【正文】 序列：收發(fā)信機(jī)用來(lái)獲得碼片和符號(hào)同步，它是 32 位長(zhǎng)度的全 0 序列。物理層參考模型如圖 23 所示。 物理層通過(guò)射頻固件和硬件提供 MAC 層與物理無(wú)線(xiàn)信道之間 的接口。 2450Mhz頻段上劃分了 16 個(gè)信道， 915Mhz 頻段有 10 個(gè)信道， 868Mhz 頻段有 1 個(gè)信道， 27 個(gè)信道的中心頻率和對(duì)應(yīng)的信道編號(hào)定義如式（ ）所示。表 21 所示即為這三 個(gè)頻段上分別所采用的調(diào)制和擴(kuò)頻技術(shù)參數(shù)。 物理層 （ PHY） 物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機(jī)、能量檢測(cè)（ ED）、鏈路質(zhì)量指示（ LQI）、信道評(píng)估（ CCA）和通過(guò)物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。在此基礎(chǔ)上 ZigBee 聯(lián)盟定義的 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)包括 NWK 層，APL 層及 SSP 層的標(biāo)準(zhǔn)。 ZDO 負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并明確其提供的應(yīng)用服務(wù)。 ZigBee 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（ APS）、 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。 網(wǎng)絡(luò)層提供設(shè)備加入 /退出網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制、幀安全機(jī)制、路由發(fā)現(xiàn)以及維護(hù)機(jī)制。 PHY 層功包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉、能量檢測(cè)（ ED）、鏈路質(zhì)量指示（ LQI）、信道評(píng)估（ CCA）和通過(guò)物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。每個(gè)服務(wù)實(shí)體和上層之間的接口稱(chēng)作“服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)（ SAP）”，通過(guò) SAP 交換一組服務(wù)原語(yǔ)為上層提供相關(guān)的服務(wù)功能。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點(diǎn)需為自己的終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠模式 ,周期性的醒 來(lái)與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要 15ms【 5】 。 信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間 (一般在 15ms～ 4mins 之間 )向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16 個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。 在上述的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的形成和維護(hù)都是通過(guò)設(shè)備之間的通信而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要人工來(lái)干預(yù)。這種結(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，伸縮性好，在個(gè)別鏈路和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效時(shí)，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)分立。 在網(wǎng)狀網(wǎng)中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，最復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是最終實(shí)現(xiàn)的目 標(biāo) 是網(wǎng) 狀 網(wǎng)絡(luò) (MeshNetwork)。在這種網(wǎng)絡(luò)中， PAN 協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 協(xié)議主要采用了二種組網(wǎng)方式：星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 21 所示 ： 寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 7 圖 21 ZigBee二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在星狀網(wǎng)中，以 PAN 協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與中心設(shè)備 PAN 協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，終端設(shè)備之間的通信通過(guò) PAN 協(xié)調(diào)器的 轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)完成，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程中，第一步就是建立 PAN 協(xié)調(diào)器。 （ 7） 高安全： ZigBee 提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控 制清單 (ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES128)的對(duì)稱(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性。相比較，藍(lán)牙需要 3～ 10s、 WiFi 需要 3s。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 （ 3） 低速率： ZigBee 工作在 20～ 250kbps 的較低速率，分別提供 250kbps()、40kbps（ 915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。這是 ZigBee 的突出優(yōu)勢(shì)，相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、 WiFi 可工作數(shù)小時(shí)。 ZigBee 技術(shù)概述 ZigBee 主要特性 ZigBee 顯著的特點(diǎn)就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況、同時(shí)對(duì)本文將要采用的 ZigBee 技術(shù)做了簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)本文所做的研究工作和論文結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。 第四章無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集以 ,包括程序的基本流程，所用函數(shù)的編寫(xiě)。 第二章介紹了 ZigBee 協(xié)議的基本構(gòu)架，分析了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的功能、規(guī)范、數(shù)據(jù)格式等。 （ 3）測(cè)溫濕度軟件、仿真過(guò)程的敘述及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，能完成預(yù)期設(shè)定的功能并能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。本文的主要工作如下： （ 1） 分析 和 ZigBee 協(xié)議，理解 ZigBee 技術(shù)的特性和通信原理，詳細(xì)分析 ZigBee 協(xié)議棧構(gòu)架，并能設(shè)計(jì)編寫(xiě)具有基本組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿膮f(xié)議棧。由于與物理世界密切相關(guān)，其高出錯(cuò)頻率、易受干擾和不確定的特點(diǎn)使傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)解決方案無(wú)法適用，需要為其設(shè)計(jì)新的工作模式 【 4】 。用戶(hù)需要知道當(dāng)前地下室的平均溫度而不是地下室某點(diǎn)的溫度，并且不關(guān)心是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)傳回的信息，或者他需要知道當(dāng)前地下室的溫度是否超過(guò)了預(yù)警值。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的超大規(guī)模、資源嚴(yán)格受限和與物理世界密切相關(guān)等特點(diǎn)使其需要一種新的工作模式。系統(tǒng)需要感知環(huán)境變化，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作來(lái)產(chǎn)生需要的輸出。 TPSN 采用層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步 ：所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級(jí)，通過(guò)基于發(fā)送者 接收者的節(jié)點(diǎn)對(duì)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠與上一級(jí)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。目前已提出了多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中 RBS， TINY/MINISYNC 和 TPSN 被認(rèn)為是三個(gè)基本的同步機(jī)制。 （ 6） 實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是需要協(xié)同工作的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。 入侵者通過(guò)頻率掃描的手段可以很容易的捕獲無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作頻率，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中植入偽裝節(jié)點(diǎn)，采用各種手段發(fā)動(dòng)攻擊。一方面，入侵者可以比較容易的進(jìn)行服務(wù)拒絕攻擊（ Denial Of Service， DOS）；另一方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源嚴(yán)格受限以及節(jié)點(diǎn)間自組織協(xié)調(diào)工作的特點(diǎn)使其難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密的安全防護(hù)。 （ 5） 安全 在一些應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的安全是必 需的。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)規(guī)模很大，節(jié)點(diǎn)間以一種對(duì)等、多跳的方式通信，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)。在通信時(shí)，主結(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)可以直接通信，從節(jié)點(diǎn)間的通信需要依靠主節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，需要采用一種被各國(guó)政府允許的通用設(shè)計(jì)。此外，為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、開(kāi)拓市場(chǎng)，一個(gè)能在全球范圍內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)也是必要的。自修復(fù)是指在沒(méi)有人為干預(yù)的條件下，系統(tǒng)能夠檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或通信鏈路的損壞并能夠從錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模很大，人工的管理與維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)很 大，因此需要無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有自配置、自修復(fù)的能力。為了達(dá)到降低成本的目的，需要設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)能力要求較低的簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信協(xié)議。這些典型的應(yīng)用要求在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要最小化自身的能量消耗，獲得最長(zhǎng)的工作時(shí)間。在一些工業(yè)監(jiān)控應(yīng)用中，裝備紐扣電池的傳感器需要在 無(wú)人值守的情況下工作幾個(gè)月甚至幾年。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許許多多功能相同或不相同的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模 塊（微處理器、存儲(chǔ)寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 3 器）、通信模塊（無(wú)線(xiàn)收發(fā)器）和供電模塊（電池、 DC/AC 能量轉(zhuǎn)換器）等組成；同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境檢測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車(chē)間管理，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測(cè)等領(lǐng)域。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用方面，涉及城市公共安全、公共衛(wèi)生、安全生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。 隨著知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)工作的深入，2020 年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中國(guó)科學(xué)院內(nèi)部的相關(guān)工作，并通過(guò)該中心在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所以及中科大等 10 多個(gè)研究所和院校，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺(tái)，在無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器 節(jié)點(diǎn)、簇點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)方面取得了很大的進(jìn)展， 2020年 3 月相關(guān)成果在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場(chǎng)演示，部分成果已在實(shí)際工程系統(tǒng)中使用。可以預(yù)計(jì)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)極大的變革。除了波士 頓大學(xué)，該協(xié)會(huì)還包括 BP、霍尼韋爾、 Ico Systems Invensys、 L3Communications、 Millennial Net， Radianse、 Sensicast Systems 及 Textron Systems。各國(guó)都非常重視無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，美國(guó)和歐洲相繼啟動(dòng)了許多關(guān)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃。根據(jù)寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 2 ZigBee 聯(lián)盟目前的設(shè)想，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品主要適用于：智能家居（照明控制、各類(lèi)窗簾控制、家庭安防、暖氣控制、內(nèi)置家居控制的機(jī)頂盒、萬(wàn)能遙控器）、環(huán)境檢測(cè)與控制、自動(dòng)讀表系統(tǒng)、煙霧傳感器、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)、大型空調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)和樓宇自動(dòng)化、安全監(jiān)控、工業(yè)控制、傳感器控制、停車(chē)計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多領(lǐng)域。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、 IP 服務(wù)提供商、消費(fèi)類(lèi)電子廠(chǎng)商及 OEM 商等，例如 Honeywell、 Eaton 和 Invensys Metering Systems 等工業(yè)控制和家用自動(dòng)化公司，甚至還有像 Mattel 之類(lèi)的玩具公司。 2020 年下半年，英國(guó) Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托 羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“ ZigBee 聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“ ZigBee”的下一代無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器， 所以它們的通信效率非常高 【 1】 。 ZigBee 是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。 規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率 (250kbPs)、工作在 和 868/928MHz 的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng) 狀網(wǎng)絡(luò)。自從 Bluetooth(藍(lán)牙 )出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是 Bluetooth 的售價(jià)一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠(chǎng)商的使用意愿。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有成本低體積小、能量極其有限、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力有限的特點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)的能耗 是設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮的最關(guān)鍵因素。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的AdHoc 網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，它是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、微電機(jī)系統(tǒng) MEMS（ MicroElectroMechanism System），片上系統(tǒng) SOC（ SystemOnChip）、納米材料、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術(shù)從獨(dú)立的單一化模式向集成化、微型化，進(jìn)而向智能化 、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，成為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)之一。Wireless Temperature And Humidity Seneor System。 on this basis, we design a small temperature and humidity monitoring work system 。 and indepth analysis of the ZigBee protocol , given the function of each layer 。 本文首先介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)和研究現(xiàn)狀 ； 然后深入分析了 ZigBee 協(xié)議，給出了各層的功能；之后，設(shè)計(jì)了 ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊和溫濕度傳感模塊，并在此硬件基 礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了具有基本功能的 ZigBee 協(xié)議棧，同時(shí)提出了一種基于 ZigBee 的組網(wǎng)算法，通過(guò)掃描信道、建立網(wǎng)絡(luò)和建立節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)三個(gè)步驟構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器組網(wǎng)功能；在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計(jì)一個(gè)小型的溫度濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；最后，對(duì)論文進(jìn)行總結(jié)，提出今后的研究工作方向。 ZigBee 技術(shù)是一種短距離無(wú)線(xiàn)雙向通信技術(shù)，該技術(shù)擁有協(xié)議簡(jiǎn)單、功耗低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、安全、可靠及成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有路徑選擇、自動(dòng)連結(jié)網(wǎng)絡(luò)及自我恢復(fù)等功能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。 寧夏大學(xué)新華學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 2020 屆） 題目 基于 ZigBee 的溫濕度傳感器設(shè)計(jì) 系 別 信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí) 2020 級(jí) 學(xué)生學(xué)號(hào) 12020247112 學(xué)生姓名 劉培新 指導(dǎo)教師 劉大銘 2020 年 4 月 23 日 寧夏大學(xué)新華學(xué)院本科學(xué)位論文 I 摘 要 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（ Wireless Sensor Network， WS