【文章內(nèi)容簡介】 率的無線線連接技術(shù)，于 2022年 12 月通過了第 1 個 標(biāo)準(zhǔn)。2022 年，日木三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司、英國 Invensys 公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布加入 ZigBee 聯(lián)盟，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee 聯(lián)盟是為了在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實現(xiàn)簡單可靠、低功耗、低價格、無線連接的監(jiān)測和控制產(chǎn)品，于 發(fā)布首個 ZigBee 正式標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee 從 標(biāo)準(zhǔn)開始著手，定義了允許不同廠商制造的設(shè)備相互兼容的應(yīng)用綱要。截至目前，該聯(lián)盟大約己有 76 家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。涵蓋了消費類電子廠商、IP 服務(wù)提供商、半導(dǎo)體生產(chǎn)商及 OEM 商等，所有這些成員公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā) ZigBee 的 PHY 和 MAC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 工作組。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的定義是以 標(biāo)準(zhǔn)的 PHY 及 MAC 層為基礎(chǔ)的拓展，并對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee 定義了一個安全靈活的網(wǎng)絡(luò)層，支持種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在動態(tài)的射頻環(huán)境中提供高可靠性的無線傳輸。此外，ZigBee 盟還定義了應(yīng)用層、安全管理、應(yīng)用接口等規(guī)范。ZigBee 技術(shù)的主要特點包括以下幾個部分:(1) 低功耗: 在工作模式下，由于 ZigBee 技術(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號收發(fā)時間短；在非工作模式下，ZigBee 節(jié)點處于休眠狀態(tài)。一般兩節(jié)五號電池支持長達(dá) 6 個月到 2 年的左右的使用時間。(2) 可靠性:ZigBee 的媒體接入控制層(MAC 層)采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC 層支持確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，要求每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，如果在傳輸過程中出現(xiàn)問題可以重新發(fā)送，從而建立了可靠的通信模式。(3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延 30ms,休眠激活的時延是 15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為 15ms。因此ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制( 如工業(yè)控制場合等 )應(yīng)用。(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個星型結(jié)構(gòu)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納 254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備， 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100 個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。（5） 安全性：ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗 (CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了 AES128 的加密算法 ,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu) ]10[ZigBee 聯(lián)盟制定的是一種低成本、低功耗，雙向的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee 的協(xié)議構(gòu)架是建立在 標(biāo)準(zhǔn)之上的。 標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee 的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)。ZigBee 聯(lián)盟則定義了 ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層 (APL)和安全服務(wù)規(guī)范。ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)體系見圖 ，雖然基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對那些涉及 ZigBee 的層予以定義。 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制層（ MAC） 。ZigBee 聯(lián)盟提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）的設(shè)計，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（ APS） 、ZigBee 設(shè)備對象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對象。圖 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)物理層物理層提供的服務(wù)是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的，定義了物理無線信道(對于，有 16個信道，編號為 1116)和MAC 子層之間的連接，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)(PLDE) 和物理層管理服務(wù)(PLME)。通過該接可以喚醒層管理服務(wù)功能，同時也負(fù)責(zé)維護(hù)與物理層相關(guān)的一些管理對象的數(shù)據(jù)庫(PIB) 。物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點() 和物理層管理實服務(wù)接入點（) 與MAC 層通信， MAC層實體間進(jìn)行MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送，在MAC層管理實體之間提供管理命令的傳送。物理層主要完成以下幾項任務(wù)：開啟和關(guān)閉無線收發(fā)機、能量檢測（ED） 、鏈路質(zhì)量指標(biāo)（LQI ） 、空閑信道評估（CCA） 、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。MAC 層與物理層類似，MAC層也包括管理實體(MLME)和數(shù)據(jù)實體(MLDE)。MAC層管理實體提供可以喚醒MAC層管理服務(wù)的服務(wù)接口，同時也維護(hù)一個與MAC層相關(guān)的管理對象數(shù)據(jù)庫(MIB)。 進(jìn)行通信，通過MAC數(shù)據(jù)實體服務(wù)點() 和MAC層管理實體服務(wù)接入點向相關(guān)子層提供MAC層數(shù)據(jù)和管理服務(wù)。另外，MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過業(yè)務(wù)相關(guān)會聚子層(SSCS)協(xié)議承載802．2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)。MAC子層處理所有物理層無線信道接入，主要功能有:網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；與信標(biāo)同步；支持個域網(wǎng)(PAN)鏈路的建立和斷開；為設(shè)備的安全提供支持；信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入/沖突避免機制 (CSMA/CA)；處理和維護(hù)保護(hù)時隙(GTS)機制；在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層對于ZigBee協(xié)議棧非常重要，每一個ZigBee節(jié)點都包含網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)，為新加入網(wǎng)絡(luò)訪分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等。另外網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口，這種結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基本能夠?qū)崿F(xiàn)。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實體，它們分別為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)實體(NLDE)和管理服務(wù)實體 (NLME)。NLDE通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)接入點提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實體完成對網(wǎng)絡(luò)信息的維護(hù)和管理。應(yīng)用層ZigBee應(yīng)用層由三個部分組成，APS 子層、ZDO(包含ZDO管理平臺)和制造商定義的應(yīng)用對象。APS 子層的任務(wù)是維護(hù)綁定表和在綁定設(shè)備之間傳遞信息。ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如ZigBee協(xié)調(diào)器或終端設(shè)備)、發(fā)現(xiàn)設(shè)備并決定設(shè)備所能提供的應(yīng)用服務(wù)、初始化并響應(yīng)綁定請求和在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全關(guān)系。應(yīng)用支持子層給網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層通過ZigBee設(shè)備對象和制造商定義的應(yīng)用對象使用的一組服務(wù)提供了接口，該接口提供了ZigBee設(shè)備對象和制造商定義的應(yīng)用對象使用的一組服務(wù)。通過兩個實體提供這些服務(wù): 數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。APS數(shù)據(jù)實體(APSDE)通過與之連接的SAP ，即APSDESAP提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APS管理實體(APSME)通過與之連接的SAP ，即APSMESAP提供管理服務(wù)，并且維護(hù)一個管理實體數(shù)據(jù)庫，即APS信息庫(NIB) 。安全服務(wù)層ZigBee 提供的安全服務(wù)包括密鑰建立，密鑰運輸、幀保護(hù)和設(shè)備管理的方法。ZigBee 的安全層的構(gòu)架包括協(xié)議棧中三個層次的安全機制，MAC 子層，網(wǎng)絡(luò)層和 APS 層主要負(fù)責(zé)各自的數(shù)據(jù)幀的安全傳輸。另外，APS 子層為建立和保持安全關(guān)聯(lián)提供服務(wù)，ZigBee 設(shè)備的安全策略和安全構(gòu)架由 ZDO 管理。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的安全密鑰(security keys)主要是基于鏈接密鑰(link key)和網(wǎng)絡(luò)密鑰(work key)。APL 對等層之間的單播通信安全主要依靠兩個設(shè)備共享的 128 位鏈接密鑰來保證，而多播(broadcast)通信安全則由網(wǎng)絡(luò)中眾多設(shè)備分享的 128 位網(wǎng)絡(luò)密鑰來保證。這樣信息接收者就能夠知道確切的安全措施，也就是說信息接收者可以知道一個數(shù)據(jù)幀是否被鏈路密鑰或網(wǎng)絡(luò)密鑰加密了。 ZigBee 無線芯片選取目前市場上上符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)芯片多種多樣。ZigBee 聯(lián)盟的各大芯片生產(chǎn)商 Chipcon、Freescale、Ember、Jennic 、RadioPu1se 、OKI、Helim 等公司紛紛推出各自的 ZigBee 無線解決方案。本論文主要使用 Chipcon 和 Ti 公司生產(chǎn)的CC2420 和 CC2430 作為無線傳輸芯片，兩者進(jìn)行比較，確定無線芯片的選取。 CC2420 芯片主要特點及方案設(shè)計 ]12[CC2420 是 Chipcon As 公司推出的首款符合 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于 ZigBee 產(chǎn)品的 RF 器件。它基于 Chipcon 公司的 SmartRF 技術(shù)，以 CMOS 工藝制成 只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 250kbps 可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。CC2420 外圍參考電路圖，如圖 所示，其芯片的主要特點如下：● 工 作 頻 帶 范 圍 ： ～ 。 ● 采 用 規(guī) 范 要 求 的 直 接 序 列 擴 頻 方 式 。 ● 數(shù) 據(jù) 速 率 達(dá) 250kbps 碼 片 速 率 達(dá) 2MChip/s。 ● 采 用 OQPSK 調(diào) 制 方 式 。 ● 超 低 電 流 消 耗 （ RX:,TX:） 高 接 收 靈 敏 度 （ 99dBm） ?！?抗 鄰 頻 道 干 擾 能 力 強 (39dB)。 ● 內(nèi) 部 集 成 有 VCO、 LNA、 PA 以 及 電 源 整 流 器 ， 采 用 低 電 壓 供 電(～ )。 ● 輸 出 功 率 編 程 可 控 。 ● MAC 層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、 16bit CRC 校驗、電源檢測、完全自動 MAC 層安全保護(hù) (CTR,CBC－MAC，CCM)。● 與控制微處理器的接口配置容易(4 總線 SPI 接口)。● 開發(fā)工具齊全。 圖 CC2420 外圍參考電路根據(jù) CC2420 的工作特點，CC2420 并不能直接接模擬量的傳感器，而且就地顯示部分需要與低功耗單片機 MSP430 組成最小系統(tǒng)，才能接液晶及報警等電路。其方案設(shè)計如圖 ，本方案使用的傳感器必須為數(shù)字量，若為模擬量，需要在傳感器與 CC2420 之間添加一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模擬量傳感器CC2420 CC2420 MSP430液晶顯示報警電路無線通信AD 轉(zhuǎn)換模塊圖 基于 CC2420 無線芯片設(shè)計方案 CC2430 的主要特點及方案設(shè)計 ]14[30CC2430 單片機是 TI 公司（德州儀器）生產(chǎn)的一款專用于 和ZigBee 協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。其 RF 內(nèi)核是基于工業(yè)領(lǐng)先的射頻通信芯片 CC2420。在單個芯片上集成了 CPU、存儲器、常用片內(nèi)外設(shè)和 RF 射頻單元。它具有 1 個 8 位 CPU（8051），主頻達(dá) 32MHZ，具有最大 128 KB 可編程FLASH 和 8KB 的 SRAM，片內(nèi)外設(shè)非常豐富，主要包括 1 個 8 通道 8 位至 14 位可編程 ADC 轉(zhuǎn)換器、4 個定時器（其中包括一個 MAC 定時器）、2 個USART，1 個 DMA 控制器、 1 個 AES128 協(xié)同處理器、1 個看門狗定時器、1 個內(nèi)部穩(wěn)壓器、21 個可編程 I/O 引腳。I/O 引腳可配置為通用 I/O，也可配置為外設(shè)專用引腳。I/O 口在輸入時有上拉和下拉能力。全部 21 數(shù)字的 I/O 引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。如果需要外部設(shè)備，可對 I/O 引腳產(chǎn)生中斷，同時外部外部中斷時間也能被用來喚醒休眠模式。CC2430 芯片采用 CMOS 工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于 27mA 和 25mA。具有 3 種休眠模式,從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式僅需 54us，特別適合要求電池長期供電的應(yīng)用場合。CC2430 外圍參考電路如圖 ，其芯片主要特點如下：● 高性能和低功耗的 8051 微控制器核?！? GHz的RF無線電收發(fā)機。 ● 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。● 32，64，128KB在線系統(tǒng)可編程FLASH ?！? 的電流功耗，外部的中斷或RTC 能喚醒系統(tǒng)。● 的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)?！　?從低功耗到正常工作模式需要的時間極少。● 多 通 道 DMA控 制 器 ， 非 常 少 的 外 部 組 件 ?！?硬件支持CSMA/CA 功能。 ● 較寬的電壓范圍（ ～ V）?！?支持?jǐn)?shù)字RSSI/LQI指示。● 具有電池監(jiān)測和溫度傳感器。● 8通道8～14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC?！?集成 AES 安全協(xié)處理器?！?帶有 2 個強大的支持多組串行協(xié)議的 USART?！? 規(guī)范的 MAC定時器，1個16 位定時器和2個8位定時器?！?21個通用I/O引腳，其中有2個具有20mA灌電流和拉電流能力?！?ZigBee/ 兼 容 的 硬 件 、 物 理 層 。● 強 大 和 靈 活 的 開 發(fā) 工 具 。 1 2XTAL21 2XTAL1C441 C431C421C191 C211C241R221 SupplyR261L32110mHL?Inductor L341R14 R14C341Cap AntennaDVDD7RESET_N10131415161718XOSC_Q219AVDD_SOC20XOSC_Q121RBIAS122AVDD_RREG23AVDD_CHP 27VCO_GUARD 28AVDD_VCO 29AVD