毕业设计（论文）基于ZigBee的家居防盗系统研究

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1、 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 文献综述题 目 基于 Zigbee 协议的家庭 防盗系统研制 学生姓名 专业班级 电气工程及自动化 1 班 学 号 系 （部） 电气信息工程系 指导教师(职称) 完成时间 2011 年 2 月 28 日 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制河南工程学院论文版权使用授权书河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供

2、本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名： 2011 年 6 月 6 日 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制河南工程学院毕业设计河南工程学院毕业设计(论文论文)原创性声明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论

3、文原创性声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 2011 年 6 月 6 日基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制目 录中文摘要.I英文摘要.II1 绪论.II1.1 国内外相关技术发展现状 .11.1.1 国内外家居防盗系统的发展现状.11.1.2 无线局域网的发展与研究现状.11.2 家居防盗系统的特点和设计中考虑因素 .21.2.1 传统家居防盗系统的特点和不足.21.2.2 家居防盗系统设计主要考虑的因素.21.3 家居防盗系统中无线通信技术的选择 .22 家居防盗系统的无线组网技术-ZIGBEE .42.1 ZIGBEE 技术的起源 .42.2 选择 ZIGBEE 技术组建家

4、居防盗网络.42.3 ZIGBEE 协议架构 .42.3.1 物理层规范.52.3.2 MAC 层规范 .52.3.3 网络层规范.52.3.4 应用层规范.62.4 ZIGBEE 技术安全管理 .62.5 本章小结 .63 ZIGBEE 应用开发相关基础.73.1 ZIGBEE 应用开发相关概念 .73.1.1 配置文件.73.1.2 描述符.73.1.3 绑定.83.1.4 发现.83.2 ZIGBEE设备类型.83.3 ZIGBEE网络拓扑.93.3.1 星型网络拓扑.93.3.2 树状网络拓扑.9基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制3.3.3 网状网络拓扑.103.4 ZIGBE

5、E网络构建.113.4.1 ZigBee 协调器创建新网络.113.4.2 设备入网.113.5 ZIGBEE网络地址分配机制.113.5.1.随机分配机制.113.5.2.分布式分配机制.113.6 路由.123.7 数据传输.133.7.1 向协调器传输数据.133.7.2 协调器传输数据.133.7.3 对等传输数据.143.8 本章小结.144 基于 ZIGBEE 的家居防盗系统设计.154.1 系统总体规划 .154.1.1 系统总体方案设计.154.1.2 网络拓扑结构选择.154.1.3 配置文件设计.164.2 系统硬件设计 .164.2.1 ZigBee 模块设计.164.2

6、.2 系统传感器节点设计.174.3 本章小结.185 系统软件设计.195.1 ZIGBEE 模块相关软件设计 .195.2 PC 监控软件设计.225.3 本章小结.22结束语.23致 谢.24参考文献.25基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制I基于 ZigBee 的家居防盗系统研究摘摘 要要随着科技的进步和人民生活水平的日益提高，人们将注意力越来越多地放在了他们的生活环境上，他们渴望更安全、更舒适、更便利的生活空间。家居防盗系统利用计算机技术和网络技术，将与家居生活中安全相关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，为人们提供更安全、更舒适、更便利的居住环境。 本文介绍了家居防

7、盗系统的国内外发展概况，综合比较了目前流行的几种短距离无线通信技术，认为 ZigBee 这种新兴的低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术是更加适合无线家居防盗系统的技术标准。所以选择 ZigBee 技术组建了家居防盗系统无线通信网络，该网络采用网状网络拓扑结构，具有自组网、自修复、传感器节点动态加入、自动报警功能。本文深入地对 ZigBee 协议做了全面的研究分析，包括各个通信协议层的结构与功能，在此基础上介绍了 ZigBee 技术应用开发的相关概念，并采用 TI 公司的单芯片CC2430 解决方案设计实现了一个基于 ZigBee 家居防盗系统，设计内容包括系统总体规划、系统硬件设计和系统软

8、件设计。关键词关键词 ZigBee/CC2430/家居防盗基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制IIResearch of Home Security SystemBasedon ZigBeeABSTRACTWith the development to modern science and the raising of peoples living standard, people pay more and more attention to their living environment. They want an intelligent living space which mak

9、es their life safer, more comfortable and more convenient. The home security system takes the advantage of computer technology and network technology to combine all the sub-system related with our home life together and manages the masawhole,so a stop provide a safer, more comfortable and more conve

10、nient living environment.This thesis introduces the development to home security system although meant abroad. Through the analys is and comparation of several related short-ranged wireless network technology standards which are popular nowadays, I think ZigBee, anew low-power, low-rateand low-cost

11、short-ranged wireless network technology, is better suit able for the wireless home security system. So I choose the ZigBee as networking method to setup the home security wireless communication network with me shtopology.This network is self-organizing, self-repairing, and sense node can join dynam

12、ically, alarm auto matically.This thesis researches and analyses the ZigBee protocol standard in details, including the structure and function of each protocollayer.Then introduces some concepts related to the ZigBee application development. adopt TIs single-chip solutionCC2430 to build our home sec

13、urity system based on ZigBee.My work contain cover all plan of the system, the hard ware design of the system and the soft ware design of the system.Key words ZigBee, CC2430, and homesecurity基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制11 绪论1.1 国内外相关技术发展现状1.1.1 国内外家居防盗系统的发展现状自从世界上第一幢智能建筑于 1984 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济

14、比较发达的国家先后提出了各种智能家居防盗系统方案。近来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业，先后跻身于智能家居防盗系统的研究与开发中，3COM 公司也一直在通过因特网向用户宣传智能家居防盗系统这一概念，并正在研发家用无线网关等网络产品。此外 Intel 公司、托马杜多媒体公司、日本松下电器公司、新加坡科技电子公司、韩国三星公司等知名企业也正致力于智能家居防盗系统的研发工作。在国外各大企业研发智能家居防盗产品的同时，国内厂商也已开始智能家居防盗产品的研发和生产，特别是一些大型 IT 企业利用自身在资金与技术方面的优势，在低端产品市场上占据了相当重要的地位。比如：清华同方 e-h

15、ome 事业部、北京德达创先科技集团、南京普天楼宇智能有限公司、中美科龙公司、上海五艾智能系统有限公司、深圳正星特科技有限公司等都正加紧研发智能家居防盗系统的相关产品。总体来说，中国的家居防盗行业刚刚起步，它还显得比较稚嫩。国家尚没有正式颁布相关的行业技术标准，厂家采用各自不同的技术解决方案，这在某种程度上制约了中国家居防盗行业的发展，在今后相当长一段时间内技术的整合趋势将形成统一的标准。而且目前大都采用了有线通信技术，系统设计、布线成本较高，基于无线通信技术的家居防盗系统目前还处于试验阶段。1.1.2 无线局域网的发展与研究现状无线局域网是计算机间的无线通信网络。相比有线通信的悠久历史，无线

16、网络的历史并不长，特别是充分发挥无线通信的“可移动”特点的无线局域网则是 20 世纪 90 年代才出现的。1985 年，美国联邦通信委员会(Federal Communication Committees， FCC)授权普通用户可以使用 ISM 频段，把无线局域网推向商业化发展。FCC 定义的 ISM 频段为 902-928MHz，2.4-2.4835GHz 和 5.725-5.875GHz 三个频段。目前世界上大部分国家的无线电管理机构也分别设置了各自的 ISM 频段，1996 年我国无线电管理委员会开放了 2.4-2.4835GHz(IEEE 标准)的 ISM 频段。ISM 频段的免费开放

17、对无线产业的发展产生了巨大的积极影响，保证了无线局域网元器件的顺利开发。近几年，由于数据通信需求的推动，加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段。各种新的短距离无线技术不断的被提出并取得了令人瞩目的成就。如 WLAN 技术、HOMERF 技术、蓝牙技术、红外通信技术、移动自组织网络技术(Ad-Hoc),以及近年兴起的 ZigBee 技术等。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制21.2 家居防盗系统的特点和设计中考虑因素1.2.1 传统家居防盗系统的特点和不足传统的家居防盗系统一般是有线方式组建的普遍还存在以下缺点：1基于有线方案的明显缺

18、点是布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观；2系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差；3标准不统一，家居内部设备的通信和控制没有遵循一个国际上统一的通信接口标准，设备在家居内部的编码方式随意混乱。1.2.2 家居防盗系统设计主要考虑的因素针对以上提出的目前家居防盗系统中存在的不足，本文从技术发展的角度来考察设计中应考虑的因素。与家居数据通信网络的核心目标不一样，家居防盗系统网络需要的是低速率、低成本的控制手段。从实用的角度来看，防盗系统需要的是能提供更便利、更智能的无线通信网络。在家居防盗网络中，应该要考虑以下特点：1自组织。不能期望用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境

19、下各种资源的自组织和协同工作显得十分重要；2节点的动态加入或撤离。要求节点的动态加入和撤离不会影响整个网络的运行；3可扩展性。期望软硬件设计过程中能够遵循模块化设计思想，在将来的扩展过程中能够改动较少，甚至无需修改。1.3 家居防盗系统中无线通信技术的选择家居防盗系统中，网络技术的选择一般以下面两个方面作为依据：一是组建网络的性能要求，如数据传输速率、可靠性等；另一个就是能否满足用户的功能需求。与家居数据网络的核心目标不同，家居防盗系统需要的是短距离、低速率、低功耗、低成本的监测和控制手段以及灵活的组网方式。目前比较流行的无线标准有 WiFi 技术、蓝牙技术、GPRS/GSM 等等。ZigBe

20、e 技术和蓝牙技术都属于 IEEE802.15 协议，在一定的范围内有重叠，但其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。ZigBee 技术作为一种低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，更适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据速率传输的低成本设备之间应用，而蓝牙更适合于语音业务及需要更高数据量的业务，如移动电话、耳机等。ZigBee 与蓝牙技术相比较有许多相似点，但就应用于家庭网络中来说，ZigBee 技术更具优势。蓝牙的传输距离小于 10 米，这在大一点的家庭住宅中是一个极大的障碍，因而很难构成无线通信网络，而 ZigBee 的最大传输范围在 基于 ZigBee 协议的家庭防

21、盗系统研制310100 米，非常适合家庭网络的组建；其次，在一个蓝牙网络中最多容纳 8 个节点，而 ZigBee 理论上最大可以组建 65536 个节点的网络，其网络容量远远大于蓝牙，可以远远满足家庭网络的需要；最后，蓝牙模块的成本较高，其功耗也比 ZigBee 相比大很多。虽然蓝牙的传输速率要大过 ZigBee，但 ZigBee 的 250kbps 的传输速率在家庭网络中已足够使用。而 IEEE802.11 是 IEEE 最初制订的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域网和校园网，由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE 小组又相继推出了 IEEE802.11b/a/g 标准，

22、但这都是高速率传输协议，用于家居控制网络有些大材小用，而且价格昂贵。另外，在家庭防盗网络中，往往有很多子节点采用电池供电，例如分布在住宅各处的传感器节点，这就需要极低的功耗且在通常状态下应具有休眠状态，从而最大程度地延长电池的寿命，减少网络的维护费用，降低系统的成本，ZigBee 在低功耗方面有出色的表现，ZigBee 主要通过降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率，降低帧开销以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。再者，ZigBee 技术的数据传输可靠性高：采取了 CSMA-CA 机制，同时为需要固定带宽的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，

23、MAC 层可以使用完全确认的数据传输机制，此时每个发送的数据包都必须等待对方的确认信息。值得说明的还有一点，ZigBee 技术通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，设备搜索时延典型值为 30ms，休眠激活时延典型值为 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms。通过上述分析，可以得出结论，ZigBee 技术无疑是家庭无线防盗系统实现的一个很好的选择。ZigBee 技术弥补了短距离、低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量已经转到应用的设计和实现上了。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制42 家居防盗系统的无线组网技术-ZigBee2.1

24、ZigBee 技术的起源“ZigBee”一词源自蜜蜂在发现花粉位置时，通过跳 ZigZag 形舞蹈来告知同伴，传递所发现新食物的位置、距离和方向等信息。可以说，是一种小动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通，人们借此来称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的短距离无线网络通信技术。ZigBee 早期也曾被称过“HomeRF Lite” 、 “RF-EasyLink”或“FireFly”无线通信技术，目前统一称之为“ZigBee 技术” 。现实生活中，也存在着许多这样的无线应用，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，要求进行实时传送，例如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制

25、网络等应用，系统所传输的数据量小，传输速率低，系统所使用的终端设备通常为采用电池供电的嵌入式设备，如无线传感器网络，因此，这些系统必须要求传输设备具有成本低、功耗小的特点，针对这些特点和需求，由英国 Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在 2002 年共同宣布组成 ZigBee 技术联盟，合力推动 ZigBee 技术。到了 2004 年底，ZigBee1.0 版标准正式公布。2004 年底到 2006 年不到两年的时间里，ZigBee 联盟已经由最初的十多家公司发展到拥有全世界 150 多家知名厂商加盟的商业团体。在众多厂商的追捧下，ZigBee 技术

26、正呈现出蓬勃的发展态势。2.2 选择 ZigBee 技术组建家居防盗网络1. 采用标准化的 ZigBee 无线通信技术应用于家居防盗系统有下列优势：家居防盗系统中各种功能的传感器节点要能相互交流、相互沟通，就需要保证节点的互通性，即网络的标准化。2家居防盗系统中各种功能的传感器节点可以像一个星状连接；也可以像一个葡萄串一样串在一起；还可以像一张大网一样相互连接，相互间可以在任意节点间进行通信。3按照 ZigBee 标准设计生产出来的监测和控制产品，与那些使用其他无线标准（如蓝牙和 Wi-Fi）的产品相比，安装更容易，功耗更低；特别是在处理远程监测和控制系统中，区别更加明显。2.3 ZigBee

27、 协议架构ZigBee 协议架构是建立在 IEEE802.15.4 标准基础之上的。IEEE802.15.4 标准定基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制5义了 ZigBee 协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC） 。ZigBee 联盟则定义了 ZigBee 协议的网络层（NWK） 、应用层（APL）和安全服务规范。ZigBee 协议栈以 OSI 七层参考模型为基础，只定义了其中与 LR-WPAN（低速无线个域网）应用相关的协议层。服务是一个协议层（服务提供者）向其上一层（服务用户）提供的功能，而服务用户的功能是建立在其下一层提供的服务基础之上的。服务是通过服务提供层和服务用户层

28、之间的信息流来描述的，层间信息流是一系列离散的事件，每个事件通过层间 SAP（服务访问点）发送一个服务原语。服务原语是一个抽象的概念，它仅仅指定了实现特定的服务需要传递的信息，而与实现服务的具体方式无关。一种服务包括一个或多个服务原语，原语中的参数用来传递提供服务所要求的信息。2.3.1 物理层规范IEEE802.15.4 物理层主要完成以下几项任务：1开启和关闭无线收发信机；2对当前信道进行能量检测（ED，Energy Detect） ，信道能量检测为网络层提供信道选择依据；3对接收的数据包进行链路质量指示（LQI，Link Quality Indication） ，链路质量指示为网络层和应

29、用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息；4空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment） ，判断信道是否空闲；5信道频率选择；6发送和接收数据。2.3.2 MAC 层规范MAC 层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责以下任务：1产生网络信标（如果设备是协调器） ；2同信标保持同步；3支持 PAN 的连接和断开连接；4支持设备的安全性；5信道接入采用 CSMA-CA 机制；6处理和维护 GTS 机制；7在对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。2.3.3 网络层规范网络层应提供保证 IEEE802.15.4-2003 MAC 层正确工作的能力并为应用层

30、提供合适的服务接口。为了与应用层接口，网络层从概念上包括两个服务实体：网络层数据服务实体和网络层管理服务实体。网络层数据实体（NLDE）通过 NLDE-SAP 为应用层提供数据服务；网络层管理实体（NLME）通过 NLME-SAP 为应用层提供管理服基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制6务。NLME 要借助 NLDE 完成部分管理任务，另外它还要维护一个有关管理对象的数据库，即网络层信息库（NIB） 。2.3.4 应用层规范ZigBee 应用层包括应用支持子层（APS） 、ZigBee 设备对象（ZDO）和厂商定义的应用对象。2.4 ZigBee 技术安全管理ZigBee 提供了三级安全

31、模式，包括非安全模式、接入控制列表（ACL）模式和安全模式，以及采用高级加密标准 AES128 的对称密码，以灵活确定其安全属性。安全模式对接收或发送的帧提供全部的四种安全服务：访问控制、数据加密、帧完整性检查和序列更新。2.5 本章小结本章对 ZigBee 技术作了完整的介绍，包括 ZigBee 技术的起源、协议框架以及各个通信协议层。其中详细分析了各个通信协议层的具体功能与作用，最后简单介绍了 ZigBee 技术安全管理。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制73 ZigBee 应用开发相关基础3.1 ZigBee 应用开发相关概念3.1.1 配置文件配置文件（Profile）是一个关

32、于消息、消息格式和处理行为的协议，它使得位于分离设备的应用层能通过发送命令、请求数据和处理命令/请求来创建一个互操作的、分布式的应用程序。家庭照明控制配置文件是最早的配置文件，该配置文件允许 6 个设备类型相互交换控制信息构成一个家庭无线自动化应用。这些设备结合在一起交换约定消息（采用 KVP 服务类型）来实现控制，如开关灯、发送光感应器件的测量结果到照明控制器、感应器检测到移动时发出报警信息等。ZigBee 联盟已经定义了部分标准的配置文件，比如远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节点都可以与实现相同配置文件的节点进行互操作。用户也可以创建自己的配置文件然后递

33、交 ZigBee 联盟测试、审核批准。配置文件标识是唯一的。一旦得到配置文件标识，就允许配置文件设计者定义并分配以下内容：设备描述、簇标识、服务类型（KVP 或 MSG） 。 1簇标识簇由簇标识区分，簇标识与流出或流入设备的数据是相关联的。簇标识在特定的配置文件中是独一无二的。通过一个输出簇标识和一个输入簇标识的匹配（假设在同一个配置文件中） ，才能实现绑定。2设备描述设备描述是指一个大型目标应用的一部分，包括一个或多个簇，并且指定簇是输入还是输出。3服务类型应用框架可以给一个应用对象提供两个数据服务：键值对服务和消息服务。3.1.2 描述符ZigBee 设备用描述符数据结构对自身进行描述。Z

34、igBee 描述符分为 5 种：节点、节点电源、简单的、复杂的、用户。1节点描述符节点描述符包含的是有关 ZigBee 节点能力的信息，该描述符对各个节点都是强制支持的。在一个节点中只有一个节点描述符。2节点电源描述符节点电源描述符动态指示节点电源的状态，它是每个节点必须支持的描述符。每个节点只能有一个节点电源描述符。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制83简单描述符 简单描述符包含的是节点中各端点的特定信息。简单描述符是节点中的每个端点必须支持的描述符。4复杂描述符复杂描述符包含的是节点中各个设备描述的扩展信息。复杂描述符的使用是可选的。5用户描述符用户描述符包含的信息允许用户使用用户

35、友好的字符串来标识设备。用户描述符的使用是可选的。该描述符只有一个 16 字节的字段，最多包含 16 个字符。3.1.3 绑定ZigBee 定义了一个称为端点绑定的特殊过程。绑定即在源节点的某个端点（Endpoint）和目标节点的某个端点（Endpoint）之间创建一条逻辑链路。绑定可以发生在两个或多个设备之间。协调器节点维护一个基本上包括两个或多个端点之间的逻辑链路的绑定表。3.1.4 发现1设备发现 设备发现是一个 ZigBee 设备通过发起询问（广播和单播）发现其他 ZigBee 设备的过程。这里有两种形式的设备发现请求：IEEE 地址（64 位）请求和 NWK 地址（16 位）请求。I

36、EEE 地址请求是单播，并且假定知道 NWK 地址。NWK 地址请求是广播，并把 IEEE 地址作为它的净载荷。2服务发现服务发现是接收设备端点的服务被其他设备发现的过程。服务发现通过向给定设备的每个端点发出轮询或通过使用一个匹配服务特征（要么广播，要么单播）得以完成。服务发现使用了复杂描述符、用户描述符、节点描述符或功率描述符加上端点（为了连接应用对象）进一步寻址的简单描述符。3.2 ZigBee 设备类型ZigBee 是 ZigBee 联盟在 IEEE802.15.4 定义的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）基础之上制定的一种 LR-WPAN（低速无线个域网）技术规范。对于网络中的

37、设备，IEEE802.15.4 和 ZigBee 联盟所制定的标准分别有不同的定义方法和规范术语。根据设备功能的不同，IEEE802.15.4 把网络中的设备分为全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD） 。FFD 实现了 IEEE802.15.4 协议的全集，而 RFD 则根据特定的应用需要只实现了 IEEE802.15.4 完整协议中的一部分。一个 FFD 可以和 RFD 通信，也可以和其他的 FFD 通信；而 RFD 只能和 FFD 通信。PAN 协调器是 PAN 网的总控制器，一个 IEEE802.15.4 网络中只有一个 PAN 协调器，PAN 协调器必须是 FFD。协调器也基于

38、ZigBee 协议的家庭防盗系统研制9是 FFD，它通过发送信标提供同步服务，PAN 协调器是一种特殊的协调器。IEEE802.15.4 网络中除 PAN 协调器和协调器之外的其他设备都是一般设备，它们可以是 FFD，也可以是 RFD。ZigBee 联盟把 IEEE802.15.4 中定义的 PAN 协调器、协调器和一般设备分别称作“ZigBee 协调器” 、 “ZigBee 路由器” 、 “ZigBee 终端设备” 。3.3 ZigBee 网络拓扑3.3.1 星型网络拓扑星型网络拓扑包含了一个 ZigBee 协调器和一个或更多的终端设备。星型网络拓扑如图 3-1 所示，所有的终端设备都只与

39、ZigBee 协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。图 3-1 星型网络拓扑星型网络拓扑的最大优点是结构简单。这种简单带来的好处是：很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息、管理简便。但是这种简单是以牺牲灵活性为代价的，因为需要把每个终端节点放置在 ZigBee 协调器的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围。另外，星型网络拓扑很难实现高密度网络扩展，集中的信息涌向中心节点，容易形成热点，导致通信堵塞、丢包、性能下降等，这取决于数据量的情况。目前，星型网络结构是最常见的网络配置结构

40、，被大量应用在远程监测和控制中。3.3.2 树状网络拓扑树状网络拓扑结构是多个星型拓扑的集合。如图 3-2 所示。终端设备可以选择加入 ZigBee 协调器或者 ZigBee 路由器。路由器提供两种功能的服务。一是为整个网络增加可能的节点数。二是扩展网络覆盖的物理范围。有了路由器以后，终端设备不需要在协调器的射频范围内也可以加入网络。在树状网络中，所有的信息都由树节点来组织路由。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制10图 3-2 树状网络拓扑树型拓扑结构最值得注意的地方就是它保持了星型拓扑的简单性：较少的上层路由信息、较低的存储器要求，这样成本必然也较低。然而，树型拓扑结构也不能很好地适

41、应外部的动态环境。从图中可以看出，在信息源与目的之间，有且仅有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。树型拓扑结构的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好地用在一些简单的低数据量（如传感器）的大规模集合的应用之中。如果应用需要一定的覆盖范围，网络有一定的稳定性和扩展性，树型拓扑结构将是一个简单的选择。3.3.3 网状网络拓扑网状网类似于树状网络配置，如图 3-3 所示。只是 FFD 可以直接把消息发送给其他的 FFD 而不用沿着树来传输。来自 RFD 的消息依然要通过它的父节点来转发。网状网络拓扑的优势在于减少了消息传输的时延并且增加了可靠性。图 3-3 网状网络

42、拓扑网状网络拓扑是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。从图中可以看出，网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。网状网络拓扑与星型网络拓扑、树型网络拓扑相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定可知的路由模式。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制113.4 ZigBee 网络构建3.4.1 ZigBee 协调器创建新网络 ZigBee 协调器按如下步骤创建新网络。1信道能量检测扫描。NLME 将根据能量递增的顺序对信道排序并剔除其中能量强度不符合要求的信道。2NLME 在剩下的信道上执行主动扫描。为了找到最合适创建新网络的信道，NLME 检索主动扫描返回的PAN 描述符，

43、找到其中现存网络最少的第一个信道作为创建新网络的工作信道。3NLME 为新网络选择一个 PANID。如网络层的请求原语中指定了 PANID，并且与现存网络的 PANID 不冲突，那么 PANID 的值就是新网络的 PANID；否则，设备将随机选择一个唯一的且不大于 0 x3fff 的 PANID，并将 MAC 层属性 macPANID 设为选定的 PANID，如果没有唯一的 PANID 可选，创建新网络失败。4选择 16 位网络地址。ZigBee 协调器的 NLME 选择 0 x0000 作为自己的网络地址，并将 MAC 层属性macShortAddress 的值设为 0 x0000.5开始启

44、动新网络。3.4.2 设备入网当网络中的 ZigBee 协调器或 ZigBee 路由器允许一个新设备加入网络时，这两个设备就构成了父子关系。新加入的设备是子设备，而第一个设备是父设备。 。一个子设备可以通过下面两种方式加入网络：通过 MAC 层关联过程加入网络或由先前指定的父设备直接加入网络。一个被直接加入到网络中的设备为了完成与父设备的关系建立，将启动孤立申明过程，即子设备通过孤立申明加入网络；一个加入到网络中的子设备又与父设备失去联系时，要重新加入网络也要启动孤立申明过程，即子设备通过孤立申明重新加入网络。3.5 ZigBee 网络地址分配机制3.5.1.随机分配机制随机分配机制是指当 N

45、IB 的 nwkAddrAlloc 值为 0 x02 时，地址随机选择。在这种情况下 nwkMaxRouter 就无意义了。随机地址分配应符合 NIST 测试中的描述 。当一个设备加入网络使用的是 Mac 地址，其父设备应选择一个尚未分配过的随机地址。一旦设备已分配一个地址，它没有理由放弃该地址，并应予以保留，除非它收到声明，其地址与另一个设备冲突。此外，设备可能自我指派随机地址，比如利用加入命令帧加入一个网络。3.5.2.分布式分配机制每个 zigbee 设备应该拥有一个唯一的 MAC 地址。协调器（coordinator）在建立网络以后使用 0 x0000 做为自己的短地址。在路由器（ro

46、uter）和终端(enddevice)加入网络基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制12以后，使用父设备给它分配的 16 位的短地址来通讯。16 位的地址意味着可以分配给 65536 个节点之多，地址的分配取决于整个网络的架构，整个网络的架构由这 3 个值决定：1.网络的最大深度(Lm)；2.每个父亲设备拥有的孩子数(Cm)；3.第 2 条的孩子设备当中有几个是路由器(Rm)。 有了这 3 个值就可以根据下面的公式来算出某父设备的路由器子设备之间的地址间隔 Cskip(d)：otherwiseRm-1Rm*Cm-Rm-Cm11m if1-d-mm1dskip1 -d-Lm，），（）（RLC

47、C上面这个公式是用来计算位于深度 d 的父亲设备的，它所分配的子路由器之间的短地址间隔。该父亲设备分配的第 1 个路由器地址=父亲设备地址+1，分配的第 2 个路由器地址=父亲设备地址+1+Cskip(d)，第 3 个路由器地址=父亲设备地址+1+2Cskip(d)，依次类推。计算终端地址：这个公式是来计算 A parent 这个父亲设备分配的第 n 个终端设备的地址 A n。3.6 路由ZigBee 协调器和路由器将提供以下一些功能：1代表高层转发数据帧；2代表其他 ZigBee 路由器转发数据帧；3为后面的数据帧建立路由而参与路由发现；4代表终端设备参与路由发现；5参与端到端路由修复；6参

48、与本地路由修复；7使用路由发现和路由修复中指定的 ZigBee 路径成本度量。此外，ZigBee 协调器和路由器还可能提供下列路由功能：1为记住最好的可用路由而维护路由表；2代表上层启动路由发现；3代表其他 ZigBee 路由器启动路由发现；4启动端到端路由修复；5代表其他 ZigBee 路由器启动本地路由修复。ZigBee 协调器或 ZigBee 路由器还可能预留一些路由记录表专用于路由修复和在其他路由能力都耗尽的时候才使用。所谓路由表能力是指设备使用路由表能够建立起一条到达特定目的设备的路由。如果一个设备是 ZigBee 协调器或 ZigBee 路由器，它维护的路由表中有空闲的路由表记录或

49、已经有一个与目的设备对应的路由表记录，并且正在尝试路由修复的设备预留了专用于路由修复的路由表记录，那么就说它具有“路由表能力” 。路由表记录在设备中是长期存在的，而路由发现表记录仅维持一次路由发现操作的时间并且可以重复使用。如果一个设备维护了一个路由发现表，并且路由发现表中有空闲的记录，那么就说这个设备具有“路由发现表能力” 。如果一个设备既有基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制13路由表能力，又有路由发现表能力，那么就说设备具有“路由能力” 。3.7 数据传输ZigBee 技术中存在三种数据传输模式：1数据从设备传输到协调器；2数据从协调器传输到设备；3数据传输在两个对等设备之间。在星

50、型网络中，只有第一种和第二种数据传输模式，因为数据交换只能在协调器和设备之间进行；在对等网络中，由于设备之间可以交换数据，所以有三种数据传输模式。3.7.1 向协调器传输数据在使用信标的网络中，当设备希望传输数据到协调器时，它首先监听网络信标。监听到信标之后，设备将与超帧结构保持同步。在适当的时候，设备使用 CSMA-CA机制向协调器发送数据帧。协调器成功接收后，发送一个可选应答帧予以应答，最后完成整个过程，如图 3-4 所示。图 3-4 使用信标的网络通信当设备在非信标的网络中传输数据时，它采用非时隙 CSMA-CA 接入机制向协调器传输数据。协调器成功接收后，可发送一个可选的应答帧予以应答

51、，整个过程如图3-5 所示。图 3-5 不适用信标的网络通信3.7.2 协调器传输数据在使用信标的网络中，当协调器需要向其他设备传输数据时，网络信标就表明有待发送的数据。设备周期性监听网络信标，当有消息发送时，设备就使用 CSMA-CA传输 MAC 子层请求命令。协调器通过发送可选应答帧予以应答，表示已经接受 MAC子层请求命令。接着，协调器使用时隙 CSMA-CA 接入机制发送数据帧。设备成功接基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制14收后，通过发送应答予以确认，整个过程如图 3-6 所示。图 3-6 使用信标的网络通信（协调器到设备）当协调器在不使用信标的网络中向设备传输数据时，它为适

52、当的设备存储数据，用以连接且发送请求命令。设备使用非时隙 CSMA-CA 接入机制，并以定义的速率发送 MAC 子层请求命令来连接协调器。协调器通过发送应答帧以确认成功接受请求命令。当有待发送的数据时，协调器使用时隙 CSMA-CA 接入机制向设备发送该数据。如果没有数据需要发送，则协调器就发送一个净载荷长度为零的数据帧以表示没有数据发送。设备接收到数据后，通过发送应答帧予以确认。整个过程如图 3-7 所示。图 3-7 不使用信标的网络通信（协调器到设备）3.7.3 对等传输数据在一个对等 PAN 中，每个设备可在其射频范围内和其他任何设备通信。为提高有效性，想要通信的设备要么不断地接收数据，

53、要么和其他设备保持同步。对于前者，设备使用非时隙 CSMA-CA 接入机制发送数据；对于后者，要采用另外的措施以获取同步。3.8 本章小结本章主要对 ZigBee 应用开发相关基础做了详细介绍。重点介绍了 ZigBee 配置文件、协调器网络设备数据请求应答数据应答协调器网络设备信标数据请求应答数据应答描述符、端点绑定、设备发现、服务发现等相关概念，同时也对 ZigBee 网络相关的设备基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制15类型、网络拓扑、网络构建、网络地址分配机制、路由、数据传输等重要内容做了分析，为后续的应用开发设计奠定了基础。4 基于 ZigBee 的家居防盗系统设计4.1 系统总

54、体规划4.1.1 系统总体方案设计基于 ZigBee 的家居防盗系统实现方案，实际上是将广泛分布的人体热释红外传感器等各种安全相关的传感器节点组建成 ZigBee 无线网络，实现布防后能够自动对家居生活中存在的入侵偷窃安全隐患进行监测，当指标不合格时，相应的传感器节点将自动报警，并通过 ZigBee 无线网络将报警信息传送到 PC 监控软件，待及时处理后，通过 PC 监控软件发送撤警命令来解除相应传感器节点的报警状态，使该传感器节点又重新进入正常的监测状态。本文设计的家居防盗系统模型如图 4-1 所示。监控软件Usb转串口ZigBee 协调器人体热释红外传感器图 4-1 家居防盗系统模型系统的

55、设计目标如下：1自组网，通过合理布局实现家居内部的 ZigBee 无线覆盖；2动态添加、删除传感器节点；3实现传感器节点的自动报警；4用户可以通过 PC 监控软件实现布防和撤防功能；5用户可以通过 PC 监控软件实时查询所关心的各项指标；6保证系统通信数据的可靠性。4.1.2 网络拓扑结构选择基于 ZigBee 无线网络技术的家居防盗系统的拓扑结构选择涉及许多设计方案的权衡。该网络是一个动态系统，不断与外界环境相互影响。通常拓扑结构的选择要考虑以下几个问题：窗窗 门基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制161考虑最糟情况下和一般情况下的连通性拓扑：应用需要的节点密度和周围环境状况；2评估可

56、选择的情况；3考虑系统的可升降性和权衡能耗/资源的限制。本文家居防盗系统的实际情况如下：1家居防盗系统中接入的主要是安全相关的传感器节点，虽然网络中节点的数据量不大，但必须保证数据通信的可靠性。因此，星形网络拓扑结构不能够满足要求，因为星形网络拓扑结构需要把每个传感器节点放置在 ZigBee 协调器的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围，容易造成通信断路的情况，非常危险；而树型网络拓扑结构虽然可以保障一定的覆盖范围，但要求网络有一定的稳定性，所以树型网络拓扑结构也不足够担此重任。所以我们这里选择较为复杂的网状网络拓扑结构。网状网络拓扑结构是一个自由设计的拓扑结构，网络中任意两个节点的通

57、信路径不是唯一的，具有很高的适应环境能力。2ZigBee 协调器是全功能设备，由它主导网络的建立，完成网络的初始化、相关数据的查询、汇聚数据到 PC 监控软件、实现布防和撤防等功能。传感器节点则根据实际需要可以是全功能设备也可以是精简功能设备，完成传感器数据采集，响应协调器的相关查询等功能。因为选择网状网络拓扑结构，所以全功能设备相互之间可以进行通信。4.1.3 配置文件设计从应用的角度来说，ZigBee 网络内各个设备能够实现通信的关键一点就是它们遵循相同配置文件（Profile）的接口定义。Profile 是进行 ZigBee 应用开发的基础。ZigBee Profile 的制订者可以是

58、ZigBeeAlliance，也可以是从事 ZigBee 开发的开发商，但要成为标准都必须经过 ZigBeeAlliance 的严格审核。对于本文的家居防盗系统来说，只能自己定义相关的接口，对于其它厂商来说，它们就是非透明的，只能作为本系统的“私有财产” 。为了简单起见，本文家居防盗系统的消息通信采用 MSG 形式。4.2 系统硬件设计4.2.1 ZigBee 模块设计ZigBee 模块的设计采用 TI 公司的 CC2430 芯片作为核心部件。使用 CC2430，只需要很少的外部元器件，它的外围电路主要包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路等；性能稳定且功耗极低，当内核运行在 32MHz 时

59、，RX 时电流消耗为27mA，TX 时电流消耗为 25mA；掉电方式下，电流消耗只有 0.9uA；挂起方式下，电流消耗小于 0.6uA。CC2430 的特性已经超过了 IEEE802.15.4 标准的要求，在选择性和灵敏度上具有优异的性能，可确保短距离通信的有效性和可靠性。IEEE802.15.4 要求的标称输出功基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制17率的最小值为-3dBm，而 CC2430 的标称输出功率的最小值也为-3dBm，且可编程设置输出功率的大小；IEEE802.15.4 要求的接收灵敏度为-85dBm，而 CC2430 的接收灵敏度是-90dBm。ZigBee 模块框图如图

60、 4-2 所示。传感器扩展接口 RF_NTXRX_SWITCHRF_PCC2430 AVDD_IF32MHZ32MHZ图 4-2 ZigBee 模块框图4.2.2 系统传感器节点设计人体热释红外传感器节点主要采用的器件是菲涅尔透镜、人体热释红外感应芯片RE200 和信号处理芯片 BISS0001。（1） 人体热释红外检测的工作原理在自然界，任何高于绝对温度（-273）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低有关。人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在 37 摄氏度，所以会发出特定波长 10um 左右的红外线，当人体进入检测区后，因

61、人体温度和环境温度有差别，人体发射的 10um 左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。（2） 菲涅耳透镜的作用菲涅耳透镜的主要作用是只允许波长在 10um 左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。（3）人体热释红外感应芯片 RE200人体热释红外感应芯片 RE200 是一种新型敏感元件，它是由高热电系数材料，配以滤光镜片和阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来自人体发出的红基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研

62、制18外辐射，将其转化成电信号输出，并可有效抑制人体辐射波长以外的干扰辐射，如阳光、灯光及其反射光。（4）信号处理芯片 BISS0001信号处理芯片 BISS0001 的主要作用是进行信号放大和稳定输出。当 RE200 检测到人体发出的红外辐射后，其转化的电信号输出比较微弱，而且不太稳定，必须经过 BISS0001 的稳定放大后，其输出才可以被后续电路检测出来。BISS0001 具有以下特点：1）CMOS 数模混合专用电路；2）具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号处理；双向鉴幅器可有效抑制干扰；内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽；3）内置

63、参考电源；工作电压范围宽+3V+5V。整个人体红外感应电路的原理图如图 4-3 所示：图 4-3 人体红外感应电路原理图在图 4-3 中：连续两次触发的时间间隔） 。9 脚是 BISS0001 的触发允许端，当 9 脚的电压高于 0.2 VCC 时芯片允许触发，通一个光敏电阻控制其是否工作。通过改变与 3 脚相连的电位器的阻值可以设定电信号输出的时间，通过改变 R509 的阻值可以设定触发间隔时间（即允许红外信号连续两次触发的时间间隔） 。4.3 本章小结本章主要介绍了家居防盗系统的设计工作，分为两个部分展开：系统总体规划、系统硬件设计。系统硬件设计主要分为两部分：ZigBee 模块设计和传感

64、器节点设计。系统总体规划中主要介绍了总体方案设计、网络拓扑选择和配置文件设计。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制195 系统软件设计家居防盗系统的软件设计是实现家居防盗系统必不可少的部分，本文家居防盗系统的软件部分设计分为两部分:ZigBee 模块相关部分软件设计和 PC 监控软件设计。在进行系统软件设计时，要考虑到我们的应用是作为 ZigBee 协议栈的任务这一重要思想，因此必须对 ZigBee 协议栈中所贯穿的操作系统深刻认识，这样才能在编程过程中很好地实现软件设计的目标。5.1 ZigBee 模块相关软件设计ZigBee 模块相关软件大体可分为 ZigBee 网络创建流程、Zig

65、Bee 协调器工作流程、传感器节点工作流程三部分。1ZigBee 网络创建流程ZigBee 网络创建的具体过程如下：设备加电后，在指定信道上执行信道扫描，之后设备的工作流程分为两个分支：（1）如果设备没有接收到网络信标，则证明该信道上不存在已有的 ZigBee 网络，此时，设备将以 ZigBee 协调器的身份在该信道上建立一个新网络，此后该设备就可以接受其他设备的入网请求，但每次该设备都需要判断一下网络地址空间是否已经满了，如果未满，则它就为申请入网的设备分配网络地址，并发送入网响应，允许设备加入；如果网络地址空间已满，则申请入网的设备将不能成功加入网络。（2）如果设备接收到了网络信标，则证明

66、网络中已经存在 ZigBee 网络，此时，设备将选择父设备，并向父设备发送入网请求，接收到父设备的响应后，便可以成功加入网络了，但如果设备没有接收到父设备的响应，则入网失败。ZigBee 网络创建过程的程序流程如图 5-1 所示。基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制20否开始扫描信道收到信标？选择父节点加入网络发送入网请求收到响应？成功入网建立网络接受入网请求网络地址空间满？分配网络地址发送入网响应允许子节点入网还有未被申请的父节点么？入网失败，休眠是否是否否图 5-1 ZigBee 网络创建过程的程序流程2ZigBee 协调器工作流程ZigBee 协调器成功创建网络时，将设置网络指示灯，指示 ZigBee 网络创建成功，之后，ZigBee 协调器的工作流程分为两个方向：（1）如果接收到串口命令，则 ZigBee 协调器将解析串口命令，若是查询人体热释红外命令，则发送查询红外 MSG 消息给相应的传感器节点。（2）如果接收到 MSG 消息，则解析该消息，将消息的内容封装成一定格式的数据包，发送至串口，供 PC 监控软件显示。ZigBee 协调器工作的程序流程如图 5-2 所示。是