基于zigbee的温湿度传感器设计

1、-. z大学新华学院 本科毕业设计2021 届题目 基于ZigBee的温湿度传感器设计 系 别信息与计算机科学系专 业电气工程及其自动化 年 级2021级学生*学生培新指导教师大铭2021 年4月23 日-. z摘 要无线传感器网络Wireless Sensor Network，WSN是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能自治测控网络系统。大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监测和采集分布区域的监测对象或周围环境的信息。无线传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传

2、输数据为目的。随着传感器网络技术的逐步开展，它的应用也越来越广泛,无线传感器网络也被要求有更小功耗，更低本钱，以及更方便使用的性能，在这种情况下，ZigBee技术应运而生。ZigBee技术是一种短距离无线双向通信技术，该技术拥有协议简单、功耗低、组网能力强、网络容量大、时延短、平安、可靠及本钱低等优点，具有路径选择、自动连结网络及自我恢复等功能。预计将在消费类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用。本文首先介绍了无线传感器网络的根底知识和研究现状；然后深入分析了ZigBee协议，给出了各层的功能；之后，设计了ZigBee节点模块和温湿度传感模块，并在此硬件根底上

3、设计了具有根本功能的ZigBee协议栈，同时提出了一种基于ZigBee的组网算法，通过扫描信道、建立网络和建立节点间的关联三个步骤构建了一个简单的网络层，实现了无线传感器组网功能；在此根底上本文设计一个小型的温度湿度监控网络系统；最后，对论文进展总结，提出今后的研究工作方向。关键字：ZigBee；温湿度传感器；无线通信；无线温湿度传感器系统AbstractWireless sensor networks (Wireless Sensor Network, WSN)isposed of a largenumber of ubiquitous，tiny sensor nodes have the

4、ability to municate with the intensive puting laid in the monitored area unattended constituted able to plete the assigned tasks independently according to the environment smart autonomy and control network system. A large number of sensor nodes through the division of labor between them, real-time

5、sensing, monitoring and gathering information on the distribution area of the object or the surrounding environment. Wireless sensor networks and traditional networks have distinct technical requirements , the former data-centric , the latter for the purpose of transferring data . With the gradual d

6、evelopment of sensor network technology, its applications are increasingly widespread , wireless sensor networks are also required to have a smaller power consumption, cost, and performance is more convenient to use, in this case , ZigBee technology to be shipped born.ZigBee technology is a short -r

7、ange wireless two-way munication technology that has the protocol is simple , low power consumption, strong networking capabilities, network capacity, time is short , safe, reliable and low cost, with a path selection, automatic link networks and self-recovery capabilities. It is e*pected to be wide

8、ly used in consumer electronic devices, intelligent home , industrial , medical equipment control , automation , and other fields of agriculture.This paper introduces the basic knowledge and research of wireless sensor networks ; and in-depth analysis of the ZigBee protocol , given the function of e

9、ach layer ; then designed ZigBee node module temperature and humidity sensor module , and is designed on the basis of this hardware the ZigBee protocol stack has the basic functions , while networking algorithm is proposed based on ZigBee , by scanning channel , networking and the establishment of t

10、hree steps associated nodes to build a simple network layer , to achieve a wireless sensor network function ; on this basis, we design a small temperature and humidity monitoring network system ; Finally, the paper summarizes the proposed future research directions.Keywords:ZigBee;Wireless Temperatu

11、re And Humidity Seneor System;Wirelessmunica-tion目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc417898070第1章绪论 PAGEREF _Toc417898070 h 1HYPERLINK l _Toc4178980711.1 引言 PAGEREF _Toc417898071 h 1HYPERLINK l _Toc4178980721.2 无线传感器网络的研究现状 PAGEREF _Toc417898072 h 2HYPERLINK l _Toc4178980731.2.1 国外现状 PAGEREF _Toc4178

12、98073 h 2HYPERLINK l _Toc4178980741.2.2 国现状 PAGEREF _Toc417898074 h 2HYPERLINK l _Toc4178980751.3 无线传感器网络的特点 PAGEREF _Toc417898075 h 2HYPERLINK l _Toc4178980761.4 研究容 PAGEREF _Toc417898076 h 4HYPERLINK l _Toc4178980771.5 论文构造 PAGEREF _Toc417898077 h 5HYPERLINK l _Toc4178980781.6 本章小结 PAGEREF _Toc417

13、898078 h 5HYPERLINK l _Toc417898079第2章 ZigBee协议标准介绍 PAGEREF _Toc417898079 h 6HYPERLINK l _Toc4178980802.1 ZigBee技术概述 PAGEREF _Toc417898080 h 6HYPERLINK l _Toc4178980812.1.1 ZigBee主要特性 PAGEREF _Toc417898081 h 6HYPERLINK l _Toc4178980822.1.2 ZigBee网络拓扑构造 PAGEREF _Toc417898082 h 6HYPERLINK l _Toc417898

14、0832.1.3 ZigBee网络工作模式 PAGEREF _Toc417898083 h 7HYPERLINK l _Toc4178980842.2 ZigBee协议架构 PAGEREF _Toc417898084 h 8HYPERLINK l _Toc4178980852.2.1 物理层PHY PAGEREF _Toc417898085 h 9HYPERLINK l _Toc4178980862.2.2 媒体控制层MAC PAGEREF _Toc417898086 h 10HYPERLINK l _Toc4178980872.2.3 网络层NWK PAGEREF _Toc417898087

15、 h 12HYPERLINK l _Toc4178980882.2.4 ZigBee应用层 PAGEREF _Toc417898088 h 14HYPERLINK l _Toc4178980892.3 本章小结 PAGEREF _Toc417898089 h 15HYPERLINK l _Toc417898090第3章 ZigBee温湿度传感器硬件平台的设计 PAGEREF _Toc417898090 h 16HYPERLINK l _Toc4178980913.1 硬件设计 PAGEREF _Toc417898091 h 16HYPERLINK l _Toc4178980923.1.1 CC

16、2530芯片介绍 PAGEREF _Toc417898092 h 16HYPERLINK l _Toc4178980933.1.2 射频模块电路 PAGEREF _Toc417898093 h 19HYPERLINK l _Toc4178980943.2 主控电路 PAGEREF _Toc417898094 h 21HYPERLINK l _Toc4178980953.2.1 串口通信电路 PAGEREF _Toc417898095 h 21HYPERLINK l _Toc4178980963.2.2 电源模块 PAGEREF _Toc417898096 h 24HYPERLINK l _To

17、c4178980973.2.3 存储模块 PAGEREF _Toc417898097 h 25HYPERLINK l _Toc4178980983.4 本章小结 PAGEREF _Toc417898098 h 27HYPERLINK l _Toc417898099第4章无线传感器网络通信系统的软件设计 PAGEREF _Toc417898099 h 28HYPERLINK l _Toc4178981004.1 系统总体构成 PAGEREF _Toc417898100 h 28HYPERLINK l _Toc4178981014.2 进展开发的软件介绍 PAGEREF _Toc417898101

18、 h 28HYPERLINK l _Toc4178981024.3 程序流程图 PAGEREF _Toc417898102 h 28HYPERLINK l _Toc4178981034.4 系统的实现 PAGEREF _Toc417898103 h 30HYPERLINK l _Toc4178981044.4.1 通过初始化、信道扫描等措施建立网络 PAGEREF _Toc417898104 h 30HYPERLINK l _Toc4178981054.4.2 传感器各节点参加网络 PAGEREF _Toc417898105 h 30HYPERLINK l _Toc4178981064.5 本

19、章小结 PAGEREF _Toc417898106 h 31HYPERLINK l _Toc417898107第5章总结与展望 PAGEREF _Toc417898107 h 32HYPERLINK l _Toc417898108参考文献 PAGEREF _Toc417898108 h 33HYPERLINK l _Toc417898109致 PAGEREF _Toc417898109 h 34HYPERLINK l _Toc417898110附录 PAGEREF _Toc417898110 h 35-. z第1章绪论1.1引言信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成

20、局部，其息的获取是信息技术产业链上重要的环节之一，没有它就没有信息的传输、处理和应用，信息化也成为了无水之源、无本之木。随着现代微电子技术、微电机系统MEMSMicro-Electro-Mechanism System，片上系统SOCSystem-On-Chip、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅速开展，传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化，进而向智能化、网络化方向开展，成为信息获取最重要和最根本的技术之一。无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指

21、定任务的“智能自治测控网络系统。无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，与传统的网络相比，它是一种以数据为中心的自组织无线网络。网络中的节点密集，数量巨大且部署在十分广泛的区域；网络拓扑构造动态变化，网络具有自组织和自调整的特点。网络节点具有本钱低体积小、能量极其有限、计算能力、存储能力和通信能力有限的特点，其中节点的能耗是设计节点时考虑的最关键因素。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(蓝牙)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

22、业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体控制层。IEEE802.15.4规是一种经济、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状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的根底。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低本钱的无线网络技术，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IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的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

23、，所以它们的通信效率非常高【1】。ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys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半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟，以研发名为“ZigBee的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术开展过程中的里程碑。到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有 150 家成员企业，并在迅速开展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP效劳提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等

24、工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。根据ZigBee联盟目前的设想，根据该标准和技术生产的相关产品主要适用于：智能家居照明控制、各类窗帘控制、家庭安防、暖气控制、置家居控制的机顶盒、万能遥控器、环境检测与控制、自动读表系统、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、工业和楼宇自动化、平安监控、工业控制、传感器控制、停车计费数据传输等诸多领域。1.2无线传感器网络的研究现状1.2.1国外现状无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其开展和应用，将会给人们

25、的生活和生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无线传感器网络的开展，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究方案。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多个渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究，同时IEEE也正在努力推进无线传感器网络的应用和开展，美国波士顿大学(Boston Unversity)最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进学院和行业公司之间互相促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔、Inetco Systems Invensys、L-3munications、Millennial Net，

26、Radianse、Sensicast Systems及Te*tron Systems。美国的?技术评论?杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。1.2.2国现状我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与兴旺国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院?知识创新工程试点领域方向研究?的“信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大工程之一【2】。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托微系统所成立微系统研究与开展中心，旨在引领中国科学院部的相关工作

27、，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了假设干重大研究工程和方向性工程，参加单位包括微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中科大等10多个研究所和院校，初步建立传感网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统方面取得了很大的进展，2004年3月相关成果在进展了大规模外场演示，局部成果已在实际工程系统中使用。国的许多高校也掀起了无线传感器网络研究热潮。无线传感器网络在民用方面，涉及城市公共平安、公共卫生、平安生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国从事无线传感器网络应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃开展的势头。1.3无

28、线传感器网络的特点无线传感器网络是由许许多多功能一样或不一样的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块传感器、A/D转换器、数据处理和控制模块微处理器、存储器、通信模块无线收发器和供电模块电池、DC/AC能量转换器等组成；同时，无线传感器网络广泛应用于军事、环境检测和预报、*护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间管理，以及机场、大型工业园区的平安检测等领域。无线传感器网络的组成及使用决定了它应该具备以下多项特点：1低功耗无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均能耗比现有无线网络如Bluetooth中节点的能耗更低。在一些工业监

29、控应用中，装备纽扣电池的传感器需要在无人值守的情况下工作几个月甚至几年。而在森林火灾监测等大围的环境监测应用中，为大量的传感器节点频繁地更换电池是不现实的。这些典型的应用要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。2低本钱无线传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极影响系统的本钱。为了到达降低本钱的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系统和通信协议。此外，降低系统本钱的另一个重要因素是减少系统管理与维护的开销。无线传感器网络中节点规模很大，人工的管理与维护开销很大，因此需要无线传感器网络系统具有自配置、自修复的能力。自配置是指

30、在没有人工干预的条件下，网络中的节点能够检测到其它节点的存在并共同组成一个具有一定功能和构造的网络系统。自修复是指在没有人为干预的条件下，系统能够检测到网络节点或通信链路的损坏并能够从错误状态中恢复。3通用性无线行标牌、集装箱定位系统等无线传感器网络的许多应用需要系统能够在世界围正常工作。此外，为了扩大生产规模、开拓市场，一个能在全球围正常运转的系统也是必要的。尽管在理论上，我们可以通过为每个节点安装全球定位系统GPS接收器并根据地理位置信息来调整节点行为的方法解决这一问题，但接收器的本钱很高，难以大量使用。因此，需要采用一种被各国政府允许的通用设计。4网络拓扑传统的星形构造包含一个主结点，一

31、个或多个从节点。在通信时，主结点与从节点可以直接通信，从节点间的通信需要依靠主节点转发。星型构造适合在一些小规模网络中使用。在无线传感器网络系统中，节点规模很大，节点间以一种对等、多跳的方式通信，系统的动态性很强。需要设计一种适合无线传感器网络通信特点、低开销、便于维护的网络拓扑构造。5平安在一些应用中，网络的平安是必需的。无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但同时也会带来严重的平安问题。一方面，入侵者可以比拟容易的进展效劳拒绝攻击Denial Of Service，DOS；另一方面，无线传感器网络系统的资源严格受限以及节点间自组织协调工作的特点使其难以实现严密的平

32、安防护。由于低本钱的限制，一些无线传感器网络系统只能采用单频率通信机制【3】。入侵者通过频率扫描的手段可以很容易的捕获无线传感器网络的工作频率，通过在网络中植入伪装节点，采用各种手段发动攻击。为了保证任务的布置和任务执行结果的平安传递和融合，无线传感器网络需要实现一些最根本的平安机制：性、点到点的消息认证、数据完整性和新鲜性、认证播送和平安管理。6实时性实时性是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差，通过波束阵列确定声源位置节点间的时间同步。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS，TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个根

33、本的同步机制。我们在考虑无线传感器网络的时间同步问题时，拟采用TPSN机制。TPSN采用层次构造实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次构造进展逻辑分级，通过基于发送者-接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级的*个节点进展同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。7智能性无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。由于在工作的过程中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式表达了系统的智能性。无线传感器网络系统的超大规模、资源严格受限和与物理世界密切相关等特点使其需要一种新的工作模式。在无线传感器

34、网络系统中，单个节点并不重要，我们关心的是群体行为。用户需要知道当前地下室的平均温度而不是地下室*点的温度，并且不关心是哪个节点传回的信息，或者他需要知道当前地下室的温度是否超过了预警值。这些例子都说明无线传感器网络系统是以数据为中心的。由于与物理世界密切相关，其高出错频率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要为其设计新的工作模式【4】。1.4研究容本文的设计目标是通过一个协调器和假设干个路由器和终端节点,搭建一个蔟型的ZigBee网络，其中采用的ZigBee协议软件基于ZigBeeV1.0与IEEE802.15.4标准自行开发，到达测量环境温湿度的要求。本文的主要工

35、作如下：1分析IEEE802.15.4和ZigBee协议，理解ZigBee技术的特性和通信原理，详细分析ZigBee协议栈构架，并能设计编写具有根本组网，数据传输等功能的协议栈。2根据节点的物理特性，选择适宜的微处理器和无线传输芯片，组建无线传感器网络节点，包括电路连接，相应外围电路设计，射频电路设计,温湿度传感器节点的设计等。3测温湿度软件、仿真过程的表达及整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能到达预定的性能指标。1.5论文构造本文主要研究了无线传感网络的特点、构造，分析了ZigBee协议的架构，各层规及数据格式，在此根底上使用CC2530微控制器以及温湿度传感器等外围模块搭建节点，设计与

36、实现了在此硬件根底之上的ZigBee协议栈，并进展了相关的测试，各章安排如下：第一章即本章介绍了无线传感器网络的概念、特点、国外开展概况。第二章介绍了ZigBee协议的根本构架，分析了物理层、数据链路层、网络层及应用层的功能、规、数据格式等。第三章设计了网络系统的硬件平台，重点进展节点的硬件设计，包括器件的选择、节点的构造设计以及硬件电路设计。第四章无线传感器网络通信系统的软件设计，实现了无线传感器网络系统的根本组网和数据采集以,包括程序的根本流程，所用函数的编写。第五章对本文进展了总结。1.6本章小结本章主要介绍了无线传感器网络的概念、特点、国外开展概况、同时对本文将要采用的ZigBee技术

37、做了简要介绍，然后对本文所做的研究工作和论文构造进展了介绍。第2章 ZigBee协议标准介绍ZigBee技术是最近开展起来的一种近距离无线通信技术，以2.4Ghz为主要频段，采用扩频技术，具有低功耗、本钱低、易应用等显著特点，ZigBee被业界认为是最有可能应用在智能家居、工业应用、智能交通、智能建筑、医院监护等领域的无线技术。2.1 ZigBee技术概述2.1.1 ZigBee主要特性ZigBee显著的特点就是低速率、低功耗、低本钱、自配置和灵活的网络拓扑构造。1低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月、甚至更长。这是ZigBee的突出优势，相比拟，蓝牙能工作数

38、周、WiFi可工作数小时。2低本钱：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费，每块芯片的价格大约为2美元。3低速率：ZigBee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。4近距离：传输围一般介于10100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到13km，这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接

39、力，传输距离将可以更远。5短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比拟，蓝牙需要310s、Wi-Fi需要3s。6高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络构造，由一个主节点管理假设干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。7高平安：ZigBee提供了三级平安模式，包括无平安设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其平安属性。8免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗(I

40、SM)频段2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。2.1.2 ZigBee网络拓扑构造ZigBee协议主要采用了二种组网方式：星状网和网状网，网络拓扑构造如图2-1所示：图2-1 ZigBee二种拓扑构造在星状网中，以PAN协调器为中心，所有设备只能与中心设备PAN协调器进展通信，终端设备之间的通信通过PAN协调器的转发来完成，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立PAN协调器。任何一个FFD设备都有成为PAN协调器的可能，一个网络如何确定自己的PAN协调器由上层协议决定。在这种网络中，PAN协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭

41、自动化、个人计算机的外设以及个人*护理等小围的室应用。在网状网中，无线传感器网络的网络拓扑构造中，最复杂的拓扑构造也是最终实现的目标是网状网络(MeshNetwork)。在这种构造中，节点与节点之间的构造是“to.Pint构造。这种构造无线网络连成一网，网络非常强健，伸缩性好，在个别链路和终端节点发生失效时，不会引起网络分立。可以同时通过多条路由通道传输数据，传输可靠性非常高。在上述的网络拓扑构造中，网络的形成和维护都是通过设备之间的通信而自动实现，不需要人工来干预。2.1.3 ZigBee网络工作模式ZigBee网络的工作模式可以分为信标Beacon和非信标(Non-Beacon)两种模式，

42、信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以到达最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进展周期性休眠，协调器和所有路由设备必须长期处于工作状态。信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms4mins之间)向网络播送信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个一样的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个局部，消息只能在网络活动区的各时槽发送。非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据，终端设备主动向其父节点提取数据的机制，实现终端设备的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有父节点需为自己的终端设备子节点缓存数据帧，所有终端设备子节点的大多数时间都处

43、于休眠模式,周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms【5】。2.2 ZigBee协议架构ZigBee的协议架构是建立在IEEE802.15.4标准根底之上的，IEEE802.15.4标准规定了ZigBee的物理层PHY和介质控制层MAC；ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层NWK、应用层APL和平安效劳规，ZigBee协议栈的构造如图2-2所示：图2-2 ZigBee协议栈的体系构造模型图ZigBee协议栈的每层为其上一层提供一套效劳功能：数据实体提供数据传输效劳，管理实体提供其他的效劳。每个效劳实体和上层之间的接口称作“效劳点

44、SAP，通过SAP交换一组效劳原语为上层提供相关的效劳功能。物理层提供两类效劳：物理层数据效劳和物理层管理效劳。PHY层功包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测ED、链路质量指示LQI、信道评估CCA和通过物理媒体收发数据包。媒体控制层MAC层提供MAC层数据效劳和MAC层管理效劳，其主要功能包括采用CSMA/CA进展信道控制、信标帧发送、同步效劳和提供MAC层可靠传输机制。网络层提供设备参加/退出网络的机制、帧平安机制、路由发现以及维护机制。ZigBee协调器的网络层还负责新网络并为新关联的设备分配地址。ZigBee应用层包括应用支持子层APS、ZigBee设备对象ZDO和制造商定义的应用对

45、象。APS子层负责维护绑定列表，根据设备的效劳和需求对设备进展匹配，并在绑定的设备之间传送消息。ZDO负责发现网络中的设备并明确其提供的应用效劳。IEEE802.15.4标准是针对低速率无线个人区域网络(LR-WPAN)通讯制定的标准，定义了LR-WPAN的PHY层和MAC层。在此根底上ZigBee联盟定义的ZigBee标准包括NWK层，APL层及SSP层的标准。本小节主要分析PHY层，MAC层，NWK层和APL层的标准。2.2.1物理层PHYIEEE802.15.4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ED、链路质量指示LQI、信道评估CCA和通过物理媒体收发数据包。I

46、EEE802.15.4物理层定义了868Mhz、915Mhz和2.4Ghz三个频段。表2-1所示即为这三个频段上分别所采用的调制和扩频技术参数。表2-1IEEE802.15.4的扩频和调制参数物理层工作频率(Mhz)频道数扩频参数传输参数码片率(kchip/s)调制方式传输率kb/s数据符号868Mhz物理层868-868.61300三相的相位健控调制BPSK20二进制915Mhz物理层902-92810600二相的相移控件调制BPSK40二进制2.4G物理层2400-2483.5162000偏移四相相移控件调制BPSK25016 状态组IEEE802.15.4物理层在三个频段上共划分了27个

47、信道，信道编号为026。2450Mhz频段上划分了16个信道，915Mhz频段有10个信道，868Mhz频段有1个信道，27个信道的中心频率和对应的信道编号定义如式2.1所示。(2.1)式中k指的是信道号，Fc的单位为MHz。物理层通过射频固件和硬件提供MAC层与物理无线信道之间的接口。从概念上说，物理层还应该包括物理层管理实体PLME，以提供调用物理层管理功能的管理效劳接口；同时PLME还负责维护物理层PAN信息库PHY PIB。物理层参考模型如图2-3所示。图2-3物理层参考模型其中，物理层数据效劳节点PD-SAP支持在两个对等的MAC实体之间传输MAC协议数据单元MPDU，物理层管理实体

48、效劳点PLME-SAP允许在MLME和PLME之间传送管理命令。物理层协议数据单元PPDU由三局部组成：同步头SHR允许接收设备同步并锁定数据流；物理层帧头PHR包含的是帧长信息；有效载荷局部为PSDU，其格式如表2-2所示：表2-2PPDU格式字节数:411可变长度引导序列帧开场符帧长(7位)预留(1位)物理层效劳数据单元PSDU同步头(SHR)物理层帧头(PHR)物理层有效载荷引导序列：收发信机用来获得码片和符号同步，它是32位长度的全0序列。帧开场符SFD：表示引导序列的完毕和数据帧的开场。帧长字段：它用7位表示物理层有效载荷PSDU的长度。PSDU 字段：可变长度的字段，它是物理层要发

49、送的数据包MPDU。2.2.2媒体控制层MACMAC层位于NWK层和PHY层之间，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PAN关联和解关联、CSMA-CA信道机制、处理和维护保证时隙GTS机制、在两个对等MAC实体间提供可靠链路。MAC层提供了特定效劳会聚子层SSCS和物理层之间的接口。从概念上说，MAC层还包括MAC层管理实体MLME，以提供调用MAC层管理功能的管理效劳接口；同时，MLME还负责维护MAC PAN信息库MAC PIB。MAC层通过MAC公共局部子层MCPS的数据SAPMCPS-SAP提供MAC数据效劳；通过MLME-SAP提供MAC管理效劳。这两种效劳通过

50、物理层PD-SAP和PLME-SAP提供了SSCS和PHY之间的接口。除了这些外部接口外，MCPS和MLME之间还隐含了一个部接口，用于MLME调用MAC数据效劳，MAC层参考模型如图2-4所示：图2-4MAC层参考模型MAC层数据效劳中MCPS-SAP支持两个对等的SSCS实体之间SSCS协议数据单元SPUD的传输。MAC层管理效劳中MLME-SAP支持在MAC层和其上层之间传递管理命令。MAC帧，即MAC协议数据单元MPDU，是由一系列字段按照特定的顺序排列而成的。MAC帧通常包括三局部：MAC头、MAC有效载荷和MAC尾。MAC头局部由帧控制字段、帧序号字段和地址信息域组成；MAC有效载

51、荷局部的长度与帧类型相关，确认帧的有效载荷局部长度为 0；MAC尾是帧校验序列FCS，MAC帧格式如表2-3所示：表2-3MAC帧格式字节数:210/20/2/80/20/2/8可变长度2帧控制帧序号目的 PAN标识码目的地址源 PAN标识码源地址帧有效载荷FCS地址信息MAC 头MHRMAC 有效载荷MAC 尾MFR帧控制：占2个字节，包含了帧的类型、寻址、平安等信息。帧序号：占 1 个字节，表示发送帧的序号，协调器使用*种算法选择一个随机值并存储下来，在帧发送的时候将存储的随机值复制到帧序号，随着每一帧的发送，依次加 1。目的PAN表示符：占2个字节，表示接收方所在PAN的标识符。目的地址

52、：表示帧发送目的节点的地址，根据地质模式，占2个字节16位段地址或8个字节64位长地址。源PAN标识符：占2个字节，为发送方所在PAN的标识符。源地址：表示帧发送源节点的地址，根据地址模式，占2个字节16位段地址或8个字节64位长地址。帧负荷：MAC帧传送的数据。帧检验序列FCS：FCS是对MAC帧头和有效载荷计算得到的16位ITUT CRC序列。IEEE802.15.4中的MAC帧包括四种类型：信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。信标帧用于节点请求参加网络时，PAN协调器对本PAN的信息发布，供节点选择是否参加本网络。此外，信标帧在需要进展同步的PAN中又具有传送时隙分配信息及同步信息的功能。数

53、据帧用于向对等的MAC层实体传送上层递交来的数据信息。确认帧仅当上次接收到的数据帧或命令帧需要进展接收确认时才发送。命令帧用于发送各种MAC层相关命令，包括关联请求、数据发送请求、协调者重分配请求、信标请求等。2.2.3网络层NWK网络层在MAC层与应用层之间提供适宜的接口，通过激发MAC层的动作执行寻址和路由功能。主要任务包括：发起一个网络并且分配网络地址(PAN协调器)；向网络中添加设备或者从网络中移除设备；将消息路由到目的节点；对发送的数据进展加密；在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。网络层提供保证IEEE802.15.4MAC层正确工作的能力并为应用层提供适宜的效劳接口。网络层也包

54、括两个效劳实体-网络层数据实体和网络层管理实体，网络层数据实体NLDE通过NLDE-SAP为应用层提供数据效劳；网络层管理实体NLME通过NLME-SAP为应用层提供管理效劳。NLME要借助NLDE完成局部管理任务，另外它还要维护一个有关管理对象的数据库-网络层信息库NIB，网络层参考模型如图2-5所示：图2-5网络层参考模型NLDE 提供的数据效劳允许在同一网络中的两个或多个设备之间传输应用协议数据单元APDU。具体来说，NLDE提供的效劳：一是在应用支持子层PDU根底上添加适当的协议头产生网络协议数据单元NPDU；二是根据拓扑路由，把NPDU发送到通信链路的目的地址设备或通信链路的下一跳。

55、NLME提供的管理效劳允许应用与协议栈之间交互。具体来说，NLME提供的效劳包括配置新设备、创立新网络、设备请求参加/离开网络和ZigBee协调器或路由器请求设备离开网络、寻址、紧邻发现、路由发现、接收控制等。NWK帧由两个根本局部组成：NWK头和NWK有效负载。NWK头局部包括帧控制、地址和序号信息；NWK有效负载局部包含的信息因帧类型的不同而不同，它是可变长度的，NWK帧的一般格式如表2-4所示：表2-4网络层帧格式字节:22211可变长度帧控制目的地址源地址播送半径的一般格式如图并为应用层提供适宜的效劳和管理播送序列号帧负荷路由信息网络层头部网络层负荷帧控制：标识了帧的类型、所用的协议类

56、型以及是否采取了平安措施。目的地址/源地址：此帧接收节点和发送节点的16位网络地址，其中16位网络地址在网络连接建立时已经分配好。播送半径：表示节点发信机发射信号可以被接收到的围。播送序列号：表示播送帧的序号，随着帧的播送序号递增。帧负荷：网络层帧所承载的有用信息【6】。2.2.4 ZigBee应用层ZigBee应用层包括应用支持子层Application Support Sublayer，APS、应用框架，ZigBee设备对象ZigBee Device Objects，ZDO和 ZDO管理平台APS子层的任务是维护绑定表和在绑定设备之间传递信息。ZDO负责定义设备在网络中的角色如ZigBee

57、协调器或终端设备、发现设备并决定设备所能提供的应用效劳、初始化并响应绑定请求和在网络设备之间建立平安关系。APS子层概述：ZigBee设备对象应用支持子层APS在网络层和应用层之间，通过一组ZigBee设备对象ZDO和厂商定义的应用对象都可以使用的效劳，提供了网络层和应用层之间的接口。应用支持子层包含两个实体：APS数据实体APSDE和APS管理实体(APSME)。APSDE 通过APS数据实体效劳接入点(APSDE-SAP)在同一网络的两个或多个设备之间提供数据传输效劳；APSME通过APS管理实体效劳接入点(APSME-SAP)提供效劳机制，以发现和绑定设备，并维护一个管理对象的数据库AP

58、S信息库(AIB)。APS子层参考模型如图2-6所示：图2-6APS子层的参考模型ZigBee应用层框架是应用设备和ZigBee设备连接的环境。在应用层框架中，应用对象(Application Object)发送和接收数据通过APSDE-SAP实现，而对应用对象的控制和管理则通过ZDO公用接口来实现。APSDE-SAP提供的数据效劳包括请求、确认、响应以及数据传输的指示信息。用户可以定义多达240个不同的应用对象，每个应用对象由端口1到端口240来标识，端口241254保存做将来使用，此外，还有两个附加的端口：端口0用于DO的数据接口，端口255用于所有应用对象的播送数据的数据接口。使用APS

59、DE-SAP提供的效劳，应用层框架提供了应用对象的两种数据效劳类型：键值对(Key Value Pair，KVP)效劳和通用信息(Message Service Type，MSG)效劳。两者传输机制一样，不同的是：KVP较为严格，是专门为传输一组特征量而设计的；MSG构造上则比拟自由，不采用应用支持子层数据帧的容，留给用户自己定义。ZigBee设备对象(ZDO)：ZigBee设备对象(ZDO)，描述了一个根本的功能函数类，在应用对象、配置文件(Profile)和应用支持子层之间提供了一个接口。ZDO位于应用框架和应用支持子层之间。它满足了ZigBee协议栈所有应用操作的一般要求，ZDO还有以下

60、作用：初始化应用支持子层、网络层、平安效劳文档(Security Services Specification，SSS)。从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、平安管理、网络管理、以及绑定管理。ZDO描述了应用框架层的应用对象的公用接口以及控制设备和应用对象的网络功能，提供了与协议栈中低一层相连的接口，数据信息通过APSDE-SAP相连，控制信息通过APSME-SAP相连。在ZigBee协议栈的应用框架中，ZDO公用接口提供设备发现、绑定以及平安等功能的地址管理。ZigBee设备对象管理平台：ZigBee设备对象管理平台管理网络层和应用支持子层，在ZigBee设备对象执行部工作时允许其与网