毕业论文-ZigBee智能照明设备控制系统设计.doc

二二 一四届一四届 毕毕 业业 设设 计计 ZigBee 的智能照明设备控制系统设计的智能照明设备控制系统设计 学学 院：电子与控制工程院：电子与控制工程 专专 业：自动化业：自动化 姓姓 完成时间：完成时间：2014 年年 6 月月 11 日日 二二一四年六月一四年六月 I 摘要 随着物联网技术的发展和人们对物质生活水平的要求的不断提高，人们对 生活的安全、舒适、便捷等方面的要求也越来越高。不仅需要有照明的作用， 还应具有能够满足视觉审美和表现环境氛围的功能。具备节能，光照效果好， 并且可以随心所欲控制的照明设备，成为人们日益追求的照明对象。而传统的 照明设备只能实现照明设备的简单开关控制。因此，本课题根据当今市场需求 以及人们生活的实际需要，设计了一种基于 ZigBee 技术的智能照明设备远程控 制系统。其不仅实现了远程控制本地的照明设备开关控制，还实现灯光色彩的 改变和亮度的调节。此项系统可以适用于日常家居生活，还应用于舞台、 KTV、酒店等场所的灯光控制。 论文首先分析研究了 ZigBee 技术以及照明设备控制系统的发展现状，分析 了 ZigBee 无线技术以及其通信协议，选择运用 ZigBee 技术实现智能照明设备 控制系统的无线网络部分。其次根据人们的需求和市场发展需要提出了系统设 计原则并根据此设计了系统总体框架。依据总体架构设计了系统硬件总体方案。 然后进一步分析了 ZigBee 技术的通信协议，介绍了 ZigBee 协议栈、 ZigBee 网络拓扑结构，进行了系统嵌入式软件的研究和设计，实现了系统无线 网络通信、串口通信以及照明设备开关控制、色彩改变、亮度调节等功能。最 后对整个系统的功能进行了测试，测试结果达到了系统设计目标。 关键词：ZigBee 无线通信；照明设备远程控制系统；CC2530 嵌入式控制 II ABSTRACT Along with the development of internet technology and the requirement of people to the material life level unceasing enhancement, people living on the safety, comfort, convenience and other requirements are also getting higher and higher. The system not only has the function of lighting, but also has to meet the visual aesthetic and expressive function of environmental atmosphere. People increasingly pursue have the advantages of energy saving, light effect is good, and can control the lighting equipment. But the traditional lighting equipment can only achieve a simple switch lighting control. Therefore, this topic according to the market demand and the actual needs of human life, designed a kind of intelligent lighting remote control system based on ZigBee technology. It not only realizes the lighting switch remote control local control, also realizes the light the change of color and brightness. This system can be applied to daily life, light control is also applied to the stage, KTV, hotels and other places. Firstly, research on ZigBee technology and the development status of lighting control system, analysis of ZigBee wireless technology and the communication protocol, wireless network selection control system of intelligent lighting device using ZigBee Technology. Secondly, according to the needs of peoples needs and market development put forward the design principle of the system and the overall framework of the system design. On the basis of the overall architecture design of the overall scheme of the system hardware. Then further analysis of the communication protocol of ZigBee technology, the ZigBee protocol stack, ZigBee network topology structure, the research and design of embedded software system, implement the system of wireless network communication, serial port communication and lighting switch control, color change, brightness adjustment and other functions. Finally, the function of entire system was tested and testing result show that this system reached the anticipation of system design. III Key words: ZigBee wireless communication;The remote control system of lighting apparatus; CC2530 embedded control IV 目录 第一章 绪论.2 1.1 课题研究背景和研究意义 .2 1.2 ZIGBEE技术概述 .2 1.3 照明设备控制系统的发展及研究现状 .2 1.4 ZIGBEE的起源与发展 .4 1.5 本章小结 .6 第二章 物联网相关通信技术的原理.7 2.1 ZIGBEE无线技术 .7 2.2 软件开发环境 .15 2.3 本章小结.15 第三章 智能照明设备控制系统设计.16 3.1 系统总体设计思想 .16 3.2 系统工作过程.17 3.3 应用技术分析.17 3.4 本章小结.19 第四章 智能照明设备控制系统嵌入式软件设计.20 4.1 嵌入式软件流程设计 .20 4.2 通信模块软件设计与实现.23 4.3 照明设备控制功能实现.28 4.4 本章小结.30 第五章 智能照明设备控制系统测试.32 5.1 系统嵌入式软件测试.32 5.2 照明设备控制.32 5.3 本章小结.35 第六章 总结与展望.36 6.1 总结.36 6.2 展望.36 参考文献.38 致谢.40 第 2 页 共 46 页 第一章 绪论 1.1 课题研究背景和研究意义 随着科技的飞速发展与人们生活水平的不断提高，人们的生活节奏、思想 观念都发生了很大的改变。在现代家居生活中越来越多的人都意识到，照明设 备除了需要有照明的功能以外，还应该满足视觉审美和表现环境氛围等要求。 同时，在娱乐场所、晚会中照明设备控制起重要的作用，担任着重要角色。具 有节能、使用寿命长、灯光效果好，可以随心控制，满足不同环境需求的照明 设备，比如：在居家生活中，可以为小孩夜晚睡觉提供有助睡眠的柔和灯光， 为夜晚工作提供让人清醒的光线等；各种娱乐场中所的彩灯变换、酒店依据环 境和氛围提供不同的灯光效果等的照明设备成为人们日益追求的对象。而传统 的照明设备控制系统只能用于实现照明设备的简单开关控制，或功能相对可以 但体积庞大、不易安装使用，很难满足人们的不同需求。可见，便捷的智能化 照明设备控制系统的研究和设计具有重大而深远的意义1。因此，本课题根据 当今市场的需求以及人们生活的实际需要，在家居环境下，设计了一种基于 ZigBee 技术的智能照明设备控制系统，该系统不仅可以实现局域网内的照明设 备开关控制，还能实现照明设备色彩的改变以及亮度的调节，并且可以远程进 行控制。本系统虽在特定环境下开发，但其不仅适合于日常家居生活，还可以 很好的应用于舞台、KTV、酒店等场所的灯光控制。这很好的满足了当今市场 的需求，能够提高人们的生活效率和生活质量。 1.2 ZigBee 技术概述 ZigBee 技术是一种新兴的无线 网络通信技术。以其低成本，很好的填补 了近距离、低功率的无线通信市场空缺。应用该技术，可以建立一个成本低、 通信距离短、长电池使用寿命、具有可靠数据传输、易于安装的无线网络，被 广泛应用于如军事、环保、医疗、工业、家居等领域3-4。 1.3 照明设备控制系统的发展及研究现状 照明设备控制系统最初采用的是手动控制方式，通过在照明回路中安置开 关等元件来达到开关照明设备目的，完全依赖于人工手动控制，操作不便，管 理效率低。后来研究人员将数字控制技术应用到了照明系统，利用声光电等形 第 3 页 共 46 页 式短距离的遥控，该方式虽然比手动有了很大的提高，解决了管理低效的弊端， 但无法实现网络化。随着网络化技术以及电子技术的飞速发展，智能控制才慢 慢走近我们的生活，照明系统通过处理、分析传感器所采集的信息结合用户指 令实现不同的功能，与之前的系统相比有了很大的提高，且智能照明监控系统 在国内外都有很好的发展，并日益被广泛应用于工业以及日常生活中5。 智能化照明设备控制系统主要是伴随着通信科技的发展由原来有线监控逐 步向无线监控迈进的。起初，系统主要采用有线协议，如：RS-485 通讯标准， EIB（EuropeanInstallation Bus）协议，C.Bus，LONWORKS 协议，X-10 协议 等。其中典型的串行通讯标准RS-485，最长传输距离可达 1200 米，最大 通信速率可达 100Mbps，完全满足小型照明系统智能控制的要求6。但该协议 只支持主从结构而不支持其他网络结构，仅适用于简单的照明设备控制系统， 不能和其他系统进行合并或者在原有系统上进行升级。而且 RS-485 协议只有 MAC 层标准，很难基于该协议互联不同厂家的设备。EIB 协议是电气布线领 域使用范围最广的行业规范和产品标准，其在欧洲是占主导地位的楼宇自动化 标准，并于 2007 年正式成为中国国标 GB/Z20965-2007。基于该协议的网络可 以进行点对点的通信，其总线采用的是四芯屏蔽双绞线，两芯使用，两芯备用。 网络的容纳性大，最多可以容纳 65025 个节点。但是，从组网方式和成本看， EIB 技术属于电缆铺设，只有线型、树型或星型，硬件成本高，通信时组网方 式不灵活。不适合一般家庭日常生活或者居民楼宇的智能照明设备控制。 C.Bus，是澳大利亚在 90 年代初制定的，以非屏蔽双绞线作为总线载体，被广 泛应用于建筑物内照明、空调、火灾探测、出入口、安防等系统的综合控制与 综合智能化控制系统。C.Bus 系统的核心由主控制器和总线连接器组成，系统 运行无需计算机的协助，只是主控制器的程序需要由计算机编程后通过 RS-232 标准接口下载。但该系统的协议只能支持厂家自家生产的产品，兼容性差，扩 展性发展有很多限制。LONWORKS 协议，即现场总线，它可以充分利用互联 网资源来完成远程控制。控制系统通过该协议数字化的通信，可以方便可靠地 控制现场设备，被广泛应用于需集中处理、分布较广的照明设备控制，如：商 场、写字楼等区域。但是该系统成本也是相对较高，硬件设备复杂，不适宜于 家庭或者居民楼的照明设备控制。X-10 协议，是以电力线为传播媒介来对电子 第 4 页 共 46 页 设备进行远程控制的通信协议，其中电力线既提供电源又传送信号，极大的简 化了系统网络结构，降低了使用成本。现该协议已广泛应用于家庭安全监控、 家用电器控制和住宅仪表数字读取等。X-10 系统由发送控制盒及由多个不同编 码以示区别的接受控制组件构成。X-10 技术虽在家庭自动化中得到了广泛的应 用，但电力线抗干扰性很差、传输速度也不理想、系统安装属于有线安装，需 要在房子建设时预先做出准备工作等种种因素导致有限的控制系统在我国发展 前景并不乐观。 后来，随着无线技术的飞速发展，出现了 ZigBee Light Link 协议，一种可 以统一规范 LED 无线控制的标准。该协议是 ZigBee 协议的一种实例化的应 用。应用 ZigBee Light Link 可以将家居生活中或者商场等处的高效节能照明设 备、LED 灯具、传感器、定时器、遥控器等在简单的安装后通过无线进行互联， 用户凭借联网电脑、平板电脑、智能手机等进行远程的照明控制。由于该协议 是 ZigBee 协议的实例化，延续了 ZigBee 协议的许多优点，比如：该网络组 网方式多样，可以自由的在网络中增添额外的照明设备；无线传输；安装方便 等。Atmel，Ember，Osram，飞利浦以及德州仪器的产品都已经通过标准测试 组织 TRaCGlobal 的承认。飞利浦公司还在该协议的基础上研制了 Hue 智能 照明系统，该系统的终端通过内置的三源 LED 照明设备（包括绿、红、蓝的 混合）以 不同色彩比例的混合，可为照明设备提供超过 1600 万种颜色变化。使得照明 设备的显示效果更好，且更加节能，Hue 电照明设备仅需 8.5W 即可达到传统 50W 电照明设备所能提供的亮度。但是 Hue 电照明设备的控制软件多为苹果 公司特制，一套最普通的照明设备的价格在 199 美元，一般家庭很难接受。所 基于的 ZigBee Light Link 协议虽然继承了 ZigBee 协议的很多优点，但是毕竟 属于实例化的协议，在应用上有很大的限制，很难在此协议上加入其它的家电 设备进行控制，且该协议需要获得许可才可使用，目前基于该协议的硬件还比 较的少。 1.4 ZigBee 的起源与发展 ZigBee，在中国被译为“紫蜂”，它与蓝牙相类似。是一种新兴的短距离无 线技术。用于传感控制应用。 第 5 页 共 46 页 此想法在 IEEE 802.15 工作组中提出，于是成立了 TG4 工作组，并制定规 范 IEEE 802.15.4 。 2002 年 8 月，ZigBee Alliance 成立。 2004 年，ZigBee V1.0 诞生。它是 ZigBee 的第一个规范。但由于推出仓促， 存在一些错误。 2006 年，推出 ZigBee 2006，比较完善。 2007 年底，ZigBee PRO 推出。 2009 年 3 月，ZigBee RF4CE 推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。 2009 年开始，ZigBee 采用了 IETF 的 IPv6/6Lowpan 标准作为新一代智能电 网 Smart Energy(SEP 2.0)的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的 网络，实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的建设，ZigBee 将逐 渐被 IPv6/6Lowpan 标准取代。 ZigBee 的底层技术基于 IEEE 802.15.4。物理层 和 MAC 层直接引用了 IEEE 802.15.4在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点， 但仍存在许多缺陷。对工业，家庭 自动化控制 和工业遥测遥控领域而言，蓝 牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无 线数据通信 的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须 是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力， ZigBee 协议在 2003 年正式问世。另外，Zigbee 使用了在它之前所研究过的面 向家庭网络的通信协议 Home RF Lite。 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。 自从 Bluetooth 出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀 跃不已，但是 Bluetooth 的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。 如今，这些业者都参加了 IEEE802.15.4 小组，负责制定 ZigBee 的物理层和媒体 介质访问层。IEEE802.15.4 规范是一种经济、高效、低数据速率（250kbps） 、 工作在 2.4GHz 和 868/928MHz 的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是 ZigBee 应用层和网络层协议的基础。ZigBee 是一种新兴的近距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和 蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据 802.15.4 标准，在数 第 6 页 共 46 页 千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以 接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的 通信效率非常高。 互联网标准化组织 IETF 也看到了无线传感器网络（或者物联网）的广泛应 用前景，也加入到相应的标准化制定中。以前许多标准化组织和研究者认为 IP 技术过于复杂，不适合低功耗、资源受限的无线传感器网络，因此都是采用非 IP 技术。在实际应用中，如 Zigbee 需要接入互联网时需要复杂的应用层网关， 也不能实现端到端的数据传输和控制。与此同时，与 Zigbee 类似的标准还有 z- wave、ANT、Enocean 等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展。IETF 和许 多研究者发现了存在的这些问题，尤其是 Cisco 的工程师基于开源的 uIP 协议 实现了轻量级的 IPv6 协议，证明了 IPv6 不仅可以运行在低功耗资源受限的设 备上，而且，比 zigbee 更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于 IPv6 的无 线传感器网络技术得到了迅速发展。 目前 IETF 已经完成了核心的标准规范， 包括 IPv6 数据报文和帧头压缩规范 6Lowpan 、面向低功耗、低速率、链路动 态变化的无线网络路由协议 RPL 、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准 CoAP ，相关的标准规范已经发布。目前 IETF 组织成立了 IPSO 联盟，推动该 标准的应用，并发布了一些列白皮书。IPv6/6Lowpan 目前已经成为许多其它标 准的核心，包括智能电网 zigbee SEP2.0、工业控制标准 ISA100.11a、有源 RFID ISO1800-7.4（DASH）等。IPv6/6Lowpan 具有诸多优势：可以运行在多 种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi 和以太网，有利于实现统一通信； IPv6 可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan 中采用 RPL 路由 协议，路由器可以休眠，也可以采用电池供电，应用范围广，而 zigbee 技术路 由器不能休眠，应用领域受到限制。 目前 6Lowpan 标准已经得到大量开源软 件实现，最著名的是 Contiki 、TinyOS 系统，已经实现完整的协议栈，全部开 源，完全免费，已经在许多产品中得到应用。IPv6/6Lowpan 协议将随着无线传 感器网络以及物联网的广泛应用，很可能成为该领域的事实标准。 1.5 本章小结 本章简要概述了智能照明控制系统的研究背影与研究意义，其次介绍了 ZigBee 技术、照明设备控制系统的研究现状，最后对 ZigBee 技术的起源与发 第 7 页 共 46 页 展进行了简述，并确定本系统采用 ZigBee 技术实现。 第 8 页 共 46 页 第二章 物联网相关通信技术的原理 2.1 ZigBee 无线技术 2.1.1 ZigBee 的概念 ZigBee 是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成 本的双向无线通信技术。主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小 型廉价设备的无线联网和控制而制定的。在 IEEE802.15.4 网络中，根据设备所 具有的通信能力，可以分为全功能设备(full-function device，FFD)和精简功能设 备(reduced-function device，RFD)。FFD 之间以及 FFD 和 RFD 之间都可以相互 通信；但 RFD 只能与 FFD 通信，而不能与其他 RFD 通信。RFD 主要用于简单 的控制应用，传输的数据量较少。对传输资源和通信资源占用不多，可以采用 非常廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端7。 FFD 一般需要功能相对比较强大的 MCU，一般在网络结构中用作于网络控 制和管理功能。在 IEEE802.15.4 网络中，有一个称为 PAN 网络协调者(PAN coordinator)的 FFD 设备。是 LR-WPAN 的网络中的主控制器。PAN 网络协调者 除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组 转发等任务。无线通信信道的特性是动态变化的，节点位置或天线方向的微小 改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路强度和质量的剧烈变 化，因而无线通信的覆盖范围是不确定的，在进行网络协议的设计时必须要考 虑到无线信道的这个特点。 在智能家居系统设计中，采用星型网络，这种星型结构的特点是对中心节 点(这里是无线数字家居服务器或网关)的依赖性很大，中心节点出现问题可能 造成整个网络的瘫痪。家庭内部无线网络连接距离较短，一般在 l00 米以内， 家用电器位置容易改变，家庭电器等的数量也容易变化，网络中的信息传送主 要在无线数字家居服务器和其它室内终端之间。根据家庭网络的这些特点以及 以上介绍的无线网络拓扑结构，本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭 网络。ZigBee 技术最大传输距离 150 米，完全满足家庭网络需要。通过实用证 明，星形家庭网络组网简单。 2.1.2 ZigBee 技术的特点 ZigBee 有三个工作频段：全球通用的 2.14GHz 频段、欧洲盛行的 第 9 页 共 46 页 868MHz 频段以及美国流行的 915 MHz 频段。三个频段的传输距离一般在 10m 到 75m 范围内，分别具有最高 250kbit/s、20kbit/s 和 40kbit/s 的传输速 率8。作为低功耗的一种无线通信技术，ZigBee 具有很多的特点，主要体现在 以下几方面： 1）低传输速率 ZigBee 技术是致力于低速率的传输而设计的，在常见的几个工作频段，最 高的传输速率，也就分别是 250kbit/s、20kbit/s 和 40kbit/s。 2）低功耗 因该技术具有低传输速率的特点，其发射功率仅有 1mW。实际应用中还 可以选择休眠模式，需要时唤醒设备，不需要时则处于休眠状态。所以说 ZigBee 设备非常的省电，普通 5 号电池可供设备使用 624 个月，大大减少 了更换电池的麻烦9 。 3）成本低 低速率、低功耗的特点降低了 ZigBee 设备的后期成本，且 ZigBee 芯片 的自身成本低，大约在 1.52.5 美元，目前正在努力做到更低的价格。除此之 外，ZigBee 协议无需专利费，这更好的降低了成本。 4）时延短 ZigBee 自身对时延进行了优化，不论是通信时延还是从休眠状态激活的时 延都很短，设备搜索时延 30ms，从休眠激活的时延也只需 15ms。时延短的优 势不仅系统响应好，也进一步减少了能源浪费。 5）网络容量大 ZigBee 具有多种网络结构，根据实际的需求可以自由选择。按照每个协调 器都可由上一层协调器管理、一个协调器最多可连接 255 个子节点，理论上可 组成能够最多容纳 65535 个节点的网络。 6）安全性高 ZigBee 采用了 AES-128 加密算法，支持鉴权和认证，提供了基于循环冗 余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，各个应用可以灵活确定其安全属性10。 7）可靠性好 第 10 页 共 46 页 物理层应用将一个讯号分为多个讯号，再经编码方式传送的直接序列扩频 （DSSS）技术来避免同频干扰；媒体访问控制层则应用 802.11 系列标准中为 避免冲突的多路载波侦听（CSMA/ CA）方式，既避免了数据传输冲突，还提 高了系统的兼容性。 2.1.3 ZigBee 的协议栈 ZigBee 与 IEEE802.15.4 的联系人们常会把 ZigBee 和 IEEE802.15.4 等同起 来，其实两者之间还是有所区别的如图 2-1 所示11。 (1)ZigBee 完整、充分地利用了 IEEE802.15.4 定义的功能强大的物理特性的 优点； (2)ZigBee 增加了逻辑网络和应用软件； (3)ZigBee 基于 IEEE802.15.4 射频标准，同时 ZigBee 联盟通过与 IEEE 紧 密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案； (4)802.15.4 工作组主要负责制定物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层标准， 而 ZigBee 负责网络层和应用层的开发。 应用层 应用接口 网络层 数据链路层 介质访问层 物理层 芯片 Zigbee stack 应用程序 用户 Zigbee联盟 IEEE 图图 2-1 ZigBee 的结构和分工的结构和分工 802.15.4 协议架构及其技术特点 IEEE802.15.4 满足国际标准组织(ISO)开放 系统互连(OSI)参考模式，定义了单一的 MAC 层和多样的物理层。ZigBee 联盟 第 11 页 共 46 页 制定了 MAC 层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、 数据链路层和物理层组成。 1) 物理层 物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要完成功能： 激活，休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波 检测多址与碰撞避免(CSMA-CA)进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及 接收等。 IEEE802.15.4 定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz 物理层和 868/915MHz 物理层。两个物理层都基于 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)，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。2.4GHz 波段为全球统一的无需申请的 ISM 频段，有助于 ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz 的物理层通 过采用高阶调制技术能够提供 250kbps 的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、 更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。 868MHz 是欧洲的 ISM 频段，915MHz 是美国的 ISM 频段，这两个频段的 引入避免了 2.4GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz 的传输速率为 20kb/s，916MHz 是 40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可 以降低对接收机灵敏度的要求。获得比较远的有效通信距离，从而可以用较少 的设备覆盖给定的区域。工作频段和频率如表 2-1 所示： 表表 2-1 工作频段和频率工作频段和频率 物理层 工作频率(MHZ) 频道数 码片率 调制方式 传输率 数据符号 868MHZ 868-868.6 1 300 BPSK 20 二进制 915MHZ 902-928 10 600 BPSK 40 二进制 2.4G 2400-2483.5 16 2000 O-QPSK 250 16 状态组 在 PHY 层的有关参数上，有四个重要的参数： a)传输能量(power)：约 lmW 的能量。 b)传输中心频率的兼容性：约40 pm。 c)接收器之感度：-85dBm-92dBm(868、915 ram)，1%分组差错率 (PSDU=20bytes)。 第 12 页 共 46 页 d)接收信号强度指示的测量(RSSD)。 2)调制及扩频 数数据据符符号号 数数据据码码 二二进进制制符符号号 数数 偏偏移移四四相相 移移相相调调控控 已已调调制制的的数数据据 PPDU二二进进制制数数据据 图图 2-2 2.4G 物理层调制及扩频功能模块物理层调制及扩频功能模块 2.4G 物理层将数据(PPDU)每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符 号(Symbol)，每种数据符号又被映射成 32 位伪随机噪声数据码片(Chip)。数据 码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术(O-QPSK)调制，对偶数 序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制，如图 2-2 所示。 868/915MHZ 物理层先将 PPDU 二进制数据进行差分编码，差分编码是将 当前数据位与前一编码位以模为 2 异或而成。经编码的数据位又被映射成 15 位 伪随机噪声数据码片(Chip)，数据码片序列采用二相的相移键控技术(BPSK)调 制。 3)PPDU 格式 PPDU 报文数据由用于数据流同步的同步头(SHR)、含有帧长度信息的物理 层报头(PHR)以及承载有 MAC 帧数据的净荷组成，具体结构如表 2-3 所示。 表表 2-3 PPDU 格式格式 字节 411可变 前同步码 （Preamble） 帧定界符 （SFD） 帧长度(7bits)保留（1bit）物理层数据 （PSDU） 同步头（SHR）物理层报头（PHR）物理层净荷 前同步码域用来为后续数据的收发提供码片或数据符号的同步，帧定界符 用来标识同步域的结束及报文数据的开始。物理层数据域长度根据情况可变(长 度为 5 字节或大于 7 字节)，承载了物理层报文数据，包含有 MAC 层数据帧。 4)MAC 层 为了提高传输数据的可靠性，ZigBee 的 MAC 采用了时隙化的载波侦听和 冲突避免的信道接入 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法。MAC 子层的组成及接口模型如图 2-4 所示。 第 13 页 共 46 页 MAC 通用部分 分子层（MCPS- SAP） MAC 层管理实 体（LME-SAP） PAN 信息库 PHY 层管理 实 体 PHY 层数据（PD- SAP） MAC 命令 子 层 MAC 层管理 实体 （MLME） 图图 2-4 MAC 子层组成及接口模型子层组成及接口模型 IEEE802.15.4 的 MAC 协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护 和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理； 广播信息管理。MAC 子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点 (SAP)访问高层。通过 MAC 通用部分子层 SAP(MCPS-SAP)访问 MAC 数据服 务，用 MAC 层管理实体 SAP(MLME-SAP)访问 MAC 管理服务。这两个服务为 网络层和物理层提供了一个接口。灵活的 MAC 帧结构适应了不同的应用及网 络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。 IEEE802.15.4 MAC 子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和 MAC 命令帧等 4 种帧类型。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和 MAC 命令帧则用于 ZigBee 设备间 MAC 子层功能实体问控制信息的收发。广 播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和 MAC 命令帧的帧头包含帧控 制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认，并且已经通过了 CRC 校验， 接收方将立即发送确认帧。若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自动重传 该帧。这就是 MAC 子层可靠传输的基本过程。MAC 层的帧格式如图 2-5 所示： 2 1 0-20 变量 2 帧控制序列号地址信息净荷帧校验系列 图图 2-5 MAC 层的通用帧格式层的通用帧格式 5) 网络层 网络层包括逻辑链路控制子层：802.2 标准定义了 LLC，并且通用于诸如 第 14 页 共 46 页 802.3、802.11 及 802.15.1 等系列标准中。而 MAC 子层与硬件联系较为紧密， 并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑 定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须任务。 NWK 层是位于 MAC 层之上与 APL 层交互的一个协议层。网络层的任务 是通过正确操作链路层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。为了与应 用层交互，网络层逻辑上包含两个服务实体：数据服务实体(NLDE)和管理服务 实体(NLME)。 ZigBee 规范定义的 NWK 层协议，提供数据传输服务(NLDE)和管理服务 (NLME)的数据服务接口，用于将 APL 层提供的数据打包成应用层协议数据单 元，并将其传输给相应的节点的 NWK 层；或者将接收到的应用层协议数据单 元进行解包，并将解包后得到的数据传送给本节点的 APL 层。也就是说 NLDE-SAP 实现两个 APL 层之间的数据传输。NLME-SAP 是 NWK 层给 APL 层提供的管理服务接口，其逻辑模型如图 2-6 所示。 NLDE-SAP 是 NWK 层提供给 APL 层的数据服务接口，MCPS-SAP 是由 MAC 层提供给 NWK 层的数据服务接口，MLME-SAP 是 MAC 层提供给 NWK 层的管理服务接口。 a)配置一个新设备 b)开始一个新网络 c)加入或者离开网络 NLDE-SAPNLME-SAP MCPS-SAPMLME-SAP NLDENWK PIB 图图 2-6 NWK 层模型层模型 6) 应用层 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上，具体而言包括： 安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。应用层有应用支 持子层(APS)，ZigBee 设备对象(ZDO)及厂商定义的应用对象。应用支持子层 第 15 页 共 46 页 (APS)的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且 通过边界的设备转发信息。应用支持子层(APS)的另一作用是设备发现，它能发 现在工作范围内操作的其它设备。ZDO 的职责是定义网络内其它设备的角色。 如 ZigBee 协调器或末端设备、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机 制(如选择公共密钥、对称密钥等)等。厂商定义的应用对象根据 ZigBee 定义的 应用描述执行具体的应用。在本系统中附加了一层应用层协议完成数据的通讯 和控制的业务。 2.1.4 ZigBee 的应用领域和应用前景 ZigBee 技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工 业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游