【文章內(nèi)容簡介】 (ZDO)。 APS 子層負責(zé)建立和維護綁定表，綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和他們的需求使設(shè)備相互配對。 ZigBee 的應(yīng)用框架 (AF)為各個用戶自定義的應(yīng)用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對 (KVP)服務(wù)和報文 (MSG)服務(wù)供應(yīng)用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設(shè)備允許最多 240 個用戶自定義應(yīng)用對象，分別指定在端點 l 至端點 240 上。 ZDO 可以看成是指配到端點 O 上的一個特殊 的應(yīng)用對象，被所有 ZigBee 設(shè)備包含，是所有用戶自定義的應(yīng)用對象調(diào)用的一個功能集，包括網(wǎng)絡(luò)角色管理，綁定管理，安全管理等。 基于 ZigBee 的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 6 ZDO 負責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色 (例如是 ZigBee 協(xié)調(diào)器或者 ZigBee 終端設(shè)備 )、發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定他們提供哪種應(yīng)用服務(wù)，發(fā)現(xiàn)或響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立可靠的關(guān)聯(lián)。 安全服務(wù)提供者 SSP(Security Service Provider)向 NWK 層和 APS 層提供安全服務(wù)。 ZigBee 協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應(yīng)答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)接口 ，數(shù)據(jù) SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。 數(shù)據(jù)服務(wù)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)，管理服務(wù)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)的機制 。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)主要包括設(shè)備類型，拓撲結(jié)構(gòu)和路由方式三方面的內(nèi)容，ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為協(xié)調(diào)器（ Coordinator）、路由器 (Router)和終端節(jié)點（ End Device）。節(jié)點類型是網(wǎng)絡(luò)層的概念，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓撲形式。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型 協(xié)調(diào)器（ Coordinator）在各種拓撲形式的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，有且只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，它負責(zé)選擇網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡(luò)并將其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、提供信息路由、安全管理和其他服務(wù)。 路由器（ Router） 當(dāng)采用樹型和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)時，需要用到路由器節(jié)點，它也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡(luò)遠距離延伸的必要部件。它負責(zé)發(fā)送和接受節(jié)點自身信息；節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)信息；允許子節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡(luò)。 終端節(jié)點 終端節(jié) 點的主要任務(wù)就是發(fā)送和接收信息，通常一個終端節(jié)點不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)時可進入休眠狀態(tài)以降低能耗。 網(wǎng)絡(luò)拓撲形式 星型拓撲是最簡單的拓撲形式，如圖 22。圖中包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一些終端節(jié)點。每一個終端節(jié)點只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通訊，在兩個終端節(jié)點之間進行通訊必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，其缺點是節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一路徑。 基于 ZigBee 的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 7 圖 2 星形拓撲結(jié)構(gòu) 樹型拓撲結(jié)構(gòu)如圖 23。協(xié)調(diào)器可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點，子節(jié)點的路由器節(jié)點也可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點。直接通信只可以在父節(jié)點和子節(jié)點之間進行 ，非父子關(guān)系的節(jié)點只能間接通信。 圖 3 樹狀拓撲結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀拓撲如圖 24。網(wǎng)狀拓撲具有靈活路由選擇方式，如果某個路由路徑出現(xiàn)問題，信息可自動沿其他路徑進行傳輸。任意兩個節(jié)點可相互傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)會自動按照 ZigBee 協(xié)議算法選擇最優(yōu)化路徑，以使網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定，通訊更有效率。 圖 4 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu) 工作模式 基于 ZigBee 的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 8 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo) (Beacon)模式和非信標(biāo) (Nonbeacon)模式兩種。信標(biāo)模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模 式只允許 ZE 進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設(shè)備長期處于工作狀態(tài)。 在信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負責(zé)以一定的間隔時間 (一般在 15ms4mins 之間 )向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16 個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送 。 非信標(biāo)模式下， ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終端節(jié)點的周期性 (周期可設(shè)置 )休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)， 周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要 15ms。 IEEE 規(guī)范 無線網(wǎng)絡(luò)要求低功耗、低成本為了實現(xiàn)這個要求， IEEE 新標(biāo)準(zhǔn)委員會于 2021 年成立了 IEEE 工作小組，它的任務(wù)就是制定低速率無線個人域網(wǎng)（ LRWPAN）標(biāo)準(zhǔn)。它具有復(fù)雜度較低、應(yīng)用成本很小、設(shè)備功耗很低等優(yōu)勢，是能在低成本設(shè)備間進行低速率信息傳輸與交換的規(guī)范。 IEEE 物理層規(guī)范 物理層 (PHY)有兩種類型的服務(wù)：管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。物理層提供的數(shù)據(jù)服務(wù)能夠運用無線信道接收和發(fā)送物理層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU）。 ZigBee 物理層主要承擔(dān)以下一些基本業(yè)務(wù)： （ 1） 啟動、關(guān)閉、休眠無線射頻模塊； （ 2） 在已有信道上探測射頻能量； （ 3） 接收分組鏈路質(zhì)量指示（ LQI）； （ 4） 通常對空閑信道進行基于 CSMACA 的評估（ CCA）； （ 5） 通信信道頻率的選擇； （ 6） 對數(shù)據(jù)的傳輸和接收。 ZigBee 進行通信的頻率是在其物理層進行規(guī)范。 ZigBee 可以針對不同的國家或地區(qū)為其提供不 同的工作頻率范圍，他們所使用的頻率范圍為 和 816/915MHz。所以，在 ZigBee 協(xié)議中定義 和 816/915MHz 2 個物理層標(biāo)準(zhǔn)，它們都使用直接序列擴頻 (DSSS)序列技術(shù)，采用全球統(tǒng)一的 免費頻段，不需要申請 ISM 頻段，這使得 ZigBee 設(shè)備在推廣及降低生產(chǎn)成本方面都更加可行。 物理層采用了 16 相相位調(diào)制技術(shù)，能夠提供 250kb/s 的基于 ZigBee 的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 9 傳輸速率，這使得數(shù)據(jù)吞吐量得以很大提高，進而縮短通信時延和數(shù)據(jù)收發(fā)時間，得以降低系統(tǒng)運行功 耗。 IEEE MAC 層規(guī)范 在 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)鏈路層被劃分為邏輯鏈路控制子層（ LLC）和介質(zhì)接入控制子層（ MAC）。 IEEE 中 介質(zhì)接入控制子層（ MAC） 子層負責(zé)接收和分解 MPDU 包中所包含的信息，封裝來自 NWK 層的數(shù)據(jù)， MAC 層幀中包含數(shù)據(jù)幀、命令幀、信標(biāo)幀以及應(yīng)答幀。 ZigBee 的 MAC 協(xié)議包括以下功能： （ 1）設(shè)備間無線通信鏈路的建立、維護和關(guān)閉； （ 2）對確認模式的幀傳送與接收； （ 3）控制信道的接入； （ 4）幀校驗； （ 5）對預(yù)留時隙管理； （ 6）對廣播信息進行管理； ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層功能就是提供一些必要的函數(shù)用于 Zigbee 的 MAC 層工作時調(diào)用的，同時能將所需的服務(wù)與接口反饋回應(yīng)用層。在網(wǎng)絡(luò)層必須定義兩個功能服務(wù)實體（網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實體和管理服務(wù)實體），向應(yīng)用層提供可用接口。 1．網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體 (NLDE) 當(dāng)在兩個或多個設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸時， NLDE 就會根據(jù)應(yīng)用協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)單元（ APDU）的格式進行數(shù)據(jù)傳送，只有這些設(shè)備必須同時處于一個可通信網(wǎng)絡(luò)中才能進行 數(shù)據(jù)傳送。 NLDE 提供的具體服務(wù)如下： (1)生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU）。 (2)確定拓撲傳輸路由方式。 (3)對通信的準(zhǔn)確性和安全性的保證。 2．網(wǎng)絡(luò)層管理實體 (NLME) NLME 提供的是管理服務(wù)，它滿足一個應(yīng)用進程與堆棧之間的互相調(diào)用。 NLME 提供的具體服務(wù)如下： (1) 新節(jié)點的配置：具有足夠的處理能力來保證必要的堆棧運行，其中包括一個啟動 ZigBee 協(xié)調(diào)器和加入一個已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)的操作。 (2)初始化一個無線網(wǎng)絡(luò)。 (3) 能夠 Join、 Reset 和 Leave 網(wǎng)絡(luò)：能夠允 許節(jié)點入網(wǎng)，也可通過 ZigBee 協(xié)調(diào)器或 ZigBee 路由器提出的請求，使設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)脫離。 (4) 發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路由路徑：具備找到并存儲網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸可能存在的最優(yōu)路由的能力。 基于 ZigBee 的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 10 (5) 發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點：具備找到、存儲、傳送相關(guān)節(jié)點的單跳 (OneHop)鄰居信息的能力。 (6) 控制接收周期：為了能夠使 MAC 子層同步或者直接接收有關(guān)數(shù)據(jù)，我們必須嚴格限制一個節(jié)點的硬件射頻模塊接收數(shù)據(jù)時間周期。 ZigBee 應(yīng)用層 ZigBee 的應(yīng)用層架構(gòu)包含應(yīng)用支持層 (APS)、 ZigBee 設(shè)備對象 (ZDO)和制 造商所規(guī)定的應(yīng)用對象； APS 提供的功能包括：確保綁定表能夠于綁定的設(shè)備之間能夠正常的進行信息傳輸。綁定的含義是建立起兩臺設(shè)備之間的匹配，這樣一來滿足他們之間的服務(wù)需求。 ZDO 的功能包含：確定網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)通信整個過程中所承擔(dān)的任務(wù)，對于那些節(jié)點作為終端節(jié)點，那些作為協(xié)調(diào)器節(jié)點，這些節(jié)點需要事先定義好。 在通過發(fā)送和反饋綁定請求信號后，立刻在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備之間搭建起穩(wěn)定、安全的數(shù)據(jù)傳輸機制。 ZigBee 的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點還需要承擔(dān)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效輻射范圍內(nèi)的節(jié)點的工作，在新節(jié)點入網(wǎng)后，再 根據(jù)它們的實際需要進行相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間。 ZigBee 設(shè)備對象和芯片供應(yīng)商的應(yīng)用對象之間的通用服務(wù)集合。通常是由以下兩個實體來實現(xiàn)這樣的服務(wù)： APS 數(shù)據(jù)實體(APSDE)和 APS 管理實體 (APSME)。 ① APSDE 連接到 APSDE 服務(wù)接人點 (APSDESAP)； ② APSME 連接到 APSME 服務(wù)接人點 (APSMESAP)。 APSDE 提供在同一網(wǎng)絡(luò)中的兩個及多個的應(yīng)用實體間的數(shù)據(jù)傳輸。 APSME 給出了多種的服務(wù)給應(yīng)用對象。這些服務(wù)包括安全服務(wù)和綁定設(shè)備，同時維 護管理對象的數(shù)據(jù)庫（ AIB）。 CC2430 芯片 CC2430 概述 CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片 (SoC)CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以 ZigBee 為基礎(chǔ)的 ISM 波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能 DSSS(直接序列擴頻 )射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的 8051 控制器。 基于 ZigBee 的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 11 圖 5 CC2430引腳排列圖 CC2430 的尺寸只有