多节点的ZigBee无线传感器网络设计.doc

华东交通大学毕业设计（论文）毕业设计（论文）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名_ 导师签名_2013年 4 月 12日华东交通大学毕业设计（论文）任务书姓名学号毕业届别2013专业通信工程毕业设计（论文）题目多节点的ZigBee无线传感器网络设计指导教师朱路学 历博士研究生职 称副教授1）毕业设计的任务利用ZigBee射频芯片作为通信单元，设计多个无线传感器网路节点和协调器的硬件电路和驱动软件，可以采集温度和湿度等物理量。理解TI Z-Stack协议栈，对多个节点和协调器进行组网设计，能以ZigBee规范实现数据传输。2）毕业设计课题的技术及成果要求序号内容要求分值完成时间（周）1开题报告任务、目标明确10第3周2英文翻译基本正确翻译与课题相关的3000字以上的英文文献10第3周3设计方案合理、可行10第4周4性能指标16个传感器节点和一个协调器硬件30第8周5性能指标2ZigBee组网代码30第11周。9仿真分析10安装与调试效果能以ZigBee规范实现数据传输10第13周11论文初稿要按规格誊写打印毕业设计论文；论文包括摘要(中、英文)，关键字，正文，参考文献，毕业设计小结，附录等；第14周12论文终稿毕业设计论文装订按学校的统一要求完成第15周 指导教师签字： 2012年11月12日教研室意见：题目及工作量符合本科培养要求是否是新题 是 否 教研室主任签字： 2012年11月16日题目发出日期2012-11-18设计（论文）起止时间2012-11-19至2013-4-12附注：华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书课题名称多节点的ZigBee无线传感器网络设计课题来源导师课题类型AY导 师朱路学生姓名学 号专 业通信工程开题报告内容： 1. 文献综述(研究意义和现状)1.1 无线传感器网络无线传感器网络（WSN）是由大量的具有通信和计算能力的微小传感器节点，以无线的方式连接构成的自治测控网络。一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为：大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，其中节点是同构的、成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意散布在工作区域，要求网络系统尽可能长的工作时间。一个典型的无线传感器网络的系统架构（如图1）包括分布式无线传感器节点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如图2.1所示。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。传感器节点通常是一个微型嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的研究投入了极大的热情。它综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科，是新兴的交叉研究领域。E D C B A互联网和卫星汇聚节点任务管理节点图1 无线传感器网络的系统架构1.2 ZigBee标准规范ZigBee是一种新兴无线网络通信规范，主要用于近距离无线连接。ZigBee的基础是IEEE无线个域网工作组所制定的IEEE 802.15.4技术标准接口。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。ZigBee当然不仅只是802.15.4的名字。IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。此外，ZigBee还具有低传输速率、低功耗、协议简单、时延短、安全可靠、网络容量大、优良的网络拓扑能力等优点。ZigBee的这些优点极好地支持了无线传感器网络：它能够在众多微小的传感器节点之间相互协调实现通信，这些节点只需要很低的功耗，以多跳接力的方式在节点间传送数据，因而通信效率非常高。目前，ZigBee联盟正在进行协议标准的整合工作，该标准的成功制定对于无线传感器网络的推广使用将有着深远、重要的意义。图2 ZigBee协议栈结构概览1.3 CC2530CC2530是德州仪器(TI) 日前推出的完整的用于2.4GHzIEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系统解决方案。它结合了高性能的 2.4GHzDSSS( 直接序列扩频) 射频收发器和一个高性能低功耗的 8051 微控制器，用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。CC2530在单个芯片上集成了 IEEE802.15.4 标准2.4GHz频段的RF无线电收发机，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性。四种工作模式；具有32KB/64KB/128KB/ 256KB 的可编程 FLASH和8KB 的RAM；集成了8 通道12 位模数转换的 ADC；128 位AES 加密解密安全协处理器；看门狗定时器、32kHz 晶振的休眠模式定时器；6mm6mm QFN40引脚封装，及1 个符合 IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1 个常规的 16 位计时器和 2 个8位计时器，2 个USART接口，21 个可编程 I/O 引脚；硬件支持CSMA/CA功能；允许工作电压(2.0 V 3.6V)，工作温度:-40 125；具有数字化RSSI/LQ支持和强大的DMA功能；具有电池监测和温度感测功能。前置频率范围:fc=2394MHz to 2507MHz, 频率分辨率为1MHz, 数据传输速率:250kbps，在TA =25 and VDD=3V，从休眠状态到激活只需要 4us, 而激活状态下接受或发送数据只需要0.5ms, 接收灵敏度-97dBm,RF发送的输出功率为 4.5dBm，CC2530的从休眠模式转换到主动模式的超短时间特性, 能耗特小，特别适合那些要求电池寿命非常长野外使用。1.4 Z-stack1.4 Z-stackTI/Chipcon 公司在 IEEE802.15.4 标准和 ZigBee 联盟所推出的 ZigBee2007 规范的基础上,发布了全功能的ZigBee 2007协议栈,并通过了 ZigBee 联盟的认证。该协议栈全部用 C 语言编写, 免费提供给用户, 同时向后兼容。该协议栈在结构上分为应用层、网络层、安全层、MAC层和物理层, 每一层的函数都严格按照ZigBee 协议栈 IEEE802.15.4 标准和 ZigBee2006 规范所规定的原语格式编写。同时, 在协议栈内部还嵌入了一个操作系统, 用于对任务进行统一的调度. 对于用户而言, 只需要了解应用层函数并进行恰当的调用, 就可以构建功能完善、性能稳定的 ZigBee 无线网络。2.参考文献1 任丰原，黄海宁.无线传感器网络J.软件学报，2003，14(7):1282-1291.2 孙利民，李建中等.无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2006.10-20.3 David Marsh,Richard Tynan.Autonomic wireless sensor networks. Engineering Applications of Artificial IntelligenceM, IEEE Computer Magazine,20104 王小强，欧阳骏等.ZigBee无线传感器网络设计与实现M.北京：化学工业出版社,2012.5.5 李刚，张志宏，蜜蜂的舞蹈ZigBee的无线网络技术和应用J.电子产品世界,2006,(1):84-87.6 李建中,高宏.无线传感器网络的研究进展J.计算机研究与发展,2008,45(1):1-15.7 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用（第一版）M.北京：北京邮电大学出版社，2006.1-7. 8 司海飞，范乐昊.基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络组网设计J.金陵科学学院学报.2011,27(3):28-33.9 D. Hahnel, et al, Mapping and localization with rfid technology R, Intel Research Institute Seattle, WA, Tech. Rep. IRS-TR-03-14, 2003,9.10 郭渊博,杨奎武,赵俭.ZigBee技术与应用M.北京:国防工业出版社,2010.11 A.Smailagic,D.Siewiorek,J.Anhalt,D.Kogan and Yang Wang, Location sensing and privacy in a context-aware computing environment J,IEEE Wireless Communication, 2011, (9):10-17.12 CC253X片上系统解决方案用户指南（中）EB/OL.2009.13 IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications Users GuideEB/OL.2010.14 Z-Stack Application Programming InterfaceEB/OL.2009.15 Z-Stack Sample ApplicationsEB/OL.2009.16 Application Note: Power Management For The CC2530EB/OL.2009.17 数字温湿度传感器EB/OL. http: // view/ 77be190a79563c1ec5da71 03 .html方法及预期目的：1、本课题的任务要求1) 设计并完成6个传感器节点和一个协调器硬件电路；2) 每个节点能够采集环境温湿度数据；3) 设计并完成多个无线传感器网络节点和协调器的硬件驱动软件；4) 完成ZigBee组网代码，能使节点与协调器成功组网；5) 能以ZigBee规范实现数据传输；2、本课题的整体方案根据任务要求设计了下述方案：协调器负责ZigBee网络的建立，路由器和终端节点向协调器发出加入网络请求，得到允许后加入网络。路由器和终端节点下挂传感器，定期将采集的环境参数发送到协调器。协调器通过串口直接发送到PC机或者网关处。整体设计框图如下： 图3 整体方案框图3、本课题的研究方法根据任务要求，将整个系统分为两部分进行设计开发，即硬件平台和软件编程。首先查阅相关资料并根据设计的整体方案进行硬件平台的开发，设计的硬件平台包括电源电路、5V转3.3V电路、环境参数采集接口电路、射频核心模块接口电路。然后根据硬件平台和Z-Stack协议栈要求编写应用程序，实现协调器与节点组网，并且能够传送环境参数。最后，进行系统的优化。选择合适的网络拓扑结构，确定合适的数据传输格式等，以使网络更加稳定和可靠。4、本课题的预期目标和效果图1) 实现被监测区域环境参数的实时监测；2) 实现协调器与节点间的组网；3) 实现协调器PC机的串口通信；4) 实现节点对环境参数的采集和稳定传输。预期效果图如下：图4 预期效果图5、开发工具操作系统：Windows操作系统；开发语言：C ；开发平台：自制监测系统开发板；开发软件：Altium Designer 09、IAR Embedded Workbench、Z-Stack。指导教师签名： 日期：2012-12-14课题类型：（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究； （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题 （1）、（2）均要填，如AY、BX等。华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(1)姓名学号专业通信工程毕业设计(论文)题目多节点的ZigBee无线传感器网络设计指导教师评语：评分内容具体要求分 值分项评分标准得 分ABCDEF学习态度努力学习，遵守纪律，作风严谨务实按期圆满完成规定任务。101098766创新毕业论文（设计）有新观点、新办法、新材料、新发现。101098766调研论证与文献查阅能独立查阅文献及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。101098766综合能力能综合运用所学知识和技能来发现和解决实际问题。20201816141212毕业论文（设计）表述论证、分析、设计、计算、结构、建模、试验正确合理，绘图（表）符合要求20201816141212文献阅读查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力和自己的见解101098766撰写质量结构严谨、文字通顺、用语符合技术规范，图表清楚，格式规范，符合规定字数要求。20201816141212得分指导教师签字：2013年 4 月 日评阅人意见：评分内容具体要求分值分项评分标准得分ABCDEF任务量毕业论文（设计）任务饱满，难度较大。20201816141212创新论文（设计）有新观点，新方法，新材料，新发现。101098766论文（设计）表述论证，分析，设计，计算，结构，建模，试验正确合理，绘图（表）符合要求。40403632282424文献阅读查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力和自己的见解。101098766撰写质量结构严谨，文字通顺，用于符合技术规范，图表清楚，格式规范，符合规定字数要求。20201816141212得分评阅人签字：2013年 4 月 日华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(2)姓名学号200906010080231专业通信工程毕业设计(论文)题目多节点的ZigBee无线传感器网络设计答辩小组评语：具 体 要 求优良中及格不及格符合要求答辩准备充分，论文题目与内容相符语言精练能突出重点，思路清晰能准确表达。论点正确，论文内容有一定难度方法合理，论文内容工作量饱满。结构严谨，论文有一定应用价值。对前人工作有改进或有独特见解。正面回答问题，不回避问题，不浪费时间，不狡辩。回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。等级 组长签字：2013年 4 月 14 日答辩委员会意见： 同 意 以 上 评 定等级 答辩委员会主任签字：2013年 月 日注：答辩小组根据评阅人的评阅签署意见、初步评定成绩，交答辩委员会审定，盖学院公章。“等级”用优、良、中、及、不及五级制（可按学院制定的毕业设计(论文)成绩评定办法评定最后成绩）。华东交通大学毕业设计（论文）答辩记录姓名学号毕业届别2013专业通信工程题目多节点的ZigBee无线传感器网络设计答辩时间2013-4-14答辩组成员（签字）：答辩记录： 记录人（签字）： 2013年4月14日 答辩小组组长（签字）：2013年4月14日附注：摘要多节点的ZigBee无线传感器网络设计专 业：通信工程 学 号：学生姓名： 指导教师：朱路摘要随着无线通信技术、嵌入式技术、传感器技术的快速发展，农业环境监控也在向自动化、信息化方向发展。传统有线农业环境监控系统多采用RS485总线与传感器相连，将监控用的PC机置于农业现场，面临现场布线和设备安装的一些实际困难。ZigBee技术作为短距离无线通信技术的代表，具有低功耗、低成本、短时延、自愈能力强及无需现场布线等诸多优点。基于此设计了多节点的ZigBee无线传感器网络，论文的主要工作如下：1、 设计了传感器节点硬件电路、PCB版图，制作了6个传感器节点，分析了各功能部件功耗特性。2、 分析了Z-Stack协议栈，在此基础上设计了多节点的ZigBee网络的应用层规范、传感节点数据采集发送功能软件、监控节点命令响应及外设控制软件以及协调器数据收发软件。3、 测试了节点硬件各状态下功耗参数，节点极限通讯距离及丢包率、组网性能和外设控制功能。测试结果表明系统硬件具有功耗低、体积小、工作稳定等特性；节点通讯距离达到130m左右、无发现丢包现象但有23%的重复率；协调器与节点能以树形拓扑结构稳定、快速组网；监控节点能准确、快速响应控制命令。综上，本系统能够采集环境数据、控制喷灌、气温调节等设备的开关，基本达到农业环境温湿度参数监控自动化要求。关键字：无线传感器网络；ZigBee；Z-Stack；环境监控IAbstractMulti-node ZigBee wireless sensor network designAbstractAs the rapid development of wireless communication technology, embedded technology and sensor technology, agricultural environmental monitoring is also to develop in the direction of automation and informatization. Traditional wired agricultural environment monitoring system used RS485 bus cable to connect to the sensor, and made use of a PC in agricultural field, by doing this could face some practical difficulties of field wiring and equipment installation. ZigBee technology has many advantages of the representative of the short distance wireless communication technology with low power consumption, low cost, short time delay, self-healing capability and instead of rewiring the scene. The design of Multi-node ZigBee wireless sensor network is based on the multiple nodes, the papers main work is as follows:1 The sensor node hardware circuit has been designed, PCB picture has been drawn, the 6 sensor nodes has been made, and each functional unit power consumption characteristics has been analyzed.2 Z - Stack protocol Stack is analyzed, the design of ZigBee network application specifications of the nodes is designed, sensor data is acquired and send to application layer software, monitoring node command response, external equipment control software and software to send and receive data coordinator is designed.3 The consumption parameters of nodes hardware condition is tested, the limit of node communication distance and packet loss rate is measured, the networking performance and the control functions of peripheral hardware is measured.The test results show that the system hardware with low power consumption, small size, and other characteristics; node communication distance of about 130m, no packet loss discoveried but with a repetition rate of 2 to 3%; coordinator and node can networking stable, fast in tree topology; monitoring node can accurately and quickly in response to the control command.In sum, the system is able to collect environmental data, switches sprinkler, temperature control equipment,basically reached the agri-environmental parameters of temperature and humidity monitoring automation requirements.Key Words: Wireless Sensor Network; ZigBee; Z-Stack; environmental monitoringI目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 选题背景11.2 国内外研究概况21.2.1 国外基本研究现状21.2.2 国内基本研究现状31.3 论文内容和结构安排3第二章 方案设计42.1 方案选择42.1.1 ZigBee协议的基本架构42.1.2 ZigBee方案概述52.1.3 ZigBee方案选择72.1.4 温湿度传感器方案选择72.2 系统整体方案82.3 小结8第三章 传感节点底板硬件设计93.1 传感器节点硬件要求93.2 电源模块硬件分析103.3 各单元硬件电路设计113.3.1电源及其接口电路113.3.2 射频模块接口及板上资源电路123.3.3 传感器电源开关及其接口电路143.4 传感器节点底板硬件实物163.4 小结17第四章 系统软件设计184.1 Z-Stack协议栈分析184.2 传感节点数据采集及发送软件设计194.2.1 传感器节点工作流程194.2.2 传感器驱动224.3 监控节点命令接收及外设控制软件设计244.4 协调器数据收发软件设计264.5 无线通信数据包分析294.6小结31第五章 系统测试325.1 系统实物325.2 硬件功耗测试325.3 节点通讯性能测试345.3.1 极限距离测试355.3.2 节点丢包率测试355.4 组网测试365.4 控制实验365.4 小结37总结38参考文献39致谢40附录41附录A 外文翻译-原文部分41附录B 外文翻译-译文部分46I华东交通大学毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 选题背景近年来, 随着微机电系统( Micro-Electro-Mechanism System, MEMS) 、片上系统( System on Chip, SOC) 、无线通信和低功耗嵌入式技术的进步, 推动了低成本、低功耗无线传感器网络( Wireless Sensor Network, WSN) 的快速发展。无线传感器网络由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成一个多跳的自配置的网络系统, 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息, 并发给观察者。强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛, 可应用于环境监测、交通管理、医疗卫生、目标跟踪等领域。无线传感器网络已获得越来越多的关注。美国的技术评论在预测未来技术发展的报告中, 将无线传感器网络列为21世纪改变世界的10大新兴技术之首1,2。目前各种无线传感器网络协议标准液日渐规范化，其中得到广泛和推广的一种协议就是ZigBee协议3。ZigBee技术将主要嵌入在消费型电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中的应用，同时还支持地理定位功能，具有很广阔的应用前景4。无线传感器网络的一个典型应用（农业墒情监控）框架如图1-1所示。系统由ZigBee的微型传感器节点、嵌入GPRS的ARM网关和上位机软件组成。基于ZigBee的微型传感器节点以CC2530为核心，控制多个传感器（土壤pH、空气温湿度、光照、土壤温湿度传感器等）实现数据采集、数据处理、数据存储，以树状拓扑结构的ZigBee网络向协调器传送数据。ARM网关集成ZigBee协调器和GPRS网络，通过协调器收集微型传感器节点采集的数据，利用ARM网关实现ZigBee网络数据与GPRS网络、Internet的信息交互，将数据转发至远程监控中心。上位机软件及服务器从ARM网关接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制等，并可通过ARM网关发送控制指令至底层传感器节点完成远程参数设置，使得客户端在任何时间地点只要登陆系统服务器，就可在线实时监测信息和远程设置参数。底层的ZigBee无线传感器网络承载整个系统的基本功能的实现，是系统最重要也是最基础的部分，因此设计和实现无线传感器网络有着重要的意义。图1-1 无线传感器网络应用框架1.2 国内外研究概况1.2.1 国外基本研究现状2000年12月IEEE 成立了IEEE802.15.4 工作组，形成了IEEE802.15.4 标准5，此正是ZigBee的基础。2002年8月，ZigBee联盟成立，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半导体公司组成，如今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，ZigBee技术结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络4。 在IEEE802.15.4 中，总共分配了27个具有三种速度的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kb/s的信道，在915MHz频段有10个40kb/s的信道，在868MHz频段有1个20kb/s的信道。其中2.4GHz是全球通用的ISM 频段，915MHz是北美的ISM频段，868MHz是欧洲的ISM频段。 ZigBee联盟对IEEE802.15.4 标准网络层协议和API进行了标准化，制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4 的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得5。 韩国第三大移动手持设备制造商Curitel CommunicatI/Ons公司已经研制成世界上第一款ZigBee手机，该手机可通过无线的方式将家中或是办公室内的PC、家用设备和电动开关连接起来。这种手机融入了ZigBee技术，能够使手机用户在短距离内操作电动开关和控制其他电子设备。1.2.2 国内基本研究现状尽管国内不少人已经开始关注ZigBee这门新技术，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同网络传输、射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起，因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套队伍，本身就不是一件容易的事情6。因此到目前为止，国内目前除了少数几家公司外，有关ZigBee开发的公司还很少；但可喜的是随着国内公司的ZigBee各系列的实用开发系统推向市场，目前各大高校以及公司相继加入到了ZigBee的开发行列中。1.3 论文内容和结构安排本文设计多节点的ZigBee无线传感器网络节点的硬件电路并对其进行组网设计，其包括以下几个方面的内容：1) 设计并完成6个传感器节点的硬件电路；2) 每个节点能够采集环境温湿度数据；3) 部分节点具有控制功能，能够响应控制命令；4) 设计并完成多个无线传感器网络节点和协调器的硬件驱动软件；5) 完成ZigBee组网代码，能使节点与协调器成功组网；6) 能以ZigBee规范实现数据传输。论文结构如下：第一章为绪论部分，介绍无线传感器网络及ZigBee的相关内容；第二章为方案设计部分，主要是根据设计要求选择合适的方案和对应的器件；第三章为硬件设计部分，主要对系统的硬件电路进行介绍和分析；第四章为软件设计部分，主要对系统的软件程序进行介绍和分析；第五章为系统测试部分，主要是对节点功耗及网络的各方面性能进行测试和分析。第二章 方案设计本章将详细介绍构建无线传感网络，实现对环境参数（空气温湿度等）的智能监测系统。本章节具体介绍无线传感器网络协议、核心芯片、主要传感器的方案及选择。2.1 方案选择2.1.1 ZigBee协议的基本架构相对于常见的无线通信标准，ZigBee协议比较紧凑、简单，从总体框架来看，可以分为三个基本层次:物理层/数据链路层、ZigBee堆栈层和应用层，物理层/数据链路层位于最底层，应用层位于最高层7,8，ZigBee协议的架构如图2-1所示9。图2-1 ZigBee协议架构各层的基本功能如下： 物理层/数据链路层物理层：与物理传输媒介(这里主要指无线电波)相关，负责物理媒介与数据比特的相互转化，以及数据比特与上层数据链路层数据帧的相互转化。数据链路层:负责寻址功能，发送数据时决定数据发送的目的地址，接收数据时判定数据的源地址。此外也负责数据包或数据帧的装配以及接收到的数据帧的解析。 ZigBee堆栈层ZigBee堆栈层由网络层与安全平台组成，提供应用层与802.巧.4物理层/数据链路层的连接，由与网络拓扑结构、路由、安全相关的几个堆栈层次组成。 应用层应用层包含在网络节点上运行的应用程序，赋予节点自己的功能。应用层的主要功能是将输入转化为数字数据，或者将数字数据转化为输出。2.1.2 ZigBee方案概述目前各大公司以及市场上所能提供的ZigBee解决方案就协议栈的开源情况可分为三类10,11：1) 非开源协议栈(a) freescale解决方案freescale公司提供协议栈种类包括：802.15.4标准mac、SMAC、SynkroRF、ZigBee RF4CE、ZigBee 2007。最简单的就是SMAC，是面向最简单的点对点应用的，不涉及网络的概念；其次是IEEE802.15.4，一般用来组建简单的星型网络，而且提供了源代码，可以清楚地看到网络连接的每个步骤，分别调用了哪些函数； BeeStack（符合ZigBee 2007）是提供的最复杂的协议栈，但是看不到代码，它提供给你一些封装好的函数，比如创建网络函数，你直接调用它，协调器就把网络创建好了，终端节点调用它则寻找可以加入的ZigBee网络并尝试加入。其中硬件平台可以为下面中的任一种：MC13202（2.4 GHz射频收发器）、MC13213（2.4 GHz射频收发器和带60K闪存的8位MCU）、MC13224V（2.4 GHz平台级封装(PIP) 带有128KB闪存、96KB RAM、80KB ROM的 32位TDMI ARM7处理器）和MC13233（带有HCS08 MCU的2.4 GHz片上系统）。MC13202没有自带MCU，在做应用时，需要用户在自己的扩展板上加上MCU，既需要实现对外围设备的底层控制，也需要实现协议栈。下面的几种均有自带MCU，协议栈的实现在自带的MCU上实现，功能较简单的可直接使用片上的MCU资源进行控制；功能复杂的应用，最好协议栈实现与外围控制分开，大多数应用都选择arm芯片作为控制芯片。(b) Microchip 解决方案Microchip公司提供的协议栈种类包括：ZigBee Smart Energy Profile (SEP) Suite、ZigBee PRO、ZigBee RF4CE均是一整套的协议集，价格不菲。其硬件平为Pic18(MCU)+MRF24J40（2.4GHZ 射频收发器）+天线。与freescale的mc13202相似，MRF24J40也只是射频收发器，不包含MCU，协议栈的实现需要借助于外围的MCU,当然微芯公司选择的是pic18及以上的芯片作为其主控MCU，通过SPI接口与MRF24J40通信，查询其寄存器的状态，实现协议栈功能。(c) ST意法半导体解决方案协议栈：EMZNET ZigBee protocol stack。硬件平台：SN250集成一个 2.4GHz 的IEEE 802.15.4兼容无线收发器和一个内嵌EmberZNet软件栈的16位微处理器。这个节能型芯片包括完整的支持硬件的网络调试功能，使应用程序开发变得更加简单。2) 半开源协议栈TI/Chipcon解决方案TI/Chipcon公司提供免费的协议栈:Z-Stack系列。根据不同的平台提供以下各类协议栈：ZStack-CC2530-2.5.1、ZStack-EXP5438-2.5.1、ZStack-MSP2618-2.5.1、ZStack-LM9B96-2.5.1、ZStack-ZAP-MSP430-1.0.4。该协议栈全部用 C 语言编写, 免费提供给用户, 同时向后兼容。该协议栈在结构上分为应用层、网络层、安全层、MAC层和物理层, 每一层的函数都严格按照ZigBee 协议栈 IEEE802.15.4 标准和 ZigBee2007 规范所规定的原语格式编写。同时, 在协议栈内部还嵌入了一个操作系统, 用于对任务进行统一的调度。对于用户而言, 只需要了解应用层函数并进行恰当的调用, 就可以构建功能完善、性能稳定的 ZigBee 无线网络。其硬件平台包括：CC2530(带有增强型8051MCU)、CC2530+CC2591(增加发射功率)、MSP430+CC2520(2.4GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 射频收发器)。常用的是前两种，对要求不高的应用，不用另加MCU直接使用，非常方便。3) 开源协议栈(a) msstatePAN msstatePAN协议栈是由密西西比大学的RReese教授为广大无线技术爱好者开发的精简版ZigBee协议栈，基于标准C语言编写，基本具备了 ZigBee协议标准所规定的功能，最新版本为V0.2.6，该版本支持多种开发平台，包括PICDEM Z、CC2430评估板、MSP430+CC2420(Tmote)以及WIN32虚拟平台。源代码是开放的，整个协议栈是基于状态机（FSM）实现的。如果你的程序构架不是基于操作系统的，有限状态机应该是一个很好的选择。而且OS（operating system）中进程的状态也是个各个状态间的切换。(b) freakz协议栈和contiki操作系统。freakz是一个彻底的开源ZigBee协议，配合contikj操作系统，相当于Z-Stack+OSAL。相对于另外一个开源的WSN(Wireless Sensor Networking，无线传感网)操作系统TinyOS来讲，contiki的代码全部为C语言写成，用GCC进行编译，对广大应用C语言多年的开发者来说，减少了学习另外一种语言与编译平台所带来的时间花费。(c) TinyOSTinyOS是UC Berkeley（加州大学伯克利分校）开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计，操作系统基于构件（component-based）的架构使得快速的更新成为可能，而这又减小了受传感网络存储器限制的代码长度。TinyOS的构件包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具。它只是一个操作系统，不过现在已经成立了 TinyOS ZigBee Working Group 已经开始设计开源的ZigBee。2.1.3 ZigBee方案选择根据上述解决方案的阐述，非开源的协议栈由于所有代码封闭，开发者无法看到代码内部具体信息，使其对整个协议栈了解不够清晰，增加了开发的难度。同时那些非开源的协议栈的产品往往价格不菲，对于初入无线传感器网络的开发者来说很难承受。开源协议栈有着良好的代码开放性，开发者可以随意查看任何文件和源代码。但其协议栈到具体应用平台的移植有很大难度，甚至有些平台无法移植，限制了此类协议栈的推广。半开源协议栈Z-Stack不仅免费，而且具有良好的硬件平台（且价格低廉）的支持，使得在中国大陆推广的非常成功。本文使用的就是CC2530硬件平台+Z-Stack协议栈来