基于ZigBee的智能家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò).

1、第 24 卷第 2 期 2007 年 2 月機(jī) 電 工 程MECHAN I C AL &E LECTR I CAL E NGI N EER I N G MAG AZI N EVol . 24No . 2Feb . 2007ID Hina Anikmii Jaumd HevlriimL IWilidhi雅pAll riyMiTCMTVM蝕對/WwZjjMf收稿日期：2006-08-28作者簡介：齊楠（1982-,男,遼寧沈陽人,主要從事 Zig Bee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與智能家庭方面的研究。基于 Z i gBee 的智能家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)齊 楠,韓 波，李 平(浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)研究所,浙江

2、杭州 310027摘 要：Zig Bee 是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在自行組建的試驗平臺上，介 紹了應(yīng)用 Zig Bee 技術(shù)組建智能家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題,分析了無線網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議的機(jī)理結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：智能家庭；Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；無線傳感網(wǎng)絡(luò) 中圖分類號：TP212. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號：1001-4551(2007 02-0020-03The i n telli gen t hom e w i reless sen sor network ba sed on Z i gBeeQ INa n, HAN Bo, L I Pi ng(In stitute of In

3、 dustrial Process Con trol, Zhejia ng U ,Abstract:Zig Bee is a ne w wireless net w ork technol ogy . On the p m issues wereintr o 2duced on how t o build in tellige nt home wireless sens or net w ork . p of thewireless net w ork stack and net w ork t opol ogy were als o an alyzed .Key words:intellig

4、ent home; Zig Bee p r ot ocol; w ork sens or0 前言家用自動化市場可謂是 Zig Bee 技術(shù)最有潛力 的市場。據(jù)估測，每個家庭需要 上百個 Zig Bee 設(shè)備。 家用設(shè)備引入該技術(shù)后，將大大改善居住環(huán)境和生活質(zhì) 量。 基于 Zig Bee技術(shù)，還可以實現(xiàn)全球漫 游和無縫使用。本研究提出了一種基于 Zig Bee 技術(shù)的智能家 庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。1Z i gBee 技術(shù)簡介本研究所述的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，是由 M icr o 2chi p 公司于 2005 年下半年開 發(fā)的 M icr ochi p Zig Bee協(xié)議棧 1.0 版本,

5、是一個源代碼完全公開的 C 語言協(xié)議棧。 Zig Bee 聯(lián)盟成 立于 2001年 8 月。2002 年下半年,I nvensys 公司、三菱電氣公司、摩托羅拉 公司以及飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布,它們將加盟 Zig Bee 聯(lián)盟,研發(fā)名為 Zig Bee 的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，該聯(lián)盟大約已有 150 家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。2應(yīng)用 Z i gBee 技術(shù)構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)本網(wǎng)絡(luò)使用Micr ochi p P I C18 系列單片機(jī)以及 由該公司開發(fā)的協(xié)議棧。收 發(fā)模塊通過 PCB 板上天線進(jìn)行信息報文的發(fā)送和接收。組建家庭網(wǎng)絡(luò) 后，網(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器節(jié)點使用有線直流電源供電，家用設(shè)備直接

6、與該協(xié)調(diào)器節(jié)點相關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)成 星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。本實驗平臺結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。圖 1 智能家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)模型2. 1Z i gBee 協(xié)議棧架構(gòu)的關(guān)鍵問題Zig Bee 協(xié)議棧架構(gòu)是由許多層組成。在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上，則由 Zig Bee A Ilia nee 與 I EEE 802. 15.4的任務(wù)小組共同擔(dān)任標(biāo)準(zhǔn)的制定 。PHY 層和 MAC層由 I EEE 802. 15. 4 的任務(wù)小組負(fù)責(zé)指定,其他層 主要由 Zig Bee A Ilia nee 來 指定1。每一層為上一層提供某些服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體提 供所有其他服務(wù)。每一個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點與上層通信，

7、并且每一個 S AP 都支持一些服務(wù)原語勺中*o圖 2Zig Bee 協(xié)議棧架構(gòu)（如圖 2 所示采用基于標(biāo)準(zhǔn)開放互聯(lián)系統(tǒng)的 7 層結(jié)構(gòu)。I EEE 802. 15. 4-2003standarc 定義最低的兩層：物理層和 MAC 子層。Zig Bee A Ilia nee 定義包括網(wǎng)絡(luò)層（N WK 和應(yīng)用層的框 架。應(yīng)用層的框架包括：應(yīng)用支持子層（APS、Zig Bee 設(shè)備對象（Z DO 和制造商 已定義的應(yīng)用對象。2Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)層的職責(zé)包括：加入和離開網(wǎng)絡(luò)的 機(jī)制、應(yīng)用安全幀的機(jī)制和路 由幀到達(dá)目的地的機(jī) 制。另外，發(fā)現(xiàn)和保持設(shè)備之間的路徑也涉及到網(wǎng)絡(luò)層。當(dāng)對新的關(guān)聯(lián)設(shè)備設(shè)置地址后

8、,Zig Bee 協(xié)調(diào) 器的網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)。Zig Bee 的應(yīng)用層包括：應(yīng)用支持子層（APS ,應(yīng)用框架（AF , Zig Bee 設(shè)備對象（Z DO 和制造商已定 義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層（APS 的職能包括保 存綁定表 和在綁定的設(shè)備之間續(xù)傳信息。Zig Bee 設(shè)備對象（Z DO 的職能包括：定義某個設(shè) 備在網(wǎng)絡(luò)中 的角色（例如：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備并且 確定該設(shè)備提供哪些應(yīng)用服務(wù)、初始化并且對綁定請求應(yīng)答。應(yīng)用支持子層（APS 通過一系列被 Zig Bee 設(shè)備對象（Z DO 和制造商已定義應(yīng) 用對象所使用的服務(wù)，為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接口。提供這一系

9、列服務(wù)的有兩個實體：應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實體（APS DE ,通過應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點 （APS DE 2S AP 提 供服務(wù)；應(yīng)用支持子層管理實體（APS ME ,通過應(yīng)用 支持子層管理實體服務(wù)接入點（APSME 2S AP 提供服務(wù)。APS DE 在兩個或多個處于同一網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間，提供 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APS ME 提供的服務(wù)包括：發(fā)現(xiàn)設(shè)備、綁定設(shè)備以及保存管理對 象的數(shù)據(jù)庫（A IB。在 Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，應(yīng)用對象位于應(yīng)用框 架中。在應(yīng)用框架中，應(yīng)用對 象通過 APS DE 2S AP發(fā)送和接收數(shù)據(jù),通過 Z DO public in terfaces控制和管理應(yīng) 用對

10、象。這些由 APS DE 2S AP 提供的數(shù)據(jù)服務(wù)包括：請求原語、確認(rèn)原語、應(yīng) 答原語和指令原語。240,每一個都對應(yīng)一個端點。,APS DE 2S AP 所:0 和被保留 255。端點 241254 無線信道的組成，如表 1 所示表 1 Z i gbee 無線信道的組成928中心頻率 /MHz信道編號頻道數(shù)量信道間隔/MHz速率/kbps 調(diào)制方式頻率上限/MHz頻率下限/MHz868. 3k =01 20BPSK 868. 5868906+2(k -1k =1,2,，1010240BPSK9022405+5(k -11 k =11,12,，261652500 2QPSK 2483. 52

11、4002. 2 網(wǎng)絡(luò)配置Zig Bee 無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的配置。星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點（主設(shè)備和一個或多個終端設(shè)備（從設(shè)備組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點是實現(xiàn)了 一組較多 Zig Bee 服務(wù)的特 殊全功能設(shè)備。 終端設(shè)備可能是 FF D 或簡化設(shè)備 （RF D。RF D 是最小而且最 簡單的 Zig Bee節(jié)點。它只實現(xiàn)了一組最少的 Zig Bee 服務(wù)。在星型網(wǎng)絡(luò)中,所有 的終端設(shè)備只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設(shè)備，它會把數(shù) 據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，1994-2010 China Academic Journal Elect http:?y ki.rt cl然后協(xié)調(diào)器依次

12、將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器終端設(shè)備。2. 3 網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)可以是 ad 2hoc 網(wǎng)絡(luò),即可以根據(jù)需要組建（或不組建 新的網(wǎng)絡(luò)。I EEE802. 15. 4 定義的 LR 2W P AN 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組建成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組建成點對 點網(wǎng)絡(luò)。點對點網(wǎng)絡(luò)可以 構(gòu)造很復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如簇狀網(wǎng)絡(luò)、mesh 網(wǎng)等。適合設(shè)備分布廣的應(yīng)用，如12?第 2 期齊 楠，等：基于 Zig Bee 的智能家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)工業(yè)檢測與控制、 貨物庫存跟蹤和智能農(nóng)業(yè)等。簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,如圖 3 所示3。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 4 所示，終端設(shè)備在執(zhí)行任何數(shù)據(jù)傳輸之前總是搜 索網(wǎng)絡(luò)

13、。新的網(wǎng)絡(luò)首先由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立。啟動時，協(xié)調(diào)器會搜索 0 附近的其他協(xié)調(diào)器，如果沒有找到協(xié) 調(diào)器，它就會建立一個自己的網(wǎng)絡(luò)。 一旦新網(wǎng)絡(luò)建 立，就會允許一個或多個終端設(shè)備與此網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)。|即肛20|0 Academic jixoTuil Ekclronk Pbristutiinc，I louse. All zcnM星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化等小范圍的室內(nèi)使用TW4-2O1IO Choia Acadcsntt JourajJ Elctronx Publidiini All rijhi rcMrvedL簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 4 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔緦嶒炈⒌木W(wǎng)絡(luò)中，每塊板分配一個唯一的節(jié)點 ID。節(jié)點 ID 是

14、一個唯 一的 4位 16 進(jìn)制數(shù),用于產(chǎn)生唯一的 64 位 MAC 地址。應(yīng)用程序使用Micr ochi p 組織唯一標(biāo)識符(OU I ,其中Micr ochi p Zig Bee 的 OU I 可以由 Zigbee . def 得到,00:04:a3:00。64位 MAC 地址=32 位 OU I +32 位節(jié)點 I D。這些 都在 Zig Bee 協(xié) 議棧中的 Zigbee . def文件中,用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。本網(wǎng)絡(luò)首先設(shè)置了一 個默認(rèn)的 MAC 地址：00:04:a3:00:00:00:01。以下是 Zig 2bee . def 文件中定義的默 認(rèn) MAC 地址：#defi ne

15、MAC_LONG_ADDR_BYTE0(0 x01 #defineMAC_LONG_ADDR_BYTE1(0 x00 #defi neMAC_LONG_ADDR_BYTE2(0 x00到選定的另一節(jié)點的目標(biāo)端點上0#defi neMAC_LONG_ADDR_BYTE3(OxOO #defineMAC_LONG_ADDR_BYTE4(OxOO #defi neMAC_LONG_ADDR_BYTE5(Oxa3 #defineMAC_LONG_ADDR_BYTE6(OxO4 #defi neMAC_LONG_ADDR_BYTE7(OxOO2. 4 協(xié)議棧中的重要函數(shù)APS Ope nEP (函數(shù)使主

16、應(yīng)用程序打開一個端點。在 Zig Bee 協(xié)議中,數(shù)據(jù)通過端點進(jìn)行交換。端點等同于虛擬信道的一 端。要完成虛擬信道，必須有兩個端點：目標(biāo)端點和源端點。對于間接連接，不 必提供目標(biāo)端點信息(節(jié)點 ID 或 MAC 地址,綁定將定義確切的目標(biāo)端點。APS OpenEP (函數(shù)自動將當(dāng)前的節(jié)點地址作為源節(jié)點，但沒有定義目標(biāo)節(jié) 點地址。調(diào) 用該函數(shù)后，僅創(chuàng)建了虛擬信道的一部 分,缺少目標(biāo)地址信息。根據(jù) Zigbee 協(xié)議,信道的源節(jié)點不需要知道目標(biāo)節(jié)點的地址 。但是，必須在 協(xié)調(diào)器節(jié)點內(nèi)創(chuàng)建綁定 表，將本節(jié)點的源端點綁定圖 5 Z i gBee 節(jié)點硬件示意圖2. 5 硬件設(shè)計Zig Bee 節(jié)點硬件示意圖，如圖 5 所示。本網(wǎng)絡(luò)的微處理器采用的是Micr ochi p P I C18 系列單片機(jī)以及由該公司開發(fā)的協(xié)議棧。開放的協(xié)議棧可以使用戶有更多的自主權(quán)，并 且可以在 Zig Bee 的應(yīng)用支持子層上做必要的修改,從而使傳感器驅(qū)動程序的 運行 更有效。3結(jié)束語本研究提出了一種智能家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè) 計。通過把 Zig Bee 技術(shù)嵌入 到智能家電中，并選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建網(wǎng)絡(luò)。