【正文】 化 ” 实现，而后又形成了 “ 住宅自动化 ” 的概念，到了 80 年代末，逐步提出了 “ 住宅智能化 ” ，也就是现在所说的智能家居的原型。物联网体系架构中三个层次所涉及的关键技术是物联网最终实现并得以实施的重要保证。 智能家居概述 智能家居又称智能住宅，英文名称为 ―Smart Home‖。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流 畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。要完整地理解智能家居，有必要先对几个智能家居发展过程中有着重大影响的系统进行介绍。由于智能家居受产品生产厂家的限制，在短时间内还没有统一 的标准协议，所以一般都是一个厂家单独做系统研发方案的。进人房屋时，安全系统会对来访者的面部进行扫描，确认身份后自动打开房门。此外，每个房间的墙壁颜色、装修风格和温度 ,都可以根据家庭成员的喜好和情绪自动更换。我们可以考虑将物联网技术应用到智能家居的设计中，使我们的家居环境更加智能化、人性化、高效化。从目前中国的国情来看，实用型与舒适型应当成为家庭住宅建设的主流，舒适型面向中等偏上收入者。 目前在我国，智能家居系统被定义为：利用 4C(自动控制、计算机网络、无线通信、IC 卡 )技术，通过有效的传输网络，将多元信息 服务与管理、安全防护与物业管理、住宅詹旭：基于物联网的智能家居设计 4 智能化系统集成，提供高技术的智能化住宅小区的服务于管理为手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。 智能家居系统的特点 (1)它的对象是结构和特性完全 相异的各种家用电器，相互之间兼容性比较差，电器之间的数据 共享 比较困难。 (3)家电运行时所处环境有很大差异，对系统的抗干扰性和稳定性要求较高。 (5)家电完成的功能各有不同，需要达到的智能水平也有很大的差异，要针对不同的功能要求，设计不同家电的智能水平 (比如说，如果让电灯也共享 Inter 资源，显然没有必要，但是家中的摄像监控设备则 需要较高的智能水平 )。因此，组建智能家庭网络时需要考虑的问题有很多。在最后又介绍了智能家居系统的几个特点 ，设计智能家居时需要考虑的一些问题 。 主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。 FFD 之间以及 FFD 和 RFD 之间都可以相互通信；但 RFD 只能与 FFD 通信，而不能与其他 RFD 通信。对传输资源和通信资源占用不多，可以采用非常廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端 [6]。在 网络中，有一个称为 PAN 网络协调者 (PAN coordinator)的 FFD 设备。 PAN 网络协调者除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。 在智能家居系统设计中，采用星型网络，这种星型结构的特点是对中心节点 (这里是无线数字家居服务器或网关 )的依赖性很大，中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪。根据家庭网络的这些特点以及以 上介绍的无线网络拓扑结构，本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭网络。通过实用证明，星形家庭网络组网简单。 (1)ZigBee 完整、充分地利用了 定义的功能强大的物理特性的优点； 詹旭：基于物联网的智能家居设计 6 (2)ZigBee 增加了逻辑 网络 和应用软件； (3)ZigBee 基于 射频标准，同时 ZigBee 联盟通过与 IEEE 紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案； (4) (PHY)和媒体访问控制 (MAC)层标准，而 ZigBee负责网络层和应用层的开发。 ZigBee 联盟制定了 MAC 层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 定义了两个物理层标准，分别是 868/915MHz物理层。 ISM频段，有助于 ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。 868MHz是欧洲的 ISM 频段， 915MHz是美国的 ISM 频段，这两个频段的引入避免了 附近各种无线通信设备的相互干扰。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求。 工作频段和频率如表 21 所示： 表 21 工作频段和频率 Frequency and Frequency Range of Labor 物理层 工作频率 (MHZ) 频道数 码片率 调制方 式 传输率 数据符号 868MHZ 1 300 BPSK 20 二进制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二进制 16 2021 OQPSK 250 16 状态组 在 PHY 层的有关参数上，有四个 重要的参数： a)传输能量 (power)：约 lmW的能量。40 pm。 d)接收信号强度指示的测量 (RSSD)。数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术 (OQPSK)调制，对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制 ，如图 22 所示 。经编码的数据位又被映射成 15 位伪随机噪声数据码片詹旭：基于物联网的智能家居设计 8 (Chip)，数据码片序列采用二相的相移键控技术 (BPSK)调制。 字节 4 1 1 可变 前同步码（ Preamble） 帧定界符（ SFD） 帧长度 (7bits) 保留（ 1bit） 物理层数据（ PSDU） 同步头（ SHR） 物理层报头（ PHR） 物理层净荷 图 23 PPDU 格式 of PPDU 前同步码域用来为后续数据 的收发提供码片或数据符号的同步，帧定界符用来标识同步域的结束及报文数据的开始。 (4)MAC 层 为了提高传输数据的可靠性， ZigBee 的 MAC 采用了时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法。 图 24 MAC 子层组成及接口模型 MAC Form and Interface Model 的 MAC 协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。通过 MAC 通用部分子层 SAP(MCPSSAP)访问 MAC 数据服务，用 MAC 层管理实体 SAP(MLMESAP)访问MAC 管理服务。灵活的 MAC 帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和 MAC 命令帧则用于 ZigBee设备间 MAC 子层功能实体问控制信息的收发。若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自 动重传该帧。 MAC 层的帧格式如图25 所示： 2 1 020 变量 2 帧控制 序列号 地址信息 净荷 帧校验系列 图 25 MAC 层的通用帧格式 General Frame Format of MAC (5) 网络层 网络层包括逻辑链路控制子层： 标准定义了 LLC，并且通用于诸如 、 及 等系列标准中。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须任务。网络层的任务是通过正确操作链路层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。 ZigBee 规范定义的 NWK 层协议，提供数据传输服务 (NLDE)和管理服务 (NLME)的数据服务接口，用于将 APL层提供的数据打包成应用层协 议数据单元，并将其传输给相应的节点的 NWK 层；或者将接收到的应用层协议数据单元进行解包，并将解包后得到的数据传送给 本节点的 APL 层 。NLMESAP 是 NWK 层给 APL层提供的管理服务接口，其逻辑模型如图 26 所示。 詹旭：基于物联网的智能家居设计 10 a)配置一个新设备 b)开始一个新网络 c)加入或者离开 网络 图 26 NWK 层模型 Model of NWK (6) 应用层 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上，具体而言包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。应用支持子层 (APS)的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。 ZDO 的职责是定义网络内其它设备的角色。厂商定义的应用对象根据 ZigBee 定义的应用描述执行具体的应用。 ZigBee的应用领域和应用前景 ZigBee 技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中。 ZigBee 联盟预测的主要应用领域包括：工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。均可以考虑采用 ZigBee 技术作无线传输：  设备成本较低．传输的数据量较小。  没有充足的电力支持，只能使用一次性电池。 ZigBee应用于家庭网络中的关键问题 ZigBee 实现家庭组网的目标是：在消费 类电子设备中嵌入 ZigBee 芯片联网后，实现家电等设备的无线互连和家庭自动化。特别是在手机或者 PDA 中加入 ZigBee 芯片后就可以被用来控制电视开关、调节空调温度及开启微波炉等。可以记录所有进出大门的个人的信息。 GPRS 无线通信系统基本原理 ： GPRS(通用无线分组业务 )是一种基于 GSM 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线)GPRS 协议 移 动台 (Ms)和 SGSN 之间的 GPRS 分层协议模型如图 27 所示： 网 络 协 议S N D CL L CM A C物 理 链 路R F 接 口M S物 理 链 路R F 接 口物 理 链 路M A CL L RL A P DL A P DL L CS D N C网 络 协 议R S SU mG bU m 图 27 GPRS 协议 Agreement of GPRS 詹旭：基于物联网的智能家居设计 12 Um 接口是 GSM 的空中接口。 Um接口的物理层为射频接口部分 ，而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道。 MAC 的主要作用是定义和分配空中接口控制层。 LLC 层负责在高层 SNDC层的 SNDC数据单元上形成 LLC地址、帧字段，从而生成完整的 LLC帧。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包，确定 TCP/IP 地址和加密方式。 (3)GPRS 的路由管理 GPRS 的路由管理是指 GPRS 网络如何进行寻址和建立数据传送路由。 第一种情况，当移动台产生了一个 PDU(分组数据单元 )，这个 PDU 经过 SNDC 层处理，称为 SNDC 数据单元。 SGSN 把数据送到 GGSN， GGSN 把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式 (如 PSPDN 的 PDU)，最终送给公用数据网的用户。 第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动台，首先通过数据网的标准协议建立数据网和 GGSN 之间的路由。而 GGSN 再把 PDU 送给移动台所在的SGSN， GSN 把 PDU封装成 SNDC 数据单元，再经 LLC 层处理为 LLC 帧单元，最终经空中接口送给移动台。 本章小结 本章介绍了 GPRS 技术和 ZigBee 技术在应用于智能家居中短距离无线通信的优势，详细介绍了 GPRS 技术的网络结构、协议和路由管理的相关知识。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 3 智能家居系统设计方案 智能家居系统总体设计思想 我们应用智能家居的基本目标是使我们的生活环境更加舒适、安全、方便和高效。与此同时，应立足于用户对整个系统的具体需求，具有实用性。网络化的目的在于要实现设备资源和信息资源的共享，由于计算机网络本身具有开放性，和共享性。用户可根据其需求，对系统进行更新和升级。这样可以通过手机操控的方式来实现家居监控。并且以短消息的方式对系统进行控制，提高了效率降低了成本，同时本系统可以扩展应用于多种无人职守地区的监控安防等场所，如图 31 所示。 詹旭：基于物联网的智能家居设计 14 (2)家电远程控制 当我们需要远程控制家用电器的开关时，只要用手机发送指定命令的短信息，通过GPRS 模块的接收，并将短信息翻译成为可以识别的命令传输Kaiyun给家庭控制器，控制器经过处理，通过 ZigBee 模块的无线传输将命令发送到与家电相连接的单片机上，通过对单片机的控制实现了对家电的控制。当检测到的火灾存在，将把采集到的信息通过无线 ZigBee 模块发送到家

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