【正文】 年 12 月， Chipcon 公司推出內嵌定位引擎的芯片 CC2431。 2020 年 2 月， TI 公司收購了 Chipcon 公 司，又相繼推出了一系列的 ZigBee 芯片， CC2530 就是其中之一。 2020 年 1 月， TI 公司推出一款基于 ZigBee 的協議棧 — Zstack。Zstack 協議棧符合 ZigBee2020 規(guī)范，支持多種平臺，這里面就包括、基于 CC2420 的新平臺以及 TI 的 MPS430，還支持 CC2431。 無線傳感器網路與 ZigBee 的關系 無線傳感器網絡與 ZigBee 技術之間的關系可以從兩方面進行分析：第一，協議標準：第二，應用。 從協議標準來說，大多數無線傳感器網絡的物理層和 MAC 層都是采用 協議標準。 描述了低速率無線個人局域網的物理層和 MAC層協議，屬于 工作組，而 ZigBee技術是基于 標準的無線技術。 從應用上來說， ZigBee 適合低速率、低數據量、低成本的設備。它們只需要很少的能量，就可以把數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，而且可以實現它們之間的組網，實現無線傳感器網絡分布式、低功耗、自組織的特點。 無線傳感器網絡應用現狀 最近幾年，由于物聯網的發(fā)展，無線傳感器網絡大規(guī)模的應用在各個領域中： 1）環(huán)境監(jiān)測 由于人們對與環(huán)境的保護越來越關注，環(huán)境科學涉及領域愈來愈廣，對于環(huán)境的監(jiān)測需求相應增加。無線傳感器網絡為環(huán)境監(jiān)測時采集數據提供了方便，并且還可以不影響環(huán)境。無線傳感器網絡可以運用一定數量的節(jié)點來對周圍環(huán)境的監(jiān)測。如森林環(huán)境監(jiān)測、土壤的酸堿度、空氣的溫濕度、動物的活動等 2）醫(yī)療護理 無線傳感器網絡也可以應用在醫(yī)療研究、護理領域，包括對人體各項生理指標的監(jiān)測，醫(yī)藥的管理等。羅徹斯特大學的科學家就是利 用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī) 療的房間來監(jiān)測病人的重要特征（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及一天的活動。 3）軍事領域 由于無線傳感器網絡節(jié)點造價低廉，可以密集隨機的分布在各種惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中且，隱蔽性強，可以對敵方進行實時監(jiān)控，其中包括敵情偵察、兵力、裝備和物資監(jiān)控，為火控和自制導系統提供精準制導等多方面用途。 4）智能家居 現有的智能家居多以有線網絡為主，布線繁瑣，且網絡處理能力差。而無線傳感器網絡運用在智能家居可以解決這一問題，通過在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網絡和 Inter 連接在一起，可以提高人們的生活質量，是 生活更加舒適、方便。并且可以為家庭提供安防系統，通過傳感器對室內的溫濕度，有無煤氣，有無小偷進行數據采集處理。 目前無線傳感器網絡還存在著如下問題： 1）網絡內節(jié)點的通信問題。傳感器節(jié)點在正常通信過程中，信號可能被一些如墻壁、樹木等障礙物阻擋而受到影響，現在主要用的是改善天線的質量來提高傳輸質量，如何提高傳感器節(jié)點的穿透性是未來需要解決的問題。 2）網絡中傳感器節(jié)點的壽命問題。一般現在使用高能電池、降低傳感節(jié)點的功耗兩種方式來解決這個問題。雖然現在有電池無線充電技術和無線能量搜集技術，但這兩項技術才在處于研究階段，需要 一段時間才能真正成熟。 無線傳感器網路未來 盡管無線傳感器網絡比目前處于初步發(fā)展階段，但已經迅速占領市場，有很強的應用價值。除了在現在的工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療、軍事的運用，還會在更多新興領域中運用發(fā)展，如智能家居、交通、空間探索等，最后是的萬物聯網，也就是我們今天所說的物聯網。 基于 ZigBee 的無線傳感器網絡 由于 ZigBee 具有低成本、低功耗、網絡容量大、數據傳輸速率低、范圍小、工作頻段靈活的特點使 ZigBee 成為現在炙手可熱的技術。它比藍牙更簡單、速率更慢、距離更遠、費用和功率更低。 1) 數據傳輸速率低： 只有 250Kbps，專注低傳輸應用。 2） 功耗低：在低耗電的待機模式下，兩節(jié)普通的 5 號電池可以維持一年以上 ，這也是為什么會更受歡迎。 3)低成本：由于 ZigBee 的傳輸速率低，協議簡單，使其成本大大降低，加之現在大力對其推廣，是其價格變得越來越低。 4）網絡容量大：每個節(jié)點可以最多連接 255 個端點，而一個ZigBee 網絡最多可以容納 65536 個節(jié)點，還可以對 IEEE 地址進行擴展。 5）有效范圍?。嚎梢愿采w一百米之內，足以滿足一個家庭和辦公的需求。 6）工作頻段靈活：使用世界通用的 ，在歐洲使用 868MHz，在美國使用 915MHz，都是免費的。 2 ZigBee 技術原理 ZigBee網絡結構 網絡體系 ZigBee 網絡分為 4 層，從上而下分別為物理層、 MAC 層、網絡層、和應用層。其中物理層和 MAC 層由 標準定義，網絡層和應用層由 ZigBee 聯盟定義，應用層又分別包括 ZDO（ ZigBee 設備對象）、 APS（應用支持子層）、 AF（ ZigBee 應用框架）和 ZigBee 設備模塊和制造商定義的應用對象等組成。 ZigBee 的協議構架 協議棧每層負責處理自己該層所規(guī)定的任務，并向上層提供服務，層與層之間通過服務接口進行通信。大多數層都數據服務接口和管理服務接口。 圖 協議 體系構架 1） 物理層：主要負責工作頻率、 信道的分配以及為媒體介質訪問層提供數據、管理服務。 2） MAC 層：通過 CSMA/CA 機制來避免沖突；在連個同等 MAC實體間提供可靠鏈路；可以通過協調器產生信標，設備通過信標幀來同步；支持設備加入和解除網絡。 3） 網絡層：確保 層正常工作，負責網絡的建立，允許加入設備和離開網絡，提供路由和路由發(fā)現，并且為應用層提供數據管理接口服務。 4） 應用層：主要包括三部分： APS、 ZDO、 AF。應用支持子層（ APS）提供數據管理服務接口，而管理接口提供設備綁定和發(fā)現服務，并傳遞設備之間的消息； ZigBee 設備對象就是協調器、路由器或終端，用于發(fā)起和響應綁定請求，并 完成設備安全機制，發(fā)現網路設備，提供相應的服務。應用 框架為應用對象提供活動空間，為應用對象提供鍵值匹配和報文服務。 網絡拓撲結構 ZigBee 網絡有三種拓撲結構，分別是星型、樹型和網狀型。星型網絡是由一個協調器和多個終端組成，都只能與協調器通信。樹型網絡是由協調器建立網絡，加入多個路由器和多個終端，路由器只能與終端和協調器通信，終端只能通過路由器與協調器通信。網狀型網絡中，每個設備都可以相互通信，一般用戶通過軟件定義一個主協調器。 圖 Zigbee 網絡拓撲結構 從物理層面分，設備類型有全功能設備（ Full FunctionDevice，FFD）和精簡功能設備（ Reduced Function Device， RFD）。在網絡中，全功能設備可以作為可以作為協調器，路由器或終端設備。一個全功能設備可以同時和多個全功能設備通信或精簡功能設備；精簡功能設備只能作為終端，并且只能與一個全功能進行通信。 圖 星型和簇樹型網絡拓撲結構 Zstack 協議棧 軟件介紹 Zstack 協議棧 TI 公司為 ZigBee 開發(fā)的一個平臺，是一個基于輪轉查詢式的操作系統，它的 main 函數在 ZMain 中，總的來說，它一共做兩件工作，一個是系統初始化，即啟動代碼來初始化硬件系統另外一個是開始操作系統實體，它符合 ZigBee2020 規(guī)范，并且是一個半開源的協議棧，其中 MAC 層和 ZMAC 層部分開源，具有強大的功能。 Zstack 協議棧具有和 ZigBee 相同的協議構架，基本都是由物理層、 MAC 層、網絡層和應用層構成。不過， Zstack 協議棧更詳細，部分層的功能和名稱如下： 1） APP：應用層目錄，用戶可以根據自己的要求，在這個目錄中添加自己的任務，這個目錄里面包括了應用層的大部分內容，而我們要實現一項功能通常通過操作任務來實現。 2） HAL：硬件驅動層，里面包含硬件的驅動、操作函數和與之相應的配置。 3） OSAL：協議棧操作系統 4） Profile： AF 層目錄，包含一些 AF 層的處理函數。 5） Securityamp。Services：安全服務層目錄，這個文件包含安全和服務層的處理函數。 6） Tools：工程配置目錄，包含 Zstack 相關配置信息和空間上的劃分。 7） ZDO： ZDO 設備對象目錄。 8） ZMac： MAC 層目 錄，里面包含 MAC 層中所用的參數和 LIB庫函數的回調處理函數。 9） Zmain：主函數目錄，包含一些硬件配置文件和入口函數。 10） Output：輸出文件目錄，通過 IAR 自動生成 。 系統構架 系統初始化 如果要啟動系統，我們需要完成硬件平臺和軟件架構所需要各個模塊的初始化，為操作系統的運行做好準備工作，主要分為系統時鐘初始化、檢測芯片工作電壓的初始化、堆棧的初始化、各個硬件模塊的初始化、 FLASH 存儲的初始化、形成芯片 MAC 地址、非易失變量的初始化、 MAC 層協議初始化、初始化應用層幀層協議、初始化操作系統等，其具體流程圖和對應的函數如圖 。 操作系統的執(zhí)行 通過啟動代碼，我們 為操作系統運行做好準備，然后就開始從操作系統入口程序進行執(zhí)行， 操作系統實體只有一行代碼：osal_start_system()： //No Return from here。 這個函數是個死循環(huán)，沒有返回值，是輪詢操作系統的主體。 系統通過不斷地查詢每個任務中是否有事件發(fā)生，如果有發(fā)生，就執(zhí)行相應的函數，如果有沒發(fā)生，就查詢下一個任務，這樣循環(huán)地往復。 操作系統執(zhí)行的主體部分代碼如下： void osal_start_system( void ) { if !defined ( ZBIT ) amp。amp。 !defined ( UBIT ) for(。) // Forever Loop endif { uint8 idx = 0。 osalTimeUpdate()。 Hal_ProcessPoll()。 // This replaces MT_SerialPoll() and osal_c