【文章內(nèi)容簡介】 幀安全機制和他們 的目的地路由幀機制。 協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層還負責建立一個新的網(wǎng)絡。 。 。 。 。 。 。 應用層（ APL 層） ZigBee 應用層包括應用支持子層 (APS 子層 )、應用框架 (AF)和 ZigBee 設備對象 (ZDO)。 APS 子層負責建立和維護綁定表，綁定表主要根據(jù)設備之間的服務和他們的需求使設備相互配對。 ZigBee 的應用框架 (AF)為各個用戶自定義的應用對象 提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對 (KVP)服務和報文 (MSG)服務供應用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設備允許最多 240 個用戶自定義應用對象，分別指定在端點 l 至端點 240 上。 ZDO[6]可以看成是指配到端點 O 上的一個特殊的應用對象，被所有 ZigBee 設備包含，是所有用戶自定義的應用對象調(diào)用的一個功能集，包括網(wǎng)絡角色管理，綁定管理，安全管理等。 ZDO 負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色 (例如是 ZigBee 協(xié)調(diào)器或者 ZigBee 終端設備 )、發(fā)現(xiàn)設備和決定他們提供哪種應用服務，發(fā)現(xiàn)或響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立可靠的 關聯(lián) 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 8 安全服務提供層（ SSP 層） 安全服務提供者 SSP(Security Service Provider)向 NWK 層和 APS 層提供安全服務。 ZigBee 協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務接口，數(shù)據(jù) SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務，管理服務接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。 ZigBee 網(wǎng) 絡基礎 ZigBee 網(wǎng)絡基礎主要包括設備類型，拓撲結(jié)構和路由方式三方面的內(nèi)容，ZigBee 標準規(guī)定的網(wǎng)絡節(jié)點 [7]分為協(xié)調(diào)器（ Coordinator） 、路由器 (Router)和終端節(jié)點（ End Device）。節(jié)點類型是網(wǎng)絡層的概念，反映了網(wǎng)絡的拓撲形式。 ZigBee網(wǎng)絡具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲 。 網(wǎng)絡節(jié)點類型 (1) 協(xié)調(diào)器（ Coordinator） 在各種拓撲形式的 ZigBee 網(wǎng)絡中，有且只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，它負責選擇網(wǎng)絡所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡并將其他節(jié)點加入網(wǎng)絡、 提供信息路由、安全管理和其他服務。 (2) 路由器（ Router） 當采用樹型和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構時，需要用到路由器節(jié)點，它也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡遠距離延伸的必要部件。它負責發(fā)送和接受 節(jié)點 自身信息；節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)信息；允許子節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡。 (3) 終端節(jié)點 終端節(jié)點的主要任務就是發(fā)送和接收信息 ，通常一個終端節(jié)點不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)時可進入休眠狀態(tài)以降低能耗。 網(wǎng)絡拓撲形式 (1) 星型拓撲 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 9 星型拓撲是最簡單的拓撲形式 [8]，如圖 22。圖中包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一些終端節(jié)點。每一個終端節(jié)點只能和協(xié)調(diào) 器節(jié)點進行通訊，在兩個終端節(jié)點之間進行通訊必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，其缺點是節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一路徑。 星狀拓撲結(jié)構有兩類：一類是中心節(jié)點僅完成從節(jié)點連通的作用；另一類是，中心節(jié)點是有很強處理能力的計算機，從節(jié)點是一般的計算機或終端，這時中心節(jié)點有轉(zhuǎn)接和數(shù)據(jù)處理的雙重功能。強的中心節(jié)點成為各從節(jié)點共享的資源，中心節(jié)點也可以按儲存轉(zhuǎn)發(fā)方式工作。 圖 22 星形拓撲結(jié)構 (2)樹型拓撲 樹型拓撲結(jié)構如圖 23。協(xié)調(diào)器可以連接路由器節(jié)點 和終端節(jié)點，子節(jié)點的路由器節(jié)點也可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點。直接通信只可以在父節(jié)點和子節(jié)點之間進行，非父子關系的節(jié)點只能間接通信。 樹形拓撲適用于相鄰層的通信較多的情況，典型的應用層是最低層節(jié)點解決不了的問題，請求中層計算機解決，中層計算機解決不了的問題，請求頂部計算機解決。 協(xié)調(diào)器 路由器 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 10 (3)網(wǎng)狀拓撲 網(wǎng)狀拓撲如圖 24。網(wǎng)狀拓撲具有靈活路由選擇方式，如果某個路由路徑出現(xiàn)問題，信息可自動沿其他路徑進行傳輸。任意兩個節(jié)點可相互傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡會自動 按照 ZigBee 協(xié)議算法選擇最優(yōu)化路徑，以使網(wǎng)絡更穩(wěn)定，通訊更有效率。 網(wǎng)狀拓撲各節(jié)點的距離很長，某些節(jié)點間是否用點 — 點線路專線連接，要依據(jù)其間的信息流量以及網(wǎng)絡所處的地理位置而定。如果某些節(jié)點間的通信可由其他中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)且不甚影響網(wǎng)絡性能，可不必直接互聯(lián)。因此在地域范圍很廣節(jié)點數(shù)目較多時，都是部分節(jié)點連接的任意拓撲結(jié)構。部分節(jié)點連接的網(wǎng)絡必然帶來由中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)而相互通信的現(xiàn)象，稱此為交換。 協(xié)調(diào)器 路由器 終端節(jié)點 圖 23 樹狀拓撲結(jié)構 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 11 工作模式 ZigBee 網(wǎng)絡的工作模式可以 分為信標 (Beacon)模式和非信標 (Nonbeacon)模式兩種 [9]。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許 ZE 進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)。 在信標模式下，協(xié)調(diào)器負責以一定的間隔時間 (一般在 15ms4mins 之間 )向網(wǎng)絡廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有 16 個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。 非信標模式下， ZigBee 標準采用父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)， 終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終端節(jié)點的周期性 (周期可設置 )休眠。網(wǎng)絡中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中，并向 父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要 15ms。 協(xié)調(diào)器 路由器 圖 24 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 12 3 溫度檢測系統(tǒng)總體方案設計 系 統(tǒng)整體結(jié)構 本設計所實現(xiàn)的無線溫度采集系統(tǒng)以 C51RF3PK 開發(fā)平臺為核心，使用了兩塊表演板，利用芯片自帶的溫度傳感器采集溫度值，充分發(fā)揮了 C51RF3PK開發(fā)平臺的豐富資源 [22]。在上位機上，采集的溫度實時地顯示出來，并且通過折線圖動態(tài)描繪出溫度的變化趨勢?？紤]到可能采集多個節(jié)點的溫度，上位機可以根據(jù)客戶要求切換不同節(jié)點的溫度折線圖。為了方便對以往數(shù)據(jù)的查看，采集到的數(shù)據(jù)被實時保存到了文檔之中。 本文總體 設計是實現(xiàn)針對主協(xié)調(diào)器節(jié)點的設計與開發(fā)。主協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)中包括 CC2430 通信模塊、鍵盤電路模塊、串口轉(zhuǎn) USB 模塊、液晶顯示模 塊 和電源電路模塊等 [10]。主協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是負責接收和存儲傳感器節(jié)點發(fā)送來的消息，并向傳感器節(jié)點發(fā)布網(wǎng)絡控制信息，同時與 Pc 機進行數(shù)據(jù)交換。其中串口轉(zhuǎn) USB 模塊負責轉(zhuǎn)換 CC2430 模塊與 PC機的通信信號；液晶顯示模塊負責節(jié)點工作狀態(tài)的指示；電源模塊通常采用持續(xù)電力供電，為主協(xié)調(diào)器節(jié)點提供運行所需的能量。 天線 CC2430 存儲器 8051 MCU A/D 轉(zhuǎn)換 通 用 接 口 LCD 模塊 鍵盤電路 復位電路 USB 轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)串口 USB 電源管理 PC 圖 31 總體框圖 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 13 溫度傳感模塊的核心元件為 Pt100 鉑電阻，它是正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，線性較好，在 0~100℃之間變化時，最大非線性偏差小于 ℃。另外， Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點 [11]。模塊框圖如圖 32所示。 溫度采集系統(tǒng)原理 本系統(tǒng)由三類節(jié)點組成： ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點、 路由器 節(jié)點、傳感器節(jié)點。圖 33 所示是其組成示意圖，其中 ZigBee 協(xié)調(diào)器是分布式處理中心，即匯聚節(jié)點。多個傳感器節(jié)點置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個傳感器節(jié)點會先把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點把數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機做進一步處理并顯示給用戶。協(xié)調(diào)器節(jié)點可以與多個傳感器節(jié)點通信 ，這樣可以使本系統(tǒng)同時監(jiān)測多個區(qū)域，何時檢測哪個區(qū)域通常由用戶通過協(xié)調(diào)器節(jié)點來控制。當被檢測區(qū)域的障礙物較多或者協(xié)調(diào)器節(jié)點距離傳感器節(jié)點較遠時，可以通過增加路由器節(jié)點來增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。當用戶沒有數(shù)據(jù)請求時，傳感器節(jié)點只進行低功耗的信道掃描。 電源單元 激勵電路 電橋電路 放大電路 通信單元 單片機A/D 圖 32 溫度傳感模塊框圖 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 14 上位機 1 3 8規(guī)范化 88 4 9 13 6 7 5 11 10 12 23規(guī)范化 88 1倉庫 2倉庫 1 Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點； 2， 3路由器節(jié)點 413— 傳感器節(jié)點 圖 33 溫度采集系統(tǒng)示意圖 江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 15 4 溫度檢測系統(tǒng) 硬件電路 設計 zigbee 芯片選擇和簡介 zigbee 芯片的選擇 現(xiàn)在的 ZigBee 芯片包括單芯片和 ZigBee 射頻芯片兩種芯片廠商提供 的主力 ZigBee 射頻芯片在性能上大同小異。比較流行的 freescale 的 mc13192 和chipcon 的 cc2420 以及 Ember 公司的芯片，它們在性能上基本相同，都支持 協(xié)議。射頻芯片通過 SPI 接口與 MCU 相連，由 MCU 進行控制。所謂單芯片，就是一個芯片上集成了 ZigBee 射頻部分和 MCU[18]。以 chipcon 公司的 cc2430 為例，他將 cc2420 芯片與一個 51單片機集成在同一篇芯片上，其體積與一個 cc2420 芯片差不多。從應軟件開發(fā)的角度來看，選擇 cc2430 或者選擇cc2420 外加一個帶有 SPI 接口的單片機，軟件設計是沒有太大區(qū)別的，尤其是MAC 層以上是完全相同的。但從硬件開發(fā)的角度來看，單芯片方案卻比雙芯片方便很多。在雙芯片方案中， MCU和射頻芯片之間用 SPI接口相連，增加的布線的復雜性。而在高速 PCB 設計上，任何額外的布線和芯片數(shù)目的增加，都會對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響，必須謹慎地選擇芯片布置的位置和走線。因此增加了 PCB設計和調(diào)試的復雜性。從成本上看 cc2430 和 cc2420 價格接近，但使用 cc2420時需外加一個單片機，增加了系統(tǒng)的成本。因此綜合考慮， cc2430 的單 芯片解決方案是更好的選擇。 CC2430 簡介 CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片 (SoC)CMOS 解決方案 [12]。這種解決方案能夠提高性能并滿足以 ZigBee 為基礎的 ISM 波段應用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能 DSSS(直接序列擴頻 )射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的 8051 控制器。 CC2430 的尺寸只有 7 7mm 48pin 的封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的 微米 CMOS 標準技術。這可實現(xiàn)數(shù)字基帶處理器， RF、模擬電路及系統(tǒng)存儲器 整合在同 一個硅晶片上。 CC2430 包含一個增強型工業(yè)標準的 8 位 8051 微控制器內(nèi)核，運行時鐘江蘇師范大學科文學院本科生畢業(yè)設計 基于 Zigbee 的 無線 溫度檢測系統(tǒng)設計 16 32MHz。 CC2430 包含一個 DMA 控制器。 8K 字節(jié)靜態(tài) RAM，其中的 4K字節(jié)是超低功耗SR