【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 e Access with Collision Avoidance)的信道訪問機(jī)制。 (6)支持 ACK 機(jī) 制以及保證可靠傳輸。 (7)低功耗機(jī)制。 (8)信道能量檢測(cè) (ED， Energy Detection)。 (9)鏈路質(zhì)量指示 (LQI， Link quality indication)。 (10)工作在 ISM 頻段上，其中在 2450MHZ 波段上有 16 個(gè)信道，在 915MHZ 頻段上有 30個(gè)信道，在 868MHZ 上有 3個(gè)信道。 (11)數(shù)據(jù)安全策略。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧基于開放系統(tǒng)互連模型 (OSI)，如圖 21所示，每一層華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 9 頁(yè) 共 49 頁(yè) 都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。 圖 21 協(xié)議棧架構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)只定義了 PHY 層和數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC 子層。 PHY 層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。物理層的特性是激活和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評(píng)估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。 MAC 子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的服務(wù)接口。它的功能是進(jìn)行信標(biāo)管理、信道介入、保證時(shí)基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)隙 (GTS)管理、幀確認(rèn)、應(yīng)答幀傳送、連接和斷開連接。此外， MAC 層為實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)陌?全機(jī)制應(yīng)用提供一 些方法。 在 MAC 子層 之上的高層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，對(duì)于不同的高層協(xié)議，也可以通過邏輯鏈路控制子層 (LLC， Logical Link Control)以及特定服務(wù)聚合子層 (SSCS，ServiceSpecific Convergence Sublayer)來訪問 MAC 子層。 ZigBee 協(xié)議棧概述 ZigBee 技術(shù)作為一種新興的低速率短距離無(wú)線通信技術(shù)，也是 ZigBee 聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)所主導(dǎo)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完整的 ZigBee 協(xié)議棧有物理層、 MAC 子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚子層和高層應(yīng)用規(guī)范層 組成。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接入點(diǎn) (SAP)為上層提供一個(gè)接口，每個(gè) SAP 都支持一定數(shù)量高層協(xié)議 SSCS PHY MAC 物理媒質(zhì) 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)，共 49 頁(yè) 的服務(wù)原語(yǔ)來實(shí)現(xiàn)所需的功能。 ZigBee 協(xié)議體系架構(gòu)如圖 22所示。 應(yīng) 用應(yīng) 用應(yīng) 用 匯 聚 子 層網(wǎng) 絡(luò) 層I E E E 8 0 2 . 2 邏 輯 鏈 路類 型 （ L L C ）業(yè) 務(wù) 特 定 匯 聚 子 層（ S S C S ）其 他 邏 輯 鏈路 控 制 標(biāo) 準(zhǔn)媒 體 訪 問 層8 6 8 / 9 1 5 M H Z物 理 層8 6 8 / 9 1 5 M H Z物 理 層Z i g b e e聯(lián) 盟I E E E 8 0 2 .1 5 . 4 圖 22 ZigBee 協(xié)議體系架構(gòu)圖 其中， ． 20xx 標(biāo)準(zhǔn)定義了底層：物理層 (Physical Layer， PHY)和MAC 層。 定義的 PHY 層分別工作在兩個(gè) 頻段上： 868/915MHz 和 。其中低頻段物理層覆蓋了 868MHz的歐洲頻段和 915MHz的美國(guó)與澳大利亞等國(guó)的頻段，高頻段則全球通用。 MAC 層采用 CSMACA 機(jī)制來控制信道接入，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可信賴的傳輸機(jī)制。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層 (Network Layer， NWK)，應(yīng)用層 (Application Layer， APL)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)制。另外，發(fā)現(xiàn) 并保持設(shè)備間的路由，發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲(chǔ)潛在鄰居信息也是 由 NWK 層完成的。 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 NWK 層還必須負(fù)責(zé)啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。 應(yīng)用匯聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。 ZigBee 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層 (APS)， ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZDO)以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層 (APS)負(fù)責(zé)維護(hù)設(shè)備綁定表，以及傳輸在綁定的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 11 頁(yè) 共 49 頁(yè) 供的服務(wù)和需求來匹配設(shè)備并儲(chǔ) 存相關(guān)設(shè)備信息。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZDO)負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色 (如 ZigBee 協(xié)調(diào)器或中斷設(shè)備 )，提出或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZDO)還要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及判定對(duì)方提供服務(wù)類別。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持 定義的兩種類型的物理設(shè)備 ：全功能設(shè)備 (FFD)、精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (RFD)。 FFD 和 RFD 的不同是按照節(jié)點(diǎn)的功能區(qū)分的，一個(gè) FFD 可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，因此 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該至少含有一個(gè) FFD。 RFD 只能與主設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只能作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，將兩種物理設(shè)備定義成了三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。設(shè)備類型不會(huì)以任何方式限制可能應(yīng)用在特定設(shè)備上的應(yīng)用類型。 圖 23 協(xié)調(diào)器功能模塊示意圖 （ 1） 協(xié)調(diào)器 ， 這個(gè)設(shè)備“開啟”一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符 (PAN ID)并開啟網(wǎng)絡(luò)。可選擇地，協(xié)調(diào)器 節(jié)點(diǎn)也能被 用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的安全性和應(yīng)用水平的綁定。協(xié)調(diào)器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。一旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了 (甚至可以斷開 )。由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運(yùn)行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè)，共 49 頁(yè) 圖 24 路由器功能模塊示意圖 （ 2） 路由器 ,路由器執(zhí)行的功能有 :① 允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)； ② 多跳路由； ③ 輔助它的電池供電的子終端設(shè)備通信。一般來說，路由器被期望能一直保持激活狀態(tài)，因此它通常是由固定電源供電的。而不能使用電池供電。路由器為它的子節(jié)點(diǎn)緩存信息，直到子節(jié)點(diǎn)被喚醒并請(qǐng)求數(shù)據(jù)。當(dāng) 一 個(gè)子節(jié)點(diǎn) 需要發(fā)送一個(gè)信息的時(shí)候，這個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到它的父路由器。然后，路由器負(fù)責(zé)傳輸信息，執(zhí)行所有相關(guān)的重發(fā)，以及如果需要的話，等待確認(rèn)。這使得終端設(shè)備可以回到休眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的目的。 圖 25 終端節(jié)點(diǎn)功能模塊示意圖 （ 3） 終端設(shè)備 ， 終端設(shè)備對(duì)維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有特殊的責(zé)任，因此，它可以有選擇的休眠和喚醒。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接受來自它的父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因此終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長(zhǎng)時(shí)間。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 13 頁(yè) 共 49 頁(yè) 在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請(qǐng)求，包括入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn) 等功能，一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點(diǎn)在大部分的時(shí)間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。若對(duì)電池供電沒有要求，網(wǎng)絡(luò)中可以全部采用 FFD 設(shè)備。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式。 星型網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 26所示。 如圖 26 中 (a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)是 一 個(gè)輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過中心節(jié)點(diǎn)傳輸。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個(gè)模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其他模塊可以配置成終端節(jié)點(diǎn)。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這種簡(jiǎn)單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理方便。中心節(jié)點(diǎn)需基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)要承擔(dān)更多的管理工作。由于把每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)放在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)，這必然會(huì)限制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓?fù)浜茈y實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。集中的信息涌向中心節(jié)點(diǎn)，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。到目前為止，星形拓?fù)涫亲畛Ｒ姷木W(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制中。 圖 26 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 樹狀拓?fù)涫嵌鄠€(gè)星形拓?fù)涞募希鐖D 26 中的 (b)所示 。若干個(gè)星形拓?fù)溥B接在一起，擴(kuò)展到更廣闊的區(qū)域。樹形拓?fù)涫强梢詫?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)“多跳”信息服務(wù)的最(a)星型 (b)樹狀 (c)網(wǎng)狀 協(xié)調(diào)器 FFD RFD 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè)，共 49 頁(yè) 簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹形拓?fù)渥钪档米⒁獾牡胤骄褪撬３至诵切瓮負(fù)涞暮?jiǎn)單性：較少的上層路由信息、較低的存儲(chǔ)器需求。但是樹形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的動(dòng)態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，信息源與目的之間，有且只有一條傳輸路徑，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷或故障將會(huì)使部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。樹形拓?fù)涞淖罴褢?yīng)用是在穩(wěn)定的無(wú)線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡(jiǎn)單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。 如圖 26所示的 (c)中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)洌?具有很高的適應(yīng)環(huán)境的能力。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，不存在一個(gè)固定的路由模式。這樣信息傳輸?shù)臅r(shí)間更加依賴瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計(jì)。 ZStack 協(xié)議棧 ZStack 概述 為了適應(yīng) ZigBee 產(chǎn)品開發(fā)的需求，德州儀器 (TI)推出了一套完整的協(xié)議棧ZStack。 ZStack 是 ZigBee 技術(shù)的核心軟件，是開發(fā) 關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵軟件， ZStack 符合 ZigBee20xx 規(guī)范的要求，并且在硬件上支持 CC2530，CC2530 以及 MSP430 平臺(tái)。 TI 協(xié)議棧一直在不斷的完善中，從最初的 版本到現(xiàn)在的 版本，無(wú)論從路由協(xié)議還是從地址分配模式都作了大量的改進(jìn)。本文構(gòu)建的定位系統(tǒng)是以 ZStack 協(xié)議棧為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)中按照節(jié)點(diǎn)完成的功能分為參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)。對(duì) ZStack 協(xié)議棧的理解運(yùn)用是項(xiàng)目開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一， 下 面對(duì)ZStack 協(xié)議棧進(jìn)行了較詳細(xì)的說明。 ZStack 運(yùn)行在 IAR 以上的集成開發(fā)環(huán)境， IAR 運(yùn)用 C51 編譯器，是一個(gè)與 KELLC51 類似的，功能強(qiáng)大的 C51 編譯器 /IDE/DEBUG 開發(fā)平臺(tái)。在該集成開發(fā)環(huán)境中，可以看到個(gè)完整的 ZStack 協(xié)議棧包含的功能部分組成。 ZStack 是完全符合 ZigBee20xx 標(biāo)準(zhǔn)的，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)也與 ZigBee 規(guī)范完全吻合。包括最上層的應(yīng)用層 (APP)，在該層內(nèi)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，外部任務(wù)的調(diào)用和執(zhí)行，并可以通過 API 函數(shù)調(diào)用下層的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。 HAL(Hardware Abstract Layer)層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺(tái)的不同，給出了各種不同的硬件資源，如按鍵、發(fā)光二極管、串口、定時(shí)器以及 ADC 等各種硬件設(shè)各的功能函數(shù)定義。用戶可以通過調(diào)用它的 API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序功能的華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 第 15 頁(yè) 共 49 頁(yè) 外部表征。 MAC 以及 NWK 層主要實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。OSAL(Operate System Abstract Layer)是操作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上。 Tools 是配置文件，通過對(duì)其內(nèi)部文件的修改可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的信道編號(hào)和 PAN ID 號(hào)，并且最重要的一個(gè)功 能是通過設(shè)置其相應(yīng)的文件包含可以預(yù)定義節(jié)點(diǎn)的邏輯類型 ， 即協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點(diǎn)或者是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。 ZDO 是 ZigBee 設(shè)備對(duì)象的簡(jiǎn)稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的入網(wǎng)，綁定以及設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能實(shí)現(xiàn)。 ZMain 是應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個(gè)應(yīng)用程序都是從 ZMain 函數(shù)作為入口，首先是硬件初始化，存儲(chǔ)器初始化最后是操作系統(tǒng)無(wú)限循環(huán)。 簡(jiǎn)單的說， ZStack 協(xié)議棧就是用戶的應(yīng)用程序、 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)以及各種用戶配置結(jié)合起來的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。各層之間通過各層的 API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)相互連接和通信，最終達(dá)到完整有效的 運(yùn)行。 ZStack 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要想理解它的運(yùn)行機(jī)制，很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要理解 OSAL 的運(yùn)行機(jī)制。 OSAL 運(yùn)行機(jī)制 OSAL(Operator System Abstract Layer，操作系統(tǒng)抽象層 )層是與協(xié)議棧相獨(dú)立的，但是整個(gè)協(xié)議棧都要基于本操作系統(tǒng) (OS)才能正常運(yùn)行，或者說協(xié)議棧運(yùn)行在本層之上。 OSAL 提供如下服務(wù)和管理功能：信息管理、任務(wù)同步、時(shí)間管理、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、電源管理以及非易失存儲(chǔ)管理。 下 一 個(gè) 激 活 任 務(wù)執(zhí) 行 激 活 任 務(wù)開 始激 活 任 務(wù) ？