【文章內容簡介】 的開發(fā)環(huán)境，以及軟件方面的功能。 第 5章 簡單闡述了該系統的測試和調試過程。 第 6章 簡單說明了我在設計過程中的個人心得以及遇到問題的總結。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計 (論文 ) 5 第 2章 智能溫室系統技術概述 Zigbee 概述 Zigbee 是基于 標準的低功耗局域網協議。根據這個協議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞， [3]由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡” (zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言 之， ZigBee 就是一種便宜的、低速率和低功耗的近距離無線組網通訊技術。 (WPN:Wireless Personal Area Network)制定的標準，該工作組成立于 2020 年 12 月，致力于定義一種廉價的，固定、便攜或移動設備使用的，低復雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術，并于 2020 年 12 月通過了第一個 標準。隨著無線傳感器網絡技術的發(fā)展，無線傳感器網絡的標準也得到了快速的發(fā)展。 標 準定義了在個人區(qū)域網中通過射頻方式在設備間進行互連的方式與協議，該標準使用避免沖突的載波監(jiān)聽多址接入以方式作為媒體訪問機制，同時支持星型與對等型拓撲結構。 在 標 準中指 定了 兩個物 理頻段 和的 直接擴 頻序 列物理 層頻段 :868/915MHz 和 的直接序列擴頻 (DSSS)物理層頻段。 的物理層支持空氣中 250kb/s 的速率，而 868/915MHz 的物理層支持空氣中 20kb/s 和 40kb/s 的傳輸速率。由于數據包開銷和處理延遲，實際的數據吞吐量會小于規(guī)定的比特率。作為支持低速率、低功耗 、短距離無線通信的協議標準， 在無線電頻率和數據率、數據傳輸模型、設備類型、網絡工作方式、安全等方面都做出了說明。并且將協議模型劃分為物理層和媒體接入控制層兩個子層進行實現。 Zigbee 體系結構 ZigBee 技術與藍牙類似，是新興的短距離無線通信技術。它的優(yōu)勢在于它是一種低功耗、低速度、低成本的無線通信技術， [4]因此在很多領域上都可應用。 ZigBee技術的體系結構主要包括 Application Layer 應用層、 Network Layer 網絡層、 MAC Layer媒體接入控制層、 PHY Layer 即物理層，其結構如圖 21 所示： 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計 (論文 ) 6 圖 21 ZigBee技術體系結構圖 ZigBee 能夠使用的頻段有 3 個，它們分別為美國的 915 MHz 頻段、歐洲的 868 MHz 頻段以及 GHz 的 ISM 頻段 GHz 的 ISM 頻段，不同頻段對應可使用的信道分別是 16 個。在中國采用的頻段是 GHz 頻段（免申請和免使用費的頻段）。 采用直接序列擴頻技術 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，它 的傳輸距離介于 10m 與 75 m 之間，這樣能夠增加 RF 發(fā)射功率，使其高達 500 m。它的傳輸速率為 20 到 250 kb/s，對于傳感器數據采集和控制的傳輸有一定優(yōu)勢。 ZigBee 技術具有強大的組網能力，可以形成星型網狀網、樹型網狀網和 MESH 網狀網。 星狀網絡結構主要負責網絡中設備的初始和維護工作，它主要由 ZigBee 協調器來控制網絡。星狀網中用于直接和協調器進行通信的其它設備叫做終端設備。在樹狀和網狀網絡中，網絡和選擇網絡主要參數是 ZigBee 協調器主要負責形成的，然后再通過路由節(jié)點擴張到網絡。 星型網絡拓撲 其中星狀網絡拓撲結構圖如圖 22 所示。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計 (論文 ) 7 圖 22星型網絡拓撲結構圖 星狀網絡拓撲結構是這樣形成的。首先，為作為網絡的 PAN 主協調器，應選擇一個具有全功能的設備（ FFD），然后再由它來建立一個新的網絡，以此來確定該網絡的唯一的一個 PAN 標識符，即 PANID 號。在每個星狀網絡中， PAN 主協調器只能是唯一的，因而每個星型網絡的通信對于當前其他星型網絡來說，都是獨立的，所以，為保網絡的唯一性，應該選擇一個新的 PANID 號，這一特點是 Zi gBee 技術所特有的。當新的網絡由協調器建立了以后， [5]其他的各種設備也就可以加入到這個網絡之中，用來做為這個星狀網絡的予節(jié)點。目前，星狀網絡拓撲結構的優(yōu)點是其結構簡單、實現起來比較容易等，因此它被大量應用在遠程監(jiān)測和控制上。星狀網絡結構的簡單，主要可以從緊需要執(zhí)行很少的上層協議、對路由功能的控制相對容易等方面來體現，并且，最重要的是，它方便管理。管理工作大部分都是由 PAN 協調器來完成的。但是，它也存在缺陷，那就是只能實現簡單的網絡，所以在大規(guī)模組網的場合里是無法應用的，如果通信中遇到某個節(jié)點斷開，對其他 節(jié)點的通信會造成一定程度上的影響，從而無線網絡的覆蓋范圍也會因此而受到限制了，同時，星狀網絡拓撲結構的高密度的擴展也很難實現。 樹狀網絡拓撲 樹狀網絡拓撲的結構如圖 23 所示，協調器和路由器都屬于 FFD 設備， RFD 為終端設備。終端設備節(jié)點的特點是它只能與自己的父節(jié)點進行通信。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計 (論文 ) 8 圖 23 樹狀網絡拓撲結構圖 網狀網絡拓撲 網狀網絡是一個自由設計的拓撲結構，它的網絡優(yōu)點是自愈能力很強。其中網絡中的所有節(jié)點都具有重新路由選擇的能力，都是 FFD 設備，因此在網狀網絡中，節(jié)點間的通訊路徑并不唯一。網狀網絡拓撲結構的適宜環(huán)境為比較復雜的環(huán)境。網絡中的每個節(jié)點都是一個小的路由器， [6]都具有重新路由選擇的能力，以確保網絡最大限度的可靠性，可以看出網絡中任意兩個節(jié)點的通信路徑不是唯一的。網形拓撲與星形、樹形相比，更加復雜，其路由拓撲是動態(tài)的，不存在一個固定的路由模式。這樣信息傳輸的時間更加依賴瞬時網絡連接質量，因而難以預計。 Zigbee 的協議棧研究 ZigBee 協議結構前面已經有所介紹，下面將分別具體介紹。 物理層 物理層的 任務是通過無線信道進行安全、有效的數據通信，同時為 MAC 層提供數據和管理服務。物理層的主要功能有：休眠和激活射頻收發(fā)器、選擇通信信道、對當前信道進行能量檢測、指示鏈路質量、清除信道評估以及無線數據的收發(fā)等等。 (1)工作頻段和數據速率： ZigBee 工作在 ISM(Industrial Scientific and Medical)頻段，即工業(yè)、科學、醫(yī)學頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段。在該頻段上， ZigBee 定義了三個工作頻段，分別為： 2． 4GHz 頻段和 91 5／ 868MHz 頻段。其中 2． 4GHz 是全球通用的 ISM 頻段，有 16 個信道，數據傳輸速率為 250kbps，采用齊齊哈爾大學畢業(yè)設計 (論文 ) 9 的是 16 相位正交調制技術 [7](qOffset Quadrature Phase． Shift Keying， OQPSK)；915MHz 是北美的 ISM 頻段，有 10 個信道，數據傳輸速率為 40kbps； 868MHz 是歐洲的 ISM 頻段，有 1 個信道，數據傳輸速率為 20kbps， 915／ 868MHz 采用的是帶有二進制移相鍵控 (Binary PhaseShift Keying ， BPSK) 的直接序列擴頻 (Direct SequenceSpread Spectrum， DSSS)技術。在我國使用的是 的頻段。 (2)物理層幀結構格式 ：物理層協議數據單元 (PHY Protocol Data Unit， PPDU)I掃用于數據流同步的同步包頭 (Synchronization Header， SHR)、帶有幀長度信息的物理層包頭 (PHYHeader， PHR)以及含有 MAC 層數據幀的載荷組成的。 MAC 層 MAC 層的主要功能包括：協調器設備產生網絡信標；與網絡協調器產生的信標進行同步； PAN 無線鏈路的建立、維護和斷開；支持設備的安 全性；信道接入采用沖突兔碰撞載波監(jiān)聽多址接入 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Aviodance，CSMA— CA)機制；預留時隙管理；在對等的 MAC 實體中提供一個可靠的鏈路等等。 如圖 24 所示， MAC 層通過兩個服務接入點 (Service Access Point， SAP)為它提供兩種不同的 MAC 層服務。即通過 MAC 層公共部分予層 SAP(MAC Common Part SublayerSAP,MCPSSAP)為它提供數據照務；通過 MAC 層管理實 體 SAP(MAC subLayer Management EntitySAP,MLMESAP)為它提供管理服務。這兩種服務為服務協議匯聚層 (Service Specific Converence Sublayer,sscs)和物理層之間提供了一個接口，這個接口通過物理層中的數據服務 SAP(PHY DataSAPPDSAP)和管理實體服務SAP(PhysicalLayer Management EntitySAP,PLMESAP)來實現的。除了這些外部的接1:3 之強，在 MLME 和 MCPS 之聞還有一 個隱含的接豳，該接口使得 MLME 可以使用 MAC 的數據服務。 MAC 管理實體 圖 24 MAC 層參考模型 MAC 公共部分子層 MAC 層個 域信息庫 物理層管理實體 物理層數據服務 接入點 MAC 公共部分子層 MAC 公共部分子層 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計 (論文 ) 10 網絡層 網絡層 (Network layer,NWK)主要負責網絡拓撲結構的建立、維護、命名以及綁定等服務，并且它們協同完成尋址、路由和安全等這些必需服務。圖 25 描述了網絡層的構成部分及其各部分接口。 圖 25 網絡層參考模型 網絡層的主要功能有兩個：一個是提供一些可以讓 MAC 子層正常工作的函數；另一個是為應用層提供合適的服務接口。其中，為了給應用層提供接口，網絡層需要包含兩個服務實體來提供必要的一些功能。這兩 [9]個服務實體分別為數據服務實體和管理服務實體。網絡層數據實體 (NWK layer data entity,NLDE)通過它相關的服務接入點 NLDE． SAP 來提供數據傳輸服務；網絡層管理實體 (NWK layer management entity,NLME)通過它相關的服務接入點 來提供管理服務。 NLME 會利用NLDE 來完成一些管理工作，同時維護網絡信息庫 (Network Information Base,NIB)。 如圖 24 所示，網絡層分別通過 MCPSSAP 和 MLMESAP 為 MAC 子層提供接口，通過 NLDESAP 和 NLMESAP 為應用層提供接口。除了這些外部接口之外，網絡層在 NLME 和 NLDE 之間還有一個隱含的接口，允許 NLME 使用網絡層的數據服務。 網絡層功能描述： ZigBee 網絡層 主要負責無線通信中網絡節(jié)點的連接和斷開、路由機制的選擇以及網絡地址的分配等等?；?ZigBee 協議的通信網絡中，所有的設備都必須有以下三種功能，具體包括：加入網絡、離開網絡和重新加入網絡功能。 此外， ZigBee 網絡協調器和路由器還應該具備以下功能： (a)允許終端節(jié)點以如下方式加入網絡，包括：通過 MAC 層的連接指示命令、通過應用層的連接請求命令以及重新加入請求命令； NLDESAP 網絡層數據實體 MLMESAP MCPSSAP 網絡層管理實體 NLMESAP 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計 (論文 ) 11 (b)允許終端節(jié)點以如下方式離開網絡，包括：通過網絡層發(fā)送主動斷開命令幀和應用層的離開請求命令； (c)參與邏輯網絡地址的分配工作； (d)進 行維護鄰居設備表工作。 最后， ZigBee 協調器還應該具備建立一個新網絡的功能，同時路由器以及終端節(jié)點在一個網絡中應提供輕便支持。 應用層 ZigBee 應用層 (Application Layer,APL)主要包括應用支持子層 (Application Support SubLayer,APS)、 ZigBee 設備應用以及 ZigBee 設備對象。下面將依次做簡要介紹。 應用支持子