【正文】 router 請(qǐng)求和證實(shí)原語(yǔ)、 nlmejoin請(qǐng)求、證實(shí)和指示原語(yǔ)、 nlmedirectjoin請(qǐng)求和證實(shí)原語(yǔ)、 nlmeleave請(qǐng)求、證實(shí)和指示原語(yǔ)、 nlmereset 請(qǐng)求和證實(shí)原語(yǔ)、 nlmesync 請(qǐng)求和證實(shí)原語(yǔ)、nlmeget 請(qǐng)求和證實(shí)原語(yǔ)、 nlmeset 請(qǐng)求和證實(shí)原語(yǔ)。 (7) 接收控制：控制設(shè)備接收狀態(tài)的能力，用于接收數(shù)據(jù)的接收時(shí)間接 收 時(shí)間，控制時(shí)間的長(zhǎng)度，確保 MAC 層之間同步和數(shù)據(jù)正 常接收等。 (5) 相鄰設(shè)備發(fā)現(xiàn)：具備發(fā)覺(jué)、記錄和匯報(bào)有關(guān)一跳相鄰設(shè)備信息的能力。 (3) 連接或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)：具備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制能力包括連接和離開(kāi)，以及具備為組建一個(gè) ZigBee 協(xié)調(diào)器或 ZigBee 路由器來(lái)控制設(shè)備連接斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的能力。 NLME 實(shí)體 需提供以下服務(wù) ： (1) 配置新入網(wǎng)設(shè)備：設(shè)備應(yīng)當(dāng)由足夠的堆棧用來(lái)確保正常工作，除此之外，在配置選項(xiàng)中包含初始化 ZigBee 協(xié)調(diào)器的操作和完成對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的連接。 NLDE 收到來(lái)自 MAC 層實(shí)體的正確尋址數(shù)據(jù)幀后就像 APS 子層發(fā)送該指示原語(yǔ)。該原語(yǔ)由本地 NLDE 產(chǎn)生，作為接收到的 后的響應(yīng)。當(dāng)有 APUD（即 NSDU）需要傳送到對(duì)等 APS 子層實(shí)體時(shí)，本地 APS 子層實(shí)體就產(chǎn)生該原語(yǔ)。 NLDESAP 支持的原語(yǔ)包括 nldedata 請(qǐng)求、證實(shí)和指示原語(yǔ)。這個(gè) PAN 標(biāo)識(shí)符使得網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以使用 16 位短地址來(lái)和網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通信。不過(guò)，更廣闊的范圍必然帶來(lái)潛在的消息延遲。這時(shí)樹(shù)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)路由器對(duì)消息的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)繞過(guò)障礙物，使消息最終到達(dá)設(shè)備 B。ZigBee 路由協(xié)助 ZigBee 協(xié)調(diào)器完成初始網(wǎng)絡(luò)的建立以及擴(kuò)展。 圖 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線(xiàn)信息采集 14 如果在互相通訊的節(jié)點(diǎn)設(shè)備間限制條件，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)就能夠形成不同的形狀，假如沒(méi)有局限，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)就成了圖 所示的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于 RFD 不具備轉(zhuǎn)發(fā)信息的功能，所以在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)信息功能的設(shè)備全部為 FFD[21]。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型網(wǎng)絡(luò)中，任何FFD 都能夠承擔(dān) PAN 協(xié)調(diào)器的角色，完成 PAN 協(xié)調(diào)器控制中心的任務(wù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，它的目的在于避免 PAN 標(biāo)識(shí)符與周?chē)W(wǎng)絡(luò)所使用的重復(fù)。每個(gè) PAN 之間都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí) ID，通過(guò)這樣的標(biāo)識(shí) ID，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間就可以互相識(shí)別，并且利用短地址就可以進(jìn)行通信，提高了傳輸效率，如果兩個(gè) PAN 使用了同一個(gè)標(biāo)識(shí) ID，分屬于兩個(gè)不同 PAN 內(nèi)的并且在通信范 圍內(nèi)的設(shè)備也會(huì)進(jìn)行通訊，這種情況是需要避免的 [19]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)變化時(shí)，其他FFD 也能在這個(gè)時(shí)候充當(dāng) ZigBee 協(xié)調(diào)器的角色，完成控制中心的任務(wù)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的 ZigBee 協(xié)調(diào)器（ PAN 協(xié)調(diào)器）所實(shí)現(xiàn)的功能與WiFi網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)（ AP）完全不同 [17]，這里的 ZigBee 協(xié)調(diào)器只是個(gè) FFD，起到網(wǎng)絡(luò)中心控制的作用，它不僅是為對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，還可以有自己的應(yīng)用 [18]。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線(xiàn)信息采集 12 圖 IEEE 和 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)中 設(shè)備角色 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是在網(wǎng)絡(luò)層的功能實(shí)現(xiàn)下形成的，提供了兩種拓?fù)淠Ｐ停盒切屯負(fù)浠螯c(diǎn)對(duì)點(diǎn)型拓?fù)?[16]。一個(gè) FFD可以和其余的任意設(shè)備通信，無(wú)論 FFD 或者 RFD，但是 RFD 卻只能和 FFD 通信。 IEEE 網(wǎng)絡(luò)中除 PAN 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器之外的其他所有設(shè)備 均是一般設(shè)備，可以是 FFD 或者 RFD。 PAN 協(xié)調(diào)器是 PAN 網(wǎng)絡(luò)的總控制器，它在一個(gè) PAN 網(wǎng)絡(luò)中僅能出現(xiàn)一次，而且必須是 FFD。 如圖 所示， FFD 作為一個(gè)功能齊全的設(shè)備，完全可以作為一個(gè)功能 IEEE 協(xié)議 ，而 RFD 作為精簡(jiǎn)功能設(shè)備具備 IEEE 協(xié)議規(guī)定功能的部分。 FFD 具備 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的全部功能，隨時(shí)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意任務(wù)角色。 網(wǎng)絡(luò)層提供了兩種功能服務(wù)實(shí)體包括數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理 服務(wù)實(shí)體用以向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，兩種功能的服務(wù)實(shí)體都是不可或缺的 [14]。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序是用戶(hù) 自由 定義的應(yīng)用對(duì)象 ，每個(gè) 應(yīng)用對(duì)象 分別 對(duì)應(yīng)一個(gè)序號(hào)范圍為 1240 的 端點(diǎn) ， 這樣一個(gè)應(yīng)用框架就構(gòu)成了 。其中，定 義了 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO），它為設(shè)備提供綁定服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)備可以通過(guò) ZigBee 設(shè)備對(duì)象接口請(qǐng)求任何標(biāo)準(zhǔn)的描述符信息， ZDO 會(huì)調(diào)用配置對(duì)象獲取相應(yīng)的描述符值 [13]。用戶(hù)應(yīng)用程序由用戶(hù)根據(jù)需要添加程序代 碼。第二部分是用戶(hù)應(yīng)用程序 ，開(kāi)發(fā)者 需要自己定義 ， 第三部分是 ZigBee設(shè)備配置層 ，具備 定義處理描述符信息的功能。 應(yīng)用層 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中 ， 應(yīng)用層是最高的協(xié)議層。管理服務(wù) 實(shí)體 (NLME)的主要服務(wù)是交互式基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線(xiàn)信息采集 10 應(yīng)用程序和協(xié)議棧的操作管理，服務(wù)是通過(guò)管理服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)完成。 圖 網(wǎng)絡(luò)層的參考模型 數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 （ NLDE） 主要提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) ， 允許一個(gè)設(shè)備傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元給 位 于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)或者多個(gè)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層 通過(guò) 數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 (NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體 (NLME)完成 這一層的功能 ，實(shí)現(xiàn) 與應(yīng)用層可靠安全的信息交換， 進(jìn)行更好的通信。 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的功能是建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的連接、同時(shí)決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模型。 凈荷是待發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地方 ， 其長(zhǎng)度 隨著 幀 的 類(lèi)型和 將要 發(fā)送數(shù)據(jù) 包 的 長(zhǎng)度的 變化 二變化 。源 PAN 標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度為 16bits，標(biāo)識(shí)出 當(dāng)前 數(shù)據(jù)發(fā)出 幀設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)唯一標(biāo)識(shí)符。 地址域中 目的地址的長(zhǎng)度為 16 或 64 bits，利用 幀控制 域 中 規(guī)定的 目的地址 方式 (16 位短地址或 64 位網(wǎng)絡(luò)地址 )，確定 接收方基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線(xiàn)信息采集 9 的網(wǎng)絡(luò)地址 [11]。序列號(hào)域的長(zhǎng)度為 8 bits，給 幀 賦予了獨(dú)一 的序列標(biāo)識(shí)號(hào) ，僅僅在 確認(rèn) 該 幀序列號(hào)與 前一次 傳輸數(shù)據(jù)幀的序列號(hào) 相同的情況下 時(shí) ，方能 判斷 成功完成 數(shù)據(jù) 傳輸業(yè)務(wù)。其具體結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 在 MAC 層的功能主要包括：同步設(shè)備，設(shè)備的維護(hù)和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以生成并發(fā) 送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，為 設(shè)備 提供支持服務(wù)的安全性，使用 CSMACA 機(jī)制訪(fǎng)問(wèn)模式的渠道，兩 個(gè) 等價(jià) MAC 層實(shí)體之間 建立 可靠的通信鏈路，維護(hù)處理保護(hù)時(shí)隙（ GTS）機(jī)制 [9]。物理層 承擔(dān)了底層較多的功能，包括 無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)的 休眠和激活 、鏈接質(zhì)量指示 (LQI)、通信過(guò)程中對(duì)信道能量的掃描和檢測(cè) (ED)、 基于免 碰撞 載波 偵聽(tīng) 多路訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制 （ CSMACA） 對(duì)空閑信道評(píng)估、信道頻率選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收 [8]。每個(gè) 頻段 都以不同的速率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于 20 kbit/s， 40 kbit / s 和 250 kbit／ s。圖 所示 為 ZigBee 協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 。協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、應(yīng)用層 (APL)架構(gòu) ZigBee 聯(lián)盟 則是由 定義 ， APL包括 應(yīng)用支持子層 (APS)和 ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZDO)。 ZigBee 協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 在 ZigBee 的體系結(jié)構(gòu) 中， 各模塊 構(gòu)成稱(chēng)為層， 即采用分層結(jié)構(gòu) 。 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 預(yù)先設(shè)定的傳輸路徑并不是一成不變的 ， 往往會(huì)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е侣窂街袛?， 或者通道過(guò)于擁堵導(dǎo)致數(shù)據(jù) 無(wú)法傳送的情況時(shí)有發(fā)生 。 自組網(wǎng)所使用的 動(dòng)態(tài)路由 的指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇窃跀?shù)據(jù)單元發(fā)送之前就事先設(shè)定一成不變的 ，而是數(shù)據(jù) 單元 傳輸 之 前， 節(jié)點(diǎn)路由會(huì)對(duì)查詢(xún)路由表，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況的連接狀況進(jìn)行搜索，綜合分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近，最終選擇一條最佳路徑完成數(shù)據(jù)的傳輸 。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線(xiàn)信息采集 6 節(jié)點(diǎn)間的通道并不是一成不變的，也不僅僅只有一條，實(shí)際上在應(yīng)用中，并不能保證每條線(xiàn)路都能夠暢通無(wú)阻， 就像城市的街道一樣， 會(huì)因?yàn)橥话l(fā) 車(chē)禍 、 道路 臨時(shí) 維修 情況導(dǎo)致這 條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí) 擁堵甚至 中斷， 然而通往目的地的道路不只有一條 ，車(chē)輛（ 傳輸數(shù)據(jù)單元）可以迅速查找可替代的道路到達(dá)終點(diǎn) 。 ZigBee 組網(wǎng)通信方式 ZigBee 采用一種自組網(wǎng)方式，猶如一隊(duì)傘兵隊(duì)員在降落之前每個(gè)人配備一個(gè)ZigBee 的節(jié)點(diǎn)模塊，降落到地面上之后，彼此之間尚在網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的通信范圍之內(nèi)，每個(gè)人的節(jié)點(diǎn)模塊就會(huì)通過(guò)固定協(xié)議發(fā)送搜索信號(hào)自動(dòng)尋找，短時(shí)間內(nèi) 就可以組成一個(gè)互相聯(lián)通的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)路不是固定不變的，由于人員的流動(dòng)，節(jié)點(diǎn)信息會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)間連接信息的變化不斷更新，變化的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始尋找新的網(wǎng)絡(luò)連接，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，完成了對(duì)舊網(wǎng)絡(luò)的刷新 。 (6) 安全： ZigBee 具有三級(jí)安全模型，分別為沒(méi)有安全設(shè)置、訪(fǎng)問(wèn)控制列表（ ACL）的使用來(lái)防止數(shù)據(jù)和使用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（ AES128）的對(duì)稱(chēng)密碼，從而確定安全性能的靈活性。 (5) 時(shí)延短： ZigBee 有著極快的響應(yīng)速度，正常情況下從休眠狀態(tài)被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)間隔 15ms，節(jié)點(diǎn) 30ms 即可完成入網(wǎng)過(guò)程，很大程度上節(jié)約了電能。每塊芯片的價(jià)格大約為 2 美元。 (2) 傳輸速率低：介于 10Kbps~250Kbps 之間，相比其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)速率極低。 表 常用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)參數(shù) 通信種類(lèi) 頻段 距離 速率 功耗 節(jié)點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) ZigBee 1075m 10250kbps 低 255 低沉本、可靠性高、低功耗 IrDA —— 1m 14Mbps 中 2 短距離、低成本 Bluetooth 110m 1Mbps 高 7 短距離、易操作 WiFi 1100m 10Mbps 高 32 便攜性、高速、適應(yīng)性強(qiáng) UWB 10m 1Gbps 低 100+ 分辨率高 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線(xiàn)信息采集 5 由于 ZigBee具備自身完善的通訊標(biāo)準(zhǔn)，其被認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在智能家居、傳感網(wǎng)絡(luò)、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域之中。每個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)亦可在自身射頻覆蓋范圍內(nèi)與多個(gè)孤立子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，這些節(jié)點(diǎn)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù) [3]。因?yàn)閷儆跓o(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域， ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè)使用頻率 （全球）、868MHz（歐洲）、 915MHz（美國(guó)）， 傳輸速率分別對(duì)應(yīng)于 250kbit／ s， 20 kbit／ s，40 kbit／ s。 這一名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂的八字舞， 由于 蜜蜂（ bee）是 利用 飛行 中 “嗡嗡 ”（ Zig）振動(dòng)翅膀的 “舞蹈 ”與 同伴分享 花粉的位置， 一群蜜蜂通過(guò)這樣的“一對(duì)多”形式的通信方式組成了最簡(jiǎn)單的通信網(wǎng)絡(luò) 。通過(guò)查詢(xún)常見(jiàn)傳感器的硬件接口電路，對(duì)溫濕度傳感器信息采集傳輸和串口無(wú)線(xiàn)控制節(jié)點(diǎn) LED 亮滅實(shí)驗(yàn)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。并完成了部分重要代碼的書(shū)寫(xiě)。 第 4章 軟件部分設(shè)計(jì)。 第 3章 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范。 第 2章 ZigBee 技術(shù)。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線(xiàn)信息采集 3 論文的主要工作 第 1章 緒論。 盡管 ZigBee 發(fā)展的道路上諸多坎坷 ， 但是隨著技術(shù)的成熟和完善， ZigBee應(yīng)用產(chǎn)品在將來(lái)已然能夠讓我們有所期待 ， 技術(shù)上講 ， ZigBee 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)大概念的 大趨勢(shì)下，將扮演著舉足輕重的角色 ， 尤其 在 ZigBee 聯(lián)盟 對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷推進(jìn) ， ZigBee 技術(shù)已經(jīng)集中在片上系統(tǒng)（ SOC），開(kāi)發(fā)新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與 IPv6標(biāo)準(zhǔn)體系，更加完善，以更便宜的價(jià)格，低功耗，更快的發(fā)展。這種情況下的 ZigBee 儀表控制就有了相當(dāng) 的市場(chǎng)。 近年來(lái)全球 儀表 領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者 中國(guó)華立 以及 韓國(guó)努里電信 等 不斷深入 ZigBee 技術(shù)儀表控制系統(tǒng) 領(lǐng)域 ， ZigBee 儀表控制的 市場(chǎng) 呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì) 。商業(yè)建筑可以使用分布在每一個(gè)角落 的ZigBee 模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)室內(nèi)空調(diào) 、 照明 、 消防感應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 達(dá)到節(jié)省人力成本、提高資源利用率的目的。由于受到了諸多廠(chǎng)家的親睞和追捧， ZigBee 技術(shù)正處在其發(fā)展的黃金時(shí)期，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。 ZigBee 聯(lián)盟在 20xx 年底公布了其 版本標(biāo)準(zhǔn)。 我們所熟知的藍(lán)牙、射頻技術(shù)已經(jīng)在生活中得到了較多的應(yīng)用，介于藍(lán)牙和射頻之間、被譽(yù)為未來(lái)十大技術(shù)之一的 ZigBee 技術(shù)也因其低成本、低功耗、穩(wěn)定性高而被人們熟知并且深入應(yīng)用到智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，一種集無(wú)線(xiàn)通信、傳感器、網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)與一體的信息獲取與處理技術(shù)應(yīng)用愈發(fā)廣泛，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)也在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。 CC2530 III 目 錄 第 1 章 緒論 .......................................................................................................... 1 課題背景 ................................................................