理功能的服务接口。而且还可以维护受管对象数据库。具体描述如下图所示。图2-4 MAC层结构2.MAC层框架结构、分类：MAC层可以划分为2个子层，一个是LLC逻辑链路控制（辑链路控制层），另一个是MAC（MAC媒体访问控制层） 22。LLC是传输可靠性的保证和控制。而MAC负责的是分解，封装收到的的MPDU包。MAC协议功能：设备间建立等23。

18、四个帧的功能： 信标帧：协调器会周期性的发送一个信标，来表明开始21。数据帧：一个目的地址子域或者是一个源地址子域组成一个数据帧10。确认帧：帧控制字段、序列号和校验码组成一个确认帧24。命令帧：用于网络建设。3.MAC层功能：（1）生成并发送信标帧；（2）将设备与信标同步。2.3.3 网络层1.NWK结构：NWK通过向它的下层MAC层提供服务来达到它的命令，发挥其作用，并且旨在建立、维护NWK以及提供服务给它的上层应用层24。该层提供网络数据实体和网络层管理实体两个功能24，如图2-6所示。MAC层通过NLDE-SAP接口给数据实体提供的数据11。通过NLME-SAP接口给管理实体提供管理

19、21。图2-6 NWK结构2.NWK框架：ZigBee可以采用3种拓扑结构，也可以实现三者的结合。其功能是提供必要接口，保证MAC层正常运行，为APL提供接口25。NWK有两种帧格式：通用帧（由帧头和帧负荷组成）、独立帧。3.NWK功能：（1）配置一个新的设备，可配置为协调器或假如已有网络；（2）发现和维护设备间的路线。2.3.4 APL1.APL结构：APL由三部分组成APS（应用程序支持子层）、ZDO（设备对象）、AF（应用层框架）下图为其结构26。图2-7 APL结构2.APS的框架结构：命令框架、数据框架和回复框架组成APS。APS和通用帧一样都是由一个头和一个负荷组成 21。3.应用

20、层功能：（1）维护绑定表12。（2）绑定设备之间进行传输信息12。ZDO包含ZigBee协议栈的所有应用程序的功能。ZDO相当于一个桥梁， APS通过ZDO与AF进行连接。ZigBee设备可以配置为协调器，路由器或终端设备。ZDO的主要功能是13：（1）定义设备位置13。（2）发现设备以及找出该设备的应用13。2.4 本章小结本章讲述了PHY中有一个管理实体，可以接收到来自上层的请求.MAC通过接口可以调用MAC层管理功能。在了解了各层的机构，功能，工作原理后，为后面的组网提供了一定的帮助。第3章 系统硬件，技术方案的选择设计这一章主要介绍了本次设计的系统要用到的硬件的选择，通过查找资料了解关

21、于它们的优点缺点来进行对比，让我们能够选出一套较为理想，经济的方案来进行本次设计。3.1 硬件方案的选择设计在开始搭建硬件电路时必须要有一个明确的设计方案，这样会让我们节约出很多时间。通过进行各个硬件之间的比较来选出最理想的一个硬件来设计此次的设计，从中可以体现出经济，实惠，简朴，动手能力强的原则。3.1.1 芯片的选择设计方案一：CC2530同其他芯片（2430、2431）相比，它能以低耗材，高性能的优势来建立出强大的网络节点。CC2530集成单片机、ADC、无线通信模块于一体，并且结合了RF收发器的优良性能，它具有不同的运行模式，这使得它能够更好的适应超低功耗的要求，在通讯时具有很好的稳定

22、性14。CC2530能够很稳定的的支持紫峰（ZigBee）任何一个协议，哪怕是最新的协议的也不例外，而 CC2430、CC2431这两款芯片以及其他没有列举出来的芯片等则不支持紫峰最新的协议。CC2530芯片在设计出节点通信后的优势在于距离远，性能优，价格平民化，这就使得住宅是别墅或者是复式楼的客户在控制其相应设备时不会出现信号差的情况。方案二：CC2430闪存版本最大只有128kByte，而CC2530可以达到CC2430的两倍。尺寸方面也劣势于CC2530，当有一块墙壁格挡时，其信号就如同WiFi一样会变得很差。导致我们在控制设备时连续按好几次都不会有所响应。方案三：CC2431满足低功耗

23、的应用需要。CC2431相比于CC2430来说，内部多了一个硬件定位引擎。其缺点在于对节点的要求很高，当节点只有1个或2个时，就会引起计算出来的位置和现实的位置有着很大的偏差。综合上述的描述，我们可以很直观的看出CC2530相对于CC2430以及CC2431来说性能更优、价格更加的廉价，实现距离更远，组网性能更稳定可靠，并且在遇到墙壁或者是门的格挡的情况下，受到的影响相对较小等等优势。所以此次设计决定使用CC2530作为主控芯片。3.1.2 技术的选择设计方案一：采用WiFi。WiFi是无线电波传输。工作原理是采用2.4G频段。其缺点是安全差，易被破解，几乎每个人都知道有个APP叫做万能钥匙，

24、几年前当你来到一个陌生的地方时，不想浪费你自己的流量时，你就会打开你的手机，进入万能钥匙开始搜索你附近的WiFi，找到后将其破解，从中就能看出它的安全性可以说是很差的。而且其稳定性很差，假设你的路由器按在你的卧室，当你走到客厅时，你会发现WiFi信号很差，甚至于你可能还断开连接。更别说那些住宅是别墅亦或是复式楼的户主，如果不多拉几根网线，多安几个路由器，就有可能会出现没有网络的情况。WiFi对于设备的连接局限在两位数，这意味着不能连接太多的设备。而且功耗比较大，不适合用电池供电设备。通信延迟比较大。方案二：采用ZigBee。最大速率可达到250Kbps/s。安全性和WiFi相比可以说是天壤之别

25、，你家有智能家居不代表你邻居家也有智能家居，这就不存在别人盗取你的紫峰了。至今为止，紫峰在通信通信过程中还不存在被破解的先例。它同时连接的设备可以是WiFI同时连接设备的1000多倍，数量可达5位数之多。技术相对来说较为成熟，安全性能比WiFI好。功耗也比WiFI低，电池供电，方便快捷。反应时间短，对硬件要求低。通过上述的对比，我们可以更好的发现，ZigBee组网方式灵活度比较大。对硬件要求比较低，安全性比较高，连接设备多，功能消耗较低等等。所以使用ZigBee技术更适合于此次运用，所以我们不采用WiFi技术。3. 2 系统总体方案设计通过上述对各个模块介绍，我们决定使用CC2530作为主控芯

26、片，ZigBee相对于WiFi来说，它的优点如上所述。能够更好的适用于不同的大小家庭，信号能更好的遍布每一个角落，不会出现无反应或是反应慢的问题。消耗的功率也大大降低，可使用电池供应。很好的体现出了经济实惠的原则。3. 3 本章小结本章主要介绍了CC2530，CC2431，CC2430三个硬件以及ZigBee，WiFi两种无线通信的相关知识，通过它们的介绍对比，我们可以很好的从中选择出一个能适合本次实验的硬件，通信方式。运用CC2530设计出来的节点通信相比其他硬件能实现距离更远，组网性能更稳定可靠的优势。它能以低耗材，高性能的优势来建立出强大的网络节点。ZigBee组网方式灵活度比较大。在通

27、讯时具有很好的稳定性。CC2530能够很稳定的的支持紫峰（ZigBee）任何一个协议，哪怕是最新的协议的也不例外。对硬件要求比较低，安全性比较高，连接设备多，安全性能比WiFI好。功耗也比WiFI低，电池供电，方便快捷。反应时间短，对硬件要求低。第4章 智能家居系统架构设计4.1 紫蜂的网络拓扑结构介绍在紫蜂中，有3种类型设备。协调器：支持执行其他活动。路由器：起到支持和关联的作用，如同家里的WiFi路由器一样，可以使多台设备一起连网。紫峰中的路由器也起到将所得信息转发到其他设备的作用。终端设备：用来检测和控制设备。这三种设备中的任何一种都可当作为全功能设备，但是半功能设备只能由终端设备进行充

28、当。一个全功能设备可以和多个半功能设备或多个全功能设备进行通信（这里可以理解为一对多）15，但要特别注意的是一个半功能设备有且只能和一个全功能设备进行通信（理解为一对一）29。4.1.1 星型拓扑（Star）一个点为中心，其他点在其周围并且都与这个中心点相连，其结构可以说非常的简单，在中心的点便充当协调节点，其他的点充当终端节点。从图中我们可以看出周围的终端节点只能和与自身相连的协调节点进行通信不能与其他的终端节点进行通信。想要通信的话就只能通过协调节点。所有设备都与协调器通信。星网的优点是结构简单，设备成本低，管理方便。如图4-1所示。图4-1 星型拓扑结构图4.1.2 树簇拓扑（Tree

29、cluster）一个点为起始点，附近存在的点与之相连，而与它相连的点中存在极个别的点与其他点相连，其样子犹如一丫树枝一样，最原始的起始点作为协调节点，与起始点相连且还与其他点相连的点则作为路由器节点，剩下的点充当终端节点。协调节点连接路由节点和终端节点，路由节点连接其他的路由器节点和终端节点3316。如图4-2所示。图4-2 树簇拓扑4.1.3 网状拓扑（Mesh）Mesh结构比较复杂，是一种特殊的中继传输点对点网络结构模式21。一个点为起始点，附近存在的点与之相连，而与它相连的点中存在极个别的点与其他极个别的点也相连，最原始的起始点作为协调节点，与起始点相连且还与其他极个别点也相连的点则作为

30、路由器节点，剩下的点充当终端节点。网状拓扑如下图4-3所示。图4-3 网状拓扑4.2 智能家居网络系统结构设计如图4-4中所示，为本次设计的结构图。图4-4 智能家居网络系统结构图4.2.1 家庭网关家庭网关：由多个通信传感器节点相互交织组成，充当许多个协调节点，形成紫蜂网络也就是家庭内网。内网连接外网的方式有两种，就和电脑连接网络一个概念，一种是通过电话接口，另一种是通过家庭网关 21。内网和外网需要满足一定的条件才能完成协议转换，才能够实现“连通”：（1）有一个全功能的外部接口 34。（2）正确的数据帧格式。（3）在不同的物理介质上运行时，只需要修改底层物理协议21。家庭网关由软件部分和硬

31、件部分所组成17。PC端有多种不同的接口，能够支持多种外围设备连接。家庭网关的各个功能能够体现得淋漓尽致。4.2.2 内部网 Zigbee家庭网络是一个动态系统，与外部环境密切相关，相互影响。能耗是一个要注意的问题，以及系统的可扩展线路和资源的限制等都必须要考虑在内。本文对系统的设计有以下几点：（1）提高数据传输的可靠性；（2）建立自组织、自适用的家庭网络；（3）网络安全；（4）可扩展性；（5）易使用性；（6）易安装性；（7）可用性。4.3 本章小结本章主要描述了这个系统的整体框架和对网络拓扑的了解，介绍了框架的组成部分，以及每个部分的功能。可以说，家庭网关是很重要的一环，它不仅要实现内外网的

32、正常通信还具有各个设备的控制等功能。第5章 家庭内网设计随着时代的进步，智能家居与无线通信技术可以说是紧密相联，无线通信技术在我们生活中无所不在。其中ZigBee技术在智能家居这一块有着很多的体现。就像现在我们基本每家都会具备WiFi一样，有智能住宅或办公的地方也离不开ZigBee技术。它能很好的将住宅中的设备连接起来。5.1 CC2530芯片CC2530具有高达256字节的巨大闪存。在芯片上集成了一个RF收发器和8051微处理器，在闪存上，比CC2430更上一个台阶，能达到256KB闪存 ，这是其他芯片不能比拟的37。CC2530不仅电路简单，且尺寸设计也小。CC2530通过出色的RF性能增

33、强了8051MCU内核，深受人们的青睐。CC2530涉及到了家居控制，医疗等等领域。CC2530的引脚图及如下所示图5.1 CC2530引脚图5.2 CC2530功能介绍5.2.1 CPU 头在人体组织中扮演者非常重要的角色，能进行思考，计算。人与动物最大的区别就在于是否会思考。CPU在芯片的定位如同头在人体的定位一样，起到运算的作用。CC2530使用加强行业标准8051CPU，内核为标准8051指令集38。一个CC2530CPU中有1个调试接口和18个扩展中断源。在18个扩展中断源中我们又可以将3个分为一组分为中断优先级组，最后能够分成6组。5.2.2 时钟在CC2530芯片被生产出来时，其

34、内部自带有时钟系统。分为16MHz的高频振荡器和32MHz的晶体振荡器两种时钟振荡源。5.2.3 外部设备1.I/O端口：电脑的I/O端口可以外接机械鼠标和机械键盘，从而实现对电脑的操作，进行知识的查询，打游戏对身体起到放松的作用。同样的道理，CC2530也具备I/O端口（21个），可以作为软件控制或是外部设备控制。2.AES加密/解密处理器：俗话说得好，人多力量大，多一个处理器，在同等任务量下，所需要的时间会减半，负载也会降低许多，AES处理器支持完整性保护等等安全机制。3.DMA控制器：系统减小CPU数据传输的负担的途径有使用多功能五通道DMA控制器。4.ADC：支持7至12位分辨率以及1

35、4位的模拟数字转换。具备一个模拟多路转换器。输入通道多达8个且它们能够独立工作，互不影响。ADC的限制在于它只能在32MHz上运行。5.2.4 RF收发器CC2530芯片中有RF收发器，收到信号的过程是：放大其信号，通过ADC和逻辑通道，之后通过特殊的节点将这个信号存入到缓冲区中。最后传输给天线由天线将信号发送出去。5.2.5 无线通信无线传感器网络节点通常需要长寿命周期，低功耗和低成本的要求。通信模块对通信传输速率的要求不高。虽然提高速率可以减少发送和接收时间，但它也会影响发送和接收功率。另外，家庭中的数据通常是环境信息和控制信息，因此不需要高传输速率。通常，数据传输的能量效率由单个字节的收

36、发器能量消耗来定义。单个字节的能量消耗越小越好。无线频谱是不可再生资源。在大多数国家，2.4G频谱不需要申请许可证，而大多数其他频段每年都需要向国家无线委员会支付相同的频率使用费。5.2.6 CC2530外围设计CC2530芯片的外围电路主要包括不平衡变压器，滤波电路，晶体振荡器等电路38，如图5-2所示。不平衡变压器（Balun）的作用是转换电信号之间的平衡和不平衡，天线类型的不同造就了不平衡变压器的使用与否。使用不平衡变压器能起到匹配天线阻抗的作用。当我们在使用天线为单级时就需要用到不平衡变压器，而如果我们使用的天线是平衡的，那么不需要用到不平衡变压器。阻抗元件的作用38：检测线路阻抗。下

37、图中的C252、C262、L252、L261均为阻抗元件。图5-2 CC2530外围设计5.3 协议栈设计5.3.1 协议架构协议栈在逻辑上可以分为多个层。一个单独的源文件能够实现一层代码，在头文件中定义服务和API40。APL由NWK定义为一组函数；NWK由LLC定义为一组函数，以此类推。每一层都由它相邻的下一层来定义为一组函数。可以说服务和API是相邻上下两层的桥梁，能够实现系统模块化，特定层：支持所有服务和API。每层的服务和API都是在C中定义的，因此不需要知道底层如何处理原语，而只需要在调用底层服务时遵循统一的原语规范。这样便可以在数据层之间进行透明传输。它还减少了与模块化相关的典型

38、开销。ZigBee协议栈的结构如图5-3所示。图5-5 ZigBee协议栈的结构图5.3.2 源文件组成编译时间选项控制内核逻辑变量和RAM变量。每个编译时间选项保存在ZigBee.def文件中。协议栈的源文件如表5-4所示21。表5-6 协议栈的源文件构成5.4 家庭内网组网方案设计ZigBee网络由ZC（协调器）、ZR（路由器）和ZED（终端设备）三种节点组成，其中协调器和路由器为全功能设备（FFD），终端设备为半功能设备（RFD）41。协调器：有且只有一个协调节点。维护和管理每个节点与上位机之间的网络和数据传输。ZigBee协调器具有强大的通信，处理和传输能力，可以将数据发送到远程控制终

39、端。路由器：连接其他节点，同时也可以作为父节点。终端设备：不能有自己的子节点，只能和自己的父节点通讯。在星型拓扑结构中，所有终端设备只能和协调器通信，不能做到终端设备与终端设备通信21。树簇拓扑在星型拓扑的基础上，作为父节点的路由器它们可以互相通信，终端设备之间依旧不能通信，只有通过父节点才能够实现。网状是一种特殊的结构。它的网络可以通过“多级跳”模式进行通信，其路由可以自动建立和维护。拓扑结构可以形成具有自组织、自修复等功能。5.4.1 拓扑结构选择智能家居系统设计大多数采用星型网络拓扑，成本低，结构简单，连接方便，易于扩展和管理。当住宅中的冰箱，电视机等等设备的摆放位置，数量进行了偏移，增

40、加减少时。这就有可能会造成信号在传输给设备的过程中发生延迟的情况。家庭内的无线网络连接距离相对较短，一般在100米以内，选择星型可以很好的满足网络的需求。5.4.2 组网原理概述完成网络的初始化和上面所说节点的连接，我们基本上就能组建出一个最为简单的网络了。通过协调器并且通过设计出来的组建网络存在的父节点便能够进入到网络中。 5.4.3 射频收发模块设计 数据的发送和接收是在CC2530上进行的。当电路接口，与阻抗元件匹配好的天线这些和我们所用的芯片连接好时，我们遍可以开始本次的设计了。下图为此模块的系统框图。图5-3 图射频收发系统框图射频的输入/输出：下图的L261、C252等等阻抗元件的

41、作用是为了和天线进行匹配。图5-4 射频收发匹配电路天线的选择：本次设计选用倒F型天线。它结构简单、紧凑，成本低，可在多频段进行工作，有助于本次设计。终端节点只能和网关进行通信，终端节点与终端节点是不能互相通信的。网关与节点有两种通信方式。一种是节点的数据需要采集，比如温度浓度。另一种则是当值达到一定时才会发送数据，比如预警和报警。其流程图如下所示。 图5-5 协调器工作流程图 图5-6终端节点工作流程图5.5 本章小结本章介绍了CC2530芯片的组成，一般来说选择星型拓扑足以满足智能家居的需求，一个CC2530CPU中有1个调试接口和18个扩展中断源。在18个扩展中断源中我们又可以将3个分为

42、一组分为中断优先级组，最后能够分成6组。对射频收发模块进行了简单的设计，对终端节点和网关的通信有了初步的认识。至少对于CC2530不再那么陌生。对家庭内部网的架构有了一定的了解，选择星型结构来组建家庭内网。第6章 家庭网关设计ZigBee技术用于连接家庭中的所有终端节点。内网协议和外网协议是不相同的，所以我们设计的系统暂时是不能向用户传递信息的，用户自然也就没有办法控制自己想打开的设备，什么窗帘啊，电视啊什么的。那怎样才能使内网和外网相连接呢？我们可以知道当它俩的协议相同时，它们就能进行通信。所以，想要进行互连，我们只需转换这2个协议21。那么转换协议就需要用到一个设备：家庭网关。家庭网关相当

43、于内网和外网的桥梁，实现连接的作用。在家庭网关的作用下，用户可以很轻松地与内网进行通信。这样便能控制住宅的设备了。家庭网关除了刚才描述的功能外还有如下几点：（1）内网节点管理：家庭网关与内网通信，便能管理传感器节点 21。让人们能够知道传感器节点的状态。当人们不在家时或者在没有数据通过时，节点就会处于一种休眠的状态，这样的好处在于降低能耗 44。家庭网络记录每个节点的状态，并在通信时以适当的方式通知每个节点。（2）用户操作界面 本次设计是以网页的形式来实现的。用户可以使用Web浏览器随时随地登录网页来操作家庭内部网中的设备。该部分具有用户登录模块、照明控制模块、窗帘控制模块、煤气浓度检测模块以

44、及设置中心模块。通过设置中心模块，可以实现控制照明，窗帘数量的增加，删减以及可更改煤气浓度检测预警和报警数值的变化。界面的设计应充分简单、适用，无论是小孩还是老人都能在最短的时间内找到自己想要控制的设备。可以的话做到让人耳目一新，给人留下不可磨灭的印象。并且具备不易损性。6.1 软件系统框架设计本次设计将会以浏览器来展示出做出来的作品。用户可以通过Web浏览器进入到Web服务器的主页，从而进行相关的操作，比如设备的查看或是改变家用设备的状态。客户对家电设备的查询或控制操作，必须按程序读/写数据文件完成。系统软件部分的框架设计如图6-1所示。图6-1 系统软件部分框架6.2 Web服务器网页设计

45、6.2.1 WeX5简介HTML5提高了实用性，用户体验得到了改进，HTML5 App有了易开发、无需下载等许多优点。截至2015，有4/5的App基于HTML5。从中我们可以看出大部分的App内容都是以Web来展现的。WeX5是跨端移动开发框架，将HTML5的标签封装成为组件，能做到可视化，组件化等功能。WeX5是一种开源免费的开发工具。它采用得是H5+CSS3+JS，使 用 AMD 规范的 RequireJS、Bootstrap、jQuery ；基于 PhoneGap（Cordova）采用混合应用（HybridApp）开发模式，支持许多种类型的后端，比如Java、PHP和.NET等等42。

46、基于Eclipse平台，提供完全可视化、拖拽式开发的环境；快速生成应用场景界面43；在写入代码的时候可以为人们省下大量的时间。6.2.2 开发工具简介 开发工具：菜单栏、工具栏、导航栏、透视图、编辑区和控制台。导航栏：Studio和数据库，单击Studio能切换到模型资源透视图，同理，单击数据库能切换到数据库视图。在模型资源中双击文件，在编辑区内可以打开该文件。控制台是Tomcat。常用的透视图是Studio和数据库。切换到Studio透视图时，左边显示模型资源，用于开发；切换到数据库透视图时，左边显示数据库视图，用于操作数据库。下方2个表分别是两个透视图所提供的功能以及开发时常用功能。表 6-1透视图介绍透视图内容模型资源Baas：后端服务模型；UI2：前端页面模型；Native：生成的App。数据库视图通过数据源配置，即可在数据库视图中看到连接的数据库，可以新建表，编辑数据。表6-2常用功能介绍常用功能内容新建应用选择模型资源里面的UI2目录，右击，在弹出的快捷菜单中选择新建应用命令，打开新建应用对话框创建本地App选择模型资源里面的Native目录，右击，在弹出的快捷菜单中选择新建创建本地Ap