基于ZigBee的智能家居系统标准设计及其实现.doc

毕业设计（论文）

题 目：基于ZigBee智能家居系统设计和实现

学 院： 软件学院
专业名称： 软件工程
班级学号： 0824
学生姓名： 曾刘保
指导老师： 苗 利

二O一二 年 三 月

毕业设计（论文）任务书

I、毕业设计(论文)题目：

基于ZigBee智能家居系统设计和实现
II、毕 业设计(论文)使用原始资料(数据)及设计技术要求：

1、摘要扼要叙述本论文关键内容、特点，文字精炼，摘要500字左右。
2、正文：通常包含引言、本、结论三个部分。字数不少于13000字。
3、搜集资料：a历史资料；b理论资料；c实践资料
4、技术要求：在论文写作中进行一定程度创新性活动，如提出一个新问题、对现
实问题进行新解释等。
III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：
1、查阅并搜集和论文相关中国外文件资料，完成开题汇报。（第1-2周）
2、毕业论文资料调研，进行实地调查研究，掌握第一手资料。（第3周）
3、撰写毕业论文具体提要。论文提要应分为多个部分或多个层次。写明论文中心、
关键、关键见解、结论等。（第4周）
4、完成论文绪论部分，说明本课题意义、目标、研究范围及要求达成技术要求；
简述本课题在中国外发展概况及存在问题。（第5周）
5、完成毕业论文正文部分，包含问题提出，研究工作基础前提、假设和条件，
理论论证，理论在课题中应用，课题得出结果等。（第6-7周）
6、完成结论部分。即对整个研究工作进行归纳和综合得出总结，对所得结果比较
和课题尚存在问题，和深入开展研究见解和提议。结论应该明确、精炼、
完整、正确。（第8周）
7、完成毕业论文（设计）初稿。（第9周）
8、完成毕业论文二稿。（第10周）
9、毕业论文定稿；毕业论文打印；毕业答辩准备。（第11周）
10、毕业答辩。（第12周）
Ⅳ 、主 要参考资料：
[1] Shahin Farahani．ZigBee Wireless Networks and Transceivers. USA：Elsevier，
[2] 闫玉德，俞虹. MCS-51单片机原理和利用.机械工业出版社..
[3] 沈星星，丛露微.基于ZigBee智能家居控制系统.论文选粹, 第3期
[4] 敖志刚.智能家庭网络及其控制技术.北京：人民邮电出版社
[6] 张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：国防工业出版社
[7] 林旭东.智能家居系统相关技术及发展趋势[J].科技创新导报..6.5-6
[8] 冯培昌，周晓云，陈孝伟.无线传感器网络探讨[J].电气自动化..27(5).73-75
[9] 崔莉，鞠海玲，苗勇等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究和发展..42(1).163-174
[10] 李方.浅谈多个智能家居系统网络技术[J].计算机和网络..5(2).98-101
[11 ]张华中.无线传感器网络展望.国际学术动态..26(4).22-23

学院 专业类 班

学生（署名）：

日期： 自 年 月 日至 年 月 日

指导老师（署名）：

助理指导老师(并指出所负责部分)：

系（室）主任（署名）：


南昌航空大学学士论文原创性申明

本人申明，所呈交学位论文是在导师指导下完成。论文中取得研究结果除加以标注和致谢地方外，不包含其它人己经发表或撰写过研究结果，也不包含本人为取得其它学位而使用过材料。和我一同工作同志对本研究所做任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示谢意。
学位论文作者署名：
日 期：

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校相关保留、使用学位论文要求，同意学校保留并向国家相关部门或机构送交论文复印件和电子版，许可论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学能够将本论文全部或部分内容编入相关数据库进行检索，能够采取影印、缩印或扫描等复制手段保留和汇编本学位论文。

作者署名： 日期：

导师署名： 日期：

基于ZigBee智能家居系统设计和实现

摘要：伴随大家生活水平提升及物联网技术飞速发展,大家对于家居环境提出了更高要求,智能家居也就应运而生,大家期望能经过多种家居设备来享受愈加舒适，便捷居住环境。
不过传统家居设备控制信息传输关键靠布线技术，不仅系统升级麻烦，且成本过高，实际应用效果也不显著，并没有很大改善大家生活。ZigBee出现使这一现象得到有效应解，ZigBee是一个低成本、低功耗无线通信技术，它自组网技术能够方便使家中多种设备组成一个区域网，信息传送可靠性也极高。使用ZigBee作为家居内网能够方便对家电进行控制和对安防预警信息进行采集。
本文首先介绍了智能家居研究背景和中国外发展现实状况，然后对ZigBee技术进行介绍，比较具体介绍了ZigBee协议框架中各层次饰演角色及特点，并对ZigBee技术在智能家居中内部组网技术适用性作了比较分析。
最终综合讲解了智能家居系统设计方案，包含系统功效及特色等。集中控制端在个人PC机上模拟实现，和之组成C/S结构远程控制端有Windows和Linux端，她们之间采取面向连接Socket加密通信。家居内网采取基于CC2530SoC建立强大网络，以协调器为关键节点，组合其它设备终端节点进行家居网内信息采集和传输，实现家电控制和温度、湿度、入侵等安防信息采集。同时设计便捷、易用软件界面，既能够在家中使用，也能够在任何有网络接入设备上实现远程控制。
测试表明：使用远程控制端或集中控制端全部能可靠对家电进行控制和安防信息采集，系统含有一定稳定性和扩展性，达成预期目标。

关键字： ZigBee 智能家居 家居内网 多方法控制

指导老师署名：
Design and Implement of Smart Home
Based On ZigBee
Abstract: Traditional home device control information transmission mainly depends on wire line technology, this kind of control system not only upgrade is very troublesome, but also the cost is too high, and the actual effect is not obvious, and people's lives are no significant improvement. While ZigBee come into being, this phenomenon won’t happen again, ZigBee is a low-cost, low-power wireless communication technology, the Automatically set up network features ,which makes a variety of devices composed of a WPAN at home easily, and the information transmit reliability is very high. Using ZigBee as internal home network is very appropriate to control home appliances and collect security warning information.
The paper first introduces the research of smart house background and current development at home and abroad, and then introduces the ZigBee technology, a more detailed description of the role and characteristics of the ZigBee protocol framework at all levels.
At last I integrated explain how to design the smart house system, including system functions and characteristics. The Centralized control side simulation on a personal computer, which forms C/S structure of the remote control side, including Windows and Linux side, and they communicate each other with connection-oriented and encrypted Socket. Within the home network to build a strong network nodes which are based on the SoC of the CC2530 , coordinator for the core node, the combination of terminal nodes of other devices within the home network information acquisition and transmission, appliance control, and temperature, humidity, intrusion and other security information collection. At the same time the design is convenient, easy-to-use software interface, we can use at home easily and also access remote control of network equipments.
The experiments show that: Using the remote control system or centralized control system can control home appliances and collect security warning information easily. The system has a certain stability and scalability, which can achieve the desired goal.
Keywords: ZigBee Smart home internal home network multiple control

目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 中国外研究概况及发展趋势 2
1.2.1 国外研究发展概况 2
1.2.2 中国研究发展概况 2
1.2.2 智能家居发展趋势 3
1.3 研究内容及组织结构 4
1.4 本章小结 5
第二章 无线通信和ZigBee技术 6
2.1 无线通信概述 6
2.2 ZigBee技术介绍 6
2.2.1 ZigBee技术概述及特点 6
2.2.2 ZigBee网络拓扑结构 8
2.3 ZigBee在智能家居中适用性 10
2.3 ZigBee协议体系结构 11
2.3.1 物理层 12
2.3.2 MAC层 14
2.3.3 网络层 15
2.3.4 应用层 16
2.4 ZigBee在智能家居中应用 17
2.4.1 安全系统 17
2.4.2 抄表系统 18
2.4.3 灯控系统 18
2.4.4 多区域HVAC系统 19
2.4.5 消费类电子 20
2.5 ZigBee价值和应用前景 20
2.6 本章小结 21
第三章 系统设计和试验方案 22
3.1 系统需求分析 22
3.2 系统设计方案 22
3.2.1 系统总体设计概述 22
3.2.2 ZigBee网络拓扑结构及各终端角色 23
3.2.3 系统实现目标及特色 24
3.3 系统试验方案 25
3.4 家电模拟控制及安防信息采集 26
3.5 本章小结 27
第四章 系统功效实现具体介绍 28
4.1 基于ZigBee无线信息采集和传输 28
4.1.1 信息采集和传输安全性 29
4.1.2 ZigBeeCSMA/CA 机制 30
4.1.3 ZigBee网络工作方法 32
4.1.4 网络协调器收发数据 32
4.2 Linux环境下远程控制端设计和实现 33
4.3 集中控制端介绍 35
4.4 本章小结 35
第五章 系统开发环境和测试 36
5.1 ZigBee 片上系统 36
5.2 软件平台 37
5.2.1　IAR 7.51 37
5.2.2　ZigBee协议栈 38
5.3 系统运行和测试 39
5.4　本章小结 40
第六章 工作总结和展望 41
6.1 工作总结 41
6.2 展 望 41
参考文件 42
致 谢 43
附录A 44

第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
伴随大家生活水平提升及生活节奏加紧，大家住宅也开始电子信息化。家用电器、通信设备和安防设备逐步进入家庭，加之通信和信息技术发展，家居越来越智能化。大家也期望能愈加方便对家用电器进行操作同时对家中居住环境和安防状态进行监测，享受一个高效，安全，便捷，环境保护家居环境，于是智能家居概念被越来越多大家提出。智能家居是一个多功效综合技术系统,它以家庭住宅为平台,利用计算机、网络、传感、自动化和嵌入式技术,将和家居生活相关各个子系统如灯光控制、安防预警、家电操作等整合在一起，并经过家居信息管理平台对其进行综合管理，使大家能够方便获取一体化，全方位家居资源。
伴随互联网技术深入发展和成熟，“物联网时代”到来呼声日益高涨，国家“十二五”计划中也明确将物联网作为战略性新兴产业来培育发展。而中国外各大家电生产厂商生产多种高端家电也开始预留信息控制接口，准备着迎接物联网时代到来。智能家居也是物联网产业一部分，也是物联网在明生应用领域关键部分，加之多年来房地产迅猛发展和媒体宣传造势，智能家居展现耳熟能详化，为此智能家居必将得到高速发展。
中国外部分技术厂商全部在进行市场推广和技术贮备，方便在适宜时机退出自己智能家居产品。即使多种产品功效标准和应用接口不太一样，不过不难想象，智能家居功效全部会基础涵盖一下多个方面：
(1) 灯光控制：不管哪个家庭全部会有需要愈加方便对家中灯光进行控制。
(2) 家电控制：为了愈加便捷生活，大家能够在家中方便对热水器，空调等进行控制，也期望需要时能经过有网路接入设备对电器进行远程控制，如出差回来路上打开热水器，回到家能够舒适洗个热水澡。
(3) 安防预警：居家生活，平安是最大愿望，经过对家中烟感，入侵等安防信息进行实时监测，免去后顾之忧。
为此设计出一套现有通用性，又能够方便进行扩展智能家居系统是前提，我们期望能简化家中控制系统复杂性，降低安装成本和提升信息传送安全性，处理实际推广中可能会出现问题，为智能家居大规模应用提供一定借鉴和助推作用，真正使高效便利生活触手可及。
1.2 中国外研究概况及发展趋势
1.2.1 国外研究发展概况
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达国家前后提出了不一样智能家居方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国全部有广泛应用。[1]
1998年新加坡举行“98亚洲家庭电器和电子消费品国际展览会”上，经过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式家庭智能化系统。它系统功效包含三表抄送功效、安防报警功效、可视对讲功效、监控中心功效、 家电控制功效、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功效、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。
　　这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正开启尚需时日。现在在新加坡也有近30个小区(住宅小区)近5000户家庭采取了“家庭智能化系统”，美国已经有近四万户家庭安装了这一类“家庭智能化系统”，相信到了二十一世纪将会有更多住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。现在美国有一个占据市场主流产品X-10，销售已超出1亿个，设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超出400万个家庭在使用。韩国三星从今年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，经过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备和娱乐和信息中心这四部分集成一个全方面，面向宽带互联网家居控制网络。在日本智能家居也很发达，日本Secom(西科姆)安全企业是举世著名智能家居企业，她产品能使家中电器自动联网，甚至有了生物识别实现自动门禁功效，人只要站在门口几秒钟，就能够自动解除门禁。
　　因为智能家居诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正开启也尚需时日，但并未能阻止企业去争食智能家居市场。即使每家企业策略各不相同，但它们全部坚持一样信念：山那边遍地是金。
1.2.2 中国研究发展概况
智能家居在中国起步比较晚，最早从事智能家居企业是天津瑞朗智能家居电子科技，这几年来，智能家居作为一个方兴未艾产业，受到越来越多行业者追捧，发展很快，生产厂家很多，产品也是多种多样，遍布智能家居生产各个步骤。比如海尔U-Home智能家居系统，现在已经比较成熟了，她构建室内家电、多媒体、环境检测、远程监护等全方位数字生活,利用“智能物联网”作为住区服务和管理系统,实现绿色低碳住宅产业，不过像这么龙头企业却比较少。在外观和产品质量上，总体和国外还有较大差距，但有些产品，比如家庭智能终端，中国多个厂家产品已经做得很好了，不仅美观漂亮，而且功效很多，和国外品牌比很有竞争力。智能家居是未来居家生活前进方向，受中国经济现实状况限制，智能家居现在普及比较少，多是有一定经济能力专属，不过现在已经慢慢有廉价产品出现，进入一般百姓家，比如家庭情景灯光系统，这个比较实用，价格也不是太高，现在也比较轻易让老百姓接收。
尤其是近几年以来，伴伴随房地产业火爆，给中国智能领域带来了发展机遇。众所周知，中国人口众多，城市住宅建设也多选择密集型住宅小区方法，所以很多房地产商会站在整个小区角度来看智能化，也就出现了现在一统天下、无所不包“智能小区”模式。“智能小区”是一个多功效系统，每个功效子系统全部能够单独使用。很多功效子系统还要含有协同配合能力。这些系统包含：小区对讲系统、门禁系统、小区周界防范系统、监控系统、背景音乐系统、停车场系统、自动抄表系统等等。在房地产和媒体助推下，和智能小区紧密相连智能家居也会逐步进入千家万户，不过在发展同时，也碰到了很多不容忽略问题：
(1)没有统一技术标准。没有标准就造成了百花齐放局面，不一样厂家产品之间相互之间相互不兼容，用户极难有选择性，换代或升级很麻烦，成本也很高，用户在实际使用时存在很大迷惑。
(2)市场定位太高。大部分智能家居品牌全部是定位在高端用户，目标就是高级住宅和别墅，这就造成了市场很狭窄，早期投入很大，就是大用户也不会冒然投资，市场局面无法打开。
1.2.3 智能家居发展趋势
智能家居提出到现在已经有很多年了。从第一代单一智能家居产品到现在百花齐放，智能家居发展已经很快速，尤其是距互联网技术又一革命性技术—物联网提出和全世界对物联网热情投入，物联网发展也必将推进智能家居发展，智能家居作为物联网产业应用最广泛一环也必将得到迅猛发展。当今智能家居产品品质参差不齐，相互之间兼容性也很差，规范不统一。未来智能家居将依据人体工程学原理，融合个性需求，将和家居生活相关各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、淋浴器等有机地结合在一起，经过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”全新家居生活体验并愈加人性化、实用、易用，真正提升大家生活品质，智能家居发展趋势会朝着以下多个方面发展:
(1) 家居内网无线化。以往智能家居产品之间信息交换大全部是靠有线传输，有线传输带来问题很显著，布线麻烦，系统升级困难，更关键是有线控制限制了产品智能化，除干线区域采取布线控制外，家居内网无线化使得控制愈加方便，安装和维护也会愈加方便。
(2) 控制系统高度集成化。伴随社会和经济高速发展，大家生活水平也对应得到提升，电子产品越来越多，不过各个产品之间没有任何联络，几乎每个产品全部有单独遥控器，假如能用一个终端控制、监控全部家电，给生活带来便利不言而喻。
(3) 控制方法多样化。传统智能家居控制方法单一，伴随网络和电子终端产品发展，控制软件能够运行在多种智能手机和有网络接入功效其它电子产品中。尤其是智能手机，将成为未来智能家居最关键移动式智能控制终端，经过手机智能家居用户端软件或WEB方法，实现对家庭内部远程监控和控制，对家里远程开锁，客人图像确定，远程开启空调和暖器设备。
(4) 功效愈加智能化。伴随生活节奏加紧和生活压力增大，大家全部期望能有一个温馨港湾能够放松疲惫身心.回到家后大家期望能依据外部环境来调整室内温度和湿度等，同时也期望能够在开电视时候自动调暗灯光等。而伴随物联网技术发展，甚至家中每一件物品状态全部能查询到，比如冰箱存放状态，热水器水温。而一旦家中有安全威胁或家中老人有突发情况，系统也会对应进行报警。
1.3 研究内容及组织结构
本文依据中国外智能家居历程，结合目前发展现实状况不足之处，选择ZigBee无线网作为家庭内网。并以嵌入式为基础，结合网络，传感器等技术设计出一套简单，易操作，低成本和多方法控制基于ZigBee智能家居智能控制系统。实现对家用电器现场无线遥控操作和安防信息监控和预警，同时使得有网络接入功效特定设备能够远程使用本智能控制系统。
本论文研究内容以下：
(1) 开发不一样环境远程控制端设计和实现，以方便用户多路径方便控制家中电器设备和对家中安防信息进行监控。
(2) 开发集中控制端，验证远程控制端用户控制权限，在权限正当后对远程指令进行解析后经过串口转发给对应目标设备。
(3) 远程控制信息加密处理，预防控制信息被截取后带来安全隐患。
(4) 利用ZigBee技术来进行家居内部组网，以方便节点灵活加入和离开，省去布线麻烦。
(5) 开发简练，美观，易操作用户界面，方便用户使用。
本论文组织结构安排以下：
第一章：介绍智能家居研究背景和意义，和智能家居在中国外研究概况、展望智能家居在未来发展趋势，同时对本文研究内容、设计、实现和文章组织结构作安排。
第二章：介绍了无线通信技术发展，并对ZigBee和其它多个无线技术进行对比介绍后，分析ZigBee在智能家居内部组网适用性，然后对ZigBee协议各层次进行比较具体介绍。
第三章：依据对智能家居系统进行需求分析，设计出智能家居系统方案后，定位系统方案要能达成目标，对系统各结构具体功效作具体介绍。
第四章：具体介绍基于ZigBee无线信息采集和传输和Linux下远程控制端设计和实现，同时简单介绍集中控制端。
第五章：介绍智能家居系统开发用到硬件和系统开发平台，然后对系统进行测试结果进行分析。
第六章：对工作进行总结，提出系统设计中还需要完善和改善地方，并对本文意义和价值作介绍。
1.4 本章小结
本章首先介绍了智能家居研究背景和意义，伴随大家生活节奏加紧，智能家居会饰演越来关键角色。随即介绍了智能家居在中国外研究概况和发展现实状况，智能家居在欧美日韩等发达国家起步早，现在也走在技术前端，中国虽起步晚，但发展迅猛。最终综合现实状况和环境，展望了智能家居在未来发展趋势。

第二章 无线通信和ZigBee技术
2.1 无线通信概述
伴随科学技术不停发展，通信技术已深入到人类各个方面,为了摆脱多种线缆对个人终端束缚，大家对能够随时随地提供信息服务移动计算和无线通信需求越来越迫切。无线通信是指利用电磁波信号能够在自由空间中传输特征进行信息交换一个通信方法。近些年在通信领域中，发展最快、应用最广泛就是无线通信技术。自从马可尼发明无线电以来，无线通信技术一直向着不停提升数据速率、传输距离、安全和稳定方向发展。
从七十年代开始，大家就开始了无线网研究，而伴伴随以太局域网迅猛发展，以含有不用架线、灵活性强等优点无线网以己之长补有线之短，也赢得了特定市场认可，为了规范和愈加好发展，IEEE制订了802.11无线局域网标准，关键对网络物理层和媒质访问控制层进行要求，这么就使得无线网多点接入和多网段互联能愈加方便、廉价实现。
无线通信已深入到大家生活和工作各个方面，包含日常使用手机、无线电话等，当然也有当今很热门3G、WLAN、宽带卫星系统等应用。成立IEEE 802.15.4工作组将致力于提供一个廉价固定、便携或移动设备使用极低复杂度、低成本、低功耗、低速率无线连接技术，而ZigBee正是这种无线技术商业命名。
2.2 ZigBee技术介绍
2.2.1 ZigBee技术概述及特点
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准低功耗个人区域网协议，是一个应用于短距离范围内，低传输数据速率下多种电子设备之间无线通信技术。 ZigBee名字起源于蜂群使用赖以生存和发展通信方法， 蜜蜂经过跳 ZigZag形状舞蹈来通知发觉新食物源位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术名称。在标准化方面，IEEE802.15.4工作组关键负责制订物理层和MAC层，高层应用和市场推广等工作将由ZigBee联盟负责。
ZigBee技术含有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、安全性高、实现成本低等特点，能够工作在2.4GHz、868MHz和915MHz这3个频段上，分别含有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s传输速率，她技术特点具体以下：　
(1) 低功耗: 因为ZigBee传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采取了休眠模式，功耗低,所以ZigBee设备很省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就能够维持长达6个月到2年左右使用时间,这是其它无线设备望尘莫及。
　　(2) 成本低： ZigBee模块初始成本在6美元左右，估量很快就能降到1.5—2.5美元, 而且ZigBee协议是免专利费。低成本对于ZigBee也是一个关键原因。
　　(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活时延全部很短，经典搜索设备时延30ms,休眠激活时延是15ms, 活动设备信道接入时延为15ms。所以ZigBee技术适适用于对时延要求苛刻无线控制(如工业控制场所等)应用。
　　(4) 网络容量大：一个星型结构ZigBee网络最多能够容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内能够同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。
　　(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据竞争和冲突。MAC层采取了完全确定数据传输模式， 每个发送数据包全部必需等候接收方确实定信息。假如传输过程中出现问题能够进行重发。
　　(6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)数据包完整性检验功效,支持鉴权和认证，采取了AES-128加密算法,各个应用能够灵活确定其安全属性。
在ZigBee无线网络协议中定义了两种功效设备：全功效设备和精简功效设备 。全功效设备 FFD (Full-Function Device) 能够支持任何一个拓扑结构，关键作为网络协调器和路由器，能够和任何一个设备通信。精简功效设备RFD(Reduced-Function Device) 只支持星型结构，不能成为网络协调器，但能够和网络协调器进行通信，精简功效设备通常嵌入现场设备中使用。全功效设备之间和 全功效设备和精简功效设备之间全部能够通信，但精简功效设备之间不能直接通信 ，只能和全功效设备通信。精简功效设备能够经过一个全功效设备向外转发数据 ，这个和精简功效设备相关联全功效设备称为该精简功效设备协调器。 精简功效设备关键用于简单控制应用 ，如灯开关、 被动式红外线传感器等，传输数据量少，对传输资源和通信资源占用不多，这么精简功效设备能够采取很廉价实现方案。
由此可知ZigBee是一个近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本双向无线通讯技术。关键用于距离短、功耗低且传输速率不高多种电子设备之间进行数据传输和经典有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输应用。
2.2.2 ZigBee网络拓扑结构
ZigBee技术能够组合出适合不一样需求网络，它有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构，图2.1所表示：[2]

图2.1 ZigBee网络拓扑结构图
星型拓扑网络结构有一个叫做PAN主协调器中央控制器和多个从设备组成，主协调器必需为一个全功效设备，从设备既可为全功效设备也可为简化功效设备，在实际应用中，应依据具体应用情况，采取不一样功效设备，合理结构出需要通信网络。
对于星型网络结构形成当一个含有全功效设备第一次被激活后，它就会建立一个自己网络，将本身成为一个PAN主协调器。全部星型网络操作独立于目前其它星型网络操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一PAN主协调器，经过选择一个PAN标识符确保网络唯一性，现在其它无线通信技术星型网络没有用这种方法。所以，一旦选定了一个PAN标识符，PAN主协调器就会许可其它从设备加入到它网络中，不管是含有完整功效设备，还是简化功效设备全部能够加入到这个网络中。
对等拓扑网络结构能够组成较为复杂网络结构，网状态拓扑网络结构和树簇拓扑结构。对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网路偶、供给物资跟踪、农业智能化，和安全监控等方面全部有广泛应用。对等拓扑结构能够是基于Ad hoc技术，也能够是自组织式和自恢复，而且在网络中各个设备之间发送消息时，可经过多个中间设备中继方法进行传输，即通常称为多跳传输方法，以增大网络覆盖范围。其中组网路由协议，在ZigBee网络层中没有给出，这么为用户使用提供了更为灵活组一个对等网络路由协议网方法。
在对等拓扑结构中，每一个设备全部能够和在无线通信范围内其它任何设备进行通信。任何一个设备全部可定义为PAN主协调器，比如，可将信道中第一个通信设备定义为PAN主协调器。未来网络结构很可能不仅仅局限为对等拓扑结构，而是在结构网络过程中，对拓扑结构进行一些限制。比如，树簇拓扑结构是对等网络拓扑结构一个应用形式，在对等网络中设备能够为全功效设备，也能够为精简功效设备。而在树簇中大部分设备为全功效设备，精简设备只能作为树枝末尾处叶节点上，这关键是因为精简设备一次只能连接一个全功效设备。任何一个全功效设备全部能够作为主协调器，为其它从设备或主设备提供同时服务。在整个PAN中，只要该设备相对于PAN中其它设备含有更多计算资源，比如含有愈加快计算能力、更大存放空间和更多宫殿能力等，这么设备全部能够成为该PAN主协调器，通常称该设备为PAN主协调器。在建立一个PAN时，首先，PAN主协调器将其本身设置成一个簇标识符（CID）为0簇头（CLH），选择一个没有使用PAN标识符，并向临近其它设备以广播形式发送信标帧，从而形成第一簇网络。接收到信标帧候选设备能够在簇头中请求加入该网络，假如PAN主协调器许可该设备加入，那么主协调器会将该设备作为子节点加到她临近表中，同时，请求加入设备将PAN主协调器作为它父节点加到邻近列表中，成为从设备。
一个全功效设备能够饰演三个角色：协调器（ Coordinator） 、PAN 协调器（Personal Area Network coordinator）和设备（device)，其中协调器是一个全功效设备 ，它能够在网络中传输信息，主导信息流向 。假如一个协调器在一个PAN网络中做主控制器，那我们把它叫做 PAN 协调器， 除此之外就是设备了。IEEE 802.15.4和ZigBee中定义以上三中角色大致相同，对应关系如表2.1所表示：
表2.1 ZigBee和IEEE 802.15.4角色对应

ZigBee和IEEE 802.15.4中不一样角色对应关系
ZigBee
Coordinator
Router
End device
IEEE802.15.4.
PAN Coordinator
Coordinator
device
在一个 IEEE 802.15.4网络中，不管是哪种拓扑结构，网络总是由 PAN Coordinator来创建，PAN coordinator 控制整个网络，一个被注入 PAN coordinator程序（ 软件）FFD（ 硬件）开始工作后，开始着手构建网络，并最少完成以下任务：
（1）给本网络中每个设备指定一个16位或64位地址
（2）经过网络提议、结束和传输信息
（3）为本网络选定唯一 PAN 网络标识号，这个标识号许可本网络内设备使用16位短地址方法，而且能够和其它独立网络进行通讯。
在整个网络中，只有一个 PAN coordinator，所以PAN coordinator 往往需要长时间在工作状态，所以它常需要连接稳压电源，而不是电池。但其它设备往往全部是用电池来供电，一个最小网络包含两个设备，一个 PAN coordinator和一个device。
在任何一个拓扑网络上，全部设备全部有唯一64位长地址码，该地址码能够在PAN中用于直接通信，或当设备提议连接时，能够将其转变为16位短地址码分配给PAN设备，所以，在设备提议连接时，应采取64位长地址码，只有在连接成功后，系统分配了PAN标识符后，才能采取16位短地址进行连接，所以，短地址码是一个相对地址码，长地址码是一个绝对地址码。
2.3 ZigBee在智能家居中适用性
当今我们熟悉短距离无线通信技术有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、UWB、红外等。她们在不一样领域发挥着她们特征，相互之间形成互补作用。表2.2是多个无线通信技术对比：
表2.2 多个无线通信技术对比

ZigBee
蓝 牙
802．11列
红 外
RFID
HomeRF
单点覆盖距离（m）
50-300
10
50(Wi-Fi)
5
1-10
50
网络拓展性
自动拓展
无
无
无
无
有
最大功耗
1~3mW
1~100mW
100mW
10 mW
0
50 mW
复杂度
简单
复杂