（电路与系统专业论文）基于zigbee的无线数据采集系统的设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w s n ) 是- - i q 集成了计算机技术、通 信技术和传感器技术的新型智能控制技术，它在军事、医疗和人们日常生活等众多 领域中有着广泛的应用。在众多的无线通信技术中，以近距离、低功耗、低成本为 特点的z i g b e e 无线通信技术引起了科研工作者的兴趣和关注。 本文针对上述技术特点，完成了基于z i g b e e 协议的环境参数测量系统的设计 与实现。其目的是提高测试的工作效率和精度，减少人力资源的浪费，并将测试工 作由人工化逐步向自动化、智能化和信息化的方向发展。本系统通过无线测量高低 温箱内产品的内部温度和湿度，并及时对测量数据进行保存和分析，给设计人员提 供重要的参考依据。 本文将z i g b e e 无线通信技术与传感技术结合起来应用于实验室测量系统中， 主要完成了终端数据采集模块的硬件设计和软件编程。终端数据采集模块采用模块 化的设计思想，其中包括：微处理器模块、无线传输模块、传感器模块和电源模块。 本方案所搭建的无线传感器测量系统基于z i g b e e 技术，其硬件部分主要由 a t m a e g a l 6 的微处理器和c c 2 4 3 0 的无线收发芯片构成。微控制芯片和无线芯片通 过u a r t 口进行数据通信和指令发送j 该系统由一个协调器、一个终端节点和一台 上位机构成，协调器负责将上位机发送的测量指令无线传送给终端节点，终端节点 负责将接收到的测量指令进行协议解析并将测量数据反馈给协调器，上位机负责将 协调器回传的数据进行后端处理，从而达到对一个区域进行无线温湿度测量的目 的。 关键字：z i g b e e ；c c 2 4 3 0 ；传感器 a b s t r a c t w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) ，an e wi n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yc o m b i n i n g s e n s o rt e c h n o l o g y 谢t 1 1c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s ，i s 埘d e l yu s e di n m i l i t a r y ，m e d i c i n e ，p e o p l e s d a i l yl i v e s ，a n dm a n yo t h e ra r e a s a m o n gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sb a s e do nz i g b e e 谢廿ls h o r tr a n g e ，l o wp o w e rc o m s u m p t i o na n dl o wc o s ta r o u s er e s e a r c h e r si n t e r e s ta n d a t t e n t i o n f o rt h ea b o v et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ，i nt h i st h e s i s ，t h ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s a r em e a s u r e da n ds t u d i e dh e a v i l yb a s e do nt h ez i g b e ep r o t o c 0 1 t h ea i mi n c l u d e s ：( 1 ) i m p r o v i n gt h ew o r ke f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no fe x p e r i m e n t ，( 2 ) r e d u c i n gt h ew a s t eo f h u m a nr e s o u r c e s ，0 )w o r ko fm e a s u r e m e n tm o v i n gf r o mm a n u a lt oa n t o m a t i o n , i n t e l l i g e n c ea n di n f o r m a t i o n t h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fp r o d u c tw o r k i n g i nt h eh i g h - l o wt e m p e r a t u r ew e r em e a s u r e dt h r o u g hr e m o t em a n n e ri nt h es y s t e m t h e n t h em e a s u r e m e n td a t aw a ss a v e da n da n a l y s e d t h i sr e s e a r c hc o u l dp r o v i d ei m p o r t a n t r e f e r e n c eb a s i sf o rt h ed e s i g n e r i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o t 士w a r ep r o g r a m m i n go ft h et e r m i n a ld a t a c o l l e c t i o n s y s t e ma r e f i n i s h e do nt h eb a s i so fc o m b i n i n gt h e z i g b e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t hs e n s o rt e c h n o l o g ya p p l i e dt ol a b o r a t o r ym e a s u r e m e n t s y s t e m t e r m i n a ld a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma d o p t st h em o d u l a r i z e dd e s i g ni d e ac o n t a i n i n g ： t h em i c r o p r o c e s s o rm o d u l e ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ，s e n s o rm o d u l ea n dp o w e r s u p p l ym o d u l e az i g b e et e c h n o l o g yw i r e l e s ss e n s o rm e a s u r es y s t e mi se s t a b l i s h e dw i 廿l m i c r o c h i pm e g a l 6a n dc c 2 4 3 0 m i c r o c h i pm e g a l6a n dc c 2 4 3 0a r ec o n n e c t e de a c h o t h e rt h r o u g ht h eu a r ti n t e r f a c e t h es y s t e mc o n s i s t so fo n ec o o r d i n a t o r ，at e r m i n a l n o d ea n da u p p e rc o m p u t e r t h ec o o r d i n a t o ri sr e s p o n s i b l eo ft h et os e n dc o m m a n d so f m e a s u r e m e n tf r o mu p p e rc o m p u t e rt ot h et e r m i n a ln o d ef o rw i r e l e s s t h et e r m i n a ln o d e i sr e s p o n s i b l ef o rm a k ep r o t o c o la n a l y s i sf r o mr e c e i v i n gt h em e a s u r e m e n ti n s t r u c t i o n s a n ds e n dt h em e a s u r e m e n td a t ab a c kt ot h ec o o r d i n a t o r t h eu p p e rc o m p u t e ri s r e s p o n s i b l ef o rp r o c e s st h ed a t ac o o r d i n a t o rs e n d i n gb a c k ，s oa st oa c h i e v ear e g i o n a l t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e a s u r e m e n tp u r p o s e k e 】o m r d s ：z i g b e e ；c c 2 4 3 0 ；s e n s o r 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 第一章绪论 1 1 无线传感器网络 1 1 1 简介 无线传感器网络指的是部署于待测区域内大量传感器节点之问所构成的无线 网络1 1 。无线传感器网络【2 叫是一种自组织分布网络系统，由大量具有无线通信与计 算能力的微小传感器节点构成，能够对各种环境或监测对象的信息参数进行实时监 测、感知和采集，并具有自动控制、远程监视、数据计算等功能。 ， 无线传感器网络作为近年来最前沿的热门研究领域之一，备受国内外学者的关 注，融汇了多学科的知识点，该技术主要综合嵌入式控制系统、微传感器检测技术、 无线通信技术和计算机网络技术等【l o 】。无线传感器网络能够通过各类集成化的微型 传感器协作监测和感知监测对象的信息参数，极大的提高了人们获取信息的能力， 具有十分广阔的应用前景【1 1 】。 组成无线传感器网络三个要素是：监控人员，传感器，感知对象。无线传感器 网络的目的是分布于测量区域内的微传感器相互之间通过感知、测量和传输周围的 环境参数，最后发送给监控人员【1 2 1 1 1 3 】。正是该技术的出现，使得人类的生活、周围 的环境以及通信计算很好的联系在一起。在人们日常生活环境中，对无线数据通信 的需求量非常大，无线数据通信被广泛应用于众多领域，例如：智能家居、智能抄 表、农业灌溉等等，这也促进了无线传感器网络的高速发展。 无线传感器网络具有如下几个明显的特征1 1 4 j ： ( 1 ) 网络涵盖的范围非常广： ( 2 )传感器节点能自动进行配置和管理，具有自组织网络的能力，而且网络 结构能动态的变化； ( 3 )网络系统可以重组再构，通信线路可以具有一定的自我修复能力： ( 4 )终端节点进行数据采集，然后和相邻节点之间通过协作来完成数据的通 信； ( 5 )不同传感器的使用配备不同的网络通信方式。 1 1 2 国内外研究现状 国外的科研机构对z i g b e e 传输技术的研究起步非常早，相关技术和成果较为 成熟。为了更好的促进z i g b e e 技术的向前发展，国际上几家大型的电子元器件生 产公司联合成立了z i g b e e 联盟，该组织成立于2 0 0 2 年8 月。随着z i g b e e 技术的不 断发展，如今吸引了众多芯片生产商和设备运营商的加入，所涉及的领域包括i c 设计、通信设备和家电等，目前该联盟已经包括了1 5 0 多家会员。 2 0 0 3 年，麻省理工学院将无线传感器网络列入十大新兴技术之一【1 5 1 。同年，商 业周刊将无线传感器网络列入四大新技术产业之一【1 6 1 。在“中国未来2 0 年技术预 见研究”中的1 5 7 个技术课题，其中与传感网络技术相关的课题占7 项。2 0 0 6 年初 发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个技术前沿方 向，其中两个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技 术。由此可以推论，无线传感器网络的广泛使用是一种必然趋势，它的出现将会给 人类的生活方式带来极大的变革。 到目前为止，无线传感器网络技术已经被具体应用到实际项目中，其中包括著 名的大鸭岛环境测量，这个项目由i n t e l 实验室和大西洋学院共同完成1 1 7 j 。大鸭岛 是一个对外界十分敏感的生态系统，i n t e l 实验室和大西洋学院的研究人员将大量传 感器( 例如：风速传感器、温湿度传感器、气压传感器等) 部署于系统中，组建成 一个区域网络，获得大量的环境参数。科学家们使用这些器材可以在不干扰野生动 植物正常生活的情况下监视它们并对周围生存环境的参数进行实时监测。该项目的 成功应用表明传感器网络在生态环境的检测中具有非常大的优势，主要表现为：测 量数据非常准确、吞吐量大、对环境的影响很小。 我国现代意义的无线传感器网络技术及其相关研究相对起步较晚，国内众多研 究机构如中科院、清华大学、电子科技大学等对无线传感器网络的理论技术和实际 应用进行较为深入的研究。 1 9 9 9 年，中国科学院在“信息与自动化领域研究报告”中将无线传感器网络的研 究列入该领域的五个重大项目之一【1 8 1 。 2 0 0 1 年，中国科学院联合上海微系统研究与发展中心，开展了若干关于无线传 感器网络技术的项目，相关研究平台被成功搭建，在智能检测、路由算法、微型传 感器等方面的研究中取得很大进展。 2 0 0 4 年，中国科学技术大学针对无线传感器网络中的节点定位问题进行了研 究，提出了一种新型的节点定位算法，该算法不需要额外的硬件支持，两节点间通 信开销较少。其中对节点每跳距离的计算有利于节点的故障问题的解决，提高了节 点的探测性能。 2 0 0 5 年，国家发展和改革委员会授予电子科技大学、九州电器集团等科研机构 进行下一代互联网应用示范项目的研究。研究的内容主要是针对在自主搭建的平台 2 下组建无线传感器网络，其中主要包括硬件的设计、相应操作系统的编写以及相关 外围部件的实现。 经过“十五”期间对无线智能传感器相关技术的研究，我国在关键传感器技术 ( 例如：无线传感器网络通信、微型传感器等) 的研制上取得了较大的发展。在国 务院公布的国家中长期科学和技术发展规划纲要中，强调将“无线传感器网络 及智能信息处理”列为信息产业化的重点发展方向，将开发领域重点放在射频识别、 基于传感技术的智能化系统搭建、低成本的无线传感器网络、强大的功能服务平台 等相关技术开发。 1 2 课题的研究内容和意义 本论文通过对当前智能检测技术中的控制技术和网络通信技术的发展进行较 为深入的研究和分析，并比对当今使用比较广泛的各种短距离无线通信技术的标准 及功能特点，深入了解z i g b e e 通信技术的特点之后，提出了一个搭建在实验室环 境中基于z i g b e e 无线通信技术的无线测量系统方案，然后结合自动控制技术和无 线传感器网络技术的特点，实现了让测试人员能够通过一台远程上位机就能实时监 测待测区域中的环境参数的智能测量系统。 本文结合实验室项目完成，系统采用低功耗，低成本的近距离无线射频芯片和 微控制器。无线采集模块分为两部分：协调器数据采集模块和终端数据采集模块。 终端数据采集模块可以灵活安置在不同待测区域中，负责对相应参数如温度、湿度、 电流等的采集和存储；协调器数据采集模块与上位机相连接，其通信方式为串口通 信。协调器数据采集模块收集到的测量数据传输到上位机，最后用相关软件分析和 处理采集的数据，提出了更加科学智能的监测方案，最终达到节省人力、提高效率， 达到监测信息化和自动化的目的。 1 3 课题的组织结构 本文研究了以z i g b e e 技术为基础的无线数据传输技术，通过上位机软件的远 程控制实现待测区域内环境参数的无线测量。 本文总共五章，各章具体如下： 第一章主要介绍了国内外无线传感器网络发展的现状和背景，及基于z i g b e e 技术上完成本课题的内容和意义。 第二章主要介绍了z i g b e e 协议的基本架构和网络拓扑结构，以及从功耗、传 输距离等性能方面比较了各种短距离无线通信方式。 3 第三章是无线数据采集模块的总体设计，并针对目前测量系统中存在的不足提 出了相应的需求分析。 第四章分为三部分：( 1 ) 设计了无线数据采集模块的硬件电路，并完成硬件 元器件的选型和电路设计；( 2 ) 分别介绍了基于z s t a c k 协议栈的无线传输部分和 基于微处理器a t m e g a l 6 的控制部分的软件设计； ( 3 ) 验证了测量数据的有效性 和实时性，通过对上位机控制软件来控制无线模块，实现了温湿度值的采集与传输， 所测量的参数在上位机上实时显示并生成曲线图，待测试结束后数据自动保存在相 应目录中。 第五章是对全文的工作总结，并对此课题的研究作了进一步的展望。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章z i g b e e 技术综述 近年来，随着无线通信技术和半导体技术的发展，无线通信技术的方式呈现出 多样化，各种通信方式根据自身的特点在相应领域中得到了广泛的应用，例如： w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 、超宽带通信( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 、近距离无线传 输n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外线数据通信i r d a 、 z i g b e e 技术等。 2 1z i g b e e 技术简介 z i g b e e 技术是一种应用于电子设备问的无线双向传输技术，其特点为：距离短、 功耗低、数据传输率低、开发成本低【l9 1 。z i g b e e 这一名称源自于人们对蜜蜂采蜜过 程的观察，当蜜蜂发现食物的时候，他们会跳着z i g z a g 的舞蹈以传递食物的方位、 距离等信息。在整个过程中，集中表现如下几个特点：蜜蜂的体积小、消耗的能量 低、能对信息作出准确的反馈。因此人们形象的将这一新兴的无线通信技术称为 z i g b e e 。该技术主要应用于远程智能控制领域，满足了低成本设备的无线控制测量。 计算机网络按照网络节点可分为广域网、城域网和局域网，g s m 、g p r s 等通 信方式属于广域无线通信领域，而z i g b e e 技术则属于个人区域i 网( p e r s o n a la r e a n e t w o r k , p a n ) 的范畴，传输的有效距离依天线而定，理想情况下为室内1 0 0 m 。n 技术根据其速率的高低也分为三种：第一种是适用于多媒体应用的高速标准 i e e e 8 0 2 1 5 3 ；第二种是用于蓝牙技术的中速标准i e e e 8 0 2 1 5 1 ；第三种是适用于 远程无线智能控制的较低速率标准i e e e 8 0 2 1 5 4 ，即z i g b e e 技术。 z i g b e e 技术特点主要包括如下几个方面 2 0 1 ： ( 1 ) 功耗低：z i g b e e 节点的工作周期短，收发信息的功率低，处于待机模式下， 两节5 号电池可以持续使用数月之久。 ( 2 ) 可靠性高：z i g b e e 协议采用了碰撞避免机制，避免了数据在传送过程中的竞 争和冲突，为数据的有效传输提供了有力的保障。 ( 3 ) 成本低：z i g b e e 协议栈设计简单，软件开发的的成本低。 ( 4 ) 延时短：z i g b e e 节点休h 民和工作状态的切换时间只需要1 5 m s ，入网时间需 要3 0 m s 。 ( 5 ) 网络容量大：理想情况下可支持6 5 0 0 0 个节点。 ( 6 ) 安全性高：z i g b e e 提供了在数据完整性检查基础上采用通用的a e s 一1 2 8 加 密算法。 ( 7 ) 良好的网络拓扑能力：z i g b e e 的网络拓扑结构分为星型网络、树状网络和网 状网络，能够实现大面积的覆盖。 2 2 几种无线通信技术的简介与比较 随着通信技术的日趋发展，通信方式也呈现出百花齐放的态势，应用于人们生 活中的数字信息交换技术根据其自身的特点分为很多种，所应用的领域也各不一 样。以下从目前较为常用的四种短距离无线通信技术【2 1 。2 3 1 进行逐一介绍和阐述，这 四种通信技术分别是红外技术、蓝牙技术、w i f i 技术和z i g b e e 技术。 2 2 1 红外技术 红外技术是一种利用红外线进行点对点无线数据传输的技术，它完成了将数据 信息转换为红外脉冲信号的消息传递。i r d a ( n l ei n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 是红外 数据协会的简称，该协会成立于1 9 9 3 年，主要来推动和制订红外数据互联的标准【2 4 】。 红外技术按传输速率的不同可分为s i r ( s e r i a li n f r a r e d ) 、f i r ( f a s ti n f r a r e d ) 和 v f i r ( v e r yf a s ti n f r a r e d ) 三大类，它们的速率分别为：1 15 2 k b p s 、4 m b p s 、16 m b p s 。 红外技术无线传输的特点是传输距离短，一般为1 - 3 m 2 5 1 ，理想接收角度在3 0 0 以内， 工作原理相对简单、连接方便、成本和功耗较低。正是由于红外技术对传输设备的 位置要求比较固定，组网缺乏灵活性等缺点的存在，在工业自动化控制领域的应用 中受到了较大的限制。 2 2 2 蓝牙技术 ， 蓝牙技术是一种近距离的点对点或点对多点的无线数据双向传输技术。该技术 工作于无需申请的2 4 g h z 的频段，它是由爱立信、i b m 、诺基亚、英特尔和东芝 五家公司共同推出的标准f 2 6 1 ，蓝牙的技术协议基于i e e e8 0 2 1 5 1 ，其中包含了对协 议栈中物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 、介质访问层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l l a y e r ， m a c ) 、网络层等的规定。一个典型的蓝牙设备理想传输距离是l o m ，传输的最大 速率是1 m b s t 2 7 。2 8 1 。蓝牙技术的优点在于：对安装设施条件没有太大的要求，并且 易于安装和设置，传输速率快。缺点在于：局域网中至多只能设置7 个节点：成本 话费比较高；传输距离短；功耗较大，保密性较差。以上优缺点决定了蓝牙技术的 应用领域主要集中于短距离并且高数据量的业务，如小型移动设备、汽车、打印机 和笔记本电脑等。 2 2 3w i - f i 技术 w i f i 的全称为w i r e l e s sf i d e l i t y ，即无线保真，该技术是一种应用于无线局域 网的短距离无线通信技术。w i f i 的工作频段和蓝牙一样，也是工作在2 4 g h z 的频 6 段上，和蓝牙不同的是，w i f i 的传输速率更高，信息覆盖的范围也更广，w i f i 的速率最高可达到1 1 m b p s ，覆盖范围也能达到1 0 0 m 左右。w i f i 技术的主要特点 是组网快速灵活，传输距离远，传输速率高，功耗大，成交较低 2 3 j 。因为w i f i 装 置工作需要较大的功耗，这就势必要求安装w i f i 的设备需要较大的能量储备，这 就造成w i f i 应用主要局限于个人消费品，例如：笔记本，手持设备等，而在工业 控制中的应用相对较少。 2 2 4z i g b e e 技术 z i g b e e 2 9 - 3 0 】是一种基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准开发的近距离、低功耗、低速率 的无线通信技术。作为i e e e 针对低速无线个域网所确定的标准，i e e e 8 0 2 1 5 4 1 3 h j j 对物理层( p h y s i c a ll a y e r , p h y ) 和介质访问层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ，m a c ) 进行了标准定义，而z i g b e e 协议栈的网络层和应用层则由z i g b e e 联盟进行标准化 给出。 z i g b e e 实现无线传输的方式是利用数千个微小的传感器以相互协调传递的方 式一个接一个的传递下去，由于每个传感器所消耗的能量非常少，因此在数据传递 的过程中所消耗的功率也很低。 z i g b e e 所工作的频率分为三种，分别为8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中， 8 6 8 m h z 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段应用于欧洲，基本传输速率为 2 0 k b s ，9 1 5 m h z 的i s m 频段应用于北美，基本传输速率为4 0 k b s ，2 4 g h z 的i s m 频段则在全世界都有应用，基本传输速率为2 5 0 k b s 。工作在不同频段上的z i g b e e 采用的调相技术不尽相同，工作在8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 的频段采用的是b p s k 的调 相技术，而工作在2 4 g h z 的频段却采用o q p s k 的调相技术。不仅如此，工作在 三个频段上的信道个数和带宽也各不一样，工作在8 6 8 m h z 频段上的信道带宽为 0 6 m h z ，占据1 个信道；工作在9 1 5 m h z 频段上的信道带宽为2 m h z ，占据1 0 个 信道；工作在2 4 g h z 频段上个的信道带宽为5 m h z ，占据1 6 个信道。z i g b e e 技术 的主要特点是数据传输速率较低，功耗小，可靠性高，保密性高，组网功能强大。 鉴于上述诸多特点，z i g b e e 技术应用的领域非常广泛，比如：传感器网络、智能家 居、工业监控、农业灌溉、消费电子等。 文中2 2 1 2 2 4 对红外技术、蓝牙技术、w i f i 技术和z i g b e e 技术进行了简要 概述，从功率消耗、信号覆盖范围、组网能力、数据传输速率等方面对这四种技术 进行了对比，如表2 1 t 3 4 j 所示。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表2 1 四种无线通信技术的参数比较 红外蓝牙w i f i z i g b e e 最大传输速率 3 m b p s 1 m b p s1 1 m b p s2 5 0 k b p s 传输媒介 红外 2 4 g h z2 4 g h z 8 6 8 915 m h z 、2 4 g h z 有效传输距离 5 m 1 0 m1 0 0 m1 0 1 0 0 m 最大功耗 1 1 0 m w1 1 0 0 m w1 0 0 m w1 3 m w 短距离、3 0 0 数据安全措施 范围内确保数1 2 8 位密钥 6 4 位密钥3 2 、6 4 、1 2 8 位密钥 据安全 传输方式 点对点点对多点 点对多点 点对多点 组网功能无较强较强强大 联网所需时间数秒l o s3 s3 0 m s 安装使用难易简单一般 难 简单 2 3z i b e e 协议结构 z i g b e e 协议1 3 5 j 的体系结构通常由层来量化它的各个简单标准，其协议的体系结 构是基于标准的o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r e o n n e c t i o n ) 的七层模块，其中只定义了与目 标市场相关的四层，这四层分别是物理层( p h y ) 、媒体接入控制层( m a c ) 、网络层 ( n w k ) 、应用层( a p l ) 。p h y 和m a c 的定义出自i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准， n w k 和a p l 则是由z i g b c e 联盟来制订的，z i g b e e 协议栈的结构框图如图2 1 所 示。 z i g b e e 的通信协议中各层之间的相互通信通过服务接入点( s e r v i c ea c c e s s p o i n t ，s a p ) 来实现，s a p 是各层之间唯一的通信接口。s a p 主要分为两个过程： 一个是调用本层与上层之间s a p 来为上层提供服务；一个是调用本层与下层之间的 s a p 来调用下层提供的服务【3 6 】。服务原语通常包括四种类型【3 7 】：请求原语、确认原 语、指示原语、响应原语。相应的服务示意图如图2 2 所示。以下对z i g b e e 协议栈 各层进行详细介绍。 8 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s z i g b e e 协议 图2 1z i g b e e 协议栈 9 以下从工作频率、调制技术、信道划分和传输速度等方面对物理层进行了详细 的分析。 ( 1 ) t 作频率及其相应的调制方式 i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 从工作频率上将物理层划分为两种，分别为8 1 8 9 1 5 m h z 和 2 4 g h z 。8 1 8 m h z 和9 1 5 m h z 的频段分别应用于欧洲和北美，2 4 g h z 的频段广泛应 用于全球。i e e e s 0 2 1 5 4 针对不同工作频段有着不同的调制方式和传输速率，如表 2 2 所示。 表2 2 不同频段下的技术参数 频段m h z 传输速率k b p s 调制方式 符号 8 6 8 8 6 8 6 2 0b p s k 二进制 9 0 2 9 2 84 0b p s k 二进制 2 4 0 0 2 4 8 3 52 5 0 o q p s k1 6 相正交 ( 2 ) 信道分配 i e e e8 0 2 1 5 4 规范定义了2 7 个物理信道。由于工作频段的不同，因此每个频 段上所覆盖的信道个数各不一样。处于8 6 8 m h z 的频段覆盖一个信道；处于9 15 m h z 的频段覆盖1 0 个信道；处于2 4 g h z 的频段定义了1 6 个信道。每个信道根据工作 频率的不同所定义如下： z = 8 6 8 3 m h z n = o z = 9 0 6 + 2 ( n - 1 ) m h z n = l ，2 ，1 0 z = 2 4 0 5 + 5 ( n - 11 ) m h zn = 1 1 ，1 2 ，2 6 其中，n 代表信道的编号，f c 代表信道的中心频率。 ( 3 ) 服务规范 根据功能的划分，物理层在结构上由一个物理层管理实体( p l m e ) 和一个物理层 数据实体( p l d e ) 构成。p l m e 的工作过程分为两个部分：第一，调用物理层中的功 能管理函数，为物理层提供管理服务的接口；第二，对设计物理层管理对象的数据 库进行维护。该数据库常被称为物理层p a n 信息库( p i b ) ，该数据库包含有物理层 个域网络的基本信息，其结构示意图见图2 3 所示。 物理层与m a c 层之间的通信通过物理层数据服务访问点( p d s a p ) 和物理层 管理服务访问点( p l m e s a p ) 来完成：p d s a p 为物理层与对等的m a c 层实体间 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 数据传输提供服务；p l m e s a p 为物理层与m a c 层问管理实体的命令传递提供管 理服务。 图2 3 物理层参考模型 ( 4 ) 数据包格式 物理层协议数据单元( p p d u ) 数据包由三部分构成，分别是：同步包头( s h r ) ， 它包括4 个字节的前同步码和1 个字节的帧定界符，前同步码的作用为：根据收发 器所收到码的携带信息，完成码的同步。帧定界符则用来衔接前同步码与数据包数 据的连续性；物理层包头p h r ，表示帧长度的信息；物理层净荷p s d u ，该字节长 度是变量。物理层数据包格式如表2 3 所示。 表2 3 物理层数据包 4 字节l 字节1 字节可变 前同步码帧定界符帧长度保留物理层数据 ( p r e a m b l e )( s f d )( 7 b i t s )( 1 b i t )( p s d u ) 同步头物理层报头物理层净荷 ( s h r )( p h r )( p h yp a y l o a d ) 2 3 2 媒体介质访问层( m a c ) o ) m a c 层的功能 m a c 层位于物理层与网络层之间，它负责处理所有对物理层的通信，从而达 到对信道的控制。 z i g b e em a c 层的主要功能如下所述： 产生、发送信标帧； 同步设备与信标； 提供个人局域网的关联和取消关联操作： 保证设备的信息安全； 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 将免冲突载波检测多路访问机制应用到信道接入中； 为与m a c 对等的实体之间提供可靠的数据管理服务。 ( 2 ) m a c 层服务规范 与物理层的结构类似，m a c 层也包括一个数据实体和一个管理实体，它们分 别为m a c 层提供数据服务和管理服务。数据服务主要指在数据服务的过程中，保 证m a c 协议数据单元的正确收发；管理服务主要指维护一个与m a c 层协议信息 相关的管理对象数据库，该数据库称为m a c 层p a n 信息库( m i b ) 。 在m a c 层中，m a c 层公共部分予层( m c p s ) j 匝过其服务访问点( m c p s s a p ) 为网络层( n w k ) 提供数据服务，m a c 层管理实体( m l m e ) j 嗵过其服务访问点 ( m l m e s a p ) 为网络层( n w k ) 提供管理服务。m l m e 与m c p s 之间还存在一个数据 服务接口。m a c 层的参考模型如图2 4 所示。 图2 4 m a c 层参考模型 ( 3 ) m a c 层的帧结构及其功能 一个m a c 帧通常由三部分构成，分别是m a c 层帧头、m a c 层负荷、m a c 层帧尾。m a c 层帧头由帧控制、帧序列号和地址域构成；m a c 层负荷中包含的是 特别帧的信息，它的长度可变；m a c 层帧尾中包含的是帧校验序列域( f c s ) 。其结 构如表2 4 所示。 表2 4m a c 层一般帧格式 o 2 ，8 0 2 8 2 字节l 字节0 2 字节0 2 字节可变2 字节 字节 字节 同的 p a n 标 目的 源p a n源地 地址 标识符 址 帧控制序列号 识符 帧净荷 帧校验序列 地址域 m a c 层帧头m a c 净荷m a c 层帧尾 帧控制：占2 个字节，它包含帧的类型、地址子域、安全等信息； 序列号：占1 个字节，为m a c 层帧的唯一序列标识符，用来表示发送帧的 序号，对于信标帧的结构而言，序列号子域表示一个信标序号( b s n ) 。而对于数据 帧、确认帧或m a c 命令帧而言，该域则表示一个数据序列号( d s n ) ，用来匹配确 认帧与数据帧或m a c 命令帧； 目的p a n 标识符：占2 个字节，代表接收方在接收该帧信息时p a n 的标识 符； 目的地址源地址：占2 个字节或8 个字节，目的地址分为两种形式：一种是 1 6 位的短地址，一种是6 4 位的长地址，具体选取哪种形式，要根据实际的应用需 要来定； 源p a n 标识符：占2 个字节，代表帧发送方的p a n 标识符； 帧负荷：长度不固定，m a c 帧传输的数据； 帧校验序列：占2 个字节，采用1 6 位循环冗余校验，它由m a c 层帧头和m a c 层帧的净荷计算而得。 2 3 - 3 网络层0 , a x i k ) ( 1 ) 网络层的功能 网络层主要负责通信网络的建立与管理，它为m a c 层与应用层之间的信息传 递提供了服务接口。其主要功能如下所述： 建立拓扑结构和维护网络连接； 发现邻近节点并对节点信息进行存储； 添加或移除网络中的节点； 对应用子层发送的数据包进行协议解析并加上合适的网络层包头向m a c 层 传输； 具有发现、记录传输路径的能力，并且数据在此路径上有传输的可能； ( 查) z i g b e e 协调器或z i g b e e 路由器具有给新加入网络中的节点分配地址的能力。 ( 2 ) 网络层服务规范 n w k 包括一个数据服务实体( n l d e ) 和一个管理服务实体( n l m e ) ，它们分别 为n w k 层提供数据服务和管理服务。数据服务主要指实现n w k 层的数据单元的 正确收发；管理服务主要指维护n w k 层的信息数据库( n i b ) 。网络层的参考模 型如图2 5 所示。 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图2 5 网络层参考模型 ( 3 ) n w k 层的帧结构及其功能 z i g b e en w k 中主要存在数据帧、路由回答命令帧等五种帧类型。将这五种帧 类型进行结构划分，其一般帧结构如表2 5 所示 表2 5 网络层一般帧格式 2 字节2 字节2 字节l 字节l 字节可变长度 目的地址源地址广播半径广播序列号帧负荷 帧控制 路由信息 网络层头部网络层负荷 帧控制：占2 个字节，标识了帧的类型、协议类型和安全性； 目的地址源地址：占2 个字节，标识接收节点和发送节点的1 6 位网络地址； 广播半径：占1 个字节，代表节点的信号覆盖范围； 广播序列号：占1 个字节，用来表示广播帧的序号； 帧负荷：长度不固定，用来表示n w k 层的数据帧所承载的有用信息。 2 3 4 应用层 a p l z i g b e e 协议的应用层由四部分构成：应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r t s u b l a y e r ，a p s ) 、应用框架( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，a f ) 、z i g b e e 设备对象( z i g b e e d e v i c eo b j e c t s ，z d o ) 和z i g b e e 设备对象管理平台组成【3 7 。 ( 1 ) a p s a p s 层在为网络层和应用层之间提供服务接口。a p s 层包含一个a p s 数据实 体( a p s d e ) 和一个a p s 管理实体( a p s m e ) ，它们分别为a p s 层提供数据服务和管 理服务。数据服务主要指为同一网络的设备之间提供数据传输服务；管理服务主要 指根据a p s 信息数据库( a i b ) 来发现和绑定设备。a p s 层的参考模型如图2 6 所 示。 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图2 6 应用支持子层 ( 2 ) 应用框架( a f ) z i g b e e 应用层框架是z i g b e e 协议供设备连接和应用的环境。应用层框架提供 给应用对象键值对( k v p ：k e yv a l u ep a i r ) 服务类型和报文( m s g ：g e n e t i cm e s s a g e ) 服 务类型。这两种服务类型大致相同，不同之处在于：k v p 的结构更为严格，用于传 输规范所定义的特殊数据；m s g 结构上比较自由，它对数据格式不作要求。 ( 3 ) z i g b e e 设备对象( z d o ) z d o 位于应用框架和应用支持子层之间，它为设备应用对象、配置文件和应用 支持子层三者之间提供了一个应用接口。 z i g b e e 设备对象( z d o ) 的主要功能如下： 定义设备在网络中的类型，区分协调器、路由器和终端节点； 发送、响应绑定请求； 为网络中节点之间建立安全机制； 寻找并发现网络中的节点。 2 4z i g b e e 网络拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准将终端设备按通信能力划分为全功能设备( f u l l f u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) p 引。f f d 的功能比较强 大，能处理较大的数据量，f f d 之间以及f f d 与r f d 之间都可以相互通信；r f d 处理的数据量相对较小，r f d 只能与f f d 进行通信。 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络设备可分为p a n 协调器、协调器和一般设备