【正文】 空閑的，則設(shè)備就會(huì)在下個(gè)空閑退避時(shí)隙發(fā)楨和信標(biāo)楨的發(fā)送，同前一種一樣，不采用CSMACA機(jī)制。在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的工作方式下，采用了有時(shí)隙的信道接入機(jī)制，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有信標(biāo)傳輸?shù)钠鹗紩r(shí)間正好和退避時(shí)隙對(duì)準(zhǔn)。詳細(xì)如下：在非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的工作方式下，采用基于非時(shí)隙的信道接入方式，采用該方式的設(shè)備則在每次發(fā)送MAC層命令或數(shù)據(jù)楨時(shí)，需要去等待一個(gè)隨機(jī)周期，在這個(gè)隨機(jī)的周期時(shí)間之后，若設(shè)備發(fā)現(xiàn)了信道的空閑，就會(huì)發(fā)送出MAC層命令及數(shù)據(jù)楨；反之，若設(shè)備發(fā)現(xiàn)信道正忙，即信道非空閑，則將繼續(xù)在等待隨機(jī)時(shí)長的周期后，再次試著接入信道，由此循環(huán)往復(fù)。非時(shí)隙信道接入方式：等待一個(gè)任意的退避時(shí)間。其實(shí)不難理解，信標(biāo)幀在整個(gè)超幀結(jié)構(gòu)中的地位就好比燈塔的導(dǎo)航作用一樣，不僅界定了超幀的起始，通過信標(biāo)幀可以設(shè)定固定分配時(shí)隙周期的有無及其長度，這實(shí)際上決定超幀的構(gòu)架，如果不存在信道固定分配周期的話，所有的數(shù)據(jù)傳送完全通過競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來接入信道[[11]張亮，基于ZigBee技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].]。超幀結(jié)構(gòu)中同時(shí)包含了以上三種不同的信道接入周期，使得信道接入方式多樣化，這樣一來提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。 IEEE MAC層超幀結(jié)構(gòu)在 協(xié)議中，通過基于競(jìng)爭(zhēng)的信道接入的方式，則大大提高了信道的利用率，增大了網(wǎng)絡(luò)的效能，而固定時(shí)隙的分配，滿足了有特殊需求和一些重要的數(shù)據(jù)傳送。所謂的超幀（super frame）是由一組幀群構(gòu)成，在幀群中存在兩個(gè)部分：活躍期與非活躍期（即休眠期），在活躍期開放信道接入，休眠期關(guān)閉信道，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能耗?；诟?jìng)爭(zhēng)的信道接入方式采用了信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，而對(duì)于一些有特殊要求的數(shù)據(jù)傳送，則采用的是分配固定有保證時(shí)隙的方式接入信道。(MAC) 信道接入的方式有兩種：基于競(jìng)爭(zhēng)接入和基于無競(jìng)爭(zhēng)接入。幀長度則是由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，它的值就是物理幀的負(fù)載長度，故127個(gè)字節(jié)是物理幀的最大負(fù)載長度。幀起始分隔符（）字段值固定為，其長度為一個(gè)字節(jié)，標(biāo)識(shí)了一個(gè)物理幀的開始。于是擴(kuò)頻后，信號(hào)則方式調(diào)制到載波上。而頻段的處理過程則先將的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的每4位轉(zhuǎn)換為一個(gè)符號(hào)（symbol），后將其分別都轉(zhuǎn)成長度為三十二的片序列[[10]劉建國，劉文清，魏慶農(nóng)．環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)及其發(fā)展方向．光電子技術(shù)與信息，2001(4)：7．1l]。差分編碼后，緊接著就是直接序列的擴(kuò)頻，每個(gè)比特則被轉(zhuǎn)換為長度15的片序列。對(duì)于每個(gè)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包，計(jì)算E1時(shí)則設(shè)E0=0。處理過程首先是將物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的二制數(shù)據(jù)差分編碼，然后再將位轉(zhuǎn)換為長度15的片序列，最后調(diào)制到信道上。；915MHz的頻段提供了10個(gè)信道，868MHz頻段則只有1個(gè)信道。物理層定義了三個(gè)載波頻段以用于收發(fā)數(shù)據(jù)，但在這三個(gè)頻段上，在發(fā)送數(shù)據(jù)使用的速率、信號(hào)的調(diào)制方式以及處理過程等方面存在有不同的地方。這主要包括載波頻率和擴(kuò)頻信號(hào)兩種特征；（2）判斷信號(hào)能量是否低于某一閥值，如果低于閥值則認(rèn)為是是信道空閑，即簡單地判斷信道的能量來判斷信道是否空閑；（3）此模式是結(jié)合了上兩種模式來運(yùn)用，即同時(shí)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)特征，給出信道空閑判斷[[9] Baker N．ZigBee and Bluetooth strengths and weaknesses for industrial applications[J]．Computing amp?？臻e信道評(píng)估（CCA）則是來判斷信道是否空閑的。鏈路質(zhì)量指示為應(yīng)用層或網(wǎng)絡(luò)層提供接收數(shù)據(jù)幀時(shí)無線信號(hào)的質(zhì)量和強(qiáng)度信息，它要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，最后生成一個(gè)信噪比的指標(biāo)，這一點(diǎn)是與信道能量檢測(cè)不同的地方。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)提供了以下5個(gè)方面的服務(wù)：(1）激活或休眠射頻收發(fā)器；(2）檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality indication , LQI）；(3）信道能量檢測(cè)（energy detect）；(4）收發(fā)數(shù)據(jù)；(5）空閑信道評(píng)估（clear channel assessment, CCA）。 　物理層（PHY）物理層為物理層管理物理層和數(shù)據(jù)服務(wù)提供服務(wù)而定義了MAC子層和物理無線信道之間的接口。SSCS為IEEE 。 IEEE ，其中PHY層由射頻收發(fā)器以及一些底層的控制模塊構(gòu)成。圖21 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖在星狀結(jié)構(gòu)中無論是路由器或終端設(shè)備都是直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，而ZigBee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)運(yùn)作與維護(hù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的操作，而路由器則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，終端設(shè)備的信息由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),只不過在簇狀結(jié)構(gòu)中終端間的信息交換只能通過一級(jí)級(jí)向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。只能自己的與上一級(jí)如協(xié)調(diào)器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡(luò)地址等。（2）ZigBee路由器(ZigBee Router)：它也是全功能設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器就會(huì)分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級(jí)節(jié)點(diǎn)使用，方便每個(gè)節(jié)點(diǎn)接入或離開網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能。他們的功能分別如下：（1）ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)：它是個(gè)全功能的設(shè)備，包含所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是3種設(shè)備中功能最全面亦最復(fù)雜的一種，特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)量大。歐洲使用868MHz，美國則使用915MHz頻段，但這些均是免申請(qǐng)頻段，可以直接使用；(7)網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短。每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備相連接，而加入路由節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納多達(dá)65，000多個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；(5) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。(3)功耗低。其設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)自己組織性能使網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)在無需人工干預(yù)的情況下自己組網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，當(dāng)添加或去除網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)可以自行尋找其他節(jié)點(diǎn)替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)自愈能力；(2)成本低。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信以一跳或多跳的形式自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)。此外，單個(gè)ZigBee無線模塊就可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，若網(wǎng)絡(luò)中加入路由節(jié)點(diǎn)，則網(wǎng)絡(luò)最大承載量可支持65535個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備互聯(lián)。但相比之下， ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙更簡單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。ZigBee協(xié)議則比藍(lán)牙技術(shù)、高速率個(gè)人區(qū)域網(wǎng)或 。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約27家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā)ZigBee協(xié)議物理層（PHY）和媒體控制層（MAC）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的工作組。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似?？偠灾甖igBee技術(shù)就是一種低功耗，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[[6]周游，方濱，王普．基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J]．自動(dòng)化與儀器儀表，2005(9)：37．40]。這樣做的好處是不需要專門的通信蜜蜂，通過信息接力就完成了整個(gè)通信，從而實(shí)現(xiàn)了蜜蜂的低成本、低數(shù)據(jù)速率、自組織、低功耗、近距離、低復(fù)雜度等的信息傳遞方式。2. ZigBee技術(shù)綜述，根據(jù)此協(xié)議的規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。同時(shí)此系統(tǒng)還省去了繁瑣的有線系統(tǒng)布線對(duì)家居美觀性的損害。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中，本文實(shí)現(xiàn)了電源、串口通信、PCB天線等主要電路的設(shè)計(jì)；而在傳感器節(jié)點(diǎn)中，由于其與協(xié)調(diào)器類似，故僅針對(duì)不同的環(huán)境信息，設(shè)計(jì)出了不同的傳感模塊；(4)本論文還設(shè)計(jì)了串口調(diào)試操作界面，可以方便用戶的調(diào)試和使用，由此用戶就可以實(shí)時(shí)的了解到家庭中個(gè)中環(huán)境信息的參數(shù)。根據(jù)以上介紹，本文的主要研究如下：(1)ZigBee協(xié)議的介紹。這就要求有各種有害氣體監(jiān)測(cè)功能的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介入，為我們營造一個(gè)安全健康的家居環(huán)境。 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新 本文主要研究內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的迅猛發(fā)展，人們的生活水準(zhǔn)越來提高，日常家居的環(huán)境更受到了人們的關(guān)注。IrDA技術(shù)的不足恰恰在于它是一種超短距直線傳輸，只能是兩個(gè)設(shè)備的傳輸口對(duì)口對(duì)準(zhǔn)，且中間不能存在其他障礙物，故此技術(shù)只適用于兩臺(tái)設(shè)備間的通信。此外，紅外線發(fā)射角度較小，衰減快，傳輸距離短。IrDA成立于上個(gè)世紀(jì)90年代初，起初IrDA標(biāo)準(zhǔn)只能在一米范圍內(nèi)以100KB/S左右速率進(jìn)行通信，后來逐步發(fā)展到 4Mb/s至16Mb/s的傳輸速率。在每個(gè)電子設(shè)備中都有自己專用的應(yīng)用菜單，而通過NFC技術(shù)，無需在眾多接口的菜單中進(jìn)行選擇，即可以創(chuàng)建安全并且快速的連接，另外，NFC技術(shù)不需要像藍(lán)牙技術(shù)那樣要有對(duì)應(yīng)的加密設(shè)備，因?yàn)樗耐ㄐ欧秶^小，所以在無需加密時(shí)就可作到較安全的通信 [[5]張志強(qiáng)．家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其在我國的發(fā)展策略研究[J]．郵電規(guī)劃，2004年第3期]。它能快速自動(dòng)地建立無線網(wǎng)絡(luò)，為蜂窩網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、WiFi網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)“虛擬鏈接”，使電子設(shè)備可以在短距離范圍進(jìn)行方便快捷地通訊，有了NFC，多個(gè)設(shè)備如數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、智能TV、電腦、平板電腦等之間的無線鏈接，互相進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸都將變得簡單快捷。這一點(diǎn)和RFID技術(shù)不同，NFC技術(shù)采用了雙向的識(shí)別和連接。其特點(diǎn)是傳輸速度較快，系統(tǒng)容量大和抗干擾能力強(qiáng)，但相對(duì)來講其耗電量仍然較大，硬件系統(tǒng)較為復(fù)雜。從時(shí)域上講，傳統(tǒng)的通信技術(shù)和超寬帶通信技術(shù)有所不同，普通系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制是通過發(fā)送射頻載波來實(shí)現(xiàn)的，而超寬帶通信技術(shù)是利用起、落點(diǎn)的時(shí)域脈沖(通常只有幾十納秒)直接實(shí)現(xiàn)調(diào)制。從頻域來看，它的頻帶更寬。它是使用在到之間頻寬的無線通信技術(shù)，即利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，而不是利用正弦載波來傳輸數(shù)據(jù)，所以其所占的頻譜范圍非常之寬。93]。Bluetooth 、3Mbps。同年，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的成員公司達(dá)到并超過了家。確定了使用的頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)，和紅外技術(shù)相比，藍(lán)牙有著較高的傳輸速率，而且不需要像紅外線那樣進(jìn)行口對(duì)口的連接才能傳輸數(shù)據(jù)，所有的藍(lán)牙終端基本上只要在有效的范圍（10米）內(nèi)使用，就隨時(shí)可以進(jìn)行連接收發(fā)數(shù)據(jù)。雖然WiFi有覆蓋范圍較廣等特點(diǎn)，但是其的基帶協(xié)議和射頻協(xié)議比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本較高，而且其功耗比較大，根本上滿足不了電池供電的要求。　熱點(diǎn)是通過將訪問點(diǎn)安裝在互聯(lián)網(wǎng)連接上來創(chuàng)建的。 ，所支持的速度達(dá)54Mbps（，理論最高速度600Mbps)。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標(biāo)、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動(dòng)化儀器等低速率應(yīng)用時(shí)可以比藍(lán)牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域拓展ZigBee的應(yīng)用[[2]葉朝輝，楊士元．智能家居網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2000(9)：4．8]。ZigBee的基本速率是，而若當(dāng)其速率降到時(shí)，傳輸半徑可擴(kuò)大到米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。ZigBee使用的是波段，采用了跳頻技術(shù)，這和藍(lán)牙技術(shù)相似，可以說是同族兄弟了。ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層及以上的協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導(dǎo)體公司共同宣布加盟ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，以研發(fā)名為“ZigBee”的新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。 ZigBee技術(shù)ZigBee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間。(4)移動(dòng)性較差。增加或減少新的監(jiān)測(cè)對(duì)象必將要求系統(tǒng)具有良好的軟件與硬件擴(kuò)展性。在安裝系統(tǒng)時(shí)，需要安裝大量的線纜，家居裝修建材等，特別是當(dāng)用戶要需要增加節(jié)點(diǎn)以增加系統(tǒng)功能時(shí)，更是要重新對(duì)其進(jìn)行布線。但當(dāng)采用有線技術(shù)方案時(shí)，根據(jù)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，它存在一些缺點(diǎn)，如下面幾項(xiàng)所示：(1)系統(tǒng)布線麻煩。另外，國內(nèi)亦有些電器廠家也在市場(chǎng)上推出了自主的智能家居系統(tǒng)，類似的系統(tǒng)在家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)中均可以實(shí)現(xiàn)各種功能。目前，國內(nèi)的這些智能家居系統(tǒng)還處于萌芽的階段。現(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品大部分是以有線網(wǎng)絡(luò)做為家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩，終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量多而需要數(shù)量龐大的電纜，而無線通訊技術(shù)能很好的解決以上問題。(3)系統(tǒng)靈活當(dāng)有新的環(huán)境參數(shù)被要求測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性要求靈活，方便增加節(jié)點(diǎn)，以降低成本。這樣才能為用戶提供全面的環(huán)境信息參考。 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有全面、可靠的環(huán)境信息采集分析能力。同時(shí)，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其它家居設(shè)備做決策參考，最終由智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，比如，當(dāng)測(cè)量到的光照強(qiáng)度高于用戶設(shè)定的一定值的時(shí)候，系統(tǒng)就將啟動(dòng)自動(dòng)窗簾系統(tǒng)的馬達(dá)，自動(dòng)將窗簾關(guān)到一定程度，以降低室內(nèi)的光強(qiáng)度，適合居??；又如，當(dāng)溫度值偏低時(shí)，系統(tǒng)就將啟動(dòng)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行工作，來增高室內(nèi)溫度。智能家居系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分就是本文所研究的環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。研究人員希望能通過這種新的技術(shù)將家居中各種智能化的設(shè)備、家用電器和家庭安防設(shè)備等整合一個(gè)智能化的系統(tǒng)上進(jìn)行資源共享、分析、控制和管理這些設(shè)備，控制這些設(shè)備來對(duì)家居中的環(huán)境參數(shù)符合人們舒適居住使用的要求，營造一個(gè)良好的環(huán)境[[]楊士元．?dāng)?shù)字家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社，2002]，從而可使用戶能夠居住在一個(gè)更高要求的環(huán)境中。隨著工業(yè)革命和信息技術(shù)革命的成功，進(jìn)入21世紀(jì)后，人類的各種技術(shù)包括通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、控制理論、互聯(lián)網(wǎng)等都有了很大的發(fā)展，另外，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也使我們都希望居住在一個(gè)舒適的家居環(huán)境中，只有這樣我們的生活才會(huì)更好，身體才會(huì)健康。 Second, low power consumption: it can be used with more than six months by two dry batteriesIn this thesis, a ZigBeebased wireless sensor network technology for the core and the bination with a variety of sensor technology, designed a set of excellent home environment monitoring system for smart home managemen