【文章內(nèi)容簡介】 gBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)與 ZigBee協(xié)議由物理層 (PHY)、介質(zhì)接入控制子層 (MAC)、網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用層 (APL)構(gòu)成，其協(xié)議構(gòu)架如圖所示。其物理層 (PHY)和媒體訪問控制層 (MAC)采用 ，ZigBee聯(lián)盟則定義了 ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用層 (APL)和安全服務(wù)規(guī)范。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 應(yīng) 用 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層L L CM A C物 理 層 圖 24 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 物理層 (PHY)由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理 信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)鏈路層分成 LLC(Logica1 Link Control，邏輯鏈路控制 )和 MAC(Media Access Con trol，媒介接入控制 )兩個子層。 LLC子層在 ；而 MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。 MAC子層提供兩種服務(wù)： MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC層管理服務(wù)。前者保證 MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)， 而后者從事 MAC層的管理活動，并維護一個信息數(shù)據(jù)庫。 網(wǎng)絡(luò)層主要任務(wù)是為確保 ZigBee的 MAC層正常工作提供一些必要的函數(shù)，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實體：數(shù)據(jù)服務(wù)實體和管理服務(wù)實體作為其向應(yīng)用層提供的接口。 APL層主要由 3個部分組成：與網(wǎng)絡(luò)層連接的 APS(Appcation Suppon)ZDO(ZigBeeDevice Object)、以及裝置應(yīng)用 Profile。 ZigBee的應(yīng)用層架構(gòu)，最重要的是已涵蓋了服務(wù) (Service)的概念。所謂的服務(wù)，簡單來說就是功能。對于 ZigBee裝置而言，當(dāng)加入到一個 WPAN后，應(yīng)用層的 ZD0會發(fā)動一系列初始化 的動作：先通過 APS做裝置搜尋 (Device Discovery)以及服務(wù)搜尋 (ServiceDiscovery)，然后根據(jù)事先定義好的描述信息 (Description)將與自己相關(guān)的裝置或是服務(wù)記錄在 APS里的綁定表 (Binding 1曲 le)中．之后所有服務(wù)的設(shè)備采用應(yīng)用對象進行建模。這些應(yīng)用對象通過交換類對象和它們的屬性實現(xiàn)與其他設(shè)備的通信。 (PHY)和 MAC層的功能。 ： 868/915MHz物理層。兩者均采用直 擴序列調(diào)制 (DSSS)方式， 868／ 915MHz物理層采用簡單的 DSSS方法， DSSS方法的十六進制準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。它們共享同一個基本包幀結(jié)構(gòu)，具有較小的執(zhí)行周期和功率消耗。 兩個物理層共有 3個頻帶，被分為 27個頻率信道。 868/915MHz物理層在 之間，支持一個信道，稱為 0號信道；在 ，則支持 10個信道，稱為 111信道。 16個信道，為 1227號信道，每個信道的頻帶帶寬 達 5MHz,易于滿足發(fā)射和接收濾波器的設(shè)計要求。兩個物理層的傳輸速率不同。 250kb/s，而 868/9l5MHz物理層對其兩段頻帶分別提供江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 20kb/s和 40kb/s的傳輸速率。兩個物理層均提供兩種類型服務(wù)：即通過物理層管理實體接口 (PLME)對 PHY層數(shù)據(jù)和 PHY層管理提供服務(wù)。 PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)可以通過無線物理信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU)來實現(xiàn)。 PHY層的特征是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量檢測，鏈路質(zhì)量，信道選擇，清閑信道評估 (CCA)，并通過物理媒體對數(shù)據(jù)包 進行發(fā)送和接收淵。 表格 25 不同通信方式的比較 通信方式 性能 藍牙 WiFi UWB IrDA HomeRF ZigBee 系統(tǒng)開銷 較大 大 小 大 較大 小 電池壽命 較短 短 短 長 較長 長 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù) 7 30 100 2 127 255/65535 有效物理范圍 10m 100m 10m 定向 1m 50m 1150m 數(shù)據(jù)傳輸率 1Mbps 11Mbps 500Mbps 16Mbps 1/2Mbps 20/250kbps 傳輸介質(zhì) 980nm紅外 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù) 1） 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 由于傳感器節(jié)點能源能量的限制，其計算、存儲和通信能力十分有限，每個節(jié)點只能獲取到局部網(wǎng)絡(luò)的信息。因而節(jié)點上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能太復(fù)雜；同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外界環(huán)境的不斷變化，也對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計提出了更高要求。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層 4個層次。它們相互配合運行，使得若干個獨立的傳感器節(jié)點能夠形成一個多跳的動態(tài)的數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)。 2） 核心支撐 技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的核心支撐技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供的服務(wù)，并通過服務(wù)接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)，使終端用戶可以方便的對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行操作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)依靠這些豐富的核心支撐技術(shù)構(gòu)成了一個具體的面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)包括拓?fù)淇刂?、?jié)點定位、時間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理和網(wǎng)絡(luò)安全等。 3） 自組織管理 多變的網(wǎng)絡(luò)狀況及環(huán)境要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力，能夠自動組網(wǎng)運行，自行配置維護，適時轉(zhuǎn)發(fā)檢測數(shù)據(jù)。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提夠的服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)管理接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)，使終端用戶可以方便的管理配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織管理技術(shù)包括節(jié)點管理、資源與任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、初始化與系統(tǒng)維護管理等。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 4） 開發(fā)與應(yīng)用 作為一種服務(wù)于實際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有有一套現(xiàn)實可行的軟硬件設(shè)計原則、高效的開發(fā)平臺以及一系列別具特色的應(yīng)用實例。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 相 關(guān)要求 考慮到實際情況無線傳感器網(wǎng)絡(luò) CO氣體監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需求如下： 1）組網(wǎng)、無線遠距離傳輸： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點均采用 Zigbee技術(shù)，支持節(jié)點間的自組網(wǎng)，節(jié)點間傳輸距離可達 200m以上。 2）能耗問題： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持休眠模式，實現(xiàn)了低功耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點都由電池提供能源保障，要充分考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠保障系統(tǒng)持續(xù)的能源供應(yīng)。 系統(tǒng)總體設(shè)計 圖 26 系統(tǒng)總體設(shè)計 用于煤田火區(qū)空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。這是一個 層次型網(wǎng)絡(luò)拓結(jié)構(gòu)，最左邊為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，往右依次為移動網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)，最終連接到 Inter 網(wǎng)。為獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，從而形成多個傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的任務(wù)，部分傳感器節(jié)點還具備消息轉(zhuǎn)發(fā)的中繼功能，成為路由節(jié)點，匯聚節(jié)點是一個數(shù)據(jù)處理能力和存儲能力都較強的 ZigBee 節(jié)點，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色。它除了負(fù)責(zé)發(fā)起和管理整個網(wǎng)絡(luò)外，還接收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行融合處理后通過網(wǎng)絡(luò) 上傳至計算機。計算機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的當(dāng)?shù)仫@示和本地數(shù)據(jù)庫存儲，可江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 以將數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)傳至遠程計算機。若干個傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點通過自組織形式構(gòu)成 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。更形象的話可以分為兩個部分，即信息采集系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，信息監(jiān)測管理系統(tǒng)主要包括檢測控制中心。兩個系統(tǒng)的連接通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入到因特網(wǎng)或者 GPRS 等其他長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)而實現(xiàn)。 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 第三章 氣體檢測節(jié)點的硬件設(shè)計 硬件平臺的設(shè)計是整個環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，好的硬件平臺可以平衡網(wǎng)絡(luò)性能和成本之間的關(guān)系，本章在硬件 方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細描述了氣體檢測節(jié)點硬件的總體結(jié)構(gòu)和每個模塊的設(shè)計思想和實現(xiàn)過程。 節(jié)點組成 節(jié)點由匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點組成 [5]。匯聚節(jié)點分布式處理中心，即協(xié)調(diào)器節(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)點把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，在匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)融合，然后匯聚節(jié)點把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給檢測系統(tǒng)做進一步處理并顯示給用戶。匯聚節(jié)點可以與多個傳感器節(jié)點通信，當(dāng)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。 節(jié)點的硬件設(shè)計 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計 無線傳感器節(jié)點是一個微型化 的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支持平臺。不同功能的節(jié)點需要不同的硬件基礎(chǔ)。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計上，最重要的就是低功耗的設(shè)計，這是由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性決定的。低功耗的設(shè)計可以分硬件和軟件兩方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。 總的來說，傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊，能量供應(yīng)模塊及擴展接口組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。 各種附加模塊傳感器A / D 轉(zhuǎn)換器傳感器模塊通用接口存儲器微控制器處理器模塊zigBee 模塊無線通信模塊能量供應(yīng)模塊天 線 圖 31 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖 1）處理器模塊與無線通信模塊 ZigBee無線 單片機 CC2430，它以 8051微處理器為內(nèi)核，其自身攜帶的射頻收發(fā)器可用江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 11 來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信。 集成了處理器模塊和無線通信模塊的功能，有利于實現(xiàn)煤田無線傳感器節(jié)點的設(shè)計的小型化，同時省去了連接處理器和無線通信模塊的麻煩，并且對于組建整個無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而言，節(jié)約的成本也相當(dāng)可觀。 傳感器將相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)變成電壓、電流、電阻等電量送給信號調(diào)理電路，經(jīng)過進行相關(guān)調(diào)理后送到 CC2430的 ADC接口進行采集后存儲。 無線收發(fā)模塊上留有雙排 20腳的外擴 I/O插針，通過該插針可以實現(xiàn)無線收發(fā)模塊的功能擴展以及和擴展模 塊相連。 處理單元由處理器和存儲器組成，存儲和處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。 處理器模塊先把采集的數(shù)據(jù)信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進行處理，處理后的數(shù)據(jù)由無線通信模塊發(fā)出。 圖 32 無線傳輸模塊原理圖 無線傳輸模塊電路包括 CC2430 芯片及其外圍電路，由于 CC2430 將 8051 內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當(dāng)中因而簡化了電路的設(shè)計過程，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計，縮短了開發(fā)周期，該電路設(shè)計的原理圖如圖所示。其主要包括接口電路、 和 電源濾波路、芯片晶振電路、天線電路 、入網(wǎng)指示電路等。 CC2430芯片延用了以往 CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了 ZigBee射頻 (RF)前端、內(nèi)存和微控制器 [6,7]。 它使用 1個 8位 MCU(8051)，具有 128 KB可編程閃存和 8 KB的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個定時器、 AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、 32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及 21個可編程 I/O引腳。 （ 1） CC2430接口及復(fù)位電路 CC2430 模塊預(yù)留個 20個引腳，所以在設(shè)計電路時需一個 20個引腳的雙排插座，如圖所示， JP1為 20腳雙排插座，是 CC2430模塊與其它電路的接口，通過此接口可連接傳感器、開關(guān)、電源及各連接口。引腳 1 接電源 VCC，引腳 19接地，引腳 4和引腳 16分別接傳感器 江蘇大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 DB171的時鐘線和數(shù)據(jù)線。引腳 19接復(fù)位電路，其作用是將單片機復(fù)位， S1為復(fù)位開關(guān)。其剩余的 I/O 口，留做擴展口使用，預(yù)留出特定的傳感器的接口，以滿足其他監(jiān)測的要求。 圖 33 CC2430接口及復(fù)位電路 CC2430 是無線 SOC 設(shè)計，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍 電路即可實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。如圖為 CC2430 應(yīng)用電路， C341 和電感 L34 L32