（信号与信息处理专业论文）基于zigbee和红外技术的控制系统研究与设计.pdf

摘要 近年来由于红外技术的蓬勃发展，红外遥控已经成为一种应用非常广泛的 近距离无线通信方式。在通讯设备、消费类电子产品领域都得到了广泛的应用。 例如在我们的家庭环境中，许多的家电设备都是由红外遥控器来控制，电视、空 调、d v d 播放机等。但是随着家电设备的不断增加，与之配套的遥控器数量也 相应的增加，当我们需要对一家电设备进行操控时，就需要找到相应的遥控器， 这就很容易造成遥控器的混乱。基于此种情况，我们就设想能否在数字家庭环境 中，采用单一的遥控器来实现对所有家电设备的遥控控制。本文就是基于这种想 法来进行相关的研究工作。 本文基于z i g b e e 和红外遥控技术，提出了一种新的家电设备控制系统方案。 利用z i g b e e 技术的强大网络功能，将控制器作为z i g b e e 网络中的协调器节点， 受控的家电设备作为终端节点进行组网。论文首先介绍了z i g b e e 技术的背景、 特点和应用领域，然后对红外信号、z i g b e e 设备类型、网络结构进行了详细的 介绍，并对z i g b e e 各层协议进行深入的研究。最后阐述了本文的重点即控制系 统的软硬件设计和相关的实验测试工作。 本文采用1 1 的c c 2 4 3 0 芯片来进行控制节点的设计，c c 2 4 3 0 内部包含一颗 8 0 5 1 微控制器内核和一个2 4 g h zd s s s 射频收发器。在软件设计方面，首先对 z i g b e e 协议栈的整体框架和各层功能进行了研究，然后对网络中的协调器、理 由器、终端节点的协议栈进行了分析，最后完成对c c 2 4 3 0 芯片的初始化、节点 通信、红外控制信号传输等程序的编写和调试。 论文最后对已完成的工作进行了总结，并指出了下一步的研究方向。 关键字：红外遥控、z i g b e e 、控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t n o wi n f r a r e dr e m o t ec o n t r o lh a sb e c o m eav e r yw i d e l yu s e dt e c h n o l o g yo f s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 谢t l lt h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fi n f r a r e d t e c h n o l o g y i th a sb e e nw i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t ，c ed e v i c e sa n ds o o n t h e r ea r em a n yv a r i o u sc eh o m ea p p l i a n c e sb e i n gc o n t r o l l e da n dm a n a g e d 、析t l l r e m o t ec o n t r o lu n i tb a s e do ni rs i g n a li no u rh o m ee n v i r o n m e n t s ，s u c ha st v , a i r c o n d i t i o n i n g ，d v dp l a y e r , e c t b u tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec ed e v i c e s ，t h en u m b e ro f t h er e m o t ec o n t r o la l s oi n c r e a s e i tc a u s e dt h a tw h e n w ew a n tt oc o n t r o lac ed e v i c e ， i ti ss oh a r dt of i n dt h em a t c hc o n t r o l l e r s o ，w ew a n tt od e s i g nau n i v e r s a lr e m o t e c o n t r o lu n i tw h i c hi sa ni n t e r g r a t e dd e v i c ef o rc o n t r o l l i n gt h e s ev a r i o u sd e v i c e sw i t ha s i g n a lo n e t h i sa r t i c l ei sb a s e do n t h i si d e at od or e s e a r c h i nt h i sp a p e r , i tp r o p o s e dan e wc o n t r o ls y s t e ms c h e m eo fc ed e v i c e sb a s e do n z i g b e ea n di r w ec a nc o n s t r u c tan e t w o r kb yz i g b e e ，i nt h i sn e t ，t h ec o n t r o l l e ra sa z i g b e ec o o r d i n a t o ra n de dd e v i c e sa sz i g b e et e r m i n a ln o d e s f i r s t , i ti n t r o d u c et h e b a c k g r o u n d ，f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n so fz i g b e e t h e nd e s c r i b et h ez i g b e ed e v i c e t y p e sa n dn e t w o r ks t r u c t u r e si nd e t a i l i n - d e p t hs t u d yt h el a y e r so ft h ez i g b e e p r o t o c 0 1 f i n a l l y , e x p o u n dt h ef o c u so f t h i sa r t i c l et h a tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e ma n dt e s t i n g i tu s e st 1 7 sc c 2 4 3 0t od e s i g nt h ec i r c u i to ft h en o d e s t h ec c 2 4 3 0c o m b i n e st h e e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e o ft h e l e a d i n g c c 2 4 2 0r ft r a n s c e i v e rw i t ha n i n d u s t r y - s t a n d a r de n h a n c e d8 0 51m c u i ns o f t w a r ed e s i g n ，f i r s t ，w er e s e a r c ht h e o v e r a l lf r a m e w o r ka n dt h ef u n c t i o no ft h el a y e r so fz i g b e ep r o t o c o ls t a c k ，t h e n ，w e a n a l y z e dt h ep r o t o c o ls t a c ko ft h ec o o r d i n a t o r , r o u t e r , t e r m i n a ln o d e s f i n a l l y , w e c o m p l e t e dp r o g r a m m i n g a n dd e b u g g i n go ft h ei n i t i a l i z i n gz i g b e ec h i pc c 2 4 3 0 ，n o d e t on o d ec o m m u n i c a t i o na n di rc o n t r o ls i g n a lt r a n s m i s s i o n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , i tw i l lg i v et h es u m m a r yf o rt h i sp a p e r , a n dp o i n t so u t t h ed i r e c t i o nf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：i rr e m o t ec o n t r o l ，z i g b e e ，c o n t r o ls y s t e m 第一章绪论 1 1z i g b e e 技术背景 第一章绪论 如今，无线通信技术领域中的近距离无线通信技术有了很大的发展，已经发 展成为无线通信技术领域中一个重要组成部分。由于在人们的实际生产活动中， 经常会要求系统传输一些小量的突发信号数据，也就是信号的数据特征是数据量 很小，同时需要对数据进行实时的传送。如果我们在面对这种情况时使用传统的 无线通信技术，虽然可以满足上述的应用需求，但同时我们也将要面临着设备成 本过高、消耗的能量过大、设备所占空间过大、组网比较困难等问题。当我们在 实际应用中遇到这种问题时，那些在实际应用中表现出成本不高、功耗也较低、 所占空间比较小和较低的数据传输速率等特点的近距离无线通信技术更容易受 到人们的青睐。 z i g b e e 名称是来源于蜜蜂的通信方式。人们在对蜜蜂的长期观察中发现蜜 蜂在找到食物后，会通过“z 形状的舞蹈来通知同伴，而且蜜蜂本身的能量消 耗也很小。基于此种特点，一般就用z i g b e e 来命名那些低速、低功耗、低成本 的无线通信技术。 在2 0 0 0 年1 2 月，电器和电子工程师协会( i e e e ) 成立了无线个域网( w p a n ) 工作组，该小组的工作是定义w p a n 的无线通信协议，2 0 0 3 年1 0 月该小组发布 了针对低成本、能量消耗小、传输速率低的正式i e e e8 0 2 1 5 4 标准。i e e e8 0 2 1 5 4 标准仅仅处理低速w p a n ( l r w p ! a n ) 的物理层( p h y ) 和媒体接入控制子层 ( m a c ) 。2 0 0 1 年8 月z i g b e e 联盟成立，联盟致力于制定出能够与i e e e8 0 2 1 5 4 标准相配套的网络层( n w k ) 及应用层规范。2 0 0 2 年8 月，日本的三菱电子、 荷兰的p h i l i p s 、英国的l n v e n s y s 、美国的m o t o r o l a 四大公司宣布加入z i g b e e 联 盟。z i g b e e 联盟在2 0 0 4 年1 2 月发布了z i g b e es p e c i f i c a t i o n 规范，这个规范在 i e e e8 0 2 1 5 4 标准的基础上对网络层( n w k ) 和应用层进行了相关规范【3 5 1 。 经过近几年的发展，z i g b e e 联盟已经发展成为一个拥有数百家芯片生产厂 商和无线通信设备厂商的国际组织，并且仍在不断的扩大规模。z i g b e e 技术凭 借着自身能量消耗小、成本低廉、时延短、网络设备容量大和安全可靠等特点， 基于z i g b e e 和红外技术的控制系统研究与设计 在工业控制、智能交通、医疗、智能家居等领域的应用中占据着越来越重要的地 位。 1 2z i g b e e 技术发展现状 1 2 1z i g b e e 技术特点 z i g b e e 是建立在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础上的一种技术规范。z i g b e e 网络是 基于z i g b e e 协议来组建的无线通讯网，这种网络可以自动进行组网，网络的拓 扑结构是动态变化的。 z i g b e e 作为一种新兴出现的短距离无线通信技术自然有着与众不同的地方， 下面就对它的技术特点做一些简单的介绍 3 1 1 4 1 1 5 1 ： ( 1 ) 数据传输速率低：传输速率有三种：分别是2 0 k b s ( 8 6 8 m h z 频段) 、 4 0 k b s ( 9 1 5 瑚z 频段) 、2 5 0 k b s ( 2 4 g h z 频段) 。它是专注于低速传输。 ( 2 ) 能量消耗小：功耗小是它的一个非常重要的特点。由于z i g b e e 技术专 注于低速传输、需要进行发送的数据量一般很小，当处于工作模式下时数据的收 发持续时间一般都很短。当不进行数据的收发活动时，设备节点自动进入休眠模 式，可以大大节省电量。这里的休眠模式就是当节点不需要进行数据的收发时， 进入休眠的状态。而当需要节点进行数据的收发时，通过网络中具有协调器功能 的设备来唤醒节点进入工作模式，进行数据的收发。由于系统的数据收发功耗较 小，同时系统使用了休眠模式，这就使得z i g b e e 节点非常节约电池能量，在低 功耗模式下，两节5 号电池的工作时间一般可以达到6 个月到2 4 个月左右。这 在那些不能够经常进行电量补充的领域是一个巨大的优势。 ( 3 ) 系统成本低：与其它的网络技术相比较，z i g b e e 协议栈是非常紧凑而 简单的。它对m c u 的计算和存储能力要求都比较低，对于一个普通网络节点来 说，其硬件只需要8 位的m c u ，最小需要4 k b y t e 、最大也只是需要3 2 k b y t e 的 r o m ，且z i g b e e 协议是免费的，这就大大降低了其应用成本。相信随着产品的 量产和技术的不断完善，z i g b e e 通信模块的价格也会渐渐降低至人们可以接受 的范围。 ( 4 ) 时延短：z i g b e e 的通信时延和从休眠状态唤醒的时延都是很短的，1 5 m s 2 第一章绪论 的从休眠状态唤醒时延，3 0 m s 的设备搜索时延，1 5 m s 的活动设备接到信道时延。 ( 5 ) 超大的网络容量：z i g b e e 设备既可以采用6 4 位的i e e e 地址，也可以 采用指定的1 6 位短地址。一个典型的z i g b e e 网络最多可以由2 5 5 个网络节点组 成( 1 个主控设备和2 5 4 个从属设备) ，每个设备又可以外接另外的2 5 4 个设备。 通过网络协调器，整个网络最多可以拥有6 5 0 0 0 多个网络节点，如果再将各个网 络协调器相连，网络节点的数量将是非常庞大的。 ( 6 ) 传输距离小：有效传输范围在1 0 7 5 m 之间，但是可以通过增大发射 功率来扩大传输距离，一般来说，其传输距离基本上可以满足用户的需求。 ( 7 ) 数据传输可靠：z i g b e e 的m a c 子层采用载波检测多址访问与冲突避 免( c s 撇a ) 的数据传输机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当需要 进行数据传送时可以立即进行数据的传送，只有接收到对方的确认信息时才会发 送数据包，同时还要对接收到的确认信息进行应答，如果没有接收到确认信息的 应答，表示数据在发送时发生了碰撞，需要对数据进行从新发送。通过此数据传 输机制可以大幅提高数据传输的可靠性。 ( 8 ) 高级别的安全保障：这种技术为用户提供了数据的完整性检查功能和 鉴权功能，采用a e s 1 2 8 高级加密算法，并且各个实际的应用可以根据自身需 求来确定自己的安全属性，可以在很大程度上提高数据传输的安全性。 ( 9 ) 灵活的工作频段：z i g b e e 技术使用了三种通信频段，分别为全球通用 的2 4 g h z 频段、欧洲使用的8 6 8 m h z 频段及美国所使用的9 1 5 m h z 频段，三种 频段都是不需要进行注册就可以使用的频段，我国可以使用的频段应该是 2 4 g h z 。 1 2 2z i g b e e 技术应用领域【3 】【5 】 通过以上的介绍，我们对z i g b e e 技术有了大致的认识和了解。利用该技术 的优势和特点，z i g b e e 技术在无线传感器网络、智能家居、无线抄表中已经进 行了一些实际的应用，伴随着这种技术的不断自我完善，它将在越来越多的领域 得到应用和发展。 z i g b e e 技术在下面介绍的领域中得到了应用： 3 基于z i g b e e 和红外技术的控制系统研究与设计 ( 1 ) 军事领域：对于z i g b e e 技术而言，军事领域是一个非常重要的应用领 域，也是首先得到应用的领域。不需要进行网络设备的架设，可以快速投入到工 作中，抗打击能力强等特点，保正了z i g b e e 技术能够在复杂的战场环境中进行 通信。 ( 2 ) 工业领域：监测人员可以利用z i g b e e 网络对工厂的各种信息进行采集， 然后将信息发送到控制中心，对数据进行分析与处理，以完成对工厂的监控。例 如温度的监控，照明设备的监控，机器操作的控制等，都可以通过z i g b e e 网络 来获得相关信息，以完成对环境和设备的控制。 ( 3 ) 智能家居领域：z i g b e e 模块可安装在空调、d v d 机、液晶电视、灯 泡、遥控器、录像机、窗户、窗帘和其它家电产品等，比如在灯泡中安装z i g b e e 模块，当我们需要控制灯光是，可以通过遥控来实现对灯光的控制；当你拉开窗 帘时，灯光就会自动变弱；当你拿起电话想打电话时，音响就会自动静音。 ( 4 ) 智能交通：如果在高速公路、街道等地方安装上大量的z i g b e e 终端设 备，人们就可以对自己周围的路况有清晰的了解。通过汽车里的配套设备，可以 确定自己当前的位置。与全球定位系统( g p s ) 相比，这种全新的系统可以为你提 供更精准的信息，比如一条街道有没有限制行驶速度，街道是单行还是双行，道 路的交通情况或事故信息等。在g p s 覆盖不到的区域内，该系统仍能发挥作用 1 2 3z i g b e e 技术与其它无线技术的比较【3 1 目前，短距离无线通信技术领域除了有z i g b e e 技术，还有一些其它的实用 技术，这些技术都有各自的特点。接下来将对这些无线技术进行简单的介绍，并 对它们进行比较，以便我们可以更好的了解它们各自的性能和实用性【3 5 】。 ( 1 ) w i - f i ( m e e8 0 2 1 1w i r e l e s sf i d e l i t y ) w i f i 是i e e e 小组制定的i e e e8 0 2 1 1 a 或8 0 2 1 l b 工业标准，它的主要特点 是数据传输速率高、组网灵活、安全可靠、可移动性好。w i - f i 网络工作在2 4 g h z 和5 2 g h z 的免执照频段，最高数据传输速率可达1 1 m b p s ( 8 0 2 1 l b ) - 5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l a ) 。它的无线电波有效覆盖范围可以达到1 0 0 m ，但是它的信号容易受 到干扰。但在办公室使用是没有问题的。由于w i f i 使用无线电波作为它的通信 媒介，用户就会担心自己的信息会被别人截取。w i f i 应用中一般是采用网络金 4 第一章绪论 钥加密w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 技术来进行信息的加密处理。 ( 2 ) 超宽带( u w b ：u l t r a - w i d eb a n d ) 技术 u w b 起源于上个世纪的五十年代末，在很长一段时间是作为军事技术来使 用，2 0 0 2 年被准许进入民用领域。根据美国f c c ( 联邦通信委员会) 的规定， u w b 的频率范围在3 1 g h z 1 0 6 g h z ，室内发射功率最大为- 4 1 3 d b m 。最高数据 传输速率可以达到4 8 0 m b p s 。与传统的无线通信模式相比，u w b 使用能量脉冲 序列来代替传统的载波，使用o f d m 正交频分调制或d s 直接排序调制方式。 目前u w b 的数据传输速率可以达到11 4 m b p s ，对于人们一般的家庭应用需求来 说已经相当够用了。 ( 3 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ) 蓝牙技术是在1 9 9 4 年提出的一种近距离、低成本的无线连接技术，主要用 于来进行语音和数据的短距离传输。蓝牙设备使用2 4 g h z 的i s m 公用频道，大 多数国家在2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 范围内，使用2 3 或7 9 个频道，频道间隔为1 m h z ， 采用时分双工方式。频率每秒钟改变1 6 0 0 次，每个频率持续6 2 5 i _ t s ，这样可以 保证蓝牙系统，具备抵抗其它工作在i s m 频段设备干扰的能力。蓝牙设备之间 的有效通讯距离大约为1 0 1 0 0 m ，当发射功率为l m w 时，可以达到l o m ，当功 率增大到l o o m w 时，有效通信距离在1 0 0 m 以内。发射功率有l m w 、2 5 m w 、 1 0 0 m w 三个级别。蓝牙支持6 4 k b p s 实时语音和数据传输。蓝牙组网方式灵活， 点对点和点对多点的无线连接都是基于t d m a 原理来进行组网，b l u e t o o t h 采用 的安全技术包括加密技术、跳频技术和身份鉴别机制，来保证通信的安全可靠。 ( 4 ) i r d a ( i n f i a r e d ) 红外技术 1 9 9 3 年6 月2 8 日，二十多家企业联合起来，组建了红外数据协会( i r d a ： i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) ，并在一年之后发布了红外数据通信标准，也就是今天 的红外( i r d a ) 技术。它是一种异步、半双工的红外通信方式。数据传输速率 已经由原来的4 m b p s 提高到1 6 m b p s 。红外通信通常采用的是红外波段内的近红 外线，波长在0 7 5 1 u n - 2 5 1 u n 之间。由于它所采用的红外线波长短，对遮挡物的 衍射能力差，不能越过障碍物，所以它的最大通信距离一般都在1 0 m 以内，并 且通信角度不能超过3 0 0 ，更适合应用在一些近距离点对点无线通信领域。如今 红外技术的应用已经相当成熟，在我们的周围可以经常遇到和使用。它的规范协 5 基于z i g b e e 和红外技术的控制系统研究与设计 议主要有：连接管理协议( l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l ，i r l m p ) 、连接建立协议( l i n k a c c e s sp r o t o c o l ，i r l a p ) 以及物理层规范( p h y s i c a ll a y e rl i n ks p e c i f i c a t i o n ) 。 ( 5 ) 射频识别( i 江i d ) 技术 射频识别( r f i d ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 又可以称为射频识别技术， 是一种通过r f 信号来自动识别目标并获取数据的非接触式的自动识别技术，是 在上世纪九十年代出现的。比较常见的r f i d 标准有用于集装箱识别的 i s 0 1 0 3 7 4 ，用于非接触智能卡的i s 0 1 5 6 9 3 ( v i c i n i t yc a r d s ) 等。射频识别技术 的最大特点是非接触高速识别，射频标签的电触点不需要露出也可以被识别到。 射频识别的优点特点可归纳为：读写器不用接触就可以读取所需信息；读写器可 以一次识别多个射频标签；射频标签穿透性好，即使被纸张、塑料等非金属材料 包装也可以识别；射频标签储存数据的容量大；射频标签适应环境能力强，对油、 药品有较强的抗污染能力，对光线有很强的免疫力；标签可重复使用，节省材料， 降低成本；标签小型化、多样化。 为了近一步对这几种近距离无线通信技术进行了解，下面将通过表1 1 列出 几种近距离无线通信技术的主要参数。从这张表中，我们可以很容易的知道，不 管是z i g b e e 技术、w i f i 技术、超宽频技术、蓝牙技术还是红外技术以及r f i d 技术，它们都有自己的特点，可以在不同的领域得到应用发展，任何一种技术也 不能完全取代另外一种，它们可以相互补充。 表1 1 几种短距离无线通信技术特征 市场名 z i g b e e b l u e t o o t hw i f i 搞准 h d ai 己f i d 8 0 2 1 5 48 0 2 1 5 18 0 2 1 l b 参数 、 8 6 8 9 1 5 m h z2 4 g h z 工作频段 8 2 0 n m8 2 0 n m5 8 g h z 2 4 g h z5 8 g h z 最大传 2 5 0 k b p s1 m b p s1 1 m b p s1 6 m b p s2 1 2 k b p s 输速率 不需要供 最大功耗1 - 3 m w1 1 0 0 m w1 0 0 m w几m w 电 传输距离 1 0 7 5 7 2 02 5 1 0 00 2 1 21 0 7 5 ( 米) 6 第一章绪论 网络节点 2 55 6 5 0 0 085 022 数 1 3 选题的研究意义与研究内容 1 3 1 研究意义 如今无线通信正处在一个蓬勃发展的阶段，将无线技术应用在智能家居领域 有着很大的市场需求。世界各大厂商也对无线技术的开发和产品化有着浓厚的兴 趣，其中z i g b e e 技术凭借着其成本低、功耗小的特点，同时具有强大的网络扩 展能力，而受到了人们格外的青睐。主要适用于工业控制以及远程监控等领域， 能够满足系统传输一些小量的突发信号数据，也就是信号的数据特征是数据量很 小，同时需要对数据进行实时的传送的应用需求。可广泛应用于无线传感器网络、 智能家居等领域，也可以应用在军事和智能交通和汽车自动化等领域。对z i g b e e 技术的研究，将为后续的实际应用做好理论准备。红外技术作为一种比较成熟的 技术，在我们的家庭环境中已经得到了很好的应用，比如现在比较常见的红外遥 控器，但随着家庭设备的不断增加，与之配套的遥控器数量也相应的增加，这就 容易造成控制的混乱。将z i g b e e 和红外技术结合起来，使得在我们的家庭环境 中，只需要单一的一个遥控器就可以完成对所有家电设备的控制，这样当我们需 要控制家电设备时，就不需要去找到配套的控制器，只需要有一个万用遥控器就 可以解决问题。 1 3 2 本文研究内容 本文的研究内容如下： 1 首先对i e e e8 0 2 15 4 标准和z i g b e e 协议进行阅读理解，研究z i g b e e 技术 特点、设备类型、网络结构，数据结构，并对z i g b e e 协议栈各层的功能进行分 析。 2 然后提出系统的整体框架，并对控制单元各模块的硬件电路进行设计。 3 然后是完成系统的软件设计，完成控制单元和受控设备的组网，实现系统 控制信号的传输。 7 基于z i g b e e 和红外技术的控制系统研究与设计 4 最后完成控制节点的组网实验与红外信号的传输。 1 4 本文的内容安排 本文的内容安排如下： 第一章是绪论部分，阐述了z i g b e e 技术的背景以及它的特点和应用领域， 并对几种短距离无线通信技术作了一个比较，指出课题的研究意义，介绍文章的 主要内容和各章安排。 第二章首先对红外信号作了一个简单的介绍，然后对z i g b e e 的三种设备类 型、体系结构和网络拓扑结构作了详细的介绍，最后是对z i g b e e 各层协议规范 的介绍。 第三章提出了控制系统的整体框架，结合z i g b e e 和g r j , b 技术来对受控设备 进行控制。对控制单元的无线收发模块、电源模块进行了设计。 第四章介绍了软件开发环境，对节点的组网进行了详细的介绍，给出了数据 的收发流程。 第五章是实验测试部分，对无线收发模块进行了测试，构建了一个星型网络 结构的新网络，并对红外信号进行传输。 第六章是总结与展望部分，对已做的工作进行了简单的总结并指出下一步的 研究方向。 8 第二章红外信号和z i g b e e 协议规范 第二章红外信号和z i g b e e 协议规范研究 2 1 红外信号 2 1 1 红外信号简介 红外光谱位于可见光区和微波光区之间，波长范围大约为o 7 5 1 0 0 0 9 m 。按 波长可将红外光区分为三个区，分别为近红外光区( o 7 5 2 5 9 m ) ，中红外光区 ( 2 5 2 5 1 a m ) ，远红外光区( 2 5 1 0 0 0 p m ) 。红外传输 9 1 是一种点对点的无线传输 方式，但它的传输距离不能太远，而且必须对准目标，传输距离间不能存在有障 碍物，红外信号不能穿过障碍物，不能有效的控制信息传输进度。一般的红外遥 控是采用近红外光来传送控制指令，它的基本通信原理如下所述：红外信号代码 采用二进制码来表示，编码并不是用高、低电平来表示“1 或“0 ”，而是利用 脉宽来表示。比如说二进制信号“0 ，一个脉冲占1 2 m s ，而对于二进制信号“1 ， 一个脉冲占2 4 m s ，每一个脉冲内低电平均占0 6 m s 。在我们的生活中会使用到 许多各种各样不同的红外遥控系统，但它们的原理都没有太大的区别，它们的最 大区别就在于各个系统使用不同的信号编码格式，通过使用这些信号去调制固定 频率在3 8 - 4 0 k h 的载波信号，然后将信号经过驱动放大后由红外发射管发射， 由目标处的红外接收头接收，信号经过放大、检波、整形后，再经过单片机译码 得到控制指令。红外遥控的特点是调制简单、易于编码、可实现多路控制。 2 1 2 红外信号的编码调制方式 1 脉冲占空比编码调制【1 2 1 这种调制方式的原理是：每一位二进制数所占的时间宽度是相同的，用停发 红外调制信号时间宽度的占空比大小来表示二进制数1 或0 ，占空比大的就表示 l ，占空比小的用来表示0 。 2 脉冲宽度编码调制 这种调制方式的原理是：每一位二进制数所占的时间宽度不同，用停发红外 调制信号的时间宽度表示1 或0 ，停发时间长的表示1 ，停发时间短的表示0 。 9 基于z i g b e e 和红外技术的控制系统研究与设计 _ jl | 一 乳 _ jol 一 一i 1 l 汛 图2 1 脉冲占空比和脉冲宽度编码调制中“1 ”和0 的表示 2 1 3 红外信号代码的格式 l0i 一一 她 一个完整的红外遥控信号代码一般是由引导码、系统码、系统码的反码、数据 码、数据码的反码等几个部分组成1 1 2 1 。其中引导码是一个代码的开始部分，由 时间相对较长的一个低电平和一个高电平组成；系统码是通过遥控器的遥控编码 芯片的引脚不同接法设定的，它是用来区分不同型号的遥控系统；数据码则是遥 控器功能按键的编码，不同的功能按键其代码不相同；系统码的反码和数据码的 反码是用来纠错的( 但一些遥控代码中不包含反码部分) 。遥控信号代码总的长度 因采用的编码芯片不同而有所不同，功能代码与功能代码之间的最短时间间隔一 般为8 0 m s 1 2 0 m s 。如图2 2 所示，是采用脉冲宽度编码调制方式的代表某一功 能的一个完整的遥控代码。从图中我们可以知道，该遥控器的系统码为八位二进 制数0 0 0 1 0 1 0 1 ；数据码为0 0 0 1 1 0 0 0 也是一个八位二进制数，它是遥控器一个 功能按键的代码。该遥控器最多可以有2 5 6 个功能键。 图2 2 脉冲宽度编码调制方法的一个完整代码 2 2z i g b e e 设备类型 z i g b e e 网络中的设备根据它们功能的不同可以分为 4 1 1 8 1 ：具有完整功能的全 功能设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ，f f d ) 和只具有部分功能的精简功能设备 ( r e d u c e df u n c t i o n a ld e v i c e ，r f d ) 。全功能设备可以作为协调器、路由器、终端设 备，功能较齐全，而精简功能设备功能相当简单，可以用较低端的微控制器来实 现。其中两个全功能设备可以直接互相通信，而一个精简功能设备不能和另外的 一个精简功能设备进行通信，它只能和全功能设备进行通信。 1 0 第二章红外信号和z i f g b e e 协议规范 z i g b e e 协议根据设备各自的作用将网络中的设备划分为三种类型，分别为 z i g b e e 协调器( c o o r d i n a t o r ) 、z i g b e e 路由器( r o u t e r ) 和z i g b e e 终端设备 ( e n d d e v i c e ) 。其中协调器和路由器必须是全功能设备，z i g b e e 终端设备可以 是全功能设备，也可以是精简功能设备。z i g b e e 协调器的功能是建立和维护整 个无线网络，在每个网络中有且只有一个，它的功能比其它设备更强大；z i g b e e 终端设备的功能比较简单，一般用来发送和接收简单信息；z i g b e e 路由器是网 络中两个设备通信的中继节点，通过路由器可以扩展网络的范围，还可以进行路 由选择和数据转发。 表2 - 1z i g b e e 设备类型比较 设备类型拓扑类型能否成为协调器通话对象 全功能设备( f f d )星型、树型、网状可以任何z i g b e e 设备 精简功能设备只能与协调器 星型不可以 ( i 心d )通话 2 2 1z i g b e e 协调器 z i g b e e 协调器【8 】必须是全功能设备，它负责为网络的建立和启动这一过程配 置相关的参数，包括选择射频信道、网络标识符以及其它操作参数。协调器的初 始化是在设备上电之后，首先进行信道的扫描，选择适合的射频信道以及网络标 识符，然后允许其它的一些设备加入已经建立成功的网络。z i g b e e 网络中的设 备是由协调器来管理的，协调器的管理工作包括了一个设备的加入到网络和退出 网络，同时还需要响应其它设备发来的绑定请求，为设备之间的数据传输建立相 关绑定信息，也还需要具备数据的收发功能。 2 2 2z i g b e e 路由器 z i g b e e 路由器嗍也必须是全功能设备，它具备消息转发功能。路由节点上电 后，网络中的路由器节点首先应该请求加入原来的网络，或者请求加入一个新的 网络。如果路由节点是加入到原来的网络中去，那么它就需要首先对信道进行扫 描，以便找到它的父设备，然后再加入到原来的网络中；如果路由节点是请求加 入一个新的网络，该节点首先就需要对信道进行扫描，然后选择一个适当的新网 基于z i g b e e 和红外技术的控制系统研究与设计 络加入进去。当节点成功加入到网络中去后，还需要对路由器的属性进行设置。 2 2 3z i g b e e 终端设备 与路由节点一样，当终端节点上电后，节点首先应该请求加入原来的网络， 或者请求加入一个新的网络。终端设备只能选择加入一个其它节点已经建立成功 的网络，不能够自己建立网络。它只能进行简单的数据发送和接收，不能进行数 据的转发，不具有协调器和路由的功能，它们大部分时间都是处在休眠的状态。 2 3z i g b e e 体系结构 z i g b e e 协议是目前研究比较多的一种无线通信协议，z i g b e e 协议栈是由一 组称为层的模块来组成的【引。每一个子层都是通过一个服务接入点( s a p ) 来为 其上层提供数据和管理服务，其中数据实体通过s a p 为其上层提供数据传输服 务，而管理实体通过s a p 为其上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的服 务。同时每一个s a p 都可以通过一些服务原语来完成它们的任务。 z i g b e e 协议栈的体系结构如图2 3 所示嘲。z i g b e e 协议栈的架构是在开放式 系统互联( o s i ) 的七层模型基础上定义的，但只对和它应用相关的几个层进行 了定义。协议栈最下面的两个子层物理层( p h y ) 和介质接入控制子层( m a c ) 是由i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的，而协议栈的网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) 框架则是由z i g b e e 联盟来负责设计的。协议栈的应用层( a p l ) 的组成部分包 含了应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和由生产厂商所制定的应 用对象。 图2 - 3z i g b e e 协议栈的体系结构 1 2 第二章红外信号与z i g b e e 协议规范研究 和我们所了解的一些无线通信协议相比较而言，z i g b e e 协议设计的紧凑而 简单，实现它的配置也比较低容易实现，只需要一个8 位的m c u ，一块 8 0 c 5 1 m c u 就可以满足它的应用要求，最小需要4 k b 、最大也只需要3 2 k b 的 r o m 。 2 4z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 网络层( n w k ) 支持包含有主从设备的星型( s t a r ) 、树型( t r e e ) 和 网状( m e s h ) 拓扑结构 4 1 。在星型拓扑结构中，网络中的节点彼此并不通信，所 有节点的通信都需经过协调器节点。在树型拓扑结构中，包括协调器节点、路由 节点以及终端节点。协调器节点负责网络的启动，选择一些关键的网络参数，路 由节点完成数据的路由功能，网络还可以通过一些z i g b e e 路由器进行扩展，终 端节点的信息通常要经过路由节点的转发才能传输到协调器节点。在网状结构 中，节点间可以互相通信，数据的转发一般为多跳路由，是一种最复杂的拓扑结 构。 ( c 代表协调器，r 代表路由器，e 代表终端节点) 图2 - 4 星型、树型和网状三种网络拓扑结构 2 5z i g b e e 物理层协议规范 i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了两个物理层标准【4 】，分别为2 4 g h z 物理层和 8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。它们两个都是采用d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p e c t r u m ，直接 序列扩频) 技术，有着相同的物理层数据包格式，它们的区别在于工作频段，调 制技术，扩频码片长度和传输速率。 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层总共提供了2 7 个信道，信道编号从o 2 6 ，三个频段上 的信道分配为：2 4 g h z 频段上分配了1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段上分配了l o 个 1 3 i， 0 ， f o 偷丫谊，一一纂歹 队，鲛 逗 圆、擎 、迈梦 蔹、逐两箩 咚湘 囤 堰萤 茶 驴 基于z i g b e e 和红外技术的控制系统研究与设计 信道，8 6 8 m h z 频段上分配了1 个信道。这些信道的中心频率可以通过下面给出 的公式进行计算： f c = 8 6 8 3 m h zk = 0 f c = 9 0 6 + 2 ( k 1 ) m h z k = - i ，2 ，1 0 f c = 2 4 0 5 + 5 ( k - 1 1 ) m h zk = - i l ，1 2 ，2 6 式中，k 表示的是信道的编号。 物理层的帧格式如表2 2 所示，包含同步头、物理帧头以及长度可变的物理 帧负荷域。同步头的前4 个字节表示前导码，前导码是用来在收发器接收帧时， 根据其特征完成片同步和符号同步，前导码是由3 2 个二进制符号0 构成。同步 头的最后一个字节为帧起始分隔符s f d ( s t a r to f f r a m ed e l i m i t e r ) ，它是用来标 志同步域的结束和数据包的开始。物理帧头的低7 位有效，表示帧长度，所以物 理层的帧负荷域的长度不会超过1 2 7 个字节，物理层帧的负荷域p s d u ( p h y s e r v i c ed a t au n i t ) ，是用来承载通用的m a c 帧。 表2 - 2 物理层帧格式 4 字节1 字节1 字节长度可变 前导码 ( p r e a m b l e ) s f d帧长度( 7 b i t )保留位( 1 b i t )p s d u 同步头物理帧头物理层帧负荷 z i g b e e 物理层的结构及接口如图2 - 5 所示： 图2 5 物理层结构模型 物理层提供了信道与m a c 层的接口，是通过r f 固件和硬件来实现的。物 理层中的物理层管理实体( p l m e ) 用来提供调用物理层管理功能的管理服务接 口，也负责维护物理层个域网信息库( p h yp i b ) 。物理层提供了数据服务接入 1 4 第二章红外信号与z i g b e e 协议规范研究 点和物理层实体一服务接入点两个服务接入点，它们所提供的服务分别为，通过 物理层数据服务接入点( p d s a p ) 提供物理层数据服务；通过物理层管理实体 ( p n 砸) 服务接入点( p n 但s a p ) 提供物理层管理服务。 2 6z i g b e em a c 子层协议规范 i e e e8 0 2 系列标准将数据链路层分为了m a c 子层和l l c ( l o g i c