【文章內(nèi)容簡介】 。藍(lán)牙用在多個設(shè)備之間通過無線連接。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE ，藍(lán)牙協(xié)議工作可建立在無需許可的 ISM頻段 。但歸根結(jié)底藍(lán)牙技術(shù)的障礙始終是過于昂貴。主要體現(xiàn)在芯片大小和價格居高不下、抗干擾能力較弱、傳輸受距離限制、信息安全不受保證等等問題。這些問題就使許多用戶不愿意花更多的錢來購買這種無線設(shè)備，他們會覺得性價比不高。所以，許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，藍(lán)牙的市場前景關(guān)鍵在于藍(lán)牙的應(yīng)用是否能達(dá)到一定的規(guī)模和價格能否下調(diào)。 RFID是 Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻標(biāo)記。 RFID 是一種非接觸式自動識頻技術(shù)，它通過射頻信號自動識別對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。 RF 專指具有一定波長，可用于無線電通訊的電磁波 [4]，成本過于昂貴。 所謂 Zigbee就是一個全新的無線連接技術(shù)，這項無線連接技術(shù)關(guān)鍵在于解決了成本低、功耗低、繁復(fù)度低、傳輸速率低、近距離設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。它的名字是來自蜜蜂使用的賴以生存和發(fā)展的通信交流模式，也就是蜜蜂跳 Zag狀的舞來告訴其它同類食物源的新位 置、方位及距離等問題。 Zigbee包括下面所訴幾方面的技術(shù)特點(diǎn) 相對較低的數(shù)據(jù)傳輸速率 其中包括 20kbps、 40kbps、 250kbps三種數(shù)據(jù)傳輸速率。 相對較低的功耗 Zigbee 采用了各種各樣的節(jié)能模式。在待機(jī)模式下，一對普通號干電池就可以支撐 6 個月到 2年左右的使用壽命。 廉價的成本 因為數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，并且在的頻段免費(fèi)是 Zigbee的幾大優(yōu)勢。為此大大降低了制造成本。 較大的網(wǎng)絡(luò)容量 任何一個 Zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納 65536個設(shè)備，如此這般的容量相當(dāng)可觀。 小范圍有 效 單個設(shè)備的有效覆蓋范圍在 10m~75m之間，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境，但還要依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和多個不同的應(yīng)用模式而定。 工作頻段靈活 該技術(shù)可使用的頻段分別有 （ ISM）、 868MHz（歐洲）和 915MHz（美國）其中 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 5 在工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療方面為全球公用的免費(fèi)頻段。表 。 表 幾種無線技術(shù)的比較 種類 Zigbee 藍(lán)牙 RFID HomeRF 單點(diǎn)覆蓋距離 50m~300m 10m 1m~10m 50m 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性 自動擴(kuò)展 無 無 有 最大功耗 1mW~3mW 1mW~100mW 0 50mW 復(fù)雜性 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 復(fù)雜 傳輸速率 250Kb/s 1Mb/s 工作頻段 868/915MHz 、 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 65000 8 無 127 終端設(shè)備費(fèi)用 低 低 低 一般 安全性 128bit AES 64bit, 128bit 密鑰 50s/次 集成度和安全性 高 高 一般 一般 使用成本 低 低 低 一般 安 裝使用難用 非常簡單 一般 簡單 一般 本章小結(jié) 本章首先對智能家電系統(tǒng)作了簡要概述，介紹了國內(nèi)外就發(fā)展?fàn)顩r，接著對智能家電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行介紹，最后得出結(jié)論，采用無線網(wǎng)絡(luò)不僅充分利用了它本身的靈活簡便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了人力和物力成本，并且更符合網(wǎng)絡(luò)通訊的特點(diǎn)。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 6 2 Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 Zigbee 是最近幾年才提出的一種功耗低、速率低、距離近、復(fù)雜度低、成本低廉的無線通信技術(shù)，適用于遠(yuǎn)程控制和自動控制兩方面，是為了小型設(shè)備的控制和無線聯(lián)網(wǎng)而制定的。 2021年 12月 IEEE成立了 。該工作組致力于定義一種低廉固定的、移動設(shè)備使用的復(fù)雜度極低、成本低、功耗低、速率低的無線連接技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)化方面， MAC的協(xié)議，其它協(xié)議主要參考現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。 Zigbee則主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層及其以上層的協(xié)議。 IEEE IEEE Lowrate Wireless Personal Area Network， LRWPAN，把能耗低、傳輸速率低、成本低當(dāng)作 重點(diǎn)攻克目標(biāo)，也就是在為個人或者家庭不同設(shè)備之間低速互連提供一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 [6] IEEE LRWPAN網(wǎng)絡(luò)有以下特點(diǎn) [4]： 20kb/s， 40kb/s， 250kb/s三種傳輸速率； ； 16bit短地址和 64bit的擴(kuò)展地址； (GTS)的分配； ； ； ； ； ； LRWPAN 中含有兩種不同類型的設(shè)備：全功能設(shè)備 (FFD)和簡 單功能設(shè)備 (RFD)FFD在三種網(wǎng)絡(luò)頻段中可作為整個 PAN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器或網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用設(shè)備。 FFD可以和 RFD或者FFD通信，而簡單功能設(shè)備 (RFD)只能和 FFD通信。 RFD設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中主要是一個應(yīng)用設(shè)備，它們相當(dāng)簡單，比如它們可以作為燈的開關(guān)或者紅外傳感器，但不能傳輸大規(guī)模的數(shù)據(jù)，而且在某一時刻只能和一個 FFD相聯(lián)系。 Zigbee 體系結(jié)構(gòu) Zigbee 協(xié)議使用 規(guī)范作為介質(zhì)訪問層 (MAC)和物理層 (PHY)。IEEE 總共定義了 3個工作頻段： 、 915MHz、 868MHz。每個頻段攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 7 都提供固定數(shù)量的信道。例如， 頻段總共提供 16 個信道 (信道 11~26)、915MHz 頻段提供 10 個信道 (信道 1~10)而 868MHz 頻帶提供 1 個信道 (信道 0)。符合該標(biāo)準(zhǔn)的解決方案可以嵌入到家庭和樓宇自動化、消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、PC外圍、醫(yī)療傳感器應(yīng)用以及玩具和游戲當(dāng)中。 Zigbee 簡介 所謂 Zigbee 技術(shù)是由 蜜蜂的八字舞 來命名的 ， 因為 蜜蜂 (bee)是 依靠 飛翔和 “ 嗡嗡 ”(zig) 地 扇動 翅膀的 “ DANCE” 來 告訴 同伴花粉所在方位 的 信息， 換言 之 就是說蜜蜂靠這樣的方 法組 成了群體中的通 訊 網(wǎng)絡(luò)。 它的 特點(diǎn)是距離 近 、復(fù)雜度 低 、自組織、功耗 低 、數(shù)據(jù)速率 低 、成本 低 。 在 自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域 更為適用 ，可以嵌入 多種 設(shè)備。簡言之， ZigBee就是一種 價格低廉的 ，功耗 低 的近距離無線組網(wǎng) 通訊技術(shù) 。 Zigbee 體系結(jié)構(gòu) ZigBee 它是建立在開放系統(tǒng)互聯(lián) (OSI)7層模型的基礎(chǔ)之上，但它美中不足的就是只是定義了與實際應(yīng)用功能有關(guān)的層。 ZigBee 在這 個基礎(chǔ)之上建立了網(wǎng)絡(luò)層 ((NWK)以及應(yīng)用層框架，它采取了 IEEE ((PHY)以及介質(zhì)訪問控制層 (MAC)作為 ZigBee技術(shù)底層，該應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層 (APS)、 ZigBee設(shè)備對象 (ZDO)以及制造商所定義的應(yīng)用對象。 [4] 圖 Zigbee 體系結(jié)構(gòu) Zigbee 技術(shù)的協(xié)議層結(jié)構(gòu)簡單，不同于藍(lán)牙和其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常為 7層，而 Zigbee技術(shù)僅為 3層。在 Zigbee技術(shù)中， PHY層和 MAC層采用 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 8 準(zhǔn)，其中， PHY提供了兩種類型的服務(wù) —— 通過物理層管理實體接口 (PLME)對 PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù) [5]。 Zigbee 物理層協(xié)議規(guī)范 PHY 層主要負(fù)責(zé)處理以下任務(wù) [4]： (1) 無線發(fā)射機(jī)的激活和關(guān)閉； (2) 已有信道的能量檢測； (3) 接收分組的鏈路質(zhì)量指示； (4) 基于 CSMACA的空閑信道評估； (5) 信道頻率選擇； (6) 數(shù)據(jù)傳輸和接收。 3個頻段共有 27個信道，編號從 0~26。其中， 16個信道 。 915MHz頻段有 10個信道， 868MHz頻段有 1個信道。這些信道的中心頻率定義如 下： Fc=， k=0； (21) Fc=906+2(k1)MHz， k=1， 2，?， 10； (22) Fc=+5(k11)MHz， k=11， 12，?， 26。 [4] (23) 的物理層定義了物理信道和 MAC 子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。前者從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，后者維護(hù)一個物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。 圖 (SAP)的模型描述： 圖 物理層參考模型 有兩種服務(wù)是由物理層提供的，通過它們的接入點(diǎn) (SAP)接入：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)接入、物理層管理服務(wù)通過 PLME服務(wù)接入點(diǎn)接入。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 9 i. 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PPDU 在 Zigbee 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PPDU(PHY Protocol Data Unit)數(shù)據(jù)包格式中，最左邊的字段優(yōu)先發(fā)送和接收。在多個字節(jié)的字段中，優(yōu)先發(fā)送或接收最低有效字節(jié)，而在每一個字節(jié)中優(yōu)先發(fā)送最低有效位。同樣，在物理層與 MAC 層之間數(shù)據(jù)字段的傳送也遵循這一規(guī)則。 ii. 物理層的載波調(diào)制 Zigbee 是不同于其他無線技術(shù)的，在不同的國家和地區(qū)，它提過的工作頻率范圍是完全不一樣的， Zigbee使用的頻率范圍基本上分為 868/915 MHz和 。 Zigbee設(shè)備在三個免許可證的頻段分別采取不同的調(diào)制和擴(kuò)頻方式。 列。擴(kuò)頻后，信號通過 OQPSK調(diào)制方 式調(diào)制到載波上。 圖 頻率調(diào)制 ZigbeeMAC 層協(xié)議規(guī)范 子層控制使用 CSMACA 機(jī)制接入到無線信道。它的職責(zé)包括傳輸信標(biāo)幀、保持同步提供可靠的傳輸機(jī)制。 [4] MAC 層使用 PHY 層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)幀傳輸，同時 MAC層處理高層對物理層 PHY 層射頻信道的所有訪問，其主要任務(wù)如下： (1) 能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo) (如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器 )； (2) 同信標(biāo)保持同步； (3) 支持設(shè)備的安全性； (4) 信道接入采用 CSMACA接入機(jī)制； (5) 處理和維護(hù) GTU 機(jī)制； (6) 在對等的 MAC實體之間提供可靠傳輸。 圖 是 MAC 層的服務(wù)實體和接口。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 10 圖 MAC 子層模型 MAC 子層提供兩種服務(wù)，通過兩種服務(wù)接入點(diǎn)接入。 ? MAC 數(shù)據(jù)服務(wù)，通過公共部分子層數(shù)據(jù)接入點(diǎn) MCPSSAP 接入； ? MAC 管理服務(wù) ，通過 MLMESAP 接入。 其中數(shù)據(jù)實體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)。 MAC 層的幀格式和幀類型 一個 MAC 幀普遍是由 MAC 層幀頭， MAC 負(fù)載、 MAC 層幀尾三項組成。 MAC 層幀頭所包含的幀控制、幀序列號以及地址域三項， MAC 層幀頭中的順序是不變的；MAC 負(fù)荷中包含了一些特定幀的信息，它的長度是可以變化的； MAC 層幀尾中包含幀校驗序列域 (FCS )。 數(shù)據(jù)幀使用哪種地址是由幀控制字段的內(nèi)容來決定的。 標(biāo)準(zhǔn)中定義了四種類型的幀分別是：數(shù)據(jù)幀、信標(biāo)幀、確認(rèn)幀和 MAC 命令幀。具體幀結(jié)構(gòu)可以參考文獻(xiàn) [4]的 說明。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議規(guī)范 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實體 (NLDE)是通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(diǎn) (NLDESAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的。如圖 所示 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)及其協(xié)議 11 圖 網(wǎng)絡(luò)層模型 所謂網(wǎng)絡(luò)層幀的格式，其實就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (NPDU)的格式。下列基本部分組成網(wǎng)絡(luò)層幀： ① 網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有 效載荷。包含幀類型所指定的信息。 ② 網(wǎng)絡(luò)層幀報頭。包含地址、幀控制和序列信息。 網(wǎng)絡(luò)層幀格式普遍情況下是由一個網(wǎng)絡(luò)層有效載荷和一個網(wǎng)絡(luò)層報頭組成。雖然不是所有的幀都包含序列域和地址，但網(wǎng)絡(luò)層幀的報頭域，依然是按照固定的順序出現(xiàn)。 控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇 在整個系統(tǒng)中，總線或網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是系統(tǒng)的核心部分，其不僅影響整個系統(tǒng)的成本，還與系統(tǒng)的安全性、可用性、可靠性、擴(kuò)展性有直接的關(guān)聯(lián)。因此本文以下是對系統(tǒng)中的 Zigbee 無線通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。 設(shè)計原則 本文利用家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對 各種家電進(jìn)行互連，因此可以利用共享網(wǎng)絡(luò)資源來大幅度降低成本。采用 Zigbee 無線通信技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計必須遵循以下設(shè)計原則： 1. 提高家庭網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?