【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 只需要 15ms，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為 30ms ,活動(dòng)設(shè)備信通接入的時(shí)延為 15ms。 :ZigBee 可采用星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254 個(gè)子節(jié)點(diǎn) 。同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。 :為了避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙。 MAC 層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā) 。 :ZigBee 提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè) 定、使用接入控制清單 (ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES 128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 :傳輸范圍一般介于 10~100m 之間，在增加 RF 發(fā)射功率后，辦可增加到 13Km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 ZigBee 與各種短距離無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的比較 無(wú)線通信技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持和核心部分，目前，各種無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，并且各有所長(zhǎng) [7]。其中主要有藍(lán)牙、 UWB 技術(shù)、紅外技術(shù)、 HomeRF 技術(shù)等 [14]， 它們的主要參數(shù)如表 21 所示。 表 21 幾種無(wú)線傳輸技術(shù)的比較 藍(lán)牙 超寬帶 紅外 ZigBee 電池壽命 較短 長(zhǎng) 長(zhǎng) 最長(zhǎng) 系統(tǒng)開(kāi)銷 較大 小 小 小 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 7 8 2 255/65000+ 覆蓋范圍 10 米 10 米 定向 1 米 1—100 米 傳輸速率 1Mbps 110/200Mbps 16Mbps 20/250Kps 傳輸介質(zhì) 980nm （ BlueTooth） 藍(lán)牙開(kāi)發(fā)計(jì)劃首先有愛(ài)立信于 1994 年提出。藍(lán)牙，是一種無(wú)線 個(gè)人局域網(wǎng)，讓各種數(shù)碼設(shè)備之間能夠無(wú)線溝通。藍(lán)牙的工作頻率為 ，有效范圍大約為10 米。藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn)：采用 的 ISM 頻段，不需要申請(qǐng)?jiān)S可證；采用快速跳頻和短包技術(shù)，減少同頻干擾，保證物理層傳輸?shù)目煽亢桶踩?；采用前向糾錯(cuò)編碼來(lái)減少傳輸時(shí)的隨機(jī)噪聲影響；支持 64kbit/s 的實(shí)時(shí)話音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù)傳輸，語(yǔ)音和數(shù)據(jù)可以單獨(dú)或同時(shí)傳輸；最大傳輸速率為唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 5 1Mbit/s?，F(xiàn)在藍(lán)牙已經(jīng)被列入了 ，發(fā)展迅速。 技術(shù) 超寬帶（ UWB）技術(shù)起源于 20 世 紀(jì) 50 年代末，主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)探測(cè)和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用。在無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中， FCC 已經(jīng)將 至10,6GHz 頻段向 UWB 通信開(kāi)放。與現(xiàn)有通信技術(shù)相比， UWB 通信技術(shù)主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)：頻帶寬；低耗電；低成本；傳輸速率高；空間容量大；低功耗；多徑分辨能力強(qiáng)；穿透能力強(qiáng)；定位準(zhǔn)確；隱蔽性好、安全性高等。 （ IrDA） IrDA 是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)。當(dāng)前， IrDA 技術(shù)的軟件和硬件都已經(jīng)比較成熟，主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)：無(wú)需專門申請(qǐng)?zhí)囟l率的使用執(zhí)照；具有移動(dòng)通信設(shè) 備所必需的體積小、功率低的特點(diǎn)。除了技術(shù)上的特點(diǎn)外， IrDA的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)也十分明顯。 IrDA 也有它的局限性。首先， IrDA 是一種視距傳輸技術(shù)。其次， IrDA 設(shè)備中的核心部件紅外 LED 不是一種耐久部件。最后， IrDA 沒(méi)有提供鏈接級(jí)別的安全措施，而是依靠上層協(xié)議提供的授權(quán)與安全功能。 由此可知藍(lán)牙 (Bluetooth)雖然成本較低，成熟度高， 但 是傳輸距離有限，僅為10 米，可以參與組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)少。 UWB 技術(shù)雖然頻帶寬，功耗低，但其組網(wǎng)能力較差。因此 ZigBee 技術(shù)廣泛應(yīng)用在短距離低速率電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。 ZigBee 技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn) ZigBee 是一組基于 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與其它無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)如 或 不同 [5]。 ZigBee 的協(xié)議框架如圖 22 所示。 圖 22 ZigBee協(xié)議?？驁D 它類似于 OSI 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議的一個(gè)模型，從下向上依次為物理層（ PHY）、媒體接入層（ MAC)、網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用支持子層 (APS)、應(yīng)用層，其中物理層和媒體接入層采用的是 標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層則是由 ZigBee 聯(lián)盟合作 制應(yīng)用層 網(wǎng)絡(luò)層 媒體介入層 物理層 ZigBee 聯(lián)盟 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 6 定的。協(xié)議棧的層與層之間通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)完成數(shù)據(jù)交換。 物理層 標(biāo)準(zhǔn)定義了 2 個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 868MHz/915MHz 物理層和 物理層。 2 個(gè)物理層都基于 DSSS（ Direct Sequence Spread Specturm，直接序列擴(kuò)頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、 擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。物理層通過(guò)射頻固件和硬件提供 MAC 層與物理無(wú)線信道之間的接口。物理層通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)；通過(guò)物理層管理實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn) 提供物理層管理服務(wù)。 物理層的主要功能： 的激活； ； ； 信道接入方式； ； 。 媒體接入 層 MAC 層提供了特定服務(wù)會(huì)聚子層（ SSCS）和物理層之間的接口。從概念上說(shuō)，MAC 層還包括 MAC 層管理實(shí)體，以提供調(diào)用 MAC 層管理功能的管理服務(wù)接口；同時(shí) MAC 層管理實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù) MAC PAN 信息庫(kù)。使用 CSMACA 機(jī)制接入無(wú)線信道。 媒體接入層主要功能有： 、維護(hù)和 結(jié)束； ，幀校驗(yàn)； ； ； PAN 的連接和分離； （ GTS）機(jī)制； MAC 實(shí)體之間可靠的鏈路連接。 網(wǎng)絡(luò) 層 在網(wǎng)絡(luò)層方面， ZigBee 可以采用星狀、樹(shù)狀、 網(wǎng) 狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可以允許三者的結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)層主要采用基于 Ad Hoc 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以采用三種路由算法：以 AODV 算法建立隨意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞耐負(fù)浼軜?gòu)；利用廣播的方式傳遞信息?？筛鶕?jù)唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 7 具體的應(yīng)用需求，選擇適合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能： 的建立和管理； ； ； ； ； ； 。 應(yīng)用 層 應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，主要包括 3 個(gè)部分：與網(wǎng)絡(luò)層連接的應(yīng)用支持層 (APS)、 ZigBee 設(shè)備對(duì)象 ZDO 以及 ZigBee 的應(yīng)用層架構(gòu)(AF)。最重要的是已經(jīng)涵蓋了服務(wù)的概念。 ZigBee 應(yīng)用層除了提供一些必要函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個(gè)重要的功能是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對(duì)象。 APS 主要功能是： APS 層數(shù)據(jù)單元的處理，節(jié)點(diǎn)間應(yīng)用對(duì)象的綁定，維持綁定表以及 APS 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。 ZDO 可以看成是一種公共的應(yīng)用，提供一個(gè)公共的功能集，供用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象調(diào)用 APS 層的服務(wù)及網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)，主要功能保括設(shè)備發(fā)現(xiàn)和服務(wù)發(fā)現(xiàn)，定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，以及在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。 ZigBee 協(xié)議 棧 以 ZigBee 為標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)形式典型的有 ZStack 協(xié)議棧和 MsstatePAN 協(xié)議棧。 ZStack 協(xié)議棧是 ZigBee 技術(shù)的核心，所實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越完善 [6]。它是 TI 公司專為 自己生產(chǎn)的，通過(guò) UCOS 來(lái)實(shí)現(xiàn)，它的主要特點(diǎn)就是其兼容性，可以通過(guò)Mesh Network 下載節(jié)點(diǎn)并更新，而且其完全支持 IEEE 片上系統(tǒng)解決方案。 ZStack 協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)、星狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 ZStack 協(xié)議棧主要有三種版本：第一種： ZigBee2021 或 ，它于 2021年 12 月正式生效，是一個(gè)全源代碼的協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)一些簡(jiǎn)單的通信，在組建網(wǎng)絡(luò)方面功能還不是很理想，組建網(wǎng)絡(luò)類型有限，僅能實(shí)現(xiàn)串狀組網(wǎng)和星狀組網(wǎng)。第二種： Zi gBee2021 規(guī)范，它是一個(gè)公開(kāi)的半開(kāi)源的協(xié)議棧，相比較 ZigBee2021，安全性更高、層次性更強(qiáng)、功耗更小，而且最重要的是實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)狀組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了ZigBee 的向后兼容性。第三種： ZigBee2021，它有兩套高級(jí)的功能指令集即 ZigBee功能命令集與 ZigBeePro 功能命令集。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 8 MsstatePan 協(xié)議棧是一款精簡(jiǎn)的開(kāi)源 ZigBee 協(xié)議，它基于 ZigBee 規(guī)范，具有組網(wǎng)迅速、源碼開(kāi)放、容易裁剪、方便調(diào)試、生成代碼容量小等優(yōu)點(diǎn)。 MsstatePan協(xié)議棧最主要的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)源，能夠在 MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)用 戶的需求自己設(shè)置，而且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。 表 23 MsstatePan協(xié)議棧和 ZStack協(xié)議棧的異同點(diǎn) 功能屬性 ZStack 協(xié)議棧 MsstatePan 協(xié)議棧 路由 Meshamp。樹(shù)形 amp。星型路由 樹(shù)形 amp。星型路由 網(wǎng)絡(luò)配置 動(dòng)態(tài)，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)自組網(wǎng) 動(dòng)態(tài)，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)自組網(wǎng) PAN ID 動(dòng)態(tài)選擇 靜態(tài)配置，有用戶設(shè)置 信道選擇 靜態(tài)設(shè)置 靜態(tài)設(shè)置 頻率 、 91 868MHz 直接消息模式 是 是 綁定 amp。消息模式 動(dòng)態(tài)綁定、靜態(tài)綁定 動(dòng)態(tài)綁定、靜態(tài)綁 定 信標(biāo)使能 是 是 ZigBee 廣播支持 是 是 APS 應(yīng)答支持 是 是 安全加密 是 否 數(shù)據(jù)包緩存代理支持 是 否 HEX 文件容量 200KB 80KB 休眠功能支持 是 否 PC 端調(diào)試器 MT 支持 是 否 串口調(diào)試信息打印 否 是 由 表 23 可知， MsstatePan 協(xié)議棧與 ZStack 協(xié)議棧相比，雖然不能實(shí)現(xiàn)安全加密、數(shù)據(jù)包緩存代理支持、休眠以及 MT 調(diào)試功能，但是總的來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)潔，可以實(shí)現(xiàn) ZigBee 的基本功能 [15]。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 9 在本次設(shè)計(jì)中所采用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少而且固定，不要求全加密、 數(shù)據(jù)包緩存代理支持、休眠以及 MT 調(diào)試功能，因此選用這種精簡(jiǎn)的 MsstatePan 協(xié)議棧。 MsstatePAN 協(xié)議棧 MsstatePAN協(xié)議棧介紹 MstatePAN 協(xié)議棧是一款精簡(jiǎn)的開(kāi)源 ZigBee 協(xié)議，它基于 ZigBee 規(guī)范 。它由密西西比州立大學(xué)電子工程學(xué)院的助理教授 Robert Reese 開(kāi)發(fā)，發(fā)布于 2021年 3 月 5 日。本文采用的硬件平臺(tái)是 CC2430EM，編譯器采用的是 IAR 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。 MstatePAN 協(xié)議棧源碼完全公開(kāi)，便于研究并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合適當(dāng)對(duì)協(xié)議棧各層進(jìn) 一步修改。 MstatePAN 協(xié)議棧支持三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)，在 IAR 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的編譯界面中選擇 coord、 router、 rfd 三種預(yù)編譯選項(xiàng)來(lái)選擇節(jié)點(diǎn)類型。協(xié)議棧使用 處的 16 個(gè)信道，信道和 PANID 的設(shè)置均采用靜態(tài)設(shè)置。該協(xié)議棧的構(gòu)架如圖 24 所示。 圖 24 MsstatePAN 協(xié)議棧源碼構(gòu)架 圖 24 中左邊列出了協(xié)議棧包含的文件，右邊為代碼區(qū)。代碼區(qū)中： halInit()：基本的硬件初始化操作，包括時(shí)鐘頻率的設(shè)定、串口的初始化、波特率的設(shè)定、以及定時(shí)器的初始化。 aplInit()：協(xié)議棧的初始化操作，首先完成應(yīng)用支持子層的數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)aps_pib 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，然后依次調(diào)用物理層初始化函數(shù) phyInit()， MAC 層初始化函數(shù) macInit()以及網(wǎng)絡(luò)層初始化函數(shù) nwkInit()。 aplRegisterEndPoint(DATA_EP)：端點(diǎn)注冊(cè)操作，每一個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)用對(duì)象。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 10 while(1)：無(wú)限循環(huán)操作，開(kāi)啟了應(yīng)用層狀態(tài)機(jī)的循環(huán)，并會(huì)依次循環(huán)調(diào)用下層狀態(tài)機(jī)。 該協(xié)議棧構(gòu)架中除了物理層之外，每一層都有三個(gè)有限狀態(tài)機(jī)組成，分別是主狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)接收狀 態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機(jī)。主狀態(tài)機(jī) FSM()主要負(fù)責(zé)處理各種命令完成協(xié)議棧的核心功能，接收狀態(tài)機(jī) RxFSM()要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)接收事物，發(fā)送狀態(tài)機(jī) TxFSM()則主要負(fù)責(zé)處理發(fā)送事物。該協(xié)議棧的運(yùn)行采用嵌套調(diào)用的方式，即上層有限狀態(tài)機(jī)內(nèi)部調(diào)用下層有限狀態(tài)機(jī)。各層的主狀態(tài)機(jī)調(diào)用各自的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收狀態(tài)機(jī)。各個(gè)狀態(tài)機(jī)內(nèi)部都有回調(diào)函數(shù)以方便用戶適當(dāng)修改程序和添加功能。協(xié)議棧文件如表 25 所示。 表 25 協(xié)議棧文件 文件名 概述 堆棧主要頭文件，需要包含在應(yīng)用程序 ，地址表函數(shù) 宏定義 堆棧配置宏定義 多數(shù)文件應(yīng)用通用型號(hào) , 在 HAL 和評(píng)估板上提供的可移植函數(shù)原型 MsstatePAN協(xié)議 編程 對(duì)于實(shí)際應(yīng)用 MsstatePAN 協(xié)議棧來(lái)說(shuō)，最重要的是協(xié)議棧的 APL 函數(shù)。為實(shí)現(xiàn)一定的功能（如組網(wǎng)、收發(fā)數(shù)據(jù)等），只需要在應(yīng)用層添加自己的主函數(shù)來(lái)調(diào)用APL 函數(shù)，它屏蔽了協(xié)議棧的一些細(xì)節(jié)，但也可以深入 APL 函數(shù)的內(nèi)部進(jìn)行修改。協(xié)議棧的每一層都有自己的有限狀態(tài)機(jī)（ FSM）以隨時(shí)