【文章內容簡介】 6） 數據的傳輸和接收 媒體接入控制層（MAC）MAC層主要為Zigbee網絡中兩個通信設備間的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：MAC層數據服務及MAC層管理服務[5]。數據服務是指支持不同設備的MAC層之間的數據交換，管理服務是指MAC支持上層對其下達管理命令。無線信道是一個共享信道，MAC層的關鍵技術之一就是解決設備在使用共享信道時不會產生因為沖突而造成錯誤的問題，否則就會造成網絡的癱瘓。MAC子層需要處理接入到無線信道等事務，并負責以下幾個方面的任務：（1） 網絡協(xié)調器產生并發(fā)送網絡信標。（2） 設備根據協(xié)調器的信標和協(xié)調器保持同步，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） 處理和維護采用GTS機制。超幀結構和信標的概念引入使網絡管理變得非常方便，每個超幀都以協(xié)調器信標開始，該信標中包含超幀持續(xù)時間以及時間分配等信息。（5） 在兩個通信設備對等MAC實體間提供數據通信鏈路。 Zigbee網絡層。為了能夠在相同應用層進行連接，網絡層在概念上包括兩個應用實體：數據服務實體(NLDE)和管理服務實體(NLME)[6]。網絡層數據實體向上層提供數據傳輸服務，管理實體則通過連接SAP提供管理服務。除此之外，網絡管理實體利用數據實體完成某些管理任務，負責維護網絡信息數據庫（NIB）。網絡層主要為保證MAC子層的正常工作而提供一些必要的應用函數和相應的服務接口。網絡層數據實體只能向在同一個網絡中的兩個及多個設備提供數據傳輸服務。網絡層數據實體可向應用層提供以下一些服務：（1） 生成網絡級別的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網絡等數據實體網絡層管理實體MCPSSAPMLMESAP上層實體MAC層實體圖25 網絡層參考模型網絡層管理實體（NLME）應提供某些管理服務，允許應用程序與協(xié)議棧相互作用。NLME應提供以下服務：1） 配置一個新設備。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)調器的操作，或加入一個已存在的網絡。2） 開始一個網絡。建立一個新的網絡功能。3） 加入、重新加入和離開一個網絡。加入、重新加入或離開一個網絡的功能，以及為一個ZigBee協(xié)調器或ZigBee路由器請求一個設備離開網絡的功能。4） 尋址。ZigBee協(xié)調器和路由器給新加入網絡的設備分配地址的能力。5） 鄰居發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)、記錄和報告關于單跳鄰居設備信息的能力。6） 路由發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)并記錄通過網絡的路徑的功能，即信息可以有效地傳送。7） 接收控制。一個設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據包，根據數據包的目的地址進行迪昂想并轉發(fā)到另一個接口的過程。例如單播，廣播，多播或者多對，在網絡中高校交換數據。 Zigbee應用層Zigbee的應用層包括APS子層（應用支持子層）、ZDO（Zigbee設備對象）及其他制造商定義的應用對象[7]。ZigBee技術嵌入到消費型電子設備、家庭和建筑物自動化設備、工業(yè)控制裝置、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機等設備中，支持小范圍內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用，就可以考慮采用ZigBee技術：l 設備間距較?。籰 設備成本很低，傳輸的數據量很??；l 設備體積很小，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充電；l 需要覆蓋的范圍較大，網絡內需要容納的設備較多，網絡主要用于檢測或控制。 Zigbee設備對象是處于協(xié)議棧中應用層上的為滿足實際應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。 Zigbee和LED技術的優(yōu)勢 Zigbee技術是一種新興的短距離無線通信技術，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。兩種技術的結合為現(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手段，用Zigbee技術和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技術的LED路燈控制系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保方面技術優(yōu)勢明顯:(1) 低功耗：LED路燈的功率選擇根據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路燈的設計使用壽命為大約50000小時，有時甚至更高，遠遠超過高壓鈉燈的使用壽命，在節(jié)約成本和維護上具有很大優(yōu)勢。(3) 照明效率高：LED路燈采用獨特的二次光學設計，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網絡采用不同的拓撲結構可以極大的擴充無線通信網絡的容量，由系統(tǒng)的協(xié)調器管理路由節(jié)點和終端設備。 Zigbee技術的應用領域ZigBee技術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)場的各種電子設備中應用廣泛，其常見的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和重復低反應時間數據等，其目標功能是自動化控制[9]；Zigbee技術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技術的有效通信范圍為10m75m：如果數據傳輸速率降至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)盟認為該技術日后必將在工業(yè)控制、汽車控制、現(xiàn)代農業(yè)等領域得到廣泛應用。在工業(yè)控制中，傳感器通過Zigbee網絡采集各種信息，并通過無線網絡將信息及時傳送到系統(tǒng)進行數據分析與處理，為決策者提供及時準確的參考信息，使得整個工業(yè)控制過程更加高效。例如對火災現(xiàn)場的環(huán)境探測，工業(yè)設備運行狀況的監(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置在監(jiān)測對象內部，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)境和各種金屬結構對電磁信號的干擾。在現(xiàn)代農業(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備組成復雜的控制網絡[10]。采用傳感器和Zigbee技術相結合的無線監(jiān)控系統(tǒng)后，農業(yè)控制系統(tǒng)逐漸向智能化數字化方向發(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網絡上傳至監(jiān)控中心供決策者參考，可以及早的發(fā)現(xiàn)農場中的問題，從而做出調整以提高農作物的產量。在醫(yī)學應用中，通過各種傳感器和基于Zigbee技術的通信網絡，準確實時的監(jiān)測每個病人的狀況，包括體溫、血壓以及心跳等，從而減少相關醫(yī)務人員的工作量，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。據推測，在未來的智能化家居中，每個家庭需要數十個Zigbee終端設備，可以聯(lián)網的設備包括錄像機、PC機、安全門、窗戶以及空調等。智能化家居引入Zigbee技術后，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技術的遙控器可以實現(xiàn)全球漫游和無縫使用，從而降低設備的車本，有利于在未來進行大規(guī)模的推廣應用[10]。3 Zigbee技術開發(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計中的重點。選擇和比較不同芯片的優(yōu)缺點以便能夠設計出低成本、低功耗并且可以根據實際需求進行適當升級的電路。本文重點研究無線通信的組網，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計的首選。隨著Zigbee技術的發(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，應用成本相對低廉，該公司向開發(fā)設計人員提供MAC軟件，設計人員通過該軟件即可組建相對簡單的星形網絡。Freescale的后續(xù)產品在功能上不斷加強，設計人員可根據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，也可根據實際需求組建星形網、樹狀網以及網狀網。除此之外，該系列芯片還有豐富的配套設施，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，可以有效減少網絡中節(jié)點數量，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)異的性能廣泛應用于各種傳感器網絡。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、低復雜度和網絡容量大等優(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） 支持數字化的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數模轉換模塊。（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