重庆邮电大学本科毕业设计（论文）

第二章基于物联网的智能家居系统

第一节物联网技术

物联网（Internet of Things）是由Kevin Ashton在1998年提出来的，通过射频识别、红外感应及激光扫描、二维码、GPS等技术将任何物品连接成网络，实现实时数据采集、处理和通信，从而实现对监测区域的智能化识别和监控。

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征[1]。

物联网根据全面感知，可靠传递以及智能处理的三大功能需求，可以将其实现过程分为三层结构：第一层为感知延伸系统，主要功能为采集信息和控制设备；第二层为异构融合的泛在通信网络，主要负责异构网络的互联互通以及存储处理功能；第三层为应用和服务层，主要负责数据的监控和分析等[4]。物联网的应用技术架构可以表示为图2.1所示。

图2.1物联网的应用技术架构

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第二节 IEEE 802.5.4/ZigBee无线通信标准

一、IEEE 802.15.4标准简介

IEEE 802.15.4是一种结构、低成本、低功耗的无线通信网络协议标准。它具备如下特征：（1）实现20kb/s、40kb/s、100kb/s、250kb/s四种不同的传输速率。（2）支持星型和点到点两种拓扑结构。（3）在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址。（4）采用可选的时槽保障（GTS）机制。（5）采用带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA-CA）的信道访问机制。（6）支持ACK机制以保证可靠传输。（7）低功耗机制。（8）链路能量检测（ED，Energy Detection）。（9）链路质量指示。（10）工作在ISM频段上，其中在2.4GHz波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道。（11）数据安全策略。

在IEEE 802.15.4中定义了两种设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。在无线传感器网络中，全功能设备可以担任协调器、路由器和终端节点的角色，在担任协调器时主要负责组建网络；精简功能设备担任只能担任路由器节点和终端节点的角色，主要进行数据采集、实时监控的工作[5]。

网络的拓扑结构如图2.2所示：

图2.2 星型和点到点拓扑结构

IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC子层，符合开放系统互连模型

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（OSI）。物理层包括射频收发器和底层控制模块，MAC子层为高层提供访问物理信道的服务接口[5]。图2.3表明了协议层次之间的关系。

图2.3 IEEE 802.15.4协议栈架构

在MAC子层之上的高层包括网络层和应用层，对于不同高层协议，也可以通过逻辑链路控制子层（LLC，Logical Link Control）以及特定服务聚合子层（SSCS）来访问MAC子层。

二、ZigBee标准简介

ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议[1]。基于ZigBee的无线网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz和2.4GHz，最大数据传输速率为250kbps。

1、 ZigBee网络层功能实现

ZigBee标准确定了ZigBee网络中的三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每一个网络都必须包括一台ZigBee协调器，它负责建立并启动一个网络，其中包括选择适合的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围，负责搜寻网络路径在任意两个设备之间建立端到端的传输。ZigBee终端设备作为网络中的终端节点，负责数据采集。

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2、 ZigBee组网

组建一个完整的ZigBee网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点加入网络，其中节点加入网络又包括了两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有的父节点入网。

ZigBee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个ZigBee节点要组建一个网络必须要满足两个条件：（1）节点是全功能设备（FFD）；具备ZigBee协调器的能力；（2）节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该该网络的子节点，因为一个ZigBee网络中有且只有一个协调器[6]。

ZigBee组网的流程如图2.4所示：

图2.4 ZigBee组网流程图

3、 ZigBee的特点

总得来说ZigBee技术具有如下特点：（1）高可靠性。ZigBee联盟在制定ZigBee规范时已经考虑到数据在传输过程中的内在的不确定性，采取了一系列措施来提高数据传输的可靠性，主要包括：物理层兼容搞可靠的短距离无线通信协议IEEE 802.15.4同时使用OQPSK和DSSS技术；使用CSMA-CA技术来解决数据冲突问题；使用16-bits CRC来确保数据的正确性；使用带应答的数据传输方式来确保数据正确的传输目的地址；采用星型网络尽量保证数据可以

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沿着不同的传输路径从源地址到达目的地址。（2）低成本、低功耗。低功耗只是针对终端节点而言的，因为只有终端节点才可以定时休眠，而协调器和路由器节点必须一直供电；ZigBee模块成本低，大量布点比较经济，一个路由节点可以管理高达255个节点。（3）高安全性。（4）低数据速率。

第三节家居物联网安全系统的研究

一、家居物联网系统

随着物联网技术的不断成熟，物联网在智能家居中的应用方案也不断被人们所接受。物联网技术的应用克服了传统家居布线困难、维护难度大和停电易造成系统瘫痪等问题。物联网的发展也为智能家居引入了新的概念和发展空

[7]

。

物联网技术是由许多个功能相同或者是不同的无线传感器节点通过自组

方式形成的无线网络，具有检测精度高、低功耗、低成本、实时性好、高容量和覆盖面积大等显著的优点。基于物联网技术的智能家居系统，充分利用计算机技术、无线通信技术、无线传感器网络技术、电力自动化、信息集成、智能传感和电力电子技术等技术的优点[8]，将所有不同的设备应用和综合功能互连于一体，以无线数据传输的方式，连接智能传感器，设计“物—物”和“人—物”相联的网络系统，能够把家居电气信息、家居防盗信息、家居电器信息和家居环境等信息整合与共享，能够实现人们对物的远程监控，建立智能化高效率的现代化家居生活环境[7]。

利用物联网技术设计智能家居电器控制系统总体框图如图2.5所示：

图2.5 智能家居电器控制系统总体框图

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