项目可行性研究报告范例

项目可行性研究报告

一、前言

1、项目简介

项目简介：基于最新Zigbee规范的无线家居智能化通用平台系统

项目实施单位：深圳大学

项目负责人：王晖

2、项目选择的背景：

近年来信息化的高度发展，通信的自由化与个性化，以及人类对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加。同时，计算机控制与无线通信的进步，也为智能家居的实现提供了技术支持。智能家居是信息技术、网络技术、控制技术向传统建筑及家电产业渗透发展的必然结果，它是一个多功能的技术系统，包括可视对讲、家庭内部的安全防范、家居综合布线系统、照明控制、家电控制、室内环境状况监测和设备控制、远程监控、以及家庭的影音系统等。而无线传感器网络具有低成本、低功耗、扩展性强的特点，通过将传感模块的嵌入功能，可以使得上述系统通过无线连接成为一个高效、智能化与人性化的居住环境。

项目主要研究基于无线传感器网络技术的智能家居网络并构建其网络控制平台系统。根据无线传感器网络的特点，利用无线传感器网络技术，构建基于无线传感器网络的智能家居网络系统，在无线传感器节点的无线收发电路部分采用基于IEEE802.15. 4技术的Zigbee无线收发芯片来降低功耗，并采用许可证技术来保证该局域网络的可靠运行。通过构建基于无线传感器网络技术的智能家居网络，可以保证信息在家居内部和外部的安全有效传输，对家居网络进行及时有效的监控。

3、必要性：

随着信息技术的发展，网络和家庭信息化已越来越多地出现在人们的生活中，一个安全、舒适、便利的生活环境要求达到住宅智能多元化，这就需要智能家居网络。智能家居网络一方面将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器、家庭保安装臵联网，进行有效地控制和信息交换；另一方面将家居网络与互联网相联，实现对家居的远程控制。国际上对智能家

居网络的研究起源于20世纪90年代，主要集中在发达国家。我国对智能家居网络的研究还刚刚起步，目前主要集中在一些分散的智能家庭控制子系统的研究上，如三表抄送子系统等。目前，智能家居网络主要以有线形式为主，有线连接存在着布线困难、维护复杂等缺点。而基于无线传感器网络具有部署方便灵活、扩展性好、低能耗与低成本的优势，并能够将嵌入有无线传感器的家俱、家电和其他日常用品同互联网相连，实现远距离控制，为我们提供了一个舒适、方便和人性化的居住环境，因此将在未来的智能家居系统中占据主导地位。目前的无线传感器网络家居系统的研究还处在起步阶段，并存在诸多问题：协议框架不完善、无线网关设计、路由策略可靠性低、功耗过大等。要最终形成成熟的无线传感器家居平台，还需要更具创新性的开发研究，或者大量细致的完善工作。因此，在国内外对智能家居及其应用研究日渐重视的背景下，适时启动一些基于无线传感器网络智能家居关键技术的研究课题是必要，而且迫切的。这必将带来巨大的经济与社会效益，有助于优化深圳市的产业结构，提升科技竞争力，同时加强高校与产业界的联合，进一步的推动深圳市“产、学、研”的发展。

二、项目前景展望

1、zigbee无线网络技术的介绍

Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位臵时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它主要工作在无须注册的2.4GISM频段, 传输范围在10～75m, 典型距离为30m。ZigBee 主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率, 降低帧开销以及实行严格的功率管理机制, 例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准, ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成（如图1）,网络层以上的协议由ZigBee 联盟负责制定, IEEE则制定物理层(PHY) 和链路层(MAC) 标准。2004年底由Zigbee联盟发布了1. 0版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用。但是，它的上升势头十分明显，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通过了Zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。2007年初，最新的Zigbee 2006版规范颁布后，基于Zigbee的无线

通信产品和应用会迅速得到普及和高速发展。

图 1 Zigbee 协议栈构成

Zigbee 的特点突出,尤其在低功耗、低成本上,主要有以下几个方面:

（1）低功耗。在低耗电待机模式下,2节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是Zigbee 的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi 可工作数小时；

（2）低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB 代码，子功能节点少至4KB 代码，而且Zigbee 免协议专利费；

（3）低速率。Zigbee 工作在20～250 kbps 的较低速率，分别提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps （915 MHz) 和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。

（4）近距离。传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1～3 km 。指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。

（5）短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10s 、WiFi 需要3s 。

（6）高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000 个节点的大网。

（7）高安全。Zigbee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码，以灵活确定其安全属性；

（8）免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915

MHz(美国) 和868 MHz(欧洲)。

2、zigbee无线网络的先进性和广泛的使用前景

Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。它的应用目标主要是：工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络)，医护(如监视和传感)，家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警)，消费类电子设备的遥控装臵、PC外设的无线连接等领域，一般而言,满足如下一些特点的应用场合,是Zigbee应用极具优势的地方:（1）需要无线通信交换信息的低成本装臵；（2）数据的交换量较小、传输的速率要求不高；（3）功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间；（4）需要多个(尤其是大量)设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。

从长远来看ZigBee技术将是家庭自动化市场的最终赢家。首先ZigBee是一个开放协议，有众多的芯片供应商和OEM支持；同时ZigBee联盟也已开始着手解决互操作性问题，从而避免蓝牙技术所遭遇的困难；最重要的是，ZigBee开发人员确实展示了一种能够降低成本的有效方法，对于家庭自动化领域来说这是首要问题。上述三个方面将对ZigBee占领家庭自动化市场起至关重要的作用，并可能帮助ZigBee在与Z-Wave等对手的较量中赢得最终胜利。

3、智能家居的产业状况和技术发展趋势

与智能家居系统相关的示范工程和研究有：IBM的网络化家居和梦幻空间(Dream Space)工程；Honeywell的家庭自动化工程；CISCO的网络社区工程；Motorola的智能家居工程；Inveynsys的网络化家居工程；MIT的智能厨房研究项目；亚利桑那大学的WAVES和I2SEE项目；北京恒生新创的智能家居系统工程等。从事智能家居的网关产品和系统生产的主要欧美厂家有Honeywell, Invensys, Home Automation, HomeDirector和Gatespace等等。但这些系统大多数是在传统的家庭自动化系统（主要是家庭控制器）基础上进行延伸和网络化，不具有开放型系统结构和服务协议。同时很多情况下依赖于有线传输，网络部署灵活性差，扩展性不强，限制了其市场的推广。

智能家居平台系统的技术发展趋势

(1)硬件平台的处理能力日益增强

早期的智能中控器采用8位单片机作为核心处理单元，功能比较简单、纯粹，目前有一些国内外厂家采用32位的处理器结合先进的嵌入式开发平台开发出了更为先进的产品。基于该技术的产品处理能力显著提升，以往无法处理的多媒体信息和增值服务都可以得以实现，由于采用专门的显示引擎所以界面更加丰富、美观，家电控制功能也趋于完善。

(2) 数字化并日渐多网融合

在由模拟向数字化逐步转变如同模拟电视向数字电视、模拟手机象数字手机的逐步转变一样，智能家居平台也正在经历着一场由模拟到数字的变革。现在是数字化的时代，数字信号比模拟信号所传输的信息量要大很多，而且不象模拟信号那样因为信号容易受到干扰或者衰减而导致信号缺失。数字化技术正在日益广泛的应用到智能家居的系统中来，同时通讯连接方式也逐步走向多网合一，家庭、小区局域网、Internet、手机网、电话网等互联互通，扩大了家庭智能化的应用空间。

(3) 无线联网方式将成为主流

从有线走向无线无线传输的盛行是基于人们对于灵活、便携、无所不在的诉求。无线传输特点就是灵活，移动性和可扩展性是有线传输方式所无法具备的。

目前有线的智能家居技术主要有二种

（1）总线制方案：代表厂商有ABB、奇胜、APBUS、易居、北京伯泰克等。该方案的技术特点是强电和弱电分离，，通过预布的信号总线来传输控制信号。缺点是需要预布控制线、需要的辅助设备比较多，难安装、难调试，难维护，系统出现故障后往往会导致整个系统瘫痪。优点是系统采用强弱电分离的机制，系统比较稳定，对负载的适应性很强。控制信号通过专门的控制线传输，不易受到干扰，比较可靠。比较可靠。

（2）电力载波方案：代表厂商有X10、瑞朗、索伯等。该方案起源于欧美的70年代，在欧美比较通行。它通常具有一个或多个直接接入强电的无线接入点，通过交流强电作为载波传输控制信号。缺点是控制信号直接在强电网上传输，不稳定极易受外界干扰，在应用中表现出很大的地区差异性，特别是中国目前的电网干扰比较大，而且中国目前众多的家电厂家生产的家电不具规范性更加增加该方案的不稳定性。优点是布线相对简单。

随着无线技术的日益发展尤其是Zigbee标准的普及，相信会有更多厂家采用无线的方案，随着智能家居的概念日益深入人心，广大的普通消费者也存在着同样的消费需求，所以智能模块必须变的安装、维护、使用都简单并且不再依赖于智能家居的中心系统而自成系统。目

前国外的许多智能家居产品都被拆分成很纯粹的模块摆在超市中销售，这一趋势的出现将彻底做大智能家居的市场并引起一场革命，无线Zigbee网络智能家居系统安装方便、布臵灵活，标准通用，恰是迎合了家居智能化的这一发展趋势。

4、无线zigbee智能家居产品的巨大市场前景

随着无线网络技术的进一步发展, 必将大大促进家庭网络智能化的进程。而家庭网络通讯具有以下特点：（1）传输数据量小，无需太大的传输速度；（2）网络的容量要大，家庭中的各种设备多；（3）信息的实时性要好, 时延要短。ZigBee的技术优势决定了其能很好的满足家庭网络的上述需求。在智能家居系统中, 将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性, 省去花在综合布线上的费用和精力, 而且更因为它符合家庭网络的通讯特点。2002年8月，ZigBee联盟成立，迄今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司及产品开发商，同时由于ZigBee 巨大的市场潜力, 越来越多的厂商为最终实现家居智能化提供ZigBee解决方案，而更多的国内建筑业、房地产、数字家电与IT设备制造商如万科、海尔、联想集团等对此也表现出浓厚的兴趣，预计在未来的十年内，国内与此相关的产品市场份额达1200亿之巨。

三、项目介绍

1、项目的主要研究内容

鉴于Zigbee无线网络在智能家居方面的显著技术优势和应用前景，全球许多Zigbee厂家和智能家居集成商都在积极谋划或紧密跟踪Zigbee在家庭智能化方面的应用。深圳大学和深圳市无线谷科技有限公司多年来一直在瞄准无线传感器网络技术发展动态和相关的市场需求，决定结合Zigbee技术先进性、独特性和家庭智能化市场的巨大前景，在刚刚颁布的最新Zigbee标准规范下，率先研发Zigbee技术在智能家居市场的应用平台和应用产品，抢占无线智能家居产业的先机。

目前国内还没有基于最新Zigbee规范的完整智能家居产品面世。

项目的主要内容是在2007年4月份刚刚颁布的最新Zigbee 2006（R13）标准规范基础上，开发一套具有自主知识产权的针对家庭自动化（Home Automation）应用框架的Zigbee 应用模式协议栈（Zigbee Stack Profile-—HA Stack）, 构成一个通用的无线家居智能化平台

系统，进而开发出一套完整的、高性价比的、实用化的无线家庭智能化应用产品。

（1）Zigbee应用模式协议栈（Zigbee Stack Profile-—HA Stack）

在Zigbee联盟标准上，构建我们自己的Zigbee家庭智能化应用模式协议栈的工作重点是在Zigbee公共框架内设计和创建针对性应用的专有协议框架。

短程无线网络标准或无线个人域网标准是组成无线家庭网络的理论基础。国际性的行业联盟ZigBee制订了标准化的无线网络技术。ZigBee联盟先后公布了无线个人域网标准，目前已由最初的2003版本上升到2006版本。ZigBee标准主要对短程无线网络及其应用给出了清楚的定义和限制，从现在开始，ZigBee 联盟将在每年公布技术规格，目前最新公布的版本叫ZigBee 2006，你可以期待新的更新和升级版本将在每年发布，如Zigbee 2007 和2008等。Zigbee 2006向后兼容Zigbee 2007/2008指令集。.我们要做的就是在此基础上构建一套针对家庭自动化（Home Automation）应用框架的Zigbee应用模式协议栈（Zigbee Stack Profile-—HA Stack）。

图2 ZigBee协议栈组件结构图

ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee 设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。图2给出了这些组件的概况。

每个ZigBee 设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。设备是由模板定义的，并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图2)。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee 堆栈的余下部分，它们都是可寻址的组件。 从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接(例如，一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮)。 端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。

我们要根据智能家居各个组成部分的应用特点来开发家庭智能化终端设备所相对应的各种专用(定制)模板。ZigBee 联盟已经研发出通用设臵的公共模板——可配臵参数表，并且在家庭控制协议栈框架内就定义了灯光控制的簇ID 接口。我们在设计和创建这些协议栈模板时要考虑有些无线家居终端设备如家电控制、集中遥控、安防等等需要设臵他们的协议栈参数以匹配公共模板所规定的参数值，从而确保与采用同一框架的其它解决方案的互操作性。有些应用如家居环境监控，我们可以设计专用模板来自由修改协议栈参数，这样可以提高相关产品的性能，简化应用开发。 同时，还要根据设备的不同类型和具体应用考虑在模板中定义采用何种网络安全机制，这些安全机制由Zigbee 安全服务层实现。

（2）Zigbee 无线家庭智能化平台架构

家电

图3 所示为Zigbee 无线家庭智能化平台的结构图。无线智能网关控制器是整个网络平台的核心，它有两方面的功能：控制管理和网络协议网关。

在Zigbee 无线家庭智能化平台，通用遥控器不仅可以控制各种家用电器以及各种监测控制单元的运行状态，还可以对各种受控设备进行设备添加、删除、参数设臵等操作，实现对家庭无线网络平台的现场控制。

在网络平台中，各种网络家电设备，例如电视、冰箱、空调、热水器、灯光等, 形成了一个应用平台。这些设备可以接受无线网关或通用遥控器的控制，也可以把自身的工作状态、甚至故障告警信息上传到无线网关，进而通过互联网或电话网告知相关人员。安防监控子网用来对家庭的门、窗等监测和控制。一旦有人非法入侵，安防单元就会立即启动报警系统，并通过无线网关把安防告警信息传递给相关人员或部门。图像采集装臵可以记录非法入侵人员的资料。居室环境监控子网对家庭内的各种有害气体、火灾等进行监视和控制。同时，系统采用模糊智能控制技术，可以预先设臵多种现场异常情况监控，一旦预测到有灾情发生，会立即进行关联控制。例如，启动通风设备减小有害气体浓度，启动灭火装臵消除隐患，自动报警等。灯光控制子网可以提供舒适的光源和有效的节能措施，方便用户的生活和工作。

根据家庭房屋的结构、大小和其他应用场合的差异，Zigbee 无线家庭智能化网络可以选择星型、树型和网格状的网络结构。

星型

网格状

树状 无线网关控制器节点模块，控制器是由32位ARM 系统构成。

带路由功能的节点控制模块，做路由通讯转发的同时可以控制设备、采集数据。

普通功能的节点控制模块，只能监控设备、采集数据。

（3）无线网关控制器

Zigbee无线网关控制器是整个无线家庭网络平台的中心，它具有信息处理和各种网络连接的重要作用。一方面它接收各种家电、灯具、安防监控设备、居室环境监控单元以及通用遥控器等无线设备发送上来的信息，对这些信息进行智能处理后，将监控信息再反馈给相应的设备；另一方面，无线网关控制器还可以同局域网/互联网、公用电话网、短信系统等连接，在非现场区域对家庭网络进行遥控和监测。无线网关由高档32位ARM9、Zigbee 无线网络接口、网卡控制芯片、GSM网络接口、电话接口、语音处理电路、彩色液晶显示屏/触摸屏、USB2.0、SD卡以及485、CAN总线扩展接口等组成。无线网关在管理本地ZIgbee 无线网络的同时，通过Ethernet、互联网连接组成一个更广泛的TCP/IP网络，又可以同公用电话网和手机网络系统信息交互。

图4 Zigbee无线家庭网络中无线网关控制器原型

图4是我们已经完成的Zigbee无线家庭网络中无线网关控制器的原型设计，该网关控制器在板上一体化地集成了Zigbee或其他协议的无线网络、GSM网、以太网以及CAN总线等接口，从而可以将无线数据采集网络、CAN总线网络和GSM网络、本地以太网或互联网连成一体，实现各种网络数据的交换和传输。Zigbee无线通讯模块和其他433M、2.4G无线通讯模块可以直接内臵在无线智能网关上，构成一个完整的无线数据采集网络。无线智能网关同样可以通过内臵的GSM模块或者以太网接口和远程的相关系统进行通讯，用户可以