（计算机应用技术专业论文）基于无线网络的传感器系统设计研究.pdf

摘要 摘要 本论文的主要工作是设计与制作了基于z i g b e e 无线网络的传感器系统。论文 研究了无线网络技术，其中包括了无线局域网的结构和无线局域网的工作原理。 讨论了z i g b e e 的规范和协议。研究了z i g b e e 软硬件平台的结构，c c 2 4 3 0 无线单 片机及其片上8 0 5 1 内核的特性和工作原理。 根据系统的硬件外部资源，研究了对整个系统进行的功能模块的划分。根据 温度，湿度，热释电红外及可燃气体传感器的电气特性设计了相应的传感器电路 及与该无线网络接口的硬件电路。在以上相关技术支持的基础上，选用t i 提供的 z i g b e e 协议栈z - s t a c k t m 移植，实现了对系统无线网络接口的控制及相应的数据采 集。通过对系统进行的各个功能模块的软硬件调试及系统综合调试，硬件电路达 到了系统的总体要求。实现了基于z i g b e e 无线网络的传感器系统功能。 关键字：z i g b e e ，无线网络，无线单片机，传感器 a b s t r a c ti i i a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yw o r k so i ld e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt h es e n s o r ss y s t e mb a s e d o nz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k w i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d e ss t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e so fw i r e l e s sl a n ，i sr e s e a r c h e di n t h i sp a p e r z i g a e ec r i t e r i o na n d p r o t o c o l sa r ed i s c u s s e dh e r e t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h ef l a m eo fz i g b e es o f t w a r ea n d h a r d w a r ep l a t f o r ma n dc h a r a c t e r i s t i c st o g e t h e rw i t hw o r k i n gp r i n c i p l e so fc c 2 4 3 0 w i r e l e s ss c mw i t hi t s8 0 51k e r n e lo i lt h ec h i p d i v i d i n go fd i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e so ft h ew h o l es y s t e mi sw o r k e do v e rb a s e d o nt h ee x t e r i o rh a r d w a r er e s o u r c e s r e l e v a n ts e n s o r sc i r c u i t sa n dh a r d w a r ec i r c u i t so f t h e i ri n t e r f a c et ot h ew i r e l e s sn e t w o r ka r ed e s i g n e db a s e du p o nt h ed e c t r i cs p e c i a l i t i e s o ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，i n f r a r e da n df l a m m a b l eg a s e ss e n s o r s b yt h eb a s eo f u p w a r d st e c h n i q u e si n t e r r e l a t e d ，t h ez i g b e ep r o t o c o l s t a c kp r o v i d e d b y t i z - s t a c k t mi ss e l e c t e da n dm i g r a t e dt oi m p l e m e n tc o n t r o l l i n gt h ew i r e l e s sn e t w o r k i n t e r f a c et ot h es y s t e ma n dc o r r e s p o n d i n gd a t ac o l l e c t i n g b ys o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e b u g g i n go nt h es y s t e m sd i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e sa n dt h ei n t e g r a t e dd e b u g g i n go n t h ew h o l es y s t e m , t h eh a r d w a r ec i r c u i t sh a v er e a c h e dt h em a i nd e m a n d so ft h es y s t e m t h ef u n c t i o n so fs e n s o r ss y s t e mb a s e do nz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r ka r er e a l i z e d k e y w o r d ：z i g b e e w i r d e s sn e t w o r kw i r e l e s ss c ms e n s o r s 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：董旦垒堑日期! 堕丝扩 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 生在棱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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 董胆鲐 导师签名：! 因丝曼日南翌竺够旷 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 由于n 产业发展迅速、网络普及、家电走向智能化及单片机功能的进一步拓 展，数字家庭、无线通信、无线控制、无线定位、无线组网和移动连接正日益进 入人们的现实生活。大量的相关信息报道越来越明显地预测这些新事物必将具有 强大的生命力和广阔前景。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于无线标记技术和 蓝牙技术之间。此前它被称作h o m e r fl i t e 或f i r e f l y 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。这些传感器只需很少能量，以接力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，所以通信效率非常耐1 1 。最后，可以将这些数据放入计算机，用 于分析和应用。 z i g b e e 的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个人区域网( p a n ，p e r s o n a la r e a n e t w 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 g b e e ) 技术标准。z i g s e e 的物理层、m a c 层协议是i e e e 8 0 2 1 5 4 ，它属于l r w p a n 范畴。i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组是专门从事无线个域网( w p 删) 标准化工作的组织，它的任务是制定一套 适用于短距离无线通信的标准。目前，i e e e 8 0 2 1 5 工作组已经完成了中速无线个 域网标准i e e e 8 0 2 1 5 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 、高速无线个域网标准i e e e 8 0 2 1 5 3 一一超宽带( u w b ) 和低速无线个域网标准i e e e 8 0 2 1 5 4 。低速无线个域网 ( l r w p a n ) 主要为电源能力受限、吞吐量要求较低的无线应用提供简单的低成 本网络连接；主要目标是以简单灵活的协议构建一种安装布置简易、数据传输可 靠、设备成本极低、能量消耗较小的短距离无线通信网络。 z i g b e e 不仅只是i e e e 8 0 2 1 5 4 的别名，i e e e 8 0 2 1 5 4 仅处理低级m a c 层和 物理层协议，而z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。完全协议用于 一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 k b 或者作为h u b 、路由器的协调器的 3 2 k b 。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对 路由传输的数目则没有限制。z i g b e e 联盟还开发了安全层，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。 r n 公司已经推出了新一代z i g b e e 无线单片机c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 系列和短距离 通信新一代无线单片机c c 2 5 i o c c l l l 0 系列，这些以经典8 0 5 1 微处理器为内核的 无线单片机，也称“射频s o c ( 片上系统) i z j 。依靠其优异的无线性能、超低功 耗、超低成本，在单片机技术领域开创了单片机无线化和无线网络化的全新时代【4 】。 2 基于无线网络的传感器系统设计研究 采用这些新型无线单片机，进行无线通信、r f i d 、无线数传产品等的产品设计， 是开发低成本、低功耗单片机应用产品非常理想的方案。 据市场研究机构预测，低功耗、低成本的z i g b e e 技术在未来几年内将得到快 速增长，2 0 0 6 年全球z i g b e e 器件的出货量已达到1 0 0 0 万个，2 0 0 7 年年底将近一 亿个，2 0 0 8 年将超过1 5 亿个。其中在2 0 0 6 年，z i g b e e 芯片供应量方面，n 以及 e m b e r 公司位列前两位。，从2 0 0 4 年年底标准确立，到2 0 0 5 年年底相关芯片及终 端设备总销售额达1 5 0 0 亿美元，z i g b e e 的发展非常迅速。 z i g a e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e 8 0 2 1 5 4 的推动下，与其他无线技术相结合， 不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的应用价值，在未来 应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约， z i g b e e 技术的大规模商业应用还有待时曰，但随着相关技术的发展和推进，相信 z i g b e e 技术一定可以得到更广范围应用。 1 2 研究的主要内容及章节安排 本论文研究的内容是基于无线网络的传感器系统设计。重点探讨了z i g b e e 无 线网络技术的基本原理，z i g b e e 软硬件平台的设计和配置，设计了温度、湿度及 可燃气体的传感器电路及与该无线网络的接口。对系统进行了综合调试，实现了 基于z i g b e e 无线网络的传感器系统功能。根据论文内容，本论文总共分为六章， 具体安排如下： 第一章引入了课题研究的背景及本论文的内容安排。第二章主要分析z i g b e e 无线网络技术，首先分析了典型的无线网络结构及工作原理；讨论了z i g b e e 网络 体系结构和规范；分析了短距离无线标准i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g a e e 协议栈结构及原 理，最后介绍了z i g b e e 无线软件平台。第三章主要分析了硬件平台的系统结构、 c c 2 4 3 0 无线单片机的特性及外部资源。第四章介绍了传感器电路及无线接口的设 计。第五章主要讲述了系统软件设计，包括系统无线网络模块控制部分与主机数 据读取及界面显示部分。第六章主要讲述了系统软硬件调试，包括硬件测试模块 划分、系统硬件部分调试及主要性能参数、系统软件部分调试和系统整体联调。 第二章z i g b e e 无线网络技术 3 第二章z i g b e e 无线网络技术 本章分析了典型的无线网络结构和网络拓扑，讨论了z i g b e e 网络体系架构及 规范，分析了短距离无线标准i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 协议栈结构和原理，最后对 z i g b e e 无线软件平台进行了说明。 2 1 典型的无线网络结构 无线网络( w i r e l e s sn e t w o r k ) 是由许多独立的无线节点通过无线电波相互通信 而构成的无线通信网络。广义地说，凡是采用了无线传输媒体的网络都可以称作 无线网络。传输媒体可以是无线电波、光波或者红外线等。 一个无线网络的构成包括如下几部分：协议结构、频段分配、m a c 层规范、 工作原理以及网络结构。 2 1 1 无线局域网的工作原理 无线局域网是在有线局域网的基础上通过无线通信设备得以实现的。常用的 无线通信设备有无线网卡和无线访问节点( a p ) 。除此之外，在无线局域网中还使 用无线h u b 、无线网桥和无线m o d e m 等。下面简要介绍无线网卡的工作原理，其 他设备的工作原理与无线网卡基本相同。 一个无线网卡主要包括n i c 单元和扩频通信机两个组成部分，其中扩频通信 机由天线、射频单元( r f ) 、中频单元( ) 和扩频解频单元( s s ) 4 部分组成。 n i c 单元与i e e e 8 0 2 1 1 中的m a c 相对应，由它负责建立主机与物理层之间的连 接。扩频通信机与i e e e 8 0 2 1 1 中的物理层建立了对应关系，实现无线电信号的接 收与发送。当计算机要接收信息时，扩频通信机通过天线接收到信息，并对该信 息进行处理，判断是否要转发给n i c 单元：如是，则将信息帧上交给n i c 单元； 否则丢弃掉。如果扩频通信机发现接收到的信号有错，则通过天线发送给对方一 个出错信息，通知发送端重新发送此信息包。当计算机要发送信息时，首先检测 信道是否空闲：若空，便立即发送；否则，暂停转发，继续监测。 无线网络的传输技术主要分为射频技术和红外线技术两种。其中，红外线技 术仅适用于近距离无线传输( 一般短于1 m ) ；射频技术的覆盖范日司则较广，本文 中系统就是应用射频技术设计的。 选用无线局域网的通信频段，在考虑无线电波传输这个技术因素的同时，还 要考虑政府对于频率使用的相关政策。无线局域网中选用美国联邦通信委员会 4基于无线网络的传感器系统设计研究 ( f c c ) 开放的3 个频段叫0 2 9 2 8 m h z 、2 4 2 4 8 3 5 g h z 、5 7 2 5 5 8 5 0 g h z ，这 3 个频段在使用时无须申请执照。我国一般使用2 4 2 4 8 3 5 g h z 频段。 无线局域网满足i e e e 8 0 2 1 及i e e e 8 0 2 2 的功能条件，同样以帧格式进行数据 的传输。i e e e 8 0 2 1 1 标准规定的帧结构分为前导码、帧头和数据块3 部分。 1 、前导码分为同步码和特征码两部分。同步码由1 2 8 位的数字1 组成，用来 进行载波和时钟的锁定；特征码用来给出一帧的开始信息( 特征) 。 2 、帧头分为信息码、服务码、长度指示和c r c 检验4 部分。其中信息码表 示数据的不同调制方式；服务码暂未使用；长度指示指出该帧的数据长度；而c r c 检验用来进行信息、服务和长度的检验。 3 、数据块用于携带所传输的数据，其长度从4 8 位到1 6 k b 。 2 1 2 无线局域网的网络结构 无线局域网用户的接入主要使用a p 接入和两两相接两种方式。 1 、a p 接入即访问节点接入，它是一种主从是( m a s t e r - s l a v e ) 接入方式。a p 接入中，所有的用户都直接与中心天线或访问节点( a p ) 连接，由a p 承担无线 通信管理及与有线网络连接的工作。 2 、两两接入实际上是一种点到点( p e e r - t o p e e r ) 的接入方式。它用于连接p c 或便携式计算机，允许每个接入设备在无线网络所覆盖的范围内移动并自动建立 点到点的连接，从而实现不同站点之间的直接信息交换。 同有线局域网标准一样，i e e e 8 0 2 1 1 只涉及o s i 七层网络模型中的最底两层 勿理层( p h ) 和数据链路层( d l ) ，网络结构相对简单。根据需要，数据链 路层一般又划分为逻辑链路控制层与媒体访问控制层( m a c ) 。物理层定义了通过 无线连接所必需的机械和电气特性，而媒体访问控制层定义了在两个数据链路层 之间建立和维持数据传输，并将数据流无差错的提供给网络层的功能的协议。 以太网属于广播形式的网络，当一个站点发送信息时，网络中的所有站点都 能接收到，因而容易形成数据堵塞，导致网络速度变慢，甚至发生系统瘫痪。为 了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，以太网中使用了c s m a c d ( 载波监听多 路访问冲突检测) 工作机制，以防止各站点无序地争用信道。无线局域网中采用 了与c s m a c d 相类似的c s m a c a ( 载波监听多路访问冲突防止) 协议，当其 中一个站点要发送信息时，首先监听系统信道空闲时间是否长于某一帧的问隔： 若是，立即发送；否则暂不发送，继续监听。c s m a j c a 通信方式将时间域的划分 与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，从而实现了网络系统 的集中控制。 因为传输介质的不同，所以传统的c s m a c d 与无线局域网中的c s m a c a 在工作方式上存在着差异。c s m a c d 的检测是通过对电缆中电压的变化来测得 第二章z i g b e e 无线网络技术 的，当数据传输发生碰撞时，电缆中的电压就会随之发生变化：而c s 呲a 使 用空气作为传输介质，必须采用其他的碰撞检测机制。c s m c a 采用了3 种检测 信道空闲的方式：能量检测( e d ) 、载波检测( c s ) 和能量载波混合检测。 l 、能量检测( e d ) 。接收端对接收到的信号进行能量大小的判断，当功率大 于某一确定值时，表示有用户在占用信道，否则信道为空。 2 、载波检测( c s ) 。接收端将接收到的信号与本机的伪随机码( p n 码) 进行 运算比较，如果其值超过某一极限，则表示有用户在占用信道，否则认为信道为 空。 3 、能量载波混合检测是能量检测和载波检测两种工作方式的结合。 当组建一个网络时，需要根据实际情况来确定网络拓扑结构，因为网络拓扑 将关系到网络成本、网络维护的难易、网络的可靠性以及网络的稳定性。现在无 线网络中的连接主要有星状连接、串状连接和网状连接3 种方式。 2 2z i g b e e 网络 2 2 1 z i g b e e 网络体系架构 根据不同的应用需求，l r - w p a n 可以构建成星状拓扑和点对点对等拓扑，两 种拓扑结构如图2 1 所示。无论是星状拓扑还是点对点拓扑，z i g b e e 网络都是无 基础设施的网络。z i g b e e 网络中的z i g b e e 协调器( p a n 协调器) 完全不同于w i f i 网络中的接入点( a p ) ，这里的z i g b e e 协调器是一个起网络控制中心作用的f f d ， 它不单为网络控制而存在，还可以有自己的应用。就功能而言，z i g b e e 协调器与 扮演z i g b e e 路由器和z i g b e e 终端设备角色的f f d 没有区别，只是根据构建网络 的需要，z i g b e e 协调器这个f f d 承担了控制中心的任务。当网络状态发生变化时， 其他f f d 也能承担起z i g b e e 协调器的任务。网络中的每个设备都一个6 4 位扩展 地址用于网内直接通信，如果p a n 协调器为设备分配了1 6 位短地址，则设备也可 以使用短地址通信。每个p a n 都有唯一的标识( i d ) 、有了p a n 标识，网内设备 可以使用短地址通信，并且不同p a n 之间的设备也可以通信。 6 基于无线网络的传感器系统设计研究 星状拓扑 o o p a n 协调器 o - 一 - o z 点对点对等拓扑 c o p a n 协调器 f f l ) o r f d 通信链路 图2 1l r w p a n 的网络拓扑 在星状拓扑中，所有终端设备都与唯一的中央控制设备_ p a n 协调器通信， 终端设备之间的通信通过p a n 协调器的转发来完成。星状网络适合家庭自动化、 p c 机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。 点对点对等拓扑网络中，也有一个p a n 协调器；但与星状网不同的是，对等 网络中的任何两个设备只要彼此都在对方的无线辐射有效范围之内，就可以直接 通信。所以对等网络可以构建成更复杂的m e s h 网，适合于工业控制与检测、无线 传感网络、仓储库存跟踪和智能农业等设备分布范围较广的应用。点对点对等网 络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据，具有自组织、自修复的a d h o c 组 网能力。构建z i g b e e 对等网络时，仍然需要一个p a n 协调器；不过该网络协调器 的功能不再是为其他设备转发数据，而是实现设备注册和访问控制等基本的网络 管理功能。 2 2 2 z i g b e e 规范 z i g b e e 规范文件详细描述了z i g b e e 协议标准。遵照z i g b e e 标准，任何厂商 生产的设备和平台将具有互操作性、低成本和高可用性。 z i g b e e 协议栈具有多层结构，每一层都为其上层提供一组特定的服务：数据 实体提供数据传输服务，管理实体提供其他的服务。每个服务实体通过一个服务 访问点( s a p ) 与上层接口，每个s a p 支持一组服务原语来实现所需的功能。z i g b e e 协议栈是基于o s i 七层参考模型的，但是只定义了目标应用市场所要求功能的相 关协议层。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了z i g b e e 协议栈的物理层( p h y ) 和媒体访问 控制层( m a c ) 。z i g b e e 联盟在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的基础上定义了网络层( n w k ) 第二章z i g b e e 无线网络技术 7 和应用层框架。应用层框架包括应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和厂商定义的应用对象。 i e e e 8 0 2 15 4 支持工作在两个独立频段8 6 8 9 15 m h z 和2 4 g h z 的p h y 层。 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 子层采用c s m a c a 机制对无线信道的访问进行控制。m a c 子层还负责信标发送、同步和提供可靠的传输机制。z i g b e e 的n w k 层负责设备 加入和离开网络、帧安全和帧路由。另外n w k 层还负责路由发现和维护、发现单 跳邻居并存储邻居相关信息。z i g b e e 协调器的n w k 层还负责建立一个新网络并 为新关联设备分配地址。 z i g b e e 应用层包括应用支持子层( a p s ) 、应用框架( a f ) 、z i g b e e 设备对象 ( z d o ) 和厂商定义的应用对象。a p s 子层负责维护绑定表并在绑定设备间传递 信息。绑定是根据服务和需求把两个设备进行匹配的能力。a p s 子层提供了网络 层( n w k ) 和应用层( a p l ) 之间的接口，其接口功能是通过z d o 和厂商定义的 应用对象都可以使用的一组服务来实现的。z d o 的任务包括定义设备在网络中的 角色( z i g b e e 协调器、路由器或终端设备) 、初始化和响应绑定请求并在网络设备 之间建立安全关系。另外z d o 还负责网络设备发现并获知其所能提供的应用服务。 z i g b e e 应用框架是应用对象驻留在z i g b e e 设备中的环境。在应用框架内，应用对 象通过a p s d e s a p ( a p s 数据实体服务访问点) 发送和接收数据。应用对象的 控制和管理通过z d o 公共接口来实现。 z i g b e e 提供的安全服务包括密钥建立、密钥运输、帧保护和设备管理的方法。 这些服务共同构成了z i g b e e 设备的安全体系。我们知道，z i g b e e 协议栈是以 i e e e 8 0 2 1 5 4 为基础的，所以z i g b e e 安全体系是对8 0 2 1 5 4 安全规范的补充和增 强。z i g b e e 安全体系提供的安全级别依赖于对称密钥的保密度、使用的保护机制、 加密机制的正确实现和相关的安全规定。 2 3 短距离无线标准i e e e 8 0 2 15 4 如前所述，作为低速无线个域网( l r w p a n ) 技术，z i g b e e 协议栈的物理、 m a c 层即是i e e e 8 0 2 1 5 4 协议。物理层规范，主要是物理层的服务规范、数据格 式、常量和属性、物理层技术和通用射频规范等方面。m a c 层规范，主要是m a c 层的服务规范、帧格式、命令帧、功能描述、安全规范和m a c p h y 信息交互流 程等方面。【7 】 8基于无线网络的传感器系统设计研究 2 3 1物理层 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量 检测( e d ) 、链路质量指示( l q i ) 、空闲信道评估( c c a ) 、信道选择、数据发送 和接收。 物理层通过射频固件和硬件提供了m a c 层与物理无线信道之间的接口。从概 念上说，物理层还应包括物理层管理实体( p l m e ) ，以提供调用物理层管理功能 的管理服务接口；同时p l m e 还负责维护物理层p a n 信息库( p h yp i b ) 。 i e e e 8 0 2 15 4 物理层的参考模型如图2 2 所示。物理层通过物理层数据服务访问点 ( p d s a p ) 提供物理层数据服务；通过物理层管理实体服务访问点( p l m e s a p ) 提供物理层管理服务。 图2 2 物理层参考模型 物理层协议数据单元( p p d u ) 由3 部分组成：同步头( s h r ) 允许接收设备 同步并锁定比特流；物理层帧头( p h r ) 包含的是帧长信息：有效载荷部分是p s d u 。 s j p p d u 的格式如表2 1 所示： 表2 1p p d u 格式 字节数：4l1 可变k 度 引导序列帧开始符帧长( 7 位)预留( 1 位)物理层服务数据单元( p s d u ) 同步头( s h r )物理层帧头( p h r ) 物理层有效载荷 引导序列字段：收发信机用来获得码片和符号同步，它是3 2 位长度的全0 序 列。 帧开始符( s f d ) 字段：表示引导序列的结束和数据帧的开始，它是8 位的二 进制序列1 l100101 。 第二章z i g b e e 无线网络技术 9 帧长字段：它用7 位表示物理层有效载荷p s d u 的长度，取值范围是o 到 a m a x p h y p a c k e t s i z e 之间的整数。 p s d u 字段：可变长度的字段，它是物理层要发送的数据包，即m p d u 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层通用规范同时适用于2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层，包 括能量检测( e d ) 、链路质量指示( l q i ) 、空闲信道评估( c c a ) 等。接收机能 量检测是在8 个符号周期内对i e e e 8 0 2 1 5 4 信道带宽内的接收信号功率进行估计， 用于网络层的信道选择算法。l q i 用于指示接收数据包的质量，它通过接收机e d 、 信噪比估计来测量，或者由这些方法联合实现。 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层至少要支持下面3 种c c a 模式之一： c c a 模式l 能量门限检测。如果检测到的信号能量超过设定的e d 门限， 则表示信道忙( 被占用) 。 c c a 模式2 载波侦听。如果检测到符合i e e e 8 0 2 1 5 4 调制和扩频特征的 信号，则表示信道忙，信号的强度可能高于或低于e d 门限。 c c a 模式3 载波侦听联合能量检测。如果检测到的符合i e e e 8 0 2 15 4 调 制和扩频特征的信号强度超过e d 门限，则表示信道忙。 一个设备所采用的c c a 模式由物理层p i b 属性p h y c c a m o d e 决定，标准规 定c c a 中e d 门限不得超过接收灵敏度1 0 d b ，c c a 检测时间为8 个符号周期。 2 3 2m a c 层 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准m a c 子层主要负责以下几项任务：协调器产生网络信标； 信标同步；支持p a n 关联和解关联；c s m a c a 信道访问机制；处理和维护保证 时隙( g t s ) 机制；在两个对等m a c 实体间提供可靠链路。【5 】【9 】 m a c 层提供了特定服务会聚子层( s s c s ) 和物理层之间的接口。从概念上说， m a c 层还包括m a c 层管理实体( m l m e ) ，以提供调用m a c 层管理功能的管理 服务接口；同时，m l m e 还负责维护m a cp a n 信息库( m a cp i b ) 。m a c 层的 参考模型如图2 3 所示。m a c 层通过m a c 公共部分子层( m c p s ) 的数据s a p ( m c p s s a p ) 提供m a c 数据服务；通过m l m e s a p 提供m a c 管理服务。这 两种服务通过物理层p d s a p 和p l m e s a p 提供了s s c s 和p h y 之间的接口。除 了这些外部接口外，m c p s 和m l m e 之间还隐含了一个外部接口，用于m l m e 调用m a c 数据服务。 l o 基于无线网络的传感器系统设计研究 图2 3m a c 层参考模型 m a c 帧，即m a c 协议数据单元( m p d u ) ，是由一系列字段按照特定的顺序 排列而成的。m a c 帧通常包括三部分：m a c 头，m a c 有效载荷和m a c 尾。m a c 头部分由帧控制字段、帧序号字段和地址信息域组成；m a c 有效载荷部分的长度 与帧类型相关，确认帧的有效载荷部分长度为0 ；m a c 尾是帧校验序列( f c s ) 。 m a c 帧格式如表2 2 所示： 表2 2m a c 帧格式 字节数：2 10 2o 2 湛0 2 o 2 8可变k 度 2 目的p a n目的源p a n 表示码地址表示码 源地址 帧有效 帧控制帧序号 载荷 f c s 地址信息 m a c 有效 m a c 尾 m a c 头( m h r ) 载荷 ( m f r ) 在上层要求的情况下，m a c 层可以为发送和接收帧提供安全服务。 i e e e 8 0 2 1 5 4 支持4 种安全服务：访问控制、数据加密、帧完整性、顺序保鲜。 协议同时提供了3 种安全模式：不安全模式、a c l 模式和安全模式。决定如 何提供安全的信息保存在m a cp i b 中。 第二章z i g b e e 无线网络技术 2 4z i g b e e 协议栈结构 z i g b e e 协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务：一个数 据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过 一个服务接入点( s a p ) 为其上层提供服务接口，并且每个s a p 提供了一系列的 基本服务指令来实现相应的功能。 z i g b e e 协议栈的体系结构如图2 4 所示。它虽然基于标准的七层开放式系统 互联( o s i ) 模型，但仅对那些涉及z i g b e e 的层予以定义。i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标 准定义了最下面的两层：物理层( p h y ) 和介质接入控制子层( m a c ) 。z i g b e e 联盟提供了网络层和应用层( a p l ) 框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支 持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和由制造商制订的应用对象。 n 目 o o 联 盟 图2 4z i g b e e 体系结构模型 z i g b e e 的网络层主要用于z i g b e e 网络的组网连接、数据管理以及网络安全等， 而应用层主要用于对z i g b e e 技术的实际应用提供一些应用框架模型等。在不同的 场合，其开发应用框架也不同。从目前来看，不同的厂商提供的应用框架是有差 异的，应根据具体应用情况和所选择的产品来综合考虑其应用框架结构。 2 4 1i e e e 8 0 2 1 5 4 通信层 如上所述，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了z i g b e e 协议栈体系中最下面的两层：物 理层( p h y ) 和介质接入控制子层( m a c ) ，而z i g b e e 直接使用了i e e e 8 0 2 1 5 4 所定义的物理层和介质接入控制子层来作为z i g b e e 的物理层和介质接入控制子 曰 力譬o z i g b e e 的通信频率在物理层来规范，z i g b e e 根据不同的国家和地区为其提供 不同的工作频率范围，z i g b e e 所使用的频率范围分别为2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 。 1 2基于无线网络的传感器系统设计研究 因此，i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 技术，使用相同的物理层数据包格式，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。i e e e 在物理层还规范了传输速率以及调制方式等相关要 求。物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无线信道的借 口。 i e e e 8 0 2 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制( l l c ，l o g i c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 和m a c 两个子层。l l c 子层在i e e e 8 0 2 6 标准中定义，为8 0 2 标准系列 所公用；而m a c 子层协议则依赖于各自的物理层。i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 子层能 支持多种l l c 标准，通过业务相关汇聚子层( s s c s ，s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c e s u b l a y e r ) 协议承载i e e e 8 0 2 2 协议中第1 种类型的l l c 标准，同时也允许其他 l l c 标准直接使用i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 子层的服务。 l l c 子层的主要功能是进行数据包的分段与重组，以及确保数据包按顺序传 输。i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 子层实现包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确认 模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发( a r q ) ，预 留时隙管理以及广播信息管理等。m a c 子层处理所有物理层无线信道的接入，主 要功能有：网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持个域网( p a n ) 链路的建 立和断开；为设备的安全提供支持；信道接入方式采用载波监听多址接入冲突避 免( c s m a c a ) 机制；处理和维护保护时隙( g t s ) 机制；在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。m a c 层在服务协议汇聚层( s s c s ) 和物理层 之间提供了一个接口。 2 4 2 z i g b e e 网络层 z i g b e e 堆栈是在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准基础上建立的，而i e e e 8 0 2 1 5 4 仅定义了 协议的m a c 和p h y 层。z i g b e e 设备应该包括i e e e 8 0 2 1 5 4 的p h y 和m a c 层以 及z i g b e e 堆栈层：网络层( n w k ) 、应用层和安全服务管理。图2 5 给出了这些 组件的概况。 第二章z i g b e e 无线网络技术 图2 5z i g b e e 协议结构体系 每个z i g b e e 设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这些 模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以 确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。 设备是由模板定义的，并以应用对象( a p p l i c a t i o no b j e c t s ) 的形式实现。每个 应用对象通过一个端点连接到z i g b e e 堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的 组件。 从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接。端点之间的通信是通过 称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的 容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。【6 j 【1 0 】 每个接口都能接收( 用于输入) 或发送( 用于输出) 簇格式的数据。一共有 两个特殊的端点，即端点o 和端点2 5 5 。端点0 用于整个z i g b e e 设备的配置和管 理，应用程序可以通过端点o 与z i g b e e 堆栈的其他层通信，从而实现对这些层的 初始化和配置，附属在端点0 的对象被称为z i g b e e 设备对象( z d o ) ；端点2 5 5 用于向所有端点的广播。端点2 4 1 2 5 4 是保留端点。 1 4基丁：无线网络的传感器系统设计研究 z i g b e e 规范定义了3 种类型的设备，每种都有自己的功能要求。z i g b e e 协调 器是启动和配置网络的一种设备；可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联， 同时还能设计信任中心和执行其他活动；负责网络中j 下常工作以及保持同网络其 他设备的通信。一个z i g b e e 网络只允许有一个z i g b e e 协调器。 z i g b e e 路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备。z i g b e e 网格或树状网络可以有多个z i g b e e 路由器。z i g b e e 星状网络不支持z i g b e e 路由 器。 z i g b e e 终端设备可以执行它的相关功能，并使用z i g b e e 网络到达其他需要与 其通信的设备。它的存储器容量要求最小。 上述3 种设备根据功能完整性可以分为全功能( f f d ) 和半功能( r f d ) 设备。 其中全功能设备可作为协调器、路由器和终端设备，而半功能设备只能用于终端 设备。一个全功能设备可与多个r f d 设备或多个其他f f d 设备通信，而一个半功 能设备只能与一个f f d 通信。 z i g b e e 网络层的主要功能就是提供些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层 正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络 层提供了两个必需的功能服务实体，如图2 6 所示。网络层数据实体通过网络层数 据实体服务接入点( n l d e s a p ) 提供数据传输服务，网络管理层实体通过网络层 管理实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层管理实体利用网 络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且网络层管理实体完成对网络信息库 ( n i b ) 的维护和管理。 图2 6 网络层参考模型 网络层通过m c p s s a p 和m l m e s a p 接口为m a c 层提供接口，通过 n l d e - s a p 与n l m e s a p 接口为应用层提供接口服务。 第二章z i g b e e 无线网络技术 网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。网络层管理 实体提供如下服务：