【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 End Device)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備 (FFD)，而終端設(shè)備選用精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (RFD)。 協(xié)調(diào)器：一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò) PAN(Personal Area Network)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力； 路由器：主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點(diǎn)，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在； 終端設(shè)備：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備 ，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee地網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng) (Star Network)，樹狀網(wǎng) (Cluster tree Network)和網(wǎng)狀網(wǎng) (Mesh Network)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 21所示，依次是星狀網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在圖 21中的 C表示 PAN協(xié)調(diào)器， F表示全功能設(shè)備， R表示精簡(jiǎn)功能設(shè)備。 星形網(wǎng) (Star)是由一個(gè) ZigBee協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè) ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成的。 ZigBee協(xié)調(diào)器必須是 FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn) (終端節(jié)點(diǎn) )一般為 RFD，也可以為 FFD，它們分布在 ZigBee協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。 樹狀網(wǎng)絡(luò) (Clustertree)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為 RFD，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。 ZigBee協(xié) 調(diào)器比網(wǎng)絡(luò)中的其它路由器具有更強(qiáng)人的處理能力和存儲(chǔ)空間。樹狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時(shí)延也會(huì)增大。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) (Mesh網(wǎng) )一般是由若干個(gè) FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連 (如圖 21中箭頭所示 )，但它們中也有一個(gè)會(huì)被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)狀路由的。 Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲(chǔ)空間開銷。 11 圖 21 星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 工作模式 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo) (Beaeon)模式和非信標(biāo) (Nonbeaeon)模式兩種。信標(biāo)模式可以 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模式只允許 ZE進(jìn)行周期性休眠， ZC和所有 ZR設(shè)備長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。 在信標(biāo)模式下， ZC負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間 (一般在 15ms4mins之間 )向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各個(gè)時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。 非信標(biāo)模式下， ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為 ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)， ZE主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn) ZE的周期性 (周期可設(shè)置 )休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點(diǎn)需 要為自己的ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有 ZE子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向父節(jié)點(diǎn)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。 原語(yǔ)的概念 OSI開放模型采用分層結(jié)構(gòu)來簡(jiǎn)化和隔離各層的功能。每一層的服務(wù)是建立在它下層的服務(wù)之上，來為它的上層或者子層里的用戶提供服務(wù)的。 N層是服務(wù)提供者， N+1層F R F R F R R C F R F C F F F R F R R C F F F F F R R R 星 型 樹狀 網(wǎng)狀 12 是服務(wù)用戶。 N+1層和 N層之間的信息流是由一些離散的、瞬間的事件模擬的，每個(gè)事件都是通過傳遞服務(wù)原語(yǔ)來實(shí)現(xiàn)的，通過 SAP將服務(wù)原語(yǔ)從一層傳遞到 另一層。 服務(wù)原語(yǔ)是個(gè)抽象的概念，我們可以通過描述服務(wù)原語(yǔ)和其特征參數(shù)來制定某個(gè)服務(wù)。一個(gè)服務(wù)可能包含一個(gè)或者多個(gè)相關(guān)的原語(yǔ)，這些原語(yǔ)組成了與特定服務(wù)相關(guān)的行為，每個(gè)服務(wù)原語(yǔ)可能包含零個(gè)或者多個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)帶有要求提供服務(wù)的信息。 ZigBee規(guī)范的各種不同的任務(wù)在不同的層次上執(zhí)行，上層通過下層提供的功能完成所要執(zhí)行的任務(wù)。因此對(duì)于一個(gè)特定的層來說要完成兩方面的功能，向上層提供服務(wù)以及從下層調(diào)用服務(wù)。 ZigBee上下層間的交互就是通過服務(wù)原語(yǔ)來實(shí)現(xiàn)的 [14]。 2． 4 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu) ZigBee 協(xié)議棧簡(jiǎn)介 ZigBee協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)采用的是 OSI的分層結(jié)構(gòu)，其中物理層 (PHY)、媒體接入層 (MAC)和鏈路層 (LLC)由 IEEE802． 15． 4工作小組制定，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層則由 ZigBee聯(lián)盟制定。 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)各層的分布如圖 2． 1 圖 22 ZigBee 協(xié)議棧 體系結(jié)構(gòu) 在 ZigBee協(xié)議棧中，其結(jié)構(gòu)包含一系列的層，每一層通過使用下層提供的服務(wù)完成自己的功能，同時(shí)向上層提供服務(wù)。層與層之間通過服務(wù)訪問點(diǎn) SAP(Service Access Point)連接，每一 層都可以通過本層與其下層相連的 SAP調(diào)用下層為本層提供服務(wù)，同時(shí)通過本層與上層相連的 SAP為上層提供服務(wù)。這些服務(wù)是設(shè)備中的實(shí)體通過發(fā)送服務(wù)原語(yǔ)來實(shí)現(xiàn)的，其中實(shí)體包括數(shù)據(jù)實(shí)體 (DataEntity, DE)和管理實(shí)體 (Management Entity, ME)兩種：數(shù)據(jù)實(shí)體向上層提供常規(guī)的數(shù)據(jù)服務(wù)而管理實(shí)體提供向上層提供訪問數(shù)據(jù)內(nèi)部層的參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)等機(jī)制。 所謂服務(wù)原語(yǔ)是代表響應(yīng)服務(wù)的符號(hào)和參數(shù)的一種格式化、規(guī)范化的表示，它與服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)方式無關(guān)。原語(yǔ)的書寫形式包含了服務(wù)的實(shí)體、原語(yǔ)的功能及原 語(yǔ)的類型等，如：掃描原語(yǔ) MLME． SCAN． request；關(guān)聯(lián)確認(rèn)原語(yǔ)： MLME． ASSOCIATE． confirm。另外，原語(yǔ)都是發(fā)送給服務(wù)實(shí)體相鄰層的 層與層之間的通信原語(yǔ)可以分為以下四種，它們之間的關(guān)系如圖 2．。 13 圖 23 層與層的通信原語(yǔ)示意圖 其中： Request：請(qǐng)求原語(yǔ)，用于上層向本層請(qǐng)求指定的服務(wù)； Indication：指示原語(yǔ)，本層發(fā)給上層用來指示本層的某一內(nèi)部事件； Response：響應(yīng)原語(yǔ)，上層用于響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語(yǔ)； Confirm：確認(rèn)原語(yǔ)，本層用于響應(yīng)上層發(fā)出的請(qǐng)求原語(yǔ)。 ZigBee與 人們通常會(huì)把 ZigBee與 ，其實(shí)兩者之間還是有所區(qū)別的： 1. ZigBee完整、充分地利用了 ； 2. ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件； 3. ZigBee基于 ，同時(shí) ZigBee聯(lián)盟通過與 來確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案； 4. （ PHY）和媒體訪問控制（ MAC）層標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。 下 圖示意了 ZigBee 的結(jié)構(gòu)和分工 14 第 3 章 ZigBee 芯片 CC2531 USB接口由于其方便靈活、獨(dú)立供電的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中。采用 T1公司的第二代 SOC芯片 CC2531，實(shí)現(xiàn)了基于 USB接口的虛擬串口通信，并以溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將其引入到實(shí)際工程中來。 CC2531 CC2531是 TI公司推出的符合 2． 4 GHz IEEE 802． 15． 4標(biāo)準(zhǔn)的 射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達(dá) 4． 5 dBm，外部元件很少；結(jié)合 RF收發(fā)器與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型 8051微控制器的性能，具有 32 KB、 64 KB、 128 KB或 256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和 8 KB的 RAM，且該 RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保護(hù)能力；同時(shí)具有多種運(yùn)行模式，而且運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短，使低能耗特性能夠進(jìn)一步保證。 CC2531提供了 101 dB的鏈路質(zhì)量以及一套廣泛的外設(shè)集，包括 2個(gè) USART、 8路輸入可配置的 12位 ADC、 21個(gè)通用 GPIO、高 級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES)安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器和具有捕獲功能的 32 kHz睡眠定時(shí)器等設(shè)備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、家庭控制、計(jì)量和智能能源、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。 CDC 類簡(jiǎn)介 在 USB 的文件中，定義了將某種相同屬性的設(shè)備整合在一起的群體，稱之為類。這樣做可以同時(shí)開發(fā)該類的驅(qū)動(dòng)程序，提高了驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)用性。 CDC 類是通信設(shè)備類的簡(jiǎn)稱，是專為各種通信設(shè)備定義的子類。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同， CDC 類可以分成以下不同的模型： POST(傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù) )模 型、 ISDN 模型和 Networking(網(wǎng)絡(luò) )模型。其中， POST 模型又可以分為 DL(直接線控制 )模型、 AC(抽象控制 )模型、 Datapump(數(shù)據(jù)泵 )模型、 T(電話 )模型。本文的 USB 接口開發(fā)就屬于 POST 模型下的AC 模型。 。 圖 31 CDC 類的結(jié)構(gòu) 此外， CDC 又由 Communication Interface Class(通信接口類 )和 Data Interface Class(數(shù)據(jù)接口類 )組成。通信接口類主要負(fù)責(zé)設(shè)備的管理和控制，數(shù)據(jù)接口類則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。不同的模型端點(diǎn)需求不同，對(duì)系 統(tǒng)所用的抽象控制模型來說，通信接口類需要一個(gè)控制端點(diǎn) (Control Endpoint)來管理設(shè)備的枚舉、虛擬串口的波特率和數(shù)據(jù)類 型的設(shè)置。數(shù)據(jù)接口類的需求相對(duì)比較靈活，本 設(shè)計(jì) 中采用一個(gè)塊傳輸 IN 端點(diǎn)和一個(gè)等時(shí)傳輸 OUT 端點(diǎn)。 CC2531 芯片 內(nèi)部 簡(jiǎn)介 CC2531 是 TI 公司針對(duì) 2． 4 GHz ISM 頻帶推出的第二代支持 ZigBee／ IEEE 802． 15． 4 協(xié)議的片上集成芯片。 其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型 8051MCU 內(nèi)核、 256 KB Flash 和 8 KB RAM；具有 1 個(gè) USB 全速接口、 2 個(gè) USART、 8 位和 16 位定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、 8 路輸入可配置的 12位 ADC、 21 個(gè) GPIO、 AES128 協(xié)同處理器；硬件支持 CSMACA、數(shù)字化的 RSSI／ LQI和強(qiáng)大的 DMA 15 功能，具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。 CC2531 全速 USB接口的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。其特性如下： 圖 32 USB 接口結(jié)構(gòu)圖 ◆ 全速操作 (12 Mbps)； ◆ 6 個(gè)端口，端口 0 為控制端點(diǎn)，其余 5 個(gè)為數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)； ◆ 具有 1 KB SRAM(FIFO)存儲(chǔ) USB 數(shù)據(jù)包； ◆ 端口支持的數(shù)據(jù)包大小為 8～ 512 字節(jié)； ◆ 支持雙緩沖傳輸模式。 端點(diǎn) 0(EP0)為控制端點(diǎn)，枚舉階段的通信都是通過該端口完成的。端點(diǎn) 1～ 5(EP1～ 5)可以通過SFR 配置為等時(shí)、塊、中斷 3 種傳輸方式。其中塊傳輸端點(diǎn)和中斷傳輸端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 USB 寄存器設(shè)置是一樣的，但在固件方面具有不同的屬性。同時(shí)為了加快數(shù)據(jù)傳輸，還可以使用雙緩沖模式。在配置各個(gè)端點(diǎn)的屬性之前，必須通過特殊寄存器 USBINDEX 來選擇不同的端點(diǎn)，以此來選擇當(dāng)前進(jìn)行配置的端點(diǎn)寄存器組。 硬件設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 2所示。整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可以劃分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊 4個(gè)組成部分，各部分協(xié)同工作。電源模塊負(fù)責(zé)電壓調(diào)理，為其他模塊提供所需要的電壓；處理模塊負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和命令；無線通信模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)、命令的傳輸；數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理。 圖 33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3． 電源模塊 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于人們不方便或者不經(jīng)常到達(dá)的地方，因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量分配，在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中具有極 16 其重要 的意義。目前，比較容易實(shí)現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式是電池供電，根據(jù)不同場(chǎng)合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在平常使用時(shí)具有更好的線性特性，因此可以作為系統(tǒng)能量來源的