【文章內(nèi)容簡介】 。此外，紅外線發(fā)射角度較小，衰減快，傳輸距離短。事實上，它的短距傳輸?shù)娜秉c注定它終將被淘汰。IrDA技術的不足恰恰在于它是一種超短距直線傳輸，只能是兩個設備的傳輸口對口對準，且中間不能存在其他障礙物，故此技術只適用于兩臺設備間的通信。，所以不存在上述問題，況且IrDA目前也已經(jīng)消失殆盡了。 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新 本文主要研究內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟和科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水準越來提高，日常家居的環(huán)境更受到了人們的關注。近年來隨著家庭裝修時工業(yè)板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內(nèi)的環(huán)境不容樂觀。這就要求有各種有害氣體監(jiān)測功能的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)介入，為我們營造一個安全健康的家居環(huán)境。此課題旨在設計出一款能夠快速、實時、準確連續(xù)地測出空氣中溫濕度、一氧化碳、光照強度等的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用基于ZigBee 短距無線通訊技術，環(huán)境信息采集模塊與顯示終端實現(xiàn)無線通信，省去了傳統(tǒng)布線的麻煩。根據(jù)以上介紹，本文的主要研究如下：(1)ZigBee協(xié)議的介紹。主要介紹了ZigBee協(xié)議中各個部分的組成和數(shù)據(jù)結(jié)構，并對各層中的重點內(nèi)容進行了詳細的分析；(2)本文以無線傳感網(wǎng)絡為基礎，以ZigBee技術紐帶，詳細設計出的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的兩種節(jié)點協(xié)調(diào)器節(jié)點（控制中心）和傳感器節(jié)點。在協(xié)調(diào)器節(jié)點中，本文實現(xiàn)了電源、串口通信、PCB天線等主要電路的設計；而在傳感器節(jié)點中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對不同的環(huán)境信息，設計出了不同的傳感模塊；(4)本論文還設計了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試和使用，由此用戶就可以實時的了解到家庭中個中環(huán)境信息的參數(shù)。本文利用ZigBee技術，以實現(xiàn)無線系統(tǒng)的組網(wǎng)，可以為家居環(huán)境提供多地點、多對象的監(jiān)測，由于ZigBee技術的自組網(wǎng)性，在增加或減少監(jiān)測終端時系統(tǒng)靈活性較大。同時此系統(tǒng)還省去了繁瑣的有線系統(tǒng)布線對家居美觀性的損害。終端通過顯示器及數(shù)據(jù)上傳到智能家居系統(tǒng)可以實時顯示并控制空氣凈化器等為家居環(huán)境，實現(xiàn)健康家居。2. ZigBee技術綜述，根據(jù)此協(xié)議的規(guī)定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的一種名叫Zig的舞蹈，由于通過持續(xù)不斷地跳這種舞蹈來實現(xiàn)對新發(fā)現(xiàn)的食物或其他信息的傳遞，換句話說蜜蜂是依靠這樣的通信方式來實現(xiàn)了一個通信網(wǎng)絡，而每個個體則是網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。這樣做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過信息接力就完成了整個通信，從而實現(xiàn)了蜜蜂的低成本、低數(shù)據(jù)速率、自組織、低功耗、近距離、低復雜度等的信息傳遞方式。受蜜蜂的這種特殊的通信方式的啟發(fā)，ZigBee技術的研究也主要是在低速率、低功耗通信領域進行應用，亦可以低成本地嵌入各種設備中組成龐大的網(wǎng)絡?？偠灾甖igBee技術就是一種低功耗，低成本的無線網(wǎng)絡通信技術[[6]周游，方濱，王普．基于ZigBee技術的智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)[J]．自動化與儀器儀表，2005(9)：37．40]。 ZigBee技術介紹ZigBee 技術主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠的各種通信設備之間。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術與蜜蜂的這種通信方式相類似。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導體公司共同宣布加盟ZigBee技術聯(lián)盟，以研發(fā)名為“ZigBee”的新一代無線通信標準，而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約27家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負責開發(fā)ZigBee協(xié)議物理層（PHY）和媒體控制層（MAC）技術標準的工作組。ZigBee聯(lián)盟負責開發(fā)網(wǎng)絡層及以上的協(xié)議。ZigBee協(xié)議則比藍牙技術、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或 。ZigBee使用的是波段，采用了跳頻技術，這和藍牙技術相似，可以說是同族兄弟了。但相比之下， ZigBee協(xié)議比藍牙更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。ZigBee的基本速率是，而若當其速率降到時，傳輸半徑可擴大到米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，單個ZigBee無線模塊就可與254個節(jié)點互聯(lián)，若網(wǎng)絡中加入路由節(jié)點，則網(wǎng)絡最大承載量可支持65535個節(jié)點設備互聯(lián)。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動化儀器等低速率應用時可以比藍牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多領域拓展ZigBee的應用[[7]中國智能家居網(wǎng)．：//．]。 ZigBee技術特點ZigBee網(wǎng)絡采用的是無線自組織網(wǎng)絡技術，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡。網(wǎng)絡節(jié)點則以ZigBee協(xié)議為基礎進行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡相比，其主要優(yōu)點有以下幾個方面:(1) 網(wǎng)絡穩(wěn)定性好。其設計的網(wǎng)絡自己組織性能使網(wǎng)絡各個節(jié)點在無需人工干預的情況下自己組網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿眨斕砑踊蛉コW(wǎng)絡中某個節(jié)點時，其余節(jié)點可以自行尋找其他節(jié)點替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強網(wǎng)絡自愈能力；(2)成本低。由于ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強，好多公司均已在二零零三年正式推出自己的ZigBee芯片，競爭較大，近年來應用于主機端的芯片成本將會比藍牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢；另外，因為ZigBee技術的速率要求低，協(xié)議內(nèi)容簡單，從而節(jié)省了開發(fā)的成本，目前南京市場CC2XX0等芯片的零售價格在20~30元之間不等。(3)功耗低。它的超低功耗也使得在應用中兩節(jié)普通AAA干電池即可使用6個月至2年的時間，這也是ZigBee的最大的一個優(yōu)勢；(4)網(wǎng)絡容量大。每個ZigBee設備可以與另外254臺節(jié)點設備相連接，而加入路由節(jié)點的ZigBee網(wǎng)絡最多可容納多達65，000多個節(jié)點的網(wǎng)絡；(5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s～250kb/s，符合本設計需求；(6)工作頻段靈活。，歐洲使用868MHz，美國則使用915MHz頻段，但這些均是免申請頻段，可以直接使用；(7)網(wǎng)絡延遲時間短?；顒釉O備信道接入延時和休眠激活延時均僅為15ms，而搜索設備延時時間達到； ZigBee網(wǎng)絡設備組成和網(wǎng)絡結(jié)構根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設定的技術標準，按功能分其網(wǎng)絡設備劃分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)，ZigBee路由器(ZigBee Router)，Zig,Bee終端設備(ZigBee End Device)。他們的功能分別如下：（1）ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)：它是個全功能的設備，包含所有的網(wǎng)絡功能，是3種設備中功能最全面亦最復雜的一種，特點是計算能力強、存儲量大。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立并且管理一個網(wǎng)絡及網(wǎng)絡節(jié)點、存儲節(jié)點信息并且不斷地接收下級節(jié)點所發(fā)來的信息。（2）ZigBee路由器(ZigBee Router)：它也是全功能設備在加入網(wǎng)絡后，協(xié)調(diào)器就會分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級節(jié)點使用，方便每個節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。（3）Zig,Bee終端設備(ZigBee End Device)：其一般的簡化的功能設備。只能自己的與上一級如協(xié)調(diào)器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡地址等。 在ZigBee協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時有三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構可供選擇：星型結(jié)構(Star)，網(wǎng)狀結(jié)構(Mesh)和簇樹型結(jié)構(ClusterTree)，圖21所示。圖21 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構圖在星狀結(jié)構中無論是路由器或終端設備都是直接與協(xié)調(diào)器進行通信，而ZigBee協(xié)調(diào)器則負責運作與維護著整個網(wǎng)絡；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構中，協(xié)調(diào)器負責初始化和建立網(wǎng)絡的操作，而路由器則對網(wǎng)絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉(zhuǎn)發(fā),只不過在簇狀結(jié)構中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。 IEEE （OSI）發(fā)展出來的，每一層在實現(xiàn)一部分通信功能的同時也向著更高的層級提供著支持等服務。 IEEE ，其中PHY層由射頻收發(fā)器以及一些底層的控制模塊構成。但是MAC子層以上的幾個層次，包括特定服務的鏈路控制子層（logical link control , LLC），聚合子層（Service Specific Convergence Sub layer, SSCS）等，即ZigBee標準的上層協(xié)議則不在標準所定義的范圍內(nèi)。SSCS為IEEE 。LLC子層則可以通過使用SSCS的服務接口來訪問IEEE [[8]ZigBee Alliance． ：//．ZigBee．org]。 　物理層（PHY）物理層為物理層管理物理層和數(shù)據(jù)服務提供服務而定義了MAC子層和物理無線信道之間的接口。物理層管理服務維護由物理層相關數(shù)據(jù)組成的一個數(shù)據(jù)庫，物理層數(shù)據(jù)服務則是從無線物理信道上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。物理層數(shù)據(jù)服務提供了以下5個方面的服務：(1）激活或休眠射頻收發(fā)器；(2）檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality indication , LQI）；(3）信道能量檢測（energy detect）；(4）收發(fā)數(shù)據(jù)；(5）空閑信道評估（clear channel assessment, CCA）。信道的能量檢測主要測量目標信道中接收信號的功率強度，從而為網(wǎng)絡層提供信道選擇依據(jù)，由于這個檢測不進行任何的解碼操作，故檢測的結(jié)果則是有效信號功率與噪聲信號功率的和。鏈路質(zhì)量指示為應用層或網(wǎng)絡層提供接收數(shù)據(jù)幀時無線信號的質(zhì)量和強度信息，它要對信號進行解碼，最后生成一個信噪比的指標，這一點是與信道能量檢測不同的地方。最后得到的這個信噪比指標是和物理層數(shù)據(jù)單元一起上交給上層級進行處理?？臻e信道評估（CCA）則是來判斷信道是否空閑的。IEEE ，它們分別為：（1）通過判斷無線信號的特征來評估信道空閑判斷。這主要包括載波頻率和擴頻信號兩種特征；（2）判斷信號能量是否低于某一閥值，如果低于閥值則認為是是信道空閑，即簡單地判斷信道的能量來判斷信道是否空閑；（3）此模式是結(jié)合了上兩種模式來運用，即同時檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷[[9] Baker N．ZigBee and Bluetooth strengths and weaknesses for industrial applications[J]．Computing amp。 Control Engineering Journal．2005，1 6(2)：2025]。物理層定義了三個載波頻段以用于收發(fā)數(shù)據(jù)，但在這三個頻段上，在發(fā)送數(shù)據(jù)使用的速率、信號的調(diào)制方式以及處理過程等方面存在有不同的地方。三個頻段共為用戶提供了27個信道（channel）。；915MHz的頻段提供了10個信道，868MHz頻段則只有1個信道。在868MHz和915MHz這兩個頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率不同，但信號處理的過程是相同的。處理過程首先是將物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的二制數(shù)據(jù)差分編碼，然后再將位轉(zhuǎn)換為長度15的片序列，最后調(diào)制到信道上。差分編碼是將數(shù)據(jù)的前后差分編碼所產(chǎn)生的不同的比特進行異或運算，公式為 ，其中是要編碼的原始比特，而則是差分編碼的結(jié)果， En1則是上一次差分編碼的結(jié)果。對于每個發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包，計算E1時則設E0=0。差分解碼過程則正好編碼過程相反：，對于每個接收到的數(shù)據(jù)包， E1是第一個需要解碼的比特，計算R1時則設E0=0。差分編碼后，緊接著就是直接序列的擴頻，每個比特則被轉(zhuǎn)換為長度15的片序列。擴頻按一定的規(guī)律進行，擴頻后的序列則使用BPSK調(diào)制的方法調(diào)制到載波上。而頻段的處理過程則先將的二進制數(shù)據(jù)中的每4位轉(zhuǎn)換為一個符號（symbol），后將其分別都轉(zhuǎn)成長度為三十二的片序列[[10]劉建國，劉文清，魏慶農(nóng)．環(huán)境監(jiān)測技術及其發(fā)展方向．光電子技術與信息，2001(4)：7．1l]。在把符號轉(zhuǎn)換為片序列時候，用符號在十六個近似正的映射表，這個過程則是一直接序列擴頻的過程。于是擴頻后，信號則方式調(diào)制到載波上。物理幀的收發(fā)器在接收前導碼的期間，會據(jù)前導碼序列的特征完成符號的同步和片的同步，它的第一字段則是四個字節(jié)的前導碼。幀起始分隔符（）字段值固定為，其長度為一個字節(jié)，標識了一個物理幀的開始。收發(fā)器在接收完前導碼后只能通過搜索字段的值0xA7才能同步到字節(jié)上，否則只能做到數(shù)據(jù)的位同步。幀長度則是由一個字節(jié)的低7位表示，它的值就是物理幀的負載長度，故127個字節(jié)是物理幀的最大負載長度。物理幀的負載長度是可以不同的，而物理服務數(shù)據(jù)單元（）一般是用來承載MAC幀的。(MAC) 信道接入的方式有兩種：基于競爭接入和基于無競爭接入。在協(xié)議中同時包含了這兩種信道接入方式?；诟偁幍男诺澜尤敕绞讲捎昧诵诺栏偁帣C制，而對于一些有特殊要求的數(shù)據(jù)傳送，則采用的是分配固定有保證時隙的方式接入信道。在協(xié)議定義的超幀結(jié)構中，則包括了以上兩種信道接入的方式。所謂的超幀（super frame）是由一組幀群構成，在幀群中存在兩個部分：活躍期與非活躍期（即休眠期），在活躍期開放信道接入，休眠期關閉信道，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能耗。信道接入開放的活躍期由競爭信道接入周期（）和信道固定分配周期（）兩個部分組成，在信道競爭接入周期中，網(wǎng)絡中的節(jié)點采用CSMA/CA機制共享信道，在無競爭周期由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器來給有特定數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點分配固定時隙。 IEEE MAC層超幀結(jié)構在 協(xié)議中，通過基于競爭的信道接入的方式，則大大提高了信道的利用率，增大了網(wǎng)絡的效能，而固定時隙的分配，滿足了有特殊需求和一些重要的數(shù)據(jù)傳送。其利用周期性進入休眠期關閉信道接入從而達到節(jié)省網(wǎng)絡耗能的目的。超幀結(jié)構中同時包含了以上三種不同的信道接入周期，使得信道接入方式多樣化，這樣一來提高了網(wǎng)絡的靈活性。其示意圖如圖22圖22 MAC層超幀結(jié)構在超幀零時隙中則定義了一個信標幀除了信標的意思外，還能作燈塔解。其實不難理解，信標幀在整個超幀結(jié)構中的地位就好比燈塔的導航作用一樣，不僅界定了超幀的起始，通過信標幀可以設定固定分配時隙周期的有無及其長度，這實際上決定超幀的構架，如果不存在信道固定分配周期的話，所有的數(shù)據(jù)傳送完全通過競爭機制來接入信道[[11]張亮，基于Zig