（微电子学与固体电子学专业论文）zigbee与蓝牙系统的整合研究.pdf

摘要 摘要 蓝牙是一种应用在2 4 g h z 频段的短距离无线通信技术，蓝牙设备点对点通信 的数据传输速率可以达到1 m b p s 以上，它使用跳频技术可以最大限度的降低与 i e e e 8 0 2 1l 、h o m e r f 、微波炉、蓝牙技术本身以及其他工作在2 4 g h z i s m 频段上 i 冲设备之间的射频干扰，传输的距离范围为1 0 到1 0 0 米。但是，蓝牙设备的响应时 间较长，设备的查询和连接大约需要1 5 秒左右的时间，这将在很大程度上制约它 的应用领域。 z i 曲e e 技术是一种低传输速率、低功耗、低成本的无线网络技术，是一种新兴 的短距离无线通信技术，主要面向自动化无线遥控的应用环境。z i 曲e e 主要用来提 供低成本和低功耗的设备网络连接，电池的寿命可以维持几个月甚至几年的时间。 它的传输速率比较低，只有2 5 0 k b p s 远不及蓝牙。但是，z 迢b e e 的响应速度比较快， 网络规模不是很大的情况下，很多网络操作的耗时都在毫秒级。 本论文提出一种z 远b e e 和蓝牙技术的整合系统，目的是利用z i 曲e e 响应速度较 快的优势来弥补蓝牙设备之间建立连接时花费时间过长的缺陷，进而扩展蓝牙技 术的应用范围。系统实现的设备节点上既包括一个蓝牙模块还包括一个z i 曲e e 模 块，通过首先在节点间快速建立起z i g b e e 连接，随后通过z i 曲e e 模块交换蓝牙模块 地址的方式来实现两种技术的整合。通过蓝牙和z i 曲e e 的合作，整合的系统可以有 效的降低蓝牙建立连接的时间。最终的实验结果表明蓝牙和z i 加e e 的整合系统在实 现蓝牙设备的连接上花费的时间要比单纯的蓝牙系统快四倍左右。 关键词：蓝牙z i g b e e 网络连接建立时间 a b s 打a c t 里 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sas h o r t - r a n g er a d i of r e q u e n c y ( i 江) t e c l m o l o g yi nt 1 1 e2 4g h zr a i l g e ， c 印a b l eo fp o i n t - t 0 - p o i n tc o 衄e c t i o n sa ts p e e du p t 01m b p s i tu s e s 氐q u e n c yh o p p i n g t om i n i r n i z em ee f f e c t so fs i 弘a ji n t e r f e r e n c ec a u s e db yi e e e8 0 2 1l ，h o m e r f ， m i c r o 、a v eo v e n s ，o t h e rb l u e t o o t l ld e v i c e s ，a l l dm i s c e l l a n e o u so m e rd e v i c e so p e r a t i n g i nt h e2 4g h zi s mb a n d b 1 u e t o o t l ls i g n a l sh a v ear a l l g eo f1ot 01o om e t e r s b u t b l u e t o o mh a sab a ds e i l s i t i v i 够ab l u e t o o md e v i c eh a st os p e r l da b o u t15s e c o n d s t o f i n da n dc o i l 王1 e c ta n o t h e ro n e t 1 1 i sw e a k l l e s sh a sc o n s t r a i n e dt h e 印p l i c a t i o na r e ao f b 1 u e t o o t h z i 曲e et e c l l o l o g ) ，i sal o w d a t ar a t e ，l o wp o w e rc o i l s u l p t i o n 觚dl o wc o s t w i r e l e s sn e t w o r k j n gt e c l l n o l o g yt a r g e t e dt o w 帕sa u t o m a t i o na n dr e m o t ec o n t r o l 印p l i c a t i o n s z i 曲e ei se x p e c t e d t 0p r 0 v i d e1 0 wc o s ta n dl o wp o w e r c o n p e c t i v i t ) r 硒r e q u i p m e m 姒n e e d sb a t t e 巧l i f ea u sl o n g2 l ss e v e r a lm o n 缸t o s e v e m ly e a r sb u td o e sn o t r e q u i r ed a t at 眦s f e rr a t e s 嬲m g h a u st h o s ee n a b l e db yb 1 u e t o o 也b u tz i 曲e eh a sag o o d s e n s i t i v i 锣i tt a k e s0 1 1 l ya f e wm i c r o s e c o n d sf o rz 谵b e et of i m s hn l eb a s i cn e 锄，o r k o p e r a t i o n s i h i sp a p e rp r o p o s e sas y s t e mt l l a ti r i t e 伊a t e sz i 曲e et e c h l o l o g yw i t l lb l u e t o o t h t e c h n o l o g yt 0i m p r o v et 1 1 ec o 皿e c t i o n - e s 位如1 i s h m e n tt i i l l eo fb l u e 咖吐ld e v i c e s n a c c o i n p l i s h s “si m p r o v e m e n tb yf i r s te s t a b l i s l l i n gaz i 曲e ec 0 i u l e c t i o nb e t 、e e n 铆o d e v i c e se q 试p p e d 谢也b o t l lb 1 u e t o o t ha j l dz i g b e em o d u l e sa 1 1 dt h e ne x c h a j l g i i l g b l u e t o o t l ld e v i c e a d d r e s si n f o n l l a t i o nv i at l l ee s t a b l i s h e dz i 曲e ec o n n e c t i o n a sa r e s u l to ft h j sc o o p 硎v ee x c h a i l g e ，t h ec o m l e c t i o n e s t a b l i s h m e n tt 硫ec a l lb ed e c r e a s e d e f f e c t i v e l y t h er e s e a r c hs h o w s 吐l a tz i 曲e e - a s s i s t e db l u e t o o t hc o i l n e c t i o n e s t a b l i s h m e mi sa b o u tf o u rt h e sf 瓠t e rt l l mt h en o m l a lb l u e t o o t hc o 衄e c t i o n e s t a b l i s m e n tp r o c e d l l r e k e y w o r d ：b l u e t o o t h z i 曲 n e 铆o r kc o 衄e c t i o n - 鹳t a b i j s h m e n t 岫e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期刨 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证， 毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大 学。 本人签名：垫盔日期丝1 1 ：f i 二阻 导师签文、兰! ：日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及目前发展状况 蓝牙技术是一种短距离无线通信的全球性技术，提出它的目的主要是建立固 定设备或移动设备之间的通用无线电接口，迸一步将通信技术与计算机技术结合 在一起，使得各种常规设备在没有电线相互连接的时候，也可以实现近距离范围 内的通信或操作。蓝牙工作的频段为全球免费使用的2 4 g h zi s m 频段，采用跳 频技术，提供较高速的传输速率和较远的传输范围。蓝牙技术目前已经成为主要 的一种短距离无线通信技术，得到了预期的迅速发展。蓝牙的传输速率较大，适 合传输语音和视频等数据，但是，蓝牙技术也存在一些缺陷，跳频技术虽然可以 增加蓝牙的抗干扰能力和安全性，但同时也使得蓝牙设备在进行设备的查询和连 接的时候，耗时较多，大约需要花费1 5 秒左右的时间，这使得蓝牙无法满足实时 性要求苛刻的环境。 针对蓝牙的这个缺陷，人们提出了多种改进的方案，其中比较有影响力的一 种方案就是利用红外技术降低蓝牙设备建立连接时间的方案。但是，这种利用红 外技术的方案仍然存在一些问题，这些问题主要是由于红外技术本身的技术缺陷 造成的。红外线的方向性较强，即需要连接的两个设备之间的张角不能过大，以 造成红外线照射范围内查找不到其他设备。另外，红外线抗干扰能力较弱，如果 周围环境比较恶劣，如有雾的条件下，或者连接的两个设备之间距离过远，都会 造成红外线的严重散射，这样也会影响系统的性能。如果能找到一种无线技术， 它本身具有较高的稳定性和抗干扰性，同时又可以取代红外技术来完成蓝牙设备 的快速连接，那么，它将是最佳的选择。 z i 曲e e 是一项新兴的短距离、低功耗、低传输速率、低成本的无线网络通信 技术，它的工作频段也是2 4 g h z ，但是采用直序展频技术，主要用于近距离无线 网络连接，适用于自动化控制和远程控制的应用领域。可以在数千个z i 曲e e 模块 之间通过网络协调操作实现通信，而这些z i 曲e e 模块只需要花费很少的能量就可 以实现预定的功能，它们之间的通信效率非常高。z i 曲e e 的传输速率较低，但其 响应速度较快，z i 曲e e 设备的组网和加入网络的操作都是毫秒级的，如果传输较 少的数据，z i 曲e e 完全可以胜任实时性通信的要求。由于z i 曲e e 技术本身的一些 技术优势，使得它具有抗干扰能力强等特点，这些特点都是红外技术望尘莫及的。 虽然z i 曲e e 和蓝牙都是工作在2 4 g h z 频段上，但它们之间的干扰却很小。 z i g b e e 模块在没有工作的时候处于休眠状态，因此，对蓝牙模块数据的传输造成 z i 曲e e 与蓝牙系统的整合研究 干扰的可能性就非常小。另一方面，如果蓝牙模块对z i 曲e e 模块的数据传输造成 了干扰，甚至使z i 曲e e 丢失数据包，z i 曲e e 的发送节点会收不到接收节点的回应， 发送节点会重新发送数据，直到数据被正确的接收为止。这样的特点也使z i g b e e 和蓝牙技术的整合成为可能。 1 2 论文内容安排及作者的研究工作 本论文的主要目的是提出并实现一种新的蓝牙技术的整合方案，充分利用蓝 牙和z i g b e e 各自的优势，使它们有效的相互配合，即利用z i g b e e 的网络去传输 蓝牙设备的4 8 位地址，进而降低蓝牙设备用在建立连接上的时间，那么整合的系 统将兼顾响应速度快和传输速率高的特点，适用于各种对实时性和传输带宽要求 苛刻的无线数据传输应用。 论文内容的具体安排如下： 第一章绪论。第二章主要介绍蓝牙和z i 曲e e 的主要技术特点，并详细分析了 蓝牙在进行查询和连接时的具体操作及耗时较多的原因，同时还根据z i 加e e 的技 术特点提出了一种z i 曲e e 的设备查询方法。第三章主要讲了z i 曲e e 与蓝牙整合 系统的软硬件设计。硬件方面主要讲解了z i 曲e e 模块和蓝牙模块的设计，软件方 面剖析了蓝牙协议栈的结构和功能，同时根据z i g b e e 底层协议栈代码建立起了应 用层和网络层协议栈框架和功能模块。第四章讲了如何通过对蓝牙协议栈和 z i 曲e e 协议栈的软件开发来实现z i 曲e e 子系统和蓝牙子系统的功能，以及如何利 用u 川姆口将两个子系统联系起来，进而实现z i 曲e e 加速蓝牙连接建立的功能。 第五章通过对单纯的蓝牙系统和z i 曲e e 与蓝牙整合系统在蓝牙连接上花费时间 的对比和分析，得出结论。同时针对现有的整合系统还提出了一些改进措施。第 六章结束语部分总结全文。 作者的研究工作如下： 1 学习蓝牙协议，掌握蓝牙协议栈的结构和功能模块。 2 调研z i 曲e e 开发套件信息，选择软件开发工具。学习z i 曲e e 协议内容， 掌握z i 曲e e 协议栈的代码功能模块，建立起应用层和网络层协议栈框 架，并实现功能。 3 实现蓝牙模块点对点的s p p 连接建立和数据传输功能。建立起独立的 z i 曲e e 无线通信网络，实现z i 曲e e 的网络操作和数据传输功能。 4 基于单独实现的蓝牙系统和z i 曲e e 系统，建立了z i 曲e e 和蓝牙技术整 合系统的软硬件开发环境，搭建起了z i 曲e e 和蓝牙的整合系统，并对 整合系统的软硬件进行调试，最终实现预期的系统功能。 第一章绪论 5 对单纯的蓝牙系统和z i g b e e 与蓝牙的整合系统进行多次蓝牙连接时间数 据的测试，得出结论。 3 一 第二章系统关键技术介绍及核心过程分析 第二章系统关键技术介绍及核心过程分析 2 1 1 蓝牙技术概述 2 1 蓝牙技术 蓝牙技术【1 3 】起源于2 0 世纪9 0 年代初，最初是以实现各种电器设备之间的无 线连接为目标的。蓝牙工作在全球可免费使用的2 4 g h zi s m 频段，由于采用了 跳频技术，可以很好的克服干扰和衰落，其符号传输率为1 m b p s 。在信道上采用 分组的形式交换信息，每个分组在不同的跳频频点上传输，共占用5 个时隙，每 一个时隙约6 2 5ps 左右。 按功能来划分的话，整个蓝牙系统可以分为四大基本模块：无线射频模块、 链路控制模块、链路管理模块和软件模块。无线射频模块用来规定硬件设备的功 能，该模块负责射频处理和基带调制；链路控制模块用来完成底层通信协议( 如 物理层、m a c 层) 的功能；链路管理模块用来负责基带连接的设置和管理、基 带数据的分段和重组、多路复用和确定服务质量等；软件模块主要为各种应用( 如 语音、数据等) 提供应用软件需要的通信协议和应用程序的接口，如t c p i p 、 r f c o m m 等，软件模块实现的功能有：配置及诊断、蓝牙设备的发现、电缆仿 真、与外设通信、语音通信及呼叫控制等。 2 1 2 蓝牙技术特点 蓝牙技术的特点【1 2 】可以归纳如下： 1 射频特性 蓝牙设备的工作频段为全世界范围内都可以免费使用的2 4 g h z 的i s m 频段， 频道采用7 9 个，频道间隔均为1 m h z ，采用时分双工的工作方式。调制方式为b t = 0 5 的g f s k ，调制指数o 2 8 0 3 5 。采用f m 调制方式的蓝牙的无线发射机可以 很好的降低设备的复杂度。 2 时分复用( t d m a ) 蓝牙系统支持以下两种连接方式：实时的同步连接和非实时的异步连接，即 s c o 链路和a c l 链路。s c o 链路主要用来在规定的时隙内传输语音等实时性强的信 6 z i 曲e e 与蓝牙系统的整合研究 息；a c l 链路可以在任意时隙内进行数据的传输。当a c l 传输占用了s c o 的预留 时隙时，s c o 具有较高的优先级，只要系统此时需要s c o 传输，那么a c l 将无条 件的自动让出这些时隙，通过这样的方式来保证s c o 传输的实时性。蓝牙传输的 数据包分为以下三类：链路控制数据包、s c o 数据包和a c l 数据包。大多数数据 包的传输只占用1 个时隙，有些数据包需要占用3 个或5 个时隙进行传输。理论 上，蓝牙支持6 4 k b p s 的实时语音传输和高达7 2 1 k b p s 的数据传输，语音编码采用 对数p c m 或连续可变斜率增量调制c v s d 。语音和数据可选择单独或同时传输。如 果只需要传输语音时，蓝牙技术最多可以同时支持3 路全双工语音通信；当同时 传输语音和数据或只传输数据时，a c l 最高可以支持4 3 3 9 k b p s 的对称全双工通 信、7 2 1 k b p s 或5 7 6 k b p s 的非对称双工通信。 3 跳频技术 蓝牙使用跳频技术。对于单时隙数据包，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳秒；对 于多时隙数据包，跳频速率将有所降低；在建立链路的时候可以提高到3 2 0 0 跳 秒。 蓝牙4 8 位设备地址码中的2 7 位和2 8 位的时钟位将决定蓝牙的跳频序列，多 级蝶形运算为其核心映射方案。采用这个方案可以简化硬件设备结构、提升性能、 统一各种状态的跳频序列的实现电路等。 4 层次化的协议结构 蓝牙的通讯协议采用层次化的结构，可以分为以下4 层：核心协议层、电缆 替代协议层、电话控制协议层和可选协议层。蓝牙的核心协议中包括基带协议 ( b a s e b a n d ) 、链路管理协议( l m p ) 、逻辑链路控制与适应协议( l 2 c a p ) 以及 业务搜寻协议( s d p ) 四部分；电缆替代协议层包括基于t s0 7 1 0 的r f c 0 删协议； 电话控制协议层包括t c s 二进制、a t 命令集；根据不同的应用而选择的协议也有 很多，如u d p t c p i p 、w a p 、v c a r d 、v c a l 、i r m c 和w a e 等。 除上述协议层外，蓝牙协议还规定了主机控制器接口h c 工( h o s tc o n t r 0 1 i n t e r f a c e ) ，它为基带控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接 口。蓝牙协议以h c i 为分界线分为底层和高层两部分。底层是各类应用通用的， 高层则根据具体应用的不同而不同。通过h c i 来实现高层和底层间的通信。层次 化的结构很大程度上增加了蓝牙设备的通用性和灵活性。 2 1 3 蓝牙技术规范 蓝牙技术规范【9 】( s p e c i f i c a t i o n ) 分为蓝牙协议( p r o t o c 0 1 ) 和蓝牙应用剖面 ( p r o f i l e ) 两个部分。协议中包括各种可能用到的功能要素、逻辑链路控制和适 第二章系统关键技术介绍及核心过程分析 配协议( l 2 c a p 等) 各自的工作方式。应用剖面中说明了为实现某个特定的应用 功能各协议层之间是如何运转并协同工作的。 蓝牙协议栈【1 2 】的结构如图2 1 所示，并不是每一种应用都需要用到全部的协 议，一般情况下只需要使用其中的一个或多个。图2 i 说明协议问的相互关系。 ；鼬班o “l r ：l 蜘一一j 图2 1 蓝牙协议结构 完整的蓝牙协议栈包括以下两个部分：蓝牙专用协议( 如连接管理协议l m p 和逻辑链路控制应用协议l 2 c a p ) 和非专用协议( 如对象交换协议o b e x 和用 户数据报协议u d p ) 。蓝牙技术规范是很开放的，这就保证了设备制造商可以自 由地选用自己需要的专用协议或习惯使用的公共协议，进而开发出自己新的应用。 2 1 4 蓝牙应用剖面 蓝牙的应用剖面( p r o f i l e ) 如图2 2 所示。 蓝牙规范的应用剖面不止下面讲到的四种，但是这四种应用剖面是所有用户 剖面和应用的基础，用户可以在这四种剖面的基础上开发满足自己要求的用户模 式和应用剖面。 7 一 8 z i 曲e e 与蓝牙系统的整合研究 !r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i ! i 矧| l 刚l j l 书 ；吲删搬 1 t c 枷蛳j i i i ! 型型銎型三_ j匹! 坐坠引型竺竺一 i 一一一一一一一一一一 l _ 一l _ _ 一l 一一 ll 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一jj ： l ! 垄型竺堡垒竺三l | ； 通j | i 列番空投麻j j | ： 般臣固； 巫巫巫 | | | 匝匦圃| 口亟巫丑 ：j 避厂甄面而两一：l 杯l ：f f 越j | j i ： il l f ；l 一 i 一 ! li ：陈面蕊历忑丽：l 数灿唾步心 】 | i ： ：l 硒域删绫入心j l jl：l 竺竺三= _ 竺二l 一i ： llli i 一一一。一一一一一一一一。一。一一一一。一一”一一一一一一一一一一一一一一。l 图2 2 蓝牙应用剖面组成结构图 1 通用访问应用剖面( g a p ) 通用访问应用剖面规定了两个蓝牙设备之间如何相互发现和建立连接， 它保证两个蓝牙设备，不管出自于哪一个厂家，都能够发现设备支持的应用， 并进行信息的交换。蓝牙设备必须能够实现通用访问应用剖面，以保证基本 的互操作性。 2 服务发现应用剖面( s d a p ) 服务发现应用剖面规定了蓝牙设备可用的服务发现，主要处理已知和特 殊的服务搜索。服务发现应用剖面包括服务发现用户应用，这也是实现蓝牙 设备的本地服务所必需的。服务发现协议的接口向其他蓝牙设备发出或接收 来自远端的蓝牙设备的服务请求，因此服务发现应用剖面描述了与特定的蓝 牙协议之间的接口应用。 3 串口应用剖面( s p p ) 串口应用剖面规定了怎样在两个蓝牙设备之间建立虚拟串口，利用 r s 2 3 2 ( 数据通信设备的通用接口标准) 控制信令可以提供对蓝牙单元的串行 线缆仿真。串口应用剖面可以保证1 2 8 k b p s 的传输速率，它依赖于通用访问 应用剖面。 4 通用对象交换应用剖面( g o e p ) 通用对象交换应用剖面规定了处理对象间交换的协议和步骤，文件传输 应用和同步应用都是以它为基础的。通用对象交换应用是以链路和信道都已 建好为前提的，它描述了蓝牙设备间的数据传输。通用对象交换应用剖面依 第二章系统关键技术介绍及核心过程分析 赖于串口应用剖面。 2 2 1z i 曲e e 技术概述 2 2 z i g b e e 技术 z i g b e e 【1 5 】一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳z 字形舞蹈的方式来告 知同伴，达到交换信息的目的。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂 度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。 z i 曲e e 技术的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，这是i e e ep a n ( p e r s o n a jm e a n e 揪o r k ) 工作组的一项标准，被称作i e e e 8 0 2 1 5 4 ( z i 曲e e ) 技术标准。但是 z i g b e e 不等同于8 0 2 1 5 4 。因为i e e e 工作组只是规定了m a c 层和物理层协议， z i 曲e e 联盟对网络层协议和应用层协议进行了标准化。另外，z 蟾b e e 联盟还开发 了安全层，以保证这种短距离无线通信技术不会意外泄漏信息，同时保证这种利 用网络进行远距离的传输不会被其他的节点所截获。每一个z i 曲e e 设备在进入网 络后都具有两个地址：一个是6 4 b i t 的正e e 地址，这个地址是由z i 曲e e 联盟规定 的，还有一个就是1 6 b i t 的网络地址，这个地址是在设备加入z i 曲e e 网络时由协 调器决定的。需要注意的是为了减少数据在网络中传输的位数，z i 曲e e 在进行网 络通信的时候都是基于1 6 b i t 的网络地址进行的。 2 2 2z i g b e e 的主要技术特点 z i 曲e e 技术具有以下一些特点： 可使用频道数：在全球的2 4 g h z i s m 频段，可使用的通道数为1 6 个；在美 国的9 1 5 m h z i s m 频段，可使用的通道数为1 0 个；在欧洲的8 6 8 m h z i s m 频段， 可使用的频道数为1 个。需要注意的是一旦z i 曲e e 设备组网或者加入网络成功后， 网络中的所有设备的通信都是在同一个频道上进行的。 扩频方式：直接序列扩频技术( d s s s ) 。 网络架构：星型、树型和m e s h 型。 数据传输速率低：只有1 0 k b p s 到2 5 0 k b p s ，专注于低速率应用。 低功耗：由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确 保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。由于不同应用具有不同 的功耗，因此具体的使用时间还受到具体应用的影响。 9 一 z j g b e e 与蓝牙系统的整合研究 数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制( c s m a c a ) ，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。m a c 层采用 了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。 网络容量大：一个z 蟾b e e 设备可以与另外2 5 4 个设备相连接，一个z i 曲e e 网络可以容纳最多6 5 5 3 5 个从设备和1 个主设备。 时延小：z i 曲e e 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。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值为1 5 m s ，活 动设备信道接入时延为1 5 m s 。 兼容性好：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器( c 0 0 r d i n a t o r ) 自动建立网络，采用c s m a c a 方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手 协议。 安全性高：z i 曲e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 a e s 1 2 8 ，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 协议套件紧凑而简单：z i g b e e 功能的具体实现要求很低。z i 曲e e 协议套件的 需求估计：8 位微处理器，如8 0 c 5 l ；全协议套件软件需要3 2 k 字节的r o m ( f f d ) ； 最小协议套件软件大约4 k 字节的r o m ( r f d ) 。 由以上技术特点决定z i 曲e e 主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的 各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间 数据。 一般而言，满足如下特点的应用场合，z i 曲e e 技术极具优势： 需要无线通信交换信息的低成本装置。 数据的交换量较小、传输的速率要求不高。 功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间。 需要多个设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。 2 2 3z i 曲e e 协议层介绍 z i 曲e e 协议中讲到的z i g b e e 协议层的结构如图2 3 所示。 第二章系统关键技术介绍及核心过程分析 ：| | | 喜 薹薹 z i g b e ed e v i c o b j e c t ( z d o 圆圈固 a p p h c a t i o ns u p p o r t a p s ) s u b l a y r m e d i u ma c c e 5 sc o n t r o l m a c ) s u b i a y e r ( i e e e8 0 2 15 4 j p h y s i c a i ( p h y ) l a y e r l e e e8 8 2 1 5 4 图2 3z i g b e e 协议层结构 由图可知，z i g b e e 协议主要由应用层、网络层、m a c 层和p m 层四部分构成， 其中m a c 层和p h y 层以数字和射频电路的形式集成在射频芯片中，主要完成基带 和数据接收和发送的功能，在这里不做过多的说明，下面主要介绍网络层和应用 层完成的功能。 z i 曲e e 网络层的责任包括： 开始一个网络：成功的建立一个新网络的能力； 加入和离开一个网络：使一个设备获得成员资格( 加入) 或放弃成员 资格( 离开) 的能力； 设定一个新的设备：为所需操作设定一个栈的能力； 寻址：z i 曲e e 协调器向加入网络的设备分配地址的能力； 网络同步：查询或跟踪信标使得一个设备能与其他设备同步； 安全性：通过应用安全性来输出帧或通过解除安全性来终结帧； 路由：确定到目的节点的传输路径。 z i g b e e 应用程序层包含了a p s 衬底层、z d o 以及制造商定义的应用程序对 象。a p s 衬底层的责任包括维修绑定平台和促进被束缚设备之间的通信，其中绑 定平台能够根据设备的服务与需要把两个设备匹配。a p s 衬底层的另一个作用是 发现，发现即确定在一个器件单独的操作空间内哪个其他的设备可以被操作的能 力。z d o 的作用包括：定义网络中设备的角色( 如z i g b e e 协调器或终端设备) 、 向一个绑定请求做出响应，以及在网络设备间建立一个安全关系。 z i 曲e e 与蓝牙系统的整合研究 2 2 4z i 加e e 的网络模型 z i 曲e e 的网络模型如图2 4 所示。z i 曲e e 网络中的设备按照扮演的角色来分 可以分为协调器( c o o r d i n a t o r ) 、路由器( r o u t e r ) 和终端设备( e n dd e v i c e ) 三 种。其中，协调器( c o o r d i n a t o r ) 是网络中最核心的设备，整个网络的建立和管 理都是由协调器完成和统筹的，协调器将决定建立网络的类型是星型、树型还是 m e s h 型，网络中是否采用信标帧，是否进行安全管理以及网络中能容纳的最大设 备数目等等，同时协调器也可以完成路由功能。路由器( i b u t e r ) 顾名思义主要 完成路由功能，并协助协调器建立z i 曲e e 网络，新的设备节点可以直接与路由器 连接进入网络而不与协调器连接，路由器需要记录和它连接的设备的信息，由于 要完成路由的功能，所以路由器还需要建立和管理路由链表。终端设备( e n d d e v i c e ) 的网络功能十分简单，在实际的z i 曲e e 网络中终端设备一般只是充当传 感器的作用，完成简单的数据采集和发送，如：将温度、湿度等信息传送给协调 器或路由器处理。需要注意的是加入网络的新设备不能与终端设备连接，即终端 设备不允许有子节点。 圣i 蕻；熊谐调罄肿。， o ；鹏熙路由嚣肿， 勐煅终端设备 f f i ) 或l 娜。t 星型， 簇型， o 尸 。奠 ： 彝 嚣= 艇 嚣芝 戗 。一 繁+ 欺睃搠m 电 t “一 。 麓量 鼎 擞 i 一 篡： 瓴p 繁二次啦绷肋氯 疆礁_ 摩f h $ 毽 l 蕾， i _ “一l 簪 ：碍- 忡髑 t l r 戗 教避n 嚣包l 辟 确认h t t 经土袅p l 1 钒 埔i 图2 5 蓝牙设备的查询连接过程示意图 那么，为什么蓝牙设备的查询连接需要那么久的时间呢? 蓝牙协议中讲到， 蓝牙设备的查询过程需要1 0 2 4 秒，除非主设备认为已经收集了足够多的回应信 息不需要再进行查询。在干扰比较严重的环境下或者连接的蓝牙设备处于运动状 态时，这个查询过程还需要更长的时间。如前面所说，查询频道序列共3 2 个，分 为a b 两个子组，每个子组1 6 个频道。每个子组轮流扫描完所有频道需要1 0 m s 的时间，同时为了保证主设备查询到一定范围内的所有蓝牙设备，蓝牙协议中规 定每个子组的扫描需要进行两轮，每轮2 5 6 次。因此，查询的时间按如下式子计 算： 2 个子组2 轮扫描2 5 6 次0 0 1 秒= 1 0 2 4 秒 2 3 2z i 曲e e 设备查询过程的设计 这个查询的过程主要是针对m e s h 型网络进行的，因为m e s h 型网络可以很好 的支持路由发现算法，并可以实现任意两个距离不是很远的z i 曲e e 节点之间的直 接通信，同时每一个z i 曲e e 节点都具备信息转发的功能。 z i 曲e e 通信协议中并没有规定专门的设备查询过程，因为z i g b e e 的主要优势 第二章系统关键技术介绍及核心过程分析 在于网络操作，而不是z i 曲e e 设备之间的点对点通信功能，对网络中设备信息的 查询只需要几个简单的网络操作的组合就可以实现。由于z i 曲e e 设备一旦建网或 加入网络成功后，网络中设备的通信都是在同一个频道上进行的，这就使得z i 曲e e 设备的查询过程比起蓝牙设备的查询而言，简单了许多。下面将提出一种z 迢b e e 的设备查询方法。 z i 曲e e 设备之间的数据传输都是依赖于z i 曲e e 的网络进行的，因此一个新的 z i 曲e e 设备如果需要与其他设备通信，首先它需要加入到现有的z i 曲e e 网络中， 具体过程如图2 6 所示。 子笤点i 父节点f l 子节点f、l 父节点 f l 祷求加人嬲络 f 2 j 同意搠 两络纷于 节赢分配箍m a c 地址 段烤臻曲拓扑誊故 _ 。 _ _ _ _ _ - - _ _ h _ _ - - 0 1 _ _ _ - _ 一 3 ) 确认嘲人威猪 ( i ) 溥求脱离两络 _ _ _ _ o o o 一 f 2 ) 髓 薛鬣离弼络 - _ _ - _ - _ - h h _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - - o 一 ( 3 ) 确认懿离成功 图2 6z i 曲e e 设备加入网络或脱离网络示意图 从图2 6 可以看出设备加入和退出网络时，只需要简单的与其父节点之间的 请求和确认过程就可以完成，这个过程大约耗时3 0 m s 左右。该设备加入z i 曲e e 网络后，向所有设备发送广播帧，该广播帧的内容为本设备的1 6 b i t 网络地址。 之所以要广播这个网络地址是因为收到广播帧的节点需要这个1 6 b i t 的网络地址 才能向该设备回发信息。网络中的其他设备收到这帧数据后向该设备回复自己的 1 6 b i t 网络地址和设备相关信息，如自己的设备编号和类型等。通过这样简单的操 作，该设备就得到了网络中设备的信息列表，从中选择目标设备进行通信即可。 由于m e s h 型网络支持路由转发功能，因此可以保证网络中所有的设备都可以响 应到这个查询的信息。由于z i 曲e e 的响应速度很快，在网络规模不是很大的情况 下，整个查询过程的耗时在毫秒级，查询过程示意图如图2 7 所示。 z i 曲被查询节点 z i g b e e 查询节点 3 、裂纠没蚤钥j 太， 选择逋睁没备 莶胡标节点 查询节点 图2 7z i 加e e 的查询过程示意图 z i g b e e 与蓝牙系统的整合研究 2 4 小结 本章首先介绍了整合系统中的两项核心技术，即蓝牙技术和z i 曲e e 技术，分 别介绍了它们的技术特点和性能特性。之后重点分析了蓝牙设备在进行设备查询 时的具体过程和耗时的计算，并针对z i 曲e e 的技术特点，提出了一种利用z i 曲e e 技术进行设备查询的方法。 通过对两种技术的特点以及查询方式的比较可见，z i 加e e 技术相对于蓝牙技 术而言其主要优势在于网络操作的简便和协议规定的简化，蓝牙设备的查询之所 以那么复杂，主要是因为采用了跳频技术以及为了保证查询结果的完整，而z i 曲e e 技术依靠强大的网络资源，设备间通信都是在同一个频道上进行，因此只需要进 行几个简单的网络操作就可以实现设备查询的功能，同时保证查询结果的完整性。 第三章整合系统软硬件设计 第三章整合系统软硬件设计 3 1 整合系统总体设计方案 系统实现的整合节点的结构如图3 1 所示。由图3 1 可见，单个节点主要由以 下四部分构成：无线传输部分由z i 曲e e 模块和蓝牙模块构成，其中z i 加e e 模块 完成节点间组网以及蓝牙模块地址和数据控制命令的传输，蓝牙模块主要完成文 件数据的传输；控制器部分由触l e l l 2 8 l 和删9 构成，分别负责z i 曲e e 协议 栈和蓝牙协议栈的运行以及对无线模块的控制。两个控制器之间通过u a i 盯口进 行通信。从功能上来说，z i 曲e e 与蓝牙的单节点整合系统分为以下两个子系统： z i 曲e e 子系统( 由z i 曲e e 模块和a 缸n e l l 2 8 l 组成) 以及蓝牙子系统( 由蓝牙模块 和a i 洲9 组成) 。 l l _ 3 2 1 蓝牙模块设计 图3 1z i g b e e 与蓝牙整合系统示意图 3 2 硬件设计 1 l l l l l l 实验中设计的蓝牙模块【6 】【7 1 满足蓝牙1 1 规范规定，射频输出类型为c 1 a s s2 ， 。；，。； z i g b e e 与蓝牙系统的整合研究 即没有在射频芯片外部放置p a ，支持的接口如下：u s b 接口、u 灿玎接口、p c m 接口、p i o 接口和s p i 接口。 模块选用c s r ( c 锄b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司开发的b l u e c o r e 0 2 蓝牙芯片作为 射频芯片，同时还设计了该芯片工作所需要的电源电路、振荡器电路、f l a s h r o m 和天线接口电路，其他部分主要是一些去耦电容电感。为使用的方便，蓝 牙模块上还为b l u e c o r e 0 2 设计了一个排针座、一个电路板级的小型天线以及一个 外接天线接口。 蓝牙模块的电路原理图设计如图3 2 所示，使用c a p t u r e 工具完成。选用 x c 6 2 0 9 8 1 8 2 m r 芯片作为电源部分的主芯片，完成将3 v 电压转换成1 8 v 的目 的，因为b l u e c o r e 0 2 工作电压是1 8 v 。选用谐振器h h m 1 5 1 7 组成天线接口部分 电路。选用8 m b i t 的m b m 2 9 l ，v 4 0 0 b a 9 0 p b t 芯片作为模块的f l a s hr o m 。模块 选用1 6 m h z 晶体振荡器t s x 1 0 为b l u e c o r e 0 2 提供参考的时钟。 图3 2 b 1 u e c o r e 0 2 模块原理图设计 该模块满足b l u e t o o t hv 1 1 规范要求，可以提供全速蓝牙传输和完整的微微 网支持。模块采用3 v 的单电源供电，支持多种节能模式，可以直接使用v m h t 唿l m a c l l i n e ) 机制。实现系统功能所需要的外围元件极少，可以在没有外部处理器的 情况下完成蓝牙的功能。 第三章整合系统软硬件设计 1 9 图3 3b l u e c o r e 0 2 芯片内部结构图 b l u e c o r e 0 2 芯片内部有一个数字转换器的可编程的p c m 接口，用来实现语音 数据的传输，内部嵌套有一个1 6 位的s c 核的微处理器，最大可以寻址8 m 外 挂f 1 a s hr o m ，支持u s b 和u 舢玎接口。b 1 u e c o r e 0 2 芯片的内部结构图如图3 3 所示，该芯片由以下几部分组成：射频接收器、射频发射器、射频合成器、物理 层d s p 硬件引擎、猝发状态控制器、微处理器、内存管理单元部分组成。 t xa 、t xb 是芯片的射频发射输出引脚，r fi n 是射频接收输入引脚，与 天线相连。主机可以通过u 6 哪或u s b 实现与b l u e c o r e 0 2 的通信，也可以使用 专门的p c m 接口来收发p c m 语音信号。 3 2 2z i g b e e 模块设计 设计的z i 曲e e 模块【1 8 j 采用c 1 1 i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 芯片作为射频芯片。 c c 2 4 2 0 芯片是一款符合正e e 8 0 2 1 5 4 标准的2 4 g h z 射频收发芯片，适用于低功 耗、低速率的应用，采用直接序列展频技术，数据传输速率为2 5 0 k b p s 。c c 2 4 2 0 芯片中还提供了几个硬件支持模块，包括数据包处理模块、b u r s t 传输模块、数据 加密模块、信道空闲判断模块、连接质量计算模块和数据包传输模块。这些模块 可以有效的减小控