徐俊峰

摘要：本文研究設(shè)計(jì)了一種智能家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)為用戶提供可靠并且全面的環(huán)境信息。智能家居系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分就是本文所研究的環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，人們可以獲得實(shí)時(shí)的居住環(huán)境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強(qiáng)度、火災(zāi)信息等。同時(shí)，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其它家居設(shè)備做決策參考，最終由智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，比如，當(dāng)測(cè)量到的光照強(qiáng)度高于用戶設(shè)定的一定值的時(shí)候，系統(tǒng)就將啟動(dòng)自動(dòng)窗簾系統(tǒng)的馬達(dá)，自動(dòng)將窗簾關(guān)到一定程度，以降低室內(nèi)的光強(qiáng)度，適合居住;又如，當(dāng)溫度值偏低時(shí)，系統(tǒng)就將啟動(dòng)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行工作，來(lái)增高室內(nèi)溫度。因此，智能家居系統(tǒng)為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環(huán)境，從而使環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)成為了智能家居系統(tǒng)的一個(gè)非常重要關(guān)鍵部分與基本環(huán)節(jié)，能否擁有一個(gè)好的智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵在于能否設(shè)計(jì)出好環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，這對(duì)改善人們生活環(huán)境的舒適度有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境檢測(cè);傳感器;Zigbee

1?緒論

自古以來(lái)，人類無(wú)時(shí)無(wú)刻不在關(guān)注自己的生活，并且不斷提高自己的生活條件，試圖通過(guò)自己的努力改善自己的生活。在19世紀(jì)時(shí)，人類爆發(fā)了工業(yè)革命，極大的提高了人類的生活質(zhì)量，在20世紀(jì)，由于信息技術(shù)革命的成功，使人類的生活飛速發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)后，我們所熟知的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、品種、控制理論和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷的飛速發(fā)展，為了人類的生活條件，人類已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。此外，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也使我們的理想生活發(fā)生了改變，從以前的破舊草屋到現(xiàn)在的舒適別墅，以及所使用的家居。我們可以有一個(gè)更好的生活，并且將身體健康作為重要指標(biāo)。

2 Zigbee技術(shù)綜述

ZigBee是一種基于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的低功耗，遵從IEEE802.15.4協(xié)議。我們由此得出結(jié)論，并且根據(jù)該協(xié)議，我們可以得到，ZigBee技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛，它依靠短距離傳送信號(hào)，而且功耗低，由此可以被廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee名字來(lái)自蜜蜂，由蜜蜂的舞蹈形態(tài)來(lái)命名，因?yàn)槊鄯渚褪峭ㄟ^(guò)跳舞來(lái)傳遞新發(fā)現(xiàn)的食物或其他信息，換句話說(shuō)，蜜蜂就是這樣在通訊網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)通信的，由此可知，每個(gè)蜜蜂個(gè)體都是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.1 Zigbee技術(shù)特征

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)采用我們所熟悉的無(wú)線組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的，類似于蜜蜂的通信。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的通信是以單跳或多跳的形式自動(dòng)建立的。基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信。與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。

（2）成本低。

（3）功耗低。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大。

（5）數(shù)據(jù)傳輸速率低。

（6）工作頻段靈活。

（7）網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短。

2.2 Zigbee協(xié)議分析

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）

據(jù)我所知，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是為了確保ZigBee的正常工作，同時(shí)也在基礎(chǔ)上定義了一些必要的功能和函數(shù)，并提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層為Zigbee的正常工作提供了兩個(gè)必要的功能性服務(wù)實(shí)體，并且，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分別向應(yīng)用層提供服務(wù)接口：管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);但是網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體卻不同，它是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（nlme-sap）提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)據(jù)實(shí)體完成某些網(wǎng)絡(luò)管理，網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)級(jí)管理實(shí)體完成。

2.2.1.1 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）

網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供的服務(wù)如下三項(xiàng)：

（1）指定拓?fù)鋫鬏斅酚伞?/p>

（2）網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元

（3）通信的機(jī)密性和真實(shí)性。

2.2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）

在本次研究實(shí)驗(yàn)中，我們所運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體技術(shù)，充分表明了這種技術(shù)的優(yōu)越性能和簡(jiǎn)便性。這種技術(shù)不但允許加入的應(yīng)用與堆棧之間連續(xù)的相互作用，并且還能為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，使這項(xiàng)試驗(yàn)變得非常簡(jiǎn)單快捷。我們所研究的網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體技術(shù)為本次實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了以下的幾種服務(wù)：

（1）配置一個(gè)新的設(shè)備。

（2）初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

（3）連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。

（4）鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)

（5）尋址

（6）路由發(fā)現(xiàn)

（7）接收控制

2.2.2 應(yīng)用層（APP）

我們所使用的應(yīng)用層在平常的生活中都是主要通過(guò)研究用戶所使用的喜好，根據(jù)用戶的喜好而特定的開(kāi)發(fā)，并且能夠維護(hù)節(jié)點(diǎn)的所有功能，在該節(jié)點(diǎn)的工作空間中找到其他節(jié)點(diǎn)的工作，然后根據(jù)服務(wù)的需要為不同的節(jié)點(diǎn)提供通信服務(wù)。ZigBee應(yīng)用層主要有三個(gè)不同的部分：應(yīng)用支持子層，設(shè)備對(duì)象，制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。

2.2.2.1 應(yīng)用支持子層

APS層提供這樣的接口：一組公共服務(wù)從設(shè)備對(duì)象，供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用層之間的網(wǎng)絡(luò)層。該服務(wù)是由兩個(gè)實(shí)體實(shí)施：APS管理實(shí)體（apsde）和APS的數(shù)據(jù)實(shí)體apsde。

（1）APSME通過(guò)APSME服務(wù)接入點(diǎn)（APSME-SAP）;

（2）APSDE通過(guò)APSDE服務(wù)接入點(diǎn)（APSDE-SAP）。

APSDE，也就是我們常說(shuō)的AIB，同時(shí)這些服務(wù)包括綁定設(shè)備和安全服務(wù)。

2.2.2.2應(yīng)用層框架

在ZigBee設(shè)備中為應(yīng)用程序?qū)ο筇峁┗钴S環(huán)境的應(yīng)用框架是ZigBee，是本次實(shí)驗(yàn)研究中的主要組成部分。Zigbee在本次實(shí)驗(yàn)中，我們最多可以定義240個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο?，并且任何?duì)象的端點(diǎn)數(shù)都是從1到240。也有終端apsde-sap，本次實(shí)驗(yàn)所使用的終端通過(guò)使用兩個(gè)額外的節(jié)點(diǎn)：端點(diǎn)0號(hào)專門(mén)應(yīng)用于ZDO數(shù)據(jù)接口;和255個(gè)端點(diǎn)號(hào)用于廣播數(shù)據(jù)的所有應(yīng)用程序?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)接口的另一端;最后，是要保留的241-254終點(diǎn)時(shí)有需要擴(kuò)大使用。

2.2.2.3Zigbee設(shè)備對(duì)象

Zigbee設(shè)備對(duì)象作用：

（1）初始化安全服務(wù)規(guī)范（SSS）

（2）安全管理作用。

在描述了應(yīng)用程序框架的應(yīng)用程序?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)功能和控制裝置的應(yīng)用對(duì)象的公共接口。在終端節(jié)點(diǎn)0，ZDO提供了一個(gè)接口與協(xié)議棧的較低層的連接。如果接收到數(shù)據(jù)時(shí)，它將訪問(wèn)通過(guò)apsme-sap，如果接收到了控制信息那么將會(huì)是通過(guò)apsme-sap接入點(diǎn)。ZDO公共接口的各種功能如設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定地址管理提供服務(wù)，并在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用框架的安全。

3?家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

在本次研究實(shí)驗(yàn)中，我們所使用到的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是通過(guò)運(yùn)用無(wú)線感器技術(shù)來(lái)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程控制、運(yùn)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)各個(gè)系統(tǒng)的鏈接以及哥哥系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)則能實(shí)驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。通過(guò)綜合運(yùn)用以上3中技術(shù)，得以實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因而運(yùn)用這種技術(shù)，能夠間接地為人類創(chuàng)造一個(gè)更加健康舒適的環(huán)境，增加生活的樂(lè)趣，使生活更加豐富多彩，會(huì)打造出一個(gè)更加舒適的家居環(huán)境。

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)Zigbee技術(shù)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。

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