【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的 ROM， 可以免費(fèi) 使用 TI 提供的 ZigBee 協(xié)議，協(xié)議功能比較強(qiáng)大，支持 adhoc 和多跳，支持 mesh 網(wǎng)。 對(duì)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(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng) 8051MCU 內(nèi)核， 簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì) ， 同時(shí)， CC2530 還可以配備 TI 的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（ RemoTI,， ZStack 或 SimpliciTI）來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā) 。因此，本設(shè)計(jì)決定圍繞 CC2530 芯片展開(kāi)硬件電路的設(shè)計(jì)。 傳感器選型 智能家居系統(tǒng) 將 ZigBee 模塊設(shè)備和傳感器、家電控制器連接在一起，組建 Zi gBee 智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò) ，本設(shè)計(jì)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(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專(zhuān)利的 CMOSens 技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在 OTP 內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號(hào) 校準(zhǔn)。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。 該產(chǎn)品具有 體積 小 、功耗 低、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)迅速、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 （ 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(dǎo)率較低的二氧化錫 （ SnO2） 。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。 MQ2 氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器 可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)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(shù)的自動(dòng)控制模塊，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式 。全自動(dòng)感應(yīng)功能， 人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。 采用溫度補(bǔ)償和光敏控制技術(shù)，能適應(yīng)不同環(huán)境下的測(cè)量。 具有感應(yīng)封鎖時(shí)間 ， 可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。 山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 3 章 ZigBee 無(wú)線協(xié)議分析 短距離無(wú)線通信技術(shù)目前已成為無(wú)線通信的一個(gè)重要分支。在現(xiàn)實(shí)中家庭數(shù)字控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等許多應(yīng)用場(chǎng)合， 系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為少量的突發(fā)信號(hào)，以數(shù)據(jù)量小、要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送為數(shù)據(jù)特征。針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)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(wú)線通信技術(shù) [11]。在這種背景下， ZigBee 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 ZigBee 技術(shù)在 標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、軍事等傳統(tǒng)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用。在 標(biāo)準(zhǔn)之上， ZigBee聯(lián)盟對(duì) ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API 部分進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。 標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層（ physical layer， PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（ medium access contrl sublayer， MAC）， ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)在這個(gè)基礎(chǔ)上擴(kuò)展了應(yīng)用層框架和網(wǎng)絡(luò)層（ work layer， NWK）。 標(biāo)準(zhǔn)介紹 2020 年 12 月 IEEE 成立了 工作組。這個(gè)工作組將致力于定義一種廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的低成本、低復(fù)雜度、低功耗、低速率的無(wú)線連接技術(shù)。 協(xié)議概述 WPAN 是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它 實(shí)現(xiàn)了低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的無(wú)線連接。為滿(mǎn)足這些需求， 工作組 致力于 WPAN 網(wǎng)絡(luò)的 物理層 和媒體訪問(wèn)層的標(biāo)準(zhǔn)化工作 [12]，它具備以下主要特征： （ 1） 在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)了 20kbps、 40kbps 和 250kbps 三種不同的 傳輸速率 ； 山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(kuò)展地址 ； （ 3）支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ； （ 4） 支持沖突避免的載波多路偵聽(tīng)技術(shù)（ carrier sense multiple access with collision avoidance,， CSMACA） ； （ 5） 支持確認(rèn)（ ACK）機(jī)制，保證傳輸可靠性 。 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組成及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) IEEE 網(wǎng)絡(luò) 中 根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備（ FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ RFD）。 FFD 設(shè)備 之間以及 FFD 設(shè)備與 RFD設(shè)備之間都可以通信。 RFD 設(shè)備之間不能直接通信，只能與 FFD 設(shè)備通信，或者通過(guò)一個(gè) FFD 設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這個(gè)與 RFD 相關(guān)聯(lián)的 FFD 設(shè)備稱(chēng)為該 RFD 的協(xié)調(diào)器 。 IEEE 網(wǎng)絡(luò)中， 必須 有一個(gè) FFD 設(shè)備 作為 PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（ PAN coordinator）。 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)等任務(wù) [13]。 LRWPAN可以工作于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜忘c(diǎn)到點(diǎn)（ P2P）的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥@兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)終端設(shè)備直接與 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸，由中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者集中控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形成以及數(shù)據(jù)的傳輸。首先，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)可用的通信信道和唯一的標(biāo)識(shí)符，然后允許其他設(shè)備通過(guò)掃描、關(guān)聯(lián)等步驟加入到自己的網(wǎng)絡(luò)中，并且為其他終端設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中也需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，和星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)不同的是，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備可以和在信號(hào)輻射范圍之內(nèi)的所有其他設(shè)備通信，因此點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠軌蛐纬啥嗉?jí)簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)、 Mesh網(wǎng)絡(luò)等更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)形式。點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)一般是自修復(fù)和自組織的形式，它可以通過(guò)多跳路由等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳 輸，因此更適合無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、貨物倉(cāng)儲(chǔ)及安全相關(guān)方面的應(yīng)用。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)由網(wǎng)山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 絡(luò)的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)。 物理層協(xié)議規(guī)范 物理層定義了物理無(wú)線信道和與 MAC層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。 IEEE 據(jù)收發(fā)，在這三個(gè)頻段上發(fā)送數(shù)據(jù)使用的速率、信號(hào)處理過(guò)程以及調(diào)制方式等方面都存在著一定的差異。 物理層功能相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是在硬件驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理信道的管理。 物理層主要負(fù)責(zé)處理以下任務(wù) [14]： （ 1） 無(wú)線發(fā)射 機(jī)的激活和關(guān)閉； （ 2） 已有信道的能量檢測(cè)； （ 3）鏈路質(zhì)量檢測(cè) ； （ 4） 基于 CSMACA 的空閑信道評(píng)估； （ 5） 信道選擇； （ 6）數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。 其模型如圖 所示。 P L M E S A P 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 接入 點(diǎn)P D S A P 物 理 層 數(shù) 據(jù) 接 入點(diǎn)P H Y P I B 物 理 層 個(gè) 域 網(wǎng)信 息 數(shù) 據(jù) 庫(kù)R F S A P 射 頻 服 務(wù) 接 入 點(diǎn)物 理 管 理 實(shí) 體 P L M EP H Y 物 理 層 圖 PHY 模型 山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 MAC 層協(xié)議規(guī)范 與物理層類(lèi)似， MAC 層也包括管理實(shí)體 （ MLME） 和數(shù)據(jù)實(shí)體 （ MLDE），其邏輯模型如圖 所示 。 MAC 層管理實(shí)體提供可以喚醒 MAC 層管理服務(wù)的服務(wù)接口，同時(shí)也維護(hù)一個(gè)與 MAC 層相關(guān)的管理對(duì)象 數(shù)據(jù)庫(kù) （ MIB） 。 M A C 公 共 部 分 子 層 服 務(wù)接 入 點(diǎn) M C P S S A PM A C 層 管 理 實(shí) 體 服 務(wù) 接入 點(diǎn) M L M E S A P物 理 層 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 接 入 點(diǎn)P D S A P物 理 層 管 理 實(shí) 體 服 務(wù) 接入 點(diǎn) P L M E S A PM A C 層 個(gè) 域 網(wǎng) 信息 庫(kù)M A C 層 管 理 實(shí) 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(guò) 和 進(jìn)行通信，通過(guò) MAC數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)點(diǎn) （ ） 和 MAC 層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ ） 向 qlt 服 務(wù)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(guò)業(yè)務(wù)相關(guān)會(huì)聚子層 （ SSCS） 協(xié)議承載 類(lèi)型的 LLC 標(biāo)準(zhǔn)。 MAC 主要 層功能如下 [14]： （ 1） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀 （ beacon） ，普通設(shè)備通過(guò) beacon與協(xié)調(diào)器同步； （ 2）支 持個(gè)域網(wǎng) （ PAN） 鏈路的建立和斷 開(kāi)； （ 3） 信 道接入方式采用載波偵聽(tīng)多址接入 /沖突避免 （ CSMA/CA） 機(jī)制； （ 4）處理和維護(hù) 保護(hù)時(shí)隙機(jī)制； 山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 （ 5） 設(shè)備的無(wú)線通信信道安全提供支持； （ 6） 兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路 。 ZigBee 中的 MAC 和物理層協(xié)議是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基礎(chǔ)，高容錯(cuò)和低功耗的特點(diǎn)能保證網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所必須考慮基于拓?fù)淇刂坪凸β士刂频木W(wǎng)絡(luò) 自組特性。而且對(duì)于經(jīng)典的隱藏終端和暴露終端問(wèn)題、協(xié)議的接入公平 性問(wèn)題、服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題等都有良好的解決。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中， MAC 層的傳輸調(diào)度策略會(huì)影響數(shù)據(jù)包延遲、帶寬等性能，影響網(wǎng)絡(luò)層路由性能，所以網(wǎng)絡(luò)層必須感知 MAC 層性能的變化，才可以自適應(yīng)的方式改變路由，改善網(wǎng)絡(luò)性能。 ZigBee 體系結(jié)構(gòu) ZigBee 技術(shù)是一組基于 IEEE 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。 ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供所有其他的服務(wù)。 IEEE 定義了底層協(xié)議：物理 層和媒體訪問(wèn)控制層。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層架構(gòu)。 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層采用基于 Ad hoc 的路由協(xié)議，除了具有通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，還要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，同時(shí)支持低功耗，以最大限度方便消費(fèi)者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議規(guī)范 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括設(shè)備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制。 為了與應(yīng)用層進(jìn)行更好的通信， 網(wǎng)絡(luò)層 定義了 兩個(gè)服務(wù)實(shí)體，分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體 （ NLDE） 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí) 體服務(wù)接入點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體 (NLME)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng) 絡(luò) 層 數(shù) 據(jù) 實(shí) 體網(wǎng) 絡(luò) 層 管 理 實(shí) 體上 層 實(shí) 體M A C 層 實(shí) 體 圖 網(wǎng)絡(luò)層模型 應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持層 (APS)、 ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持層 (APS)的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消息。 ZigBee 應(yīng)用層除了提供一些必要的函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個(gè)重要的功能就是應(yīng)用者可在 這一層定義自己的應(yīng)用對(duì)象。全功能設(shè)備能夠發(fā)送和接收 ZigBee 所定義的所有類(lèi)型的命令幀，而對(duì)于半功能設(shè)備來(lái)說(shuō)，所執(zhí)行的命令幀將有所限制。所以在各節(jié)點(diǎn)設(shè)備在發(fā)送或接收幀之前，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行配置。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇型網(wǎng)絡(luò) 3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [12]，如圖 所示。在星型結(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備都與中心設(shè)備 ——PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者通信，協(xié)調(diào)器一般使用電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)外設(shè)以及個(gè)人健康山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 護(hù) 理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。與星型網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) (mesh)只要彼此在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍內(nèi)，任何兩個(gè) FFD 設(shè)備之間都能直接通信，在 Mesh中每一個(gè) FFD 設(shè)備都可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)路由器，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能， Mesh 網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建時(shí)比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所要維護(hù)的信息較多；對(duì)于簇狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上可以看做是一個(gè)復(fù)雜的星型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)擴(kuò)展的星形拓?fù)浠蚴怯啥鄠€(gè)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在簇狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備功能清晰，相對(duì)于 Mesh，構(gòu)建簇狀網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所需資源相對(duì)較少，并且能實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)通 信范圍。 本課題中，家庭網(wǎng)絡(luò)范圍較小，室內(nèi)布線較繁雜，故采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中協(xié)調(diào)器電力供電，其他節(jié)點(diǎn)電池供電，簡(jiǎn)化繁瑣工序的同時(shí)組建方便建立和維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 星 型（ S t a r ）網(wǎng) 狀（