[信息與通信]基于CC2530的光照信息的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 論文題目： 基于CC2530的光照信息的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是融合了傳感器、嵌入式計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信、分布式信息處理等多學(xué)科知識(shí)，它通過(guò)集成化微型傳感器能對(duì)各種環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行檢測(cè)和采集，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶(hù)。本文在分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了光照信息采集的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照信息的采集并以ZigBee協(xié)議無(wú)線傳輸，形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)由Zigbee無(wú)線傳輸模塊、CC2530微處理器的模塊、傳感器模塊及接口電路組成。軟件基于ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、物理層組成，構(gòu)建了無(wú)線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與傳輸

2、。本文基于OURS-IOTV2物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)套件試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較，闡明ZigBee開(kāi)發(fā)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的方法。 關(guān)鍵字：ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn); CC2530 ; 光照信息采集; 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 論文類(lèi)型：應(yīng)用型畢業(yè)論文 41 Title：CC2530 based on light information collection system design Major：Electronic and Information Engineering Name： wenxi signature：___ __

3、____ Supervision：zhangxiaoli signature：___ ______ ABSTRACT Wireless sensor network is shirt-sleeve the sensor, embedded computer, wireless communication, distributed information processing science knowledge, it through the integration of various environmental miniature sensors or test ob

4、ject information detection and acquisition, again through the wireless network to send to the user. Based on the analysis of the structure of wireless sensor network are put forward, based on the information acquisition of light to wireless sensor network node design, realization of light informatio

5、n collection and ZigBee wireless transmission agreement, forming a tree network. Terminal Zigbee wireless transmission node from module, CC2530 microprocessor module, sensors and interface circuit module composition. Software based on ZigBee realize protocol stack, the application layer, network lay

6、er, MAC layer, the physical composition, to construct the wireless wireless network, to achieve data collection and transmission. This paper based on OURS-IOTV2 content networking innovation experimental suite test box achieve, through the analysis of the experimental data, the paper zigbee developm

7、ent application development and the implementation method. Key words:ZigBee network nodes CC2530 Light information collection Wireless sensor network 目 錄 1緒論 1 1.1課題研究的背景及意義 1 1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 3 1.2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 3 1.2.2主要研究方向 4 1.3幾種短距離

8、無(wú)線通信技術(shù)的性能比較 5 1.4ZigBee技術(shù)概述 8 1.5本文工作 10 2 ZigBee協(xié)議及其應(yīng)用 12 2.1 IEEE802.15.4技術(shù)簡(jiǎn)述 12 2.1.1物理層(PHY) 13 2.1.2數(shù)據(jù)鏈路層(MAC) 14 2.2 ZigBee協(xié)議 15 2.2.1ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 15 2.2.2ZigBee協(xié)議棧 16 2.3ZigBee協(xié)議棧API 19 2.3.1應(yīng)用層(APL)API 19 2.3.2應(yīng)用支持層(APS)API 20 2.4原語(yǔ)的基本概念 21 2.5網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 22 2.6數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制 23 2.6.1KVP格式 2

9、4 2.6.2MSG格式 25 2.7地址的分配機(jī)制 25 2.8路由花費(fèi)和路由算法 27 2.8.1路由花費(fèi) 27 2.8.2路由算法 28 2.9 ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域 32 2.10本章小節(jié) 33 3 無(wú)線光照采集系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 34 3.1總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 34 3.2無(wú)線傳感網(wǎng)通信模塊 34 3.2.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)與原理： 35 3.3節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 36 3.3.1模塊電源電路和復(fù)位設(shè)計(jì) 36 3.3.2LCD顯示電路設(shè)計(jì) 38 3.3.3光敏傳感器外圍電路的設(shè)計(jì) 39 3.4本章小結(jié) 40 4無(wú)線光照信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 41 4.1總體流程

10、 41 4.2程序項(xiàng)目文件結(jié)構(gòu) 45 4.3程序的初始化 46 4.4組網(wǎng) 47 4.5數(shù)據(jù)傳送 49 4.6定時(shí)發(fā)送 51 4.7設(shè)備發(fā)現(xiàn) 51 4.8軟件調(diào)試環(huán)境 52 4.9本章小結(jié) 52 5 總結(jié) 53 5.1以后的工作 53 5.2實(shí)現(xiàn)樹(shù)型及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?54 5.3實(shí)現(xiàn)采集多種環(huán)境信息 54 5.4實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的內(nèi)嵌 54 5.5 節(jié)點(diǎn)光照采集 54 致謝 58 參考文獻(xiàn) 59 1緒論 1.1課題研究的背景及意義 隨著人們生活條件的不斷地高，人們?cè)絹?lái)越重視光照信息采集，以保障各類(lèi)生產(chǎn)生活能夠有效的進(jìn)行，其中作為一種方便有效無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

11、芯片CC2530便成為了光照信息采集一個(gè)十分重要的應(yīng)用.傳統(tǒng)的人工控制已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代對(duì)自動(dòng)化控制的要求，這樣基于cc2530的光照信息采集就能很好地滿(mǎn)足人們的需求。CC2530作為ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一員也越來(lái)越能發(fā)揮它的重要性。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用于無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制的全球性無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單易用、近距離、低速率、低功耗而且廉價(jià)的市場(chǎng)定位，廣泛用于數(shù)字家庭領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域智能交通、醫(yī)療領(lǐng)域、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能建筑、安全保障等領(lǐng)域，擁有廣闊的應(yīng)用前景的一項(xiàng)技術(shù)。 在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中通常需要上位機(jī)軟件的支持，基于PHP的WAP服務(wù)器設(shè)計(jì)是目前常用的一種方法，

12、本設(shè)計(jì)基于高速公路應(yīng)急系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能。在研究過(guò)程中作為一名本科生可以了解一個(gè)具體系統(tǒng)的工作原理級(jí)上位機(jī)軟件在整個(gè)系統(tǒng)中的作用，并采用PHP網(wǎng)頁(yè)制作語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了具體功能。為今后進(jìn)一步了解并掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)打下良好的基礎(chǔ)。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，利用無(wú)線收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)監(jiān)測(cè)管理中心能夠輕松完成對(duì)溫濕度的控制、二氧化碳、一氧化碳酒精含量含量測(cè)量、光照度信息采集等功能。本設(shè)計(jì)基于智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，如果光線過(guò)暗，則自動(dòng)開(kāi)啟LED，如果光線亮，則自動(dòng)關(guān)閉LED。 近年來(lái)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們慢慢的將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，提出了無(wú)

13、線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一概念。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)接入，而且還適用于有線接入方式所不能勝任的場(chǎng)合，為數(shù)據(jù)傳輸提供良好的服務(wù)。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)線定位和Zigbee無(wú)線技術(shù)有如下優(yōu)勢(shì)： （1）功耗低：由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機(jī)制，所以特別省電。 （2）成本低：協(xié)議簡(jiǎn)單且所需的存儲(chǔ)空間小，極大降低了ZigBee芯片的成本，每塊芯片的價(jià)格在2美元一下，而且ZigBee協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的。 (3)時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延短。設(shè)備搜索時(shí)延30ms，休眠激活時(shí)延15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。 （4）組網(wǎng)簡(jiǎn)單：GPRS無(wú)線DDN

14、系統(tǒng)可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全中國(guó)的虛擬移動(dòng)數(shù)據(jù)通信專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，為用戶(hù)提供接入便利，節(jié)省接入投資。ZigBee兼容的產(chǎn)品工作在IEEE802.15.4的PHY上，其頻段是免費(fèi)開(kāi)放的，分別為2.4GHz（全球）、915MHz（美國(guó)）和868MHz（歐洲）。采用ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品可以在2.4GHz上提供250kbit/s（16個(gè)信道）、在915MHz提供40kbit/s（10個(gè)信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1個(gè)信道）的傳輸速率。傳輸范圍依賴(lài)于輸出功率和信道環(huán)境，介于10m到100m之間，一般是30m左右。由于ZigBee使用的是開(kāi)放頻段，已有多種無(wú)線通訊技術(shù)

15、使用。因此為避免被干擾，各個(gè)頻段均采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。同時(shí)，PHY的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)允許設(shè)備無(wú)需閉環(huán)同步。 1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 1.2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 Zigbee技術(shù)和RFID 技術(shù)在近幾年發(fā)展迅速，市場(chǎng)前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的兩個(gè)。關(guān)于這方面的報(bào)道，在百度，或GOOGLE搜索欄中鍵入“ZigBee”,你就會(huì)搜到大量的有關(guān)報(bào)道?？傊窈笕舾赡?，都將是Zigbee技術(shù)飛速發(fā)展的階段。 Zigbee技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用情況 盡管，國(guó)內(nèi)不少人已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注Zigbee這們新技術(shù)，而且也有不少單位開(kāi)始涉足Zigbee技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作，然而，由于Zigbee 本身是一種新的系統(tǒng)

16、集成技術(shù)，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)必須和網(wǎng)絡(luò)傳輸，射頻技術(shù)和底層軟硬件控制技術(shù)結(jié)合在一起。因而要深入理解這個(gè)來(lái)自國(guó)外的新技術(shù)，再組織一個(gè)有這方面經(jīng)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，很不容易的事情，因而，到目前為止，國(guó)內(nèi)目前除了為數(shù)不多的幾家公司外，真正將Zigbee技術(shù)開(kāi)發(fā)成產(chǎn)品，并成功地用于解決相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際產(chǎn)生的問(wèn)題，尚未可見(jiàn)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在基礎(chǔ)芯片和通信模塊方面，德州儀器是美國(guó)著名的模擬器件解決方案和數(shù)字嵌入及應(yīng)用處理半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域能夠提供ZigBee芯片和移動(dòng)通信芯片產(chǎn)品。英特爾是全球最大的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通信產(chǎn)品制造商，在物聯(lián)網(wǎng)方面能夠提供Wi-Fi芯片、藍(lán)牙芯片、WiMAX芯片和R

17、FID芯片產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體、高通、飛思卡爾等芯片企業(yè)也可以提供物聯(lián)網(wǎng)所需的基礎(chǔ)通信芯片。此外，Telit、Cinterion、Sierra Wireless等通信模塊企業(yè)將通信芯片整合成能夠獨(dú)立完成通信功能的模塊，可以直接嵌入到設(shè)備中使其擁有通信能力。 M2M與RFID和傳感網(wǎng)不同，擁有電信網(wǎng)絡(luò)資源的電信運(yùn)營(yíng)商在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)發(fā)展初期并沒(méi)有關(guān)注這項(xiàng)業(yè)務(wù)，因此產(chǎn)生了很多M2M業(yè)務(wù)的MVNO（虛擬移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商），他們租用電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供業(yè)務(wù)，與電信運(yùn)營(yíng)商一樣都屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的提供者。隨著電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)M2M業(yè)務(wù)重視程度的提高，物聯(lián)網(wǎng)MVNO地位逐漸弱化，其作用逐漸被電信運(yùn)營(yíng)商取代。目前，主要

18、的物聯(lián)網(wǎng)MVNO包括美國(guó)的Jasper Wireless、KORE，英國(guó)的Wyless等。目前，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展較好的運(yùn)營(yíng)商包括法國(guó)Orange、英國(guó)沃達(dá)豐、美國(guó)AT&T和Verizon、日本NTT DoCoMo、韓國(guó)SKT等。另外，美國(guó)的Tridium、Axeda等企業(yè)還提供M2M軟件平臺(tái)。 總體來(lái)說(shuō)，目前美國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)歐盟和日韓電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)關(guān)注度較高，而我國(guó)只有極少公司能涉及這方面的工作，所以我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)急待發(fā)展。 1.2.2主要研究方向 1.新型智能傳感器關(guān)鍵技術(shù)和傳感系統(tǒng) 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能基本上取決于作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能傳感器的性能

19、。智能傳感器是目前國(guó)際傳感器領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，其研究意義和應(yīng)用價(jià)值，己引起了世界各國(guó)學(xué)術(shù)界、軍事部門(mén)和工業(yè)界的極大關(guān)注。 2．傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)緊密相連。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是從通信網(wǎng)絡(luò)中演化而來(lái)自治，那必然要有適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、支持傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)協(xié)議、任務(wù)分配、協(xié)調(diào)、時(shí)鐘同步以及相應(yīng)的軟硬件資源等。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重點(diǎn)研究目標(biāo)就是如何設(shè)計(jì)能量高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即如何優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議，來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是傳感器網(wǎng)絡(luò)其它核心技術(shù)和支撐技術(shù)的基礎(chǔ)。對(duì)其協(xié)議的研究包括：（1）MAC層協(xié)議研究；（2）能量高效的路由協(xié)議；（3）

20、節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)。 1.3幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能比較 在短距離無(wú)線通信技術(shù)中，除ZigBee技術(shù)外，還存在許多其他通信技術(shù)，它們各有各的特色，下文將會(huì)對(duì)ZigBee技術(shù)與這些相關(guān)技術(shù)作簡(jiǎn)單的分析比較，可以更好的了解它們各自的技術(shù)性能和應(yīng)用領(lǐng)域。這些技術(shù)分別是紅外、藍(lán)牙、超帶寬、IEEE802.11 x、家庭無(wú)線射頻技術(shù)和無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)。 1993年，由20多個(gè)大廠商發(fā)起成立了紅外[8]數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA:Infrared DataAssociation )，統(tǒng)一了紅外通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用850mm的紅外光傳輸數(shù)據(jù)信息，紅外信號(hào)要求設(shè)備之間必須具有無(wú)障礙的直線信道，通信距離通常最大不

21、能超過(guò)l0m，并且，通信角度不能超過(guò)30度。紅外的數(shù)據(jù)傳輸速率較快，最初大約為4Mbps，目前己經(jīng)能夠達(dá)到16Mbps 。 超帶寬[11](UWB: Ultra-Wave Band)無(wú)線通信技術(shù)是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，根據(jù)美國(guó)FCC ( Federal Communication Commission，聯(lián)邦通信委員會(huì))從信號(hào)帶寬的角度的確切定義:UWB信號(hào)是指“-10dB功率點(diǎn)處的相對(duì)帶寬大于25%或射頻的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz”的信號(hào)。該技術(shù)的工作頻段范圍為3.1-10.6GHz，工作帶寬為7. 5 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1.5Gbps，傳輸距離為l 0m 。 由于這項(xiàng)技術(shù)存在信

22、號(hào)帶寬寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且，功耗低、隱蔽性好、抗信號(hào)多徑效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此，這項(xiàng)技術(shù)備受到了各方面的關(guān)注。 Internet網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，進(jìn)一步加速了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，特別是IEEE802.11 x[12]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)了十幾年的發(fā)展，其技術(shù)性能指標(biāo)得到了極大的提高，其技術(shù)性能指標(biāo)由于所采用的技術(shù)和工作的頻段不同，它們之間也存在許多差異。 IEEE 802.11b，其工作頻段為2.4GHz的ISM頻段，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，傳輸速率為11 MBps。 a IEEE 802.11 a，其工作頻段為5.2GHz，采用OFDM調(diào)制技術(shù)，具有較好的抗多徑干擾能力，可提供8個(gè)信道，可采用

23、6，9，12, 18，24，36，48，54Mbps等速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。 家庭無(wú)線射頻技術(shù)(HomeRF)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是由Proxim、西門(mén)子、摩托羅拉、康柏電腦等技術(shù)巨頭于1998年發(fā)起組建的HomeRF工作組負(fù)責(zé)研發(fā)的，其研發(fā)初衷旨在為家庭無(wú)線聯(lián)網(wǎng)提供一種組網(wǎng)方便、易用、成本低廉的通用性標(biāo)準(zhǔn)。它汲取了IEEE 802:11等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低話(huà)音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀荆商峁?-2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，新的HomeRF 2.x標(biāo)準(zhǔn)的最高數(shù)據(jù)傳輸帶寬可以達(dá)到1 0Mbps，該技術(shù)的工作頻率為2.4GHz，可以連接127個(gè)設(shè)備。 無(wú)線射頻技術(shù)(RFID: Radio Frequency

24、 Identification)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。最簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、閱讀器和天線(Antenna ) 3部分組成，在實(shí)際應(yīng)用中還需要硬件和軟件的支持。標(biāo)簽可以按照電源類(lèi)別不同別分為三個(gè)主要類(lèi)別，（i）主動(dòng)標(biāo)簽，（ii）半被動(dòng)標(biāo)簽和（iii）被動(dòng)標(biāo)簽。主動(dòng)標(biāo)簽用以回應(yīng)閱讀器詢(xún)問(wèn)時(shí)，使用內(nèi)置電池進(jìn)行操作和信號(hào)傳輸。 為了更加直觀表述和比較這幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能，下面通過(guò)表1.1來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。 ZigBee技術(shù)與其他幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)在通信距離、傳輸速率上的差別。表1.1為幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能比較。從中，我們不難看出，無(wú)論是ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Ho

25、meRF技術(shù)、紅外技術(shù)、超寬帶技術(shù)還是IEEE 802.11技術(shù)以及RFID技術(shù)，它們都具有各自的特點(diǎn)以適用不同的應(yīng)用場(chǎng)合的應(yīng)用，它們之間存在著相互競(jìng)爭(zhēng)、且有相互補(bǔ)充，誰(shuí)也不能完全替代另外一種。 表1.1幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能比較 規(guī)范 工作頻率 傳輸速率（Mbps） 最大功耗 連接設(shè)備數(shù) 安全措施 主要用途 ZigBee 868/915 MHz 2.4GHz 0.02,0.04,0.25 1~3mW 216～264 32，64，128位密鑰 家庭、控制、傳感器網(wǎng)絡(luò) 紅外 850mm 1.521,4,16 數(shù)mW 2 靠短距離、小角度傳輸保證

26、安全 透明可見(jiàn)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸、近距離遙控 HomeRF 2.4GHz 1,2 100mW 127 50次/秒跳頻 家庭無(wú)線局域網(wǎng) 藍(lán)牙 2.4GHz 1,2,3 1～100mW 7 1600次/秒跳頻，128位密鑰 個(gè)人網(wǎng)絡(luò) 802.11a 2.4GHz 11 100mW 255 WEP加密 無(wú)線局域網(wǎng) 802.11b 5.2GHz 6,9,12,18,24,36 100mW 255 WEP加密 無(wú)線局域網(wǎng) 802.11g 2.4GHz 54 100mW 255 WEP加密 無(wú)線局域網(wǎng) RFID 5.8GHz 0.2

27、12 不需供電 2 密鑰 超市、物流管理 1.4ZigBee技術(shù)概述 Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。 這一名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂的舞蹈，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式形成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層采用了IEEE802.15.4(無(wú)線個(gè)人區(qū)域

28、網(wǎng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行了制定[4]。 根據(jù)ZigBee之技術(shù)本質(zhì)，ZigBee具有下列之特性： 功耗低：工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。設(shè)備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如：電池種類(lèi)

29、、容量和應(yīng)用場(chǎng)合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間（工作時(shí)間+休眠時(shí)間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò)10年。 數(shù)據(jù)傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層（MAC層）采用talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒(méi)有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)

30、爭(zhēng)和沖突。同時(shí)ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（RFD）。對(duì)全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數(shù)。而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通話(huà)，可以按3種方式工作，分別為：個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話(huà)，僅用于非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用。一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，其中

31、一個(gè)是主控（Master）設(shè)備，其余則是從屬（Slave）設(shè)備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過(guò)64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)Network Coordinator可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。 兼容性：ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)（CSMA-CA）方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。 安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)

32、實(shí)際是無(wú)安全方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來(lái)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來(lái)防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對(duì)稱(chēng)密碼。AES可以用來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。 實(shí)現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee協(xié)議免專(zhuān)利費(fèi)用。目前低速低功率的UWB芯片組的價(jià)格至少為20美元。而ZigBee的價(jià)格目標(biāo)僅為幾美分。 1.5本文工作 本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種基于Z

33、igBee無(wú)線通信技術(shù)的光照和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照和溫度情況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，方便供暖部門(mén)的管理與檢修。 本文的主要工作如下： 1.分析IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議，理解ZigBee技術(shù)的特性和通信原理。研究 TI公司的ZigBee協(xié)議棧及其具體實(shí)現(xiàn)方式，并能初步應(yīng)用協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)具體功能。 2..測(cè)光照軟件的編寫(xiě)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，能完成預(yù)期設(shè)定的功能并能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。 本文的結(jié)構(gòu)大致分為三部分:第一部分為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的介紹以及對(duì)ZigBee技術(shù)、協(xié)議棧的介紹，包括第一章，第二章;第二部分為硬件和軟件的具體實(shí)現(xiàn)以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，包括第三章，第四章;第三部分為總結(jié)，

34、對(duì)本論文的工作做簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)。 第一章:緒論。該章介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念以及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，然后對(duì)包括ZigBee技術(shù)在內(nèi)的幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)做了大體介紹和比較，最后對(duì)本文的工作做了提綱性的簡(jiǎn)介。 第二章:ZigBee協(xié)議及其應(yīng)用。本文從ZigBee協(xié)議的大體介紹到ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)架的分析，并對(duì)ZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍做了具體的闡述。主要內(nèi)容包括ZigBee協(xié)議、ZigBee協(xié)議棧API、數(shù)據(jù)傳輸方式以及地址分配機(jī)制和路由算法等。 第三章：無(wú)線光照信息采集系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。該章首先對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)做了介紹，然后就硬件的設(shè)計(jì)做了具體的闡述。主要包括節(jié)點(diǎn)硬件的組成與設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

35、 第四章：無(wú)線光照信息采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該章首先對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的軟件結(jié)構(gòu)及協(xié)議棧做了介紹，然后就軟件設(shè)計(jì)方面做了具體的闡述。主要包括節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的通信等相關(guān)內(nèi)容。 第五章:總結(jié)。該章對(duì)本文所完成的任務(wù)做了總結(jié)，指出了本文所取得的成果并提出了今后的需要做的工作和下一步研究的方向。 2 ZigBee協(xié)議及其應(yīng)用 ZigBee協(xié)議物理層和MAC層是基于IEEE802.15.4無(wú)線通訊協(xié)議[14]。ZigBee規(guī)范是由半導(dǎo)體廠商、技術(shù)供應(yīng)商和其他公司組成的一家非營(yíng)利工業(yè)協(xié)會(huì)，即ZigBee聯(lián)盟。ZigBee規(guī)范致力于利用IEEE802.15.4所提供的特性，ZigBe

36、e適用于低速率、低功耗的應(yīng)用環(huán)境。下圖是ZigBee協(xié)議棧的概述圖: Application Framework 應(yīng)用層（AF） Application Support Sublayer 應(yīng)用支持層（APS） Network Layer 網(wǎng)絡(luò)層（NWK） IEEE 802.15.4 數(shù)據(jù)鏈路層（MAC層） IEEE 802.15.4 Physical Layer 物理層（PHY） 圖2.1 ZigBee協(xié)議棧概述圖 2.1 IEEE802.15.4技術(shù)簡(jiǎn)述 當(dāng)前的IEEE802.15.4定義兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz的物理層和868/915MHz的物理層。

37、它們都基于DSSS，使用相同物理數(shù)據(jù)包格式。標(biāo)準(zhǔn)與常見(jiàn)的無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)802.n不同，它要關(guān)注低速率、低功耗的應(yīng)用。 IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_(kāi)放系統(tǒng)互連模型(OSI)，每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向更高層提供服務(wù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了PHY層和MACA。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。 2.1.1物理層(PHY) IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層和868/915MHz物理層兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，它們都采用了 DSSS(DireetSequeneeSpreadSpectnJI

38、n，直接序列擴(kuò)頻)。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的IsM頻段，有助于設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)[15]。 物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下六方面的功能: (1)激活和休眠射頻收發(fā)器; (2)信道能量檢測(cè) (energydeteet); (3)檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(link alityindieation，LQI); (4)空閑信道評(píng)估(clear channel hannelassessment，CCA); (5)信道頻率的選擇 (6)收發(fā)數(shù)據(jù)。 PD-SAP 數(shù)據(jù)訪問(wèn)點(diǎn) PL

39、ME-SAP 管理訪問(wèn)點(diǎn) 物理層管理實(shí)體 PHYPIB 物理層 RF-SAP 圖2.2物理層參考模型 PD-SAP支持兩個(gè)對(duì)等的MAC層實(shí)體之間傳輸MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）。PD-SAP支持的原語(yǔ)一共有三種：PD-DATA.request 、PD-DATA.confirm 和PD-DATA.indication。 （1）PD-DATA.request原語(yǔ)由MAC層發(fā)送給本地物理層，請(qǐng)求發(fā)送MPDU（即物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU））。物理

40、層收到PD-DATA.request原語(yǔ)之后，如果設(shè)備處于發(fā)射使能狀態(tài)（TX_ON），則物理層先把請(qǐng)求原語(yǔ)提供的PSDU封裝成物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU），然后開(kāi)始發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，物理層就向MAC層發(fā)出狀態(tài)為SUCCESS的證實(shí)原語(yǔ)PD-DATA.confirm。如果設(shè)備處于接收使能狀態(tài)（RX_ON）或者處于發(fā)送關(guān)閉狀態(tài)（TRX_OFF），則物理層向MAC層發(fā)送狀態(tài)為RX_ON或TRX_OFF的證實(shí)原語(yǔ)PD-DATA.confirm。 （2）PD-DATA.confirm原語(yǔ)由物理層發(fā)送給MAC層，作為對(duì)PD-DATA.request原語(yǔ)的響應(yīng)。 （3）PD-DATA.indica

41、tion原語(yǔ)指示一個(gè)MPDU從物理層傳送到本地MAC層實(shí)體。此原語(yǔ)由物理層產(chǎn)生并發(fā)送給MAC層以提交接收到的PSDU。如果接收到的psduLength字段為0或者大于內(nèi)部常數(shù)aMaxPHYPacketSize，則物理層不產(chǎn)生原語(yǔ)服務(wù)。 2.1.2數(shù)據(jù)鏈路層(MAC) MAC層提供特定的服務(wù)匯聚子層（SSCS）和物理層之間的接口。從概念上說(shuō)，MAC層還包括MAC層管理實(shí)體（MLME）,以提供調(diào)用MAC層管理功能服務(wù)接口；同時(shí)，MLME還負(fù)責(zé)維護(hù)MAC PAN信息庫(kù)MAC層參考模型如圖2.2。 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)服務(wù)包括: (1)信標(biāo)同步; (2)使用CSMA/CA信道訪問(wèn)機(jī)制; (3

42、)支持時(shí)槽保證(guaranteedtimeslot，GTS)機(jī)制 (4)支持MAC層實(shí)體之間可靠傳輸。 (5)為協(xié)調(diào)器設(shè)備產(chǎn)生信標(biāo)幀; (6)支持PAN的關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián)的操作; (7)支持設(shè)備無(wú)線通信信道安全; MLME-SAP MCPS-SAP PD-SAP PLME-SAP MAC PIB MAC公共部分子層(MCPS) MAC層管理實(shí)體（MLME） 圖2.2 MAC層的參考模型 2.2 ZigBee協(xié)議 2.2.1ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 在物理層 (physiealLayer:PHY)方面，802.15.4之工作頻率分為2.4GHz、868MHz /91

43、5MHz三種，分別提供250Kbps、40Kbps和20Kbps之傳輸速率。這些頻段因是免費(fèi)開(kāi)放使用，故已有多種無(wú)線通訊技術(shù)使用，因此ZigBee為避免被干擾，故在各個(gè)頻段皆是采用直接序列展頻(DSSS)技術(shù)。 2.2.2ZigBee協(xié)議棧 ZigBee協(xié)議棧同開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSIRM)一樣采用分層模型，具體分層情況見(jiàn)圖2.3。最低兩層是由 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義，其他層則是有ZigBee聯(lián)盟所定義： 圖2.3Zigbee協(xié)議棧參考模型 1)物理層(Physical Layer, PHY)是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義的最低

44、層[3]。它包括兩個(gè)物理子層。物理層的職責(zé)包括：信道的能量檢測(cè)；接入鏈路服務(wù)質(zhì)量信息評(píng)估;信道接入；信道頻率選擇與數(shù)據(jù)傳輸和接收等。 2).數(shù)據(jù)鏈路層(Medium Access Control Layer, MAC)是由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義[3]。MAC層的職責(zé)包括：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；與信標(biāo)同步；支持個(gè)域網(wǎng)( PAN)鏈路的建立與斷開(kāi)；為設(shè)備的安全性提供支持;信道接入方式采用免沖突，載波檢測(cè)多址接入(CSMA/CA)機(jī)制；處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS )機(jī)制;在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路等。 3)網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer, NWK)是由Z

45、igBee聯(lián)盟所定義，主要完成從應(yīng)用層接受數(shù)據(jù)并向其發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層的職責(zé)包括：配置一個(gè)新設(shè)備；NLME可以依據(jù)應(yīng)用操作的要求來(lái)完全的配置棧。開(kāi)始一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；加入或離開(kāi)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；分配地址；臨近表發(fā)現(xiàn)；路由發(fā)現(xiàn)；接收控制。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是提供IEEE802.15.4 MAC子層的正確操作，并通過(guò)SAP(服務(wù)接入點(diǎn))為應(yīng)用層提供相應(yīng)的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層進(jìn)行交互，網(wǎng)絡(luò)層在概念上包含有兩種具備所需功能的服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)實(shí)體（LDE）主要是通過(guò)其相應(yīng)的SAP(即NLDE- SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體（LME）則主要通過(guò)NLME- SAP來(lái)提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制度。 4)

46、應(yīng)用層(Application Layer, APL)包括應(yīng)用支持層（APS）、zigbee設(shè)備對(duì)象（ZDO）、zigbee應(yīng)用框架(AF)、zigbee設(shè)備模板和制造的定義。應(yīng)用層是ZigBee協(xié)議棧的最高層。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言，應(yīng)用層包括以下幾點(diǎn)功能：應(yīng)用維持器件的功能屬性;用應(yīng)用層發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作；應(yīng)用層根據(jù)服務(wù)和需求來(lái)使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信；應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶(hù)開(kāi)發(fā)。 (1)應(yīng)用支持層(Application Support Layer, APS )提供兩個(gè)接口:應(yīng)用支持層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(APS Manage

47、ment Entity Service Access Point ,APSME-SAP)和應(yīng)用支持層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(APS Data Entity Service Access Point, APSDE-SAP )。前者用于實(shí)現(xiàn)安全性并通過(guò)協(xié)調(diào)器的ZDO來(lái)接受應(yīng)用層的信息，后者通過(guò)應(yīng)用對(duì)象和ZDO來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)[17]。 (2)ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBee Device Object, ZDO)提供應(yīng)用對(duì)象模板和APS之間接口。另外，ZDO還回復(fù)其它設(shè)備關(guān)于詢(xún)問(wèn)自身信息的請(qǐng)求。ZDO使用APSDE-SAP和NLME-SAP來(lái)支持這些功能[17]。而同時(shí)ZDO可實(shí)現(xiàn)初始化APS、NW

48、K和安全服務(wù)特性，根據(jù)端點(diǎn)應(yīng)用配置信息，以確定實(shí)現(xiàn)安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理和綁定管理。 (3)應(yīng)用對(duì)象.( Application Obj ect )是實(shí)際在ZigBee協(xié)議棧上運(yùn)行的廠商應(yīng)用[17]。 另外在上述分層結(jié)構(gòu)中，一個(gè)安全服務(wù)提供者是可選的并供網(wǎng)路層和應(yīng)用層所使用?；贗EEE 802.15.4對(duì)設(shè)備的分類(lèi)，ZigBee協(xié)議對(duì)設(shè)備也做了更細(xì)的分類(lèi)，具體分類(lèi)見(jiàn)表2.2 [18] 表2.2 ZigBee協(xié)議設(shè)備類(lèi)型 ZigBee協(xié)議設(shè)備類(lèi)型 IEEE設(shè)備類(lèi)型 功能 協(xié)調(diào)器（Coordinater） FFD 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)協(xié)調(diào)器，用于組網(wǎng)，分配網(wǎng)絡(luò)地址，存儲(chǔ)綁定表 路

49、由器（Router） FFD 可選。用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的物理地址。允許更多節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，也可以提供監(jiān)視和控制功能 終端（End） FFD或RFD 執(zhí)行監(jiān)視和控制功能 2.3ZigBee協(xié)議棧API 典型的應(yīng)用程序總是使用應(yīng)用層(APL)和應(yīng)用支持層(APS)的API。下面就這兩層API（應(yīng)用編程接口）中重要的一部分作下介紹。 2.3.1應(yīng)用層(APL)API 應(yīng)用支持子層為上層實(shí)體（NHLE）與網(wǎng)絡(luò)層提供了一個(gè)接口。APS層理論上包含一個(gè)管 理實(shí)體稱(chēng)為APS層， 管理實(shí)體 （APSME） 。 這個(gè)實(shí)體通過(guò)調(diào)用子層的管理函數(shù)來(lái)提供服務(wù)接口。 APSME還負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)關(guān)于APS子層

50、管理實(shí)體的數(shù)據(jù)庫(kù)。 這是一個(gè)關(guān)于APS子層信息庫(kù) （AIB） 的數(shù)據(jù)庫(kù).圖2.4描述了APS子層的構(gòu)成和接口。 APS子層通過(guò)兩個(gè)服務(wù)指針（SAPs）提供兩種服務(wù)。APS數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)APS子層數(shù)據(jù)實(shí)體 服務(wù)指針SAP（APSDE-SAP） ，APS管理服務(wù)通過(guò)APS則層管理實(shí)體服務(wù)指針 圖2.4應(yīng)用層參考模型 SAP(APSME-SAP). 這兩個(gè)服務(wù)通過(guò)NLDE-SAP和NLME-SAP 接口 (見(jiàn)3.2小節(jié))提供了NHLE和網(wǎng)絡(luò)層之間的接口。 網(wǎng)絡(luò)層和APS子層之間的NLME-SAP接口只支持NLME-GET 和 NLME-SET原

51、語(yǔ)，其他的NLME-SAP 原語(yǔ)只可以通過(guò)ZDO實(shí)現(xiàn)。除了這些外部接口以外，在APSME和APSDE之間還有 一個(gè)內(nèi)部的接口，支持APSME使用APS數(shù)據(jù)服務(wù)。 2.3.2應(yīng)用支持層(APS)API APS提供了這樣的接口：在NWK層和APL層之間，從ZDO到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)：APS數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）和APS管理實(shí)體（APSME）。 (1)APSDE通過(guò)APSDE服務(wù)接入點(diǎn)(APSDE-SAP)； (2)APSME通過(guò)APSME服務(wù)接入點(diǎn)（APSME-SAP）。 APSDE提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或者更多的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)

52、據(jù)通信。 APSME提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，這些服務(wù)包含安全服務(wù)和綁定設(shè)備，并維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。 APS子層通過(guò)兩個(gè)服務(wù)指針（SAPs）提供兩種服務(wù)。APS數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)APS子層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)指針SAP（APSDE-SAP），APS管理服務(wù)通過(guò)APS則層管理實(shí)體服務(wù)指針SAP(APSME-SAP).這兩個(gè)服務(wù)通過(guò)NLDE-SAP和NLME-SAP 接口 提供了NHLE和網(wǎng)絡(luò)層之間的接口。網(wǎng)絡(luò)層和APS子層之間的NLME-SAP接口只支持NLME-GET 和 NLME-SET原語(yǔ)，其他的NLME-SAP原語(yǔ)只可以通過(guò)ZDO實(shí)現(xiàn)。除了這些外部接口以外，在APSME和APSDE之間還有一個(gè)內(nèi)部

53、的接口，支持APSME使用APS數(shù)據(jù)服務(wù) 2.4原語(yǔ)的基本概念 在ZigBee設(shè)備工作時(shí)，各種不同的任務(wù)在不同層次上執(zhí)行，通過(guò)層的服務(wù)，完成所要執(zhí)行的任務(wù)。每一層的服務(wù)主要完成兩種功能:根據(jù)它的下層服務(wù)要求，為上層提供相應(yīng)的服務(wù);另一種是根據(jù)上層的服務(wù)要求，對(duì)它的下層提供相應(yīng)的服務(wù)。各項(xiàng)服務(wù)通過(guò)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2.3描述了一個(gè)具有N個(gè)用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)對(duì)等用戶(hù)以及它們與M層對(duì)等協(xié)議實(shí)體建立連接的服務(wù)原語(yǔ)。 原語(yǔ)分為以下4種類(lèi)型: (1) Request:請(qǐng)求原語(yǔ)是從第S用戶(hù)發(fā)送到它的第M 層，請(qǐng)求開(kāi)始對(duì)設(shè)備服務(wù)。 (2)Indication:指示原語(yǔ)

54、是從第S;用戶(hù)的第M層向第N:用戶(hù)發(fā)送，指示對(duì)于第N:用戶(hù)有重要意義的內(nèi)部M層的事件。 (3) Response:響應(yīng)原語(yǔ)是從第N用戶(hù)向它的第M層發(fā)送，用來(lái)表示對(duì)用戶(hù)原語(yǔ)調(diào)用過(guò)程的響應(yīng)。 (4)Confirm:確認(rèn)原語(yǔ)是從第M層向第S用戶(hù)發(fā)送，用來(lái) 傳送服務(wù)請(qǐng)求原語(yǔ)的執(zhí)行結(jié)果。 2.5網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有以下不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀[4]。其中最簡(jiǎn)單的是星型結(jié)構(gòu)，如圖2.4(a)所示。它由協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，終端節(jié)點(diǎn)分布在其的覆蓋范圍之內(nèi)。一般用于設(shè)備數(shù)量較小、物理范圍較小的場(chǎng)合。樹(shù)形網(wǎng)由若干個(gè)協(xié)調(diào)器和節(jié)

55、點(diǎn)構(gòu)成如圖2.4（b）具有較高的可靠性和較低的功耗。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)如圖2.4(c)所示，其中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為協(xié)調(diào)器或者是路由器，具有很高的可靠性。 2.5.1網(wǎng)絡(luò)層概況 圖2.5 網(wǎng)絡(luò)層參考模型 在邏輯上網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部由兩部分組成分別是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME） 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）可提供數(shù)據(jù)服務(wù)以允許一個(gè)應(yīng)用在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間來(lái)傳輸應(yīng)用協(xié)議，這些設(shè)設(shè)備必須在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。NLDE可提供一下服務(wù)類(lèi)型(1)通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元NPDU（2）特定的拓?fù)渎酚? 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)提供一個(gè)管理服務(wù)來(lái)允許一個(gè)應(yīng)用和棧相連

56、接。提供服務(wù)如下：（1）配置一個(gè)新設(shè)備（2）開(kāi)始一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（3）加入或離開(kāi)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（4）分配地址（5）臨近表發(fā)現(xiàn)（6）路由表發(fā)現(xiàn)（7）接收控制 2.6數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳送的基本上都是短消息(Message )。信息的格式包括幀頭、數(shù)據(jù)內(nèi)容、幀尾，數(shù)據(jù)內(nèi)容的格式目前有兩種，一種是KVP，另外是MSG。 2.6.1KVP格式 KVP:是ZigBee規(guī)范定義的一種特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，通過(guò)規(guī)定來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容，主要用于傳輸簡(jiǎn)單的變量值格式信息。 KVP是通過(guò)應(yīng)用支持層的APSDE_DATA request原語(yǔ)發(fā)送并通過(guò)APSDE DATA- indicatio

57、n來(lái)接收數(shù)據(jù)。表2.3為通用KVP命令幀格式。 表2.3 通用KVP命令幀格式 Bits：4 4 16 0/8 可變 命令類(lèi)型 屬性數(shù)據(jù)類(lèi)型 屬性標(biāo)識(shí)符 錯(cuò)誤代碼 數(shù)據(jù) 1. KVP命令類(lèi)型字段 由4位二進(jìn)制組成命令類(lèi)型字段，同時(shí)標(biāo)識(shí)了命令的類(lèi)型。該字段應(yīng)該填入表4中除保留值之外的其他值。如果消息(Messages)是通過(guò)協(xié)調(diào)器非直傳的話(huà)，命令類(lèi)型字段只能填Set或Get，即0001或0010. 2).屬性數(shù)據(jù)類(lèi)型字段 由4位二進(jìn)制組成屬性數(shù)據(jù)類(lèi)型的字段，標(biāo)識(shí)了屬性數(shù)據(jù)字段中數(shù)據(jù)的類(lèi)型。屬性數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度是在屬性數(shù)據(jù)字段的第一個(gè)字節(jié)中指定出來(lái)或從數(shù)據(jù)類(lèi)型中推算

58、出來(lái)。 3).屬性標(biāo)識(shí)符字段 由16位二進(jìn)制組成了屬性標(biāo)識(shí)符字段，標(biāo)識(shí)了命令要執(zhí)行的目標(biāo)設(shè)備的屬性。該字段的值在相關(guān)設(shè)備描述中定義。 4).屬性數(shù)據(jù)字段 屬性數(shù)據(jù)字段是變長(zhǎng)的，包含在屬性標(biāo)識(shí)符字段中所提及的屬性的信息。該字段取決于屬性的數(shù)據(jù)類(lèi)型、設(shè)備的描述、特定的命令。如果該字段的長(zhǎng)度沒(méi)有直接在屬性數(shù)據(jù)類(lèi)型中定義，那么整個(gè)命令幀的長(zhǎng)度不能大于maxCommandSize的大小，除非發(fā)送方和接受方都支持分段傳輸。 2.6.2MSG格式 MSG：是ZigBee規(guī)范定義的一類(lèi)特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，用于專(zhuān)用的數(shù)據(jù)流或文件數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量較大的傳輸機(jī)制。MSG是通過(guò)應(yīng)用支持層的APSDE DATA

59、 request原語(yǔ)發(fā)送并通過(guò)APSDE DATA indication來(lái)接收的。MSG事務(wù)不顯式的支持應(yīng)用層的確認(rèn)或者是命令的聚合，但是它可以自由 地組合幀來(lái)傳遞那些在具體應(yīng)用中定義的消息。 表2.6 MSG幀格式 Bits：8 可變 事務(wù)長(zhǎng)度 事務(wù)數(shù)據(jù) 1.事務(wù)長(zhǎng)度字段 事務(wù)長(zhǎng)度字段是由8位二進(jìn)制組成的，標(biāo)識(shí)了在接下來(lái)的事務(wù)數(shù)據(jù)字段中字節(jié)的個(gè)數(shù)。 2.事務(wù)長(zhǎng)度字段 事務(wù)數(shù)據(jù)字段是變長(zhǎng)的，且除非發(fā)送方和接受方都支持分段傳輸，長(zhǎng)度是不能大于maxCommandSize的大小。同時(shí)字段包含了那些在具體應(yīng)用中定義的屬性的特定消息內(nèi)容。 2.7地址的分配機(jī)制 Z

60、igBee網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)父類(lèi)節(jié)點(diǎn)提供一塊可用的地址范圍，這些地址是在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中唯一存在的，父類(lèi)節(jié)點(diǎn)再把可用地址范圍里向下級(jí)子節(jié)點(diǎn)分配。協(xié)調(diào)器決定了每個(gè)父類(lèi)可以攜帶的子節(jié)點(diǎn)最多數(shù)，這些子節(jié)點(diǎn)包括最大個(gè)數(shù)個(gè)可路由節(jié)點(diǎn)和剩余的不可路由的子節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有depth屬性，是指當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到達(dá)協(xié)調(diào)器的最小跳數(shù)。 通過(guò)父類(lèi)節(jié)點(diǎn)所擁有的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)，nwkMaxChildren (Cm)，網(wǎng)絡(luò)的最大深度，nwkMaxDepth (Lm)和父類(lèi)節(jié)點(diǎn)所擁有的最大路由節(jié)點(diǎn)數(shù)nwkMaxRouters (Rm)，就可以通過(guò)公式計(jì)算出父類(lèi)節(jié)點(diǎn)所能分配給子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址子塊，公式如下： （2-1） 如果有設(shè)備的

61、Cskip(d)值為0，那么這個(gè)設(shè)備就是終端節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)己經(jīng)沒(méi)有可用地址塊再往下分了，這時(shí)就不讓這個(gè)節(jié)點(diǎn)允許其他節(jié)點(diǎn)在加入自己。如果Cskip(d)值大于0，則父類(lèi)節(jié)點(diǎn)就會(huì)允許其他節(jié)點(diǎn)加入自己，成為自己的子節(jié)點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)子節(jié)點(diǎn)具備的路由功能為其分配短地址。父類(lèi)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該以Cskip(d)作為偏移量，以自己擁有的短地址為基準(zhǔn)，分配給其具有路由功能的子節(jié)點(diǎn)。對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)，父類(lèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)下面公式來(lái)分配地址: (2.2) 下面給出一個(gè)例子，{nwkMaxChildren為4；nwkMaxRouters為3 ；nwkMaxDepth為3}計(jì)算Cskip(d

62、)值如下表所示: 表2.8網(wǎng)絡(luò)每個(gè)深度下的偏移量 網(wǎng)絡(luò)的深度d 偏移量Cskip（d） 0 16 1 5 2 1 3 0 2.8路由花費(fèi)和路由算法 2.8.1路由花費(fèi) ZigBee把比較路由路徑的開(kāi)銷(xiāo)作為用于路由發(fā)現(xiàn)和維持的算法。當(dāng)計(jì)算路徑開(kāi)銷(xiāo)時(shí)，ZigBee會(huì)計(jì)算路徑上的每一段鏈接的成本，并取得所有成本之和來(lái)作為最終該路徑的開(kāi)銷(xiāo)。例：定義一條長(zhǎng)度位L的路徑P, 為路徑P的表示，而表示P中的每一段鏈路，則路徑P的開(kāi)銷(xiāo): (2.3) 其中，C{[D;幾十，]}表示每一段鏈路的成本。而鏈路l的成本C{l}定義如下:

63、 (2.4) 當(dāng)定義了數(shù)據(jù)包在鏈路1上傳遞的可能性Pr時(shí)，C{l}采用下面的計(jì)算公式，不然為7，如果定義了數(shù)據(jù)包在鏈路1上傳遞的可能性Pr，則可能性的倒數(shù)會(huì)影響在該鏈路上期待要通過(guò)數(shù)據(jù)包的數(shù)目。反之，則鏈路的成本為7。 2.8.2路由算法 路由是指路由器從一個(gè)接口上收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址進(jìn)行定向并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)接口的過(guò)程。路由通常與橋接來(lái)對(duì)比，在粗心的人看來(lái)，它們似乎完成的是同樣的事。它們的主要區(qū)別在于橋接發(fā)生在OSI參考模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），而路由發(fā)生在第三層（網(wǎng)絡(luò)層）。這一區(qū)別使二者在傳遞信息的過(guò)程中使用不同的信息，從而以不同的方式來(lái)完成其

64、任務(wù)。 　　路由的話(huà)題早已在計(jì)算機(jī)界出現(xiàn)，但直到八十年代中期才獲得商業(yè)成功。究其主要原因是七十年代的網(wǎng)絡(luò)普遍很簡(jiǎn)單，發(fā)展到后來(lái)大型的網(wǎng)絡(luò)才較為普遍。 　　工程術(shù)語(yǔ)。指道路情況，包括道路寬度、深度、方向等信息。 從低層傳上來(lái)數(shù)據(jù)幀，假如目的地址是廣播地址，那么網(wǎng)絡(luò)層就應(yīng)該將這個(gè)幀廣播出去并且將幀傳向更高層。如果不需要廣播，網(wǎng)絡(luò)層就應(yīng)該判斷幀的目的地址是否為自己的邏輯地址相符[27]。（1）相符，網(wǎng)絡(luò)層將幀傳向高層去處理。(2)不相符，處理過(guò)程就同接收高層傳下來(lái)幀的情況相同。 樹(shù)型路由機(jī)制包括配置樹(shù)型地址和樹(shù)型地址的路由。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，它將給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址0，網(wǎng)絡(luò)深

65、度Depth0=0。如果節(jié)點(diǎn)（i）想要加入網(wǎng)絡(luò)，并且與節(jié)點(diǎn)（k）連接，那么節(jié)點(diǎn)（k）將稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)（i）的父節(jié)點(diǎn)。根據(jù)自身的地址Ak和網(wǎng)絡(luò)深度Depthk，節(jié)點(diǎn)（k）將為節(jié)點(diǎn)（i）分配網(wǎng)絡(luò)地址Ai和網(wǎng)絡(luò)深度Depthi=Depthk+1。網(wǎng)絡(luò)深度表示只是采用父子關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)傳送幀傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器所傳遞的最小跳數(shù)。ZigBee協(xié)調(diào)器自身深度為0，其子設(shè)備深度為1。 圖2為ZigBee樹(shù)型結(jié)構(gòu)。參數(shù)nwkMaxChildren(Cm)表示路由器或協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中允許擁有子設(shè)備數(shù)量的最大值。參數(shù)nwkMaxRouters(Rm)表示子節(jié)點(diǎn)中路由器的最大個(gè)數(shù)，而剩下的設(shè)備數(shù)為終端設(shè)備數(shù)。

66、 一個(gè)新的RFD節(jié)點(diǎn)（i），它沒(méi)有路由能力，它與協(xié)調(diào)器連接作為協(xié)調(diào)器的第n個(gè)子節(jié)點(diǎn)。根據(jù)它的深度d，父節(jié)點(diǎn)（k）將為子節(jié)點(diǎn)（i）分配網(wǎng)絡(luò)地址： Ai=Ak+Cskip（d）Rm+n 其中1≤n≤（Cm-Rm） (式 1) 如果是新的子節(jié)點(diǎn)FFD，它有路由能力，父節(jié)點(diǎn)（k）將給它分配網(wǎng)絡(luò)地址： Ai=Ak+1+Cskip（d）（n-1） (式 2) 其中， (式 3) 否則，參數(shù)nwkMaxDepth (Lm)表示網(wǎng)絡(luò)的最大深度。 例如 路由器向網(wǎng)絡(luò)地址為D的目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，路由器的網(wǎng)絡(luò)地址為A，網(wǎng)絡(luò)深度為M。路由器將通過(guò)表達(dá)式： A ＜ D＜ A + Cskip( M-1 ) (式 4) 判斷該目的節(jié)點(diǎn)是否為自己的子節(jié)點(diǎn)。如果目的節(jié)點(diǎn)是自己的子節(jié)點(diǎn)，則下一跳節(jié)點(diǎn)的地址為： (式 5) 否則，下一跳節(jié)點(diǎn)是該路由器的父節(jié)點(diǎn)。 路由選擇 (1)ZDO_NetworkFormationConfirmCB()：協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的回調(diào)函(2)ZDO_Star