【正文】 Bm 的情況下，藍牙通常能有 10 米的作用范圍。而 ZigBee在室內通常 能達到 3050米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到 400米 (TI CC2530 不加功率放大 )。 所以 ZigBee 可歸為低速率的短距離無線通信技術。 ZigBee 的框架 ZigBee 的 IEEE 相關 要想弄清楚 ZigBee，就要了解 IEEE ，它就是 ZigBee 物理層和 MAC層的模板 。 網絡是指使用相同無線信道并通過 IEEE 標準相互通信的一組設備的集合。在這個網絡中，根據(jù)設備所具有的通信的能力，可以分為全功能設備，和精簡功能設備 。全功能設備之間以及全功能設備與精簡功能設備之間都可以通信，與精簡功能設備相關的全功能設備通常稱之為協(xié)調器。 定義了兩種拓撲結構，分別為星狀拓撲（理論上一個協(xié)調器和多達 255 個子設備）和點對點模式。此協(xié)議定義了 27 個信道， 868MHz 頻段一個信道， 915MHz 頻段 10 個信道， 2450MHz 頻段 16 個信道。 基于 CC2430 無線信道選擇的軟件設計 11 其調制過程如圖 21，圖 22（ PPDU：物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） ： 圖 21 868/915MHz 頻段的調制過程 圖 22 頻段的調制過程 物理幀的第一個字段是四個字節(jié)的前導碼，收發(fā)器在接收前導碼期間，會根據(jù)前導碼序列的特征完成片同步和符號同步。幀起始分隔符（ SFD）字段長度為一個字節(jié)，其值固定為 0xA7，標識一個物理幀的開始。收發(fā)器接收完前導碼后只能做到數(shù)據(jù)的位同步，通過搜索 SFD 字段的值 0xA7 才能同步到字節(jié)上。幀長度由一個字節(jié)的低 7位表示，其值就是物理幀的長度。而且物理幀的負載長度是可變的，稱之為物理服務數(shù)據(jù)單元（ PSDU），一般用來承載 MAC 幀。簡要描述見表 21： 表 21 物理幀 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 長度可變 前導碼 （ preamble） SFD 幀長度 （ 7 比特） 保留位 PSDU 同步頭 物理幀頭 PHY 負載 mac 層（ 的重點部分） MAC 層主要功能 有 協(xié)調器產生并發(fā)送信標（信標使能模式），普通設備根據(jù)協(xié)調器的信標幀與協(xié)調器同步，支持關聯(lián)（一個設備加入一個特定的網絡時，向協(xié)調器注冊以及身份認證的過程）與取消關聯(lián)操作（在 ZigBee 中也相當重要），支持 無線信道通信安全，使用 CSMACA機制訪問信道，支持時槽保障機制，支持不同設備的 MAC間的可靠傳輸。 網絡層次 網絡層次是一個邏輯上的概念，不是什么實體，比如物理層，我們可以理解PPDU比特數(shù)據(jù) 差分編碼器 比特到片序列轉換 OQPSK 調制 調制信號 PPDU比特數(shù)據(jù) 差分編碼器 比特到片序列轉換 BPSK調制 調制信號 基于 CC2430 無線信道選擇的軟件設計 12 為物理收發(fā)機 ,MAC 層可以理解為調整什么時候開收發(fā)機，數(shù)據(jù)鏈路層可以理解為檢查開了收發(fā)機以后，那效果怎么樣，能不能很好的完成任務，網絡層就是要把分散的單元連成一個網絡，應用層就是說明任務要干什么，當然典型的 TCP/IP網絡的七層結構也可以用這種類比的方式進行思考。 ZigBee 網絡層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC層的正常工作（實際上就是提供網絡支持）。為了向應用層提供其接口，網絡層提供了兩個必須的功能服務實體，這些個實體只是邏輯上的概念，有助于理清楚邏輯思維。如圖 23 所示： 圖 23 網絡層參考模型 MCPSSAP（ MAC 公共部分子層的服務接入點）， MLMESAP(MAC 管理實體服務接入點 )， NLDESAP（網絡層數(shù)據(jù)實體服務接入點）， NLMESAP（網絡層管理實體服務接入點），實際上所謂的管理實體就是管理如何組織不同的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)不同的功能，按照上面網絡層次的分析，網絡層的參考模 型邏輯不難理清。網絡層數(shù)據(jù)實體通過網絡層數(shù)據(jù)實體服務；網絡管理層實體通過網絡層管理實體服務接入點（ NLMESAP）提供網絡管理服務。網絡層管理實體利用網絡層數(shù)據(jù)實體完成一些網絡的管理工作，并且完成對網絡信息庫（ NIB）的維護和管理。網絡層通過 MCPSSAP和 MLMESAP 接口，為 MAC 層提供接口，通過 NLDESAP 與 NLMESAP接口為應用層提供接口服務。上述工作流程只是一個邏輯，事實上只要懂得上述流程就可以組織相關代碼，所謂的服務接入點并沒有什么具體的操作，只是一個邏輯層次的過度。 應 用層 要了解應用層先要了解兩個概念： Profile：在 ZigBee網絡中，兩個設備之間的通信的關鍵是同意一個 Profile（模式），典型例子就是智能家居。這個 ZigBee Profile 是一個配置文件，允許一系列設備類型交換控制消息來構造一個無線智能家居應用。這個概念容易跟描基于 CC2430 無線信道選擇的軟件設計 13 述（ discriptor）混淆。一般而言可以做如下理解： Profile 是對邏輯設備及其接口的描述集合，是面向某個應用類別的公約、準則。 Descriptor 是為分布式應用提供的描述項，多種描述項共同組成描述集合 Profile。它根據(jù)應用 必須處理的數(shù)據(jù)包和必須執(zhí)行的操作來描述分布式應 用 配置文件使得 ZigBee 設備可以互操作。 ZigBee 聯(lián)盟已經定義了很多標準的 這樣的 配置 （ Profile 是配置文件的一種） 文件，比如遠程控制開關配置文件和光傳感器配置文件等。任何遵循某一標準配置文件的節(jié)點都可以與其他實現(xiàn)相同配置文件的節(jié)點進行互操作。 所以說 profile 是面向某個應用，解決一系列事務的公約，是對邏輯設備及其接口關系的描述集合。任何遵循這一描述集合的節(jié)點之間都可以交互工作（只要雙方可以通信）。 ZDO： ZDO（ ZigBee 設備對象）是在應用層中 的一種應用解決方案。它位于ZigBee 協(xié)議棧的應用支持子層之上。 ZDO 負責初始化應用支持子層、網絡層、安全服務提供模塊及非 1240 斷點應用的的其他 ZigBee 設備層；另外 ZDO 還負責從終端應用收集配置信息來實現(xiàn)設備和服務發(fā)現(xiàn)、安全管理、網絡管理、綁定管理和節(jié)點管理功能。其實可以理解為 ZDO 就是與 ZigBee 設備相關的一些應用層邏輯范疇上的設備操作的一些雜七雜八的算法的集合，整個 ZigBee 其實就是一個大算法，在應用層上有些零碎的關于設備操作的算法，我們就把它稱作為 ZDO，雖然這樣說不夠全面，但在絕大多數(shù)情 況下這種理解還是行的通的。 APS 應用支持子層模型如 圖 24（ ZigBee 應用層中的核心部分，事實上只有這一部分才是應用層邏輯的描述） ： 圖 24 應用支持子層參考模型 APSDE（應用支持子層數(shù)據(jù)實體 ）， APSME（應用支持子層管理實體）， NLDE（網絡層數(shù)據(jù)實體） NLME（網絡層管理實體），圖中簡明的標明了應用支持子層的工作流程，這只是一個邏輯操作，分析時可以仿照網絡層的邏輯進行分析，應用支持子層的數(shù)據(jù)實體（ APSDE）向網絡層提供數(shù)據(jù)服務，完 成兩個或多個設備APSDESAP 支持子層數(shù)據(jù)實體 NLDESAP APSMESAP 支持子層管理實體 NLMESAP APSIB 基于 CC2430 無線信道選擇的軟件設計 14 之間傳輸應用層數(shù)據(jù)單元。 APSDE 將應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元加上適當?shù)膮f(xié)議幀頭生成應用子層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 APSDE 還包括綁定，集團地址過濾，可靠傳輸，拒絕重復（數(shù)據(jù)鏈路層的相關處理，與 MAC 層上方的數(shù)據(jù)鏈路層交叉，在 ZigBee中沒有明確的數(shù)據(jù)鏈路層，但網絡層次只是一個邏輯上的概念，有與沒有這個網絡層次的概念，只要有一套完整的邏輯就說的過去的），大批量傳輸，碎片傳輸，流控制，阻塞控制等服務。而 APSME 提供應用層信息庫管理，安全服務等功能 應用層主要有應用幀和確認幀兩種具體內容 ， 可依據(jù)協(xié)議棧的說 明進行填寫。 ZigBee 的應用 ZigBee 并不是用來與藍牙或者其他已經存在的標準競爭，它的目標定位于現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足其需求的特定的市場，它有著廣闊的應用前景。 ZigBee聯(lián)盟預言在未來的四到五年，每個家庭將擁有 50 個 ZigBee 器件，最后將達到每個家庭 150 個。據(jù)估計，到 2021 年， ZigBee 市場價值將達到數(shù)億美元。其應用領域主要包括： 家庭和樓宇網絡：空調系統(tǒng)的溫度控制、照明的自動控制、窗簾的自動控制、煤氣計量控制、家用電器的遠程控制等 工業(yè)控制：各種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制 商業(yè) ：智慧型標簽等 公共場所：煙霧探測器等 農業(yè)控制：收集各種土壤信息和氣候信息 醫(yī)療：老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等。 基于 CC2430 無線信道選擇的軟件設計 15 3 程序開發(fā)環(huán)境 TinyOS 概述 TinyOS 的定義 TinyOS 是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加州大學的伯利克分校開發(fā)出來的，主要應用于無線傳感器網絡方面，其作為一系列合作項目的結果。它是基于一種組件（ Component－ Based）的架構方式 使得快速的更新成為可能，而這又減小了受傳感 網絡存儲器 限制的代碼長度 ，能夠快速實現(xiàn)各種應用。 它的首先出現(xiàn)是做為 UC Berkeley 和 Intel Research 合作實驗室的杰作，用來嵌入智能微塵當中，之后慢慢演變成一個國際合作項目，即 TinyOS 聯(lián)盟。 TinyOS 的程序采用的是模塊化設計，所以它的程序核心往往都很?。ㄒ话銇碚f核心代碼和數(shù)據(jù)大概在 400 Bytes 左右），能夠突破傳感器存儲資源少的限制，這能夠讓 TinyOS 很有效的運行在無線傳感器網絡上并去執(zhí)行相應的管理工作等。 TinyOS 程序由基于組件的軟件工程 software ponent 建構，它們中一些表現(xiàn)了硬件的抽象概念， 組件用 接口互相連接。 TinyOS 為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數(shù)據(jù)包通信，路由，感知，行為和儲存。 TinyOS 版本后完全的 nonblocking：它配備了一個單獨的堆棧。因此所有的持續(xù)超過幾百微秒 I/O 操作都以異步進行并且?guī)в谢亟泄δ?。為了使本地的編譯器更加出色地優(yōu)化交叉調用邊界 ,TinyOS用 nesC的特性去連接這些回叫，叫作事件。 nonblocking系統(tǒng)可以讓 TinyOS在單一存儲器下保持高度的協(xié)同性。它強迫程序用 stitching together many small event handlers 的方法編寫復合邏輯。為了支持更高的計算量， TinyOS 提供了任務，其比 Deferred Procedure Call and interrupt handler bottom halves 小。 一個 TinyOS 組建可以發(fā)布一個任務，操作系統(tǒng)可以把它排入列表以待之后執(zhí)行。任務是沒有優(yōu)先權的并且按照 FIFO 運行。 這個簡單的協(xié)同模型是典型的滿足了以 I/O 為中心的應用，但這樣的模型對于 CPU 負荷重的應用程序來說不是太好的，因為它會導致向 OS 多次提出線程間協(xié)同處理的請求。 TinyOS 代碼與程序代碼 進行靜態(tài)連接，然后用 GNU toolchain 編譯到一個小的二進制系統(tǒng)中。它的聯(lián)盟為 TinyOS 的應用，提供完整的開發(fā)平臺。 TinyOS 的構件包括網絡協(xié)議、分布式服務器、傳感器驅動及數(shù)據(jù)識別工具。其良好的 電源管理 源于 事件驅動 執(zhí)行模型，該模型也允許時序安排具有靈活性。TinyOS 已被應用于多個平臺和 tinyos 感應板中。 TinyOS 操作系統(tǒng)、庫和程序服基于 CC2430 無線信道選擇的軟件設計 16 務程序是用 nesC 寫的 。 TinyOS 的特點 TinyOS 提供一系列可重用的組件，一個應用程序可以通過連接配置文件（ A Wiring Specification）將各種組件連接起來，以完成它所需要的功能。 TinyOS 的應用程序都是基于事件驅動模式的，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。 tasks 一般用在對于時間要求不是很高的應用中，且 tasks 之間是平等的，即在執(zhí)行時是按順序先后來得，而不能互相占先執(zhí)行，一般為了減少 tasks 的運行時間，要求每一個 task 都很短小，能夠使系統(tǒng)的負擔較輕 。 events 一般用在對于時間的要求 很嚴格的應用中，而且它可以占先優(yōu)于tasks 和其他 events 執(zhí)行，它可以被一個操作的完成或是來自外部環(huán)境的事件觸發(fā)，在 TinyOS 中一般由硬件中斷處理來驅動事件。 在 TinyOS 中由于 tasks 之間不能互相占先執(zhí)行，所以 TinyOS 沒有提供任何阻塞操作，為了讓一個耗時較長的操作盡快完成，一般來說都是將對這個操作的需求和這個操作的完成分開來實現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。 nesC 的基本概念 nesC 簡介 nesc 是一種擴展 C 的編程語言，主要用于