（计算机科学与技术专业论文）基于zigbee的无线嵌入式设备的设计与实现.pdf

基于z i g b e e 的无线嵌入式设备的设计与实现 摘要 随着市场上对于低速率无线个域网应用的需求越来越大，z i g b e e 技 术在近年来得到了快速的发展。z i g b e e 工作于8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 g h z 这三个频段，传输速率2 0 2 5 0 k b d s ，传输距离为1 0 1 0 0 m 。由于其低速率、 低功耗、低成本、近距离的特点，使得z i g b e e 技术可以很好的用于家庭 自动化、工业控制、建筑自动化、医疗护理、无线控制、传感器网络。 z i g b e e 技术的一卜要支持者成立了z i g b e e 联盟，负责推动标准的制定、 z i g b e e 技术的全球推，“、z i g b e e 产品和、f 台的测试和认证。 z i g b e e 协议栈符合o s i 体系结构，共分4 层。下面两层，物理层p h y 和媒介访问控制层m a c 是由i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义的。z i g b e e 规范在 此基础之上构建了网络层n w k 、应用层a p l 以及安全服务s s p 。z i g b e e 规范根据设备所处的角色定义了三种逻辑设备类型：z i g b e e 协调器 ( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 、z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e f ) 和z i g b e e 终端 设备( z i g b e ee n dd e v i c e ) 。 介绍了z i g b e e 技术的特点，包括z i g b e e 设备和z i g b e e 网络，依据 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 规范，分析研究了z i g b e e 协议栈的整体框架 和各层的功能。采用n x pl p c 2 1 0 xa r m 7 t d m i s 处理器和c h i p c o n c c 2 4 2 0r f 芯片，完成了符合z i 邸e e 标准的嵌入式设备的设计。研究分 析了基于p i c 单片机的m i c m c h i pz i g b e e 协议栈软件，对其底层驱动( 包 括数据结构、中断机制、定时机制、处理器与r fi c 的接口等) 进行了 修改，完成了将z i g b e e 协议栈移植到本系统上的工作。 关键词 z i g b e e i e e e 8 0 2 1 5 4协议栈移植l p c 2 1 0 xc c 2 4 2 0 t h ei m p l e m e n i a o no f e m b e d d e dd e v i c eb a s e do n z i g b e ep r o t o c o ls t a c k b e c a u s eo ft h eq u i c l 【l yi n c r e a s i n gm a r k e to fl o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ，z i g b e ei sd e v e l o p i n ga tah i g hs p e e di nr e c e n ty e a r s i ti s s p e c i f i e dt oo p e r a t ei nt h e8 6 8m h z ，9 1 5m h za n d2 4 ( l j zi s mb a n d s i ti sa l o wd a t ar a t e ( 2 0t o2 5 0k b p s ) b e c a u s eo fi t sl o wr a t e ，l o wp o w e rc o n s u m e ， l o wc o s ta n ds h o r tr a n g e ，z i g b e ec a nb eu s e dw e l li nh o m ea 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 yc o n t r o l ，m e d i c a lt r e a t i n gn u r s i n g ，w i r e l e s s c o n t r o la n dw i r e l e s ss e n s o rn e 咐o r k t h es u p p o r t e r so fz i g b e eh a v e e s t a b h s h e dz i g b e ea l l i a n c e i t s r e s p o n s i b l e f b rm a k i n gt h e s t a n d a r d ， p r o m o t i n gt h ez i g b e ep r o t o c o l ，t e s t i n gt h ez i g b e ep m d u c t f o l l o w i n gt h es t a n d a r do p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ( o s i ) r e f e r e n c e m o d e l ，z i g b e e sp r o t o ls t a c ki ss t m c t l l r e di nl a y e r s t h ef i r s tt 、 r ol a y e r s ， p h y s i c a l ( p h y ) a n dm e d i aa c c e s s ( m a c ) ，a r ed e f i n e db yt h ei e e e8 0 2 1 5 4 s t a n d a r d 7 1 1 h el a v e r sa b o v et h e ma r ed e f i n e db vt h ez i g b e ea l l i a n c e t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ez i g b e ep r o t o c o ls t a c kf i r s t ，i n c l u d i n gz i g b e e d e v i c ea n dz i g b e en e t w o r k t h e ni ta n a l y z e dt h ez i g b e es t a c ki nd e t a i lb y z i 口毋e es p e c i f i c a t i o na n di e e e8 0 2 1 5 4s l a n d a r d a f l e rt h a t ，i td e s c r i b e dt h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h ep m t o c o lp o r t i n go ft h ez i g b e ee m b e d d e ds y s t e m b a s e do nn x pl p c 2 1 0 xc p u ( a r m 7 t d m i sc o r e la n dc h i p c o nc c 2 4 1 0 r fi c r e s e a r c h e do nt h em i c r o c h i pz i g b e es t a c kf o rp i cm c u ，m o d i f i e d t h ed r i v e r ( i n c l u d i n gd a t as t m c t u r e ，i n t e r r u p t ，t i m i n ga n di n t e d a c eb e t w e e n m c ua n dr fi c ，e t c 。1a n dp o n e df h ez i 邸e es t a c kt ot h i ss v s t e m k e yw o r d s z i g b e e i e e e 8 0 2 1 5 4 p o r i i n g p r o t o c o ls t a c k l p c 2 1 0 xc c 2 4 2 0 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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 作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，本人承担一切相关责任。 本人签名：赴 同期：鲨1 ：21 堕 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采_ f j 影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵：r 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 熟 j 丑猃同期：丝丑：! ：i ! 北京邮电大学顾十研究生学位论文基于z i g b 的无线嵌入式设备的设计与实现 第一章绪论 1 1 短距离无线通信发展背景 2 0 0 2 年8 月，英国h l v e n s y s 公司、同本三菱公司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞 利浦半导体等公司联合组成了z i g b e e 联盟，目的就是要制定z i g b c e 技术相关标准、 促进z i g b c e 技术在全球范罔内的推广、为z i g b e e 设备提供互操作和一致性测试。目 前，已经有2 0 0 多家公司加入了该联盟。 ：f 二二二习 霎至一 耋s ol 墨引 柏l 翼l 剽 鼍e 二= 要蔓薹型 z i g b e e 技术有着广阔的市场前景。z i g b e e 联盟预言在未来4 - 5 年内，每个家庭 将拥有5 0 个z i g b e c 设备，最后将达到每个家庭1 5 0 个z i g b e e 设备。市场调查公司 g a f t n e rd a t a r e q u e s t 也预测在今后的5 年之中z j g b e e 设备会得到大量应用。 然而，这并非意味着z i g b e e 可以高枕无忧，事实上，目前市场上还存在着其它 类似技术，z i g b e e 技术还需要不断发展才能在这场市场争夺战中获得胜利。 北京邮电大学硕l 研究生学位论文 基于z i g b c c 的无线嵌入武设备的设计j 实现 表1 1 ：几种短距离无线协议比较 z l g b 叫9 0 2 1 5 4 ) 蔷 ( 8 0 二1 5 1 ) m f 8 0 二1 5 3 1 娥； 弗 | f g | h z )2 4 二4 8 3 52 4 - 二4 8 3 53 1 i o 6 啪趣0 堰h z ) 8 358 3j7 5 0 0 l 墒缸 b p s k 。o q p s kd s s s g f s kf h s s b p s k q p s 砭o f 工a lo rd s s s 嫩j ：数j 建 7 ( m b p ) o 1 5 l1 惫t ? 训( m ) 3 0l oi o ，0 i ：( m w ) 5 2 01 0 08 0 1 5 0 ：是，、 c s h a c 越一 瞧! d j t dl ，l 乏 爿l # h 凡+ l4 f ；jr j t 三 j 7 + 托将( 8 儿)l ，菱 z i g b 、蓝牙、u w b 这些标准遵从i e e e 8 0 2 1 5 标准，匝e e 8 0 2 1 5 标准是i e e e 关 于称为w j r e l e s sp e r s o n a la r e an e 觚o r i 【sf w p a n s ) 的短距离无线纠络的协议族。蓝牙运 行在2 4 g h z 的自由频段，z i g b e e 运行在2 4 g h z 自由频段，8 0 0 m h z 以及9 0 0 m h z 自由 频段，而u w b 运行在一个广泛的频率范围内，在现存系统的频率范围下运行。z 谊b e e 和蓝牙包含链路层、m a c 层和更高层次的规范，而u w b 仪仪定义了链路层协议。表 1 1 归纳了z i g b e e ，蓝牙，以及u w b 的丰要特征。 z i g b e e 包含遵从i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的链路层和m a c 层协议，以及更高层协议，涉 及a d - h o c 组网( 网状、星形、或者树形) 和功率控制，以及安全性。z i g b e e 采用p s k 调制以及d s s s 支持高达2 5 0 k b p s 的数据速率。z i g b e e 通常的目标应用要求相对低的数 据速率，低负载以及大规模的网络。功率效率是其要点，其目标是节点依靠单次电池 充电可以工作数月以至数年。 相对于z i g b c c ，蓝牙提供高达1 m b p s 的数据速率，包括三个有保证的低延迟话音 信道，使用g f s k 调制和f h s s 。蓝牙通常使用1 m w 的功率传输，其范围为l o 米，通 过增加功率到1 0 0 | n l w ，范围可以扩展到1 0 0 米。网络由最多八个节点的子网集群构成， 其中一个节点作为主节点，其他节点为从节点。t d 用于信道接入，主节点调整f h 序 列，并同步从节点。当一个节点为多个子网络的部分时可以构成扩展的网络。然而， 由于f h s s 的同步要求，通过这种方法形成大规模的网络是困难的。蓝牙的部分标准 被m e e 正式接受，作为它的8 0 2 1 5 3 标准。 相对z i g b e e 和蓝牙，u w b 有明显的高数据速率，高达1 0 0 m b p s 。它也明显地占用 更多的带宽，并且，为了防止干扰原来的频带用户，它有严格的功率限制。这样，它 仅仅适用短距离范围的室内应用。u w b 仅仅定义了链路层技术，所以，它需要兼容 的m a c 层协议以及高层协议以成为无线网络标准。调制为b p s k 或者q p s k ，而其竞 2 北京邮电大学顾十研究生学位论文 基于z i g b c c 的无线嵌入式设各的设计与实现 争阵营推荐o f d m 或者d s s s 叠加在调制上。i m ，b 很可能成为i e e e 8 0 2 1 5 3 标准的链 路层技术，m e e 8 0 2 1 5 3 标准为支持图像和多媒体应用的无线网络的标准族。 1 2 z j g e 技术背景和发展现状 z i g b 是i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的扩展集，e e 踟2 1 5 4 工作组主要负责制定物 理层及m a c 层的协议，z i g b e e 定义了应用层和安全方面的规范。正式的 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议已于2 0 0 4 年上半年发布，部分公司的芯片和产品也已面市。z i g b e e 技术符合行业标准，它提供了互操作性，使不同厂商之日j 的设备能够进行通信，并为 系统集成商和客户提供灵活的购买选择，还可以降低原始设备，商( 0 e m ) 的成本。 z i g b e e 技术是一种结构简单、低功耗、低数掘速率、低成本和商町靠性的双向 微功率网格式无线接入技术，介于r f l d 和监牙之问的技术提案，此前被称作 “h o m 2 e r f l 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。最重要的是z i g b e e 技术支持地理定位功能，它工作于无需注册的2 4g h zi s m 频段，传输速率为2 5 0k b s ，传输距离可以从标准的7 5 米，到扩展后的几百米，甚至几千米，利用z i g b e e 技 术可由多到6 5 5 3 5 个无线微功率收发机组成一个庞大而有效的无线数传网络平台。 当今，无线通信正在不断改变着人们的生活，并扮演着越来越重要的角色。随着 人们对家庭自动化、办公自动化、医疗护理、工业控制等应用的要求，近距离、低功 耗、低成本、低速率的无线网络迫在眉睫。在这种情况下，z i g b c e 技术适时地出现 并弥补了这一市场空白，出于它很好的满足了这些需求，所以在近年来得到了飞速的 发展。 1 3 本文工作 z i g b c c 技术包括z i g b e e 射频技术、z i g b e e 协议栈、实现互操作的应用配置文件。 本文将主要基于z j g b e e 协议栈进行研究，包括它的规范、功能和实现。并基于 l p c 2 1 0 】【a r m 7 处理器和c c 2 4 2 0r f 芯片实现一套实用的、低成本的且可以灵活扩 展的z i g b 嵌入式系统。 目l j i 可以购买到一些以单片机为核心的z i g b e e 设备方案。为了降低成本，需要 自己设计一套z i g b c c 设备方案。同时目前的方案使用的处理器一般为8 0 5 1 、a v r 或 3 北京邮也大学硕i ：研究生学位论文基十z i g b c c 的无线嵌入式设各的设计 j 实现 p i c 系列8 位单片机，运算和数据处理能力有限。可以实现简单的功能，但对于复杂 的应用和功能的扩展就力不从心了。就需要一套处理器功能强大、裁减灵活的设计方 案。 主要工作如下： 阅读z i g b e e 规范和m e e 8 0 2 1 5 4 标准，对z i g b e e 技术进行概述，包括相关 规范、z i g b e e 技术特点、z i g b e e 设备、z i g b e e 网络，分析z i g b e e 协议栈各 层的功能； 采用l p c 2 1 0 ) 【a r m 7 处理器和c c 2 4 2 0r f 芯片，完成了符合z i g b e e 标准的 嵌入式设备的设计，包括原理图设计、p c b 布线、焊接和调试； 研究分析基于p i c 单片机的m i c r o c h i pz i g b c e 协议栈软件，对其底层驱动( 包 括数据结构、中断机制、定时机制、处理器与r fl c 的接口等) 进行修改， 完成了将z i g b c c 协议栈移植到本系统上的工作。 4 北京邮电丈学颈十研究生学位论文基十z j g b 的无线嵌入式设备的设计与实现 第二章z i g b e e 协议介绍及分析 2 1 z i g b e e 技术相关规范 与z i g b c e 技术有关的规范有两个：m e e 8 0 2 1 5 4 标准和z j g b e e 规范。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是由i e e e 8 0 2 1 5 4 委员会制定，发布于2 0 0 3 年，它定义了用 于低速无线个域网( l r w r a n ) 的物理层和m a c 层。 z i g b e c 规范是由z i g b c e 联盟制定的，于2 0 0 5 年6 月公丌。目前的版本是1 0 。 它在e e 踟2 1 5 4 标准的基础之上，构建了网络层、安全层和应用层。 2 2 z i g b e e 技术特点 z i g b c c 技术的主要特点是近距离、低成本、低功耗、低速率，具体如下： 数据传输率低：最大速率只有2 5 0 k b p s ； 使用三个公共频段：8 6 8 m h z ，9 1 5 m h z 、2 4 g h z ； 低成本：因为协议简单和有限的计算和存储资源，每个芯片只需要大约l 美 元； 传输范围小：大约l o 1 0 0 m ； 时延短：设备激活只需要大约1 5 m s ； 低功耗：这是z i g b c e 设备的一个最大特点，使用普通电池通常可以支撑数 月甚至一两年。 2 3 z i g b e e 设备 z i g b c e 设备至少包括射频芯片、微处理器，前者收发数据，后者存储协议栈和 相关应用并进行处理( 最新的l c 已有将二者结合在一起的) 。z i g b e e 设备通常还需 5 北京邮电人学碰i 二研究生学位论文 肇十z i g b c c 的尤线嵌入式设备的世计0 实现 要包含传感器部件。 每个z i g b c e 设备都有唯一的6 4 位地址，用来和其它设备区别。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种物理设备类型：全功能设备f f d ( f u f u n c t i o n a l d e v i o c ) 和精简功能设备r f d ( r e d u c c df u n c t i 嘶a ld e v i c c ) 。其中f f d 实现了全部功能，而 r f d 只是实现了部分功能。f f d 设备之问可以直接进行通信，r f d 设备只能和f f d 设备进行通信，不能和其它r f d 设备进行通信。 z j g b e e 规范根据设备所处的角色定义了三种逻辑设备类型：z 远b e e 协调器 ( z i g b e ec i 舶r d i n a t o ) 、z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e r ) 和z i g b e e 终端设备( z i g b e e e n dd e v i c c ) 。z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器必须是f f d ，z i g b e e 终端设备口r 能是 f f d ，也可能是r f d 。z j 2 b e e 协调器负责建立和维护网络，在每个网络中有且只有 一个；z i g b e e 路由器是中继节点，可以选路并转发数据；z i g b c e 终端设备功能比较 单一，往往只是发送和接收简单信息。 2 3 ，1 z j g b 协调器 z i g b c e 协调器在运行之i j i 需要配置相关的网络参数和设备参数，供后面使用。 在加电之后，z 瞳b e e 协调器首先应当扫描信道，选择合适的信道和网络标识建立网 络，然后允许其它设备加入网络，到这单z i g b e e 协调器的仞始化工作结束。 进入币常操作状态之后，z i 衄i c c 协调器需要管理网络中的设备，包括处理它们 的加入和离开；z i g b e e 协调器需要处理来自其它设备的绑定请求，为不同设备之白j 的数据转发建立相关绑定信息；它还需要能够处理各种设备和服务查询请求；当然， 它还需要能够发送和接收数据。 2 3 2 z i g b 路由器 z i g b e e 路由器在加电之后，应当加入或者重新加入网络。如果是加入新网络， 它需要扫描信道，选择合适的网络加入；如果是重新加入网络，它需要扫描信道查找 父设备。在加入网络之后，它需要配置路由器相关的属性。 在进入正常操作状态之后，z i g b c c 路由器和z j g b e e 协调工作方式类似。 2 3 3 z i g b 钟终端设备 z i g b c e 终端设备在加电之后首先也应当加入或者重加入网络。 6 北京邮电大学预l 二研究生学位论文 基于z i g b 的无线嵌入式设各的设计与实现 在进入正常操作状态之后，z i g b 终端设备往往只是简单的发送和接收数据， 它们并不处理网络管理等功能，大多数时间都处于休眠状态。 2 4 z j g b e e 网络 每个z i g b e e 网络都有一个标识符，用来和其它z i g b c e 网络进行区分，该标识符 是由z i g b c e 协调器在建立网络时确定的。当设备加入网络时会分配一个1 6 位的网络 地址，以后该设备就用这个网络地址和其它设备进行通信。z i g b 网络中最多可以 捌有6 5 5 3 5 个设备。 z i g b e e 网络支持星形( s t a r ) 、树形( t r e e ) 和网状( m e s h ) 拓扑结构。 星形网络是一个单跳网络，包括一个z i g b e e 协调器和多个z i g b e e 终端设备， 所有的z i g b e e 终端设备鄙只和z i g b e e 协调器进行通信。如果某个z j g b e e 终端设备要和另外一个z j 邸e c 终端设备进行通信，那么它需要将数据先发 送到z i g b c c 协调器，然后再由该z i g b e e 协调器将数据发送到目的z i g b c e 终端设备。 图2 1 ：星形网络( 摘自【6 1 ) 树形网络是一个多跳网络，除了z j g b e e 协调器和z i g b e c 终端设备之外，还 包括z i g b e e 路由器。此时z i g b c e 终端设备不仅可以关联z i g b e e 协调器加入 网络，还可以关联z i g b e e 路由器加入网络，因而z i g b e e 路由器扩大了网络 的覆盖范围。在树形网络中所有数据必须按照加入网络时所形成的树形结构 进行路由选择。 7 北京邮电大学颂i ：研究生学位论文 基十z j g b e c 的无线嵌入式设备的设计，实现 图2 - 2 ：树形网络( 摘自【6 1 ) 网状网络也是一个多跳网络，它和树形网络的区别在于z i g b e e 路由器之间 或者z i g b e e 路由器与z i g b c e 协调器之问可以直接建立通信关系( 这两个设 备需要在对方的覆盖范围内) ，而没必要按照加入时形成的树形结构进行选 路，因此可以有效地降低通信时延，同时增强网络的可靠性，不过也增加了 网络的复杂度，并对这些设备提出了更高的存储和计算能力的要求。 2 5 z i g b e e 协议 图：网状网络( 摘自1 6 】) 8 北京邮电大学硕上研究生学位论文 基于z i g b 的无线嵌入式设备的设计与实现 誉一一一璺淤卿w m 。寰，b i ； 渤 纛栅l e 融懑羹 婶p k a n 趣泌i 眺 南五三 i 渤酣蝴 o 姆牲 l 毒，缝 “! ：神r 一簟b ；穗 & 舔磷严一星! 蟊碜”一一。，j 器爵碜 固p h e 钿赠s l l b 鳓# ( 躺 疆一_ 嚣瑟篡 k 荽裳彝“ 、篆纛1 s k 埘；4 瓣黼鼬 t 哆“嫩赫嫩n x ；b v 错 ，、薯 r 墨茹瞄：3 扎鬻。圜f 厂磊飞f 磊矗 k 掩键妊畦纾l m b 憾 一一7 c 巫习匪巫口 图2 _ 4 ：z i g b c e 协议栈结构( 摘自【5 】) 如图2 4 ，z i 2 b e e 协议栈符合o s i 体系结构，共分4 层。每层功能通过两个实体 实现：数据实体和管理实体，其中数据实体实现数据传输功能，管理实体提供其它功 能，并通过s a p ( 服务访问点) 为上层提供服务，每个s a p 都支持一些原语。 在这四层中，下面两层，物理层p r y 和媒介访河控制层m a c 是由i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义的。z i g b e e 规范在此基础之上构建了网络层n w k 、应用层a p l 以及安全 服务s s p 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三个物理频段：8 6 8 m h z ，9 1 5 m h z ，2 4 g h z 。其中只有2 4 g h z 频段是全球通用的。 m a c 层通过c s m a c a 机制控制对无线信道的多路访问。这一层的主要任务是 进行信标传输、同步以及提供可靠的点对点通信。 n w k 层提供建立、加入和离开网络，进行选路转发数据的功能。此外，还要负 责路由表和邻接表的维护。 a p l 层包括a p s 子层，应用框架( a f ) ，z d o 以及应用对象。a p s 子层负责维 9 北京邮i 乜人学硕l ：研究生学位论文 摹十z i g b c c 的无线嵌入式垃备的设计实现 护邦定表并且在邦定设备之问转发数据。z d o 负责初始化协议栈并且响应来自应用 对象的各种请求。 2 5 1 唧层 p h y 层位于整个z i g b e e 协议栈的最下层，功能比较简单，主要通过r fi c 完成。 2 5 1 1 频段和信道 p h y 层共有三个操作频段，各频段速率和调制方式如表2 1 所示： 表2 1 ：p h y 层频段 r 酣 f 件吨q n y p i t j d h ；p 村a m ”l d j np j l 4 m e l b a n d f m h i ( h 啦f a l b “，a 轧坩b o il3 l m 辩 l 树口b t 摊nv 埔蜘k i k “i p i i k b t k “m b o ie i 孙s0 l ，s $ s l s6 8 p k： 8 、 ，一q ：s。o8 p s xj h8 嘴y 0：4 0 * ：4 s j5二0o o p 蔑：j 0裁：6 - 0 ： t o f # 越 在这些频段上总共划分了2 7 个信道。8 6 8 m h z 频段上只有一个信道，编号为0 ； 9 1 5 m h z 频段上有1 0 个信道，编号为1 1 0 ；2 4 g h z 频段上有1 6 个信道，编号为1 1 2 6 。 2 5 1 2 啪u 格式 表2 2 ：p p d u 格式 o c 扣t i ：4l l r a n a p 惮a 出b l es f d f ek 日n h：r e * n 矧p s d u 订b l 瞄( 1 雠 s h rp h r p h y p a v k a d 其中前导符( p r c a m b l e ) 用于进行同步，s f d 表示分组的丌始。 1 0 北京邮屯人学颈卜研究生学位论文 基于z i g b 的光线嵌入式设备的设计与实现 2 5 1 3 唧层功能 p h y 层主要有以下功能： 选择信道：由于p h y 层定义了多个信道，但是实际上在某个具体时刻只能 在一个信道上进行操作，例如进行收发数据。所以在进行具体操作之前必须 先选择信道，这是自u 提。 改变收发器的状念：这表现为两方面。一是在没有操作时，为了节省功耗， 应当关闭收发器；二是收发器不可能同时接收和发送数据，因此在发送数据 前应改为发送状态，在接收之前应改为接收状态。 收发数据：这是p h y 层最主要的功能，通过射频收发数据。 收集信道的相关信息：包括检测信道是否空闲，信道的能量干扰情况，信道 上接收到的分组质量。 2 5 1 4 唧层接口 从图2 _ 4 可以看出，p h y 层通过p d s a p 和p l m e - s a p 为上层提供功能接口， 除了数据收发是通过p d s a p 进行访问，其它功能都是通过p l m e s a p 访问。 2 5 1 5 p h y 层应用 所有z i g b e e 芯片都会完整的实现i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中的p h y 层功能，例如 c h i p c o nc c 2 4 2 0 、m c l 3 1 9 2 。很多基于z i g b e e 的应用解决方案其实足指使用z i g b e e 芯片，而并不包含完整的z i 邸e e 协议栈。如果我们不需要组建网络，而且信号的干 扰不强，设备距离很近时，只使用该层的功能就可以在很容易的在两个设备之间进行 非常简单的无线传输。 不过如果要使用z i g b e e 芯片，但是不使用z i g b e e 协议栈，实现较为复杂的应用， 那么需要自己定义通信协议，这样的解决方案不具备互操作性。 2 5 2 m a c 层 m a c 层实现了点对点设备之间的可靠数据传输机制，但与其它协议栈的m a c 层不同之处在于，它还定义了星形网络拓扑和点对点网络拓扑，并对建立这些网络提 供了基础支持。 北京邮l u 人学顾l ：研究生学位论文基十z i g b 的无线嵌入式i 5 备的傲计1 i 实现 2 5 2 1 信道访问机制 m a c 层的网络根据网络中设备访问信道的方式可以分为两类：信标网络 ( b c a c o n e n a b i e dn e 铆o f k ) 和无信标网络( n o n b c a c o nn e 铆o r k ) 。信标网络是指网 络中某些主控设备( 如z i g b e e 协调器) 会周期性的广播一种特殊帧，我们称之为信 标，这种帧规定了其它设备应该在什么时候访问信道，其它设备在接收到信标之后需 要按照信标中的说明在指定时问段访问信标。而无信标网络就是指网络中没有设备周 期性的发送这种信标帧，即主控设备不会对信道时问进行划分，所有设备只要检测到 信道空闲就可以发送数据。 具体访问信道时，信标网络中的设备会采用不检测直接发送或有时隙的 c s m a c a 机制；而无信标网络中的设备会采用无时隙的c s m a c a 机制。 下面的介绍和分析都是针对于无信标网络的，信标网络将在第5 部分详细说明。 2 5 2 2 m a c 层帧格式 表2 - 3 ：m a c 层帧格式 o c t p l ：2lo2o2302028、a r i a b l e2 i k ”i l 曲t l o n d e n 研n o n f r a h 鹭 涨 a d 缸 吣 a d 士 f l m l ” i c l a 迁；亡f i d a m 雠r f c s c o m l l u l l t 山盯 p a y l o a d a d d 托 矗l g 矗亡l 如 m a c r 、鲰 p a y l o a d m a c 层定义了四种帧类型：数据帧、命令帧、应答帧和信标帧( 在f r a m ec o n t f o l 中的f r a m et y p e 栏位标记) 。 数据帧：上层交换的数据会形成数据帧。 命令帧：这些帧是由m a c 层自身产生的，用于维护其它功能，例如关联、 分离、数据请求。 应答帧：用于对数据帧和命令帧进行响应，保证传输的可靠性。 信标帧：用于同步网络，在第5 部分介绍。 北京邮电大学硕：研究生学位论文 基于z i g b 的无线嵌入式设备的设计与实现 2 5 2 3 m a c 层功能 m a c 层包括数据收发、信道扫描、关联分离、数据请求、信标同步、g t s 管理 和安全管理。其中信道扫描、关联分离与上层有着紧密的联系。信标同步、g t s 管 理将在第5 部分介绍。安全管理将不作论述，请参考i e e e 8 0 2 1 5 4 标斛4 1 和论文 m e e 8 0 2 1 5 4 的安全性考虑l 训。 2 5 2 3 l 信道扫描 信道扫描可以分为两类：一是进行能量扫描( e n e r g ys c a n ) ；二是进行设备扫描。 p h y 层可以对当前信道在当的时刻进行能量检测，m a c 层的能量扫描对该功能 进行了增强，它利用p h y 层的信道切换和能量检测功能，对一系列信道持续 j 描一 段时i 日j ，从而得出各个信道i = 的能量状况。该功能只有f f d 设备才必须具有。 设备扫描町以发现周围的z i g b c c 协调器或者z i g b c e 路由器，为以后加入网络做 好准备。具体又可以分为3 类：主动扫描( a c t i v es c a n ) 、被动扫描( p a s s i v es c a n ) 和孤儿扫描( o r p h 觚s c 柚) 。主动扫描和被动扫描用来发现周围所有的z i g b e e 协调 器和z i g b e e 路由器，但主动扫描效果更好。孤儿扫描只用来发现特定的某个z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器。所有设备都应具有被动扫描和孤儿扫描的能力，f f d 必须 具有主动扫描的能力。 2 5 2 3 2 关联和分离 关联( a s s o c i a t i o n ) 和分离( d i s a s s o c j a t i o n ) 其实就是我们通常所说的加入网络 和离丌网络的核心。关联是一个设备和另一个设备建立父子关系的过程；而解除就是 父子设备解除父子关系的过程。不过，由于m a c 层只考虑到单跳情况，这单定义的 关联和分离比较简单，缺乏保障，例如它没有描述如果一个请求分离的子设备自己有 子设备，那么它该如何处理。因此，网络层实现的加入和离开网络将在m a c 层提供 的关联和分离功能的基础之上提供这些保障机制。 关联和分离的具体过程都很简单，就是子设备向父设备发送相关的命令帧，父设 备在进行处理后给予合适的响应。 北京邮l u 人学硕i ：研究生学位论文 基十z i g b c c 的尤线嵌入式i 5 备的设计实现 2 5 2 3 3 数据收发 在数据收发时，尽量采用1 6 位网络地址，只有在不得已时，例如还未加入网络 时向z i g b e c 协调器或z i g b e e 路由器发送关联请求命令，才用6 4 位l e e e 地址。 为了保证j 下确可靠的数据传输，m a c 层在传输时主要采用了3 种机制：应答机 制、校验和、问接传输( 1 n d i r e c c l f a 鸺m i 豁i o n ) 。 应答机制：在发送帧时该机制是可选的，具体过程如下：源设备向目标设备 发送帧之后，在一段时间内等待应答帧，如果接收到j 下确应答帧，则表示发 送成功；如果在这段时间内没有接收到应答帧，那么需要重发。如果重发达 到一定次数仍旧没有得到应答，那么认为传输失败。 校验和：校验和为1 6 位，源设备再发送前计算并加在帧的尾端，目标设备 在接收到之后重新计算检验该值的币确性。如果想符则接收，否则丢弃。 捌接传输：在z i g b e e 网络中很多设备为了节省功耗，它们的接收器在大多 数时日j 都是关闭的。如果盲目向这些设备发送消息，这些设备根本接收不到。 因此当向这些r f d 设备发送数据时，需要采用一种称之为问接传输的机制。 在这种机制下，源设备并不直接发送数据，而足将数据存放在缓冲区中；当 目标设备从睡眠模式中苏醒过来时，需要向源设备请求数据，并将它的接收 器打开，然后源设备才会将这些数据发送给目标设备。 无线网络中往往会接收到很多的无用数据，所以m a c 层在接收数据时需要进行 必要的过滤。m a c 层在接收到帧之后，如果该帧不是同一个网络之内的或者该帧的 目标地址与该设备不一致( 广播除外) ，会丢弃这个帧。 2 5 2 4 m a c 层接口 从图2 4 可以看出，m a c 层通过m l d e s a p 和m l m e 刚心为上层提供功能接 口。m l d e & 廿提供了数据收发接口，m l m e s a p 则实现了其它接口。 2 5 2 5 m a c 层应用 m a c 层部分功能通过硬件实现，例如c h i p c o nc c 2 4 2 0 可以对接收到的数据进行 自动应答，可以过滤掉其它网络中的数据；而管理功能则常常用软件在单片机上实现。 由于m a c 层不仅提供了可靠的点对点数据传输，提供了一定的安全性，而且还 可以方便的建立星形网络。所以如果应用不需要多跳网络和路由，那么就可以在这一 1 4 北京邮电人学硕上研究生学位论文 基于z i g b 的无线嵌入式设备的设计实现 层之上直接建立。在具体使用时通常要注意以下问题： 尽量使用应答机制：因为这有助于保证数据传输的可靠性：而且应答帧很小， 只有5 个字节，在接收到帧之后直接发送，由于开销很小，所以不需要采用 c s m a c a 。事实上，m a c 层的所有非广播的命令帧都要求采用这一机制， z i g b e e 规范在n w k 层使用m a c 层数据服务时，也要求使用应答机制。 合理选择信标：是否选择信标网络是一个需要权衡的问题，虽然信标有助于 同步网络中的各种设备，从而在它们之间更好的通信，但是它会增加管理的 复杂性，而且z i g b e e 终端设备在接收信标时也会消耗能量。 加强关联和分离机制：m a c 层网络管理功能太过简单，应当进行加强。 尽量使用1 6 位短地址：这有助于减少数据量。 2 5 3 n w k 层 n w k 层在m a c 层基础之上，构建了多跳网络，提供了建立网络、加入网络、 离开网络等网络维护相关的功能，实现了按需路由发现，从而可以在网络中任意设备 之间进行数据传输。 2 5 3 1 n w k 层帧类型 n w k 层有两种帧类型：数据帧和命令帧。 数据帧：由上层要求发送的数据在添加了n w k 层报头之后形成。 命令帧：用于维护网络层的管理功能，包括路由发现和维护、离j f 网络。 2 5 - 3 2 网络维护 n w k 层利用m a c 层的信道扫描和关联分离功能，考虑到多种情况，建立了比 较完善的网络机制，包括建立网络、加入网络、离开网络，还描述了网络地址分配机 制。 2 5 3 2 1 建立网络 只有z i g b 协调器具有建立网络的能力。所谓建立网络，其实就是选择所操作 的信道和网络标识符，然后进行一些初始化工作，包括设置自己的网络地址为 0 x o o o o ，如果希望建立信标网络还需要配置超帧结构。 北京邮i 乜人学颂i ：研究生学位论文 摹十z i g b 的无线嵌入式设备的设计0 实现 选择信道；通过使用m a c 层的信道扫描检测各个信道的能量状况，然后从 中选择能量干扰可以