上海大学2014～2015学年秋季学期研究生课程考试课程名称：现代电路技术课程编号：07SAY9006题目：智能家庭网络研究生姓名：学号：评语：成绩：任课教师：评阅日期：智能家庭网络2014年10月17日摘要：本文通过对比ZigBee网络和电力线网络在家庭网络当中各自的优缺点，探讨一种更加经济、高效与便捷的智能家居系统解决方案。
ZigBee通信技术具有低功耗、低速率、低成本且双向通信等特点，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间数据传输等应用；而电力线载波通信是电力线系统特有的通信方式，其利用现有电力线通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输。
尽管电力载波通信由于电力线上固有的脉冲会对信号产生高度削弱，但是其具有的扩展性、可靠性和抗干扰能力是ZigBee技术无法取代的。
故设计智能家居系统，需要结合ZigBee技术和电力载波通信技术不同的特点，实现两种技术的优势互补，从而为建设高效节能的家居系统提供一种现实可行的良好方案。
Intelligent Home NetworkAbstract: In this paper, we explore a more economical, efficient and convenient smart home system solution bycomparing the advantages and disadvantages of ZigBee Network and Power Line Network in the domesticnetwork. ZigBee Communication Technology, which possess a characteristic of low power consumption, lowcost and low rate of two-way communication, mainly used for short distance and low power consumption andlow transmission rate such as data transmission between various kinds of electronic equipment. However,Power Line Carrier Communication is one of the power system communication mode, which use of existingpower line carrier way to transmit analog or digital signal in a high speed. Though the signal will be highlyweakened, due to inherent pulse on the Power Line Carrier Communication, its scalability, reliability andanti-interference ability is unable to replace by the ZigBee. Therefore, to provides a good practical and feasiblesolution for the construction of energy-efficient household system,we need to combine the characteristics ofZigBee Technology and Power Line Carrier Communication Technology, and complementary the advantages oftwo technologies.1. 引言随着物联网技术的不断发展，家庭网络化必将成为家庭现代化的发展趋势。
家庭网络可视为一种分布式网络，通过接入网关实现对家庭内部设备的远程监控与管理必将成为未来的发展趋势[1-2]。
此外，接入网关作为家庭网络的核心，必须实现对子网内节点的监控与管理、协议转换和数据格式标准化等功能。
然而，如何在智能家居接入网关上实现各种通信技术标准的互联互通，就成为必须要解决的问题，也是智能家居研究的重点之一[3-4]。
目前，国内各大电器厂商推出的智能家居系统和标准基本上都是基于有线技术进行实现，如：以太网（Ethernet）、电力线网络（The Power Line Network）和IEEE1394等。
然而有线技术却存在其自身的缺陷，如安装维护成本过高，扩展性差，移动性差等[5]，故市场上开发了众多短距离、低功耗、自组织、高速率的无线局域网络协议，如ZigBee网络通信协议[6]。
然而，尽管无线局域网络通信技术具有众多优点，然而有线技术的扩展性、可靠性和抗干扰能力其是无法替代的。
为此，基于有线技术和无线网络各自的优缺点，需要对两种技术进行优势互补，以建设一种现实可行的家居系统解决方案。
本文将首先探讨ZigBee技术和电力线载波通信技术（The Power Line Network）各自的优缺点，然后结合各自的优缺点，设计一个综合两种技术的家庭网络结构，以实现建立一个高效、节能的智能化家居系统[7]。
最后，本文将总结结合这两种技术而设计的智能家居系统给人们生活带来的便利性。
2. 整体系统方案设计2.1 智能家居系统的组成智能家居系统由Android客户端、接入网关和由ZigBee无线网络和电力线载波通信的家庭网络三部分组成。
其中Android客户端为系统的主控端，用户可以快速方便地查看家庭的设备信息，同时可以根据自己的实际需要，来反向控制家庭当中的家电设备。
接入网关，作为整个系统的核心，主要完成家庭网络和接入网络协议数据的转换，并实现对家庭网络当中节点设备的维护与管理。
而基于ZigBee无线网络和电力线载波通信的家庭网络，则主要是用于发送设备信息和传递控制信息到各个节点设备。
该系统可以方便地控制照明灯、窗帘、家用电器等设备仪器烟雾、红外检测和摄像头等[7]。
其具体系统框图如图1所示：图1 智能家居系统框图本系统主要涉及了物联网的四个层次：①感知层，通过路由器节点采集室内的环境信息，并实现室内家电设备的操作与控制。
②接入层，基于ZigBee网络和电力载波通信设计智能接入网关，完成与ZigBee网络和电力线的网络通信，以及实现对网络节点的维护与管理；③网络层，寻址与路由，将家庭网络接入到Internet网当中，实现通过Internet网访问家庭系统服务器。
④应用层，开发设计Android客户端，实现对家庭室内环境的远程监控。
2.2 Android客户端随着科学技术和社会经济的发展，移动互联网发展越来越快，这期间现了许多手机操作系统，而其中以Android手机操作系统发展最快、使用最广泛。
故为了适应时代发展的要求，本系统需要推出Android平台下手机客户端软件，对家居环境进行监控与管理，实现真正的智能化和便利化。
Android客户端主要用于远程监控、管理家庭当中的电器设备。
Android客户端通过接受网络指令来实时更新家庭当中设备的状态信息，而触发Android客户端上的按钮，又通过接入网向智能网关发送相应的控制指令，实现对家电设备的反向控制。
2.3 智能家居接入网关接入网关用于Android客户端部分和ZigBee无线网络、PLC部分之间传递消息。
由于智能网关主控模块没有实现ZigBee协议的功能，故为了能与ZigBee设备进行通信，智能网关还需设计专门模块与其通信。
基于串口通信具有操作方便、协议简单等特点，因此在网关接口中使用串口进行连接。
2.4 家庭网络结构综合考虑ZigBee和PLC技术应用于智能家居中的优势和不足，把这两种技术同时应用在智能家居系统中，通过主控器可以对智能家电进行实时有效的控制。
该方案实现了两种技术的优势互补，既可以实现ZigBee的低功耗、低成本和灵活的组网能力等特点，又避免了使用传统智能家居数据线与电力线分离的繁琐布线过程，同时也对老式住宅改造，为智能家居提供了极大便利，充分体现了智能家居节能减排这一宗旨。
为了让智能家居系统的上下位机更好地通信，本课题专门设计了数据通信协议。
其主要包含以下几个方面的内容。
（1）帧结构定义在本系统，分别设计了三种帧格式用于上下位机的数据通信，包括物理地址帧，数据帧和反向控制帧。
物理地址帧，用于确定网络节点的MAC地址；数据地址帧，主要用于发送传感器数据；反向控制帧，用于智能网关向网络节点反向发送控制指令。
（2）物理地址确认机制为了能够更好地维护和管理家庭网络当中的节点，系统需要在节点采集传感器信息之前，将节点设备的网络地址和物理地址进行绑定。
换言之，只有将网络节点的网络地址和物理地址绑定了，该节点采集发送的数据才有意义。
为此，本系统需要采用了一个物理地址确认机制，来对网络节点进行绑定。
3. ZigBee无线网络技术3.1 ZigBee技术特点ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
[8]ZigBee无线网络主要由协调器、路由器、智能终端以及遥控器等组成，其无线网络系统结构如下图2所示。
… …图2 ZigBee 无线网络系统结构3.2 ZigBee 模块选型目前市场上几款常用的ZigBee 模块性主要有参数表。
表1 常用ZigBee 模块对比CC2420是Chipcon 公司生产的一款2.4GHz 的ZigBee 射频芯片，但模块内没有处理器，用户需要通过SPI 接口对模块进行控制；CC2530是TI 公司在CC2420基础上设计出的一款ZigBee 射频芯片，具有51内核处理，其实质就是CC2420+8051；JN5139是Jennic 公司生产的一款ZigBee 模块，该模块内部集成了32位的类ARM 处理器，主频可达32MHz ；XBeePro 是Digi 公司生产的ZigBee 模块，其特点是接口简单，开发周期短，通过串口AT 指令控制。
[9]本系统由于传感器节点上没有额外的处理器，故需要在协调器节点和路由器节点上都安装上ZigBee 模块。
基于此，由于ZigBee 模块能够带有处理器内核，且开发成本低，故我们采用CC2530作为ZigBee 通信模块。
3.3 ZigBee 协议栈分析ZigBee 协议栈(Z-STACK)建立在IEEE 802.15.4的PHY 层和MAC 子层规范之上，基于网络层（Network Layer ，NWK ）和应用层（Application Layer ，APL ）进行程序开发[8]。