【正文】 e 成立 . 2021 年 ,ZigBee 誕生 .它是 ZigBee的第一個規(guī)范 .但由于推出倉促 ,存在一些錯誤 . 2021 年 ,推出 ZigBee 2021,比較完善 . 2021 年底 ,ZigBee PRO 推出 ZigBee 的底層技術(shù)基于 IEEE . 物理層和 MAC 層直接引用了 IEEE 在藍牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。 長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。它是 ZigBee 應(yīng)用屋和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們 的通信效率非常高。 ZigBee技術(shù)的產(chǎn)生正是基于以上的要求。 近年來，數(shù)字家庭、無線通信、無線控制、無線定位、無線組網(wǎng)和移動連接等詞語頻頻映入眼簾。最近幾年，無線通信技術(shù)在國內(nèi)外醫(yī)療市場得到了廣泛的應(yīng)用，無線醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用迅猛增長。 盡管只能家庭的概念已經(jīng)提出很多年了，但是由于相應(yīng)的通信技術(shù)及應(yīng)用方面的發(fā)展速度緩慢，智能家庭一直沒有走向?qū)嵱没?。根?jù) ZigBee 聯(lián)盟最初的設(shè)想， ZigBee 的目標市場主要有 PC 外設(shè)、消費類電子設(shè)備、家庭內(nèi)智能控制、玩具、醫(yī)護、工控等廣闊的領(lǐng)域。根據(jù) ABI Research 于 2021 年發(fā)布的調(diào)研數(shù)據(jù)，自 2021 年到 2021 年 與 ZigBee 芯片組經(jīng)濟呈上升趨勢，其收入的復合年均增長率為 63%[7]。由于某些地方的制約， ZigBee 技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時日，但現(xiàn)在己經(jīng)表現(xiàn)出了其非凡的應(yīng)用價值，隨著技術(shù)的發(fā)展和推進，在不久的將來，一定會得到更大的應(yīng)用 [8]。在我國， ZigBee技術(shù)的研究工作相對于國外是比較晚的，它的技術(shù)、應(yīng)用都還遠遠比不上國外，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該穩(wěn)定自身發(fā)展的同時，抓住商機，推動整個行業(yè)成熟的發(fā)展。 ZigBee技術(shù)在學術(shù)界的研究領(lǐng)域主要集中在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線通信技術(shù)和通 4 信協(xié)議方面，此外進行了一些數(shù)據(jù)查詢處理方面的研究，取得了一些初步的研究成果 [9]。主要工作范圍是無線通信模塊的實現(xiàn)，該系統(tǒng)采用半雙工模式，以 ZigBee 發(fā)射模塊為參考 溫度采集系統(tǒng) 中通信部分進行設(shè)計，中心控制芯片采用 CC2430，達到獨立控制整個發(fā)射或接收系統(tǒng)，實現(xiàn)軟件控制。 分析了 ZigBee 技術(shù)的特點、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，及干擾抑制技術(shù)，最后對其它無線通信技術(shù)進行比較，并對 ZigBee 技術(shù)與其它無線通信技術(shù)間的干擾進行了分析。 第五部分總結(jié)與展望。下圖 21所示為一個基本工作周期 T，其中只有 Tl 時間段芯片處于工作狀態(tài)，通過競爭取得信道的使用權(quán)，完成數(shù)據(jù)收發(fā)，剩下的很長時間芯片處于低功耗休眠狀態(tài)。在超幀活動期，各子設(shè)備使用時隙 CSMA 一 CA算法競爭取得信道使用權(quán)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，在非活動期，統(tǒng)一地進入休眠狀態(tài)。故選擇方案 1。適當?shù)脑龃蟀l(fā)射功率可加大通信距離。而溫度部分則由 18b20 直接采集傳給單片機。當終端節(jié)點及傳感器上電后，會自動查找空間中存在的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，找到后即加入網(wǎng)絡(luò)，并把該節(jié)點的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，通過傳感器測量數(shù)據(jù)，然后將測量結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并在計算機 8 端進行顯示。 上位機操作主要 部 分 操作界面 主要包括：試驗設(shè)置、打開串口／關(guān)閉串口、開始接收、數(shù)據(jù)分析、曲線分析、查找節(jié)點、單步存儲、退出 8 部分。 ① 單步接收：鼠標點擊?接收數(shù)據(jù)?一次，程序執(zhí)行一次，即數(shù)據(jù)接收一次。 ③ 批量接收：主要針對多節(jié)點的大量數(shù)據(jù)接收，默認間隔為 1 秒。 當基本設(shè)置完成后，單擊?確定?按鈕，回到主界面，單擊?取消?按鈕后依舊回到主界面，但是此時沒有進行試驗設(shè)置，需要重新設(shè)置。 節(jié)點 顯示此試驗編號的對應(yīng)節(jié)點信息。 若沒有進行接收或者數(shù)據(jù)無法存儲接收，則當單擊?數(shù)據(jù)分析?時，會顯示＂數(shù)據(jù)庫連接失敗，無法分析數(shù)據(jù)＂的提示． (５ ).曲線分析 執(zhí)行此操作前，必須設(shè)定一個數(shù)據(jù)庫對分析數(shù)據(jù)進行儲存．如圖 28 所示 圖 28 曲線分析 Figure 28. Curve analyses 1） 試驗編號 即所要分析數(shù)據(jù)的試驗編號。單節(jié)點顯示只會畫出一條曲線，而多節(jié)點顯示時，將會有多條不同顏色的曲線進行顯示。 (６ ).查找節(jié)點 查找節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點． (７ ).單步存儲 與＂單步接收＂相對應(yīng)，當實驗設(shè)置為單步接受時，需要點擊此按鈕進行數(shù)據(jù)存儲，當設(shè)定為其他接收方式時，此欄為灰色． (８ ).退出 退出操作界面． 對用戶而言，當想要獲取傳感器所測量區(qū)域 土壤 的溫 溫度等情況時，只需要點擊 PC機所顯示的地圖上相應(yīng)的節(jié)點。 由于溫度監(jiān)測的實時性不強 ,因此在傳輸數(shù)據(jù)過程中選用了超幀周期 ,以使各溫度監(jiān)測節(jié)點處于低功耗睡眠狀態(tài)的時間較長 ,并盡量減少工作電能的需求 .分布式溫度控制系統(tǒng)信標選取序號為 14,對應(yīng)的信標周期為 24 s,超幀的序號取 0,對應(yīng)的活動時間為 ms,每臺 ZigBee 設(shè)備僅使用其中的一個時隙 ,時間為 ms,占空比約為 000 762 線器件 DS18B20,其溫度測量范圍為 55125℃ ,它本身輸出 數(shù)字信號 ,無需外部信號放大調(diào)理電路 .8 路 DS18B20 硬件以串聯(lián)的方式相連 . 系統(tǒng)總體 設(shè)計 圖 211 為 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)總體框圖 [10]，該系統(tǒng)由 CC2430器件模塊和無線收發(fā)模塊組成。在 CC2430 器件與天線之間加一級接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳送距離。用 1個 32 MHz 的石英諧振器（ X1）和 2 只電容（ C9和 C10）構(gòu)成 1 個 32 MHz 的晶振電路。巴倫電路由電感（ L L L5）和電容（ C1 C1 C26）構(gòu)成。 15 圖 212 CC2430器件模塊電路原理圖 Figure 212. CC2430 module circuit diagram CC2430 發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從差分射頻端口 RF_P、 RF_N 經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?，?RXTX_SWITCH 信號控制 2 個邏輯開關(guān)，選通功率放大電路（ PA），放大后的信號從天線發(fā)射出去。該電路主要由 2 個邏輯開關(guān)電路、功率放大電路（ PA）、低噪聲功率放大電路（ LNA）、阻抗匹配電路、電源濾波電路及偏置電路組成。 17 圖 215 低噪聲功率放大器的供電電路 Figure 215. Lownoise power amplifier supply circuit 18 3 ZigBee 收發(fā)器 CC2430 主要結(jié)構(gòu) 功能特點與結(jié)構(gòu) CC2430 芯片是 Chipcon 公司生產(chǎn)的首款符合 ZigBee 技術(shù)的 射頻系統(tǒng)單芯片。 CC2430soe家族包括 3個不同系列的產(chǎn)品， CC2430 一 F32， CC2430 一 F64 和 CC2430 一 F128。在待機模式時少于 叭的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng) CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合 硬件支持 CSMA/CA 功能 較寬的電壓范圍 () 強大的 DMA 功能 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能 上電復位電路 (P0OnReset)、掉電檢測電路 (Brownout detention)，以及 21個可編程 IO引腳 集成了 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC 集成 AES安 全協(xié)處理器。此調(diào)試接口使用兩個線控制，分別是 DEBUGD 和 DEBUGCLOCK，占用兩個 FO口，當不需要調(diào)試功能時，被占用的 FO 口可配置為通用 FO口使用。 存儲器結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)部有 4類物理存儲器空間，分別是 :SKB 靜態(tài) RAM、硬件 SFR 寄存器、硬件孫寄存器和 FLASH 存儲器。 SFR 區(qū)是 7位寬度可讀寫寄存器區(qū)域，可位尋址， CPU 訪問速度快，一個 CPU周期訪問。每個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點（ SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個 SAP 提供一系列基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。其中應(yīng)用層框架主要包括 3 部分：應(yīng)用支持子層（ APS）、 ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO）和由制造商制定的應(yīng)用對象 。 GHz 物理層采用 16 相調(diào)制技術(shù)，能夠提供 250 kb/s 的傳輸速率，提高數(shù)據(jù)吞吐量，縮短通信時延和數(shù)據(jù)收發(fā)時間，降低功耗。該步驟通過發(fā)出狀態(tài)參數(shù)為INVALID_REQUEST 的 NLMENETWORKFORMATION. confirm 原語來完成。幀數(shù)據(jù)包括幀頭和幀內(nèi)容。應(yīng)用層提供的 Flash 發(fā)送函數(shù)，其程序如下： void Sampleapp_SendFlashMessage（ uint16 flash Time） {uint8 buffer[3]； buffer[0]=（ uint8）（ SampleAppFlashCounter++）； buffer[1]=LO_UINT16（ flash Time）； buffer[2]=HI_UINT16（ flash Time）； if（ AF_DataRequest（＆ SampleApp_Flash_DstAddr，＆ SampleApp_ epodes //發(fā)送的模式和目的網(wǎng)絡(luò)地址 SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID， //串 ID3， //數(shù)據(jù)長度 buffer， //數(shù)據(jù) ＆ SampleApp_TransID， AF_DISCV_ROUTE， AF_DEFAULT_RADIUS） ==afStatus_SUCCESS） //發(fā)送狀態(tài) Else } 為了接收數(shù)據(jù)，設(shè)備必須打開其接收機。一旦接收到幀信息，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體將會檢查幀控制域中安全子域的值。此種方法比外接高阻值熱敏電阻溫度傳感器效果還要好，因為外接的熱敏電阻溫度傳感器，其上電流的消耗是始終都有的。按照 通信速率 千字符 /秒，一次通信的所需的時間為最多為 : 127/62500=2(ms) 一次通信消耗的電能為 : *2ms+27mA*2ms= CC243O 在犯 MHZ 時鐘下全速運行，其內(nèi)核 (不包括盯部分、各種集成的外圍設(shè)備 )消耗電流為 6700 叭。 數(shù)據(jù)集中器是 ZigBee 協(xié)調(diào)器，它上電后，首先初始化協(xié)議棧，然后依下圖 a 傳 25 輸。表 5列出了其中的一部分函數(shù)及其說明。些基本功能函數(shù)為依托，構(gòu)造適合分布式溫度測量系統(tǒng)的上層應(yīng)用程序代碼即下面一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是 macMcPsDataReq_t 結(jié)構(gòu)體的定義 : Type define strict { Mac Event Harsh dry: /*internal use only*/ SData— t made: /*Data Pointer and length*/ MacTxlntData _t internal。實驗結(jié)果表明，利用 ZigBee 技術(shù)來實現(xiàn)井下無線通訊是完全可能的，并成功地實現(xiàn)了井下無線通訊的設(shè)想。例如：系統(tǒng)帶網(wǎng)能力還需加大，以便使傳輸距離更一步增大。研究所做的工作具體總結(jié)如下： （ 1） .做相關(guān)應(yīng)用背景的研究，做出技術(shù)可行性分析，制定工作計劃，制定出系統(tǒng)整體方案針對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、協(xié)議體系結(jié)構(gòu)以及干擾抑制技術(shù)進行深入分析，并與其它無線通信技術(shù)進行比較及對其相互干擾進行研究。今后繼續(xù)研究下去的思路是： 1） 網(wǎng)絡(luò)拓撲 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制對于無線的 ZigBee 技術(shù)而言非常重要。 2） 路由控制 傳統(tǒng) Inter 是通過 TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)。 3） 能量問題 很多情況下，項目的能量問題都是系統(tǒng)考慮的重點， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都是由電池供電，而電池容量非常有限且不可再生，并且對于有成千上萬節(jié)點的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)來說，更換電池非常困難，但是卻要求網(wǎng)絡(luò)生存時間長達幾年甚至數(shù)年。第二，可以設(shè)計專門的提高網(wǎng)絡(luò)能量效率的協(xié)議以及采用專門的技術(shù) ，例如物理層可以采用超寬帶無線通信技術(shù)， MAC 層可以采用適合節(jié)點在休眠和工作狀態(tài)間切換的接入?yún)f(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層可以以能量作為路由度量等。由于節(jié)點的易失效性， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進行綜合 ，提高信息的準確度。 5） 網(wǎng)絡(luò)安全 29 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，不僅要進行傳輸數(shù)據(jù)，而且要進行數(shù)據(jù)采集和融合、任務(wù)的協(xié)同控制。安全路由協(xié)議一般采用多路徑路由、身份認證、鏈路層加密和鑒權(quán)、雙向連接認證和認證廣播等有效機制，增強路由的安全性，提高網(wǎng)絡(luò)抵御信息竊取和外部干擾的能力。由于 ZigBee 工作在 的免費頻段上，在這個頻段上有很多種的無線通信技術(shù)，所以網(wǎng)絡(luò)會受到很大的干擾，今后 EMC上進行更深入的研究，要在硬件和軟件上多做些抗干擾措