【正文】 圖 22 ZigBee 網絡中的三種網絡拓撲結構 兩種工作模式 網絡的工作模式可以分為信標（ Beaeon）和非信標（ Nonbeaeon）兩種模式 ,信標模式實現了網絡中所有 設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標模式則只允許 ZE進行周期性休眠， ZC和所有 ZR設備必須長期處于工作狀態(tài)。MAC層含數據幀、命令幀、信標幀、應答幀，幀格式及不同類型幀的格式特點如下： 表 23 MAC 幀格式 [1] 字節(jié)： 2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 長度可變 2 幀控制域（ FCF） 幀序列碼 接收端設備網絡號 接收端設備地址 發(fā)送端設備網絡號 發(fā)送端設備地址 幀載荷 FCS 地址域 偵頭 MAC 負荷 幀尾 通用的 MAC幀（ MPDU）格式如表 23所示，包括幀頭（ MHR）、 MAC幀載荷域及幀尾三部分組成。 CSMA/CA采取了三種檢測信道空閑的方式：能量檢測（ ED）、載波檢測（ CS）和能量載波混臺檢測。 2） 、 Active 掃描 Active 信道掃描使得設備獲取在其物理通訊范圍內所有潛在父節(jié)點的 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 15 信標幀。 數據幀：其 NWK 負荷域對應于 APS 層的 APDU。 就開發(fā)工具而言， Ember 提供 Ember InSight Development Environment。 CC2430 的射頻和模擬部分實現了相關物理層的操作。它使用 1個 8位 MCU（ 8051），具有 128 KB可編程閃存和 8 KB的 RAM，還包含模擬數字轉換器（ ADC）、幾個定時器（ Timer）、 AES128協同處理器、看門狗定時器（ WatchDog Timer）、 32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（ Power On Reset）、掉電檢測電路（ Brown Out Detection），以及 21個可編程 I/O引 腳?？刂凭€引腳提供復位、外部晶振、 RF收發(fā)、外接偏置電阻 等引腳，低電平有效。為了實現語音通信，設計了語音通信測試平臺。 TI的參考設計中模塊體積較大，對于實際應用不太合適，所以首先的目標是縮小模塊的體積。 西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文 29 2）在輸入時有上拉和下拉能力。 CC2430芯片的主要特點 CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片（ SoC）解決方案。 32K 字節(jié)、 64K 字節(jié)或 128K 字節(jié)的片內 Flash塊提供在電路可編程易失性存儲器。 網狀網絡路由機制：需要通過路由發(fā)現，確定最佳路徑，由路由表記錄路徑信息，最終實現消息在網路中的端到端傳輸。 幀類型子域：定義了數據幀和 NWK 命令幀； 協議版本子域：標記該協議的版本號； 路徑搜索子域：用于決定是否使用路由搜索這一功能； 表 27 NWK 幀控制域格式 [5] 位： 01 25 67 8 9 1015 幀類型 協議版本 路徑搜索 保留 加密 保留 b、幀頭中的路由信息域：含目標地址、源地址、路由半徑和序列號； c、目標端設備地址：指該幀最 終的目標接收端設備的網絡地址； d、源端設備地址：指該幀最初發(fā)起方的發(fā)送端設備的網絡地址。 NWK 層使用 原語向 MAC 層發(fā)起掃描請求， MAC 層接收到該原語，并確認其掃描類型為 ED掃描后，根據原語所提供的 phyChannelssupported 這一通道列表屬性值，對所有指定的通道進行逐一掃描。 表 25 定義通信數據格式 [1] MAC 層數據的傳輸 重傳機制分別實現了信道的共享及數據幀的可靠傳輸。 表 22 物理層數據包格式 [1] 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量 前同步碼 幀定界符 幀長度（ 7 位） 預留位（ 1 位） PSDU 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 11 同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 介質接入控制子層 MAC IEEE 802 系列標準把數據鏈路層分成邏輯鏈路控制子層 LLC和介質接入 控制子層 MAC兩個子層。 星狀網絡由一個 PAN協調器和多個終端設備組成，只存在 PAN協調器與終端的通訊，終端設備間的通訊都需通過 PAN協調器的轉發(fā)。 來自 4位二進制數據符號。 IPv6采用 128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。通過這些數據，我們可以看出 zigbee的需求量是比較龐大的。 ZigBee聯盟企業(yè)包括有 IC供應商、無線 IP提供商、 OEM廠商、測試設備制造商、最終產品制造商等，提供 ZigBee適用的產品和方案。 MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式 , 每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。由于 WSN的能力很大程度上取決于節(jié)點的多少，也就是說可容納的傳感器節(jié)點越多， WSN的功能越強大。其主要特性包括：具有多跳傳送（ multihop relay）機制、網絡擴展性能好、布設容易以及具有自組織與自修復能力。因為ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本，這也正是藍牙系統(tǒng)所不具備的。因此 ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制 (如工業(yè)控制場合等 )應用。 20xx年中國科學院上海微系統(tǒng)聯合聲學所、微電子所、半導體所等十余個校所，初步建立傳感網絡系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感網絡通訊技術、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應用系統(tǒng)等方面取得很大的進展。隨著二十一世紀社會經濟和現代科技的迅速發(fā)展 ,人們對能夠隨時隨地提供信息服務的無線通信的需求越來越迫切。 圖 21 Zigbee 協議棧的體系結構 相比于常見的無線通信標準， Zigbee協議套件經湊而簡單，具體實 現的要求很低。 26） IEEE 有下列特征： ； 兩種地址： 16位網絡地址，由協調器在網絡建立是分配， 64位 IEEE地址； 中不同的傳輸速率（ 100、 2500 Kbps）； ； 和鏈路質量指示； ISM頻段，在 868MHz頻段上有 1個信道， 915MHz上有 10個信道，在 2450MHz上有 16個信道； 。 路由器：主要 實現擴展網絡及路由消息的功能，擴展網絡，即作為網絡中的父節(jié)點，允許更多的設備接入網絡，路由節(jié)點只有在樹狀網絡和網狀網絡中存在。同步包頭由前向同步碼（前導碼）和數據包（幀）定界符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和 幀同步，也有助于錯略的頻率調整。 ACK幀：只含幀頭中的幀控制域和序列號域，及幀尾的 FCS校驗碼域，由接收方反饋給發(fā)送方，告知某條幀正確接收。若發(fā)送端在定時器超時之前接收到該應答幀，確認其序列號與原幀相同后，停止該定時器計數，并向上層反饋一成功確認，否則，若發(fā)送端沒有在有效時間內接收到正確的 ACK幀， 可嘗試最多 aMaxFram eRetries次重傳，若都以失敗告 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 14 終，則認為此次通訊失敗，并向上層發(fā)送失敗確認。幀頭包括幀控制域和路由信息域，其 中路由信息域含目標端設備地址，源端設備地址，路由半徑及序列號四部分。 星狀網絡路由機制：只存在終端設備 ZE與協調器 ZC之間的通訊。 針對協議棧、網絡和應用軟件執(zhí)行時對 MCU 處理能力的要求， CC2430 包 含一個增強型工業(yè)標準的 8 位 8051 微控制器內核，運行時鐘為 32MHz。 CC2430 無線單片機介紹 CC2430是 TIChipcon公司推出的用來 實現嵌入式 ZigBee應用的片上系統(tǒng)。 CC2430有 21個可編程的 I/O口引腳， P0、 P1口是完全的 8位口， P2口只有 5個可使用的位。電壓調節(jié)器為所有要求 V電壓的引腳和內部電源供電， C241和 C421電容是去耦合電容，用來電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。接收語音時，讀取射頻 收發(fā)器 FIFO緩存的語音數據，并由 PWM通道輸出，以完成語音播放。電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。 CC2430芯片的主要特點如下： a、 高性能和低功耗的 805 微控制器核； b、 集成符合 標準的 RF 無線電收發(fā)機； c、 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性； d、 在休眠模式下僅 的電流損耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng)；在待機模式下低于 的電流損耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)； e、 硬件支持 CSMA/CA 功能； f、 較寬的電壓范圍（ ~）； g、 數字化的 RSSI/LQI 支持和強大的 DMA 功能； h、 具有電池檢測和溫度感測功能； i、 集成了 14 位摸 /數轉換的 ADC； j、 集成 AES 安全協處理器； k、 帶有 2 個強大的支持幾組協議的 USART，以及七個符合 IEEE 規(guī)范的 MAC 計時器、 1 個常規(guī)的 16 位計時器和 2 個 8 位計時器； l、 Zigbee/ 全兼容的硬件層、物理層； m、 集成 1 個高精度定位跟蹤引擎； n、 較少外圍電路； o、 強大和靈活的開發(fā)工具 。自動增益控制，信道過濾，解調 在數字域完成以獲得高精確度及空間利用率。單個芯片即可以構成標準的 ZigBee 終端產品，因此可以在很大程度上降低產品成本，并縮短新產品的上市時間。 表 29 NWK 命令幀 [5] 命令幀標識符 命令幀 0x01 路徑請求 0x02 路徑應答 0x03 路徑錯誤 0x04 離開網絡 0x00,0x050xFF 保留 組網管理 組網管理所涉及到 的 NWK 層功能如下： a、 PAN 協調器（ PANCoordinator）負責建立網絡； b、 PAN 協調器和路由器需允許設備加入和離開網絡； c、 PAN 協調器和路由器負責邏輯網絡地址的分配及鄰接表的維護； d、網絡中所有的設備，都需具備申請加入網絡和離開網絡的功能。 3） 、 orphan掃描 當節(jié)點與自己的父節(jié)點失去聯系，它就需要使用 orphan掃描嘗試重新建立與原關聯父節(jié)點的聯系。 MAC層使用 CSMACA（ Carrier Sense Multiple Access with Collision avoidance）機制和應答能量載波檢測：它是能量檢測和載波檢測兩種工作方式的結合。幀尾為幀頭和 MAC幀負荷域的 16位 CRC校驗序列 FCS）。網絡中所有父節(jié)點需為自己的 ZE子節(jié)點 緩存數據幀，所有 ZE子節(jié)點的大多數時間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網絡中，其從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要 15ms。而應用層主要為 ZigBee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便于對 ZigBee技術的開發(fā)應用。每層為其上層提供一組特定的服務：一個數據實體提供數據傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。 生產需求狀況 為了推動 ZigBee技術的發(fā)展， Chipcon與 Ember、 Freescale、 Honeywell、 Mistubishi、Motorola、 Philips和 Samsung等公司共同成立了 ZigBee Alliance，目前該聯盟已經包含130多家會員。 民用領域：美日等國 家利用該技術對多種領域進行了應用 [2]： 英特爾與加利福尼亞州大學伯克利分校合作針對微塵技術進行研究，并于 20xx年將傳感器網絡技術應用到大鴨島海燕生活習性監(jiān)測項目。這一安全特性能很好地適應軍事需要的無線傳感器網絡 。 On the basis of designed on the basis of voice munication system solutions, developed hardware test platform to study the sprint wireless voice munications technology. Voice munications plan make full use of CC2430 SoC performance characteristics, use chip APR9600 pleted internal ADC and speech sampling and playback, without external voice codec pieces and use of peripheral devices seldom. System can well realize realtime speech wireless transmission, transmission power, less than 0 dBm 25ms speech delay, the transmission distance to less than 15 meters, timbre MOS test points to three points. The scheme hardware simple and low cost, low power cons