[信息与通信]基于CC2530的光照信息的采集系统设计

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1、论文题目： 基于CC2530的光照信息的采集系统设计摘 要无线传感器网络是融合了传感器、嵌入式计算机、无线通信、分布式信息处理等多学科知识，它通过集成化微型传感器能对各种环境或检测对象的信息进行检测和采集，再通过无线网络发送给用户。本文在分析无线传感器网络结构的基础上，提出了光照信息采集的无线传感网络节点设计方案，实现对光照信息的采集并以ZigBee协议无线传输，形成树状网络。终端节点由Zigbee无线传输模块、CC2530微处理器的模块、传感器模块及接口电路组成。软件基于ZigBee协议栈实现，由应用层、网络层、MAC层、物理层组成，构建了无线无线网络，实现了数据的采集与传输。本文基于OUR

2、S-IOTV2物联网创新实验套件试验箱实现，通过实验数据的分析比较，阐明ZigBee开发应用层实现的方法。关键字：ZigBee网络节点; CC2530 ; 光照信息采集; 无线传感网络论文类型：应用型毕业论文41Title：CC2530 based on light information collection system designMajor：Electronic and Information EngineeringName： wenxi signature：_ _Supervision：zhangxiaoli signature：_ _ABSTRACTWireless sensor

3、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 object information detection and acquisition, again through the wireless network to send

4、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 information collection and ZigBee wireless transmission agreement, forming a tree network. Termin

5、al 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 layer, MAC layer, the physical composition, to construct the wireless wireless network, to

6、 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 development application development and the implementation method.Key words:ZigBee network node

7、s CC2530 Light information collection Wireless sensor network 目 录1绪论11.1课题研究的背景及意义11.2无线传感器网络31.2.1无线传感器网络的发展31.2.2主要研究方向41.3几种短距离无线通信技术的性能比较51.4ZigBee技术概述81.5本文工作102 ZigBee协议及其应用122.1 IEEE802.15.4技术简述122.1.1物理层(PHY)132.1.2数据链路层(MAC)142.2ZigBee协议152.2.1ZigBee协议标准152.2.2ZigBee协议栈162.3ZigBee协议栈API192.

8、3.1应用层(APL)API192.3.2应用支持层(APS)API202.4原语的基本概念212.5网络拓扑结222.6数据传输机制232.6.1KVP格式242.6.2MSG格式252.7地址的分配机制252.8路由花费和路由算法272.8.1路由花费272.8.2路由算法282.9 ZigBee应用领域322.10本章小节333 无线光照采集系统硬件的设计343.1总体网络架构343.2无线传感网通信模块343.2.1光敏电阻的结构与原理：353.3节点硬件设计363.3.1模块电源电路和复位设计363.3.2LCD显示电路设计383.3.3光敏传感器外围电路的设计393.4本章小结40

9、4无线光照信息采集系统软件设计414.1总体流程414.2程序项目文件结构454.3程序的初始化464.4组网474.5数据传送494.6定时发送514.7设备发现514.8软件调试环境524.9本章小结525 总结535.1以后的工作535.2实现树型及网状网络拓扑545.3实现采集多种环境信息545.4实现操作系统的内嵌545.5 节点光照采集54致谢58参考文献591绪论1.1课题研究的背景及意义随着人们生活条件的不断地高，人们越来越重视光照信息采集，以保障各类生产生活能够有效的进行，其中作为一种方便有效无线网络芯片CC2530便成为了光照信息采集一个十分重要的应用.传统的人工控制已不能

10、满足现代对自动化控制的要求，这样基于cc2530的光照信息采集就能很好地满足人们的需求。CC2530作为ZigBee无线网络的一员也越来越能发挥它的重要性。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准和应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗而且廉价的市场定位，广泛用于数字家庭领域、工业领域智能交通、医疗领域、现代农业、环境监测、智能建筑、安全保障等领域，拥有广阔的应用前景的一项技术。在一个实际系统中通常需要上位机软件的支持，基于PHP的WAP服务器设计是目前常用的一种方法，本设计基于高速公路应急系统实现网络管理功能。在研究过程中作为一名本科生可以了解一

11、个具体系统的工作原理级上位机软件在整个系统中的作用，并采用PHP网页制作语言实现了具体功能。为今后进一步了解并掌握无线传感器网络打下良好的基础。对于无线传感器网络监控系统，利用无线收发设备传输数据，系统结构简单，通过监测管理中心能够轻松完成对温湿度的控制、二氧化碳、一氧化碳酒精含量含量测量、光照度信息采集等功能。本设计基于智能无线传感器网络实现了对光照强度的监测，如果光线过暗，则自动开启LED，如果光线亮，则自动关闭LED。近年来，随着无线网络技术的不断发展，人们慢慢的将无线网络技术与传感器技术相结合，提出了无线传感器网络这一概念。无线传感器网络不仅可以应用于互联网接入，而且还适用于有线接入方

12、式所不能胜任的场合，为数据传输提供良好的服务。 远程监控系统应用无线定位和Zigbee无线技术有如下优势： （1）功耗低：由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制，所以特别省电。 （2）成本低：协议简单且所需的存储空间小，极大降低了ZigBee芯片的成本，每块芯片的价格在2美元一下，而且ZigBee协议是免专利费的。(3)时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延短。设备搜索时延30ms，休眠激活时延15ms，活动设备信道接入时延为15ms。（4）组网简单：GPRS无线DDN系统可以通过Internet网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，为用户提供接入便利，节省接入

13、投资。ZigBee兼容的产品工作在IEEE802.15.4的PHY上，其频段是免费开放的，分别为2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。采用ZigBee技术的产品可以在2.4GHz上提供250kbit/s（16个信道）、在915MHz提供40kbit/s（10个信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1个信道）的传输速率。传输范围依赖于输出功率和信道环境，介于10m到100m之间，一般是30m左右。由于ZigBee使用的是开放频段，已有多种无线通讯技术使用。因此为避免被干扰，各个频段均采用直接序列扩频技术。同时，PHY的直接序列扩频技术允许设备无需闭环同步。1.

14、2无线传感器网络1.2.1无线传感器网络的发展Zigbee技术和RFID 技术在近几年发展迅速，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。关于这方面的报道，在百度，或GOOGLE搜索栏中键入“ZigBee”,你就会搜到大量的有关报道。总之，今后若干年，都将是Zigbee技术飞速发展的阶段。Zigbee技术在我国的应用情况尽管，国内不少人已经开始关注Zigbee这们新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee 本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而要深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个有这方面经

15、验团队，很不容易的事情，因而，到目前为止，国内目前除了为数不多的几家公司外，真正将Zigbee技术开发成产品，并成功地用于解决相关领域的实际产生的问题，尚未可见。国内外研究现状 在基础芯片和通信模块方面，德州仪器是美国著名的模拟器件解决方案和数字嵌入及应用处理半导体解决方案供应商，在物联网领域能够提供ZigBee芯片和移动通信芯片产品。英特尔是全球最大的计算机、网络和通信产品制造商，在物联网方面能够提供Wi-Fi芯片、蓝牙芯片、WiMAX芯片和RFID芯片产品。意法半导体、高通、飞思卡尔等芯片企业也可以提供物联网所需的基础通信芯片。此外，Telit、Cinterion、Sierra Wirel

16、ess等通信模块企业将通信芯片整合成能够独立完成通信功能的模块，可以直接嵌入到设备中使其拥有通信能力。 M2M与RFID和传感网不同，拥有电信网络资源的电信运营商在物联网市场发展初期并没有关注这项业务，因此产生了很多M2M业务的MVNO（虚拟移动运营商），他们租用电信运营商的网络来提供业务，与电信运营商一样都属于物联网应用服务的提供者。随着电信运营商对M2M业务重视程度的提高，物联网MVNO地位逐渐弱化，其作用逐渐被电信运营商取代。目前，主要的物联网MVNO包括美国的Jasper Wireless、KORE，英国的Wyless等。目前，物联网业务发展较好的运营商包括法国Orange、英国沃达丰

17、、美国AT&T和Verizon、日本NTT DoCoMo、韩国SKT等。另外，美国的Tridium、Axeda等企业还提供M2M软件平台。 总体来说，目前美国在物联网技术基础方面占有绝对的优势，同时欧盟和日韩电信运营商对于物联网业务关注度较高，而我国只有极少公司能涉及这方面的工作，所以我国物联网急待发展。1.2.2主要研究方向1.新型智能传感器关键技术和传感系统传感器网络系统的性能基本上取决于作为网络节点的智能传感器的性能。智能传感器是目前国际传感器领域的热点问题之一，其研究意义和应用价值，己引起了世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。2传感器网络与网络协议网络协议与传感器网络系统紧密相

18、连。无线传感器网络是从通信网络中演化而来自治，那必然要有适用于传感器网络的网络通信协议、支持传感器网络通信的相关协议、任务分配、协调、时钟同步以及相应的软硬件资源等。网络协议的重点研究目标就是如何设计能量高效的传感器网络系统，即如何优化MAC协议和路由协议，来延长网络生存时间。传感器网络的网络协议是传感器网络其它核心技术和支撑技术的基础。对其协议的研究包括：（1）MAC层协议研究；（2）能量高效的路由协议；（3）节点自定位技术。1.3几种短距离无线通信技术的性能比较在短距离无线通信技术中，除ZigBee技术外，还存在许多其他通信技术，它们各有各的特色，下文将会对ZigBee技术与这些相关技术作

19、简单的分析比较，可以更好的了解它们各自的技术性能和应用领域。这些技术分别是红外、蓝牙、超带宽、IEEE802.11 x、家庭无线射频技术和无线射频识别技术。1993年，由20多个大厂商发起成立了红外8数据协会(IrDA:Infrared DataAssociation )，统一了红外通信标准，该标准采用850mm的红外光传输数据信息，红外信号要求设备之间必须具有无障碍的直线信道，通信距离通常最大不能超过l0m，并且，通信角度不能超过30度。红外的数据传输速率较快，最初大约为4Mbps，目前己经能够达到16Mbps 。 超带宽11(UWB: Ultra-Wave Band)无线通信技术是一种新型

20、的无线通信技术，根据美国FCC ( Federal Communication Commission，联邦通信委员会)从信号带宽的角度的确切定义:UWB信号是指“-10dB功率点处的相对带宽大于25%或射频的绝对带宽大于1.5GHz”的信号。该技术的工作频段范围为3.1-10.6GHz，工作带宽为7. 5 GHz，数据传输速率可达1.5Gbps，传输距离为l 0m 。由于这项技术存在信号带宽宽，数据传输速率高，而且，功耗低、隐蔽性好、抗信号多径效果好等优点，因此，这项技术备受到了各方面的关注。Internet网络的迅速发展，进一步加速了无线网络技术的应用和发展，特别是IEEE802.11 x1

21、2技术标准经过了十几年的发展，其技术性能指标得到了极大的提高，其技术性能指标由于所采用的技术和工作的频段不同，它们之间也存在许多差异。IEEE 802.11b，其工作频段为2.4GHz的ISM频段，采用直接序列扩频技术，传输速率为11 MBps。 a IEEE 802.11 a，其工作频段为5.2GHz，采用OFDM调制技术，具有较好的抗多径干扰能力，可提供8个信道，可采用6，9，12, 18，24，36，48，54Mbps等速率来传输数据。家庭无线射频技术(HomeRF)无线联网标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等技术巨头于1998年发起组建的HomeRF工作组负责研发的，其研

22、发初衷旨在为家庭无线联网提供一种组网方便、易用、成本低廉的通用性标准。它汲取了IEEE 802:11等无线标准的优势，能够有效降低话音和数据传输的成本，可提供1-2Mbps的数据传输带宽，新的HomeRF 2.x标准的最高数据传输带宽可以达到1 0Mbps，该技术的工作频率为2.4GHz，可以连接127个设备。无线射频技术(RFID: Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术。最简单的RFID系统由标签、阅读器和天线(Antenna ) 3部分组成，在实际应用中还需要硬件和软件的支持。标签可以按照电源类别不同别分为三个主要类别，（i）主动标签，

23、（ii）半被动标签和（iii）被动标签。主动标签用以回应阅读器询问时，使用内置电池进行操作和信号传输。为了更加直观表述和比较这几种短距离无线通信技术的性能，下面通过表1.1来进行说明。ZigBee技术与其他几种短距离无线通信技术在通信距离、传输速率上的差别。表1.1为几种短距离无线通信技术的性能比较。从中，我们不难看出，无论是ZigBee技术、蓝牙技术、HomeRF技术、红外技术、超宽带技术还是IEEE 802.11技术以及RFID技术，它们都具有各自的特点以适用不同的应用场合的应用，它们之间存在着相互竞争、且有相互补充，谁也不能完全替代另外一种。表1.1几种短距离无线通信技术的性能比较规范工

24、作频率传输速率（Mbps）最大功耗连接设备数安全措施主要用途ZigBee868/915MHz2.4GHz0.02,0.04,0.2513mW21626432，64，128位密钥家庭、控制、传感器网络红外850mm1.521,4,16数mW2靠短距离、小角度传输保证安全透明可见范围内数据传输、近距离遥控HomeRF2.4GHz1,2100mW12750次/秒跳频家庭无线局域网蓝牙2.4GHz1,2,31100mW71600次/秒跳频，128位密钥个人网络802.11a2.4GHz11100mW255WEP加密无线局域网802.11b5.2GHz6,9,12,18,24,36100mW255WEP

25、加密无线局域网802.11g2.4GHz54100mW255WEP加密无线局域网RFID5.8GHz0.212不需供电2密钥超市、物流管理1.4ZigBee技术概述 Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 这一名称来源于蜜蜂的舞蹈，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式形成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee技术并不是完全独有、全新的标

26、准。它的物理层、MAC层采用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)由ZigBee联盟进行了制定4。根据ZigBee之技术本质，ZigBee具有下列之特性：功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2

27、年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如：电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。 数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的

28、通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。 网络容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。一个ZigBee的网络最多包括有2

29、55个ZigBee网路节点，其中一个是主控（Master）设备，其余则是从属（Slave）设备。若是通过网络协调器（Network Coordinator），整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。 兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测（CSMA-CA）方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。 安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性

30、。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。 实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。而ZigBee的价格目标仅为几美分。 1.5本文工作本文的设计目标是设计一种基于ZigBee无线通

31、信技术的光照和温度监测系统，实现对光照和温度情况的实时动态监测，方便供暖部门的管理与检修。本文的主要工作如下：1.分析IEEE802.15.4和ZigBee协议，理解ZigBee技术的特性和通信原理。研究 TI公司的ZigBee协议栈及其具体实现方式，并能初步应用协议栈实现具体功能。2.测光照软件的编写及整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标。本文的结构大致分为三部分:第一部分为无线传感器网络的介绍以及对ZigBee技术、协议栈的介绍，包括第一章，第二章;第二部分为硬件和软件的具体实现以及整个网络的测试，包括第三章，第四章;第三部分为总结，对本论文的工作做简要评价。第一章:

32、绪论。该章介绍了无线传感器网络的概念以及国内外的研究现状，然后对包括ZigBee技术在内的几种短距离无线通信技术做了大体介绍和比较，最后对本文的工作做了提纲性的简介。第二章:ZigBee协议及其应用。本文从ZigBee协议的大体介绍到ZigBee协议栈的构架的分析，并对ZigBee技术的应用范围做了具体的阐述。主要内容包括ZigBee协议、ZigBee协议栈API、数据传输方式以及地址分配机制和路由算法等。 第三章：无线光照信息采集系统硬件的设计。该章首先对整个网络的结构做了介绍，然后就硬件的设计做了具体的阐述。主要包括节点硬件的组成与设计等内容。第四章：无线光照信息采集系统软件的设计与实现。

33、该章首先对整个网络的软件结构及协议栈做了介绍，然后就软件设计方面做了具体的阐述。主要包括节点软件的设计、节点间数据的通信等相关内容。第五章:总结。该章对本文所完成的任务做了总结，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协议及其应用ZigBee协议物理层和MAC层是基于IEEE802.15.4无线通讯协议14。ZigBee规范是由半导体厂商、技术供应商和其他公司组成的一家非营利工业协会，即ZigBee联盟。ZigBee规范致力于利用IEEE802.15.4所提供的特性，ZigBee适用于低速率、低功耗的应用环境。下图是ZigBee协议栈的概述图:App

34、lication Framework应用层（AF）Application Support Sublayer应用支持层（APS）Network Layer网络层（NWK）IEEE 802.15.4数据链路层（MAC层）IEEE 802.15.4 Physical Layer物理层（PHY）图2.1 ZigBee协议栈概述图2.1 IEEE802.15.4技术简述当前的IEEE802.15.4定义两个标准，分别是2.4GHz的物理层和868/915MHz的物理层。它们都基于DSSS，使用相同物理数据包格式。标准与常见的无线传输标准802.n不同，它要关注低速率、低功耗的应用。IEEE802.15.

35、4网络协议栈基于开放系统互连模型(OSI)，每一层都实现一部分通信功能，并向更高层提供服务。IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和MACA。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。2.1.1物理层(PHY) IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层两个物理层标准，它们都采用了 DSSS(DireetSequeneeSpreadSpectnJIn，直接序列扩频)。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的IsM频段，有助于设备的推广和生产成本的降低。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理

36、服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库15。物理层数据服务包括以下六方面的功能:(1)激活和休眠射频收发器;(2)信道能量检测 (energydeteet);(3)检测接收数据包的链路质量指示(link alityindieation，LQI);(4)空闲信道评估(clear channel hannelassessment，CCA);(5)信道频率的选择(6)收发数据。PD-SAP数据访问点PLME-SAP管理访问点 物理层管理实体PHYPIB 物理层RF-SAP 图2.2物理层参考模型PD-SAP支持两个对等的MAC层实体之间传输MAC协议数据单元（MPDU）。PD-SAP支持的原语一共

37、有三种：PD-DATA.request 、PD-DATA.confirm 和PD-DATA.indication。（1）PD-DATA.request原语由MAC层发送给本地物理层，请求发送MPDU（即物理层服务数据单元（PSDU）。物理层收到PD-DATA.request原语之后，如果设备处于发射使能状态（TX_ON），则物理层先把请求原语提供的PSDU封装成物理层协议数据单元（PPDU），然后开始发送。数据发送成功后，物理层就向MAC层发出状态为SUCCESS的证实原语PD-DATA.confirm。如果设备处于接收使能状态（RX_ON）或者处于发送关闭状态（TRX_OFF），则物理层向M

38、AC层发送状态为RX_ON或TRX_OFF的证实原语PD-DATA.confirm。（2）PD-DATA.confirm原语由物理层发送给MAC层，作为对PD-DATA.request原语的响应。（3）PD-DATA.indication原语指示一个MPDU从物理层传送到本地MAC层实体。此原语由物理层产生并发送给MAC层以提交接收到的PSDU。如果接收到的psduLength字段为0或者大于内部常数aMaxPHYPacketSize，则物理层不产生原语服务。2.1.2数据链路层(MAC)MAC层提供特定的服务汇聚子层（SSCS）和物理层之间的接口。从概念上说，MAC层还包括MAC层管理实体（

39、MLME）,以提供调用MAC层管理功能服务接口；同时，MLME还负责维护MAC PAN信息库MAC层参考模型如图2.2。数据链路层数据服务包括:(1)信标同步;(2)使用CSMA/CA信道访问机制;(3)支持时槽保证(guaranteedtimeslot，GTS)机制(4)支持MAC层实体之间可靠传输。(5)为协调器设备产生信标帧;(6)支持PAN的关联和解关联的操作;(7)支持设备无线通信信道安全;MLME-SAPMCPS-SAPPD-SAPPLME-SAPMACPIBMAC公共部分子层(MCPS)MAC层管理实体（MLME）图2.2 MAC层的参考模型2.2 ZigBee协议2.2.1Zi

40、gBee协议标准在物理层 (physiealLayer:PHY)方面，802.15.4之工作频率分为2.4GHz、868MHz /915MHz三种，分别提供250Kbps、40Kbps和20Kbps之传输速率。这些频段因是免费开放使用，故已有多种无线通讯技术使用，因此ZigBee为避免被干扰，故在各个频段皆是采用直接序列展频(DSSS)技术。2.2.2ZigBee协议栈ZigBee协议栈同开放式系统互联参考模型(OSIRM)一样采用分层模型，具体分层情况见图2.3。最低两层是由 IEEE802.15.4标准所定义，其他层则是有ZigBee联盟所定义： 图2.3Zigbee协议栈参考模型1)物理

41、层(Physical Layer, PHY)是IEEE 802.15.4标准中定义的最低层3。它包括两个物理子层。物理层的职责包括：信道的能量检测；接入链路服务质量信息评估;信道接入；信道频率选择与数据传输和接收等。2).数据链路层(Medium Access Control Layer, MAC)是由IEEE 802.15.4标准所定义3。MAC层的职责包括：网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持个域网( PAN)链路的建立与断开；为设备的安全性提供支持;信道接入方式采用免冲突，载波检测多址接入(CSMA/CA)机制；处理和维护保护时隙(GTS )机制;在两个对等的MAC实体之间提供一个可

42、靠的通信链路等。3)网络层(Network Layer, NWK)是由ZigBee联盟所定义，主要完成从应用层接受数据并向其发送数据。网络层的职责包括：配置一个新设备；NLME可以依据应用操作的要求来完全的配置栈。开始一个网络；加入或离开一个网络；分配地址；临近表发现；路由发现；接收控制。网络层的主要功能是提供IEEE802.15.4 MAC子层的正确操作，并通过SAP(服务接入点)为应用层提供相应的服务接口。为了与应用层进行交互，网络层在概念上包含有两种具备所需功能的服务实体：数据实体（LDE）主要是通过其相应的SAP(即NLDE- SAP)提供数据传输服务；管理实体（LME）则主要通过NL

43、ME- SAP来提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制度。 4)应用层(Application Layer, APL)包括应用支持层（APS）、zigbee设备对象（ZDO）、zigbee应用框架(AF)、zigbee设备模板和制造的定义。应用层是ZigBee协议栈的最高层。应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言，应用层包括以下几点功能：应用维持器件的功能属性;用应用层发现该器件工作空间中其他器件的工作；应用层根据服务和需求来使多个器件之间进行通信；应用层主要根据具体应用由用户开发。 (1)应用支持层(Application Support Layer, APS )提供

44、两个接口:应用支持层管理实体服务接入点(APS Management Entity Service Access Point ,APSME-SAP)和应用支持层数据实体服务接入点(APS Data Entity Service Access Point, APSDE-SAP )。前者用于实现安全性并通过协调器的ZDO来接受应用层的信息，后者通过应用对象和ZDO来发送数据17。 (2)ZigBee设备对象(ZigBee Device Object, ZDO)提供应用对象模板和APS之间接口。另外，ZDO还回复其它设备关于询问自身信息的请求。ZDO使用APSDE-SAP和NLME-SAP来支持这些

45、功能17。而同时ZDO可实现初始化APS、NWK和安全服务特性，根据端点应用配置信息，以确定实现安全管理、网络管理和绑定管理。 (3)应用对象.( Application Obj ect )是实际在ZigBee协议栈上运行的厂商应用17。 另外在上述分层结构中，一个安全服务提供者是可选的并供网路层和应用层所使用。基于IEEE 802.15.4对设备的分类，ZigBee协议对设备也做了更细的分类，具体分类见表2.2 18表2.2 ZigBee协议设备类型ZigBee协议设备类型IEEE设备类型功能协调器（Coordinater）FFD每个网络分配一个协调器，用于组网，分配网络地址，存储绑定表路由

46、器（Router）FFD可选。用于扩展网络的物理地址。允许更多节点加入网络，也可以提供监视和控制功能终端（End）FFD或RFD执行监视和控制功能2.3ZigBee协议栈API典型的应用程序总是使用应用层(APL)和应用支持层(APS)的API。下面就这两层API（应用编程接口）中重要的一部分作下介绍。2.3.1应用层(APL)API应用支持子层为上层实体（NHLE）与网络层提供了一个接口。APS层理论上包含一个管理实体称为APS层， 管理实体 （APSME） 。 这个实体通过调用子层的管理函数来提供服务接口。APSME还负责维护一个关于APS子层管理实体的数据库。 这是一个关于APS子层信息

47、库 （AIB）的数据库.图2.4描述了APS子层的构成和接口。APS子层通过两个服务指针（SAPs）提供两种服务。APS数据服务通过APS子层数据实体服务指针SAP（APSDE-SAP） ，APS管理服务通过APS则层管理实体服务指针 图2.4应用层参考模型SAP(APSME-SAP). 这两个服务通过NLDE-SAP和NLME-SAP 接口 (见3.2小节)提供了NHLE和网络层之间的接口。网络层和APS子层之间的NLME-SAP接口只支持NLME-GET 和 NLME-SET原语，其他的NLME-SAP原语只可以通过ZDO实现。除了这些外部接口以外，在APSME和APSDE之间还有一个内部

48、的接口，支持APSME使用APS数据服务。 2.3.2应用支持层(APS)API APS提供了这样的接口：在NWK层和APL层之间，从ZDO到供应商的应用对象的通用服务集。这服务由两个实体实现：APS数据实体（APSDE）和APS管理实体（APSME）。(1)APSDE通过APSDE服务接入点(APSDE-SAP)；(2)APSME通过APSME服务接入点（APSME-SAP）。APSDE提供在同一个网络中的两个或者更多的应用实体之间的数据通信。APSME提供多种服务给应用对象，这些服务包含安全服务和绑定设备，并维护管理对象的数据库。APS子层通过两个服务指针（SAPs）提供两种服务。APS数

49、据服务通过APS子层数据实体服务指针SAP（APSDE-SAP），APS管理服务通过APS则层管理实体服务指针SAP(APSME-SAP).这两个服务通过NLDE-SAP和NLME-SAP 接口 提供了NHLE和网络层之间的接口。网络层和APS子层之间的NLME-SAP接口只支持NLME-GET 和 NLME-SET原语，其他的NLME-SAP原语只可以通过ZDO实现。除了这些外部接口以外，在APSME和APSDE之间还有一个内部的接口，支持APSME使用APS数据服务2.4原语的基本概念在ZigBee设备工作时，各种不同的任务在不同层次上执行，通过层的服务，完成所要执行的任务。每一层的服务主

50、要完成两种功能:根据它的下层服务要求，为上层提供相应的服务;另一种是根据上层的服务要求，对它的下层提供相应的服务。各项服务通过原语来实现，如图2.3描述了一个具有N个用户的网络中，两个对等用户以及它们与M层对等协议实体建立连接的服务原语。原语分为以下4种类型:(1) Request:请求原语是从第S用户发送到它的第M层，请求开始对设备服务。 (2)Indication:指示原语是从第S;用户的第M层向第N:用户发送，指示对于第N:用户有重要意义的内部M层的事件。 (3) Response:响应原语是从第N用户向它的第M层发送，用来表示对用户原语调用过程的响应。 (4)Confirm:确认原语是

51、从第M层向第S用户发送，用来 传送服务请求原语的执行结果。2.5网络拓扑结在ZigBee网络中的节点有以下不同的网络拓扑结构:星型、树型和网状4。其中最简单的是星型结构，如图2.4(a)所示。它由协调器和多个终端节点构成，协调器作为整个网络的中心，终端节点分布在其的覆盖范围之内。一般用于设备数量较小、物理范围较小的场合。树形网由若干个协调器和节点构成如图2.4（b）具有较高的可靠性和较低的功耗。网状网络如图2.4(c)所示，其中的每个节点都可以作为协调器或者是路由器，具有很高的可靠性。2.5.1网络层概况 图2.5 网络层参考模型在逻辑上网络层内部由两部分组成分别是网络层数据实体（NLDE）和

52、网络层管理实体（NLME）网络层数据实体（NLDE）可提供数据服务以允许一个应用在两个或多个设备之间来传输应用协议，这些设设备必须在同一个网络中。NLDE可提供一下服务类型(1)通用的网络协议数据单元NPDU（2）特定的拓扑路由网络层管理实体(NLME)提供一个管理服务来允许一个应用和栈相连接。提供服务如下：（1）配置一个新设备（2）开始一个网络（3）加入或离开一个网络（4）分配地址（5）临近表发现（6）路由表发现（7）接收控制2.6数据传输机制 在无线传感器网络中，传送的基本上都是短消息(Message )。信息的格式包括帧头、数据内容、帧尾，数据内容的格式目前有两种，一种是KVP，另外是M

53、SG。2.6.1KVP格式KVP:是ZigBee规范定义的一种特殊数据传输机制，通过规定来标准化数据传输格式和内容，主要用于传输简单的变量值格式信息。KVP是通过应用支持层的APSDE_DATA request原语发送并通过APSDE DATA- indication来接收数据。表2.3为通用KVP命令帧格式。表2.3 通用KVP命令帧格式Bits：44160/8可变命令类型属性数据类型属性标识符错误代码数据1. KVP命令类型字段由4位二进制组成命令类型字段，同时标识了命令的类型。该字段应该填入表4中除保留值之外的其他值。如果消息(Messages)是通过协调器非直传的话，命令类型字段只能填

54、Set或Get，即0001或0010.2).属性数据类型字段由4位二进制组成属性数据类型的字段，标识了属性数据字段中数据的类型。属性数据字段的长度是在属性数据字段的第一个字节中指定出来或从数据类型中推算出来。3).属性标识符字段 由16位二进制组成了属性标识符字段，标识了命令要执行的目标设备的属性。该字段的值在相关设备描述中定义。4).属性数据字段属性数据字段是变长的，包含在属性标识符字段中所提及的属性的信息。该字段取决于属性的数据类型、设备的描述、特定的命令。如果该字段的长度没有直接在属性数据类型中定义，那么整个命令帧的长度不能大于maxCommandSize的大小，除非发送方和接受方都支持

55、分段传输。2.6.2MSG格式MSG：是ZigBee规范定义的一类特殊数据传输机制，用于专用的数据流或文件数据等数据量较大的传输机制。MSG是通过应用支持层的APSDE DATA request原语发送并通过APSDE DATA indication来接收的。MSG事务不显式的支持应用层的确认或者是命令的聚合，但是它可以自由 地组合帧来传递那些在具体应用中定义的消息。表2.6 MSG帧格式Bits：8可变事务长度事务数据1.事务长度字段 事务长度字段是由8位二进制组成的，标识了在接下来的事务数据字段中字节的个数。2.事务长度字段 事务数据字段是变长的，且除非发送方和接受方都支持分段传输，长度是

56、不能大于maxCommandSize的大小。同时字段包含了那些在具体应用中定义的属性的特定消息内容。2.7地址的分配机制 ZigBee网络为每个父类节点提供一块可用的地址范围，这些地址是在当前网络中唯一存在的，父类节点再把可用地址范围里向下级子节点分配。协调器决定了每个父类可以携带的子节点最多数，这些子节点包括最大个数个可路由节点和剩余的不可路由的子节点。每个节点拥有depth属性，是指当前节点到达协调器的最小跳数。通过父类节点所拥有的最大子节点数，nwkMaxChildren (Cm)，网络的最大深度，nwkMaxDepth (Lm)和父类节点所拥有的最大路由节点数nwkMaxRouters

57、 (Rm)，就可以通过公式计算出父类节点所能分配给子节点的网络地址子块，公式如下： （2-1）如果有设备的Cskip(d)值为0，那么这个设备就是终端节点，因为这个节点己经没有可用地址块再往下分了，这时就不让这个节点允许其他节点在加入自己。如果Cskip(d)值大于0，则父类节点就会允许其他节点加入自己，成为自己的子节点。同时根据子节点具备的路由功能为其分配短地址。父类节点应该以Cskip(d)作为偏移量，以自己拥有的短地址为基准，分配给其具有路由功能的子节点。对于终端节点，父类节点根据下面公式来分配地址: (2.2) 下面给出一个例子，nwkMaxChildren为4；nwkMaxRoute

58、rs为3 ；nwkMaxDepth为3计算Cskip(d)值如下表所示:表2.8网络每个深度下的偏移量网络的深度d偏移量Cskip（d）0161521302.8路由花费和路由算法2.8.1路由花费ZigBee把比较路由路径的开销作为用于路由发现和维持的算法。当计算路径开销时，ZigBee会计算路径上的每一段链接的成本，并取得所有成本之和来作为最终该路径的开销。例：定义一条长度位L的路径P, 为路径P的表示，而表示P中的每一段链路，则路径P的开销: (2.3) 其中，CD;几十，表示每一段链路的成本。而链路l的成本Cl定义如下: (2.4) 当定义了数据包在链路1上传递的可能性Pr时，Cl采用下

59、面的计算公式，不然为7，如果定义了数据包在链路1上传递的可能性Pr，则可能性的倒数会影响在该链路上期待要通过数据包的数目。反之，则链路的成本为7。2.8.2路由算法路由是指路由器从一个接口上收到数据包，根据数据包的目的地址进行定向并转发到另一个接口的过程。路由通常与桥接来对比，在粗心的人看来，它们似乎完成的是同样的事。它们的主要区别在于桥接发生在OSI参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层（网络层）。这一区别使二者在传递信息的过程中使用不同的信息，从而以不同的方式来完成其任务。 路由的话题早已在计算机界出现，但直到八十年代中期才获得商业成功。究其主要原因是七十年代的网络普遍很简单，

60、发展到后来大型的网络才较为普遍。 工程术语。指道路情况，包括道路宽度、深度、方向等信息。 从低层传上来数据帧，假如目的地址是广播地址，那么网络层就应该将这个帧广播出去并且将帧传向更高层。如果不需要广播，网络层就应该判断帧的目的地址是否为自己的逻辑地址相符27。（1）相符，网络层将帧传向高层去处理。(2)不相符，处理过程就同接收高层传下来帧的情况相同。树型路由机制包括配置树型地址和树型地址的路由。当协调器建立一个新的网络，它将给自己分配网络地址0，网络深度Depth0=0。如果节点（i）想要加入网络，并且与节点（k）连接，那么节点（k）将称为节点（i）的父节点。根据自身的地址Ak和网络深度Dep

61、thk，节点（k）将为节点（i）分配网络地址Ai和网络深度Depthi=Depthk+1。网络深度表示只是采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到ZigBee协调器所传递的最小跳数。ZigBee协调器自身深度为0，其子设备深度为1。图2为ZigBee树型结构。参数nwkMaxChildren(Cm)表示路由器或协调器在网络中允许拥有子设备数量的最大值。参数nwkMaxRouters(Rm)表示子节点中路由器的最大个数，而剩下的设备数为终端设备数。一个新的RFD节点（i），它没有路由能力，它与协调器连接作为协调器的第n个子节点。根据它的深度d，父节点（k）将为子节点（i）分配网络地址：Ai=Ak+

62、Cskip（d）Rm+n 其中1n（Cm-Rm） (式 1) 如果是新的子节点FFD，它有路由能力，父节点（k）将给它分配网络地址： Ai=Ak+1+Cskip（d）（n-1） (式 2)其中， (式 3)否则，参数nwkMaxDepth (Lm)表示网络的最大深度。 例如 路由器向网络地址为D的目的地址发送数据包，路由器的网络地址为A，网络深度为M。路由器将通过表达式：A D A + Cskip( M-1 ) (式 4)判断该目的节点是否为自己的子节点。如果目的节点是自己的子节点，则下一跳节点的地址为： (式 5)否则，下一跳节点是该路由器的父节点。 路由选择 (1)ZDO_NetworkFormationConfirmCB()：协调器建立网络请求的回调函(2)ZDO_Star