【文章內(nèi)容簡介】 6） 數(shù)據(jù)的傳輸和接收 媒體接入控制層（MAC）MAC層主要為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中兩個通信設(shè)備間的MAC層實體提供可靠的通信鏈路[4]。MAC層向上層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)及MAC層管理服務(wù)[5]。數(shù)據(jù)服務(wù)是指支持不同設(shè)備的MAC層之間的數(shù)據(jù)交換，管理服務(wù)是指MAC支持上層對其下達(dá)管理命令。無線信道是一個共享信道，MAC層的關(guān)鍵技術(shù)之一就是解決設(shè)備在使用共享信道時不會產(chǎn)生因為沖突而造成錯誤的問題，否則就會造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。MAC子層需要處理接入到無線信道等事務(wù)，并負(fù)責(zé)以下幾個方面的任務(wù)：（1） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。（2） 設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)和協(xié)調(diào)器保持同步，并支持PAN鏈路的建立和斷開以及無線信道的安全等。（3） 信道接入采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMACA）機制。（4） 處理和維護(hù)采用GTS機制。超幀結(jié)構(gòu)和信標(biāo)的概念引入使網(wǎng)絡(luò)管理變得非常方便，每個超幀都以協(xié)調(diào)器信標(biāo)開始，該信標(biāo)中包含超幀持續(xù)時間以及時間分配等信息。（5） 在兩個通信設(shè)備對等MAC實體間提供數(shù)據(jù)通信鏈路。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層。為了能夠在相同應(yīng)用層進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)層在概念上包括兩個應(yīng)用實體：數(shù)據(jù)服務(wù)實體(NLDE)和管理服務(wù)實體(NLME)[6]。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體向上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體則通過連接SAP提供管理服務(wù)。除此之外，網(wǎng)絡(luò)管理實體利用數(shù)據(jù)實體完成某些管理任務(wù)，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫（NIB）。網(wǎng)絡(luò)層主要為保證MAC子層的正常工作而提供一些必要的應(yīng)用函數(shù)和相應(yīng)的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體只能向在同一個網(wǎng)絡(luò)中的兩個及多個設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體可向應(yīng)用層提供以下一些服務(wù)：（1） 生成網(wǎng)絡(luò)級別的PDU(NPDU)（2） 指定傳輸路由（3） 確保無線通信的機密性和安全性MLDESAPMLMESAP網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)實體網(wǎng)絡(luò)層管理實體MCPSSAPMLMESAP上層實體MAC層實體圖25 網(wǎng)絡(luò)層參考模型網(wǎng)絡(luò)層管理實體（NLME）應(yīng)提供某些管理服務(wù)，允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧相互作用。NLME應(yīng)提供以下服務(wù)：1） 配置一個新設(shè)備。為所需的操作充分配置協(xié)議棧的功能，配置選項包括開始一個作為ZigBee協(xié)調(diào)器的操作，或加入一個已存在的網(wǎng)絡(luò)。2） 開始一個網(wǎng)絡(luò)。建立一個新的網(wǎng)絡(luò)功能。3） 加入、重新加入和離開一個網(wǎng)絡(luò)。加入、重新加入或離開一個網(wǎng)絡(luò)的功能，以及為一個ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器請求一個設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的功能。4） 尋址。ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。5） 鄰居發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)、記錄和報告關(guān)于單跳鄰居設(shè)備信息的能力。6） 路由發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)并記錄通過網(wǎng)絡(luò)的路徑的功能，即信息可以有效地傳送。7） 接收控制。一個設(shè)備控制何時接收者是激活的，以及激活多長時間，從而使MAC子層同步或直接接收。8） 路由。路由器從一個接口上收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址進(jìn)行迪昂想并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個接口的過程。例如單播，廣播，多播或者多對，在網(wǎng)絡(luò)中高校交換數(shù)據(jù)。 Zigbee應(yīng)用層Zigbee的應(yīng)用層包括APS子層（應(yīng)用支持子層）、ZDO（Zigbee設(shè)備對象）及其他制造商定義的應(yīng)用對象[7]。ZigBee技術(shù)嵌入到消費型電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機等設(shè)備中，支持小范圍內(nèi)基于無線通信的控制和自動化。通常符合下列條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)：l 設(shè)備間距較?。籰 設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很??；l 設(shè)備體積很小，不容許防止較大的充電電池或者電源模塊；l 只能使用一次性電池，沒有充足的電力支持；l 無法做到頻繁更換電池或反復(fù)充電；l 需要覆蓋的范圍較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多，網(wǎng)絡(luò)主要用于檢測或控制。 Zigbee設(shè)備對象是處于協(xié)議棧中應(yīng)用層上的為滿足實際應(yīng)用需求的一種解決方案，為協(xié)議棧中的各層提供初始化服務(wù)。 Zigbee和LED技術(shù)的優(yōu)勢 Zigbee技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，具有低速率、低功耗、高容量、延時短、安全性高以及免執(zhí)照頻段等特點[8]；LED路燈以發(fā)光二極管為光源，具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。兩種技術(shù)的結(jié)合為現(xiàn)代城市照明系統(tǒng)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保提供了可能的技術(shù)手段，用Zigbee技術(shù)和LED路燈組建的無線路燈控制系統(tǒng)從成本、功能以及運營管理等方面都具有很大的優(yōu)勢?；赯igbee技術(shù)的LED路燈控制系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保方面技術(shù)優(yōu)勢明顯:(1) 低功耗：LED路燈的功率選擇根據(jù)不同場合的實際照明需求，通常選用50W到200W的功率。路燈照明用高壓鈉燈功率一般在250W，特殊場合可使用高達(dá)450W的高壓鈉燈；Zigbee模塊在低功耗模式下工作時普通干電池就可保證芯片長時間工作。(2) 壽命長：平均每盞LED路燈的設(shè)計使用壽命為大約50000小時，有時甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高壓鈉燈的使用壽命，在節(jié)約成本和維護(hù)上具有很大優(yōu)勢。(3) 照明效率高：LED路燈采用獨特的二次光學(xué)設(shè)計，將燈光照射到需要照明的區(qū)域，提高光照效率，節(jié)約能源，LED燈光具有單向性，光源沒有漫射，保證照明效率；LED光源具有環(huán)保特性，不含汞，無污染，屬于新興綠色照明光源[8]。(4) 成本低：擁有精簡的通信協(xié)議，減少對微控制器的要求。(5) 容量大：Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以極大的擴充無線通信網(wǎng)絡(luò)的容量，由系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器管理路由節(jié)點和終端設(shè)備。 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域ZigBee技術(shù)適用于距離范圍小和對通信速率要求不高的場合，在工業(yè)現(xiàn)場的各種電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，其常見的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和重復(fù)低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)等，其目標(biāo)功能是自動化控制[9]；Zigbee技術(shù)使用兩個頻段的工作頻率，分別為歐洲使用的868MHz和美國、澳大利亞使用的915MHz的低頻段，Zigbee技術(shù)的有效通信范圍為10m75m：如果數(shù)據(jù)傳輸速率降至28Kb／s時，其有效通信范圍甚至可以增加到134m，極大的提高了通信的可靠性[9]；ZigBee聯(lián)盟認(rèn)為該技術(shù)日后必將在工業(yè)控制、汽車控制、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)控制中，傳感器通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集各種信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息及時傳送到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，為決策者提供及時準(zhǔn)確的參考信息，使得整個工業(yè)控制過程更加高效。例如對火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境探測，工業(yè)設(shè)備運行狀況的監(jiān)測等。在汽車控制中，由于大部分傳遞消息的通用傳感器只能內(nèi)置在監(jiān)測對象內(nèi)部，所以要求使用的無線通信模塊的供電電池具有較長的壽命，且能夠克服惡劣的環(huán)境和各種金屬結(jié)構(gòu)對電磁信號的干擾。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)控制中，無線信號的傳播特性良好，但是由于通信區(qū)域較大，需要使用的大量的傳感器設(shè)備組成復(fù)雜的控制網(wǎng)絡(luò)[10]。采用傳感器和Zigbee技術(shù)相結(jié)合的無線監(jiān)控系統(tǒng)后，農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)逐漸向智能化數(shù)字化方向發(fā)展。傳感器可以收集到各種信息，包括土壤的濕度、PH值、溫度以及降水量等，這些信息將通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心供決策者參考，可以及早的發(fā)現(xiàn)農(nóng)場中的問題，從而做出調(diào)整以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，通過各種傳感器和基于Zigbee技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確實時的監(jiān)測每個病人的狀況，包括體溫、血壓以及心跳等，從而減少相關(guān)醫(yī)務(wù)人員的工作量，有助于合理利用醫(yī)療資源。智能化家居是Zigbee最具潛力的市場。據(jù)推測，在未來的智能化家居中，每個家庭需要數(shù)十個Zigbee終端設(shè)備，可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備包括錄像機、PC機、安全門、窗戶以及空調(diào)等。智能化家居引入Zigbee技術(shù)后，將在很大程度上提高人們生活環(huán)境的舒適度。同時使用Zigbee技術(shù)的遙控器可以實現(xiàn)全球漫游和無縫使用，從而降低設(shè)備的車本，有利于在未來進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用[10]。3 Zigbee技術(shù)開發(fā)使用的硬件平臺 無線通信芯片的選擇通過對Zigbee技術(shù)的了解我們得知，選擇一款支持Zigbee通信協(xié)議的芯片是硬件電路設(shè)計中的重點。選擇和比較不同芯片的優(yōu)缺點以便能夠設(shè)計出低成本、低功耗并且可以根據(jù)實際需求進(jìn)行適當(dāng)升級的電路。本文重點研究無線通信的組網(wǎng)，在目前使用的諸多無線芯片中，片上系統(tǒng)因為低功耗、低成本和多功能成為本設(shè)計的首選。隨著Zigbee技術(shù)的發(fā)展，無線單片機模塊也在不斷發(fā)展，功能更加豐富，種類也不斷增加，各大公司紛紛開發(fā)相應(yīng)的無線單片機模塊。目前，支持Zigbee通信協(xié)議的芯片有很多，其中在市場上獲得良好效果的主要有以下幾種：（1） Freescale系列。Freescale公司推出的MC13191芯片，應(yīng)用成本相對低廉，該公司向開發(fā)設(shè)計人員提供MAC軟件，設(shè)計人員通過該軟件即可組建相對簡單的星形網(wǎng)絡(luò)。Freescale的后續(xù)產(chǎn)品在功能上不斷加強，設(shè)計人員可根據(jù)實際需要選擇不同的開發(fā)平臺。（2） Ember的EM250和EM260均支持Zigbee通信協(xié)議，也可根據(jù)實際需求組建星形網(wǎng)、樹狀網(wǎng)以及網(wǎng)狀網(wǎng)。除此之外，該系列芯片還有豐富的配套設(shè)施，保證整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。（3） Atmel的AT86RF230射頻芯片 ，因其將射頻收發(fā)器各模塊都集成在一個芯片上，故擁有較高的穩(wěn)定度、靈敏度和傳輸功率，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量，降低成本。（4）TI公司的CC2430CC2430是首款真正意義上的片上系統(tǒng)，它完美結(jié)合Zigbee協(xié)議棧，是一款可以滿足Zigbee低成本低功耗要求的解決方案。CC2430內(nèi)部集成了一個增強型8051控制器和RF射頻收發(fā)器，三種不同大小的Flash內(nèi)存（分別是32/64/128kb），8kb的RAM,以及ADC、DMA、看門狗定時器等[10],因其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于各種傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過對目前幾種主流無線通信芯片的比較分析，CC2430因其低功耗、低成本、低復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點成為本方案的首選硬件平臺。 CC2430芯片介紹CC2430是TI（德州儀器）公司收購CHIPCON后推出的首款真正意義上的片上系統(tǒng)。，還包括一個增強型8051單片機、。 ，工作時電流損耗只有27mA，在接收模式下，電流損耗低于27mA，在發(fā)射模式下，電流損耗則低于25mA。CC2430芯片有一些主要特點與性能如下所示[11]：（1） 功耗低、性能高的增強型8051微控制器。（2） 。（3） 較強的抗干擾性能和優(yōu)良的接收靈敏度。（4） ，使用外部中斷或者RTC喚醒系統(tǒng)。在待機時，使用外部中斷喚醒系統(tǒng)。（5） 硬件支持CSMA/CA功能。（6） 輸入電壓范圍較寬（）。（7） 支持?jǐn)?shù)字化的RSSI/LOI和DMA功能。（8） 能夠監(jiān)測電池和感測溫度功能。（9） 芯片集成了14位的ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。（10） 集成有AES安全協(xié)處理器。（11） 帶有2個可支持多組協(xié)議的USART。（12） 帶有4個定時器：；1個常規(guī)的16位計時器以及2個8位計時器。（13） 提供21個I/O口，其中有兩個I/O