【文章內(nèi)容簡介】 畢業(yè)設(shè)計 3 Zigbee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間 [3]。 Zigbee 的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag 形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似。 Zigbee 聯(lián)盟則于 2021 年成立，而在 2021 年下半年，以及 四大半導(dǎo)體公司共同宣布加盟 Zigbee 技術(shù)聯(lián)盟，以研發(fā)名為 Zigbee 的新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。而在2021 年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。 WiFi 技術(shù) WiFi 是由一個名為 “無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟 ”(Wireless Ether Compatibility Alliance, WECA)的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語，中文翻譯為 “無線相容認(rèn)證 ”。 WiFi 或 在 頻段工作，所支持的速度達(dá) 54Mbps( 工作在 或者，理論最 高速度 600Mbps)。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，其速度在目前看來較慢，現(xiàn)逐漸退出市場主流。熱點是通過將訪問節(jié)點安裝在互聯(lián)網(wǎng)連接上來創(chuàng)建的。這個訪問節(jié)點通過無線信號將信息傳到互聯(lián)網(wǎng)上，一般覆蓋到 200 米以內(nèi)。雖然 WiFi 有覆蓋范圍較廣等特點，但是其的基帶協(xié)議和射頻協(xié)議比較復(fù)雜，實現(xiàn)成本較高，而且其功耗比較大，根本上滿足不了電池供電的要求。 藍(lán)牙技術(shù) 愛立信公司制定了初始的藍(lán)牙技術(shù)，此技術(shù)一開始是愛立信公司在 1994 年的一個研究移動電話和其他配件期間進(jìn)行的低功耗、低成本的無線通信連接方法的方案。1999 年正式公布藍(lán)牙 版，確定了使用頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá) ，和紅外技術(shù)相比，藍(lán)牙有著較高的傳輸速率，而且不需要像紅外線那樣進(jìn)行口對口的連接才能傳輸數(shù)據(jù)，所有的藍(lán)牙終端基本上只要在有效的范圍內(nèi)使用，就隨時可以進(jìn)行連接收發(fā)數(shù)據(jù)。 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新 本文主要研究內(nèi)容 隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水準(zhǔn)越來提高，日常家居的環(huán)境更受到了人們的關(guān)注。近年來隨著家庭裝修時工業(yè)板材及其他有毒氣體釋放源的使用，室內(nèi)的環(huán)境不容樂觀。這就要求有各種有害氣體監(jiān)測功能的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)介入 ，為我們營造一個安全健康的家居環(huán)境。 (1)Zigbee 協(xié)議的介紹。主要介紹了 Zigbee 協(xié)議中各個部分的組成和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 并對各層中的重點內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析； (2)本文以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以 Zigbee 技術(shù)紐帶，詳細(xì)設(shè)計出的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的兩種節(jié)點 協(xié)調(diào)器節(jié)點 (控制中心 )和傳感器節(jié)點。在協(xié)調(diào)器節(jié)點中，本文實現(xiàn)了電源、串口通信、 PCB 天線等主要電路的設(shè)計；而在傳感器節(jié)點中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對不同的環(huán)境信息，設(shè)計出了不同的傳感模塊； (3)本論文還設(shè)計了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試 和使用，由此用戶就可以實時的了解到家庭中個中環(huán)境信息的參數(shù)。 本文主要研究創(chuàng)新點 本文利用 Zigbee 技術(shù)，以實現(xiàn)無線系統(tǒng)的組網(wǎng)，可以為家居環(huán)境提供多地點、多對象的監(jiān)測，由于 Zigbee 技術(shù)的自組網(wǎng)性，在增加或減少監(jiān)測終端時系統(tǒng)靈活性較大。同時此系統(tǒng)還省去了繁瑣的有線系統(tǒng)布線對家居美觀性的損害。終端通過顯示器及數(shù)據(jù)上傳到智能家居系統(tǒng)可以實時顯示并控制空氣凈化器等為家居環(huán)境，實現(xiàn)健康家居。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 第 2 章 Zigbee 技術(shù)綜述 Zigbee 是一種基于 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)此協(xié)議的規(guī)定，Zigbee 技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的一種名叫Zigbee 的舞蹈，由于通過持續(xù)不斷地跳這種舞蹈來實現(xiàn)對新發(fā)現(xiàn)的食物或其他信息的傳遞，換句話說蜜蜂是依靠這樣的通信方式來實現(xiàn)了一個通信網(wǎng)絡(luò)，而每個個體則是網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。這樣做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過信息接力就完成了整個通信，從而實現(xiàn)了蜜蜂的低成本、低數(shù)據(jù)速率、自組織、低功耗、近距離、低復(fù)雜度等的信息傳遞方式。受蜜蜂的這種特殊的通信方式的啟發(fā)， Zigbee 技術(shù)的研究也主要 是在低速率、低功耗通信領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，亦可以低成本地嵌入各種設(shè)備中組成龐大的網(wǎng)絡(luò)。總而言之 Zigbee 技術(shù)就是一種低功耗，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 Zigbee 技術(shù)介紹 Zigbee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間。 Zigbee 的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag 形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似。 Zigbee 聯(lián)盟則于 2021 年成立，而在 2021 年下半年，以及四大半導(dǎo)體公司共同宣布加盟 Zigbee 技術(shù)聯(lián)盟，以研發(fā)名為 “Zigbee”的新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，而在2021 年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約 27 家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā) Zigbee 協(xié)議物理層和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的 工作組。 Zigbee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議。 Zigbee 協(xié)議則比藍(lán)牙技術(shù)、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或 無線局域網(wǎng)等技術(shù)更簡單而實用。 Zigbee使用的是波段，采用了跳頻技術(shù)，這和藍(lán)牙技術(shù)相似，可以說是同族兄弟了。但相比之下， Zigbee 協(xié)議比藍(lán)牙更簡單、速 率更慢、功率及費用也更低。 Zigbee 的基本速率是，傳輸半徑可擴(kuò)大到 400 米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，單個Zigbee 無線模塊就可與 254 個節(jié)點互聯(lián)，若網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點，則網(wǎng)絡(luò)最大承載量可支持 65535 個節(jié)點設(shè)備互聯(lián)。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標(biāo)、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動化儀器等低速率應(yīng)用時可以比藍(lán)牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域拓展 Zigbee 的應(yīng)用。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 Zigbee 技術(shù)的特點 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)采用的 是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則以 Zigbee 協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，其主要優(yōu)點有以下幾個方面。 (1)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好。其設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)自己組織性能使網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點在無需人工干預(yù)的情況下自己組網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，當(dāng)添加或去除網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點時，其余節(jié)點可以自行尋找其他節(jié)點替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)自愈能力； (2)成本低。由于 Zigbee 聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強(qiáng)，好多公司均已在 2021 年正式推出自己的 Zigbee 芯片，競爭較大，近年來應(yīng)用于主機(jī)端的芯片成本將會比藍(lán)牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢。 (3)功耗低。它的超低功耗也使得在應(yīng)用中兩節(jié)普通 AAA 干電池即可使用 6 個月至 2 年的時間，這也是 Zigbee 的最大的一個優(yōu)勢； (4)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個 Zigbee 設(shè)備可以與另外 254 臺節(jié)點設(shè)備相連接，而加入路由節(jié)點的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)最多可容納多達(dá) 65000 多個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)； (5)數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有 10kb/s250kb/s，符合本設(shè)計需求； (6)工作頻段靈活。使用的頻段中 全世界通用，歐洲使用 868MHz，美 國則使用 915MHz 頻段，但這些均是免申請頻段，可以直接使用； (7)網(wǎng)絡(luò)延遲時間短?；顒釉O(shè)備信道接入延時和休眠激活延時均僅為 15ms，而搜索設(shè)備延時時間達(dá)到 30ms； Zigbee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 根據(jù) Zigbee 聯(lián)盟所設(shè)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按功能分其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備劃分為三種： Zigbee協(xié)調(diào)器， Zigbee 路由器， Zigbee 終端設(shè)備。他們的功能分別如下。 (1)Zigbee 協(xié)調(diào)器：它是個全功能的設(shè)備，包含所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是 3 種設(shè)備中功能最全面亦最復(fù)雜的一種，特點是計算能力強(qiáng)、存儲量大。它的作用是發(fā) 送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立并且管理一個網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲節(jié)點信息并且不斷地接收下級節(jié)點所發(fā)來的信息。 (2)Zigbee 路由器：它也是全功能設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器就會分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級節(jié)點使用，方便每個節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。 (3)Zigbee 終端設(shè)備：其一般的簡化的功能設(shè)備。只能自己的與上一級如協(xié)調(diào)器或 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等。在 Zigbee 協(xié)議規(guī)范中，組網(wǎng)時有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇：星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇樹型結(jié)構(gòu)，圖 21 所示。 圖 21 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 在星狀結(jié)構(gòu)中無論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，在 Zigbee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)運作與維護(hù)著整個網(wǎng)絡(luò)；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的操作，而路由器則對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，終端設(shè)備的信息由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) ,只不過在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。 Zigbee 協(xié)議分析 網(wǎng)絡(luò)層 (NWK) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是確保 Zigbee 的 MAC 層 (IEEE )正常工作，同時定義了一些必須的函數(shù)，并且為應(yīng)用層提供適合的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實體來向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，它們分別是管理服務(wù)實體和數(shù)據(jù)服務(wù)星狀 簇狀 路由器 協(xié)調(diào)器 終端設(shè)備 網(wǎng)狀 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 實體。通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)接入點 (NLDESAP)，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)實體 (NLDE)得以提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實體 (NLME)與之不同，它是通過網(wǎng)絡(luò)層管理實它體服務(wù)接入點 (NLMESAP)來提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的。網(wǎng)絡(luò)層管理實體則是利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)信息庫 (NIB)理是網(wǎng)絡(luò)層管理 實體完成的。 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體 (NLDE) 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)，在兩個或多的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送任務(wù)時，則是按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (APDU)的格式進(jìn)行傳送的，并且所有的這些設(shè)備必須是在同一個網(wǎng)絡(luò)中，即要求在同一個個域網(wǎng)中。 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體提供的服務(wù)如下三項： (1)指定拓?fù)鋫鬏斅酚?，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個合適的接受設(shè)備，此設(shè)備可能是一個在通信鏈路中的中間通信設(shè)備，也可能是最終的目的通信設(shè)備。 (2)生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (NPDU)：通過增加一個適當(dāng)?shù)膮f(xié) 議頭，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 (3)安全：確保通信的機(jī)密性和真實性。 網(wǎng)絡(luò)層管理實體 (NLME) 絡(luò)層管理實體允許應(yīng)用與堆棧相互作用，并且提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供了以下的幾種服務(wù)： (1)配置一個新的設(shè)備：設(shè)備應(yīng)具有足夠的堆棧來保證其正常工作的需要，并且滿足配置的需要。配置選項包括對連接一個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或一個 Zigbee 協(xié)調(diào)器的初始化的操作。 (2)初始化一個網(wǎng)絡(luò)：使設(shè)備有能力建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。 (3)連接和斷開網(wǎng)絡(luò)。要求設(shè)備具有斷開 網(wǎng)絡(luò)的能力和具有連接一個新的網(wǎng)絡(luò)的能力，以建立一個 Zigbee 協(xié)調(diào)器或者路由器。 (4)鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)：需要具有發(fā)現(xiàn)、匯報和記錄相鄰設(shè)備信息的能力。 (5)尋址： Zigbee 協(xié)調(diào)器和路由器具有分配地址給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的能力。 (6)路由發(fā)現(xiàn)：具有發(fā)現(xiàn)并且記錄傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。 (7)接收控制：具有控制設(shè)備是否處于接收狀態(tài)的能力，即控制接收機(jī)接收信息時間的長短和什么時候來接收信息，以此來保證 MAC 層的正常接收和同步等。 應(yīng)用層 (APP) 應(yīng)用層主要由用戶根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行自我開發(fā)，用以維 持節(jié)點的各種功能，發(fā) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 現(xiàn)此節(jié)點工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點的工作，再根據(jù)服務(wù)的需求為各個不同的節(jié)點提供通信服務(wù)。 Zigbee 應(yīng)用層有三個不同的部分分別是：應(yīng)用支持 (Application Support Sub1ayer，簡稱 APS)子層、 Zigbee 設(shè)備對象 (Zigbee Device Object，簡稱 ZDO)和制造商定義的應(yīng)用對象。 應(yīng)用支持子層 APS 層提供了這樣的接口：在 NWK 層和 APL 層間，從設(shè)備