基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统

子设备应用层首先设定待扫描的信道以及每个信道扫描 的时间调用 NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原语寻找 合适网络，网络层收到该原语后，通过 MLME-SCAN.request 原
语要求 MAC 层执行主动扫描获得目前网络描述参数。完成 扫描后，网络层将发送 NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原语告知应 用层。应 用层根据 情况调用 NLME-JOIN.request 原 语 从 邻 居 表 中 选 择 所 发 现 的 网 络 加 入 。如 果 有 多 个 设 备 满 足 要 求 ，将 选 择 到 协 调 器 节 点 深 度 最 低 的 设 备 。网 络 确 定 后 ， 网络层将请求 MAC 层管理实体对逻辑信道，PAN 标识符等有 关属性进行配置，发送 MLME_SYNC.request 原语获取它所要 连接协调器的信标，实现与协调器的同步。然后调用 MLMEASSOCIATE.request 原语到 MAC 层，协调器接收到连接请求 后返回给子设备确认帧。协调器的网络层将分配惟一的 16 位 网 络 地 址 给 该 设 备 ，并 根 据 设 备 提 供 的 信 息 在 它 的 邻 居 表 中 为子设备创建新的入口，随后向 MAC 发送表明连接成功的 MLME_ASSOCIATE.response 原语。协调器网络层将通过向应 用层发送 NLME_JOIN.indication 原语表明设备已经成功同 网络 连接 。设 备的 MAC 层 收到 来自 协调 器的 连接 响应 命令 帧后 ，通 过 MLME-ASSOCIATE.confirm 原语 发送 给设 备应 用 层 表 明 加 入 成 功 ，设 备 的 网 络 层 将 在 邻 居 表 中 设 置 逻 辑 地 址信息。
Research and implementation of intelligent home based on ZigBee wireless sensor network
JI Qing, DUAN Pei-yong, LI Lian-fang, ZHANG Xu-wei (School of Electrical Engineering and Automation, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)
收稿日期：2007-07-04 E-mail：jq.cl@ 基金项目：山东省自然科学基金项目 (Z2006G07)。 作者简介：纪晴 (1983－)，女，山东德州人，硕士研究生，研究方向为计算机控制与智能控制、无线传感器网络、智能家居等； 段培永 (1968－)， 男，博士，教授，研究方向为神经网络、无线传感器网络、智能控制技术及其应用等； 李连防 (1981－)，男，山东菏泽人，硕士研究生，研究 方向为无线传感器网络、智能家居等； 张绪伟 (1983－)男，山东聊城人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统、无线传感器网络等。
物理层管理 实体接口
物理层
图 1 ZigBee 协议栈架构
设 备 在 工 作 时 ，各 种 不 同 的 任 务 在 不 同 的 层 次 上 执 行 ，通 过 层 的 服 务 完 成 所 要 执 行 的 任 务 ，各 项 服 务 通 过 服 务 原 语 来 实 现 。 1.2 协 议 各 层 功 能 [2]
ZigBee 标准中规定在一个 ZigBee 无线网络一般包含三种 设备：协调器、路由器、终端节点，对应有全功能设备 FFD 和精 简功能设备 RFD 两类设备类型。路由器和网络协调器是 FFD 设 备 ，实 现 标 准 中 规 定 的 所 有 功 能 ，而 终 端 设 备 一 般 是 各 个 传 感器节点，为 RFD 设备。
ZigBee 网络中，只有协调器可以建立网络，首先协调器的 应用层调用 NLME_NETWORK_FORMATION.request 原语，发 出建立网络请求，网络层收到这个原语后，要求 MAC 层执行 信 道 能 量 扫 描。 然 后 网 络 层 管 理 实 体 发 送 MLME_ SCAN.request 原语，MAC 层收到后首先通过发送信标请求命 令 帧 开 始 执 行 主 动 扫 描 ，通 过 记 录 每 次 接 收 到 的 信 标 帧 信 息 扫 描 可 用 信 道 中 网 络 活 动 情 况 ，并 将 扫 描 结 果 记 录 在 个 域 网 描 述 符 列 表 中 ，最 后 找 到 一 个 最 优 信 道 。 接 着 随 机 选 择 一 个 不与已有的 冲突的网络 标识号，并选择 16 位网络地址 为 0x0000。然后网络层向 MAC 层发送 MLME_START.request 原 语 请 求 开 始 发 送 信 标 帧 运 行 新 的 个 域 网 。网 络 层 收 到 个 域 网 启动状态后，通过 NLME_NETWORK_FORMATION.confirm 原 语将告知应用层建立要求的网络状态。最后协调器应用层通 过发送 NLME_PERMIT_JOIN.request 原语允许设备与网络连接。
栈 ，最 后 创 新 性 的 给 出 了 基 于 该 协 议 的 智 能 家 居 解 决 方 案 ，该 方 案 真 正 实 现 了 低 成 本 、低 功 耗 ，实 用 性 强 ，并 具 有 较 好 的 稳 定性和强大的可扩展性。
1 ZigBee 技术规范
1.1 ZigBee 协 议 ZigBee 标准是基于 IEEE802.15.4[1]标准的，ZigBee 协议栈
物理层完成收发数据、激活和休眠射频收发器、信道能量 检测、空闲信道评估、数据链路质量指示的功能。MAC 层主 要 负 责 协 调 器 产 生 并 发 送 信 标 帧 ，普 通 设 备 根 据 协 调 器 的 信 标帧与协调器同步、支持 PAN 网络的关联和取消关联、支持无 线信道通信安全、使用 CSMA-CA 机制访问信道、支持时隙保 障(GTS)机制、支持不同设备的 MAC 层间可靠传输。网络层[3] 职 责 为 加 入 和 离 开 网 络 机 制 、应 用 安 全 帧 的 机 制 及 发 现 和 保 持设备之间的路径。应用层由应用支持子层，应用框架、ZigBee 设 备 对 象 及 用 户 定 义 的 应 用 对 象 。应 用 支 持 子 层 的 作 用 是 维 护 设 备 绑 定 表 和 设 备 发 现 。设 备 对 象 的 职 责 是 定 义 网 络 内 其 它 设 备 的 角 色 、发 起 或 回 应 绑 定 请 求 、在 网 络 设 备 间 建 立 安 全 机制等。 1.3 网 络 建 立 及 设 备加 入
0引言
无 线 传 感 器 网 络 综 合 了 微 电 子 技 术 、嵌 入 式 信 息 处 理 技 术 ，传 感 器 技 术 ，现 代 网 络 及 无 线 通 信 技 术 等 先 进 技 术 ，以 自 组 多 跳 的 无 线 网 络 方 式 实 时 监 测 各 种 环 境 或 对 象 的 信 息 ，并 可 进 行 处 理 或 控 制 ，应 用 前 景 十 分 广 阔 。 现 有 传 统 的 无 线 技 术通常非常耗电，且占用过多的计算和通信资源，大大增加了 成 本 。 而 像 工 业 控 制 ，消 费 性 电 子 设 备 、汽 车 自 动 化 、农 业 自 动 化 、智 能 家 居 和 医 用 设 备 控 制 等 很 多 无 线 应 用 领 域 不 需 要 很高的带宽，只要求低延迟、低功耗，而 ZigBee 技术恰好满足 这种要求。ZigBee 是为低速率控制网络设计的标准无线网络 协 议 ，具 有 低 复 杂 度 、低 成 本 、低 功 耗 、低 速 率 、高 安 全 性 等 诸 多优点。本文介绍了 ZigBee 规范并剖析了 Microchip 的协议
Abstract：The ZigBee Specification is summaried and the structure of wireless sensor network (WSN) based on ZigBee protocol is analyzed deeply. The detailed implementation of the wireless network formation and network joining is studied. In consideration of application, the key terminology and concrete developing procedure are elaborated according to the Microchip stack for ZigBee protocol. In the end, an embedded system of intelligent home based on ZigBee protocol is proposed. The experimental results indicate that the user can monitor and control in remote the sub-node by web explorer and this system has the features of stability, powerful extensibility and practicability. Meanwhile, the ZigBee technology employed into the low speed PAN is verified that is has the features of lower power, powerful extensibility and practicability. Key words：ZigBee protocol; wireless sensor network (WSN); mesh network; intelligent home; low power
第 29 卷 第 12 期 Vol. 29 No. 12
计算机工程与设计
Computer Engineering and Design