【正文】 電源：由外部電源適配器提供 +5V輸入，經(jīng) CC2430，語音電路則由 + 3V供電。為了實(shí)現(xiàn)語音通信，設(shè)計(jì)了語音通信測(cè)試平臺(tái)。 TI的參考設(shè)計(jì)中模塊體積較大，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用不太合適，所以首先的目標(biāo)是縮小模塊的體積。用 1個(gè) kHz的石英諧振器（ XTAL2）和 2個(gè)電容（ C441和 C431）構(gòu)成一個(gè) kHz的晶振電路。電路中的非平衡變壓器由電容 C341和電感 L34 L32 L331以及一個(gè) PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足 RF輸入 /輸出匹配電阻（ 50?）的要求。控制線引腳提供復(fù)位、外部晶振、 RF收發(fā)、外接偏置電阻 等引腳，低電平有效。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 29 2）在輸入時(shí)有上拉和下拉能力。全部引腳可分為 I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 27 圖 31 CC2430 片上系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 注： 1 個(gè)符合 規(guī)范的 MAC 定時(shí)器， 1 個(gè)常規(guī)的 16位計(jì)時(shí)器和 2 個(gè) 8 位定時(shí)器。它使用 1個(gè) 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（ ADC）、幾個(gè)定時(shí)器（ Timer）、 AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（ WatchDog Timer）、 32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路（ Power On Reset）、掉電檢測(cè)電路（ Brown Out Detection），以及 21個(gè)可編程 I/O引 腳。 CC2430芯片的主要特點(diǎn) CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片（ SoC）解決方案。 比較而言， Ti 的 CC2430 片上系統(tǒng)集成了 MCS51 單片機(jī)的 SOC，容易上手，其價(jià)格也是非常有優(yōu)勢(shì)的，特別是 TI 公司免費(fèi)提供了 ZigBee 協(xié)議?！?ZSTACK”，給用戶進(jìn)行 ZigBee 的應(yīng)用開發(fā)帶來了極大便利，因此，本方案選用 CC2430 進(jìn)行課題研究。集成的模擬通道濾波器可以使工作 良好共存。 CC2430 的射頻和模擬部分實(shí)現(xiàn)了相關(guān)物理層的操作。 32K 字節(jié)、 64K 字節(jié)或 128K 字節(jié)的片內(nèi) Flash塊提供在電路可編程易失性存儲(chǔ)器。 CC2430 的尺寸只有 7mm 7mm 的 48pin 封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 25 m CMOS 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 Chipcon： SoC 解決方案 CC2430 Chipcon 的 CC2430 是一顆真正的 SoC 單芯片解決方案，它能夠提高性能并滿足以 ZigBee 為基礎(chǔ)的 ISM 波段應(yīng)用對(duì)低成本和低功耗的要求。 就開發(fā)工具而言， Ember 提供 Ember InSight Development Environment。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制：需要通過路由發(fā)現(xiàn)，確定最佳路徑，由路由表記錄路徑信息，最終實(shí)現(xiàn)消息在網(wǎng)路中的端到端傳輸。 Cskip（ d） =1+Cm*（ Lmd1） 若 Rm=1 Cskip（ d） =(1+CmRmCm*Rm^(Lmd1))/(1Rm) 若 Rm！ =1?? ()式 一個(gè)深度為 d 的父節(jié)點(diǎn)給它的子節(jié)點(diǎn)分配地址，其第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的地址為父節(jié)點(diǎn)地址加 1，地址塊前面部分分配給路由 ZR（ Zigbee Router）子節(jié)點(diǎn)，后面部分分配給終端 ZE（ Zigbee End Device）子節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)地址的具體計(jì)算公式如式 所示： An= Aparent +Cskip（ d） *(n1)+1 ， 1= n =Rm ,Router An= Aparent+Cskip(d)*Rm+n , 1= n =(CmRm),EndDevlce? An表示子節(jié)點(diǎn)地址， Aparent 表示父節(jié)點(diǎn)地址，的表示父節(jié)點(diǎn)的深度，范圍值為0= d =Lm. Zigbee路由算法 Zigbee標(biāo)準(zhǔn)提供了星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)設(shè)備擁有兩個(gè)地址：一個(gè)是 64 位 IEEE物理地址，另一個(gè) 是所在 PAN 里獨(dú)有的 16 位網(wǎng)絡(luò)地址，也稱短地址（ Short address）。 數(shù)據(jù)幀：其 NWK 負(fù)荷域?qū)?yīng)于 APS 層的 APDU。 幀類型子域：定義了數(shù)據(jù)幀和 NWK 命令幀； 協(xié)議版本子域：標(biāo)記該協(xié)議的版本號(hào)； 路徑搜索子域：用于決定是否使用路由搜索這一功能； 表 27 NWK 幀控制域格式 [5] 位： 01 25 67 8 9 1015 幀類型 協(xié)議版本 路徑搜索 保留 加密 保留 b、幀頭中的路由信息域：含目標(biāo)地址、源地址、路由半徑和序列號(hào)； c、目標(biāo)端設(shè)備地址：指該幀最 終的目標(biāo)接收端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址； d、源端設(shè)備地址：指該幀最初發(fā)起方的發(fā)送端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址。 通用的幀類型格式 NWK 幀由幀頭和幀負(fù)荷兩部分組成。在 orphan掃描期間，該節(jié)點(diǎn) MAC 層 只處理 接收到的 Coordinator realignment 命令幀。 2） 、 Active 掃描 Active 信道掃描使得設(shè)備獲取在其物理通訊范圍內(nèi)所有潛在父節(jié)點(diǎn)的 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 15 信標(biāo)幀。 NWK 層使用 原語向 MAC 層發(fā)起掃描請(qǐng)求， MAC 層接收到該原語，并確認(rèn)其掃描類型為 ED掃描后，根據(jù)原語所提供的 phyChannelssupported 這一通道列表屬性值，對(duì)所有指定的通道進(jìn)行逐一掃描。接收端接收到該幀后，立即向發(fā)送端反饋應(yīng)答幀，并將該接收幀傳給上層。 2）、應(yīng)答重傳機(jī)制 為了保證傳輸?shù)目煽啃裕? MAC層使用了幀應(yīng)答重傳機(jī)制。 CSMA/CA采取了三種檢測(cè)信道空閑的方式：能量檢測(cè)（ ED）、載波檢測(cè)（ CS）和能量載波混臺(tái)檢測(cè)。 表 25 定義通信數(shù)據(jù)格式 [1] MAC 層數(shù)據(jù)的傳輸 重傳機(jī)制分別實(shí)現(xiàn)了信道的共享及數(shù)據(jù)幀的可靠傳輸。信號(hào)幀：具有父節(jié)點(diǎn)功能的節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送信標(biāo)幀，告知自己的相關(guān)信息，如是否允許新節(jié)點(diǎn)加入。 表 24 幀控制域（ FCF）的格式 [1] Bits：0~2 3 4 5 6 7~9 10~11 12~13 14~15 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 幀類型 安全使能 幀待決 請(qǐng)求確認(rèn) PAN 保留 目的地址 保留 源地址 注： 幀類型：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、 ACK幀、命令幀； 幀待決：定義發(fā)送端是否還有數(shù)據(jù)給接受端； 請(qǐng)求確認(rèn)：定義是否要求接收端應(yīng)答（反饋 ACK）； PAN：定義是否省略發(fā)送端 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)（ PAN ID）； 目的地址和源地址有三種模式：不含地址、 16位網(wǎng)絡(luò)地址、 64位 IEEE地址； 幀序號(hào)為該幀在源設(shè)備中的幀標(biāo)識(shí)符，每個(gè)設(shè)備都有自己的幀序列號(hào)發(fā)生器，序列號(hào)采用循環(huán)計(jì)數(shù)方式，范圍值為 00xFF； 地址域包括接受端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備地址，發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)和設(shè)備地址。MAC層含數(shù)據(jù)幀、命令幀、信標(biāo)幀、應(yīng)答幀，幀格式及不同類型幀的格式特點(diǎn)如下： 表 23 MAC 幀格式 [1] 字節(jié)： 2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 長度可變 2 幀控制域（ FCF） 幀序列碼 接收端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào) 接收端設(shè)備地址 發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào) 發(fā)送端設(shè)備地址 幀載荷 FCS 地址域 偵頭 MAC 負(fù)荷 幀尾 通用的 MAC幀（ MPDU）格式如表 23所示，包括幀頭（ MHR）、 MAC幀載荷域及幀尾三部分組成。 表 22 物理層數(shù)據(jù)包格式 [1] 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（ 7 位） 預(yù)留位（ 1 位） PSDU 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 11 同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 介質(zhì)接入控制子層 MAC IEEE 802 系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制子層 LLC和介質(zhì)接入 控制子層 MAC兩個(gè)子層。 物理層 (PHY)數(shù)據(jù)包的格式 物理層的幀（ PPDU）的格式如下表所示， Zigbee物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。 IEEE IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（ PHY）和介質(zhì)接入控制子層（ MAC）： 物理層（ PHY）主要的功能： 信道的選擇 信道能量的檢測(cè) 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 10 無線信道的收發(fā)數(shù)據(jù) 空閑信道的評(píng)估 接受包鏈路質(zhì)量的檢測(cè) 其中，信道能量的檢測(cè)主要測(cè)量目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度，實(shí)際上所測(cè)得的是有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率 之和。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 9 圖 22 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 兩種工作模式 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)（ Beaeon）和非信標(biāo)（ Nonbeaeon）兩種模式 ,信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有 設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許 ZE進(jìn)行周期性休眠， ZC和所有 ZR設(shè)備必須長期處于工作狀態(tài)。 星狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè) PAN協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成，只存在 PAN協(xié)調(diào)器與終端的通訊，終端設(shè)備間的通訊都需通過 PAN協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)。 協(xié)調(diào)器：一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò) PAN（ PersonalArea Network）有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)等，需要最多的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中存在兩種功能類型設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩種工作模式。管理服務(wù)通過 MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)訪問高層， MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。 來自 4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)。 10） FC=2405 MHz +5（ k11） MHz （ k=11,12 IPv6采用 128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。其中，應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持層（ APS）、Zigbee設(shè)備對(duì)象（ ZDO）及由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（ SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè) SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功 能。無線語音通信則屬于即時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，雖然實(shí)現(xiàn)無線語音通信不是 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)最初的目標(biāo)，但在許多領(lǐng)域中如果沒有語音通信功能，將使其應(yīng)用受到很大的局限；另一方面，在有緊急需求和布置不易環(huán)境下（如礦井井下救援、消防搶救）， ZigBee具有其他通信技術(shù)難以替代的優(yōu)勢(shì)，如能利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向語音傳輸則具有非常大的實(shí)用價(jià)值；同時(shí)，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，聲音也是一種傳感量，傳輸采樣的聲音數(shù)據(jù)正是聲音傳感應(yīng)用的基本要求。通過這些數(shù)據(jù)，我們可以看出 zigbee的需求量是比較龐大的。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。該聯(lián)盟主席 Robert 20xx年 11月親自造訪中國，以免專利費(fèi)的方式吸引中國本地企業(yè)加入。 ZigBee在中國的應(yīng)用也愈加廣泛。 ZigBee聯(lián)盟企業(yè)包括有 IC供應(yīng)商、無線 IP提供商、 OEM廠商、測(cè)試設(shè)備制造商、最終產(chǎn)品制造商等，提供 ZigBee適用的產(chǎn)品和方案。 國內(nèi)現(xiàn)狀：我國無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動(dòng)。 日立制作所與 YRP泛在網(wǎng)絡(luò)化研究所于 20xx年 11月 24日宣布開發(fā)出了全球體積最小的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端，作為安裝電池的有源無線終端，可以搭載溫度、亮度、紅外 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 3 線、加速度等各種傳感器。因而它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動(dòng)控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、醫(yī)護(hù)（如監(jiān)視和傳感）、家庭智能控制（如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警）、消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置、 PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。 MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式 , 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 時(shí)延短 : 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短 ,典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是 15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為 15ms。 總結(jié) Zigbee有以下優(yōu)點(diǎn)： 低功耗 : 由于 ZigBee的傳輸速率低 ,發(fā)射功率僅為 1mW,而且采用了休眠模式 ,功耗低 ,因此 ZigBee設(shè)備非常省電。使用的頻段分別為 、 868MHz（歐洲） 及 915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段，具有 16個(gè)擴(kuò)頻通信信道。由于 WSN的能力