【正文】 現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián)) 和非連接(取消關(guān)聯(lián)) 的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供如下服務(wù)：配置一個新設(shè)備；初始化網(wǎng)絡(luò)；加入或離開網(wǎng)絡(luò)；尋址；鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)；路由發(fā)現(xiàn)和接收控制。一組綁定設(shè)備的簇 ID 號相同。)設(shè)備發(fā)現(xiàn)允許 adhoc 網(wǎng)絡(luò)和自愈網(wǎng)絡(luò)。Confirm：確認(rèn)原語，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。如果沒有發(fā)現(xiàn)合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要結(jié)束該程序并通知上一層網(wǎng)絡(luò)建立失敗。只有ZigBee 協(xié)調(diào)器和 ZigBee 路由器才能允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。MAC層將結(jié)果有 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。在調(diào)用下層服務(wù)時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。設(shè)備發(fā)現(xiàn)只能由協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)起。1．應(yīng)用支持子層(APS)APS 負(fù)責(zé)如下工作：表格綁定；綁定設(shè)備間信息發(fā)送；組地址的定義與管理；64 位長地址映射到 16 位網(wǎng)絡(luò)地址；包的分組與組裝；數(shù)據(jù)可靠傳輸。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP) 提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLMESAP) 提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。ZigBee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層載荷三部分組成。應(yīng)用層的主要功能是將輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或者將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為輸出。最低需求估計為：硬件需要 8 位處理器，如 8051；軟件需要 32KB 的 ROM，最小軟件需要 4KB 的 ROM，如 CC2430 芯片具有 8051 內(nèi)核的、內(nèi)存從 32KB 到 128KB的 ZigBee 無線單片機(jī)；網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的 RAM 以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表以及與安全有關(guān)的密鑰存儲器。 （四）ZigBeeZigBee（IEEE ）技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，它具有低功耗、低成本低復(fù)雜度等特點(diǎn)，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式。1998 年，愛立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。(6)兼容性。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場合，ZigBee 技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。其中在 頻段上分為 16 個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(ISM： Industial、Scientific and Meducal)頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請的無線電頻段。這就要求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有魯棒性以適應(yīng)這種情況。良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制機(jī)制能夠提高路由協(xié)議和 MAC 協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標(biāo)定位等很多方面提供基礎(chǔ)，有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是受到很多因素影響，其中包括容錯性、伸縮性、生產(chǎn)成本、部署環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件的限制、傳輸介質(zhì)、功耗等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是多種多樣的，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，有各種應(yīng)用層的協(xié)議，如任務(wù)安排和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議等。為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間盡可能的長，需要合理、有效的控制節(jié)點(diǎn)對能量的使用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架在圖 中，大量傳感器節(jié)點(diǎn)密布于整個被觀測區(qū)域中，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，以使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。(4)高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。他們研制了一個測試感知數(shù)據(jù)查詢技術(shù)性能的 COUGAR 系統(tǒng)，探討了如何把分布式查詢處理技術(shù)應(yīng)用于感知數(shù)據(jù)查詢的處理。近幾年來，國家發(fā)改委、科技部、信息產(chǎn)業(yè)部等均啟動了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及自組織網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研發(fā)項(xiàng)目。目前，ZigBee 是部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主控 MCU 通過SPI 接口與無線收發(fā)模塊的 CC2430 芯片進(jìn)行通信。在系統(tǒng)軟件設(shè)計方而，利用現(xiàn)有協(xié)議、相關(guān)函數(shù)和源代碼，進(jìn)行了相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模擬通信。傳感器節(jié)點(diǎn)利用其內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測量所在周邊環(huán)境的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號，檢測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。ZigBee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳 ZigBee 形舞蹈告知同伴，達(dá)到交換信息的目的。 《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20222020 年)》將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理“作為未來信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重點(diǎn)方向” 。加州大學(xué)伯克力分校研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)查詢技術(shù)，提出了實(shí)現(xiàn)可動態(tài)調(diào)整的連續(xù)查詢的處理方法和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)上多查詢的方法，并研制了一個感知數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) TinyDB。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是自組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡單的專用標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee 的出現(xiàn)正好解決了這一問題。傳感器節(jié)點(diǎn)在對所探測到的信息進(jìn)行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等途徑到達(dá)最終用戶所在的管理節(jié)點(diǎn)。通常，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無法直接和網(wǎng)關(guān)通信，需要通過中間節(jié)點(diǎn)通過多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。每個協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量分配決策。4)網(wǎng)絡(luò)管理接口。這些因素都是在設(shè)計一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法時應(yīng)該考慮的重要因素 【5】 。因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個基本問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps；另外兩個頻段為 915MHz 和 868MHz，其相應(yīng)的信道個數(shù)分別為 10 個和 1 個，傳輸速率分別為 40kbps 和 20kbps。對于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時間和總時間(工作時間+休眠時間) 之比小 1%的情況，電池的壽命甚至可以超過 10 年。ZigBee 技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。它的工作頻率為 ，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)。它同樣使用 波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。ZigBee 聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個電子設(shè)備的無線網(wǎng)，它預(yù)言 ZigBee 將很快成為全球高端的無線技術(shù)，2022 年 ZigBee 節(jié)點(diǎn)達(dá)到 30 億個。圖 Zigbee 協(xié)議結(jié)構(gòu)體系 物理層(PHY)ZigBee 的物理層規(guī)范了通信頻率，ZigBee 所使用的頻率范闌分別為 和868/915MHz。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包(幀)定界符組成，用于獲取符號同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包頭指示載荷部分的長度，物理層載荷部分含有 MAC 層數(shù)據(jù)包，載荷部分的最大長度是 127 字節(jié)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫的維護(hù)和管理。需求水平和服務(wù)水平接口的關(guān)鍵是設(shè)備的綁定。終端設(shè)備響應(yīng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)查詢后，根據(jù)請求發(fā)送自己的 IEEE 地址或網(wǎng)絡(luò)地址。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體根據(jù)能量檢測來對這些信道進(jìn)行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。如果該程序己經(jīng)在其他任意設(shè)備上被運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)層。為了選取建立新網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體需要尋找現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)量最少的第一個信道。圖 服務(wù)原語Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務(wù)。(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點(diǎn)，設(shè)備就會關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)器或路由器。綁定表能把源地址和源端點(diǎn)映射到一個或多個目標(biāo)地址和目標(biāo)端點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與協(xié)議棧相互作用。表３．２物理層數(shù)據(jù)包格式4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量前同步碼 幀定界符 真長度（7 位） 預(yù)留位（1 位） ＰＳＤＵ同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 IEEE 媒介接入控制層(MAC)在 IEEE 802 系列中，OSI 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分力 MAC 和 LLC 兩個子層。兩個物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。因此， IPv6 與 IEEE 結(jié)合是傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動化應(yīng)用設(shè)備。為對語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供 250kB 系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時，立刻傳送。在組網(wǎng)性能上，ZigBee 可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò)，在每一個ZigBee 組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為 16bit 短地址或者 64bit 長地址，可容納的最大設(shè)備個數(shù)分別為 2～16 個和 2～64 個，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。目前在功率控制方面，已經(jīng)提出了 COMpow 等一系列功率分配算法，LINT/LILT 和 LMN/LMA 等基于節(jié)點(diǎn)密度的算法，CBTC 、LMST 、 RNG、DRNG 和 DLSS 等基于臨近圖的近似算法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要考慮的問題之一。傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性或者容錯性滿足泊松分布，因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法設(shè)計時必須考慮容錯性需求。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科交叉，所需要研究的內(nèi)容可分為 4個部分：網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、核心支撐技術(shù)、自組織管理和開發(fā)與應(yīng)用。由于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)性以及無線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機(jī)制無法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因此需要設(shè)計新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，這需要采用擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證、鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價格、電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲能力相對較弱，通常距離也很有限，通常只與自身通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息。這些優(yōu)點(diǎn)使得 ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。本課題圍繞著 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)和 ZigBee 技術(shù)，研究如何將 ZigBee 技術(shù)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，如何設(shè)計出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，如何搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，并使用 ZigBee 技術(shù)來作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。 研究目的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低，具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理等能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能要求，多跳、對等的通信方式較之傳統(tǒng)的單跳、主從通信方式更適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時還可有效避免在長距離無線信號傳播過程中所遇到的信號衰落和干擾等各種問題。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；IEEE ；ZigBee；C8051F；CC2430 Lowpower Wireless Sensor Network Communication of ZigbeeAbstractWith the rapid growth of the wireless work technology and increasing ripesensor technology, Wireless sensor work es. Wireless sensor work(WSN)ismade up of a great deal of lowcost subminiature sensor nodes, which are set in themonitoring area. It can make a many jumps work by the wireless munications by purpose is to apperceiving, collecting and processing the objects which are in the work system, and sending the information to the observer. Recently years,Wireless sensor work has been applied in various fields such as preventive medical, monitoring environment,putting out forest fire,researching benthonic boards,exploring pla, is being the hot topic in domestic and abroad.The standard for the lowrate wireless personal area work (LRWPAN) takes up with low wastage,low rate and low cost for purpose,And it can supply a uniform standard for personal different facilities in family protocol is constituted of 39。本文首先詳細(xì)介紹了 ZigBee 技術(shù)產(chǎn)生的背