基于zigbee的溫濕度傳感器設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計.doc

寧夏大學新華學院 本科畢業(yè)設(shè)計（2015屆）題目 基于zigbee的溫濕度傳感器設(shè)計 系 別 信息與計算機科學系 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年 級 2011級 學生學號 12011247112 學生姓名 劉培新 指導教師 劉大銘 2015 年 4月 23 日寧夏大學新華學院本科學位論文摘 要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，wsn）是由大量無處不在的，具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。大量傳感器節(jié)點通過相互之間的分工協(xié)作，可實時感知、監(jiān)測和采集分布區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測對象或周圍環(huán)境的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，它的應(yīng)用也越來越廣泛,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被要求有更小功耗，更低成本，以及更方便使用的性能，在這種情況下，zigbee技術(shù)應(yīng)運而生。zigbee技術(shù)是一種短距離無線雙向通信技術(shù)，該技術(shù)擁有協(xié)議簡單、功耗低、組網(wǎng)能力強、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全、可靠及成本低等優(yōu)點，具有路徑選擇、自動連結(jié)網(wǎng)絡(luò)及自我恢復等功能。預計將在消費類電子設(shè)備、家庭智能化、工控、醫(yī)用設(shè)備控制、農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識和研究現(xiàn)狀；然后深入分析了zigbee協(xié)議，給出了各層的功能；之后，設(shè)計了zigbee節(jié)點模塊和溫濕度傳感模塊，并在此硬件基礎(chǔ)上設(shè)計了具有基本功能的zigbee協(xié)議棧，同時提出了一種基于zigbee的組網(wǎng)算法，通過掃描信道、建立網(wǎng)絡(luò)和建立節(jié)點間的關(guān)聯(lián)三個步驟構(gòu)建了一個簡單的網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)了無線傳感器組網(wǎng)功能；在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計一個小型的溫度濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；最后，對論文進行總結(jié)，提出今后的研究工作方向。關(guān)鍵字：zigbee；溫濕度傳感器；無線通信；無線溫濕度傳感器系統(tǒng)abstractwireless sensor networks (wireless sensor network, wsn) is composed of a large number of ubiquitous，tiny sensor nodes have the ability to communicate with the intensive computing laid in the monitored area unattended constituted able to complete the assigned tasks independently according to the environment smart autonomy and control network system. a large number of sensor nodes through the division of labor between them, real-time sensing, monitoring and gathering information on the distribution area of the object or the surrounding environment. wireless sensor networks and traditional networks have distinct technical requirements , the former data-centric , the latter for the purpose of transferring data . with the gradual development of sensor network technology, its applications are increasingly widespread , wireless sensor networks are also required to have a smaller power consumption, cost, and performance is more convenient to use, in this case , zigbee technology to be shipped born.zigbee technology is a short -range wireless two-way communication technology that has the protocol is simple , low power consumption, strong networking capabilities, network capacity, time is short , safe, reliable and low cost, with a path selection, automatic link networks and self-recovery capabilities. it is expected to be widely used in consumer electronic devices, intelligent home , industrial , medical equipment control , automation , and other fields of agriculture.this paper introduces the basic knowledge and research of wireless sensor networks ; and in-depth analysis of the zigbee protocol , given the function of each layer ; then designed zigbee node module temperature and humidity sensor module , and is designed on the basis of this hardware the zigbee protocol stack has the basic functions , while networking algorithm is proposed based on zigbee , by scanning channel , networking and the establishment of three steps associated nodes to build a simple network layer , to achieve a wireless sensor network function ; on this basis, we design a small temperature and humidity monitoring network system ; finally, the paper summarizes the proposed future research directions.key words:zigbee;wireless temperature and humidity seneor system;wireless communica-tion目 錄第1章 緒論11.1 引言11.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀21.2.1 國外現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀21.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點21.4 研究內(nèi)容41.5 論文結(jié)構(gòu)51.6 本章小結(jié)5第2章 zigbee協(xié)議標準介紹62.1 zigbee技術(shù)概述62.1.1 zigbee主要特性62.1.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)62.1.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)工作模式72.2 zigbee協(xié)議架構(gòu)82.2.1 物理層（phy）92.2.2 媒體訪問控制層（mac）102.2.3 網(wǎng)絡(luò)層（nwk）122.2.4 zigbee應(yīng)用層142.3 本章小結(jié)15第3章 zigbee溫濕度傳感器硬件平臺的設(shè)計163.1 硬件設(shè)計163.1.1 cc2530芯片介紹163.1.2 射頻模塊電路193.2 主控電路213.2.1 串口通信電路213.2.2 電源模塊243.2.3 存儲模塊253.4 本章小結(jié)27第4章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計284.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成284.2 進行開發(fā)的軟件介紹284.3 程序流程圖284.4 系統(tǒng)的實現(xiàn)304.4.1 通過初始化、信道掃描等措施建立網(wǎng)絡(luò)304.4.2 傳感器各節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)304.5 本章小結(jié)31第5章 總結(jié)與展望32參考文獻33致謝34附錄3542寧夏大學新華學院本科學位論文第1章 緒論1.1 引言信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應(yīng)用是現(xiàn)代信息科學的六大組成部分，其中信息的獲取是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈上重要的環(huán)節(jié)之一，沒有它就沒有信息的傳輸、處理和應(yīng)用，信息化也成為了無水之源、無本之木。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、微電機系統(tǒng)mems（micro-electro-mechanism system），片上系統(tǒng)soc（system-on-chip）、納米材料、無線通信技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術(shù)從獨立的單一化模式向集成化、微型化，進而向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，成為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的，具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，它是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點密集，數(shù)量巨大且部署在十分廣泛的區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自調(diào)整的特點。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有成本低體積小、能量極其有限、計算能力、存儲能力和通信能力有限的特點，其中節(jié)點的能耗是設(shè)計節(jié)點時考慮的最關(guān)鍵因素。長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從bluetooth(藍牙)出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是bluetooth的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了ieee802.15.4小組，負責制定zigbee的物理層和媒體訪問控制層。ieee802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(250kbps)、工作在2.4ghz和868/928mhz的無線技術(shù)，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是zigbee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。zigbee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)ieee802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高【1】。zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“zigbee”的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。到目前為止，除了invensys、三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有 150 家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導體生產(chǎn)商、ip服務(wù)提供商、消費類電子廠商及oem商等，例如honeywell、eaton和invensys metering systems等工業(yè)控制和家用自動化公司，甚至還有像mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負責開發(fā)zigbee物理和媒體控制層技術(shù)標準的ieee802.15.4工作組。根據(jù)zigbee聯(lián)盟目前的設(shè)想，根據(jù)該標準和技術(shù)生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品主要適用于：智能家居（照明控制、各類窗簾控制、家庭安防、暖氣控制、內(nèi)置家居控制的機頂盒、萬能遙控器）、環(huán)境檢測與控制、自動讀表系統(tǒng)、煙霧傳感器、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)、大型空調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)和樓宇自動化、安全監(jiān)控、工業(yè)控制、傳感器控制、停車計費數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多領(lǐng)域。1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀1.2.1 國外現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人們的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠的影響。各國都非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，美國和歐洲相繼啟動了許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計劃。特別是美國通過國家自然基金委、國防部等多個渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，同時ieee也正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，美國波士頓大學(boston unversity)最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(sensor network consortium)，期望能促進學院和行業(yè)公司之間互相促進傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。除了波士頓大學，該協(xié)會還包括bp、霍尼韋爾、inetco systems invensys、l-3communications、millennial net，radianse、sensicast systems及textron systems。美國的技術(shù)評論雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)?？梢灶A計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀我國現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學院知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一【2】。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的深入，2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中國科學院內(nèi)部的相關(guān)工作，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學所、微電子所、半導體所、電子所、軟件所以及中科大等10多個研究所和院校，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應(yīng)用系統(tǒng)方面取得了很大的進展，2004年3月相關(guān)成果在北京進行了大規(guī)模外場演示，部分成果已在實際工程系統(tǒng)中使用。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱潮。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用方面，涉及城市公共安全、公共衛(wèi)生、安全生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。國內(nèi)從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的大企業(yè)目前為數(shù)不多，小企業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭。1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許許多多功能相同或不相同的無線傳感器節(jié)點組成，每一個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（無線收發(fā)器）和供電模塊（電池、dc/ac能量轉(zhuǎn)換器）等組成；同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境檢測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成及使用決定了它應(yīng)該具備以下多項特點：（1）低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期在無人值守的狀態(tài)下工作，要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的平均能耗比現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)（如bluetooth）中節(jié)點的能耗更低。在一些工業(yè)監(jiān)控應(yīng)用中，裝備紐扣電池的傳感器需要在無人值守的情況下工作幾個月甚至幾年。而在森林火災監(jiān)測等大范圍的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，為大量的傳感器節(jié)點頻繁地更換電池是不現(xiàn)實的。這些典型的應(yīng)用要求在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行的過程中，每個節(jié)點都要最小化自身的能量消耗，獲得最長的工作時間。（2）低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成千上萬的節(jié)點構(gòu)成，單個節(jié)點的價格將極大地影響系統(tǒng)的成本。為了達到降低成本的目的，需要設(shè)計對計算和存儲能力要求較低的簡單的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信協(xié)議。此外，降低系統(tǒng)成本的另一個重要因素是減少系統(tǒng)管理與維護的開銷。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點規(guī)模很大，人工的管理與維護開銷很大，因此需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有自配置、自修復的能力。自配置是指在沒有人工干預的條件下，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點能夠檢測到其它節(jié)點的存在并共同組成一個具有一定功能和結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自修復是指在沒有人為干預的條件下，系統(tǒng)能夠檢測到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或通信鏈路的損壞并能夠從錯誤狀態(tài)中恢復。（3）通用性無線行李標牌、集裝箱定位系統(tǒng)等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用需要系統(tǒng)能夠在世界范圍內(nèi)正常工作。此外，為了擴大生產(chǎn)規(guī)模、開拓市場，一個能在全球范圍內(nèi)正常運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)也是必要的。盡管在理論上，我們可以通過為每個節(jié)點安裝全球定位系統(tǒng)（gps）接收器并根據(jù)地理位置信息來調(diào)整節(jié)點行為的方法解決這一問題，但接收器的成本很高，難以大量使用。因此，需要采用一種被各國政府允許的通用設(shè)計。（4）網(wǎng)絡(luò)拓撲傳統(tǒng)的星形結(jié)構(gòu)包含一個主結(jié)點，一個或多個從節(jié)點。在通信時，主結(jié)點與從節(jié)點可以直接通信，從節(jié)點間的通信需要依靠主節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。星型結(jié)構(gòu)適合在一些小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中使用。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點規(guī)模很大，節(jié)點間以一種對等、多跳的方式通信，系統(tǒng)的動態(tài)性很強。需要設(shè)計一種適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信特點、低開銷、便于維護的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。（5）安全在一些應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的安全是必需的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有嚴格的資源限制，需要設(shè)計低開銷的通信協(xié)議，但同時也會帶來嚴重的安全問題。一方面，入侵者可以比較容易的進行服務(wù)拒絕攻擊（denial of service，dos）；另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源嚴格受限以及節(jié)點間自組織協(xié)調(diào)工作的特點使其難以實現(xiàn)嚴密的安全防護。由于低成本的限制，一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能采用單頻率通信機制【3】。 入侵者通過頻率掃描的手段可以很容易的捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作頻率，通過在網(wǎng)絡(luò)中植入偽裝節(jié)點，采用各種手段發(fā)動攻擊。為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認證、數(shù)據(jù)完整性和新鮮性、認證廣播和安全管理。（6）實時性實時性是需要協(xié)同工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機制。如測量移動車輛速度需要計算不同傳感器檢測事件時間差，通過波束陣列確定聲源位置節(jié)點間的時間同步。目前已提出了多個時間同步機制，其中rbs，tiny/mini-sync和tpsn被認為是三個基本的同步機制。我們在考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步問題時，擬采用tpsn機制。tpsn采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步：所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行邏輯分級，通過基于發(fā)送者-接收者的節(jié)點對方式，每個節(jié)點能夠與上一級的某個節(jié)點進行同步，從而實現(xiàn)所有節(jié)點都與根節(jié)點的時間同步。（7）智能性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過自組織的方式來完成用戶指定的任務(wù)。系統(tǒng)需要感知環(huán)境變化，通過節(jié)點間的協(xié)同工作來產(chǎn)生需要的輸出。由于在工作的過程中無需人為干預，因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點這種根據(jù)感知的信息協(xié)同工作的方式體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的超大規(guī)模、資源嚴格受限和與物理世界密切相關(guān)等特點使其需要一種新的工作模式。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個節(jié)點并不重要，我們關(guān)心的是群體行為。用戶需要知道當前地下室的平均溫度而不是地下室某點的溫度，并且不關(guān)心是哪個節(jié)點傳回的信息，或者他需要知道當前地下室的溫度是否超過了預警值。這些例子都說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)為中心的。由于與物理世界密切相關(guān)，其高出錯頻率、易受干擾和不確定的特點使傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)解決方案無法適用，需要為其設(shè)計新的工作模式【4】。1.4 研究內(nèi)容本文的設(shè)計目標是通過一個協(xié)調(diào)器和若干個路由器和終端節(jié)點,搭建一個蔟型的zigbee網(wǎng)絡(luò)，其中采用的zigbee協(xié)議軟件基于zigbeev1.0與ieee802.15.4標準自行開發(fā)，達到測量環(huán)境溫濕度的要求。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，詳細分析zigbee協(xié)議棧構(gòu)架，并能設(shè)計編寫具有基本組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿膮f(xié)議棧。（2）根據(jù)節(jié)點的物理特性，選擇合適的微處理器和無線傳輸芯片，組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括電路連接，相應(yīng)外圍電路設(shè)計，射頻電路設(shè)計,溫濕度傳感器節(jié)點的設(shè)計等。（3）測溫濕度軟件、仿真過程的敘述及整個網(wǎng)絡(luò)的測試，能完成預期設(shè)定的功能并能達到預定的性能指標。1.5 論文結(jié)構(gòu)本文主要研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點、結(jié)構(gòu)，分析了zigbee協(xié)議的架構(gòu)，各層規(guī)范及數(shù)據(jù)格式，在此基礎(chǔ)上使用cc2530微控制器以及溫濕度傳感器等外圍模塊搭建節(jié)點，設(shè)計與實現(xiàn)了在此硬件基礎(chǔ)之上的zigbee協(xié)議棧，并進行了相關(guān)的測試，各章安排如下：第一章（即本章）介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點、國內(nèi)外發(fā)展概況。第二章介紹了zigbee協(xié)議的基本構(gòu)架，分析了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的功能、規(guī)范、數(shù)據(jù)格式等。第三章設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件平臺，重點進行節(jié)點的硬件設(shè)計，包括器件的選擇、節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及硬件電路設(shè)計。第四章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集以,包括程序的基本流程，所用函數(shù)的編寫。第五章對本文進行了總結(jié)。1.6 本章小結(jié)本章主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點、國內(nèi)外發(fā)展概況、同時對本文將要采用的zigbee技術(shù)做了簡要介紹，然后對本文所做的研究工作和論文結(jié)構(gòu)進行了介紹。第2章 zigbee協(xié)議標準介紹zigbee技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術(shù)，以2.4ghz為主要頻段，采用擴頻技術(shù)，具有低功耗、成本低、易應(yīng)用等顯著特點，zigbee被業(yè)界認為是最有可能應(yīng)用在智能家居、工業(yè)應(yīng)用、智能交通、智能建筑、醫(yī)院監(jiān)護等領(lǐng)域的無線技術(shù)。2.1 zigbee技術(shù)概述2.1.1 zigbee主要特性zigbee顯著的特點就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。（1）低功耗：在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作624個月、甚至更長。這是zigbee的突出優(yōu)勢，相比較，藍牙能工作數(shù)周、wifi可工作數(shù)小時。（2）低成本：通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32kb代碼，子功能節(jié)點少至4kb代碼，而且zigbee免協(xié)議專利費，每塊芯片的價格大約為2美元。（3）低速率：zigbee工作在20250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4ghz)、40kbps（915mhz)和20kbps(868mhz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。（4）近距離：傳輸范圍一般介于10100m之間，在增加rf發(fā)射功率后，亦可增加到13km，這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。（5）短時延：zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要310s、wi-fi需要3s。（6）高容量：zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。（7）高安全：zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(acl)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(aes128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。（8）免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ism)頻段2.4ghz(全球)、915mhz(美國)和868mhz(歐洲)。2.1.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)zigbee協(xié)議主要采用了二種組網(wǎng)方式：星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1 zigbee二種拓撲結(jié)構(gòu)在星狀網(wǎng)中，以pan協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與中心設(shè)備pan協(xié)調(diào)器進行通信，終端設(shè)備之間的通信通過pan協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來完成，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立pan協(xié)調(diào)器。任何一個ffd設(shè)備都有成為pan協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的pan協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。在這種網(wǎng)絡(luò)中，pan協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化、個人計算機的外設(shè)以及個人健康護理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，最復雜的拓撲結(jié)構(gòu)也是最終實現(xiàn)的目標是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(meshnetwork)。在這種結(jié)構(gòu)中，節(jié)點與節(jié)點之間的結(jié)構(gòu)是“point.to.pointto.pint”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，伸縮性好，在個別鏈路和終端節(jié)點發(fā)生失效時，不會引起網(wǎng)絡(luò)分立?？梢酝瑫r通過多條路由通道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸可靠性非常高。在上述的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的形成和維護都是通過設(shè)備之間的通信而自動實現(xiàn)，不需要人工來干預。2.1.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)工作模式zigbee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標（beacon）和非信標(non-beacon)兩種模式，信標模式實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標模式則只允許終端設(shè)備進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由設(shè)備必須長期處于工作狀態(tài)。信標模式下，協(xié)調(diào)器負責以一定的間隔時間(一般在15ms4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)的各時槽內(nèi)發(fā)送。非信標模式下，zigbee標準采用父節(jié)點為終端設(shè)備子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端設(shè)備主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終端設(shè)備的周期性(周期可設(shè)置)休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點需為自己的終端設(shè)備子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有終端設(shè)備子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠模式,周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms【5】。2.2 zigbee協(xié)議架構(gòu)zigbee的協(xié)議架構(gòu)是建立在ieee802.15.4標準基礎(chǔ)之上的，ieee802.15.4標準規(guī)定了zigbee的物理層（phy）和介質(zhì)訪問控制層（mac）；zigbee聯(lián)盟則定義了zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（nwk）、應(yīng)用層（apl）和安全服務(wù)規(guī)范，zigbee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-2 zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)模型圖zigbee協(xié)議棧的每層為其上一層提供一套服務(wù)功能：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體提供其他的服務(wù)。每個服務(wù)實體和上層之間的接口稱作“服務(wù)訪問點（sap）”，通過sap交換一組服務(wù)原語為上層提供相關(guān)的服務(wù)功能。物理層提供兩類服務(wù)：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。phy層功包括無線收發(fā)信機的開啟和關(guān)閉、能量檢測（ed）、鏈路質(zhì)量指示（lqi）、信道評估（cca）和通過物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。媒體訪問控制層（mac）層提供mac層數(shù)據(jù)服務(wù)和mac層管理服務(wù)，其主要功能包括采用csma/ca進行信道訪問控制、信標幀發(fā)送、同步服務(wù)和提供mac層可靠傳輸機制。網(wǎng)絡(luò)層提供設(shè)備加入/退出網(wǎng)絡(luò)的機制、幀安全機制、路由發(fā)現(xiàn)以及維護機制。zigbee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負責新網(wǎng)絡(luò)并為新關(guān)聯(lián)的設(shè)備分配地址。zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（aps）、zigbee設(shè)備對象（zdo）和制造商定義的應(yīng)用對象。aps子層負責維護綁定列表，根據(jù)設(shè)備的服務(wù)和需求對設(shè)備進行匹配，并在綁定的設(shè)備之間傳送消息。zdo負責發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并明確其提供的應(yīng)用服務(wù)。ieee802.15.4標準是針對低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(lr-wpan)通訊制定的標準，定義了lr-wpan的phy層和mac層。在此基礎(chǔ)上zigbee聯(lián)盟定義的zigbee標準包括nwk層，apl層及ssp層的標準。本小節(jié)主要分析phy層，mac層，nwk層和apl層的標準。2.2.1 物理層（phy）ieee802.15.4物理層主要完成以下幾項任務(wù)：開啟和關(guān)閉無線收發(fā)信機、能量檢測（ed）、鏈路質(zhì)量指示（lqi）、信道評估（cca）和通過物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。ieee802.15.4物理層定義了868mhz、915mhz和2.4ghz三個頻段。表2-1所示即為這三個頻段上分別所采用的調(diào)制和擴頻技術(shù)參數(shù)。表2-1 ieee802.15.4的擴頻和調(diào)制參數(shù)物理層工作頻率(mhz)頻道數(shù)擴頻參數(shù)傳輸參數(shù)碼片率(kchip/s)調(diào)制方式傳輸率（kb/s）數(shù)據(jù)符號868mhz物理層868-868.61300三相的相位健控調(diào)制（bpsk）20二進制915mhz物理層902-92810600二相的相移控件調(diào)制（bpsk）40二進制2.4g物理層2400-2483.5162000偏移四相相移控件調(diào)制（bpsk）25016 狀態(tài)組ieee802.15.4物理層在三個頻段上共劃分了27個信道，信道編號為026。2450mhz頻段上劃分了16個信道，915mhz頻段有10個信道，868mhz頻段有1個信道，27個信道的中心頻率和對應(yīng)的信道編號定義如式（2.1）所示。 (2.1)式中k指的是信道號，fc的單位為mhz。物理層通過射頻固件和硬件提供mac層與物理無線信道之間的接口。從概念上說，物理層還應(yīng)該包括物理層管理實體（plme），以提供調(diào)用物理層管理功能的管理服務(wù)接口；同時plme還負責維護物理層pan信息庫（phy pib）。物理層參考模型如圖2-3所示。圖2-3 物理層參考模型其中，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問節(jié)點pd-sap支持在兩個對等的mac實體之間傳輸mac協(xié)議數(shù)據(jù)單元（mpdu），物理層管理實體服務(wù)訪問點plme-sap允許在mlme和plme之間傳送管理命令。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ppdu）由三部分組成：同步頭（shr）允許接收設(shè)備同步并鎖定數(shù)據(jù)流；物理層幀頭（phr）包含的是幀長信息；有效載荷部分為psdu，其格式如表2-2所示：表2-2 ppdu格式字節(jié)數(shù):411可變長度引導序列幀開始符幀長(7位)預留(1位)物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（psdu）同步頭(shr)物理層幀頭(phr)物理層有效載荷引導序列：收發(fā)信機用來獲得碼片和符號同步，它是32位長度的全0序列。幀開始符（sfd）：表示引導序列的結(jié)束和數(shù)據(jù)幀的開始。幀長字段：它用7位表示物理層有效載荷psdu的長度。psdu 字段：可變長度的字段，它是物理層要發(fā)送的數(shù)據(jù)包（mpdu）。2.2.2 媒體訪問控制層（mac）mac層位于nwk層和phy層之間，主要負責以下幾項任務(wù)：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標、信標同步、支持pan關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián)、csma-ca信道訪問機制、處理和維護保證時隙（gts）機制、在兩個對等mac實體間提供可靠鏈路。mac層提供了特定服務(wù)匯聚子層（sscs）和物理層之間的接口。從概念上說，mac層還包括mac層管理實體（mlme），以提供調(diào)用mac層管理功能的管理服務(wù)接口；同時，mlme還負責維護mac pan信息庫（mac pib）。mac層通過mac公共部分子層（mcps）的數(shù)據(jù)sap（mcps-sap）提供mac數(shù)據(jù)服務(wù)；通過mlme-sap提供mac管理服務(wù)。這兩種服務(wù)通過物理層pd-sap和plme-sap提供了sscs和phy之間的接口。除了這些外部接口外，mcps和mlme之間還隱含了一個內(nèi)部接口，用于mlme調(diào)用mac數(shù)據(jù)服務(wù)，mac層參考模型如圖2-4所示：圖2-4 mac層參考模型mac層數(shù)據(jù)服務(wù)中mcps-sap支持兩個對等的sscs實體之間sscs協(xié)議數(shù)據(jù)單元（spud）的傳輸。mac層管理服務(wù)中mlme-sap支持在mac層和其上層之間傳遞管理命令。mac幀，即mac協(xié)議數(shù)據(jù)單元（mpdu），是由一系列字段按照特定的順序排列而成的。mac幀通常包括三部分：mac頭、mac有效載荷和mac尾。mac頭部分由幀控制字段、幀序號字段和地址信息域組成；mac有效載荷部分的長度與幀類型相關(guān)，確認幀的有效載荷部分長度為 0；mac尾是幀校驗序列（fcs），mac幀格式如表2-3所示：表2-3 mac幀格式字節(jié)數(shù):210/20/2/80/20/2/8可變長度2幀控制幀序號目的 pan標識碼目的地址源 pan標識碼源地址幀有效載荷fcs地址信息mac 頭（mhr）mac 有效載荷mac 尾（mfr）幀控制：占2個字節(jié)，包含了幀的類型、尋址、安全等信息。幀序號：占 1 個字節(jié)，表示發(fā)送幀的序號，協(xié)調(diào)器使用某種算法選擇一個隨機值并存儲下來，在幀發(fā)送的時候?qū)⒋鎯Φ碾S機值復制到幀序號，隨著每一幀的發(fā)送，依次加 1。目的pan表示符：占2個字節(jié)，表示接收方所在pan的標識符。目的地址：表示幀發(fā)送目的節(jié)點的地址，根據(jù)地質(zhì)模式，占2個字節(jié)（16位段地址）或8個字節(jié)（64位長地址）。源pan標識符：占2個字節(jié)，為發(fā)送方所在pan的標識符。源地址：表示幀發(fā)送源節(jié)點的地址，根據(jù)地址模式，占2個字節(jié)（16位段地址）或8個字節(jié)（64位長地址）。幀負荷：mac幀傳送的數(shù)據(jù)。幀檢驗序列（fcs）：fcs是對mac幀頭和有效載荷計算得到的16位itut crc序列。ieee802.15.4中的mac幀包括四種類型：信標幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和命令幀。信標幀用于節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)時，pan協(xié)調(diào)器對本pan的信息發(fā)布，供節(jié)點選擇是否加入本網(wǎng)絡(luò)。此外，信標幀在需要進行同步的pan中又具有傳送時隙分配信息及同步信息的功能。數(shù)據(jù)幀用于向?qū)Φ鹊膍ac層實體傳送上層遞交來的數(shù)據(jù)信息。確認幀僅當上次接收到的數(shù)據(jù)幀或命令幀需要進行接收確認時才發(fā)送。命令幀用于發(fā)送各種mac層相關(guān)命令，包括關(guān)聯(lián)請求、數(shù)據(jù)發(fā)送請求、協(xié)調(diào)者重分配請求、信標請求等。2.2.3 網(wǎng)絡(luò)層（nwk）網(wǎng)絡(luò)層在mac層與應(yīng)用層之間提供合適的接口，通過激發(fā)mac層的動作執(zhí)行尋址和路由功能。主要任務(wù)包括：發(fā)起一個網(wǎng)絡(luò)并且分配網(wǎng)絡(luò)地址(pan協(xié)調(diào)器)；向網(wǎng)絡(luò)中添加設(shè)備或者從網(wǎng)絡(luò)中移除設(shè)備；將消息路由到目的節(jié)點；對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密；在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行路由尋址并且儲存路由表。網(wǎng)絡(luò)層提供保證ieee802.15.4mac層正確工作的能力并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層也包括兩個服務(wù)實體-網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體和網(wǎng)絡(luò)層管理實體，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（nlde）通過nlde-sap為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實體（nlme）通過nlme-sap為應(yīng)用層提供管理服務(wù)。nlme要借助nlde完成部分管理任務(wù)，另外它還要維護一個有關(guān)管理對象的數(shù)據(jù)庫-網(wǎng)絡(luò)層信息庫（nib），網(wǎng)絡(luò)層參考模型如圖2-5所示：圖2-5 網(wǎng)絡(luò)層參考模型nlde 提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在同一網(wǎng)絡(luò)中的兩個或多個設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（apdu）。具體來說，nlde提供的服務(wù)：一是在應(yīng)用支持子層pdu基礎(chǔ)上添加適當?shù)膮f(xié)議頭產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（npdu）；二是根據(jù)拓撲路由，把npdu發(fā)送到通信鏈路的目的地址設(shè)備或通信鏈路的下一跳。nlme提供的管理服務(wù)允許應(yīng)用與協(xié)議棧之間交互。具體來說，nlme提供的服務(wù)包括配置新設(shè)備、創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備請求加入/離開網(wǎng)絡(luò)和zigbee協(xié)調(diào)器或路由器請求設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)、尋址、緊鄰發(fā)現(xiàn)、路由發(fā)現(xiàn)、接收控制等。nwk幀由兩個基本部分組成：nwk頭和nwk有效負載。nwk頭部分包括幀控制、地址和序號信息；nwk有效負載部分包含的信息因幀類型的不同而不同，它是可變長度的，nwk幀的一般格式如表2-4所示：表2-4 網(wǎng)絡(luò)層幀格式字節(jié):22211可變長度幀控制目的地址源地址廣播半徑的一般格式如圖并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)和管理廣播序列號幀負荷路由信息網(wǎng)絡(luò)層頭部網(wǎng)絡(luò)層負荷幀控制：標識了幀的類型、所用的協(xié)議類型以及是否采取了安全措施。目的地址/源地址：此幀接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點的16位網(wǎng)絡(luò)地址，其中16位網(wǎng)絡(luò)地址在網(wǎng)絡(luò)連接建立時已經(jīng)分配好。廣播半徑：表示節(jié)點發(fā)信機發(fā)射信號可以被接收到的范圍。廣播序列號：表示廣播幀的序號，隨著幀的廣播序號遞增。幀負荷：網(wǎng)絡(luò)層幀所承載的有用信息【6】。2.2.4 zigbee應(yīng)用層zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（application support sublayer，aps）、應(yīng)用框架，zigbee設(shè)備對象（zigbee device objects，zdo）和 zdo管理平臺aps子層的任務(wù)是維護綁定表和在綁定設(shè)備之間傳遞信息。zdo負責定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（如zigbee協(xié)調(diào)器或終端設(shè)備）、發(fā)現(xiàn)設(shè)備并決定設(shè)備所能提供的應(yīng)用服務(wù)、初始化并響應(yīng)綁定請求和在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全關(guān)系。aps子層概述：zigbee設(shè)備對象應(yīng)用支持子層aps在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間，通過一組zigbee設(shè)備對象zdo和廠商定義的應(yīng)用對象都可以使用的服務(wù)，提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口。應(yīng)用支持子層包含兩個實體：aps數(shù)據(jù)實體（apsde）和aps管理實體(apsme)。apsde 通過aps數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(apsde-sap)在同一網(wǎng)絡(luò)的兩個或多個設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；apsme通過aps管理實體服務(wù)接入點(apsme-sap)提供服務(wù)機制，以發(fā)現(xiàn)和綁定設(shè)備，并維護一個管理對象的數(shù)據(jù)庫aps信息庫(aib)。aps子層參考模型如圖2-6所示：圖2-6 aps子層的參考模型zigbee應(yīng)用層框架是應(yīng)用設(shè)備和zigbee設(shè)備連接的環(huán)境。在應(yīng)用層框架中，應(yīng)用對象(application object)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)通過apsde-sap實現(xiàn)，而對應(yīng)用對象的控制和管理則通過zdo公用接口來實現(xiàn)。apsde-sap提供的數(shù)據(jù)服務(wù)包括請求、確認、響應(yīng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹甘拘畔ⅰＳ脩艨梢远x多達240個不同的應(yīng)用對象，每個應(yīng)用對象由端口1到端口240來標識，端口241254保留做將來使用，此外，還有兩個附加的端口：端口0用于do的數(shù)據(jù)接口，端口255用于所有應(yīng)用對象的廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口。使用apsde-sap提供的服務(wù)，應(yīng)用層框架提供了應(yīng)用對象的兩種數(shù)據(jù)服務(wù)類型：鍵值對(key value pair，kvp)服務(wù)和通用信息(message service type，msg)服務(wù)。兩者傳輸機制一樣，不同的是：kvp較為嚴格，是專門為傳輸一組特征量而設(shè)計的；msg結(jié)構(gòu)上則比較自由，不采用應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，留給用戶自己定義。zigbee設(shè)備對象(zdo)：zigbee設(shè)備對象(zdo)，描述了一個基本的功能函數(shù)類，在應(yīng)用對象、配置文件(profile)和應(yīng)用支持子層之間提供了一個接口。zdo位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它滿足了zigbee協(xié)議棧所有應(yīng)用操作的一般要求，zdo還有以下作用：初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)文檔(security services specification，sss)。從終端應(yīng)用中集合配置信息來確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理、以及綁定管理。zdo描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對象的公用接口以及控制設(shè)備和應(yīng)用對象的網(wǎng)絡(luò)功能，提供了與協(xié)議棧中低一層相連的接口，數(shù)據(jù)信息通過apsde-sap相連，控制信息通過apsme-sap相連。在zigbee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中，zdo公用接口提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定以及安全等功能的地址管理。zigbee設(shè)備對象管理平臺：zigbee設(shè)備對象管理平臺管理網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層，在zigbee設(shè)備對象執(zhí)行內(nèi)部工作時允許其與網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層通信。此外，管理平臺也負責zigbee設(shè)備對象處理應(yīng)用請求接入網(wǎng)絡(luò)及使用zigbee設(shè)備文件信息的安全功能【7】。2.3 本章小結(jié)本章首先介紹ieee802.15.4協(xié)議與zigbee的關(guān)系，然后給出zigbee協(xié)議的架構(gòu)，最后根據(jù)zigbee協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，分別介紹了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的功能、詳細結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容。通過以上內(nèi)容的研究，使我們對zigbee無線個域網(wǎng)特點及工作機制有了比較深刻的了解，為后面的研究打下基礎(chǔ)。第3章 zigbee溫濕度傳感器硬件平臺的設(shè)計本章在前面兩章的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件平臺，重點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計。3.1 硬件設(shè)計節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的基本平臺。在設(shè)計中，節(jié)點分為兩種類型：中心節(jié)點與一般節(jié)點。中心節(jié)點：無線傳輸模塊+微處理器+串口+電源。中心節(jié)點的功能為：接收周圍一般節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)傳給pc；根據(jù)pc發(fā)來的控制指令，對一般節(jié)點進行控制(可選)。一般節(jié)點：無線傳輸模塊+微處理器+傳感器十電源。一般節(jié)點的功能為：數(shù)據(jù)采集(由傳感器完成)；獲取與周圍節(jié)點之間的距離；將信息發(fā)送給周圍節(jié)點；轉(zhuǎn)發(fā)周圍節(jié)點的數(shù)據(jù)。在這里，本課題所設(shè)計的硬件平臺參考了業(yè)界的幾種zigbee節(jié)點的設(shè)計在方案中，主要設(shè)計了個以下模塊：處理器，無線收發(fā)，電源管理，uart串口電路，傳感器電路，總體的硬件系統(tǒng)框圖如圖3-1所示：圖3-1 硬件系統(tǒng)框圖3.1.1 cc2530芯片介紹自ieee802.15.4標準發(fā)布后，市場上逐步生產(chǎn)出支持ieee802.15.4的芯片。比如有freescale的