【文章內(nèi)容簡介】 承載 類型一的 LLC 標準，其他 LLC 標準可以直接使用 的 MAC 層服務(wù)。 LLC 子層主要用于保障傳輸可靠性和控制數(shù)據(jù)包的分段與重組。 的 ：確認模式的幀傳送與接收；設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和結(jié)束；幀校驗、預(yù)留時隙管理、廣播時隙管理；數(shù)據(jù)包的順序傳輸，信道接入控制。 定義了 物理層和 868／915MHz 物理層兩個物理層標準。它們都基于直接序列擴頻技術(shù)，工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率不同，但使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。ZigBee 可以使用全球統(tǒng)一的無需申請的 頻段，這樣有效降低了 ZigBee 設(shè)備的生產(chǎn)成本，促進了 ZigBee 技術(shù)的發(fā)展。 的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供 250kbps 的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。美國的 ISM 頻段為915MHz，868MHz 是歐洲的 ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了 附近各種無線通信設(shè)備之間的干擾。868MHz 和 916MHz 這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以提高接收機的靈敏度，有效通信距離得到較大的提高，從而可以擴展設(shè)備的覆蓋區(qū)域。 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu)在 中定義了兩種設(shè)備：簡化功能設(shè)備(RFD， Device)和全功能設(shè)備(FFD ， Device)。在華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）14通信能力上，RFD 只能和與其關(guān)聯(lián)的 FFD 進行通信，而 FFD 不僅可以與其它FFD 設(shè)備通信，還能與 RFD 之間通信。FFD 比 RFD 在硬件功能上比較完備，如 RFD 采用電池供電，通常 FFD 為保證充足的能耗而采用主電源。與 RFD 相關(guān)聯(lián)的設(shè)備稱為該 RFD 的協(xié)調(diào)器(Coordinator) ，在一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，必須有一個 FFD 充當網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator) 。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除直接參與應(yīng)用外，還需要完成鏈路狀態(tài)信息管理成員、身份管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。完整的ZigBee 協(xié)議框架由網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。其中， 負責物理層和鏈路層標準，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟制定。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層ZigBee 協(xié)議要求總體架構(gòu)上延續(xù) 協(xié)議的規(guī)范，將無線通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層分為管理實體(NLME，Network Layer Management Entity)和數(shù)據(jù)實體(NLDE，Network Layer Data Entity)，管理實體接口用于向上層架構(gòu)提供內(nèi)部參數(shù)的訪問接口、管理和配置網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)實體用于向上層架構(gòu)提供特定的常規(guī)數(shù)據(jù)通信服務(wù)。ZigBee 標準確定了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的三種設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。①協(xié)調(diào)器：每個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)都必須包含一臺 ZigBee 協(xié)調(diào)器，ZigBee 協(xié)調(diào)器負責監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的建立，并且負責選擇合適的無線信道、分配網(wǎng)絡(luò)標示符等操作。②路由器：路由器是設(shè)備之間用來做數(shù)據(jù)中繼的環(huán)節(jié)，ZigBee 路由器之間可以互相連接以組成范圍更大的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中作為遠程設(shè)備之間的中繼器來進行大范圍的通信，另外通過特定的算法在兩個設(shè)備之間搜索最佳的傳輸路徑，為設(shè)備建立端到端的數(shù)據(jù)連接。③終端設(shè)備：Zigbee 終端設(shè)備是整個系統(tǒng)的端點，用以傳輸該節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)。在家居控制網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備主要負責數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)由數(shù)據(jù)實體提供，應(yīng)用層和 MAC 層的接口分別為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)訪問接口、MAC 層數(shù)據(jù)訪問接口，實現(xiàn)兩個對等的應(yīng)用層之間的傳輸。在接受到高層的數(shù)據(jù)請求原語之后，網(wǎng)絡(luò)層先組織一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)，然后根據(jù)相關(guān)的路由算法確定下一條的設(shè)備目標地址。路由查詢機制在當高層需要發(fā)送數(shù)據(jù)時啟動，以滿足相關(guān)的功能要求。管理實體提供了網(wǎng)絡(luò)層控制、網(wǎng)絡(luò)層信息庫(NIB)維護，其中主要提供以下服務(wù)：首先，配置網(wǎng)絡(luò)中的新設(shè)備，根據(jù)要求配置協(xié)議棧，并通過一系列操作，能夠為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器提供管理功能，因此應(yīng)用層的接口是網(wǎng)絡(luò)層的核心技術(shù)，主要包括：建立新網(wǎng)絡(luò)，定義新網(wǎng)絡(luò)的建立過程；加入和離開網(wǎng)絡(luò)，主要是路由華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）15和節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)的離開與撤銷；地址分配，定義了協(xié)調(diào)器Coordinator 和路由 Router 如何為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址；鄰居發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)無需路由在單跳范圍內(nèi)即可到達的設(shè)備，并將鄰居節(jié)點的信息記錄在鄰居表中，并對其進行維護；路由發(fā)現(xiàn)，在目的設(shè)備不在單跳范圍內(nèi)的情況下，申請路由轉(zhuǎn)發(fā)與查找功能，將查找到的設(shè)備路徑記錄在路由表中，以便網(wǎng)絡(luò)的建立與后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸；接收控制；控制接收器開關(guān)和進入休眠狀態(tài)的時間，以達到降低功耗的目的，使能物理層同步以及數(shù)據(jù)接收功能。圖 3圖 3圖 34 分別給出了各種設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層的功能模塊，首先需要對網(wǎng)絡(luò)層進行初始化，協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)的組建過程中對網(wǎng)絡(luò)進行初始化，路由器和節(jié)點在發(fā)現(xiàn)后申請加入到該網(wǎng)絡(luò)中，同時進行網(wǎng)絡(luò)地址的分配。在傳輸過程中，需要進行路由功能的配置，對路由算法進行選擇，維護并建立鄰居表。圖 32 Coordinator 功能模塊圖設(shè)備啟動后可以直接加入一個網(wǎng)絡(luò)，也可以通過關(guān)聯(lián)操作加入網(wǎng)絡(luò)，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層通過 原語來支持這一操作。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層在接受到該原語后，調(diào)用物理子層的 SCAN 功能，分析信標幀中 work descriptor 標記來決定其父節(jié)點并選擇可能的父設(shè)備。這里有 LQI(鏈路質(zhì)量指示)值和網(wǎng)絡(luò)深度兩個主要指標。其中 LQI 的值越高說明鏈路質(zhì)量越高，數(shù)據(jù)傳輸就越可靠；而網(wǎng)絡(luò)深度指標，表明了該設(shè)備到達協(xié)調(diào)器的路由最小跳數(shù)。因此，在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器的深度為 0，其子設(shè)備深度為 l，網(wǎng)絡(luò)的最大深度由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。在 LQI 值相同的情況下，設(shè)備優(yōu)先選擇網(wǎng)絡(luò)深度大的作為其父設(shè)備。協(xié)調(diào)器主要利用物理子層提供的掃描功能設(shè)定合適的信道、PANID(個域網(wǎng)ID)以及網(wǎng)絡(luò)地址后，便開始向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信標幀，等待其他設(shè)備請求加入該網(wǎng)絡(luò)。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）16只有尚未加入網(wǎng)絡(luò)的 ZigBee 協(xié)調(diào)器才可以建立網(wǎng)絡(luò)，一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立通常需要某個設(shè)備節(jié)點發(fā)起。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)的過程通過 原語來啟動。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備選擇到合適的父設(shè)備之后，在物理子層向該父設(shè)備發(fā)起連接請求，連接請求通過 原語發(fā)送，父設(shè)備收到設(shè)備請求之后將更新鄰居表，將發(fā)出請求的設(shè)備加入其中，并分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址。圖 33 Router 功能模塊圖ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的路由器和協(xié)調(diào)器都維護一張路由表，這張路由表中記錄著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間路由路徑的信息。在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)有如下兩種方式。通常情況下，設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的過程中，兩種情況都有可能發(fā)生。第一種是子設(shè)備向父設(shè)備請求離開該網(wǎng)絡(luò)；第二種是父設(shè)備向子設(shè)備發(fā)送請求，并將其從網(wǎng)絡(luò)中斷開。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）17圖 34 End Device 功能模塊圖當一個子設(shè)備收到父設(shè)備要求其離開網(wǎng)絡(luò)的請求后，父設(shè)備通過 原語要求所有的子設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)。所有子設(shè)備拆除連接之后，父設(shè)備重新分配網(wǎng)絡(luò)地址，在父設(shè)備分配完所有的網(wǎng)絡(luò)地址之后，將不允許其他的設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)。需要加入該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備必須請求其他具有可用地址的父設(shè)備。協(xié)調(diào)器規(guī)定了在這個過程中最大的路由器數(shù)目。對于一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)來說有以下幾種路由方式：第一，查看目標設(shè)備是否在設(shè)備的鄰居列表中；第二，檢查路由表記錄信息；第三，采用樹形路由。在這些路由結(jié)構(gòu)中樹形路由結(jié)構(gòu)較為簡單，同時有效性較強，適用于本文構(gòu)架的小規(guī)模且移動性不高的網(wǎng)絡(luò)可以考慮采用這種路由方式。ZigBee 路由器可以緩存信息，保證當設(shè)備休眠時依然能夠找到正確的網(wǎng)絡(luò)路徑，以便充分利用網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)建立起來的路由表，在設(shè)備沒有路由能力或者沒有相關(guān)的路由信息的情況下，網(wǎng)絡(luò)只能根據(jù)鄰居列表進行樹形路由，并且嘗試通過路由發(fā)現(xiàn)方法，來補充完整現(xiàn)有的路由表。 ZigBee 應(yīng)用層ZigBee 應(yīng)用層由制造商定義的應(yīng)用對象、APS 子層和 ZDO 三個部分組成。APS 子層的主要任務(wù)是負責設(shè)備之間的信息傳輸。ZDO 在網(wǎng)絡(luò)中負責發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備、定義網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的角色是 ZigBee 路由器還是終端設(shè)備并且判定這些設(shè)備提供何種服務(wù)，確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間安全準確的傳輸途徑，另外還負責初始華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）18化和響應(yīng)綁定請求。一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中同時存在全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)兩種類型的功能設(shè)備。其中全功能設(shè)備指的是在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中具有完整功能的設(shè)備，全功能設(shè)備及可以當做普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，也可以作為協(xié)調(diào)器或者路由器，一個全功能設(shè)備可以和多個全能型設(shè)備和多個精簡型設(shè)備通信；RFD 是指簡化型設(shè)備，簡化型設(shè)備一次只能和網(wǎng)絡(luò)中的一個全能型設(shè)備進行通信，在網(wǎng)絡(luò)中充當終端節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器提供管理功能，是 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)組建的過程中協(xié)調(diào)器選擇沒有被占用的空閑信道進行傳輸，并且設(shè)定相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標號，并配置網(wǎng)絡(luò)的拓撲類型、層次深度、節(jié)點數(shù)等參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建并且配置完成之后，協(xié)調(diào)器的工作方式與路由器相同。因為 ZigBee 的分布式操作特點和特殊的網(wǎng)絡(luò)組織方式，一旦網(wǎng)絡(luò)連接建立之后，協(xié)調(diào)器便不再參與網(wǎng)絡(luò)的運行。綜合以上內(nèi)容可以知道，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中路由器是網(wǎng)絡(luò)中重要的通信設(shè)備，其他設(shè)備需要通過路由器來介入網(wǎng)絡(luò)，路由器在網(wǎng)絡(luò)中還需要完成數(shù)據(jù)收發(fā)、路由選擇等功能，同時由于規(guī)定了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中兩個獨立的終端設(shè)備之間不能相互通信，和移動終端之間進行數(shù)據(jù)傳輸時需要路由器來協(xié)助完成。在智能家居系統(tǒng)的家庭控制網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)中，協(xié)調(diào)器是家庭子網(wǎng)的核心節(jié)點，負責發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，選擇關(guān)鍵的家庭子網(wǎng)參數(shù)和維持子網(wǎng)的正常工作。路由器用來擴展家庭子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并協(xié)助家居設(shè)備節(jié)點之間進行通信。協(xié)調(diào)器和路由器必須由 FFD 擔任。終端設(shè)備僅實現(xiàn)特定的簡單功能，無需參與到網(wǎng)絡(luò)的配置與管理之中，例如作為溫度傳感器或者電源控制器，此類設(shè)備可由 RFD 或 FFD 擔任。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）19第 4 章 智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計 家庭控制子網(wǎng)的組建 家居設(shè)備子節(jié)點智能家居系統(tǒng)在家庭環(huán)境中布置 ZigBee 模塊作為家居設(shè)備節(jié)點以無線通信方式組織成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備節(jié)點負責監(jiān)測周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)、收發(fā)信號并進行數(shù)據(jù)處理。智能設(shè)備節(jié)點使用 TI 公司的 CC2430 綜合解決方案作為主要硬件平臺，CC2430 模塊中除了 ZigBee 收發(fā)模塊之外，還包含了一個具有較高處理能力的 MCU 內(nèi)核，單片機根據(jù)預(yù)先寫入的程序，采集傳感器信息、轉(zhuǎn)發(fā)命令和狀態(tài)信息，通過繼電器控制家居設(shè)備的工作。智能設(shè)備節(jié)點的底層終端主要包括三表計量節(jié)點、環(huán)境溫度濕度監(jiān)測和控制節(jié)點、報警信號采集節(jié)點、家電控制節(jié)點、燈光控制節(jié)點等。設(shè)備節(jié)點單元主要包含射頻收發(fā)模塊和傳感器或受控終端以及兩者之間的接口控制模塊。射頻收發(fā)模塊作為系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信接口，進行網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點設(shè)備的無線連接和無線數(shù)據(jù)或指令的收發(fā)。系統(tǒng)的終端傳感或受控單元，主要進行環(huán)境中溫度、濕度等各種數(shù)據(jù)的采集、非法闖入、火災(zāi)或有毒氣體等意外災(zāi)難情況的探測以及對各種家電設(shè)備的控制。在家庭控制網(wǎng)絡(luò)中家居設(shè)備節(jié)點根據(jù)其輸入輸出屬性的不同分為五類：表 家居設(shè)備節(jié)點的類型編號 類型 傳感或執(zhí)行單元 適用設(shè)備000B 模擬讀取 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 溫度傳感器等001B 模擬控制 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 調(diào)光燈等011B 開關(guān)量讀取 無 報警器等010B 開關(guān)量控制 繼電器、可控硅 家用電器開關(guān)100B 數(shù)據(jù)量輸入輸出 專用數(shù)字采集控制模塊 三表、遙控器、攝像頭由于每個 ZigBee 節(jié)點設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中只能與家居控制中心進行通信，通常既可以由 ZigBee 全能型設(shè)備擔當，又可以由精簡型設(shè)備擔當。在系統(tǒng)中一個子網(wǎng)的設(shè)備個數(shù)不多于 254 個。每個家居節(jié)點設(shè)備在同一時刻只能與一個上層節(jié)點進行通信，這個上層節(jié)點即家居主節(jié)點由全能型設(shè)備構(gòu)成。家居主節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)的建立與管理中作為協(xié)調(diào)器存在，由于家居設(shè)備節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中不需要與鄰近的華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）20節(jié)點之間進行協(xié)調(diào)，因此家居主節(jié)點不支持路由功能。終端節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)建立完成后即可關(guān)閉收發(fā)器進入節(jié)電模式，開始離線工作，且不影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。家居設(shè)備節(jié)點在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中作為終端設(shè)備，由嵌入到家電設(shè)備中的 ZigBee通信模塊、傳感器、執(zhí)行器等單元共同構(gòu)成。加入家庭控制網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)的家居設(shè)備節(jié)點按照功能進行分類可以分為網(wǎng)絡(luò)通信功能和設(shè)備功能兩大部分。本系統(tǒng)中家居設(shè)備節(jié)點采用 ZigBee 精簡型設(shè)備，家居主節(jié)點采用全能型設(shè)備，因此家居設(shè)備節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信功能部分相對于家居主節(jié)點來說比較簡單，在網(wǎng)絡(luò)中為了保證家居設(shè)備節(jié)點響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)請求，必須要建立應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)通信功能之間的接口，在網(wǎng)絡(luò)通信功能與設(shè)備功能之間建立連接。連接的建立過程也就是設(shè)備根據(jù)相關(guān)的通信協(xié)議進行通信的過程。按照通信協(xié)議，不同的數(shù)據(jù)位和數(shù)據(jù)值代表不同的請求與參數(shù)，家居設(shè)備節(jié)點和家居主節(jié)點之間根據(jù)通信協(xié)議規(guī)定的請求與參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的操作子程序控制傳感器和執(zhí)行器完成代碼要求的操作。圖 41 為家居設(shè)備節(jié)點工作流程。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）21程序初始化NOPRIMITIVEY是否已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)是否要加入網(wǎng)絡(luò)是否作為老節(jié)點加入是否發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是否要發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)加入原有網(wǎng)絡(luò)成功加入網(wǎng)絡(luò)YNNYNYYN