（计算机应用技术专业论文）ZigBee2006协议栈的实现及其应用.pdf

z i g b e e - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 中文摘要 z i g b e e 一2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 中文摘要 z i g b e e 作为一种基于开放性国际标准的低成本、低功耗、低数据速率、低复杂 度、高可靠性的新型短距离无线通信技术，在能源管理和效率、家庭自动化、楼宇自 动化、工业自动化以及无线传感网络等领域具有十分广阔的应用前景，已经成为当前 的一个研究和应用热点。 但是，z i g b e e 技术在国内的发展和应用还不够。虽然也存在一些提供z i g b e e 软 硬件模块的厂商，但是其z i g b e e 协议栈一般都是基于国外的商业协议栈或者功能简 单的免费协议栈。上述状况所造成的学习和研究z i g b e e 技术细节平台的缺乏反过来 也影响了z i g b e e 技术在国内的发展。 本文从技术研究与实际应用的角度出发，基于f r e e s e a l e 的m c l 3 2 1 3 芯片构建了 单芯片的z i g b e e 硬件平台，深入研读了i e e e8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 2 0 0 6 协议规范， 详细阐述了z i g b e e 协议物理层、m a c 层和网络层的设计和实现过程，最终实现了一 个功能有所裁剪的z i g b e e 协议栈。剖析了底层驱动程序实现过程中所遇到的s p i 事 务操作问题的根源；针对m a c 层众多属性提出了一种高效的管理方法：针对z i g b e e 网络层路由算法的复杂性，实现了原理简单易于理解但功能只是稍许减弱的a o d v j r 协议。由于本协议栈中采用了分布式地址分配机制，所以也支持树状层次路由。最后， 在自主研发的软硬件平台上，给出了一个车间设备监控系统的应用实例，验证了软硬 件平台的可行性和正确性，并分析和实现了系统中z i g b e e 节点的低功耗。 本文所实现的z i g b e e 软硬件平台可以直接作为一个独立的模块用于实际项目 中，也可以作为研究z i g b e e 协议的基础平台，具有一定的参考价值和借鉴意义。 关键词：z i g b e e 协议，i e e e8 0 2 1 5 4 ，无线个域网，m c l 3 2 1 3 ，低功耗 作者：倪敬飞 指导老师：王宜怀 i m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o no f z i g b e e 2 0 0 6p r o t o c o ls t a c k i m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o no fz i g b e e - - 2 0 0 6 p r o t o c o ls t a c k a b s t r ac t z i g b e ei s a no p e ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s - - b a s e dn o v e ls 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 t e c h n o l o g yw i t hc o s t - e f f e c t i v e ，l o w - p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wd a t a - r a t e s ，l o w - c o m p l e x i t ya n dh i g h r e l i a b i l i t y , w h i c hh a sv e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t so ne n e r g ym a n a g e m e n ta n de f f i c i e n c y , h o m e a u t o m a t i o n , b u i l d i n ga u t o m a t i o n ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s z i g b e eh a s b e c o m ear e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nh o t s p o tc u r r e n t l y h o w e v e r , t h ed o m e s t i cd e v e l o p m e n to fz i g b e ei sn o tg o o de n o u g h a l t h o u g ht h e r ea r es o m e r e l a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ev e n d o r s ，t h ep r o t o c o ls t a c k sr u n n i n go nt h e i rh a r d w a r ea r eg e n e r a l l y b a s e do nf o r e i g nc o m m e r c i a lp r o t o c o ls t a c k so rs i m p l i f i e df l e ep r o t o c o ls t a c k s t h el a c ko fs k i d ya n d r e s e a r c hp l a t f o r mf o rz i g b e et e c h n i c a ld e t a i l sc a u s e db yt h ea b o v e - m e n t i o n e ds i t u a t i o nm a ya l s oa f f e c t t h ed o m e s t i cd e v e l o p m e n to fz i g b e et e c h n o l o g yi nr e t u r n t h i sp a p e rp r o v i d e sai m p l e m e n t a t i o no fz i g b e e - 2 0 0 6p r o t o c o ls t a c kw i t hs o m ef u n c t i o nc u t - o f f f r o mt h ev i e w o ft e c h n i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ez i g b e eh a r d w a r ep l a t f o r mi s c o n s t r u c t e dw i t hf r e e s c a l e ss i pm c l 3 2 1 3 i e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r da n dz i g b e e - 2 0 0 6s p e c i f i c a t i o na r e d e e p l ys t u d i e da n da n a l y z e d t h i sp a p e rd e s c r i b e sa n di m p l e m e n t st h ez i g b e ep h ym a c a n dn w k l a y e ri nd e t a i l ，a n da n a l y z e st h et h er o o tc a u s b 一3o fs p it r a n s a c t i o np r o t o c o lp r o b l e mo c c u r r e di n i m p l e m e n t i n gt h eh a r d w a r ed r i v e r ah i g h l ye f f i c i e n tm e t h o di sp u tf o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h e m a n a g e m e n to fn u m e r o u sm a cp i ba t t r i b u t e s a o d v j ra l g o r i t h mi s a d d r e s s e dt or e d u c et h e c o m p l e x i t yo fr o u t i n ga l g o r i t h mi nz i g b e en w kl a y e r , a n dt h eh i e r a r c h i c a lr o u t i n gi sa l s os u p p o r t e d s i n c et h eu s eo fd i s t r i b u t e da d d r e s sa s s i g n m e n tm e c h a n i s m f i n a l l y , aw o r k s h o pd e v i c e sm o n i t o r i n g s y s t e mi s c a r r i e do u tt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h ei n d e p e n d e n tr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，a n dt h el o wp o w e rc o n s u m p t i o no ft h es y s t e mi sa l s o a n a l y z e da n ds o l v e d 1 1 1 ep l a t f o r mc a nb ed i r e c t l yu s e da sa ni n d e p e n d e n tm o d u l ei np r a c t i c a lp r o j e c t ，a n di ta l s oh a sa v a l u a b l er e f e r e n c ev a l u ei no f f e r i n ga st h eb a s i cp l a t f o r mf o rt h es k i d ya n dr e s e a r c ho fz i g b e ep r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：z i g b e ep r o t o c o l ，i e e e8 0 2 1 5 4 ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) ，m c l 3 2 1 3 ， l o wp o w e r w r i t t e nb yn ij i n g f e i s u p e r v i s e db yw a n gy i h u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：五笙逊 日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：坜巳或b 导师签名： 墨凝：旧亨谢 f 日期：之孥兰：笙 z i g b e e - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1z i g b e e 概述及其发展历程 1 z i g b e e 起源 早在上世纪末，就已经有人在考虑发展一种新的通信技术，用于传感控$ 1 j ( s e n s o r a n dc o n t r 0 1 ) 以及自动化应用，这个想法后来在i e e e8 0 2 1 5 4 工作组中提出来，于是 就成立了t g 4 工作组【l 】，致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的低成本、 低功耗以及多节点【2 】的低速率无线个人区域网络( l o w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，l r - w p a n ) 技术标准。但是i e e e8 0 2 的规范只专注于底层，要达到产品的 互操作和兼容性，还需要定义高层的规范【1 1 ，于是2 0 0 1 年z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a n c e ) 成立，正式有了“z i g b e e 这个名词。 2 z i g b e e 概述 z i g b e e 一词源于蜜蜂，蜜蜂通过z i g z a g 舞蹈与同伴传达花与蜜的位置、方向、 距离等信息，因而藉此作为这个短距离无线通信新技术的命名【3 1 。 z i g b e e 是一种开放性的低成本、低功耗、低数据速率、低复杂度、双向传输、 高可靠性的新型短距离无线通信技术，其突出特点【4 】是应用简单，电池寿命长，成本 低，可靠性高，具有自组网和自恢复能力。 z i g b e e 一般采用i e e e8 0 2 15 4 收发器与z i g b e e 协议栈的组合，在数千个节点之 间相互协调实现通信。这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数 据从一个节点传到另一个节剧5 1 ，所以它们的通信效率非常高。因此，z i g b e e 在传感 器网络、智能家居、工业自动化等领域有着广泛的应用。市场研究机构n s r ( n o r t h e r n s k yr e s e a r c h ) 曾预估【6 】，到2 0 1 0 年，全球将可望部署5 8 亿个z i g b e e 组件，成长非 常快速。 3 z i g b e e 发展历程 z i g b e e 的发展历程可以追溯到上个世纪末 7 1 。z i g b e e 技术发展史中的里程碑事 件如图1 1 所示。 1 9 9 9 年，就已经制定了z i g b e e 技术的初始的市场需求文档( m a r k e t i n g r e q u i r e m e n td o c u m e n t ，m r d ) 。接着又制定了技术需求文档( t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t d o c u m e n t ，t r d ) ，并于2 0 0 0 年底讨论和通过了v 0 2 版本，然后在2 0 0 1 年初被提交 第一章绪论z i g b e e - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 给i e e e8 0 2 1 5 4t 作组。 2 0 0 0 年底，就已经制定了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的项目授权申请书( p r o j e c t a u t h o r i z a t i o nr e q u e s t s ，p a r ) 并提交到i e e e8 0 2 1 5 4 工作组讨论。然后经过多次反复 评审，i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准终于在2 0 0 3 年5 月获得通过【2 1 。另外，i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 标准也在2 0 0 6 年6 月通过，对前一版进行了改进和修正，增加了几种 新的频率分配，澄清了一些模糊的概念，减少了不必要的复杂性i 羽。但是最新的z i g b e e 协议规范中都还是参考i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 实现的。因此，在后文中如未明确说明， i e e e8 0 2 15 4 均是指i e e e8 0 2 15 4 2 0 0 3 。 勰t r i d 提案i 擎e e e 麓en 爷坨。6 协0 k 芦- f 载t jl 肝l 跌 匿二王z 王翌二二互二巫匦互王互二= 二二z 互墨 圉筝i 雎峨蚴0 6 驴 移 k 歹- 巧蕊露砸豇霸_ _ _ 窭。 i - - - - _ _ - - _ _ - - - _ - _ - _ - j _ - - - - - - _ - - - - - _ _ - - - - _ - - - - _ - - _ - - _ ，_ _ _ - - - _ _ _ _ - _ - _ - - - - _ _ - _ - - - _ “- _ - - _ _ _ l k - - o tt t i， tf 矿 p 点占 审查 8 0 2 也c d 提案 i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 8 0 2 1 5 4 c d 图1 1z i g b e e 技术发展里程碑 2 0 0 1 年8 月，美国h o n e y w e l l 等公司发起成立z i g b e e 联盟，他们提出的z i g b e e 技术被确认纳入为i e e e8 0 2 1 5 4 标准。2 0 0 2 年1 0 月，英国i n v e n s y s 公司，美国摩 托罗拉，荷兰飞利浦和日本三菱等重量级企业加盟z i g b e e 联盟p j 。 2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟通过了z i g b e e 技术规范v i 0 版本。这是第一个z i g b e e 规范公开版本，于2 0 0 5 年6 月开放下载，文件内记载公布时间为2 0 0 5 年6 月2 7 日， 内部文件编号为r 0 6 ，现称为z i g b e e 2 0 0 4 f m 】。 2 0 0 6 年1 0 月，z i g b e e 联盟通过了z i g b e e 2 0 0 6 规范。这是第二个z i g b e e 规范 公开版本，于2 0 0 7 年1 月开放下载，文件内记载公布时间为2 0 0 6 年1 2 月1 日，内 部文件编号为r 1 3 ，现称为z i g b e e 2 0 0 6 f 。 2 0 0 7 年l0 月，z i g b e e 联盟通过了z i g b e e 2 0 0 7 规范。这是第三个z i g b e e 规范 公开版本，也是最新的版本，于2 0 0 8 年1 月开放下载，文件内记载公布时间为2 0 0 8 年1 月1 7 日，内部文件编号为r 1 7 ，现称为z i g b e ep r o 或z i g b e e - 2 0 0 7 l l 2 。 2 ! ! ! 竺! ! 竺堡坚堡塑茎堡墨基些里墨二苎堡竺 z i g b e e 联盟认为目前关于z i g b e e 规范制定的主体工作已经趋近于完成，今后对 于规范本身可能仅仅是执行一些维护和小的修补，预期将不再对z i g b e e 规范进行另 外的更新。接下来z i g b e e 联盟将把大部分精力分配到制定公共应用规范( p u b l i c a p p l i c a t i o np r o f i l e p a p ) 上面。 li2 z i g b e e 应用领域和目标市场 可阻想象这样一种情形：当你需要开灯时，不需要走到墙壁开关处，而直接通过 遥控便可；当你打开电视机时，灯光会自动减弱；当电话铃响起时或你拿起话机准各 打电话时，电视机会自动静音。 休也许认为这是一个梦境，但z i g b e e 技术的出现及应用足以让这一切梦想成真。 韩国第三大移动手持设各制造商c u r i t e lc o m m u n i c a t i o n s 公司也已经开始研铝0 世界上 第一款z i g b e e 手机，该手机将可通过无线的方式将家中或足办公室内的个人电脑、 家用设备和电动开关连接起来。这种手机融入了z i g b e e 技术，能够使手机用户在短 距离内操纵电动开关和摔制其他电子设备【4 】。 1 应用领域 z i g b e e 技术为产品制造商和开发商提供了建立安全可靠、低功耗、具有成本效 益( c o s t - e f f e c t i v e ) 的无线控制产品的能力。这些产品可以满足住宅、商业和工业等领域 的应用需求。z i g b e e 最初的市场包括能源管理和效率、家庭自动化、楼宇自动化和 工业自动化等。经过不断地市场探索，z i g b e e 联盟确定了z i g b e e 技术最新的应用领 域，如图12 所示。 图12 z i g b 比应用领域 从图12 中可以看出，z i g b e e 的应用领域目前主要包括4 个方面：( 1 ) 能源管理 和效率：如先进抄表基础设施( a d v a n c e dm e t e ri n f r a s t r u c t u r e ，a m i ) 、数据采集与监视 溢w 忙叫附 苎二苎苎堡! - e ! 竺：! ! ! ! 堡些塑翌兰里些苎壁堡 控制系统( s “p e n q s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 等；( 2 ) 消费电子产品： 如t v 、v c d 、d v d c d 等的通用遥控器；( 3 1 计算机及外设：如鼠标、键盘、摇杆 等；f 4 1 个人医疗护理：如病人监护、健康监坝i 等。 2 目标市场 z i g b e e 不是用来与蓝牙( b l u e t o o t h ) 或其它己存在的无线技术标准竞争的它主要 用于现存的其它技术都不能满足的特定应用需求的市场，如节点数量巨大的传感器网 络以及自动化应用等。 0 图】3z i g b e e 目标市场 根据z i g b e e 的应用领域，z i g b e e 联盟进一步确立了z i g b e e 技术的目标市场m 1 ， 如图13 所示，主要包括楼宇和家庭自动化控制、能量管理、健康监测、电信应用等 方面。z i g b e e 联盟会针对图l3 中的每个具体应用，分别制定相应的公共应用规范 ( p a p ) i 。队p 中定义了大家公认的在某个应用中必须遵守的一些使用规范或准则。 运行于z i g b e e 设备中的p a p 记录了如何与一个设备进行通信的具体细节。当不同的 厂商实现同一p a p 应用的产品时，p a p 可以保证产品的互操作性和兼容性。这样就 方便了用户对产品的选择，也利于厂商开发通用性的产品，降低生产成本，提供效率 和竞争力。 目前z i g b e e 联盟已经制定完成的p a p 包括p 3 ：针对能源管理应用的z i g b e e 智 能能源p a p ( z i g b e es m a r te n e r g yp a p l 和针对家庭控制应用的z i g b e e 家庭自动化 p a z i g b e eh o m e a u t o m a t i o np a p ) 。 2 0 0 9 年3 月，一个新的基于射频( r f ) 的消费电子远程控制标准化规范z i g b e e r f 4 c ep a p ( z i g b e er a d i of r e q u e n c yf o rc o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 也已经开始制定i l “，目 前仅供联盟成员使用，这将是第一个可对家庭娱乐设备进行创新双向交互与控制的公 共规范。 3 潜在竞争对手 在z i g b e e 联盟确定的应用领域和目标市场中，尚有z - w a v e 、l n s t e o n 与超低功耗 z i g b e e - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用第一章绪论 蓝牙( u l t r a - l o w p o w e rb l u e t o o t h ，u l pb l u e t o o t h ) 等潜在竞争对手【1 6 1 。其中，丹麦公 司z e n s y s 一手所主导成立的z w a v e 联盟1 1 7 】，锁定的技术应用即是家庭自动化。 与相关行业和公司自行提出的的专有技术相比，z i g b e e 技术是架构在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准上，有国际性标准组织的支持【1 6 1 ，所以其应用较广泛。截至2 0 0 9 年3 月，z i g b e e 联盟已经有近3 0 0 家会员厂商的支持。而且为确保各厂商所开发的z i g b e e 协议栈及应用规范能够实现彼此间互相兼容，z i g b e e 联盟还专门制定了z i g b e e 相容 平台与z i g b e e 认证产品的测试规范。 1 2 国内外研究现状 1 2 1z i g b e e 联盟 z i g b e e 联盟是一个由近3 0 0 家成员企业所组成的非 营利性协会，致力于在全球各地推广z i g b e e 技术，使其 能成为应用于家用电器、能源、住宅、商业和工业领域 的领先无线网络连接、传感和控制标准【1 3 】。 截至2 0 0 9 年3 月，根据z i g b e e 联盟官方网站上的数 据显示，z i g b e e 联盟目前有2 9 7 家会员，分为促进者 表1 i 会员等级及费用 会员会员会员费用 级别数量( 美元年) 促进者 1 3 5 0 ，0 0 0 参与者 1 4 5 9 ，5 0 0 采纳者1 3 9 3 ，5 0 0 ( p r o m o t e o 、参与者( p a n i c i p a n t ) 和采纳者( a d o p t e r ) 三个会员等级【1 3 1 扪。其中促进者级别 的会员有1 3 家，包括飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 、华为、飞利浦、三星、西门子、意法半导 体( s d 、施耐德、德州仪器( t i ) 等。 表1 1 、表1 2 、表1 3 分别从会员等级及费用、会员 所处行业、会员地区分布等方面对z i g b e e 联盟会员进行 了归纳。而表1 4 特别针对亚洲太平洋地区的主要联盟 会员进行了详细统计。表中所有数据均取自z i g b e e 联盟 官方网站。需要说明的是，有些z i g b e e 联盟会员( 约3 0 个) 在全球均设有分公司或办事处，并且同时涉足多个行 业，所以在数据的统计过程中，同一会员可能在不同的 统计条件下出现多次。通过分析表中数据可以得出以下 结论： 表1 2 会员行业分布情况 行业会员数量 设计公司 6 5 硬件模块6 7 分销商 8 o e m1 3 0 半导体2 8 工具性软硬件 5 9 能源供应商2 8 z i g b e e 协议栈 2 6 ( 1 ) z i g b e e 技术在美洲的发展最为壮大，其会员占联 盟总会员数的l 2 强，而亚洲太平洋地区和欧洲中东月乍洲地区则各占1 3 左右。 ( 2 ) 联盟会员所从事的行业覆盖广泛，目前已经拥有包括芯片制造商、软件开发 者、系统集成商、终端制造商以及服务提供商等在内的一条完整的产业链，而且这个 第一章绪论 z i g b e e - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 技术联盟还在不断地发展壮大。 ( 3 ) 亚洲太平洋地区的联盟会员主要分布在日本、中国、韩国、印度、澳大利亚 等5 个国家，这几个国家的会员总数之和占该地区会员总数的7 0 ，其中，日本的会 员数量为该地区之最。日本的许多企业十分看好z i g b e e 技术，并于2 0 0 5 年成立了日 本z i g b e e 特别兴趣小组( z i g b e es p e c i a li n t e r e s tg r o u pj a p a n ) 。 ( 4 ) 对于中国来说，中国大陆和香港两地区 的会员数之和才与台湾地区的会员数相当。台湾 也已于2 0 0 3 年1 0 月成立了台湾z i g b e e 特别兴 趣小组。目前，中国大陆地区已经有5 家企业加 入了z i g b e e 联盟，包括：促进者级别的华为技 术有限公司；参与者级别的深圳金勃实业有限公 司；采纳者级别的曼博科技有限公司、锐拔科技 ( 深圳) 有限公司和北京i n f o r s o n 技术有限公司。 当然这些数据是从联盟会员的角度进行统 计的，若统计本地区所有从事z i g b e e 的企业， 而不仅仅是联盟会员，那么统计结果也许会大不 相同。 1 2 2z i g b e e 软硬件 1 z i g b e e 硬件- 表1 3 会员地区分布情况 地区会员数量 美洲 1 6 8 亚洲厂太平洋地区 9 9 欧洲中东非洲1 0 8 表1 4 亚太地区主要会员分布情况 会员会员 地区地区 数量数量 日本2 3中国大陆 5 韩国 1 2 中国香港 3 印度 1 0 中国台湾 8 澳大利亚 7总计6 8 目前，绝大部分的z i g b e e 硬件都是由国外厂商设计和生产的。 早期的z i g b e e 硬件都是微控制器( m i c r o e o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 和i e e e8 0 2 15 4 射频芯片分离的。随着计算机硬件技术的不断发展，出现了系统级芯片 ( s y s t e m o nac h i p ，s o c ) 和系统级封装( s y s t e m i nap a c k a g e ，s i p ) p 9 1 ，即把多个硬件 模块集成到一个单芯片中去。目前，z i g b e e 硬件也发展到了这个阶段，在一个芯片 内部集成了m c u 和射频芯片。这不但降低了z i g b e e 开发者对硬件射频电路的要求， 加速了z i g b e e 系统的开发，同时也对z i g b e e 系统的稳定性、可靠性、芯片体积等方 面带来了积极影响。 目前很多公司都提供s o c s i p 封装的z i g b e e 硬件，其中使用者较多的芯片有： f r e e s c a l e 公司的m c l 3 2 1l ，m c l 3 2 1 2 及m c l 3 2 1 3 ；t i 公司的c c 2 4 3 0 和c c 2 4 3 1 ； e m b e r 公司的e m 2 5 0 和e m 2 6 0 ；j e n n i c 公司的j n 5 1 2 1 和j n 5 1 3 9 等等。 值得注意的是台湾的达盛电子也推出了z i g b e e 射频芯片u z 2 4 0 0 。台湾工研院资 通所也自行研发z i g b e e 平台i t r iz b n o d e l 2 们。另外，成立于2 0 0 7 年的苏州博联科技 6 z i g b - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 第一章绪论 有限公司生产的b e e m o t e 系列产品硬件也全部兼容z i g b e e 标准【2 1 1 。 2 z i g b e e j 交, 在z i g b e e 商业协议栈中，起步较早也最为著名的是f i g u r e8w i r e l e s s ( f 8 w ) 公司 所开发的z s t a c k ，后来它被c h i p c o n 所并购，再后来t i 又并购了c h i p c o n 从此进入 z i g b e e 行业。f r e e s c a l e 也与印度公司m i n d t e c k 合作开发了b e e s t a c k 。美商h e l i c o m m 与s i l i c o nl a b s 研发的i p l i n k ，e m b e r 的e m b e r z n e t ，台湾资策会i i i 的z i g b e ea d v a n c e d p r o t o c o l ，以及印度公司a i r b e e ，日商n e c 、o k i 、r e n e s a s 等也都推出了自主研发或 与其它厂商合作开发的z i g b e e 平台，并且通过了z i g b e e 相容平台的相容性测试【2 0 1 。 另外，宁波中科集成电路设计中心( 中科院计算所宁波分所) 无线通信事业部也对 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层的软件开发进行了研刭捌。 也存在一些公司团体或个人开发的免费的z i g b e e 协议栈，如：t i 提供的二进制 代码级别的z s t a c k 2 3 】；m i c r o c h i p 提供的源代码级别的m p z b e e 2 4 1 ；美国密西西比州 立大学的r o b e r tb r e e s e 教授实现的精简版的m s s t a t el r w p a n 2 5 】等。 1 2 3z i g b e e 在中国 2 0 0 6 年6 月，华为技术有限公司的会员等级从参与者升级为促进者，并以电信 应用规范任务小组( t e l e c o ma p p l i c a t i o np r o f i l et a s kg r o u p ，t ap t g ) 成员的身份参与 到讨论和制定电信应用规范中去。该规范将提供安全移动支付、信息发布、医疗监控、 对等小型数据共享和其他定位服务和功能1 2 6 1 。 e m b e r 与中国自动仪表读取系统方案供应商华立仪表的合作则可看作z i g b e e 在 中国推广和应用的里程碑事件。2 0 0 7 年7 月，华立仪表与江西省供电公司合作，在 鹰潭市启动新型的基于z i g b e e 方式跨台区集中抄表系统创新科研项目。该项目以自 动抄表系统( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，a m r s ) 为核心平台，配套智能化的通 信终端及改进电表，实现了数据自动采集、传输和处理；克服了传统人工抄表模式弊 端，轻松解决了广大中小居民用户的电能量采集和分析难题，并于2 0 0 8 年8 月通过 了省级验收【2 7 1 。 2 0 0 8 年1 2 月，z i g b e e 联盟独家授权吉林市曼博科技有限公司在中国成立z i g b e e 产业园区，曼博科技等9 家公司达成了在吉林高新区共同建设z i g b e e 产业园区的协 谢2 8 1 。 还有一些中国公司，如上海顺舟、成都无线龙、广州蓝科、上海城优等也进行了 z i g b e e 技术的相关研发，但他们主要是与其它z i g b e e 软硬件厂商合作开发一些基于 z i g b e e 的应用和解决方案，对z i g b e e 协议栈的实现研究的并不多。 第一章绪论z i g b e e 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 1 3 本文研究内容与意义 1 3 1 本文研究内容 1 z i g a e e 硬件模块的设计与实现 虽然z i g b e e 芯片集成度的提高一定程度上降低了硬件设计的难度，但由于 z i g b e e 硬件涉及到无线射频电路，对z i g b e e 硬件设计人员有较高的要求，尤其是天 线模块的设计部分。通过设计并实现一个基于m c l 3 2 1 3 的比较通用的z i g b e e 硬件模 块，可方便其它研究人员学习和实践z i g b e e 技术，进一步降低研究z i g b e e 技术的门 槛。同时，通用性的硬件设计也能够使其很容易应用到实际项目中。 2 z i g b e e 协议栈的实现 作为本论文的主体工作，在分析z i g b e e 协议物理层、m a c 层、网络层规范的基 础上，针对自制的z i g b e e 硬件模块实现了一个功能有所裁剪的z i g b e e 一2 0 0 6 协议栈， 并进行了详细的测试。协议栈基于非信标网络，能同时提供a o d v j r ( a dh o c o n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o ri u n i o r ) 路由【2 9 - 3 0 1 和树状层次路由【1 1 1 两种路由方式，分别适 用于分布式和集中式两种控制需求，具有一定的通用性。 3 z i g b e e 在设备监控系统中的应用研究 基于自制的z i g b e e 软硬件平台，给出了一个基于z i g b e e 的车间设备监控系统的 实例，详细阐述了系统结构、功能和低功耗等内容，可通过高端的数据管理中心软件 以图形化的方式监测和控制每个设备。这个实例同时也验证了自制z i g b e e 软硬件平 台的可行性和正确性。 1 3 2 研究意义 z i g b e e 作为当前短距离无线通信技术的研究热点，有着十分广阔的应用前景， 非常值得国内的企业、科研机构以及个人深入学习和研究。但从前面的z i g b e e 联盟 会员组成的分析中可以发现，国内研究z i g b e e 技术的氛围不是很好，也相对缺乏系 统和深入的学习研究资料，还没有出现比较有影响力或实用的协议栈。国内的大部分 企业和科研机构或者在国外厂商的软硬件模块的基础上，进行应用推广和提供解决方 案，或者对协议的某一层次进行了比较深入的研究，但对z i g b e e 协议栈本身的具体 实现研究的并不多。 虽然国外厂商也提供功能强大的商业协议栈，但一般企业都无法承受其购买或授 权费用。另外，也存在一些免费的协议栈，如：m p z b e e 、m s s t a t el r w p a n 和z s t a c k 等。其中，z s t a c k 是以二进制库文件的方式提供给用户使用，不方便用户对z i g b e e 8 z i g b e e - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 第一章绪论 技术的研究和学习；而m p z b e e 和m s s t a t el r w p a n 仅实现了z i g b e e 的一个较小 的子集，如仅支持树状路由等，并且程序结构不够清晰，代码注释不够详细，不利于 用户的进一步学习、研究或改进，并且当进行商业应用时会受到一些版权以及使用费 用等方面的限制。 作者所在实验室从z i g b e e 2 0 0 4 规范开始便对z i g b e e 技术进行了跟踪研究，也 做了一些实际的应用方案，目前也有正在进行中的相关应用项目，已经积累了一定的 技术和应用基础，但z i g b e e 技术本身也在不断地发展。本文一方面是从实验室的技 术跟踪研究和实际应用的角度出发，继续跟进最新的z i g b e e 技术；另一方面也期望 能够为其他z i g b e e 技术研究者提供一个便于学习和研究的软硬件平台，以为促进国 内z i g b e e 技术的蓬勃发展贡献微薄之力。 1 4 论文结构 本文共分为七章，论文结构及各章主要内容如下： 第一章为绪论，给出了本课题的研究背景以及本文的主要研究内容和意义。 第二章为相关技术分析，给出了i e e e8 0 2 1 5 4 标准、z i g b e e 协议规范以及扩频 通信技术的基本知识，总结了几个易混淆的概念。 第三章为z i g b e e 物理层协议的实现，给出了z i g b e e 硬件和实现物理层协议所需 要的基本知识点，详细设计与实现了z i g b e e 硬件，在自制硬件平台上实现了z i g b e e 物理层协议并进行了测试。 第四章为z i g b e em a c 层协议的实现，概述了m a c 层的基本功能和概念以及 m a c 帧结构定义，并在物理层协议的基础上实现了基于非信标网络的z i g b e em a c 层协议。 第五章为z i g b e e 网络层协议的实现，概述了网络层的基本功能和网络层帧结构 组织方式以及常用的路由协议，在m a c 层协议的基础上实现了z i g b e e 网络层协议。 第六章阐述了一个基于z i g b e e 的车间设备监控系统的应用实例，验证了软硬件 平台的可行性和正确性，深入分析了节点低功耗等内容。 第七章对全文进行总结，并就进一步研究的问题进行讨论。 9 第二章相关技术分析 z i g b e e - 2 0 0 6 协议栈的实现及其应用 第二章相关技术分析 本章给出了服务原语的概念和类型，概括了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的内容和特点， 总结了z i g b e e 协议栈各层的功能以及各版本间的差异，并给出了扩频通信的基础知 识，最后总结了几个容易混淆的概念。 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 标准 2 1 1 服务原语简介 1 原语概念 服务原语( s e r v i c ep r i m i t i v e s ) 是指用户和协议实体间的接口。对于第n 层用户来 说，他可以通过服务原语来调用第n 层协议实体所提供的一些服务，而调用过程中 第n 层协议实体也会调用服务原语给第n 层用户返回一些状态信息。 2 原语类型 通常原语可以分为4 种类型【2 】：( 1 ) r e q u e s t ：第n 层用户调用r e q u e s t 原语向第n 层协议实体请求一个服务；( 2 ) i n d i c a t i o n ：第n 层协议实体调用i n d i c a t i