【文章內容簡介】 的 ROM， 可以免費 使用 TI 提供的 ZigBee 協(xié)議，協(xié)議功能比較強大，支持 adhoc 和多跳，支持 mesh 網。 對比發(fā)現(xiàn)， TI 公司的 CC2530 芯片 除了具有優(yōu)秀的 RF 性能和業(yè)界標準增強 8051MCU 內核， 簡化了硬件設計 ， 同時， CC2530 還可以配備 TI 的標準網絡協(xié)議棧（ RemoTI,， ZStack 或 SimpliciTI）來簡化開發(fā) 。因此，本設計決定圍繞 CC2530 芯片展開硬件電路的設計。 傳感器選型 智能家居系統(tǒng) 將 ZigBee 模塊設備和傳感器、家電控制器連接在一起，組建 Zi gBee 智能家居無線網絡 ，本設計傳感器模塊主要包括：溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外熱釋電傳感器。 （ 1）溫濕度傳感器 SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數字輸出。它采用專利的 CMOSens 技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉換器以及串行接口電山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 路實現(xiàn)無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，校準系數以程序形式儲存在 OTP 內存中，用于內部的信號 校準。兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。 該產品具有 體積 小 、功耗 低、抗干擾能力強、響應迅速、性價比高等優(yōu)點。 （ 2）煙霧傳感器 MQ2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫 （ SnO2） 。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 MQ2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器 可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。 （ 3） 紅外熱釋電傳感器 HCSR501 是基于紅外線技術的自動控制模塊，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式 。全自動感應功能， 人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。 采用溫度補償和光敏控制技術，能適應不同環(huán)境下的測量。 具有感應封鎖時間 ， 可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。 山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 第 3 章 ZigBee 無線協(xié)議分析 短距離無線通信技術目前已成為無線通信的一個重要分支。在現(xiàn)實中家庭數字控制、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等許多應用場合， 系統(tǒng)所傳輸的數據通常為少量的突發(fā)信號，以數據量小、要求進行實時傳送為數據特征。針對這類應用場合，人們希望出現(xiàn)一種低功耗、低成本和較低傳輸速率的短距離無線通信技術 [11]。在這種背景下， ZigBee 技術應運而生。 ZigBee 技術在 標準的推動下，在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、軍事等傳統(tǒng)領域取得了成功的應用。在 標準之上， ZigBee聯(lián)盟對 ZigBee 標準中網絡層協(xié)議和 API 部分進行了標準化。 標準定義了物理層（ physical layer， PHY）和媒體訪問控制層（ medium access contrl sublayer， MAC）， ZigBee 標準在這個基礎上擴展了應用層框架和網絡層（ work layer， NWK）。 標準介紹 2020 年 12 月 IEEE 成立了 工作組。這個工作組將致力于定義一種廉價的固定、便攜或移動設備使用的低成本、低復雜度、低功耗、低速率的無線連接技術。 協(xié)議概述 WPAN 是一種結構簡單、低成本、低功耗的無線網絡，它 實現(xiàn)了低功耗和低數據吞吐量的無線連接。為滿足這些需求， 工作組 致力于 WPAN 網絡的 物理層 和媒體訪問層的標準化工作 [12]，它具備以下主要特征： （ 1） 在不同的載波頻率下實現(xiàn)了 20kbps、 40kbps 和 250kbps 三種不同的 傳輸速率 ； 山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 （ 2） 有 16 位和 64 位兩種地 址格式，其中 64 位地址是全球惟一 的 擴展地址 ； （ 3）支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構 ； （ 4） 支持沖突避免的載波多路偵聽技術（ carrier sense multiple access with collision avoidance,， CSMACA） ； （ 5） 支持確認（ ACK）機制，保證傳輸可靠性 。 協(xié)議網絡組成及拓撲結構 IEEE 網絡 中 根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備（ FFD）和精簡功能設備（ RFD）。 FFD 設備 之間以及 FFD 設備與 RFD設備之間都可以通信。 RFD 設備之間不能直接通信，只能與 FFD 設備通信，或者通過一個 FFD 設備向外轉發(fā)數據。這個與 RFD 相關聯(lián)的 FFD 設備稱為該 RFD 的協(xié)調器 。 IEEE 網絡中， 必須 有一個 FFD 設備 作為 PAN網絡協(xié)調器（ PAN coordinator）。 PAN 網絡協(xié)調器除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉發(fā)等任務 [13]。 LRWPAN可以工作于星型網絡拓撲和點到點（ P2P）的網絡拓撲這兩種拓撲結構。在星型網絡中，各個終端設備直接與 網絡協(xié)調器進行關聯(lián)和數據傳輸，由中心的網絡協(xié)調者集中控制整個網絡的形成以及數據的傳輸。首先，網絡協(xié)調器為整個網絡選擇一個可用的通信信道和唯一的標識符，然后允許其他設備通過掃描、關聯(lián)等步驟加入到自己的網絡中，并且為其他終端設備轉發(fā)數據。點到點的網絡中也需要一個網絡協(xié)調器，和星型網絡拓撲的結構不同的是，網絡中的所有設備可以和在信號輻射范圍之內的所有其他設備通信，因此點到點網絡拓撲能夠形成多級簇樹網絡、 Mesh網絡等更為復雜的網絡形式。點到點網絡一般是自修復和自組織的形式，它可以通過多跳路由等方式實現(xiàn)數據的安全傳 輸，因此更適合無限傳感網絡、工業(yè)控制、貨物倉儲及安全相關方面的應用。整個網絡的建立與維護由網山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 絡的協(xié)調器負責。 物理層協(xié)議規(guī)范 物理層定義了物理無線信道和與 MAC層之間的接口，提供物理層數據服務和管理服務。 IEEE 據收發(fā)，在這三個頻段上發(fā)送數據使用的速率、信號處理過程以及調制方式等方面都存在著一定的差異。 物理層功能相對簡單，主要是在硬件驅動程序的基礎上，實現(xiàn)數據傳輸和物理信道的管理。 物理層主要負責處理以下任務 [14]： （ 1） 無線發(fā)射 機的激活和關閉； （ 2） 已有信道的能量檢測； （ 3）鏈路質量檢測 ； （ 4） 基于 CSMACA 的空閑信道評估； （ 5） 信道選擇； （ 6）數據的發(fā)送與接收。 其模型如圖 所示。 P L M E S A P 數 據 服 務 接入 點P D S A P 物 理 層 數 據 接 入點P H Y P I B 物 理 層 個 域 網信 息 數 據 庫R F S A P 射 頻 服 務 接 入 點物 理 管 理 實 體 P L M EP H Y 物 理 層 圖 PHY 模型 山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 MAC 層協(xié)議規(guī)范 與物理層類似， MAC 層也包括管理實體 （ MLME） 和數據實體 （ MLDE），其邏輯模型如圖 所示 。 MAC 層管理實體提供可以喚醒 MAC 層管理服務的服務接口，同時也維護一個與 MAC 層相關的管理對象 數據庫 （ MIB） 。 M A C 公 共 部 分 子 層 服 務接 入 點 M C P S S A PM A C 層 管 理 實 體 服 務 接入 點 M L M E S A P物 理 層 數 據 服 務 接 入 點P D S A P物 理 層 管 理 實 體 服 務 接入 點 P L M E S A PM A C 層 個 域 網 信息 庫M A C 層 管 理 實 體M L M EM A C 層 公 共 部 分 子 層 圖 MAC 層參考模型 MAC 層與物理層之間通過 和 進行通信，通過 MAC數據實體服務點 （ ） 和 MAC 層管理實體服務接入點（ ） 向 qlt 服 務相關子層提供 MAC 層數據和管理服務。另外，MAC 層能支持多種 LLC 標準，通過業(yè)務相關會聚子層 （ SSCS） 協(xié)議承載 類型的 LLC 標準。 MAC 主要 層功能如下 [14]： （ 1） 網絡協(xié)調器產生并發(fā)送網絡信標幀 （ beacon） ，普通設備通過 beacon與協(xié)調器同步； （ 2）支 持個域網 （ PAN） 鏈路的建立和斷 開； （ 3） 信 道接入方式采用載波偵聽多址接入 /沖突避免 （ CSMA/CA） 機制； （ 4）處理和維護 保護時隙機制； 山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 （ 5） 設備的無線通信信道安全提供支持； （ 6） 兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路 。 ZigBee 中的 MAC 和物理層協(xié)議是網狀網絡的應用基礎，高容錯和低功耗的特點能保證網狀網絡所必須考慮基于拓撲控制和功率控制的網絡 自組特性。而且對于經典的隱藏終端和暴露終端問題、協(xié)議的接入公平 性問題、服務質量問題等都有良好的解決。在網狀網絡中， MAC 層的傳輸調度策略會影響數據包延遲、帶寬等性能，影響網絡層路由性能，所以網絡層必須感知 MAC 層性能的變化，才可以自適應的方式改變路由，改善網絡性能。 ZigBee 體系結構 ZigBee 技術是一組基于 IEEE 無線標準研制開發(fā)的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。 ZigBee 協(xié)議標準采用分層結構，每一層為上層提供一系列特殊服務：數據實體提供數據傳輸服務，管理實體提供所有其他的服務。 IEEE 定義了底層協(xié)議：物理 層和媒體訪問控制層。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎上定義了網絡層和應用層架構。 ZigBee 的網絡層采用基于 Ad hoc 的路由協(xié)議，除了具有通用的網絡層功能外，還要實現(xiàn)網絡的自組織和自維護，同時支持低功耗，以最大限度方便消費者使用，降低網絡的維護成本。 網絡層協(xié)議規(guī)范 ZigBee 網絡層主要功能包括設備連接和斷開網絡時所采用的機制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制。 為了與應用層進行更好的通信， 網絡層 定義了 兩個服務實體，分別為數據服務實體和管理服務實體。網絡層數據實體 （ NLDE） 通過網絡層數據實 體服務接入點提供數據傳輸服山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 務，網絡層管理實體 (NLME)通過網絡層管理實體服務接入點提供網絡管理服務。 網絡層參考模型 如圖 所示 。 N L D E S A P N L M E S A PM C P S S A P M L M E S A P網 絡 層 數 據 實 體網 絡 層 管 理 實 體上 層 實 體M A C 層 實 體 圖 網絡層模型 應用層協(xié)議規(guī)范 應用層包括應用支持層 (APS)、 ZigBee 設備對象 (ZDO)和制造商所定義的應用對象。應用支持層 (APS)的功能包括維持綁定表、在綁定的設備之間傳送消息。 ZigBee 應用層除了提供一些必要的函數以及為網絡層提供合適的服務接口外，一個重要的功能就是應用者可在 這一層定義自己的應用對象。全功能設備能夠發(fā)送和接收 ZigBee 所定義的所有類型的命令幀，而對于半功能設備來說，所執(zhí)行的命令幀將有所限制。所以在各節(jié)點設備在發(fā)送或接收幀之前，需要對節(jié)點設備參數進行配置。 ZigBee 網絡拓撲結構選擇 ZigBee 網絡根據應用的需要可以組織成星型網絡、網狀網絡和簇型網絡 3 種拓撲結構 [12]，如圖 所示。在星型結構中，所有的設備都與中心設備 ——PAN 網絡協(xié)調者通信，協(xié)調器一般使用電力系統(tǒng)供電，而其他設備采用電池供電。星型網絡適合家庭自動化、個人計算機外設以及個人健康山東科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 18 護 理等小范圍的室內應用。與星型網絡不同，網狀網絡 (mesh)只要彼此在對方的無線輻射范圍內，任何兩個 FFD 設備之間都能直接通信，在 Mesh中每一個 FFD 設備都可以認為是網絡路由器，都可以實現(xiàn)對網絡報文的路由轉發(fā)功能， Mesh 網絡在構建時比較復雜，節(jié)點所要維護的信息較多；對于簇狀網絡實際上可以看做是一個復雜的星型網絡，一個擴展的星形拓撲或是由多個簡單的星型網絡組成的拓撲結構，在簇狀網絡中，協(xié)調器、路由器和終端設備功能清晰，相對于 Mesh，構建簇狀網絡比較簡單，所需資源相對較少，并且能實現(xiàn)路由轉發(fā)功能，擴大網絡通 信范圍。 本課題中，家庭網絡范圍較小，室內布線較繁雜，故采用星型網絡拓撲結構。其中協(xié)調器電力供電，其他節(jié)點電池供電，簡化繁瑣工序的同時組建方便建立和維護的網絡系統(tǒng)。 星 型（ S t a r ）網 狀（