【導(dǎo)讀】荿袆螅艿芅裊袈肂蚃襖肀芇蕿袃膂膀蒅袂袂蒞莁葿羄膈芇蒈肆莄薆薇螆膆蒂薆袈莂莈薅羈膅芄薅膃羈蚃薄袃芃蕿薃羅肆蒅薂肇芁莁薁螇肄芇蝕衿芀薅蠆肂蒁蠆肄羋莇蚈襖肁莃蚇羆莆艿蚆肈腿薈蚅螈蒞蒄蚄袀膇莀螃莃芆螃肅膆薄螂螄羈薀螁羇膄蒆螀聿肇莂蝿蝿節(jié)羋螈袁肅薇螇羃芀蒃袇肆肅荿袆螅艿芅裊袈肂蚃襖肀芇蕿袃膂膀蒅袂袂蒞莁葿羄膈芇蒈肆莄薆薇螆膆蒂薆袈莂莈薅羈膅芄薅膃羈蚃薄袃芃蕿薃羅肆蒅薂肇芁莁薁螇肄芇蝕衿芀薅蠆肂蒁蠆肄羋莇蚈襖肁莃蚇羆莆艿蚆肈腿薈蚅螈蒞蒄蚄袀膇莀螃莃芆螃肅膆薄螂螄羈薀螁羇膄蒆螀聿肇莂蝿蝿節(jié)羋螈袁肅薇螇羃芀蒃袇肆肅荿袆螅艿芅裊袈肂蚃襖肀芇蕿袃膂膀蒅袂袂蒞莁葿羄膈芇蒈肆莄薆薇螆膆蒂薆袈莂莈薅羈膅芄薅膃羈蚃薄袃芃蕿薃羅肆蒅薂肇芁莁薁螇肄芇蝕衿芀薅蠆肂蒁蠆肄羋莇蚈襖肁莃蚇羆莆艿蚆肈腿薈蚅螈蒞蒄蚄袀膇莀螃莃芆螃肅膆薄螂螄羈薀螁羇膄蒆螀聿肇莂蝿蝿節(jié)羋螈袁肅薇螇羃芀蒃袇肆肅荿袆螅艿芅裊袈肂蚃襖肀芇蕿袃

　　

【正文】 一步減少了能源消耗。 4） 安全性高， ZigBee 協(xié)議提供了三級(jí)安全模式級(jí)別。網(wǎng)絡(luò)層和 MAC 層都有 安全策略，且安全分級(jí)，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 5） 網(wǎng)絡(luò)容量大，一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納 254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成靈活，在一個(gè)單獨(dú)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以支持超過 65000 個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 6） 免執(zhí)照頻率， ZigBee 技術(shù)有三種傳輸頻率段，分別為 868MHz， 915MHz 和 ，共有 27 個(gè)信道。其中 頻率段為全球免費(fèi)使用頻段，傳輸速率達(dá)到 250KB/s。 ZigBee 是一種低功耗、低成本、低速率、短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，凡是具有上述特點(diǎn)的場(chǎng)合都可以使用它。典 型的應(yīng)用有工業(yè)控制、智能建筑、家庭自動(dòng)化、智能交通系統(tǒng)、醫(yī)療與健康保護(hù)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。 zigbee 網(wǎng)絡(luò)系體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 Zigbee 棧體系結(jié)構(gòu)由一組稱為層的塊兒組成。每一層為上層執(zhí)行指定一套服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供其他的所有服務(wù)。按照 ISO 的 OSI 模型， ZigBee網(wǎng)絡(luò)分為四層，分別為物理層（ PHY:Physical Layer）、媒體訪問控制層 MAC:Medium Access Control SubLayer）、網(wǎng)絡(luò)層（ NWK:Network）以及應(yīng)用層（ APL:Application Layer），如圖 11 所示。其中 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)制定的物理層和媒體接入控制層作為ZigBee 的物理層 (PHY 層 )和媒體接入控制層（ MAC 層）， ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架。 基于 Zigbee 技術(shù)的無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 圖 11 Zigbee 協(xié)議框架 物理層定義了物理無線信道和 MAC 層的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)，其主要完成射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉；當(dāng)前信道的能量檢測(cè)；鏈路服務(wù)質(zhì)量信息；信道頻率選擇，以及物理層數(shù)據(jù)報(bào)的接收與發(fā)送。 ZigBee 使用的頻率有 868MHz/915MHz和 ，均屬于 ISM 頻段。在我國免費(fèi)使用 頻率。 MAC 層位于物理層與網(wǎng)絡(luò)層之間， MAC 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)，主要實(shí)現(xiàn)信標(biāo)管理，信道接入，時(shí)隙管理，發(fā)送與接收幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，提供合適的安全機(jī)制等。 網(wǎng)絡(luò)層允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)；為設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的邏輯地址；建立和維護(hù)鄰居表。應(yīng)用層有應(yīng)用支持層、 ZigBee 設(shè)備對(duì)象等組成，為實(shí)際應(yīng)用提供框架模型。 論文的研究內(nèi)容 本文簡(jiǎn)要介紹了 ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)，深入分析了 ZigBee 技術(shù)協(xié)議，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建 一個(gè) ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，并在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。 論文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)幾種常見的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作了比較，并介紹了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。然后再全面深入分析了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，詳細(xì)說明了物理層、 MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的功能和實(shí)現(xiàn)。采用 Freescale 公司提供的以 MC13213 為代表的第二代硬件平臺(tái)方案， MC13213 作為一個(gè)系統(tǒng)集成芯片，內(nèi)部集成 S08GT60 單片機(jī)和 MCl3192 射頻模塊，從而簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了成本。然后在此硬件平臺(tái)上構(gòu)建軟件支撐平臺(tái) 以及對(duì) ZigBee 通信協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。提出了基于 ZigBee 的組網(wǎng)算法，從掃描信道、網(wǎng)絡(luò)建立、地址分配以及節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)等步驟構(gòu)建一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能，并在硬件平臺(tái)上成功得到驗(yàn)證。 基于 Zigbee 技術(shù)的無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2 ZigBee 協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn) 物理層分析與實(shí)現(xiàn) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換所使用的無線信道在網(wǎng)絡(luò)分層中屬于物理層任務(wù)。物理層通過硬件和軟件為 MAC 層和物理層無線信道提供接口，物理層通過服務(wù)節(jié)點(diǎn)（ SAP： Servie Access Point）提供兩種接口，分別為物理層數(shù)據(jù)服務(wù)（ PDSAP）和物理 層管理服務(wù)(PLMESAP)，對(duì)下直接管理射頻服務(wù)的接入（ RFSAP）。物理層的結(jié)構(gòu)模型如圖 21 所示。 圖 21 物理層結(jié)構(gòu)圖 物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)通過原語在對(duì)等的 MAC層實(shí)體之間傳輸 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU ），其中所使用的原語有請(qǐng)求、確認(rèn)和指示原語等。數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語 、 數(shù) 據(jù) 請(qǐng) 求 確 認(rèn) 原 語 (status) 、 數(shù) 據(jù) 指 示 原 語。物理層管理服務(wù)接入點(diǎn)允許 MAC 層與物理層之間傳輸管理命令，例如空閑信道評(píng)估，能量檢 測(cè)以及收發(fā)設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換等。其主要功能：信道頻率大小的選擇、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、基于 CSMACA 的空閑信道評(píng)估（ CCA:Clear ChannelAssessment）、信道的能量檢測(cè)（ ED:Energy Detection）和激活和休眠射頻設(shè)備等 。 1） 空閑信道評(píng)估就是檢查當(dāng)前的信道有沒有被其他的無線設(shè)備使用。其主要任務(wù)是為了協(xié)調(diào)器建立無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)選擇信道的提供依據(jù)。 2） 能量檢測(cè)是建立網(wǎng)絡(luò)前信道選擇算法的一個(gè)重要步驟。對(duì)所選擇的信道中接收的信號(hào)功率進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)量的結(jié)果是有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率之和。能量檢測(cè)的請(qǐng) 求原語為 。 基于 Zigbee 技術(shù)的無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 ZigBee 的工作頻率范圍 ZigBee 所使用的三個(gè)工作頻段，每一頻段的寬度不同，其分配的信道個(gè)數(shù)也不同。 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)總共定義 了 27 個(gè)編號(hào)從 0 到 26 的信道。其中， 頻段定義了16 個(gè)信道， 915MHz 頻段定義了 10 個(gè)信道， 868MHz 頻段定義了 1 個(gè)信道。這些信道的中心頻率定義如下 ： Fa=868MHz k=0 Fb=906MHz+2(k1)MHz k=1,2,…,10 Fc=2405MHz+5(k11)MHz k=11,12,…,26 其中， k 為信道編號(hào)。一般來說， ZigBee 設(shè)備不能同時(shí)兼容這 3 個(gè)工作頻段。 頻率段是全球免費(fèi)使用的頻段，更有利于 ZigBee 設(shè)備的推廣和使用成本的降低。 物理層數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu) 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)體系中，每一層在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都要加上自己的協(xié)議信息，以形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 ZigBee 物理層的數(shù)據(jù)單元（ PPDU）又可以稱之為物理層數(shù)據(jù)包，其格式如圖 22 所示。 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量 前同步碼 幀定界符 幀長度（ 7bit） 預(yù)留位（ 1bit） PSDU 同步 包頭 物理包頭 負(fù)載 圖 22 物理層數(shù)據(jù)包 物理層的數(shù)據(jù)單元是由同步包頭、物理層包頭和物理層有效載荷組成。為了方便快捷 ， PPDU 結(jié)構(gòu)最左邊的域首先傳送和接收。前導(dǎo)碼 (preamble)域，接收設(shè)備使用前導(dǎo)碼域保持碼片和符號(hào)的同步， 規(guī)定前導(dǎo)碼域由 32 個(gè)二進(jìn)制 0 組成。幀定界域由一個(gè)字節(jié)組成，標(biāo)識(shí)一個(gè)物理幀的開始，其值用 16 進(jìn)制表示為 0xA7。物理包頭中的其中 7 位來表示幀長度，也就是有效載荷的長度，按照物理層有效載荷（ PSDU）不同，幀長度可變。字節(jié)數(shù)在 0~aMaxPHYPacketSize 之間。其中， aMaxPHYPacketSize 為物理層常量，其值為 127，表示物理層能夠接收的最大 PSDU 數(shù)。 PSDU 域也一個(gè)是可變長度域，通過物理層發(fā)送出去的數(shù)據(jù)。 PSDU 中含 MAC 子層幀。 MAC 層分析與實(shí)現(xiàn) MAC 層處于 NWK 層和 PHY 層之間，其功能為兩個(gè) ZigBee 設(shè)備的 MAC 層提供可靠的路徑，使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸。 MAC 子層控制使用CSMA—CA(Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance)來控制接入信道。MAC 子層主要實(shí)現(xiàn) MAC 層數(shù)據(jù)幀的傳輸，信道訪問，設(shè)備間無線鏈路的建立和維護(hù)，設(shè)備間的同步實(shí)現(xiàn)。 MAC 層的主要功能包括如下幾個(gè)方面： 1） 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器能夠產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)。 2） 信道接入方式采用 CSMACA 機(jī)制。 基于 Zigbee 技術(shù)的無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3） 支持 PAN 鏈路的連接與斷開。 4