毕业设计（论文）Zigbee无线路由器的设计

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1、江江 苏苏 科科 技技 大大 学学本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文）学 院 电气与信息工程学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 班级学号 指导教师 二零一一年六月毕业设计（论文）题目：江苏科技大学本科毕业设计论文Zigbee 无线路由器的设计一、一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1 提供条件： zigbee 开发板，IAR 开发环境、PROTEL99 软件等2 设计内容与要求:(1) 调研收集分析有关资料，总结 Zigbee 无线路由器的结构特点；(2) 确定 Zigbee 无线路由器的结构设计总体方案;(3) 绘制 Zigbee

2、 无线路由器的电路框图、程序流程图等；(4) 设计 Zigbee 无线路由器的电路图和程序。江苏科技大学本科毕业设计论文二、二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1. 开题报告一份;2. 毕业设计论文一份（不少于 1.5 万字） ；3. 外文译文一篇（不少于 5000 英文单词） ；4. 毕业设计源程序一份（含相关使用说明） 。三、三、完成日期及进度2011 年 3 月 1 日至 2011 年 7 月 2 日，共 18 周。进度安排：起止日期工 作 内 容目 标3.13.7理解毕业设计任务，查阅相关资料。开题报告3.83.28熟悉软件。3.294.11系统设计。4.126.13系统调试

3、。中期检查6.146.27整理文档，撰写毕业设计论文。毕业设计论文江苏科技大学本科毕业设计论文6.287.2上交材料；答辩。 江苏科技大学本科毕业设计论文四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1电子技术基础 高等教育出版社 1998。72模拟电子线路2 电子科技大学出版社 2004.73SP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与实践 沈建华 编著 北京航空航天大学出版社 2008.74MSP430 单片机基础与实践 谢兴红 编著 北京航空航天大学出版社 2008.15MCS-51 单片机原理及应用实例 清华大学出版社 2004.36单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 199

4、6.127.8051 单片机基础教程 科学出版社 2003.98.基于 MCS-51 单片机的嵌入式系统设计 电子工业出版社 2004.7 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 江苏科技大学本科毕业设计论文日江苏科技大学本科毕业论文Zigbee 无线路由器的设计The ZigBee Wireless Router Design江苏科技大学本科毕业设计论文江苏科技大学本科毕业设计论文第 I 页摘摘 要要ZigBee 是一种网络容量大，节点体积小，架构简单，低速率，低功耗的无线通信技术。由于节点体积小，且能自动组网，所以布局十分方便。网络具有很强的自愈能力，任

5、何一个节点的失效都不会影响整体，特别适合用来组建无线传感网络，而这里的一个重要逻辑设备就是 ZigBee 无线路由器，起中继转发的作用。zigbee 技术由 ZigBee 联盟开发，这是一个由原始设备制造商，技术供应商和半导体产商加盟的组织。ZigBee 的基础是 IEEE 802.15.4，这是 IEEE 无线个域网工作组的一项标准被称作 IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。ZigBee 技术的应用前景被看好。在未来的几年里，它将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域实现广泛的应用。特别是家庭自动化和工业控制将成为今后 Z

6、igBee 芯片的主要应用领域。本文将对应用开发的软件核心 ZigBee 协议栈的组成结构和实现方法进行介绍，完成 ZigBee 无线路由器的硬件设计和软件配置，实现开关控制灯的路由功能演示实验。设计中采用了 CC2430EB 开发板和 Altium designer，IAR Embedded Workbench for MCS 51 等软件开发环境。关键词关键词：ZigBee 协议栈；无线路由器；IEEE 802.15.4；江苏科技大学本科毕业设计论文第 II 页AbstractZigBee is a kind of Wireless communications technology ，t

7、he network capacity is large, the nodal point volume is small, the structure is simple, low speed rate and low-power.Because the nodal point volume is small, and it can organize the network automatically, so Layout is very convenient.The network has very strong capability of automatic heal, the laps

8、e of the whichever nodal point cant effected whole, specially suited to be used to organize a Wireless Sensor Network, an important logic equipment here is a wireless ZigBee router,playing the role of the relay. ZigBee is developed by the ZigBee Alliance. It is an organization of semiconductor manuf

9、acturers，technology providers，and Original Equipment ManufactureThe ZigBee foundation is IEEE 802.15.4, this is a IEEE wireless Personal Area Network teams standard called as IEEE 802.15.4 (ZigBee) the technical standard. The ZigBee technologys application foreground is been optimistic about. In the

10、 next few years, it will realize the widespread application in the industrial control, the industry wireless localization, the family network, the autocar automation, the building automation, the consumer electronics, the medical device control and so on many domains. Specially the household automat

11、ion and the industrial control will become the ZigBee chip main application domain from now on. This article will introduce ZigBee Protocol stack of the Application development s software core ,composition structure and the method to carry on, that completes the hardware design and the software disp

12、osition of the ZigBee wireless router , realizes the light switch control for routing function demonstration experiment. This design use CC2430EB evaluation board , Altium designer and IAR Embedded Workbench for 8051.Keywords：ZigBee Protocol stack; wireless router; IEEE 802.15.4;江苏科技大学本科毕业设计论文第 III

13、页目 录第一章第一章 绪论绪论.11.1 引言.11.2 ZigBee 技术.21.2.1 ZigBee 技术的发展.21.2.2 国内外的发展现状.21.2.3 ZigBee 技术的特点和关键技术.31.3 选题的目的和意义.41.4 本文的工作内容.5第二章第二章 IEEEIEEE 802.15.4802.15.4 通信层通信层.62.1 物理层（PHY）.62.1.1 无线信道的分配.62.1.2 物理层的主要功能.72.1.3 IEEE 802.15.4 的调制方式.82.1.4 PPDU 格式.92.1.5 数据的发送与接收.102.2 介质访问控制层规范（MAC）.102.2.1

14、信标和非信标模式.112.2.2 数据传送模式.122.2.3 MAC 层通用帧格式.13第三章第三章 ZIGBEEZIGBEE 的基本概念和基本术语的基本概念和基本术语.163.1 ZigBee 的基本术语.163.1.1 设备类型(Device Types).163.1.2 端点（endpoint）.173.1.3 Zigbee 网络中的三类地址.183.1.4 属性（attribute）.183.1.5 簇（cluster）.193.1.6 配置文件(profile).193.1.7 绑定（binding）.19第四章第四章 ZIGBEEZIGBEE 协议栈的体系结构和原理协议栈的体系结

15、构和原理.204.1 ZigBee 体系结构.204.2 网络层的原理.214.2.1 网络层帧结构.214.3 网络层管理服务功能.224.3.1 网络维护之建立网络.23江苏科技大学本科毕业设计论文第 IV 页4.3.2 .怎样加入网络.254.3.3 怎样离开网络.264.4 网络层数据的发送与接送.274.4.1 各层帧结构的构成.294.5 路由选择.294.5.1 路由成本.294.5.2 路由表.304.5.3 路由选择.304.6 网络层的地址分配.324.7 基本路由算法.334.7.1 路由函数.34第五章第五章 ZIGBEEZIGBEE 无线路由器硬件设计无线路由器硬件设

16、计.375.1 主电路设计.375.1.1 CC2430 外围电路设计.375.1.2.电源电路与上电复位电路.385.1.3.串口电路.385.1.4.按键电路.395.1.5.LED 显示.395.1.6 排针引出调试端口和部分芯片引脚.405.2 PCB 的设计.40第六章第六章 ZIGBEEZIGBEE 无线路由器的软件设计无线路由器的软件设计.416.1 操作系统抽象层（OSAL）.416.1.1 OS 术语.416.1.2 协议栈的架构.426.1.3 Z-Stack 相关的 IAR 工程选项设置.456.2 Z-STACK 软件架构.466.2.1 任务的初始化和处理函数.476

17、.2.2 任务的调度.486.3 时间管理 API.526.4 建立自己的应用.536.4.1 设备信息配置.566.4.2 协调器的建网.596.4.3 绑定.606.4.4 绑定解除.616.5 路由功能演示.61第七章第七章 协议分析仪的使用协议分析仪的使用.647.1 协议分析仪.647.2 灯开关实验中的数据捕获.64江苏科技大学本科毕业设计论文第 V 页结结 语语.67致致 谢谢.68参参 考考 文文 献献.69附附 录录.70江苏科技大学本科毕业设计论文第 1 页第一章第一章 绪论绪论1.11.1 引言引言 随着通信技术的发展，短距离无线通信技术已逐渐成为无线通信技术的一个重要分

18、支。这是因为在现实生活中，存在着许多这样的应用需求，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送。如采用传统的无线通信技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大、组网困难等问题。针对这样的应用场合，人们更希望利用具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。无线传感网络是由大量体积小，成本低，具有无线通信，传感，数据处理能力的传感器节点组成的，传感器节点一般由传感单元，处理单元，收发单元，电源单元等功能模块组成。在无线传感网络中，大量的传感节点被布置在整个观测区域中，各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理

19、和信息融合后传给用户，数据传送的过程是通过相邻的节点接力传送的方式传送回基站。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，各国都非常重视无线传感网络的发展，IEEE 正在努力推进无线传感网络的应用和发展，波士顿大学还创办了传感器网络协会（sensor network consortium）,美国技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器列入其中。在“中国未来 20 年技术预见研究”中共 157 个技术课题，其中 7 项式直接论述传感网络的。本文主要研究具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、大容量、高可靠度、高安全性的无线传感器网络新技术ZigBee 技术

20、，并给出CC2430 的硬件设计，协议栈的实现，路由算法的流程，以及协议栈各层的详细介绍。江苏科技大学本科毕业设计论文第 2 页1.21.2 ZigBeeZigBee 技术技术1.2.11.2.1 ZigBeeZigBee 技术的发展技术的发展蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是 ZigZag 行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义 Zigbee 作为新一代无线通讯技术的命名。简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA 和 GSM 网络。Zigbee 数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的 75m

21、 到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee 是一种新兴的短距离，低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高。2002 年下半年，英国 Invensys 公司,日本三菱电子，Motorola 和 Philips 等国际知名的大公司宣布加入 ZigBee 联盟，该联盟已有好几百家成员企业，并仍在发展

22、壮大。1.2.2 国内外的发展现状国内外的发展现状从 2003 年 12 月，CHIPCON 推出业界第一款 ZigBee 收发器 CC2420 以来，各大半导体厂家可谓百家争鸣，先后推出许多款 ZigBee 收发芯片，其中仍然以CHIPCON 最受关注。2004 年 12 月，推出全球第一个 IEEE 802.15.4/ZigBee 片上系统（SoC）解决方案-CC2430 无线单片机，该款芯片内部集成了一颗增强型的 8051 内核以及业内性能卓越的 ZigBee 收发器 CC2420。2005 年 12 月，CHIPCON 再接再厉，推出内嵌定位引擎的 ZigBee/IEEE 802.15

23、.4 解决方案江苏科技大学本科毕业设计论文第 3 页CC2431。2006 年 2 月 TI 公司收购 CHIPCON 公司，以壮大其在 RF 行业的龙头地位。之后 TI 在发布的 ZigBee 收发器以及无线单片机上进行不断的修订，也陆续开发出具有针对性的开发系统，并于 2006 年 10 月把其自身的 MSP430 处理器用于对于 ZigBee 收发器的控制。2008 年 2 月，推出第二代 ZigBee/IEEE 802.15.4收发芯片 CC2520 ，2008 年 4 月推出 ZigBee 协处理器 CC2480，2008 年 6 月推出 2.4G 放大芯片 CC2591。 对于 Z

24、igBee 的协议栈，2004 年 12 月 ZigBee 1.0 标准(又称为 ZigBee2004)敲定，之后于 2005 年 9 月公布并提供下载。于 2006 年 12 月进行标准修订，推出ZigBee 1.1 版(又称为 ZigBee2006)。ZigBee 1.1 较原有 ZigBee 1.0 作了若干修改，例如新增 ZCL(ZigBee Cluster Library)、群化式装置(Group Device)、多播(Multicast)功效、直接透过无线方式(Over The Air；OTA)进行组态配置，此外也移除了 KVP(Key Value Pair)的信息格式。 然而 Z

25、igBee 1.1 依然无法达到最初的理想，此标准又于 2007 年 10 月完成再次修订(称为 ZigBee2007/PRO 或 ZigBee Pro 或 ZigBee2007)，推出 ZigBee Pro Feature Set(简称：ZigBee Pro)的新标准。此新标准 ZigBee 联盟更专注 3 种应用类型的拓展包括：1.家庭自动化(Home Automation；HA)、2.建筑/商业大楼自动化(Building Automation；BA)、3.先进抄表基础建设(Advanced Meter Infrastructure；AMI)。在国内上，嵌入式无线开发工具供应商成都无线龙

26、通讯科技有限公司从2005 年就开始对 ZigBee 无线网络技术进行研发，并相继跟随芯片发展步伐推出相关 ZigBee 开发工具，如 ZigBee2004 开发系统 C51RF-3-JKS；ZigBee2006开发系统 C51RF-3-PK；ZigBee2007 开发系统 C51RF-CC2520-PK；ZigBee 协处理器 CC2480 开发工具 ARMRF2-STR911。国内各所大学出版的图书教材有，北京航空航天大学出版社出版；江苏科技大学本科毕业设计论文第 4 页1.2.3 ZigBee 技术的特点和关键技术技术的特点和关键技术ZigBee 是一种无线连接,可工作在 2.4GHz(

27、全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3 个频段上,分别具有最高 250kbit/s、20kbit/s 和 40kbit/s 的传输速率,它的传输距离在 10-75m 的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee 具有如下特点: （1）.省电：两节五号电池即可实现长达六个月到两年的使用时间。工作模式下，ZigBee 技术传输速率低，传输数据量小，因此信号的收发时间很短；在非工作状态下，ZigBee 节点处于休眠模式。 （2）.可靠：采用了避免碰撞机制，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；节点模块之间具有自动动态组网

28、的功能，信息在整个 ZigBee 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。（3）路由技术：路由技术是移动节点通信的基础，也是移动自组织网络的关键技术之一。与一般的蜂窝无线网络不同，移动自组织网络各节点间通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要专门的路由协议进行分组转发操作。（4）.时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。（5）.网络容量大：可支持多达 65000 个节点。（6）.安全：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128.（7）.高保密性：64 位出厂编号和支持 AES-128 加密。1.31.3

29、 选题的目的和意义选题的目的和意义ZigBee 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率及低成本的双向无线通信技术，建立在 IEEE 802154 标准的基础上，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信但是在 ZigBee 传感器网络中，由于网络内节点江苏科技大学本科毕业设计论文第 5 页资源有限，数据包的传送通常需要通过多跳通信方式到达目的端因此，数据包的传送延迟和节点的剩余能量成为了路由设计的重点，如何根据不同的应用需求设计高效率的路由选择算法是实际应用中网络层设计的一个主要任务ZigBee 设备主要工作在 24 GHz 频段上，这一特性决定了 ZigBee 没备的传输距离有限。为

30、解决这个问题，必须使用 ZigBee 路由器。路由器的主要功能是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳的路径，并将该数据帧有效的送到目的节点。好的路由器的设计，不仅能扩展数据传输距离，还可以可以节约网络资源，大大提高通信速度。Zigbee 网络处于新技术的前沿，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 1.41.4 本文的工作内容本文的工作内容在系统软件设计方面，本文首先深入地研究了 ZigBee 协议栈 v1.1 (zigbee 2006)的整体框架和各层的功能再根据 ZigBee 网络的设备构成分别分析了协调器、路由器和终端设备节点的协议

31、栈。最后完成对数据结构以及ZigBee 芯片 CC2430 的初始化程序等底层驱动的修改与编写，添加自己的任务程序。在系统硬件设计方面，采用 CC2430RF 芯片，完成符合 ZigBee 标准的嵌入式平台的设计，包括原理图设计、PCB 布线、焊接和调试。最后实现开关控制灯功能展示实验，实现路由转发的基本功能。江苏科技大学本科毕业设计论文第 6 页第二章第二章 IEEE 802.15.4 通信层通信层IEEE 802.15.4 标准定义了协议栈的最下面两层：物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC） 。ZigBee 直接使用了这两层，并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构。

32、下面我们具体介绍下这两层的结构和它们是如何工作的。2.1 物理层（物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和与 MAC 层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线信道上收发数据，物理层管理服务维护一个与物理层相关数据组成的数据库。2.1.1 无线信道的分配无线信道的分配ZigBee 的通信频率由物理层来规范。ZigBee 对于不同的国家和地区提供不同的工作频率范围。它所使用的频率范围分别为 2.4GHz 和 868/915 MHz。因此，IEEE 802.15.4 定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz 物理层和 868/915 MHz 物理层。两个物理层都是

33、基于直接序列扩频（DSSS）技术，使用相同的物理层数据包格式，其区别在于工作频率，调制技术，扩频码片长度和传输速率的不同。通常，ZigBee 硬件设备不能同时兼容两个工作频率，由于868868.6MHz 频段，能够提供 20Kb/s 的传输速率，主要用于欧洲。902928MHz 频段，能够提供 40Kb/s 的传输速率用于北美。由于这两个频段上无线信号的传播损耗和所受到的无线电干扰均小，因此可以降低对接收机灵敏江苏科技大学本科毕业设计论文第 7 页度的要求，获得较大的有效通信距离，从而使用较少的设备即可覆盖整个区域。24002483.5MHz 频段可用于全球，采用 16 相调制技术，能够提供

34、250Kb/s 的传输速率我国采用的是 2400MHz 的工作频率。IEEE 802.15.4 规范定义了 27 个物理信道，信道编号从 0 到 26，每个具体的信道对应着一个中心频率，这 27 个物理信道覆盖了以上 3 个不同的频段。这些信道的中心频率按照如下公式定义(k 为信道数)：Fc =8683MHz，k=0；Fc=906MHz+2(k-1)MHz，k=l，2，10；Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，k=1l，12，26。2.1.2 物理层的主要功能物理层的主要功能 物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。1. 数据传输包括数据的发送和

35、接收；2. 管理服务包括信道能量监测（energy detect，ED） ，链接质量指示（link quality indication，LQI）和空闲信道评估（clear channel assessment，CCA）等。物理层主要完成：激活/休眠无线收发设备，对当前频道进行能量检测，链接质量指示，为载波检测多址与碰撞避免（CSMACA）进行空闲频道评估，频道选择，数据的发送和接收等。 信道能量检测为上层提供信道选择的依据，主要是测量目标信道中接收信号的功率强度。该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。 链接质量指示为上层服务提供接收数据时无线信号的强度质量信息，

36、它要对检测信号进行解码，生成一个信噪比指标。江苏科技大学本科毕业设计论文第 8 页 空闲信道评估评判信道是否空闲。IEEE 802.15.4 规范定义了三种空闲信道评估模式： 1.简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值时就认为信道空闲； 2.判断无线信号的特征，该特征包括两个方面，即扩频信号特征和载波频率； 3.前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，判断信道是否空闲。 物理层 物理层管理实体数据服务接入点物理层实体服务接入点物理层个域网络基本信息无线射频服务接入点 图 2.1 物理层结构模型由 2.1 图所示，其中 无线射频服务接入点是由驱动程序提供的接口，而数据服务接入点是

37、物理层提供给上层即 MAC 层的数据服务接口，物理层实体服务接入点式物理层给 MAC 层提供的管理服务接口。2.1.3 IEEE 802.15.4 的调制方式的调制方式已调制的信号PPDU 二进制数据流二进制比特数据符号数据符号片码数据映射偏移正交相移键控（O-QPSK） 图 2.2 2.4G 调制和扩展模块如上图 2.2 所示，2.4G 物理层将数据每字节的低四位和高四位分别映射组成数据符号（symbol） ，每个数据符号又被映射成 32 位伪随机噪声数据码片最低有效位先传江苏科技大学本科毕业设计论文第 9 页（chip） 。数据码片采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移技术（O-QPSK）调制。

38、每片的形状如同半个正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道传送。每个信道占用半个片码偏移周期。如下图 2.3 所示 图 2.3 传送符号 0 片码序列时的 I/Q 相位 Tc=0.5us2.1.4 PPDU 格式格式 ZigBee 物理层数据包由同步包头，物理层包头和物理层净荷三部分组成。同步包头由前同步码和数据包（帧）定界符组成，用于获取符号同步，扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整。物理层包头指示净荷部分的长度，净荷部分含有 MAC 层数据包，最大长度是 127 字节。如果数据包的长度类型为 5 字节或大于 8 字节，那么物理层服务数据单元（PSDU）携带 MAC 层的帧信息

39、（即 MAC 层协议数据单元） 。 表 2.1 物理层数据包格式2 字节1 字节0-20 字节 2 字节帧控制域（FCF）数据序号地址信息帧校验序列（FCS）江苏科技大学本科毕业设计论文第 10 页4 字节1 字节1 字节MAC 头（MHR）MAC 校验（MFR）前同步码帧定界符帧长度（7 位）预留位（1位）MAC 协议数据单元（MPDU）同步包头物理层包头PHY 服务数据单元（PSDU)2.1.5 数据的发送与接收数据的发送与接收 基于 802.15.4 的 CC2430/2431 无线收发模块，其无线核心部分是一个基于CC2420 射频收发器。 CC2430 的无线接收器是一个低中频的接收

40、器。接收到的射频信号通过低噪声放大器和正交降频转换到中频。在中频 2MHz 中，当 ADC 模块转换时，输入正交调相信号被过滤和放大。 CC2430 的无线发送器是基于上变频。接收数据存放在一个接收先进先出（区别于发送先进先出）的数据缓冲区内。发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。通过数模转换把数字信号转换成模拟信号发出去。 CC2430 的数据缓冲区通过先进先出（FIFO）的方式来接收 128 位数据。使用先进先出读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。内存和先进先出缓冲区数据移动使用 DMA 方式来实现。注：在绝大多数实际应用中，推荐使用存储器直接存取(DMA)在存储器和无线模块之间传送数据。

41、RADIO DMA 触发与无线模块有关，该触发支持 DMA 控制器。下列两个事件使该触发有效： 当第一个数据存入 RXFIFO，即当 RXFIFO 从空状态变成非空状态时； 当数据通过 SFR 寄存器的 RFD，从 RXFIFO 中读出时。 CRC 校验使用硬件实现。接收信号强度指标（RSSI）和相关值添加到帧中。江苏科技大学本科毕业设计论文第 11 页在接收模式可以用中断来清除通道评估（CCA） 。2.2 介质访问控制层规范（介质访问控制层规范（MAC） MAC 层提供两种服务：MAC 层数据服务和 MAC 层管理服务。前者保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事 M

42、AC 层的管理活动，并维护一个信息数据库。 MAC 层的主要功能包括如下 7 个方面： 1.网络协调者产生并发送信标帧（beacon） ； 2.设备与信标同步； 3.支持 RAN 网络的关联和取消关联操作； 4.为设备的安全性提供支持； 5.信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问机制（CSMA-CA） ；6.处理和维护保护时隙机制（GTS） ；7.在两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。2.2.1 信标和非信标模式信标和非信标模式ZigBee 网络的工作模式可以分为信标（Beacon）和非信标（Non-beacon）两种模式。信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达

43、到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器 和所有路由器 设备必须长期处于工作状态。 信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间（一般在 15ms-4mins 之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有 16 个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发江苏科技大学本科毕业设计论文第 12 页送。该超帧结构的格式是由网络中的协调器来定义，而超帧结构的大小边界是由网络中的信标所设定，一个超帧结构包含了 16 个相同大小的时隙。在网络中的任何设备要做通信时，会在竞争存取时间采用开槽的 CSMA/CA 机制去对频道做竞争。

44、超帧结构还包含了另一部分叫做无竞争周期，在这部分我们叫做保证时隙（GTS） ，采用预先请求的方式，让在 CFP 中配置到 GTS 的设备可以不用竞争就可以直接传送。下图 2.4 为无保证时隙的超帧结构。 图 2.4 无 GTS 的超帧结构 非信标模式下，ZigBee 标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据，终端设备主动向其父节点提取数据的机制，实现终端设备的周期性（周期可设置）休眠。网络中所有父节点需为自己的终端设备子节点缓存数据帧，所有终端设备子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要 15ms。 2.2.2 数据

45、传送模式数据传送模式 在 IEEE 802.15.4 的数据传送模式里，存在有三种方式。 一是终端器件传送数据到协调器，二是协调器传出数据到终端器件，三是在对等器件间传送数据。 1.数据传送到协调器江苏科技大学本科毕业设计论文第 13 页 在信标和非信标模式下，主要区别是器件是否先要从协调器获得信标，再通过 CSMA/CA 来传送资料。如下图 2.5：应答（可选）应答（可选）数据数据信标网络器件网络器件协调器协调器 图 2.5 数据传输到协调器2 数据从协调器传出 在信标使能方式中，协调器会利用信标中的字段来告知有资料要传送。而终端器件则是周期性的监听信标，如果自己是协调器传送对象，则该器件利

46、用开槽 CSMA/CA 将 MAC 命令请求控制信息传给协调器。 在非信标使能方式中，终端器件利用无槽 CSMA/CA 将 MAC 命令请求控制信息给协调器，若协调器有数据要传送，则利用无槽 CSMA/CA 方式将资料传出。流程图如下图 2.6：应答应答数据数据应答应答数据请求数据请求信标协调器协调器网络器件网络器件 图 2.6 数据从协调器传出3.对等数据传送江苏科技大学本科毕业设计论文第 14 页在对等的 PAN 中，任一器件可同其射频范围内的其它器件通信。预通信的器件要么定时接收，要么彼此完全同步。2.2.3 MAC 层通用帧格式层通用帧格式MAC 帧格式主要是指 MAC 协议数据单元（

47、MPDU）的格式，主要包括 MAC帧头（MHR） ，MAC 负载和 MAC 帧尾（MFR） 。如下表 2.2 所示： 表 2.2 MAC 帧的通用格式字节 21 0/21/2/80/20/2/82目的 PAN标志符目的地址源 PAN 标志符源地址帧控制序列号地址域帧校验MAC 帧头MAC 帧尾IEEE 802.15.4 标准中共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC 命令帧。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容来决定：帧控制中的帧类型用三位二进制表示为：000 信标帧，001 数据帧， 010 应答帧，011 MAC命令帧，100111 保留。1.信标帧在信标网络中，协调器

48、通过向网络中的所有从设备发送信标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步，从而使得网络运行的成本最低。表 2.3 信标帧结构江苏科技大学本科毕业设计论文第 15 页字节：214 或 102kmn2MAC 层帧控制序列码寻址信息超帧GTS未处理事务地址信标载荷FCSMHRMSDUMFR2.数据帧数据帧用来传输上层发到 MAC 层的数据，它的负载字段包含上层需要传输的数据。数据负载传到 MAC 层时，被称为 MSDU（数据服务单元） 。表 2.4 数据帧结构字节：214 或 10n2MAC 层帧控制序列码寻址信息数据载荷FCSMHRMSDUMFR3.确认帧如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或 MA

49、C 命令帧，并且帧的控制信息字段的确认请求被置成 1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为 0.表 2.5 确认帧结构字节：212MAC 层帧控制序列码FCSMHRMFR4.MAC 命令帧江苏科技大学本科毕业设计论文第 16 页MAC 命令帧由于组建 WRAN 网络，传输同步数据。主要完成三方面的功能：把设备关联到 PAN 网络，与协调器交换数据，分配 GTS。表 2.6 MAC 命令帧结构字节：214 或 101n2MAC 层帧控制序列码寻址信息命令类型命令载荷FCSMHRMSDUMFR江苏科技大学本科毕业设计论文第 17 页第三章第三章 Zi

50、gBee 的基本概念和基本术语的基本概念和基本术语3.1 ZigBee 的基本术语的基本术语3.1.1 设备类型设备类型(Device Types) 在 ZigBee 网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和 End-Device(终端设备)。ZigBee 网络由一个 Coordinator 以及多个 Router 和多个 End-Device 组成。 图 3.1 ZigBee 网络示意图上图 3.1 是一个简单的 ZigBee 网络示意图。其中黑色节点为 Coordinator，红色节点为 Router，白色节点为 End-Device。1 Co

51、ordinator(协调器协调器)协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络 ID(也称之为 PAN ID，即 Personal Area Network ID)，随后启动整江苏科技大学本科毕业设计论文第 18 页个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。在 IEEE 802.15.4 网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（Full- function device，FFD ）和精简功能设备（reduced-function device，RFD） 。FFD 之间以及 FFD 和 RFD 之间都可以相互通信

52、；但 RFD 只能与 FFD 通信，而不能和其他的 RFD 通信。协调器必须是全功能设备，FFD 需要功能较强的 MCU，在网络结构中拥有网络控制和管理的功能。协调器负责网络成员的身份管理，链路状态信息的管理以及分组转发等功能。2 Router(路由器路由器) 路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的终端设备的通讯。 通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树状网络拓扑结构时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。路由器也属于全功能设备。3 End-Device(终端设备终端设备) 终端设备没有特定的维持

53、网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。通常，终端设备对存储空间(特别是 RAM 的需要)比较小。终端一般是 RFD，也可是 FFD 设备。拓扑结构 ：ZigBee 网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构， 分别依次是星状网络，树（簇）状网络和网状网络。3.1.2 端点（端点（endpoint）端点是一个 8 位的字段，描述一个射频端所支持的不同应用。每一个ZigBee 节点可以包含多个端点。端点 0 x00 用于寻址设备配置文件，这是每个ZigBee 设备都必须使用的端点。端点 0 xff 用来寻址所有的活动的端点，而0 xf10 xfe 暂时预留。因此，一个

54、物理 ZigBee 射频端在端点 0 x010 xf0 上共支江苏科技大学本科毕业设计论文第 19 页持 240 个应用，即一个物理信道中最多可能有 240 条虚拟的信道。3.1.3 Zigbee 网络中的三类地址网络中的三类地址第一类是 Zigbee IEEE 地址，也叫做扩展地址。这是一个 64 位的地址，由设备商固化到设备中，地址由 IEEE 发配，当然我们现在买到的开发板芯片上的 IEEE 地址一般应该为全 F，这是一个无效地址，就是说这个芯片还没有分配地址拉。可以用 Ti 的 flash 编程软件烧写一个 IEEE 地址。第二类 Zigbee 地址是所谓的网络地址，也就叫做短地址。这

55、是一个 16 位的地址，其中有几个特殊的地址：0 xFFFF -这个一个对全网络中设备进行广播的广播地址0 xFFFD -如果在命令中将目标地址设为这个地址的话那么只对打开了接收的设备进行广播0 xFFFC -广播到协调器和路由器0 xFFFE -如果目的地址为这个地址的话，那么应用层将不指定目标设备，而是通过协议栈读取绑定表来获得相应目标设备的短地址此外的 0 x0000 到 0 xFFF8 都是有效的目的地址。每一个地址就只是了一个目标设备。第三类 Zigbee 地址是终端（endpoint）地址。这是一个 8 位的逻辑地址。每个物理设备节点内部含有 256 个可编址的逻辑终端（endpo

56、int） ，其中终端 0就是 ZDO，终端 255 是个广播地址，241-254 保留为以后使用。Zigbee 的通信其实就是由叫做簇的数据结构在终端之间传播构成的。3.1.4 属性（属性（attribute）属性（attribute）：设备之间通信的每一种数据像开关的状态或温度计值等皆可称为属性每个属性可得到唯一的值江苏科技大学本科毕业设计论文第 20 页3.1.5 簇（簇（cluster）簇（cluster）：多个属性的汇集形成了簇，每个簇也拥有一个唯一的虽然个体之间传输的通常是属性信息，但所谓的逻辑组件的接口指的却是簇一级的操作，而非属性一级3.1.6 配置文件配置文件(profile)

57、配置文件(profile)：Zigbee 协议的配置文件是对逻辑组件及其相关接口的描述，是面向某个应用类别的公约、准则通常没有程序代码与配置文件相关联配置文件定义了属性与簇，使之看起来就像设备的某种特性。每一个应用都对应一个配置文件(Profile)。配置文件内容包括：设备ID(Device ID)，簇 ID(Cluster ID)，属性 ID(Attribute ID)，及 AF 使用何种服务类型等信息。在 zigbee 协议中，一个配置文件中允许最多 216 个设备(16 位表示)，28 个簇，每个簇支持最多约 216 个属性。3.1.7 绑定（绑定（binding）绑定是控制信息从一个应

58、用层到另一个应用层流动的一种机制。在ZigBee2004 中，只有通过协调器才能发起绑定，即只有协调器能建立绑定表，而 ZigBee2006 中，绑定机制在所有的设备中被执行。它的用法在下文中会详细介绍。 江苏科技大学本科毕业设计论文第 21 页第四章第四章 ZigBee 协议栈的体系结构和原理协议栈的体系结构和原理4.1 ZigBee 体系结构体系结构 ZigBee 协议标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务；管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点（SAP）为上层提供接口，每个 SAP 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。 Z

59、igBee 标准的分层架构是在 OSI 七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的。其中 IEEE 802.15.4-2003 标准定义了最下面的两层：物理层和介质访问控制子层。ZigBee 联盟提供了网络层（NWK）和应用层框架（APL）的设计。应用框架包括了应用支持子层（APS） ，ZigBee 设备对象（ZDO）及由制造商制订的应用对象。下图 4.1 为 ZigBee 协议栈的体系结构图： 图 4.1 ZigBee 协议栈的体系结构图江苏科技大学本科毕业设计论文第 22 页4.2 网络层的原理网络层的原理ZigBee 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保 ZigBee 的 M

60、AC层正常工作，并未应用层提供合适的服务接口。ZigBee 协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。网络层功能： 1)网络发现； 2)网络形成； 3)允许设备连接； 4)路由器初始化； 5)设备同网络连接； 6)直接将设备同网络连接； 7)断开网络连接； 8)重新复位设备； 9)接收机同步； 10)信息库维护。4.2.1 网络层帧结构网络层帧结构 网络协议数据单元（NPDU）即网络层的帧结构如下图所示：表 4.1 网络层数据包帧格式字节：222110/80/80/1变长变长帧控制目的地址源地址广播半径域广播序列号IEEE目的地址

61、IEEE源地址多点传送控制源路由帧帧的有效载荷网络层帧头网络层的有效载荷（1）.帧控制域中包括帧类型，协议版本，发现路由，源路由，广播，地址，安全和保留位。（2）.目的地址，源地址在网络层帧中是必须有的，其字节长度为 2。江苏科技大学本科毕业设计论文第 23 页（3）.广播半径域，仅当目的地址为广播地址（0 xffff）时，广播半径和广播序列号才存在。广播半径的长度为 1 个字节。每个设备接收到一次该帧，广播半径即减 1。广播半径限定了传输半径的范围。4.3 网络层管理服务功能网络层管理服务功能 ZigBee 设备在工作时，各种不同的任务在不同的任务在不同的层次上执行，通过层的服务，完成所要执

62、行的任务。各项服务通过服务原语来实现。每个事件由服务原语组成，它将在一个用户的某一层，通过该层的服务接入点与建立对等连接的用户的相同层之间传送。这些服务原语是个抽象的概念，它的定义与其它的任何接口无关。 在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不需要了解如何处理原语的。 层与层之间的通信原语可分为四种，关系如下图 4.2：responseindicationconfirmRequest服务使用者（上层）服务提供者（本层）服务使用者 （上层） 图 4.2 层与层之间的原语通信（1）Request：请求原语用于上层向本层请求指定的服务。（2）Confirm：确认原语本层用于响应上层发出的请求

63、原语。（3）Indication:指示原语由本层发给上层用来指示本层的某一内部事件。（4）Response：响应原语用于上层响应本层发出的指示原语。请求(Request)、响应(Response)原语分别由协议栈中处于较高位置的层向较江苏科技大学本科毕业设计论文第 24 页低层发起；确认(Confirm)、指示(Indication)原语则从较低层向较高层返回结果或信息。原语遵循“SAP 名称原语功能.原语类型”的书写规则，如：“MLME-ASSOCIATE.request”表示 MLME-SAP 提供的关联请求原语。ZigBee 协调器具有建立一个新网络的功能，路由器和终端设备在网络中提供轻

64、便支持。网路层的功能包括网络的维护，网络层数据的发送和接收，路由的选择以及广播通信，下面我们来一一介绍。这是协议栈的核心。4.3.1 网络维护之建立网络网络维护之建立网络ZigBee 协调器具有建立一个网络，维护邻居设备表，对逻辑网络地址进行分配，允许设备 MAC 层/应用层连接或断开网络的功能；路由器具有维护邻居设备表，对逻辑网络地址进行分配，允许设备 MAC 层/应用层连接或断开网络的功能；所有 ZigBee 设备都具有连接和断开网络的功能。下面我们来理解一个协调器是怎么建立一个网络的。1.协调器建立网络协调器建立网络协调器首先通过 NLME-NETWORK-FORMATION.reque

65、st 原语。NLME-NETWORK-FORMATION.request（Scanchannels， ScanDuration,beaconOrder,superframeOrder,BatteryLifeExtension )其中 Scanchannels 为扫描信道，共 32 位。最高五位保留低 27 位表示 27 个江苏科技大学本科毕业设计论文第 25 页有效信道，1 表示扫面，0 表示不扫描。 ScanDuration 为 16 位整型，表示扫描每个信道的时间长度；BeaconOrder 位 16 位整型，表示上层所希望形成的网络信标帧序列号；superframeOrder 为 16

66、位整型，表示上层所希望形成的网络超帧序号；BatteryLifeExtension 为布尔型，如果 NLME 请求协调器支持延长电池寿命的模式初始化，则设为 TURE，否则为 FALSE。建网过程如下图 4.3： 图 4.3 建立一个网络流程图2. 当建网过程开始后，网络层将首先请示 MAC 层对协议所规定的信道或物理层所默认有效信道进行能量检测扫描，以检测可能的干扰。为实现能量检测扫描，设备网络层通过发送扫描类型参数设置为能量检测扫描的 MLME-SCAN.request 原语到 MAC 层进行信道能量检测扫描，扫描结果通过 MLME-SCAN.confirm 原语返回。3.当网络层管理实体收到成功的能量检测扫描结果后，将以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，并且抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的信道有待进一步处理。4. 在相应的处理结束之后 ProcessMlmeScanConfirm 函数将通过调用 MLME-ScanRequest 函数来发起 MLME-SCANrequest 原语操作，原语中的 ScanType参数将被设置为主动扫描，ChannelList 参数将被设置