（电路与系统专业论文）zigbee网络性能分析及网络规划应用研究.pdf

硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 z i g b e e 技术是针对短距离无线通信市场开发的一种无线传感网络应用技术。它 具有低成本、低功耗、组网灵活和网络容量大等特点，非常适合应用在无线抄表、 家居智能化和楼宇自动化等大型监控网络中，可以解决现有监控网络存在的成本 高、维护困难、移动性差等问题。 目前对z i g b e e 技术的研究主要集中在协议栈研发、协议各层算法设计、i c 芯 片开发、应用前景研究等方面，对z i g b e e 技术作为一个大型网络的网络性能和网 络规划的分析研究较少。本文旨在通过实验手段对z i g b e e 网络性能进行分析测量， 在获得实际网络参数的基础上，完成一个面向应用的网络的简单规划与设计。 本文以楼字自动化应用为设计背景，综合比较分析了当前存在的多种短距离无 线通信技术，认为z i g b e e 技术是最适合应用在短距离监控领域的一种无线通信技 术。本文对z i g b e e 规范做了深入、全面的研究分析，并在此基础上介绍了t i 公司 z i g b e e 协议栈应用开发相关概念。 在对t i 公司z s t a c k 协议栈的网络性能进行测量分析的基础上，通过对网络进 行合理规划，包括网络拓扑结构、p r o f i l e 设计、网络需要分析等，设计了满足用户 要求的一个简易楼字监控系统。该系统可以支持动态组网，实现对远程节点温度的 测量，并通过上位机监控软件实时监控这些信息。 关键词：z i g b e e 、协议栈、网络测量、网络规划 a b s t r a c t t h ez i g b e ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yb u i l d su p o nt h ei e e e8 0 2 15 4s t a n d a r d ， a n di ss p e c i f i c a l l yd e s i g n e dt op r o v i d ec o s t - e f f e c t i v e ，s t a n d a r d i z e d ，a n df l e x i b l ew i r e l e s s n e t w o r k s ，w h i c hs u p p o r tl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，r e l i a b i l i t y , i n t e r o p e m b i l i t ya n ds e c u r i t y f o rc o n t r o la n dm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n sw i t hl o wt om o d e r a t ed a t ar a t e s z i g b e ei s s u i t a b l ef o ral a r g en u m b e ro fa p p l i c a t i o n sv a r y i n gf r o mi n d u s t r i a lm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l ，h o m ea n db u i l d i n ga u t o m a t i o n ，a n ds e n s o rn e t w o r k st om e d i c a la n da u t o m o t i v e s o l u t i o n s i th e l p ss o l v en e t w o r kp r o b l e mi n c l u d i n gh i g hd e s i g nc o s t s ，p o o rm o b i l i t ya n d u s u a l l yb ec o m p l e xt om a i n t a i n r e s e a r c h e sa b o u tz i g b e en e t w o r kf o c u so nt h er & df o rp r o t o c o ls t a c k s ，a l g o r i t h m d e s i g nf o ra l lp r o t o c o ll a y e r s ，i cc h i p sd e s i g na n ds oo n b u tp e o p l ep a yl i r l ea t t e n t i o n o nn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dn e t w o r kp l a n n i n gf o rs u c hal a r g e s c a l ed i s t r i b u t e d a dh o cn e t w o r k i nt h ep a p e r , w et r i e dt og e tt h er e a ln e t w o r kp a r a m e t e r sb yk i n d so f e x p e r i m e n t s ，a n df m i s h e dan e t w o r kp l a n n i n g f o ras i m p l i f e db u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r eo ft h es e v e r a lr e l a t e ds h o r t r a n g e dw i r e l e s s t e c h n o l o g ys t a n d a r d sw h i c ha r ep o p u l a rn o w d a y s ，w et l l i n kz i g b e ei sm o r es u i t a b l ef o r b a s t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ez i g b e es p e c i f i c a t i o n ，a n dt h e ni n t r o d u c e ss o m ec o n c e p t s r e l a t e dt ot h ez i g b e ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do nt 1 7 sc c 2 4 3 0s o c t h ew h o l e s y s t e md e s i g ni n c l u d e ss y s t e mr e s o l u t i o n , p r o f i l ed e s i g n , n e t w o r kn e e d sa n a l y s i s ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe a c hz i g b e ef u n c t i o nn o d e a tt h es a m et i m e ，w ed i ds o m en e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n tt oh e l pd e s i g na n e t w o r ko fo p t i m i z a t i o n o u rs y s t e mi m p l e m e n t ss u c hf u n c t i o n s ：o r g a n i z i n gn e t w o r k a u t o m a t i c a l l y , d e v i c e sd y n a m i c a l l yj o i n i n gn e t w o r k ，r e m o t et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t a n ds u r v e i l l a n c ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n k e yw o r d s ：z i g b e e ，p r o t o c o ls t a c k s ，n e t w o r km e a s u r e m e n t s ，n e t w o r kp l a n n i n g 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 名鹏 日期： 口7 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中 师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作者巍：座鹏 导师签名： 日期： 移7 年歹月7 日 日期： _ 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程中的 规定享受相关权益。回童论塞握变卮溢厦；旦坐生；鱼二玺；旦三生筮盔! 作者签名：孱翮为 日期i 9 7 年月7 目 硕士学住论文 m a s t e r st h e $ i s 第一章绪论 z i g b e e 技术是一种短距离无线网络技术，是无线传感领域一种标准化的实现技 术。最近几年，无论从商业、工业还是医疗领域都对其提出了大规模网络应用的需 求。对z i g b e e 网络特性和网络规划的研究，无论从研究角度还是商业角度都比较 有价值。 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 z i g b e e 技术，是无线传感网络的一种实现技术。它具有低成本、低速率、低功 耗、动态路由、组网灵活、网络容量大等优点。z i g b e e 支持星型、网状和树簇状的 网络拓扑结构。在每一个z i g b e e 网络中最多可以拥有6 5 5 3 5 个节点，每个节点的 地址由网络协调节点负责分配。另外每个节点的传输范围在3 0 - - - 1 0 0 m 之间，而且 传输的距离还可以通过使用多跳网状网络结构和功率放大器得到延伸。这些特点使 它非常适合应用于短距离无线控制领域，z i g b e e 联盟预测z i g b e e 技术主要应用领 域将包括消费类电子设备、p c 配件、家庭智能化、楼宇自动化、。医疗监控等领域。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年，联盟致力于提出一种新的应用于短距离无线通信 市场的标准化协议。2 0 0 4 年联盟制定z i g b e e2 0 0 4 规范，规范以i e e e 8 0 2 1 5 4 标准 的物理层和m a c 层为基础，完成了网络层、应用层以及安全层规范的制定，并在 随后几年相继推出z i g b e e2 0 0 6 及z i g b e ep r o 规范。目前联盟的成员涵盖了i t 领域 以及其它行业的1 5 0 多家企业。 z i g b e e 技术的推出被看作是蓝牙、w i f i 、r f i d 等技术的一个有力竞争者，它 得到了众多芯片厂商的支持。芯片生产厂商主要有包括德州仪器f n ) 、飞思卡尔 ( f r e e s e a l e ) 、捷力( j e n n i e ) 、三星( s a m s u n g ) 、西门子( s i e m e n s ) 、r a d i o p l u s e 、a t m e l 、 e m b e r 等大厂。这些厂商不仅推出了符合z i g b e e 规范的芯片，也推出了符合其规范 的完善解决方案。 作为一项得到众多厂商支持的技术，z i g b e e 拥有广阔的市场前景。据一份市场 报告分析，2 0 0 5 年到2 0 1 2 年z i g b e e 市场的年均复合增长率为6 3 ，而到2 0 1 2 年 z i g b e e 市场份额将达3 5 亿。 1 1 2 课题研究目的和意义 z i g b e e 技术是近年来最热门的研究之一，并在商业、工业、医疗等领域得到一 定程度的推广。 在国内的研究起步较慢，目前国内参与产品研发的公司主要有宁波无线传感网 络事业部、北京赫立讯公司、深圳金图旭昂公司、上海顺舟网络公司、成都无线龙 公司和沈阳自动化研究所等几家公司。公司的研发主要集中在协议栈编写、开发板 设计和一些小规模的产品应用开发。国内高校的研究主要集中在算法层，在z i g a e e 技术现有算法的基础上，提出新的m a c 层和网络层算法，以达到更好的低功耗、 节点定位和组网功能。这些研究大多是基于单节点应用，很少有从网络规划的角度 来研究z i g b e e 。z i g b e e 网络的特性如何，可以应用在哪些场合，又不适合应用在哪 些场合。如何规划z i g b e e 网络，使它可以更好的服务于一个应用。 z i g b e e 实现技术的研究，包括z i g b e e 规范最终版的推出，以及市场上大量应 用需要的提出，都预示着z i g b e e 应用的时代已经来临。包括t i 、m i c r o c h i p 、f r e e s c a l e 在内的众多公司已经推出了开放的协议栈，和学习用的开发套件，可以很方便用户 进行基于应用的二次开发。 但是，对于z i g b e e 网络规划的研究却非常少。z i g b e e 是一个面向短距离无线 通信网络的技术，是无线传感网络的实现技术之一，它是一种无线网络技术。在使 用一个网络之前，首先应该了解应用环境及网络特性，面向应用的网络规划是必要 的。进行网络规划时，必须考虑到现有网络的特性。本课题的研究内容就是如何获 取z i g b e e 网络的网络参数以及在如何完成面向应用的网络规划。 在课题研究中，我们选择一个简易的楼宇自动化系统作为应用场景进行网络规 划与涉及。z i g b e e 技术在楼宇自动化中的应用也是近几年比较热的一个研发方向， 楼宇自动化监控技术已经逐渐成熟，并得到了广泛的应用。但是作为其神经枢纽的 通信系统仍然采用的是有线现场总线方式。尽管这些总线技术发展比较成熟，但是 由于它们都是有线网络技术，具有有线网络不可避免的问题，存在着布线复杂、灵 活性、可扩展性不好、建造成本高等缺点。z i g b e e 技术在近几年的发展，为其提供 了新的选择。课题研究中，对无线通信在楼字自动化领域的应用进行了初步的探讨。 1 2 本文研究内容 本文讨论了z i p , b e e 技术研发的要点，详细介绍了协议栈开发步骤。本文的重 点在于对z i g b e e 网络参数的测量技术进行研究，并通过实验获得网络的真实参数。 结合在一个简易的楼宇自动化应用项目的开发，完成了对z i g , b e e 无线网络的规划 与设计。因此本文研究内容主要包括以下几个方面： 2 1 ) 深入分析z i g b e e 协议栈，在此基础上，运用它的软硬件环境，开发符合要 求的无线传感网络； 2 ) 分析z i g b e e 网络的参数测量方法，选择合适的参数测量方法，获得现有网 络的参数特征； 3 ) 利用z i g b e e 规范相关定义，进行合理的网络拓扑规划，构建符合实际需要 无线传感网络。 1 3 文章组织结构 本文的组织结构安排如下。 第一章为绪论。介绍了z i g b e e 技术特点，以及z i g b e e 技术在国内外的发展现 状和面i 临的问题。提出了对z i g b e e 网络进行参数测量和网络规划的必要性和可行 性。最后简要介绍本文的主要研究内容以及文章的组织结构。 第二章为z i g b e e 技术综述。对多种常见短距离无线通信技术比较，指出了 z i g b e e 技术的优势所在。简介了z i g b e e 技术涉及到的通信各层的规范，并对t i 公 司开发平台的软硬件开发平台做了较为详细的介绍。 第三章为z i g b e e 网络参数测量方法及测试性能分析。首先介绍了关键的几个网 络参数定义及理论中各种测试方法。最后结合实际情况，选用合理的测量方法获得 了现有z i g b e e 网络的参数特征。 第四章为实验部分，在现有测试平台和测试环境下，完成了一个基于z i g b e e 技 术的简易楼字自动化监控系统的搭建和测试。根据实际需要对无线传感网络进行网 络规划，在网络规划的基础上，完成节点硬件和软件设计。 第五章为总结与展望，总结了本文所做的工作，并提出课题尚待深入和继续研 究的内容。 3 项士学位论文 m a s t e r st h e s l g 。 第二章z i g b e e 技术综述 在本章中，将对z i g b e e 技术做一个简要介绍，介绍z i g b e e 技术的发展背景和 应用前景。在2 2 节中对z i g b e e 规范做比较详细的介绍，它主要包括两部分 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 规范。对理论认识的基础上j 在2 3 节介绍了本设计中 采用的开发环境：，n 公司c c 2 4 3 0 2 4 31z d k 。 2 1 常用短距离无线通信技术比较 2 1 1z i g b e e 通信协议 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年，由英国i n v e n s y 公司、日本三菱电气公司、美国摩 托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司组成，共同研究开发z i g b e e 技术。 在2 0 0 3 年1 1 月，i e e e 正式发布i e e e8 0 2 1 5 4 标准，作为z i g b e e 技术的物理 层和媒体层的标准协议。从2 0 0 4 年起z i g b e e 联盟陆续发布了z i g b e e2 0 0 4 、z i g b e e 2 0 0 6 和最终版z i g b e ep r o 。这些标准的发布，加速z i g b e e 技术的研发和推广工作， 许多公司和生产商已经陆续地推出了自己的产品和开发系统，如飞思卡尔的 m c l 3 1 9 2 ，c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 、c c 2 4 3 0 、c c 2 4 8 0 ，a t m e l 公司的a t 8 6 r f 2 1 0 等。 z i g b e e 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其p h y 层和 m a c 层协议为i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议，网络层由z i g b e e 技术联盟制定，应用层的 开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提 供机动、灵活的组网方式。 z i g b e e 工作在三种免费频带上，分别是用于欧洲的8 6 8 m h z 频带，用于美国的 9 1 5 m h z 频带，以及全球通用的2 4 g h z 频带，但这三个频带的物理层并不相同， 它们各自的信道带宽分别是0 6 m h z , 2 m h z 和5 m h z ，分别有1 个，1 0 个和1 6 个 信道。通信速度为1 0 k b s 、4 0 k b s 和2 5 0 k b s 。 z i g b e e 网络的最大优点是：低成本、低功耗、低速率、安全性和强大的组网能 力。它采用简单的通信协议，代码量小，降低了芯片设计成本。作为定位于短距离 控制的网络协议，z i g b e e 设备为低功耗设备，通信距离为l o - - l o o m 。 在组网性能上，z i g b e e 设备具有星状、树状和网状三种拓扑结构。网络中最多 可容纳设备数为6 5 5 3 5 个，具有强大的网络容量。它同时支持动态路由和自组网功 能，使z i g b e e 网络可以应用在环境比较恶劣的地方，实时反映现场状况。 z i g b e e 规范还提供了安全组件，采用了a e s 1 2 8 算法对网络层和应用层的数据 4 项士学位论文 m a s t e r st h e s l s 进行加密保护，另外还规定了信任中一心( t r u s tc e n t e r ) 的角色全网有一个信任中心， 用于管理密钥和管理设备，可以执行设置的安全策略。 根据z i g b e e 联盟目前的设想，z i g b e e 的目标市场主要有p c 外设( 鼠标、键盘、 游戏操控杆) 、消费类电子设备( 、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥控装置) 、 家庭内智能控制( 照明、煤气计量控制及报警等) 、玩具( 电子宠物) 、医护( 监视器和 传感器) 、工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 等非常广阔的领域即】。 2 1 2 红外通信技术 1 9 9 5 年，一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团 红外数据协会( i r d a ) 就红外通信的一套标准达成一致。现在约有1 2 0 家以上的厂商 支持红外通信标准。其中的许多厂商己推出符合红外通信标准并支持w i n d o w s 9 5 9 8 的产品1 6 1 。 红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由 红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外 信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。 红外通信特点是保密性强、息容量大、结构简单，既可以是室内使用，也可以 在野外使用，由于它具有良好的方向性，适用于国防边界哨所与哨所在之间的保密 通信，但在野外使用时易受气候的影响。 红外信号要求设备之间必须具有无障碍的直线信道，即使设备之间不存在障碍， 它们之间的通信距离通常最大不超过1 0 m ，并且，通信的角度不能超过3 0 。，红外 技术的数据传输速率较快，最初的传输速率为4m b p s ，目前，其传输速率已经达到 1 6 m b p s 。 红外技术的应用于成本低廉、安全可靠、保密性好、无电磁干扰、无须政府批 准频带的通信产品。该技术具有工作原理简单、功耗小、成本低，但由于其传输距 离有限、传输方向性强、无组网能力等缺点，在应用范围上受到一定程度的限制。 2 1 3 蓝牙技术 1 9 9 9 年5 月2 0 日，索尼爱立信、i b m 、英特尔、诺基亚及东芝等业界龙头创立 蓝牙特别兴趣组，制订蓝牙技术标准。目前，已有2 0 0 0 多成员参加了该组织，该 技术是一种用于替代便携或固定电子设备上所使用的电缆或连线的短距离无线连 接技术，工作在2 4g h z 的i s m 频段上，其技术采用以每秒钟1 6 0 0 次的扩频调频 技术，发射功率为3 类，即l m w 、l o m v 和1 0 0m w ，通信距离为l o 一- l o o m ，传输 速率已从7 2 0k b p s 发展到3m b p s ；在传输数据信息的同时，还可传输一路话音信 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 息，这是蓝牙技术的一个重要的特点之一。 整个蓝牙协议结构简单，使用重传机制来保证链路的可靠性，在基带、链路管 理和应用层中还可实行分级的多种安全机制，并且通过跳频技术可以消除网络环境 中来自其它无线设备的干扰。 蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可同时与最多 7 个其它的蓝牙设备相连接。基于蓝牙技术的无线接入篙称为b l u e p a c ( b l u e t o o t h p u b l i ca c c e s s ) ，蓝牙系统的网络结构的拓扑结构有两种形式：微微网( p i c o n e t ) 和分布式网络( s c a t t e r n e t ) 。 随着蓝牙技术的进一步发展，尤其是众多不同产业、不同厂家加盟b l u e t o o t hs i g 后，新的应用模式如网络打印、静态图像的传输、汽车应用平台、电子商务、工业 自动化及信息安全等也都在探究之中。一方面新的应用模式在不断开发，另一方面 针对已有的应用模式开发的实际应用也是丰富多彩。蓝牙系统的小功率、微型化、 低成本以及与网络时代相适应的特点，使它可以在家庭和办公自动化、电子商务、 工业控制、智能化小区等各种场合都具有广阔的应用前景，因此有专家预测今后蓝 牙设备将会无处不在1 6 1 。 2 1 4 射频识别技术( r f i d ) 射频识别( r f i d ) 应用是目前发展最为迅速、潜力最大的新兴技术之一。目前， r f i d 还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着全球物流 行业r f i d 大规模应用的开始，r f i d 标准的统一已经得到业界的广泛认同。r f i d 系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成1 6 l 。 无线射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是种非接触式的自动识别技术。 最简单的r f i d 数据采集系统由标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和天线( a n t e n n a ) 3 部分组成。标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借从感应电流中所 获得的能量发送存储在芯片中的产品信息( p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ， 或者主动发送某一频率的信号( a c t i v et a g ，有源标签或主动标签) ，阅读器读取 信息并经解码后，送至后台数据库进行数据管理。 r f i d 技术约在上世纪9 0 年代开始商业化应用，目前国际上已广泛用于物流、 防伪、实时定位、动物防疫等，在中国，r f i d 也已经进入第二代居民身份证、城 市公共交通“一卡通”、电子证照与商品防伪、牲畜养殖及现代物流等领域。r f i d 技术正是有效解决供应链上各项业务运作资料的输入与输出、业务过程的控制与跟 踪，以及减少出错率等难题的一种技术。 6 项士学位论文 m a s f e r st h e s l s 2 1 5 几种短距离无线通信技术的性雒比较 表2 1 为z i g b e e 技术与其他无线通信技术的比较，可以看出，它们各有特点， 使用于不同的应用场合，它们相互竞争，相互补充。红外、蓝牙技术等组网能力较 弱，但是传输速率较快，适用于个域网中，用于短距离设备间的数据互传。r f i d 技术工作频段较低，与其它短距离通信技术不同，它主要定位于物流管理中，旨在 替代现有条型码技术，不具有组网能力，要求有后台数据管理系统进行数据维护， 是一种比较实用的供应链管理技术，应用前景很好。 表2 ，l 多种短距离通信技术比较 标准工作频段 传输速率( m b p s ) 组网能力主要用途 z i g b e e 8 6 8 9 15 i h z 、2 4 g h zo 0 l 、0 0 4 、0 ，2 5 有家庭、楼宇自动化 红外8 2 0 n m1 6 无 可见范围内 蓝牙2 4 g h z l 、2 有个人网络 r f i dl3 5 6 m h z 、 无规定无供应链管理 8 6 0 9 6 0 m h z 相对于其它短距离无线通信技术，z i g b e e 技术的传输速率较低，但是具有优秀 的组网能力和动态路由能力，使它适用于大型的监控网络中，用于传输适时的监控 数据和对网络的动态监控。 根据z i g b e e 联盟目前的设想，z i g b e e 技术的目标市场主要包括消费类电子设 备、p c 外设、家庭智能化、楼宇自动化、医疗监控和工业监控等短距离无线监控 领域。 2 2z i g b e e 规范构成 z i g b e e 技术的协议结构设计简单，主要由物理层( p h y ) 、媒体访问控制层 ( m a c ) 、网络层( n w k ) 以及应用框架层( a p l ) 组成。每一层为上层提供特定的服务： 数据服务实体提供数据传输服务；管理服务实体提供所有的管理服务。每个服务实 体通过相应服务接入点( s a p ) 为上层提供服务，每个服务接入点通过服务原语来 完成所对应的功能【刀。 7 口嚣警“1 口器警 囹黜产 厂1l a s t 口裟。 图21 z i g b e e 协议框图 p h y 层和m a c 层，参照i e e e 8 0 2l5 4 标准：n w k 层和a p l 层山z i g b e e 联 盟制定，经历了z i g b e e2 0 0 4 、z i g b e e2 0 0 6 和z i g b e ep r o _ = 三个版小。具体构成参见 图2 1 所示。在f 面的章竹中，将简介备层构成及基本功能，重点讲述n w k 和a p l 层构成。 2 2l 物理层功能( i e e e8 0 215 4 2 0 0 3 ) 物理层提供了无线物理通道i 媒体访 【：i | 控带4 层之间的接口，提供物理层数据服 务和物理层管理服务。物理层数据服务主要完成的功能是：激活，休眠无线收发设备、 链路质量指示( l q i ) 、对当前频道进行能量检测( r s s i ) 、为载波检测多址与碰 撞避免( c s m a c a ) 进行空闲信道评估、数据的发送及接收等】。 i e e e s 0 2 1 5 4 定义了晒个物理层标准，分别是8 6 8 9 1 5 m h z 物理层和2 4 g h z 物 理层。两个物理层都采用直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c m a m ，d s s s ) 使 川相同数据包格式区别在工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。 z i g b e e 使用的无线信道由表2 2 确定。可以看出z i g b e e 使用3 个频段的2 7 个 物理信道，其中：8 6 8 m h z 定义了1 个信道，传输速率为2 0 k b s ；9 1 5 m h z 定义了 1 0 个信道，信道间隔为2 m h z ，传输速率为4 0 k b s ：24 0 h z 定义了1 6 个信道，信道 l 自j 隔为5 m h z ，传输速率为2 5 0 k b s 。 硕士学位论文 m a s t r st h e s i s 表2 2z i g b e e 无线信道的组成 信道编号中心频率m h z信道间隔m h z 传输速率( k b ，s ) k - 08 6 8 3无2 0 k = l ，2 ，3 1 0 9 0 6 + 2 ( ( - 1 ) 24 0 k = i 1 ，1 2 ，1 3 9 0o 2 62 4 0 1 + 5 ( k - 11 ) 5 2 5 0 不同频带的调制和扩频方式也有不同，虽然都使用了直接序列扩频( d s s s ) 的方 式，但从比特到码片的变换方式有比较大的差别；调制方面都使用了调相技术，但 8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 频段采用的是b p s k ，而2 4 g h z 频段采用的是o q p s k 。我们 可以以2 4 g h z 频段为例看看发射机基带部分的框图( 如图2 2 ) ，可以看到物理层部 分非常简单【5 1 。 原始比特 工狃叫比特到符号 2 5 0 k b s 1 。 符号广 码片 矧艏到酣摆2lcs625 k s s 1i o q p s k 图2 2i e e e8 0 2 1 5 4 物理层发射机基带框图 基带输出 2 2 2m a c 层功能( i e e e8 0 2 15 4 = 2 0 0 3 ) m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事m a c 层的管理活动【s 】。 m a c 层数据服务的核心是信道接入技术，包括随机接入信道技术c s m a c a 和 时分复用g t s 技术。现有z i g b e e 协议栈实际上并没有对采用时分复用g t s 技术， 因此我们可以暂不考虑它。z i g b e e i e e e8 0 2 1 5 4 的网络所有节点都工作在同一个信 道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此m a c 层采用了 c s m a c a 的技术，节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数 据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避 的时间是指数增长的。 m a c 层的管理服务主要有信道的访问、传输事务管理、节点加入退出p a n 、 开始和维护p a n 等。m a c 子层的管理服务具体包括如下六个方面： ( 1 ) 协调者产生并发送信标帧( b e a c o n ) ，普通设备通过b e a c o n 与协调者同步； ( 2 ) 支持p a n 的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作； ( 3 ) 支持无线通信信道安全； ( 4 ) 使用c s m a - c a 机制访问信道； 9 须士学位论文 m a s t e r st h e $ 1 8 ( 5 ) 支持时槽保证机$ 1 j ( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) ； ( 6 ) 支持m a c 层实体之间可靠传输。 2 2 3 网络层功能亿i g b e es p e c i f i c a t i o n2 0 0 6 ) 网络层负责设备定义、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1 7 j 。 1 设备定义 在i e e e 8 0 2 1 5 4 网络中，根据设备所具有的通信能力，以分为全功能设备 ( f u u f u n c t i o nd 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 ) 。f f d 设备具 有路由功能，r f d 设备不具各路由功能。在z i g b e e 网络中，f f d 设备有两种，一 是网络协调器( c o o r d i n a t o r ，c o o r d ) ，一是路由器( r o u t e r ) ，r f d 设备是终端节点 ( z i g b e ee n dd e v i c e ，z e d ) 。 c o o r d 节点负责网络的建立与维护。当它启动时，首先搜索网络，选择设置一 个合适的个域网标志符( p a ni d ) 。一旦网络构建成功，c o o r d 等待其它节点加入 网络。c o o r d 节点也称传感网络汇聚节点，它将z i g b e e 网络的信息送往总的监控平 台或者其它网络中。一个网络一般只具有一个c o o r d 节点，而根据z i g b e e 规范， 网络中最多具有r o u t e r 和z e d 节点个数为6 5 5 3 5 个。 r o u t e r 节点是具有路由功能的f f d 。在z i g b e e 网络中，它主要负责加入父节点 网络、管理子节点、维护网络、路由数据和数据采集功能。z e d 节点是网络中的 r f d ，不具有路由功能，传输信息时，需要它的父节点r o u t e r 转发。在z i g b e e 网 络中，它是主要的数据采集节点，用来获得环境信息，并通过无线网络将数据传输 到目的节点。r f d 节点一般具有睡眠功能，实现系统的节能与低功耗。 2 拓扑结构 z i g b e e 网络是一个典型的a dh o e 网络，它的路由算法采用的是基于按需分配 的路由算法( a o d v 路由协议) 。它具有a dh o e 网络的特点，动态自组网功能。 不需要任何基础设备，即可以随时实现网络互通。当网络节点发生变化时，节点可 以随时加入到附近的网络中，实现实时通信1 9 1 。 z i g b e e 网络具有三种拓扑结构：星状，簇树状和网状网络。网络拓扑结构如下 图所示。讨论比较多的是z i g b e e 网状网络，在该拓扑结构中所有路由节点可以实 现互通，并且支持动态路由功能。 簇树状网络的动态路由性能要差些，它要求信息传递严格按照父子关系进行。 子节点只能将信息传递给父节点进行转发。信息传输按照树的结构进行，时效性不 1 0 警镪二； 表和组播信息管理【5 - 。 ；a ，t ，+ ；。 。| 一。i a p p l i e a t i o n ( a p l ) l a y e r ： ， 困圈 z i g b e ed e v i c eo b j e c t ( z d o ) ，。 1 a p p l i c a t i 。ns u p p 。r ts u b l a y e r ( a p s ) n e t w o r k ( 1 帆) l a y e r ， 图2 4 应用框架层结构 a f 层为驻扎在z i g b e e 设备中的应用对象提供活动环境，在a p s 层之上。最多 可以定义2 4 0 个相对独立的应用程序对象，任何一个对象的端口编号为1 - 2 4 0 内， 端口号0 为z d o 数据接口，端口号2 5 5 用于所有应用对象广播数据的数据接口功 硕士学位论文 m a 8 t e r st h e s i $ 能，端口2 4 1 2 5 4 为保留端口。a f 层的功能是将a p s 接收的信息分配到对应的应 用程序端口，管理端口信息。 z d o ，又称为z i g b e e 设备对象，它的功能包括：定义设备在网络中的角色( 如 z i g b e e 协调器或终端设备) ，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。 z d o 还负责发现网络中的设备，并且决定向它们提供何种应用服务，这种机制在 z i g b e e 规范中被称为设备发现和服务发现。在z - s t a c k 中，是由z d o 来控制网络的 建立和实现的。 2 3 开发环境介绍 目前国际上有很多大的芯片和设备厂商参与到z i g b e e 协议的开发中来，比较典 型的两个解决方案分别来自于t i 公司和f r e e s c a l e 公司，它们分别开发推出了符合 z i g b e e 规范的s o c 芯片，并开发了协议栈。 在本设计中，采用的是t i 的c c 2 4 3 0 2 4 3 1 解决方案。t i 公司共推出三种解决 方案，分别是c c 2 4 2 0 + m s p 4 3 0 ，c c 2 4 3 0 2 4 31 ，c c 2 4 8 0 。c c 2 4 2 0 是一个单独的 2 4 g h z 射频芯片，它需要m c u 来控制和管理，c c 2 4 3 0 2 4 3 1 为一集成8 0 5 1 内核 的s o c ，c c 2 4 3 1 比c c 2 4 3 0 多了一个硬件定位引擎。c c 2 4 8 0 是一个z i g b e e 协议 核，是t i 公司2 0 0 9 年新推出解决方案，用户只需要用串口与其通信，就可以实现 z i g b e e 的组网和数据传输功能，完全不需要进行协议栈开发，在三种解决方案中是 最容易实现的。 在下面的章节中，将详细介绍t i 的c c 2 4 3 0 2 4 3 1 解决方案的开发环节，内容包 括硬件开发环境、软件开发环境以及t i 协议栈z - s t a c k 的开发使用。 2 3 1 硬件环境 ，r i 公司c c 2 4 3 0 的设计结合了8 k b 的数据存储器和强大的外围模块，并且具有 3 种不同闪存空间：3 2 k b 、6 4 k b 和1 2 8 k b t l o 1 1 1 。 c c 2 4 3 0 包含一个符合工业标准的8 位8 0 5 1 m c u ，运行时钟为3 2 m h z 。c c 2 4 3 0 具有一个d m a 控制器，用以实现大量数据的批量搬移，因此提高了芯片整体的性 能。在c c 2 4 3 0 内有4 k 字节r a m 是超低功耗s r a m 。片内f l a s h 块提供在线可编 程非易失性存储器。 c c 2 4 3 0 采用高度集成的芯片设计，使得它只需要简单的外围电路设计，就可以 实现模块控制与无线通信功能。 1 2 t i 公司提供z i g b e e 开发套件z d k ，里面包括2 块s m a r t r f 0 4 e be v a l u a t i o n b o a r d s ( e b ) 2 块c c 2 4 3 0 e me v a l u a t i o nm o d u l e s ( e m ) ，e m 就是c c 2 4 3 0 射频 模块，e b 为开发品示板，具体模块见下图l ”i 。 图25 t i 公司开发板模型 开发板上包括；l c d 显示，l e d ，按键，申口通信，仿真器和电源模块a 个部 分。它可以作为普通的显示和测试模块，也可以用作仿真器使用。 2 32 软件环境 1i a r 编程环境 l a p 软件为c c 2 4 3 0 的开发提供了完整的开发环境，它提供了大量的c 代码库， 并可以通过异步半行口提供在线的交互式调试。软件集代码编写、编译、汇编、连 接