【正文】 gBee 技術(shù)。 第 4章 軟件部分設(shè)計(jì)。通過查詢常見傳感器的硬件接口電路，對溫濕度傳感器信息采集傳輸和串口無線控制節(jié)點(diǎn) LED 亮滅實(shí)驗(yàn)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)閷儆跓o線通信領(lǐng)域， ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè)使用頻率 （全球）、868MHz（歐洲）、 915MHz（美國）， 傳輸速率分別對應(yīng)于 250kbit／ s， 20 kbit／ s，40 kbit／ s。 表 常用無線通信技術(shù)參數(shù) 通信種類 頻段 距離 速率 功耗 節(jié)點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) ZigBee 1075m 10250kbps 低 255 低沉本、可靠性高、低功耗 IrDA —— 1m 14Mbps 中 2 短距離、低成本 Bluetooth 110m 1Mbps 高 7 短距離、易操作 WiFi 1100m 10Mbps 高 32 便攜性、高速、適應(yīng)性強(qiáng) UWB 10m 1Gbps 低 100+ 分辨率高 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 5 由于 ZigBee具備自身完善的通訊標(biāo)準(zhǔn)，其被認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在智能家居、傳感網(wǎng)絡(luò)、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域之中。每塊芯片的價(jià)格大約為 2 美元。 (6) 安全： ZigBee 具有三級安全模型，分別為沒有安全設(shè)置、訪問控制列表（ ACL）的使用來防止數(shù)據(jù)和使用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（ AES128）的對稱密碼，從而確定安全性能的靈活性。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 6 節(jié)點(diǎn)間的通道并不是一成不變的，也不僅僅只有一條，實(shí)際上在應(yīng)用中，并不能保證每條線路都能夠暢通無阻， 就像城市的街道一樣， 會(huì)因?yàn)橥话l(fā) 車禍 、 道路 臨時(shí) 維修 情況導(dǎo)致這 條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí) 擁堵甚至 中斷， 然而通往目的地的道路不只有一條 ，車輛（ 傳輸數(shù)據(jù)單元）可以迅速查找可替代的道路到達(dá)終點(diǎn) 。 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 預(yù)先設(shè)定的傳輸路徑并不是一成不變的 ， 往往會(huì)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е侣窂街袛?， 或者通道過于擁堵導(dǎo)致數(shù)據(jù) 無法傳送的情況時(shí)有發(fā)生 。協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用層 (APL)架構(gòu) ZigBee 聯(lián)盟 則是由 定義 ， APL包括 應(yīng)用支持子層 (APS)和 ZigBee 設(shè)備對象 (ZDO)。每個(gè) 頻段 都以不同的速率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對應(yīng)于 20 kbit/s， 40 kbit / s 和 250 kbit／ s。 在 MAC 層的功能主要包括：同步設(shè)備，設(shè)備的維護(hù)和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以生成并發(fā) 送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，為 設(shè)備 提供支持服務(wù)的安全性，使用 CSMACA 機(jī)制訪問模式的渠道，兩 個(gè) 等價(jià) MAC 層實(shí)體之間 建立 可靠的通信鏈路，維護(hù)處理保護(hù)時(shí)隙（ GTS）機(jī)制 [9]。序列號域的長度為 8 bits，給 幀 賦予了獨(dú)一 的序列標(biāo)識號 ，僅僅在 確認(rèn) 該 幀序列號與 前一次 傳輸數(shù)據(jù)幀的序列號 相同的情況下 時(shí) ，方能 判斷 成功完成 數(shù)據(jù) 傳輸業(yè)務(wù)。源 PAN 標(biāo)識符長度為 16bits，標(biāo)識出 當(dāng)前 數(shù)據(jù)發(fā)出 幀設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)唯一標(biāo)識符。 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的功能是建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的連接、同時(shí)決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模型。 圖 網(wǎng)絡(luò)層的參考模型 數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 （ NLDE） 主要提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) ， 允許一個(gè)設(shè)備傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元給 位 于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)或者多個(gè)設(shè)備。 應(yīng)用層 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中 ， 應(yīng)用層是最高的協(xié)議層。用戶應(yīng)用程序由用戶根據(jù)需要添加程序代 碼。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序是用戶 自由 定義的應(yīng)用對象 ，每個(gè) 應(yīng)用對象 分別 對應(yīng)一個(gè)序號范圍為 1240 的 端點(diǎn) ， 這樣一個(gè)應(yīng)用框架就構(gòu)成了 。 FFD 具備 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的全部功能，隨時(shí)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意任務(wù)角色。 PAN 協(xié)調(diào)器是 PAN 網(wǎng)絡(luò)的總控制器，它在一個(gè) PAN 網(wǎng)絡(luò)中僅能出現(xiàn)一次，而且必須是 FFD。一個(gè) FFD可以和其余的任意設(shè)備通信，無論 FFD 或者 RFD，但是 RFD 卻只能和 FFD 通信。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的 ZigBee 協(xié)調(diào)器（ PAN 協(xié)調(diào)器）所實(shí)現(xiàn)的功能與WiFi網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)（ AP）完全不同 [17]，這里的 ZigBee 協(xié)調(diào)器只是個(gè) FFD，起到網(wǎng)絡(luò)中心控制的作用，它不僅是為對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，還可以有自己的應(yīng)用 [18]。每個(gè) PAN 之間都有一個(gè)唯一的標(biāo)識 ID，通過這樣的標(biāo)識 ID，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間就可以互相識別，并且利用短地址就可以進(jìn)行通信，提高了傳輸效率，如果兩個(gè) PAN 使用了同一個(gè)標(biāo)識 ID，分屬于兩個(gè)不同 PAN 內(nèi)的并且在通信范 圍內(nèi)的設(shè)備也會(huì)進(jìn)行通訊，這種情況是需要避免的 [19]。在點(diǎn)對點(diǎn)型網(wǎng)絡(luò)中，任何FFD 都能夠承擔(dān) PAN 協(xié)調(diào)器的角色，完成 PAN 協(xié)調(diào)器控制中心的任務(wù)。 圖 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 14 如果在互相通訊的節(jié)點(diǎn)設(shè)備間限制條件，點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)就能夠形成不同的形狀，假如沒有局限，點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)就成了圖 所示的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這時(shí)樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)能夠通過路由器對消息的轉(zhuǎn)發(fā)來繞過障礙物，使消息最終到達(dá)設(shè)備 B。這個(gè) PAN 標(biāo)識符使得網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以使用 16 位短地址來和網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通信。當(dāng)有 APUD（即 NSDU）需要傳送到對等 APS 子層實(shí)體時(shí)，本地 APS 子層實(shí)體就產(chǎn)生該原語。 NLDE 收到來自 MAC 層實(shí)體的正確尋址數(shù)據(jù)幀后就像 APS 子層發(fā)送該指示原語。 (3) 連接或離開網(wǎng)絡(luò)：具備對網(wǎng)絡(luò)的控制能力包括連接和離開，以及具備為組建一個(gè) ZigBee 協(xié)調(diào)器或 ZigBee 路由器來控制設(shè)備連接斷開網(wǎng)絡(luò)的能力。 (7) 接收控制：控制設(shè)備接收狀態(tài)的能力，用于接收數(shù)據(jù)的接收時(shí)間接 收 時(shí)間，控制時(shí)間的長度，確保 MAC 層之間同步和數(shù)據(jù)正 常接收等。 圖 通用的網(wǎng)絡(luò)幀格式 發(fā)現(xiàn)路由子域決定該幀的路由 框架的選擇 。如果發(fā)現(xiàn)路由設(shè)置 為啟用，并且沒有到目的地址的路由，那么就進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。 如果 幀 包含源路由域，然后 幀 控制域的 源 路由域設(shè)置為 1。 如果 IEEE 地址子域設(shè)置為 1，網(wǎng)絡(luò)層可以選擇性地在網(wǎng)絡(luò) 幀只能夠包含 64位的 IEEE 地址。發(fā)送每次新的幀，序列號就會(huì)增一。當(dāng)非成員半徑域變成零時(shí)，該幀不再被非成員設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，如果非成員半徑值設(shè)置為 0x07，則次數(shù)無限制。網(wǎng)絡(luò)層命令標(biāo)識符和命令有效載荷組成了網(wǎng)絡(luò)層幀的有效載荷。常見的路由算法有 Tree 路由算法、AODV 路由算法、 TAODV 路由算法。 Tree 路由算法的 本身的 網(wǎng)絡(luò)分布是注定的 ， 設(shè)備只能從它的父設(shè)備獲取網(wǎng)絡(luò)地址。路徑的通信成本是指整個(gè)路徑上所有連接的成本之和。當(dāng)源節(jié)點(diǎn) S 向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D 發(fā)送數(shù)據(jù)包并發(fā)現(xiàn) D 節(jié)點(diǎn)不可到達(dá)時(shí)， S 節(jié)點(diǎn)會(huì)通過廣播發(fā)起路由請求，即向網(wǎng)內(nèi)設(shè)備發(fā)送廣播幀 RREQ[26]。源節(jié)點(diǎn)、目 的節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則構(gòu)成了路由發(fā)現(xiàn)算法，如圖 。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 21 TAODV 路由算法 從以上兩種路由算法是可以看出， Tree 路由 算法 與 AODV 路由算法有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中要綜合通信成本及最優(yōu)路徑的要求， 結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，將路由器分為全路由器和簡化路由器，提出 TAODV 算法。 圖 TAODV 路由算法 終端設(shè)備 A 要發(fā)送信息給節(jié)點(diǎn) E，因?yàn)樗荒芙o設(shè)備 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，其父設(shè)備是全功能路由器，它在設(shè)定好的緩存中先把數(shù)據(jù)放入，之后查看路由表，尋找路由表中是否已經(jīng)存在一條由 A 到 E 的最優(yōu)路徑，結(jié)果路由表中不存在最優(yōu)路徑，此時(shí)它啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由過程，以廣播形式發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包 RREQ，傳輸 REQ 到目標(biāo)設(shè)備 E 共有兩種路徑，如圖所示， BDE 和 BCDE。當(dāng)設(shè)備 E 收到數(shù)據(jù)后，井確認(rèn)沿 EDBA 路徑發(fā)送確認(rèn)信息，A 收到確認(rèn)信息后，標(biāo)著整個(gè)路由過程的結(jié)束。IAR 的啟動(dòng)界面如圖 ，工程界面如圖 所示。完成以上工作 ， 就基本完成了一個(gè)新任務(wù)的添加。定時(shí)器代碼： case ZDO_STATE_CHANGE: SampleApp_NwkState = (devStates_t)(MSGpkt)。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 25 節(jié)點(diǎn)部分代碼： 協(xié)調(diào)器部分代碼： void SampleApp_SendPeriodicMessage( void ) {char buf[]=~HELLO!~。SampleApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS )。 // 已經(jīng)使用該變量，無需警告 if ( events amp。break。 MT_UartAppFlowControl (MT_UART_ZAPP_RX_READY)。 osal_start_timerEx( SampleApp_TaskID, SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT, SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT )。? (void)task_id。break。 //不管何時(shí)設(shè)備狀態(tài)改變依舊接收信息。 osal_start_timerEx( SampleApp_TaskID,SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT, SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT )。} osal_msg_deallocate( (uint8 *)MSGpkt )。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為當(dāng) PC 機(jī)通過串口工具發(fā)送“ on”命令時(shí)，節(jié)點(diǎn) 模塊 LED 被點(diǎn)亮，發(fā)送“ off”時(shí)， LED 燈被熄滅。 // 發(fā)送 periodic消息 // 發(fā)送周期信息 (+ a little jitter)? osal_start_timerEx( SampleApp_TaskID, SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT, (SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT + (osal_rand() amp。 } return 0。 CC2530 具有多種操作模式，使其能夠 勝任 超低功耗要求系統(tǒng) 的 工作。 圖 CC2530 硬件圖 ZigBee（ CC2530）模塊設(shè)計(jì)有兩個(gè) LED 燈，用來編程調(diào)試使用，分別連接基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 29 CC2530 的 P1_0、 P1_1 兩個(gè) IO 引腳， 2 個(gè) LED 燈供陽極，即低電平時(shí) LED 燈會(huì)被點(diǎn)亮。下面介紹幾種常見的傳感器。一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號。 （ 4） 三軸加速傳感器（如圖 ）： 大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集。 圖 多節(jié)點(diǎn)溫度采集 通過仿真器將完整工程文件分別下載到協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，定義節(jié)點(diǎn)傳感器類型為溫濕度傳感器，注意各節(jié)點(diǎn)物理地址唯一，并設(shè)定唯一網(wǎng)絡(luò) PAN ID，避免與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沖突。通過芯片相應(yīng)控制代碼來檢測溫濕度傳感器狀態(tài)。通過發(fā)送“ on”、“ off”信號來控制 LED 燈的亮滅，協(xié)調(diào)器在收到相應(yīng)命令后，一方面對節(jié)點(diǎn)傳送指令，另一方面對串口信息進(jìn)行回傳。通過在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中實(shí)際搭建網(wǎng)絡(luò)，分析組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、串口數(shù)據(jù)通信以及無線控制節(jié)點(diǎn)過程，進(jìn)一步驗(yàn)證各層。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 33 圖 串口終端顯示 結(jié)論 本文主要對 ZigBee 無線通信技術(shù)進(jìn)行了介紹分析，著重于對 ZStack 協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了深入研究，在博創(chuàng)科技提供的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺(tái)上，完成了網(wǎng)路曾的開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 協(xié)議模塊自組網(wǎng)功能，并成功完成了各節(jié)點(diǎn)的溫濕度采集，也實(shí)現(xiàn)了通過串口對節(jié)點(diǎn)設(shè)備的成功控制。如圖 。溫濕度傳感器與 ZigBee 模塊的 AD 排陣相連。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 30 圖 溫濕度傳感器硬件接口圖 圖 紅外對射傳感器硬件接口圖 圖 三軸加速傳感器硬件接口圖 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集 31 圖 霍爾開關(guān)傳感器硬件接口圖 基 于自組網(wǎng)的多節(jié)點(diǎn)溫度采集 實(shí)驗(yàn)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)連接一個(gè) SHT11 型溫濕度傳感器，采集并傳輸信息給上位機(jī) ARM6410，借助觸摸顯示屏程序完成各節(jié)點(diǎn)溫濕度信息的顯示。 （ 3） 紅外對射傳感器（如圖 ）：其偵測原理乃是利用經(jīng) LED 紅外光發(fā)射二極體發(fā)射的脈 沖紅外線，再經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理使光線傳至很遠(yuǎn)距離，由受光器接受。市場上的溫濕度傳感器一般是測量溫度量和相對濕度量。它是按照一定的規(guī)律將外界信息轉(zhuǎn)化為電信號或其他形式的信息輸出， 以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求 [30]。 CC2530F256 融合 了 全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司 德州儀器 （ TI）的 黃金單元 ZigBee協(xié)議棧 ZStack，提供了一個(gè)完善而又強(qiáng)大的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)解決方案 [29]。 } 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無線信息采集