物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能物流配送系統(tǒng)..doc

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能物流配送系統(tǒng) 一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述1.1 物聯(lián)網(wǎng)的含義和基本結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)(Internet ofthings，簡稱lOT)，目前國內(nèi)外普遍公認(rèn)的是MITAutoID中心主任KevinAshton教授于1999年在研究RFID時最早提出來的。在2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)及歐盟2008年發(fā)布的(EPoSS，the European Technology platform on martSystems Information)IOT2020報告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了變化，覆蓋范圍有了較大拓展，不再只是基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。從本質(zhì)上來說，物聯(lián)網(wǎng)是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的泛在網(wǎng)絡(luò)，其核心是目前被大家廣泛使用的互聯(lián)網(wǎng)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸和拓展以實現(xiàn)充分的互聯(lián)互通；其次，物聯(lián)網(wǎng)使得物與物之間有了通信功能，可以進(jìn)行信息的交換和傳輸，實現(xiàn)自動識別和物物通信。物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。它是多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用。從體系結(jié)構(gòu)上來說，物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)主要包括感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)及公共技術(shù)，如圖1所示。 圖1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)（1）感知層 感知層將大范圍內(nèi)的現(xiàn)實世界中的各種物理量通過各種手段，實時并自動化的轉(zhuǎn)化為虛擬世界可處理的數(shù)字化信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要實現(xiàn)智能感知功能，包括信息采集，物體識別等功能。感知層應(yīng)用的主要技術(shù)包括傳感器、RFID、自組織網(wǎng)絡(luò)、二維碼和實時定位技術(shù)等。 （2）網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層要實現(xiàn)信息的傳遞以及通信的處理，將感知層收集到的數(shù)據(jù)及信息快速安全的傳遞到信息需求方，方便他們對信息進(jìn)行處理，主要的傳輸手段包括無線通信和有線通信(例如GPRSSDMA網(wǎng)絡(luò)、2G3G4G網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等)。（3）應(yīng)用層應(yīng)用層實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與各行各業(yè)的最終融合，將感知層和網(wǎng)絡(luò)層的采集處理后的數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于需要的行業(yè)，為最終的系統(tǒng)集成、協(xié)調(diào)、決策以及智能化提供服務(wù)。 應(yīng)用層包括中間件層和應(yīng)用服務(wù)層。中間件層主要作用是將網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層對接，充當(dāng)了中間的接口作用，包括對業(yè)務(wù)的分析整合、共享、數(shù)據(jù)處理、管理等。具體實現(xiàn)為一系列的業(yè)務(wù)支撐平臺、管理平臺、信息處理化平臺。未來的發(fā)展越來越傾向于向云計算服務(wù)平臺發(fā)展。 目前應(yīng)用層包括很多行業(yè)，例如智能家居、智慧城市、智能電網(wǎng)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、智能物流等。1.2 物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)來劃分，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括三大塊：感知技術(shù)；通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；智能技術(shù)。在物流配送中應(yīng)用比較廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如下：（1）感知技術(shù)物流配送中經(jīng)常用到的物流網(wǎng)感知技術(shù)主要包括RFID(射頻識別技術(shù))、GPS(全球衛(wèi)星定位技術(shù))、傳感器技術(shù)等。其中，最核心的以及應(yīng)用最多的是RFID技術(shù)。目前主要應(yīng)用于倉儲、物品信息采集、貨物分揀、車輛貨物追蹤及物品追溯等。RFID是一種“使能”技術(shù)，它可以使常規(guī)的物成為“智能物件”，變成和物聯(lián)網(wǎng)的連接對象。主要工作原理是通過視頻信號來識別目標(biāo)對象并自動獲取信息和數(shù)據(jù)。它的優(yōu)點在于讀寫方便、抗干擾能力強等，并且能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，能夠替代人來完成很多復(fù)雜危險的工作。RFID工作原理如圖2所示。 圖2 RFID工作原理圖在物流配送中，RFID應(yīng)用比較成熟的領(lǐng)域在貨物分揀、自動倉儲、車輛貨物追蹤以及物品溯源。其應(yīng)用提高了物流配送安全性和效率的同時，減少了配送過程中的失誤率，促進(jìn)了物流行業(yè)的信息化的發(fā)展。 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是美國歷經(jīng)20年，耗資超過300億美元，由發(fā)射的24顆衛(wèi)星組成的全球定位、導(dǎo)航及授時系統(tǒng)。可以實時的為目標(biāo)提供三維位置，三維速度和高精度的時間信息。在物流領(lǐng)域，GPS技術(shù)主要被用來進(jìn)行物流配送車輛的實時跟蹤、定位、導(dǎo)航以及監(jiān)控管理。結(jié)合RFID技術(shù)，還可以實現(xiàn)對物品狀態(tài)的實時查詢和監(jiān)管。GPS應(yīng)用最廣泛的環(huán)節(jié)是在物流配送的運輸環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)最重要的功能就是可以實現(xiàn)對現(xiàn)實世界沒有生命的物體的感知，而傳感器就是實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵技術(shù)。它可以通過傳感器內(nèi)部的敏感元件感知到外界的變化和刺激，并將這些刺激轉(zhuǎn)化為一定可輸出處理的信號，其工作流程如圖3所示。 圖3 傳感器的工作流程（2）通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、有線與無線局域網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)等。在區(qū)域性的物流管理信息系統(tǒng)主要采用有線和無線結(jié)合的方式，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無線技術(shù)的應(yīng)用空間會越來越大。大范圍的物流配送系統(tǒng)則通常集成了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPSGISGPRS技術(shù)等來保證對運輸車輛的動態(tài)監(jiān)控與管理。具體應(yīng)用見圖4所示。 圖4 通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物流配送中的應(yīng)用無線傳感網(wǎng)(WSN)是將系列在空間散布的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸匯總，以實現(xiàn)對空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。其典型特征見表一所示。表一 無線傳感網(wǎng)特征M2M(Machine to machine)是將數(shù)據(jù)從一臺終端傳遞到另一臺終端，實現(xiàn)機器之間的智能化、交互式的通信。廣義上M2M包括了機器對機器(Machine to machine)、人對機器(Man to machine)、機器對人(Machine to man)、移動網(wǎng)絡(luò)對機器(Mobile tomachine)之間的連接于通信，涵蓋了所有實現(xiàn)載人、機器、系統(tǒng)之間建立通信連接的技術(shù)和手段。（3）智能技術(shù)目前物流行業(yè)對于智能技術(shù)的應(yīng)用主要包括：智能計算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、ERP技術(shù)等。物流配送對于智能技術(shù)的應(yīng)用正方興未艾，全面實現(xiàn)對整個物流配送過程的智能化控制與管理是發(fā)展的方向。二、物聯(lián)網(wǎng)在智能物流配送系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配送中心內(nèi)部作業(yè)中的應(yīng)用 目前配送中心設(shè)備雖然多，但是整體技術(shù)水平不是很高，很多作業(yè)流程還處于半人工化狀態(tài)，而且作業(yè)流程不連續(xù)，配送中心的信息采集、數(shù)據(jù)處理和動態(tài)管理還無法實現(xiàn)，配送中心的管理系統(tǒng)也僅限于內(nèi)部使用，很難實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的對接。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決上述問題。（1）收貨 圖6 應(yīng)用物流網(wǎng)技術(shù)的收貨流程說明：傳統(tǒng)的配送中心的收貨工作大都是由人力完成，不僅效率低下，而且容易出錯。但是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，特別是RFID技術(shù)和智能穿梭車技術(shù)，收貨工作就變得簡單有效而且節(jié)省了大量的人力物力和時間，優(yōu)化了作業(yè)流程，提高了效率。具體的應(yīng)用過程如上圖6所示：在貨物配送之前，每個貨物都會貼上相應(yīng)的RFID標(biāo)簽，上面記錄了貨物的目的地，種類，數(shù)量等信息。當(dāng)貨物配送到目的地之后，收貨人員只需要使用相應(yīng)的識別設(shè)備，例如手持終端掃描每個貨物上的RFID標(biāo)簽，相應(yīng)的信息便會傳遞到物流配送系統(tǒng)，然后物流配送系統(tǒng)會自動改分配相應(yīng)的智能穿梭車完成貨物的收貨并更新數(shù)據(jù)。（2）分揀現(xiàn)代物流配送不同于傳統(tǒng)的配送的每種貨物單獨配送的模式，現(xiàn)代物流的配送有共同性和混載性的特性，配送方式多樣，配送更多偏向于多品種、小批量。所以分揀這一環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容復(fù)雜而且工作量很大。而傳統(tǒng)的分揀作業(yè)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代物流的發(fā)展，既浪費人力物力，又浪費時間，還容易出錯。物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)和自動分揀技術(shù)可以可以很好地解決這個問題。在收貨環(huán)節(jié)完成后，貨物被送到自動分揀機上進(jìn)行分揀作業(yè)，分揀設(shè)備通過讀取貨物上RFID標(biāo)簽的信息，對各類貨物進(jìn)行分揀，由配送系統(tǒng)對貨物的儲位進(jìn)行下一步安排。（3）倉儲由于“零庫存在很多物流供應(yīng)鏈都很難實現(xiàn)，所以倉儲也是配送中心不可或缺的環(huán)節(jié)之一。現(xiàn)代物流配送中心倉儲貨物種類繁多而且流動量非常大，因此傳統(tǒng)的倉儲水平已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代物流配送的需要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)物流配送倉儲環(huán)節(jié)的自動化、智能化和集約化的存儲。在物流配送中心可以用到的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有以下：RFID托盤標(biāo)簽、RFID貨物標(biāo)簽、RFID儲位標(biāo)簽、工作人員RFID終端、溫度傳感器標(biāo)簽、光傳感標(biāo)簽、讀取設(shè)備等。通過這些技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)建立的物流配送系統(tǒng)，可以實現(xiàn)整個倉儲過程的可視化、智能化與自動化，完成貨物的合理調(diào)配，人員的合理分配，實現(xiàn)資源的合理配置。在配送中心的每個儲位也可以應(yīng)用RFID標(biāo)簽，通過WMS可以搜集每個儲位的信息數(shù)據(jù)，并且通過配送中心的倉儲系統(tǒng)計算出儲位最佳利用方案，實現(xiàn)儲位利用的優(yōu)化配置。對于一些對特殊貨物，像是生鮮易腐的產(chǎn)品或者易碎的產(chǎn)品，由于它們的保存對于溫度、濕度和存放環(huán)境都有一定的要求，所隊可以通過一些傳感器來實時感知這些特殊貨物的狀態(tài)，并將獲取數(shù)據(jù)傳遞至配送系統(tǒng)，保證貨物的安全完好。（4）出貨可以在配送中心的主要出貨大門處安裝RFID固定式識度系統(tǒng)，這樣可以保證在貨物經(jīng)過時，快速大批量的識別貨物上的RFID標(biāo)簽，從而實現(xiàn)全自動的物品快速確認(rèn)、校驗工作。一般RFID固定式識別系統(tǒng)應(yīng)用于配送中心出入口、快速通道以及貨物裝卸點等。2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配送中心到配送點之間轉(zhuǎn)運中的應(yīng)用配送中心到配送點之間運轉(zhuǎn)的過程主要涉及配送路線的選擇，配送過程對配送車輛貨物的實時監(jiān)控跟蹤，對配送車輛的調(diào)度指揮以及對整個配送過程的管理。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流運輸過程中的集成應(yīng)用，可以實現(xiàn)整個物流配送過程的可視化、智能化的實時動態(tài)監(jiān)管。首先是GPS技術(shù)在每個運載工具上的應(yīng)用，可以實時獲取運載工具的位置和狀態(tài)，結(jié)合GIS技術(shù)、GPRS技術(shù)以及RFID技術(shù)，可以對運輸狀態(tài)、運輸線路和運輸時間進(jìn)行實時跟蹤管理，可以實現(xiàn)配送線路的調(diào)整優(yōu)化，對貨物到達(dá)的時間進(jìn)行預(yù)估。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配送的過程中的具體應(yīng)用如下：車輛跟蹤：車載定位終端自動進(jìn)行GPS定位，并按照預(yù)設(shè)的發(fā)送間隔頻率進(jìn)行自動上傳定位信息，結(jié)合GIS和GPRS技術(shù)，準(zhǔn)確定位車輛所在位置，記錄過去一段時期車輛行駛路線，實施跟蹤車輛行駛情況。調(diào)度指揮：管理人員通過計算得出最有配送路線之后，可以通過物流運輸系統(tǒng)給車輛駕駛員發(fā)送調(diào)度指揮信息，駕駛員通過車載通信系統(tǒng)接受信息并執(zhí)行指令，可以確保運輸過程安全高效準(zhǔn)確。貨物運輸狀態(tài)跟蹤：貨物的安全問題是現(xiàn)代物流配送要面臨的重要問題，所以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在車輛內(nèi)安裝無線數(shù)據(jù)采集器，同時在每一個貨物配備RFID標(biāo)簽，這樣管理人員就可以通過系統(tǒng)實時的獲取車載貨物的狀態(tài)，確保貨物的安全。三、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能物流配送系統(tǒng)的設(shè)計3.1框架設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流配送系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計共分為三層：感知層、傳輸層以及應(yīng)用層。其整體架構(gòu)設(shè)計如下圖7所示：圖7 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流配送系統(tǒng)架構(gòu)感知層：物流配送系統(tǒng)架構(gòu)感知層包括信息采集和信息處理兩部分。信息采集是利用多種傳感器技術(shù)、微波技術(shù)、視頻技術(shù)等多種物聯(lián)網(wǎng)信息采集技術(shù)，對結(jié)合無線射頻技術(shù)、車在識別系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)等在途車輛檢測技術(shù)，實現(xiàn)物流配送中心以及配送中心到配送節(jié)點過程中貨物的信息采集、配送車輛和人員的調(diào)度控制等。傳輸層：傳輸層主要由常用的移動通信網(wǎng)絡(luò)(CDMA、GPRS、3G4G無線網(wǎng)絡(luò)等)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)信息的傳遞。應(yīng)用層：物流配送系統(tǒng)的應(yīng)用層主要包括各個應(yīng)用子系統(tǒng)：倉儲管理系統(tǒng)：主要實現(xiàn)物流配送中心內(nèi)部各種作業(yè)的智能化、機械化和自動化。運輸調(diào)度系統(tǒng)：主要實現(xiàn)實時車輛定位、運輸物品監(jiān)控、在線調(diào)度與配送的可視化管理。要保證物流配送系統(tǒng)的高效、安全、準(zhǔn)確需要獲取很多信息，包括貨物信息、倉儲信息、車輛信息、線路信息等。具體需要的信息見表二所示。2.1.1 射頻識別（RFID）技術(shù)即是通常所講的電子標(biāo)簽（E-tag），一般由標(biāo)簽、讀寫器以及天線三部分組成，標(biāo)簽附著在物體上，目的就是為了標(biāo)示目標(biāo)對象的各項信息，當(dāng)然，不必?fù)?dān)心標(biāo)簽碰撞或者重疊，因為每個標(biāo)簽的電子編碼都是獨一無二；RFID 讀寫器用于接收并處理標(biāo)簽所傳遞出來的承載豐富物體信息的數(shù)據(jù)流。 目前，RFID 技術(shù)作為新興的自動識別技術(shù)，在我國迅速被推廣開來，其主要應(yīng)用于與大眾生活、教育息息相關(guān)的各行各業(yè)中，如公交系統(tǒng)、地鐵系統(tǒng)、校園一卡通、智能家居等方面。智能家居系統(tǒng)較以往的家庭系統(tǒng)最大區(qū)別在于，賦予了家庭里所有物品以“智慧”，使它們能夠“自發(fā)”、“主動”地與家庭網(wǎng)關(guān)、與人溝通并實現(xiàn)信息的傳遞。因此，智能家居系統(tǒng)的首要重要技術(shù)便是感知，也就是 RFID 技術(shù)。RFID 在智能家居系統(tǒng)中的重要作用體現(xiàn)在門禁控制、安防報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控、溫濕度智能控制、智能廚衛(wèi)、自動抄表、智能購物、物品收納管理等諸多領(lǐng)域。放眼未來，家庭中的物品將充滿智慧，能夠?qū)崿F(xiàn)與人類的“對話”和“溝通”。2.1.2 Zigbee 技術(shù) 在執(zhí)行 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開發(fā)的 Zigbee 技術(shù)，具有非常多的優(yōu)點，是一門新興的技術(shù)，是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一。開發(fā)這一技術(shù)是為了使無線通信在一定區(qū)域內(nèi)降低成本和功耗，在這一基礎(chǔ)上通過軟件協(xié)議棧開發(fā)出容易布建的大容量、不依賴現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。Zigbee 自身具備的這些優(yōu)點，所以可以用在多種領(lǐng)域，例如自動控制以及潛入設(shè)備中。（1）Zigbee 設(shè)備類型及工作頻段 首先，依據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)“角色”的不同將 Zigbee 設(shè)備劃分為協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器，起到創(chuàng)建 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)、處理其它節(jié)點的入網(wǎng)申請、對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和維護(hù)等功能；路由節(jié)點，用于擴大 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等；終端節(jié)點，是各種應(yīng)用對象的最終載體，可以是任何一種設(shè)備。在同一 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中必須有且只有一個協(xié)調(diào)器，但路由節(jié)點和終端節(jié)點則可以有 N 個(N0)。（2）Zigbee 的技術(shù)參數(shù)Zigbee 協(xié)議共有兩個標(biāo)準(zhǔn)物理層：2.4 GHz 和 868/915 MHz。這兩個物理層使用一模一樣的數(shù)據(jù)包格式，均是在擴頻 DSSS 的基礎(chǔ)上的；主要的不同在于頻率不同，傳輸速率也不一樣。Zigbee 無線信道的組成如表一所示；Zigbee 的技術(shù)參數(shù)見表二所示。表 一 Zigbee 無線信道的組成表 表二 Zigbee 的技術(shù)參數(shù)組成表作為全球統(tǒng)一的無需申請的 ISM 頻段，2.4 GHz 波段的推廣更容易，而且降低成本的可操作性也更高。其物理層的特質(zhì)是，調(diào)制技術(shù)高階靈活，且有較高的傳輸速率，正因為此，才能在獲得較小的通信時延，使得工作周期更短，從而達(dá)到更加省電的目的。（3）Zigbee 協(xié)議棧Zigbee 協(xié)議由下至上分為物理層 PHY 層、媒體接入控制層MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層 NWK層和應(yīng)用層 APL層，如下圖1 所示。 圖1 Zigbee 的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)其中，PHY 層和 MAC 層的標(biāo)準(zhǔn)由 IEEE 802.15.4 小組制定，而NWK層和 APL 層的標(biāo)準(zhǔn)由 Zigbee 聯(lián)盟來制定。相應(yīng)的 APL 包含 APS 層、ZDO 層、AF 層以及自定義應(yīng)用等。PHY 層Zigbee 協(xié)議的 PHY 層不但為物理信道和 MAC 子層間的接口做出了明確定義，而且還為數(shù)據(jù)的傳輸和管理提供了先行保障。數(shù)據(jù)庫 PIB 源自于物理層本身的數(shù)據(jù)以及道上接收和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，PHY 層的重要職責(zé)就是該數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和管理。PLME：物理層管理實體，處理物理層管理相關(guān)的原語。PHY PIB：物理層 PAN 信息數(shù)據(jù)庫，存儲物理層 PAN 相關(guān)屬性。 PD-SAP：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點，為 MAC層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，用于上傳下達(dá)幀信息。 PLME-SAP：物理層管理實體(PLME)服務(wù)接入點，為 MAC 層提供物理層管理服務(wù)，具有各項相關(guān)功能，但數(shù)據(jù)傳輸功能除外。 RF-SAP：射頻服務(wù)接入點，射頻數(shù)據(jù)收發(fā)的接口。 物理層任務(wù)描述 a、RF 收發(fā)器的開啟和關(guān)閉； b、檢測信道的能量； c、LQI(Link Quality Indieation)，對接收到的數(shù)據(jù)包報進(jìn)行鏈路質(zhì)量指示； d、CCA(Clear Channel Assessment)，為 CSMA/CA 算法提供空閑信道評估； e、選擇通信信道頻率；f、傳輸接收 OTA 數(shù)據(jù)包。MAC 層Zigbee 協(xié)議的 MAC 層協(xié)議需涵蓋以下幾項功能：a、首先對設(shè)備與設(shè)備之間的連接起到橋梁的作用，對于各項開關(guān)的閉合可以用來進(jìn)行管理； b、能夠確認(rèn)模式的幀傳送與接收；c、能夠有效地進(jìn)行信道接入控制；d、能實現(xiàn)幀校驗；e、能具備對于時延的長短有管理的功能；f、能實現(xiàn)廣播信息管理。 MAC 層4種幀結(jié)構(gòu)指的是數(shù)據(jù)幀、標(biāo)志幀、確認(rèn)幀和 MAC 命令幀，如圖 2所示。 圖2 Zigbee的幀結(jié)構(gòu)圖（4）Zigbee 性能分析 低速率：Zigbee 的數(shù)據(jù)傳輸速率有三種，能確保只能在低速率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠得到準(zhǔn)確傳送。因此在家庭使用數(shù)據(jù)量相對較小的情況下，可以滿足控制平臺與節(jié)點之間的自有聯(lián)通。 低功耗：運轉(zhuǎn)正常是，因為其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小所以收發(fā)時間的處理都比較短，在除去收發(fā)時間外的其它時間基本上都休眠，在此模式下不需要傳送數(shù)據(jù)。Zigbee 節(jié)點非常省電，因為 Zigbee 基本處于休眠模式，接收數(shù)據(jù)處理的時間非常短，所以每個節(jié)點的電池工作時間最短也可以達(dá)到半年時長，最長可以撐 24 個月。 低成本：簡單的協(xié)議棧設(shè)計注定了 Zigbee 的研發(fā)成本不會太高，更何況一般的節(jié)點硬件只有 8 位微處理器；在這，Zigbee 協(xié)議是免費開放的，軟件實現(xiàn)上不會產(chǎn)生額外的費用，研發(fā)人員可以隨意免費地下周所需的開發(fā)資源。所以，有理由相信，隨著技術(shù)的成熟，Zigbee 某塊的價格肯定會越來越低。 網(wǎng)絡(luò)的自組織，自愈能力強：在沒有任何人為操作的情況下，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間可以自發(fā)、主動地互相感知，并自覺確定聯(lián)系關(guān)系和方向，從而形成網(wǎng)絡(luò)；盡管如此，它也并非完全盲目，在有節(jié)點發(fā)生變化（如增刪，位置調(diào)整或故障）時，網(wǎng)絡(luò)便會自覺地在第一時間進(jìn)行自我檢修，有效地確保了整個網(wǎng)絡(luò)可以正常運轉(zhuǎn)。 短時延：不管在何種狀態(tài)下，時延都十分給力，沒有后顧之憂。一些典型的搜索設(shè)備時延已經(jīng)被計算出來，最長的狀態(tài)時延僅僅為短短的 30ms，其它狀態(tài)的時間更短，僅為最長時間的二分之一倍。 網(wǎng)絡(luò)容量大，每一個協(xié)議網(wǎng)絡(luò)都具有可以容納 1 個主設(shè)備的超大容量以及二百多個從設(shè)備；更甚者，每個網(wǎng)絡(luò)又可以作為一個節(jié)點接入到其它設(shè)備相連，網(wǎng)網(wǎng)相連，容量則以數(shù)量級的單位擴容。當(dāng)使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器時，整個網(wǎng)絡(luò)最多的 Zigbee 節(jié)點數(shù)可以達(dá)到 65000 個。如此巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)自然也給控制提出了巨大挑戰(zhàn)。 有效范圍小：一般情況下有效覆蓋范圍在 10 到 75 米之間，基本上能夠覆蓋家庭環(huán)境。但在一定情況下可以擴展達(dá)到數(shù)百米，像這種情況一般都是依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，用來滿足較大的場合例如公司辦公室。 數(shù)據(jù)傳輸可靠：MAC 層選用的是 talk-when-ready 的碰撞避免機制。只要有數(shù)據(jù)傳送需求就會立刻被傳送，而且每個數(shù)據(jù)包都必須在等到對方的反饋信息之后再次確認(rèn)回復(fù)信息。否則的話就默認(rèn)前路徑發(fā)生了碰撞，將選擇二次傳送。這不僅確保了信息傳輸?shù)目煽啃?，同時還給需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留了足夠的專門的空間時隙，簡單有效地避免了多個數(shù)據(jù)傳送時帶來的壓力。安全：Zigbee 技術(shù)在安全方面很有保障，而且能夠靈活的運用。它可以使數(shù)據(jù)得到全面性的檢驗，而且有專用的加密算法，使網(wǎng)絡(luò)安全方面的應(yīng)用能夠得到有效的保障。工作頻段靈活：工作階段所用的頻段有全球通用的，在理論上可以擴展為 16個通信頻道。但也有某些地區(qū)自定的適用頻段，例如 868MHz（歐洲適用）及 915MHz（美國適用），均為免執(zhí)照頻段。2.2智能家居系統(tǒng)的組成與方案的選擇從功能結(jié)構(gòu)上來說，智能家居系統(tǒng)完全以居民體驗為中心來打造，利用智能系統(tǒng)及家庭設(shè)備向居民提供各項服務(wù)。簡而論之，包括室內(nèi)燈光的調(diào)控、室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、室內(nèi)音樂的控制、影院系統(tǒng)、家電智能操控、智能化購物、看護(hù)報警安防系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表及其他學(xué)習(xí)娛樂需求等都屬于這一范疇。智能家居的可貴之處就是能讓人們隨時隨地檢測家中所發(fā)生的一切，操控家中的一切。2.2.1 智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于 Zigbee 技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)可以有效利用 Zigbee 技術(shù)的以下特點：傳輸數(shù)據(jù)量小，這就決定了它無需太大的傳輸速度；網(wǎng)絡(luò)的容量大，這就為它能夠滿足家庭中的各種家電設(shè)備提供了有效保障；信息的實時性特別好，時延非常短。Zigbee 的技術(shù)特點決定了其能很好地滿足智能家居系統(tǒng)設(shè)計的各項需求，特別是塔具備自組織、自愈能力，這樣的無線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。 一般來說，一個完整的智能家居系統(tǒng)由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、外部網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)關(guān)三個主要部分構(gòu)成。如圖 3 所示。圖3 智能家居系統(tǒng)框架圖內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)即是家庭網(wǎng)絡(luò)，它的主要存在價值是將家中的各項設(shè)備，例如門禁安防、家電設(shè)施、照明設(shè)備、窗簾、報警器等，連接到家庭網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中來。一般的實現(xiàn)方式是通過 Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)。每個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備都具備自主收集數(shù)據(jù)并自發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)給家庭網(wǎng)關(guān)的功能；同時，還具備執(zhí)行家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的各項指令命令的功能。外部網(wǎng)絡(luò)外部網(wǎng)絡(luò)通過 Internet 實現(xiàn)與家庭網(wǎng)關(guān)的連接。外部網(wǎng)絡(luò)包含了醫(yī)院、超市、水電煤機構(gòu)等社會機構(gòu)，家庭網(wǎng)關(guān)從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)感知到的數(shù)據(jù)信息可以自發(fā)或者定時發(fā)送至社會機構(gòu)，必要時還可以向用戶反饋各機構(gòu)單位的信息，如健康報告、消費清單、抄表結(jié)算等；同時，外部網(wǎng)絡(luò)還可以連接各遠(yuǎn)程終端，當(dāng)用戶不在家時，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各設(shè)備的操作；此外，智能家居系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)與小區(qū)網(wǎng)絡(luò)平臺的互通，一方面用來及時接收小區(qū)的電子公告、通知，另一方面，如果家中一旦發(fā)生緊急情況，在主人不在家的情況下可以第一時間通過小區(qū)網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)送求救信號。家庭網(wǎng)關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心控制部分，它的關(guān)鍵任務(wù)是負(fù)責(zé)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，是內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)相互對話的重要轉(zhuǎn)換單元。家庭網(wǎng)關(guān)依賴于家庭控制計算機，二者互相支撐，并且配備雙網(wǎng)卡。對外部網(wǎng)絡(luò)，主要實現(xiàn)與 internert 的連接，從而將內(nèi)部發(fā)送的數(shù)據(jù)直接傳送給 Internet 及其機構(gòu)、終端和網(wǎng)絡(luò)平臺；對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)的操作，同時，實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)對內(nèi)部各器件的指令命令操作。 智能家居系統(tǒng)融合了 GSM/GPRS/CDMA 網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及目前已經(jīng)得到有效發(fā)展的智能小區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)，來有效地實現(xiàn)各項信息的互聯(lián)互通。用戶即使不在家中，也可以通過電腦終端或者手機終端等設(shè)備有效地對家里的電器或者照明裝置進(jìn)行檢測和控制；同時，經(jīng)過程序設(shè)定，可以使系統(tǒng)自發(fā)定時或非定時地向主人報告家中防盜、防火、防煤氣等警報情況。當(dāng)然，主人可以通過命令的發(fā)送，隨時隨地地查看這些容易發(fā)生隱患的各種情況。用戶通過該系統(tǒng)可以直接與網(wǎng)絡(luò)以及小區(qū)信息網(wǎng)絡(luò)相連接，查閱小區(qū)最新發(fā)布的各類信息，并配合相關(guān)信息發(fā)送指令，如抄表或者照明控制等；必要時，如果一旦出現(xiàn)某些緊急情況，還可以直接與小區(qū)警衛(wèi)處等發(fā)送求救信號，保障家庭各項安全。系統(tǒng)主要由一個家庭網(wǎng)關(guān)通過雙向控制，即能控制外部網(wǎng)絡(luò)相連的用戶或者各類機構(gòu)，也能準(zhǔn)確控制內(nèi)部相連的各類設(shè)施和設(shè)設(shè)備。智能家居系統(tǒng)具體模型如圖 3-2 所示： 圖4 智能家居的系統(tǒng)具體模型圖2.2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)方案的選擇（1）系統(tǒng)方案概述 所討論的智能家居系統(tǒng)以 Zigbee 技術(shù)為基礎(chǔ)，并以家電控制子系統(tǒng)為研究的典型，通過 Zigbee 協(xié)議棧及通信模塊，完成家電子系統(tǒng)的控制。并以此為開放性平臺，在安防、醫(yī)療、抄表、購物等子系統(tǒng)的拓展提供了可靠依據(jù)。其重要子系統(tǒng)的功能論述如下：家電控制：內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程電腦終端或手機終端對家庭中家電設(shè)備的啟動、關(guān)閉、調(diào)節(jié)等操作。如空調(diào)、電視機、洗衣機等；照明系統(tǒng)：可以自動控制燈光的開關(guān)以及明暗的調(diào)節(jié)； 窗簾控制； 防盜控制：包括智能門禁、安防報警、煤氣和電路等危險情況報警等子模塊。 檢測系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)家庭的火災(zāi)、煤氣狀態(tài)的日常監(jiān)控以及緊急情況發(fā)生時的智能報警；其他功能：例如智能搜索、智能購物、醫(yī)療跟蹤、智能抄表、學(xué)習(xí)娛樂等。（2）系統(tǒng)的管理與控制系統(tǒng)軟件的功能需求：系統(tǒng)操作；數(shù)據(jù)庫管理；輔助遠(yuǎn)程終端操作人員完成對內(nèi)部各項家電設(shè)備的監(jiān)控和指令操作。系統(tǒng)軟件的設(shè)計原則：智能家居系統(tǒng)軟件的開發(fā)應(yīng)當(dāng)以軟件工程化為基本原則，建議采用螺旋模型開發(fā)模式，運用面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計手段，目的是為了保證其可構(gòu)造性和易維護(hù)性。 根據(jù)軟件生命周期學(xué)方法，將軟件進(jìn)行分階段研究設(shè)計，堅持開展階段性評估，便于完善各階段的文檔，也易于階段性的控制。軟件的設(shè)計目標(biāo)如下：有效性，能夠滿足不同類型的用戶對智能家居的不同需求以及不同的使用環(huán)境；可靠性，經(jīng)過設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)自檢自查功能，即使出現(xiàn)錯誤操作，如用戶名、