【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(gè)新設(shè)備；初始化網(wǎng)絡(luò)；加入或離開(kāi)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(hào)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(yǔ)，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請(qǐng)求原語(yǔ)。如果沒(méi)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(yǔ)傳回網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。在調(diào)用下層服務(wù)時(shí)，只需要遵循統(tǒng)一的原語(yǔ)規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語(yǔ)。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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(jì)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(wú)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(chǔ)器。 （四）ZigBeeZigBee（IEEE ）技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)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(chǎng)合的無(wú)線方式。1998 年，愛(ài)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(wú)線連接。(6)兼容性。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場(chǎng)合，ZigBee 技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化。其中在 頻段上分為 16 個(gè)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(qǐng)的無(wú)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(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面提供基礎(chǔ)，有利于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是受到很多因素影響，其中包括容錯(cuò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是多種多樣的，針對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能的長(zhǎng)，需要合理、有效的控制節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用。無(wú)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(wú)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(gè)被觀測(cè)區(qū)域中，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 協(xié)議與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合無(wú)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(shí)和極低的功率消耗，以使用戶能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列。(4)高效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。他們研制了一個(gè)測(cè)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(lái)，國(guó)家發(fā)改委、科技部、信息產(chǎn)業(yè)部等均啟動(dòng)了在無(wú)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(wú)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(guò)無(wú)線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主控 MCU 通過(guò)SPI 接口與無(wú)線收發(fā)模塊的 CC2430 芯片進(jìn)行通信。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(cè)量所在周邊環(huán)境的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，檢測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)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(shí)，通過(guò)跳 ZigBee 形舞蹈告知同伴，達(dá)到交換信息的目的。 《國(guó)家中長(zhǎng)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(lái)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(dòng)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(gè)感知數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) TinyDB。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是自組織無(wú)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(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee 的出現(xiàn)正好解決了這一問(wèn)題。傳感器節(jié)點(diǎn)在對(duì)所探測(cè)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(wú)法直接和網(wǎng)關(guān)通信，需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。每個(gè)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(jì)一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法時(shí)應(yīng)該考慮的重要因素 【5】 。因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂剖菬o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基本問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦饕芯康膯?wèn)題是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)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(gè)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(gè)頻段為 915MHz 和 868MHz，其相應(yīng)的信道個(gè)數(shù)分別為 10 個(gè)和 1 個(gè)，傳輸速率分別為 40kbps 和 20kbps。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間(工作時(shí)間+休眠時(shí)間) 之比小 1%的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò) 10 年。ZigBee 技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)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(gè)電子設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)，它預(yù)言 ZigBee 將很快成為全球高端的無(wú)線技術(shù)，2022 年 ZigBee 節(jié)點(diǎn)達(dá)到 30 億個(gè)。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(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)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(qǐng)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(cè)來(lái)對(duì)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(gè)信道。圖 服務(wù)原語(yǔ)Request：請(qǐng)求原語(yǔ)，用于上層向本層請(qǐng)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(huì)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(gè)或多個(gè)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(zhǎng)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(gè)子層。兩個(gè)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(shì)。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。為對(duì)語(yǔ)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(kāi)銷(xiāo)，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(shí)，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(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，在每一個(gè)ZigBee 組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為 16bit 短地址或者 64bit 長(zhǎng)地址，可容納的最大設(shè)備個(gè)數(shù)分別為 2～16 個(gè)和 2～64 個(gè)，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(wú)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(jì)主要考慮的問(wèn)題之一。傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性或者容錯(cuò)性滿足泊松分布，因此，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮容錯(cuò)性需求。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)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(gè)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(kāi)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?dòng)態(tài)性以及無(wú)線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機(jī)制無(wú)法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因此需要設(shè)計(jì)新型的無(wú)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(wú)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(gè)嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價(jià)格、電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲(chǔ)能力相對(duì)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，如何設(shè)計(jì)出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，如何搭建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，并使用 ZigBee 技術(shù)來(lái)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。 研究目的 無(wú)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(wú)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(guó)內(nèi)的許多高校也掀起了無(wú)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(wú)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(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還可有效避免在長(zhǎng)距離無(wú)線信號(hào)傳播過(guò)程中所遇到的信號(hào)衰落和干擾等各種問(wèn)題。關(guān)鍵詞：無(wú)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