基于zigbee的溫濕度傳感器設(shè)計(jì)

1、-. z大學(xué)新華學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2021 屆題目 基于ZigBee的溫濕度傳感器設(shè)計(jì) 系 別信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)系專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化 年 級2021級學(xué)生*學(xué)生培新指導(dǎo)教師大銘2021 年4月23 日-. z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(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通過相互之間的分工協(xié)作，可實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測和采集分布區(qū)域的監(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

2、輸數(shù)據(jù)為目的。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步開展，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，更低本錢，以及更方便使用的性能，在這種情況下，ZigBee技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、平安、可靠及本錢低等優(yōu)點(diǎn)，具有路徑選擇、自動(dòng)連結(jié)網(wǎng)絡(luò)及自我恢復(fù)等功能。預(yù)計(jì)將在消費(fèi)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(dòng)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)的根底知識(shí)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(jì)了ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊和溫濕度傳感模塊，并在此硬件根底上

3、設(shè)計(jì)了具有根本功能的ZigBee協(xié)議棧，同時(shí)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(diǎn)間的關(guān)聯(lián)三個(gè)步驟構(gòu)建了一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器組網(wǎng)功能；在此根底上本文設(shè)計(jì)一個(gè)小型的溫度濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；最后，對論文進(jìn)展總結(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)isposed of a largenumber of ubiquitous，tiny sensor nodes have the

4、ability to municate with the intensive puting laid in the monitored area unattended constituted able to plete 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

5、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 d

6、evelopment 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 -r

7、ange wireless two-way munication 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 e*pected to be wide

8、ly 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 e

9、ach 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 t

10、hree 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.Keywords:ZigBee;Wireless Temperatu

11、re And Humidity Seneor System;Wirelessmunica-tion目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc417898070第1章緒論 PAGEREF _Toc417898070 h 1HYPERLINK l _Toc4178980711.1 引言 PAGEREF _Toc417898071 h 1HYPERLINK l _Toc4178980721.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc417898072 h 2HYPERLINK l _Toc4178980731.2.1 國外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc4178

12、98073 h 2HYPERLINK l _Toc4178980741.2.2 國現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc417898074 h 2HYPERLINK l _Toc4178980751.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) PAGEREF _Toc417898075 h 2HYPERLINK l _Toc4178980761.4 研究容 PAGEREF _Toc417898076 h 4HYPERLINK l _Toc4178980771.5 論文構(gòu)造 PAGEREF _Toc417898077 h 5HYPERLINK l _Toc4178980781.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc417

13、898078 h 5HYPERLINK l _Toc417898079第2章 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)介紹 PAGEREF _Toc417898079 h 6HYPERLINK l _Toc4178980802.1 ZigBee技術(shù)概述 PAGEREF _Toc417898080 h 6HYPERLINK l _Toc4178980812.1.1 ZigBee主要特性 PAGEREF _Toc417898081 h 6HYPERLINK l _Toc4178980822.1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造 PAGEREF _Toc417898082 h 6HYPERLINK l _Toc417898

14、0832.1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作模式 PAGEREF _Toc417898083 h 7HYPERLINK l _Toc4178980842.2 ZigBee協(xié)議架構(gòu) PAGEREF _Toc417898084 h 8HYPERLINK l _Toc4178980852.2.1 物理層PHY PAGEREF _Toc417898085 h 9HYPERLINK l _Toc4178980862.2.2 媒體控制層MAC PAGEREF _Toc417898086 h 10HYPERLINK l _Toc4178980872.2.3 網(wǎng)絡(luò)層NWK PAGEREF _Toc417898087

15、 h 12HYPERLINK l _Toc4178980882.2.4 ZigBee應(yīng)用層 PAGEREF _Toc417898088 h 14HYPERLINK l _Toc4178980892.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc417898089 h 15HYPERLINK l _Toc417898090第3章 ZigBee溫濕度傳感器硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc417898090 h 16HYPERLINK l _Toc4178980913.1 硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc417898091 h 16HYPERLINK l _Toc4178980923.1.1 CC

16、2530芯片介紹 PAGEREF _Toc417898092 h 16HYPERLINK l _Toc4178980933.1.2 射頻模塊電路 PAGEREF _Toc417898093 h 19HYPERLINK l _Toc4178980943.2 主控電路 PAGEREF _Toc417898094 h 21HYPERLINK l _Toc4178980953.2.1 串口通信電路 PAGEREF _Toc417898095 h 21HYPERLINK l _Toc4178980963.2.2 電源模塊 PAGEREF _Toc417898096 h 24HYPERLINK l _To

17、c4178980973.2.3 存儲(chǔ)模塊 PAGEREF _Toc417898097 h 25HYPERLINK l _Toc4178980983.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc417898098 h 27HYPERLINK l _Toc417898099第4章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc417898099 h 28HYPERLINK l _Toc4178981004.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成 PAGEREF _Toc417898100 h 28HYPERLINK l _Toc4178981014.2 進(jìn)展開發(fā)的軟件介紹 PAGEREF _Toc417898101

18、 h 28HYPERLINK l _Toc4178981024.3 程序流程圖 PAGEREF _Toc417898102 h 28HYPERLINK l _Toc4178981034.4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc417898103 h 30HYPERLINK l _Toc4178981044.4.1 通過初始化、信道掃描等措施建立網(wǎng)絡(luò) PAGEREF _Toc417898104 h 30HYPERLINK l _Toc4178981054.4.2 傳感器各節(jié)點(diǎn)參加網(wǎng)絡(luò) PAGEREF _Toc417898105 h 30HYPERLINK l _Toc4178981064.5 本

19、章小結(jié) PAGEREF _Toc417898106 h 31HYPERLINK l _Toc417898107第5章總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc417898107 h 32HYPERLINK l _Toc417898108參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc417898108 h 33HYPERLINK l _Toc417898109致 PAGEREF _Toc417898109 h 34HYPERLINK l _Toc417898110附錄 PAGEREF _Toc417898110 h 35-. z第1章緒論1.1引言信息的生成、獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理及其應(yīng)用是現(xiàn)代信息科學(xué)的六大組成

20、局部，其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(jī)系統(tǒng)MEMSMicro-Electro-Mechanism System，片上系統(tǒng)SOCSystem-On-Chip、納米材料、無線通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅速開展，傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術(shù)從獨(dú)立的單一化模式向集成化、微型化，進(jìn)而向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向開展，成為信息獲取最重要和最根本的技術(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(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)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

21、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(diǎn)密集，數(shù)量巨大且部署在十分廣泛的區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自調(diào)整的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有本錢低體積小、能量極其有限、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力有限的特點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)的能耗是設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮的最關(guān)鍵因素。長期以來，低價(jià)、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(lán)牙)出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價(jià)一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些

22、業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定ZigBee的物理層和媒體控制層。IEEE802.15.4規(guī)是一種經(jīng)濟(jì)、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(gè)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)議的根底。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低本錢的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器

23、，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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)開展過程中的里程碑。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)，并在迅速開展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、IP效勞提供商、消費(fèi)類電子廠商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等

24、工業(yè)控制和家用自動(dòng)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(fù)責(zé)開發(fā)ZigBee物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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、置家居控制的機(jī)頂盒、萬能遙控器、環(huán)境檢測與控制、自動(dòng)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(dòng)化、平安監(jiān)控、工業(yè)控制、傳感器控制、停車計(jì)費(fèi)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，其開展和應(yīng)用，將會(huì)給人們

25、的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。各國都非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開展，美國和歐洲相繼啟動(dòng)了許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究方案。特別是美國通過國家自然基金委、國防部等多個(gè)渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，同時(shí)IEEE也正在努力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和開展，美國波士頓大學(xué)(Boston Unversity)最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)(Sensor Network Consortium)，期望能促進(jìn)學(xué)院和行業(yè)公司之間互相促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。除了波士頓大學(xué)，該協(xié)會(huì)還包括BP、霍尼韋爾、Inetco Systems Invensys、L-3munications、Millennial Net，

26、Radianse、Sensicast Systems及Te*tron Systems。美國的?技術(shù)評論?雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)?？梢灶A(yù)計(jì)，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(huì)給人類社會(huì)帶來極大的變革。1.2.2國現(xiàn)狀我國現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與興旺國家同步啟動(dòng)，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學(xué)院?知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究?的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大工程之一【2】。隨著知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)工作的深入，2001年中科院依托微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與開展中心，旨在引領(lǐng)中國科學(xué)院部的相關(guān)工作

27、，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了假設(shè)干重大研究工程和方向性工程，參加單位包括微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所以及中科大等10多個(gè)研究所和院校，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺(tái)，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(diǎn)、簇點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)方面取得了很大的進(jìn)展，2004年3月相關(guān)成果在進(jìn)展了大規(guī)模外場演示，局部成果已在實(shí)際工程系統(tǒng)中使用。國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，涉及城市公共平安、公共衛(wèi)生、平安生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。國從事無線傳感器網(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)蓬勃開展的勢頭。1.3無

28、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許許多多功能一樣或不一樣的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(chǔ)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(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境檢測和預(yù)報(bào)、*護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間管理，以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的平安檢測等領(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(xiàng)特點(diǎn)：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(diǎn)的平均能耗比現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)如Bluetooth中節(jié)點(diǎn)的能耗更低。在一些工業(yè)監(jiān)

29、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(gè)月甚至幾年。而在森林火災(zāi)監(jiān)測等大圍的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，為大量的傳感器節(jié)點(diǎn)頻繁地更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。這些典型的應(yīng)用要求在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要最小化自身的能量消耗，獲得最長的工作時(shí)間。2低本錢無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成千上萬的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格將極影響系統(tǒng)的本錢。為了到達(dá)降低本錢的目的，需要設(shè)計(jì)對計(jì)算和存儲(chǔ)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)本錢的另一個(gè)重要因素是減少系統(tǒng)管理與維護(hù)的開銷。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模很大，人工的管理與維護(hù)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(fù)的能力。自配置是指

30、在沒有人工干預(yù)的條件下，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠檢測到其它節(jié)點(diǎn)的存在并共同組成一個(gè)具有一定功能和構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自修復(fù)是指在沒有人為干預(yù)的條件下，系統(tǒng)能夠檢測到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或通信鏈路的損壞并能夠從錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)。3通用性無線行標(biāo)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)能夠在世界圍正常工作。此外，為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、開拓市場，一個(gè)能在全球圍正常運(yùn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)行為的方法解決這一問題，但接收器的本錢很高，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(jì)。4網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋫鹘y(tǒng)的星形構(gòu)造包含一個(gè)主結(jié)點(diǎn)，一

31、個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)。在通信時(shí)，主結(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)可以直接通信，從節(jié)點(diǎn)間的通信需要依靠主節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。星型構(gòu)造適合在一些小規(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(diǎn)規(guī)模很大，節(jié)點(diǎn)間以一種對等、多跳的方式通信，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)。需要設(shè)計(jì)一種適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)、低開銷、便于維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造。5平安在一些應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的平安是必需的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有嚴(yán)格的資源限制，需要設(shè)計(jì)低開銷的通信協(xié)議，但同時(shí)也會(huì)帶來嚴(yán)重的平安問題。一方面，入侵者可以比擬容易的進(jìn)展效勞拒絕攻擊Denial Of Service，DOS；另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源嚴(yán)格受限以及節(jié)點(diǎn)間自組織協(xié)調(diào)工作的特點(diǎn)使其難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密的平

32、安防護(hù)。由于低本錢的限制，一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能采用單頻率通信機(jī)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(diǎn)，采用各種手段發(fā)動(dòng)攻擊。為了保證任務(wù)的布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的平安傳遞和融合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)一些最根本的平安機(jī)制：性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和新鮮性、認(rèn)證播送和平安管理。6實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)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(gè)關(guān)鍵機(jī)制。如測量移動(dòng)車輛速度需要計(jì)算不同傳感器檢測事件時(shí)間差，通過波束陣列確定聲源位置節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。目前已提出了多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中RBS，TINY/MINI-SYNC和TPSN被認(rèn)為是三個(gè)根

33、本的同步機(jī)制。我們在考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步問題時(shí)，擬采用TPSN機(jī)制。TPSN采用層次構(gòu)造實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步：所有節(jié)點(diǎn)按照層次構(gòu)造進(jìn)展邏輯分級，通過基于發(fā)送者-接收者的節(jié)點(diǎn)對方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠與上一級的*個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)展同步，從而實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)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(yù)，因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)這種根據(jù)感知的信息協(xié)同工作的方式表達(dá)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(yán)格受限和與物理世界密切相關(guān)等特點(diǎn)使其需要一種新的工作模式。在無線傳感器

34、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)并不重要，我們關(guān)心的是群體行為。用戶需要知道當(dāng)前地下室的平均溫度而不是地下室*點(diǎn)的溫度，并且不關(guān)心是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)傳回的信息，或者他需要知道當(dāng)前地下室的溫度是否超過了預(yù)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(cuò)頻率、易受干擾和不確定的特點(diǎn)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(jì)新的工作模式【4】。1.4研究容本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過一個(gè)協(xié)調(diào)器和假設(shè)干個(gè)路由器和終端節(jié)點(diǎn),搭建一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)自行開發(fā)，到達(dá)測量環(huán)境溫濕度的要求。本文的主要工

35、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(xì)分析ZigBee協(xié)議棧構(gòu)架，并能設(shè)計(jì)編寫具有根本組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿膮f(xié)議棧。2根據(jù)節(jié)點(diǎn)的物理特性，選擇適宜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(diǎn)，包括電路連接，相應(yīng)外圍電路設(shè)計(jì)，射頻電路設(shè)計(jì),溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)等。3測溫濕度軟件、仿真過程的表達(dá)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的測試，能完成預(yù)期設(shè)定的功能并能到達(dá)預(yù)定的性能指標(biāo)。1.5論文構(gòu)造本文主要研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、構(gòu)造，分析了ZigBee協(xié)議的架構(gòu)，各層規(guī)及數(shù)據(jù)格式，在此根底上使用CC2530微控制器以及溫濕度傳感器等外圍模塊搭建節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)與

36、實(shí)現(xiàn)了在此硬件根底之上的ZigBee協(xié)議棧，并進(jìn)展了相關(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(diǎn)、國外開展概況。第二章介紹了ZigBee協(xié)議的根本構(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)、數(shù)據(jù)格式等。第三章設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，重點(diǎn)進(jìn)展節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，包括器件的選擇、節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)以及硬件電路設(shè)計(jì)。第四章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的根本組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集以,包括程序的根本流程，所用函數(shù)的編寫。第五章對本文進(jìn)展了總結(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(diǎn)、國外開展概況、同時(shí)對本文將要采用的ZigBee技術(shù)

37、做了簡要介紹，然后對本文所做的研究工作和論文構(gòu)造進(jìn)展了介紹。第2章 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)介紹ZigBee技術(shù)是最近開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(kuò)頻技術(shù)，具有低功耗、本錢低、易應(yīng)用等顯著特點(diǎn)，ZigBee被業(yè)界認(rèn)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(hù)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(diǎn)就是低速率、低功耗、低本錢、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造。1低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)月、甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢，相比擬，藍(lán)牙能工作數(shù)

38、周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。2低本錢：通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)，每塊芯片的價(jià)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)、40kbps915MHz)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(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接

39、力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。5短時(shí)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比擬，藍(lán)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)構(gòu)造，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理假設(shè)干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。7高平安：ZigBee提供了三級平安模式，包括無平安設(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(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其平安屬性。8免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(I

40、SM)頻段2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。2.1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造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?fù)錁?gòu)造如圖2-1所示：圖2-1 ZigBee二種拓?fù)錁?gòu)造在星狀網(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(jìn)展通信，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(gè)FFD設(shè)備都有成為PAN協(xié)調(diào)器的可能，一個(gè)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

41、自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)的外設(shè)以及個(gè)人*護(hù)理等小圍的室應(yīng)用。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造中，最復(fù)雜的拓?fù)錁?gòu)造也是最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(MeshNetwork)。在這種構(gòu)造中，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的構(gòu)造是“to.Pint構(gòu)造。這種構(gòu)造無線網(wǎng)絡(luò)連成一網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常強(qiáng)健，伸縮性好，在個(gè)別鏈路和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效時(shí)，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)分立?？梢酝瑫r(shí)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?fù)錁?gòu)造中，網(wǎng)絡(luò)的形成和維護(hù)都是通過設(shè)備之間的通信而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要人工來干預(yù)。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(biāo)Beacon和非信標(biāo)(Non-Beacon)兩種模式，

42、信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以到達(dá)最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許終端設(shè)備進(jìn)展周期性休眠，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(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間(一般在15ms4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)播送信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個(gè)一樣的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)局部，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽發(fā)送。非信標(biāo)模式下，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，終端設(shè)備主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)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(diǎn)需為自己的終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處

43、于休眠模式,周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)根底之上的，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ZigBee的物理層PHY和介質(zhì)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和平安效勞規(guī)，ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)造如圖2-2所示：圖2-2 ZigBee協(xié)議棧的體系構(gòu)造模型圖ZigBee協(xié)議棧的每層為其上一層提供一套效勞功能：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸效勞，管理實(shí)體提供其他的效勞。每個(gè)效勞實(shí)體和上層之間的接口稱作“效勞點(diǎn)

44、SAP，通過SAP交換一組效勞原語為上層提供相關(guān)的效勞功能。物理層提供兩類效勞：物理層數(shù)據(jù)效勞和物理層管理效勞。PHY層功包括無線收發(fā)信機(jī)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。媒體控制層MAC層提供MAC層數(shù)據(jù)效勞和MAC層管理效勞，其主要功能包括采用CSMA/CA進(jìn)展信道控制、信標(biāo)幀發(fā)送、同步效勞和提供MAC層可靠傳輸機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)層提供設(shè)備參加/退出網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制、幀平安機(jī)制、路由發(fā)現(xiàn)以及維護(hù)機(jī)制。ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)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

45、象。APS子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定列表，根據(jù)設(shè)備的效勞和需求對設(shè)備進(jìn)展匹配，并在綁定的設(shè)備之間傳送消息。ZDO負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并明確其提供的應(yīng)用效勞。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LR-WPAN)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)，定義了LR-WPAN的PHY層和MAC層。在此根底上ZigBee聯(lián)盟定義的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)包括NWK層，APL層及SSP層的標(biāo)準(zhǔn)。本小節(jié)主要分析PHY層，MAC層，NWK層和APL層的標(biāo)準(zhǔn)。2.2.1物理層PHYIEEE802.15.4物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開啟和關(guān)閉無線收發(fā)信機(jī)、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。I

46、EEE802.15.4物理層定義了868Mhz、915Mhz和2.4Ghz三個(gè)頻段。表2-1所示即為這三個(gè)頻段上分別所采用的調(diào)制和擴(kuò)頻技術(shù)參數(shù)。表2-1IEEE802.15.4的擴(kuò)頻和調(diào)制參數(shù)物理層工作頻率(Mhz)頻道數(shù)擴(kuò)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(hào)868Mhz物理層868-868.61300三相的相位健控調(diào)制BPSK20二進(jìn)制915Mhz物理層902-92810600二相的相移控件調(diào)制BPSK40二進(jìn)制2.4G物理層2400-2483.5162000偏移四相相移控件調(diào)制BPSK25016 狀態(tài)組IEEE802.15.4物理層在三個(gè)頻段上共劃分了27個(gè)

47、信道，信道編號(hào)為026。2450Mhz頻段上劃分了16個(gè)信道，915Mhz頻段有10個(gè)信道，868Mhz頻段有1個(gè)信道，27個(gè)信道的中心頻率和對應(yīng)的信道編號(hào)定義如式2.1所示。(2.1)式中k指的是信道號(hào)，F(xiàn)c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(shí)體PLME，以提供調(diào)用物理層管理功能的管理效勞接口；同時(shí)PLME還負(fù)責(zé)維護(hù)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)效勞節(jié)點(diǎn)PD-SAP支持在兩個(gè)對等的MAC實(shí)體之間傳輸MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU，物理層管理實(shí)體

48、效勞點(diǎn)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由三局部組成：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；有效載荷局部為PSDU，其格式如表2-2所示：表2-2PPDU格式字節(jié)數(shù):411可變長度引導(dǎo)序列幀開場符幀長(7位)預(yù)留(1位)物理層效勞數(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(dǎo)序列：收發(fā)信機(jī)用來獲得碼片和符號(hào)同步，它是32位長度的全0序列。幀開場符SFD：表示引導(dǎo)序列的完畢和數(shù)據(jù)幀的開場。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)

49、送的數(shù)據(jù)包MPDU。2.2.2媒體控制層MACMAC層位于NWK層和PHY層之間，主要負(fù)責(zé)以下幾項(xiàng)任務(wù)：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、信標(biāo)同步、支持PAN關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián)、CSMA-CA信道機(jī)制、處理和維護(hù)保證時(shí)隙GTS機(jī)制、在兩個(gè)對等MAC實(shí)體間提供可靠鏈路。MAC層提供了特定效勞會(huì)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(shí)體MLME，以提供調(diào)用MAC層管理功能的管理效勞接口；同時(shí)，MLME還負(fù)責(zé)維護(hù)MAC PAN信息庫MAC PIB。MAC層通過MAC公共局部子層MCPS的數(shù)據(jù)SAPMCPS-SAP提供MAC數(shù)據(jù)效勞；通過MLME-SAP提供MAC管理效勞。這兩種效勞通過

50、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(gè)部接口，用于MLME調(diào)用MAC數(shù)據(jù)效勞，MAC層參考模型如圖2-4所示：圖2-4MAC層參考模型MAC層數(shù)據(jù)效勞中MCPS-SAP支持兩個(gè)對等的SSCS實(shí)體之間SSCS協(xié)議數(shù)據(jù)單元SPUD的傳輸。MAC層管理效勞中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幀通常包括三局部：MAC頭、MAC有效載荷和MAC尾。MAC頭局部由幀控制字段、幀序號(hào)字段和地址信息域組成；MAC有效載

51、荷局部的長度與幀類型相關(guān)，確認(rèn)幀的有效載荷局部長度為 0；MAC尾是幀校驗(yàn)序列FCS，MAC幀格式如表2-3所示：表2-3MAC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(hào)目的 PAN標(biāo)識(shí)碼目的地址源 PAN標(biāo)識(shí)碼源地址幀有效載荷FCS地址信息MAC 頭MHRMAC 有效載荷MAC 尾MFR幀控制：占2個(gè)字節(jié)，包含了幀的類型、尋址、平安等信息。幀序號(hào)：占 1 個(gè)字節(jié)，表示發(fā)送幀的序號(hào)，協(xié)調(diào)器使用*種算法選擇一個(gè)隨機(jī)值并存儲(chǔ)下來，在幀發(fā)送的時(shí)候?qū)⒋鎯?chǔ)的隨機(jī)值復(fù)制到幀序號(hào)，隨著每一幀的發(fā)送，依次加 1。目的PAN表示符：占2個(gè)字節(jié)，表示接收方所在PAN的標(biāo)識(shí)符。目的地址

52、：表示幀發(fā)送目的節(jié)點(diǎn)的地址，根據(jù)地質(zhì)模式，占2個(gè)字節(jié)16位段地址或8個(gè)字節(jié)64位長地址。源PAN標(biāo)識(shí)符：占2個(gè)字節(jié)，為發(fā)送方所在PAN的標(biāo)識(shí)符。源地址：表示幀發(fā)送源節(jié)點(diǎn)的地址，根據(jù)地址模式，占2個(gè)字節(jié)16位段地址或8個(gè)字節(jié)64位長地址。幀負(fù)荷：MAC幀傳送的數(shù)據(jù)。幀檢驗(yàn)序列FCS：FCS是對MAC幀頭和有效載荷計(jì)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(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。信標(biāo)幀用于節(jié)點(diǎn)請求參加網(wǎng)絡(luò)時(shí)，PAN協(xié)調(diào)器對本PAN的信息發(fā)布，供節(jié)點(diǎn)選擇是否參加本網(wǎng)絡(luò)。此外，信標(biāo)幀在需要進(jìn)展同步的PAN中又具有傳送時(shí)隙分配信息及同步信息的功能。數(shù)

53、據(jù)幀用于向?qū)Φ鹊腗AC層實(shí)體傳送上層遞交來的數(shù)據(jù)信息。確認(rèn)幀僅當(dāng)上次接收到的數(shù)據(jù)幀或命令幀需要進(jìn)展接收確認(rèn)時(shí)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(biāo)請求等。2.2.3網(wǎng)絡(luò)層NWK網(wǎng)絡(luò)層在MAC層與應(yīng)用層之間提供適宜的接口，通過激發(fā)MAC層的動(dòng)作執(zhí)行尋址和路由功能。主要任務(wù)包括：發(fā)起一個(gè)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(diǎn)；對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)展加密；在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行路由尋址并且儲(chǔ)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)用層提供適宜的效勞接口。網(wǎng)絡(luò)層也包

54、括兩個(gè)效勞實(shí)體-網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體NLDE通過NLDE-SAP為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)效勞；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體NLME通過NLME-SAP為應(yīng)用層提供管理效勞。NLME要借助NLDE完成局部管理任務(wù)，另外它還要維護(hù)一個(gè)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)效勞允許在同一網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)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提供的效勞：一是在應(yīng)用支持子層PDU根底上添加適當(dāng)?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?fù)渎酚?，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。

55、NLME提供的管理效勞允許應(yīng)用與協(xié)議棧之間交互。具體來說，NLME提供的效勞包括配置新設(shè)備、創(chuàng)立新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備請求參加/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(gè)根本局部組成：NWK頭和NWK有效負(fù)載。NWK頭局部包括幀控制、地址和序號(hào)信息；NWK有效負(fù)載局部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播送半徑的一般格式如圖并為應(yīng)用層提供適宜的效勞和管理播送序列號(hào)幀負(fù)荷路由信息網(wǎng)絡(luò)層頭部網(wǎng)絡(luò)層負(fù)荷幀控制：標(biāo)識(shí)了幀的類型、所用的協(xié)議類

56、型以及是否采取了平安措施。目的地址/源地址：此幀接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(shí)已經(jīng)分配好。播送半徑：表示節(jié)點(diǎn)發(fā)信機(jī)發(fā)射信號(hào)可以被接收到的圍。播送序列號(hào)：表示播送幀的序號(hào)，隨著幀的播送序號(hào)遞增。幀負(fù)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(tái)APS子層的任務(wù)是維護(hù)綁定表和在綁定設(shè)備之間傳遞信息。ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色如ZigBee

57、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)用效勞、初始化并響應(yīng)綁定請求和在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立平安關(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效勞，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(gè)實(shí)體：APS數(shù)據(jù)實(shí)體APSDE和APS管理實(shí)體(APSME)。APSDE 通過APS數(shù)據(jù)實(shí)體效勞接入點(diǎn)(APSDE-SAP)在同一網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)傳輸效勞；APSME通過APS管理實(shí)體效勞接入點(diǎn)(APSME-SAP)提供效勞機(jī)制，以發(fā)現(xiàn)和綁定設(shè)備，并維護(hù)一個(gè)管理對象的數(shù)據(jù)庫AP

58、S信息庫(AIB)。APS子層參考模型如圖2-6所示：圖2-6APS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(shí)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(shí)現(xiàn)。APSDE-SAP提供的數(shù)據(jù)效勞包括請求、確認(rèn)、響應(yīng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹甘拘畔ⅰＳ脩艨梢远x多達(dá)240個(gè)不同的應(yīng)用對象，每個(gè)應(yīng)用對象由端口1到端口240來標(biāo)識(shí)，端口241254保存做將來使用，此外，還有兩個(gè)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)用對象的播送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口。使用APS

59、DE-SAP提供的效勞，應(yīng)用層框架提供了應(yīng)用對象的兩種數(shù)據(jù)效勞類型：鍵值對(Key Value Pair，KVP)效勞和通用信息(Message Service Type，MSG)效勞。兩者傳輸機(jī)制一樣，不同的是：KVP較為嚴(yán)格，是專門為傳輸一組特征量而設(shè)計(jì)的；MSG構(gòu)造上則比擬自由，不采用應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)幀的容，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(gè)根本的功能函數(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(gè)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

60、作用：初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、平安效勞文檔(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)、平安管理、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)、綁定以及平安等功能的地址管理。ZigBee設(shè)備對象管理平臺(tái)：ZigBee設(shè)備對象管理平臺(tái)管理網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層，在ZigBee設(shè)備對象執(zhí)行部工作時(shí)允許其與網(wǎng)