【文章內(nèi)容簡介】 功能強大的物理特性的優(yōu)點； 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計 6 (2)ZigBee 增加了邏輯 網(wǎng)絡(luò) 和應(yīng)用軟件； (3)ZigBee 基于 射頻標準，同時 ZigBee 聯(lián)盟通過與 IEEE 緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案； (4) (PHY)和媒體訪問控制 (MAC)層標準，而 ZigBee負責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。 應(yīng)用層應(yīng)用接口網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問層物理層芯片ZigBeStack應(yīng)用程序用戶ZigBe聯(lián)盟IE 圖 21 ZigBee 的結(jié)構(gòu)和分工 ZigBee Structure and Division of Labor 協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點 滿足國際標準組織 (ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式，定義了單一的 MAC 層和多樣的物理層。 ZigBee 聯(lián)盟制定了 MAC 層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 (1) 物理層 物理層提供了媒體訪問控制層與無線物理通道之間的接口，主要完成功能：激活，休眠無線收發(fā)設(shè)備、對當(dāng)前頻道進行能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、為載波檢測多址與碰撞避免(CSMACA)進行空閑頻道評估、頻道選擇、數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收等。 定義了兩個物理層標準，分別是 868/915MHz物理層。兩個物理層都基于 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻 )，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率。 ISM頻段，有助于 ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。 250kbps 的傳輸速率，有助于遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。 868MHz是歐洲的 ISM 頻段， 915MHz是美國的 ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了 附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。 868MHz 的傳輸速率為 20kb/s， 916MHz 是40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求。獲得比較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。 工作頻段和頻率如表 21 所示： 表 21 工作頻段和頻率 Frequency and Frequency Range of Labor 物理層 工作頻率 (MHZ) 頻道數(shù) 碼片率 調(diào)制方 式 傳輸率 數(shù)據(jù)符號 868MHZ 1 300 BPSK 20 二進制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二進制 16 2021 OQPSK 250 16 狀態(tài)組 在 PHY 層的有關(guān)參數(shù)上，有四個 重要的參數(shù)： a)傳輸能量 (power)：約 lmW的能量。 b)傳輸中心頻率的兼容性：約 177。40 pm。 c)接收器之感度： 85dBm92dBm(86 915 ram)， 1%分組差錯率 (PSDU=20bytes)。 d)接收信號強度指示的測量 (RSSD)。 (2)調(diào)制及擴頻 二 進 制符 號 數(shù)數(shù) 據(jù) 符 號數(shù) 據(jù) 碼偏 移 四 相移 相 調(diào) 控P P D U 二 進 制數(shù) 據(jù)已 調(diào) 制 的數(shù) 據(jù) 圖 22 物理層調(diào)制及擴頻功能模塊 the Physical Layer Modulation and Spread Frequency Functional Modules 物理層將數(shù)據(jù) (PPDU)每字節(jié)的低四位與高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號 (Symbol)，每種數(shù)據(jù)符號又被映射成 32 位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片 (Chip)。數(shù)據(jù)碼片序列采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控技術(shù) (OQPSK)調(diào)制，對偶數(shù)序列碼片進行同相調(diào)制，而對奇數(shù)序列碼片進行正交調(diào)制 ，如圖 22 所示 。 868/915MHZ 物理層先將 PPDU 二進制數(shù)據(jù)進行差分編碼，差分編碼是將當(dāng)前數(shù)據(jù)位與前一編碼位以模為 2 異或而成。經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)位又被映射成 15 位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計 8 (Chip)，數(shù)據(jù)碼片序列采用二相的相移鍵控技術(shù) (BPSK)調(diào)制。 (3)PPDU格式 PPDU 報文數(shù)據(jù)由用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭 (SHR)、含有幀長度信息的物理層報頭(PHR)以及承載有 MAC 幀數(shù)據(jù)的凈荷組成，具體結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。 字節(jié) 4 1 1 可變 前同步碼（ Preamble） 幀定界符（ SFD） 幀長度 (7bits) 保留（ 1bit） 物理層數(shù)據(jù)（ PSDU） 同步頭（ SHR） 物理層報頭（ PHR） 物理層凈荷 圖 23 PPDU 格式 of PPDU 前同步碼域用來為后續(xù)數(shù)據(jù) 的收發(fā)提供碼片或數(shù)據(jù)符號的同步，幀定界符用來標識同步域的結(jié)束及報文數(shù)據(jù)的開始。物理層數(shù)據(jù)域長度根據(jù)情況可變 (長度為 5 字節(jié)或大于 7 字節(jié) )，承載了物理層報文數(shù)據(jù)，包含有 MAC 層數(shù)據(jù)幀。 (4)MAC 層 為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性， ZigBee 的 MAC 采用了時隙化的載波偵聽和沖突避免的信道接入 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法。 MAC 子層的組成及接口模型如圖 24 所示。 圖 24 MAC 子層組成及接口模型 MAC Form and Interface Model 的 MAC 協(xié)議包括以下功能：設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和結(jié)束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預(yù)留時隙管理；廣播信息管理。 MACMAC 通用部分分子層（ MCPSSAP） MAC 層管理實體（ LMESAP） PAN 信息庫 PHY 層管理 實 體 PHY 層數(shù)據(jù)（ PDSAP） MAC 命令子 層 MAC 層管理實體（ MLME） 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 子層提供兩個服務(wù)與高層聯(lián)系，即通過兩個服務(wù)訪問點 (SAP)訪問高層。通過 MAC 通用部分子層 SAP(MCPSSAP)訪問 MAC 數(shù)據(jù)服務(wù)，用 MAC 層管理實體 SAP(MLMESAP)訪問MAC 管理服務(wù)。這兩個服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供 了一個接口。靈活的 MAC 幀結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)拓撲的需要，同時也保證了協(xié)議的簡潔。 MAC 子層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和 MAC 命令幀等 4 種幀類型。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee設(shè)備間 MAC 子層功能實體問控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認，而數(shù)據(jù)幀和 MAC 命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認，如果需要確認，并且已經(jīng)通過了 CRC 校驗，接收方將立即發(fā)送確認幀。若發(fā)送方在一定時間內(nèi)收不到確認幀，將自 動重傳該幀。這就是 MAC 子層可靠傳輸?shù)幕具^程。 MAC 層的幀格式如圖25 所示： 2 1 020 變量 2 幀控制 序列號 地址信息 凈荷 幀校驗系列 圖 25 MAC 層的通用幀格式 General Frame Format of MAC (5) 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層： 標準定義了 LLC，并且通用于諸如 、 及 等系列標準中。而 MAC 子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層實現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些必須任務(wù)。 NWK 層是位于 MAC 層之上與 APL 層交互的一個協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含兩個服務(wù)實體：數(shù)據(jù)服務(wù)實體 (NLDE)和管理服務(wù)實體 (NLME)。 ZigBee 規(guī)范定義的 NWK 層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) (NLDE)和管理服務(wù) (NLME)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，用于將 APL層提供的數(shù)據(jù)打包成應(yīng)用層協(xié) 議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應(yīng)的節(jié)點的 NWK 層；或者將接收到的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給 本節(jié)點的 APL 層 。也就是說 NLDESAP 實現(xiàn)兩個 APL 層之間的數(shù)據(jù)傳輸。NLMESAP 是 NWK 層給 APL層提供的管理服務(wù)接口，其邏輯模型如圖 26 所示。 NLDESAP 是 NWK 層提供給 APL層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口， MCPSSAP 是由 MAC 層提供給 NWK 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口， MLMESAP 是 MAC 層提供給 NWK 層的管理服務(wù)接口。 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計 10 a)配置一個新設(shè)備 b)開始一個新網(wǎng)絡(luò) c)加入或者離開 網(wǎng)絡(luò) 圖 26 NWK 層模型 Model of NWK (6) 應(yīng)用層 應(yīng)用會聚層將主要負責(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)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層有應(yīng)用支持子層 (APS)， ZigBee設(shè)備對象 (ZDO)及廠商定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層 (APS)的作用是維護設(shè)備綁定表，它具有根據(jù)服務(wù)及需求匹配兩設(shè)備的能力，且通過邊界的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。應(yīng)用支持子層 (APS)的另一作用是設(shè)備發(fā)現(xiàn)，它能 發(fā)現(xiàn)在工作范圍內(nèi)操作的其它設(shè)備。 ZDO 的職責(zé)是定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它設(shè)備的角色。如 ZigBee 協(xié)調(diào)器或末端設(shè)備、發(fā)起或回應(yīng)綁定請求、在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全機制 (如選擇公共密鑰、對稱密鑰等 )等。廠商定義的應(yīng)用對象根據(jù) ZigBee 定義的應(yīng)用描述執(zhí)行具體的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中附加了一層應(yīng)用層協(xié)議完成數(shù)據(jù)的通訊和控制的業(yè)務(wù)。 ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景 ZigBee 技術(shù)將主要嵌入在消費性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機等設(shè)備中。應(yīng)用于小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領(lǐng)域中。 ZigBee 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。通常，符合如下條件之一的應(yīng)用 ]7[ 。均可以考慮采用 ZigBee 技術(shù)作無線傳輸： ? 設(shè)備成本較低．傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。 ? 設(shè)備體積較小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊。 ? 沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池。 NLDESAP NLMESAP MCPSSAP MLMESAP NLDE NWK PIB 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 ? 頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難。 ZigBee應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵問題 ZigBee 實現(xiàn)家庭組網(wǎng)的目標是：在消費 類電子設(shè)備中嵌入 ZigBee 芯片聯(lián)網(wǎng)后，實現(xiàn)家電等設(shè)備的無線互連和家庭自動化。利用 ZigBee 技術(shù)可較容易實現(xiàn)相機或者攝像機的自拍、窗戶遠距離開關(guān)、室內(nèi)照明系統(tǒng)的遙控以及窗簾的自動調(diào)整等功能。特別是在手機或者 PDA 中加入 ZigBee 芯片后就可以被用來控制電視開關(guān)、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度及開啟微波爐等?；?ZigBee 技術(shù)個人身份卡能夠代替家居和辦公室的門禁卡?？梢杂涗浰羞M出大門的個人的信息。 GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù) (1)GPRS 網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu) GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有 GSM網(wǎng)絡(luò)中增加 GGSN(OPRS網(wǎng)關(guān)支持 節(jié)點 1和 SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點 )來實現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù) [8]。 GPRS 無線通信系統(tǒng)基本原理 ： GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù) )是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線連接網(wǎng)絡(luò)。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)是在原有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)上，增加 SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點 )以及 GGSN(網(wǎng)關(guān) GPRS支持節(jié)點 )兩種數(shù)據(jù)交換結(jié)點設(shè)備，使得用戶在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時兼容電路型數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)。 (2)GPRS 協(xié)議 移 動臺 (Ms)和 SGSN 之間的 GPRS 分層協(xié)議模型如圖 27 所示： 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議S N D CL L CM A C物 理 鏈 路R F 接 口M S物 理 鏈 路R F 接 口物 理 鏈 路M A CL L RL A P DL A P DL L CS D N C網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議R S SU mG bU m 圖 27 GPRS 協(xié)議 Agreement of GPRS 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計 12 Um 接口是 GSM 的空中接口。 Um 接口上的通信協(xié)議有 5 層，自下而上依次為物理層、MAC(Medi