【正文】 在網(wǎng)絡化研究所于2004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、紅外線、加速度等各種傳感器。三菱電機2004年9月29日宣布成功試制出了支持近距離無線通訊技術ZigBee的無線傳感器。國內現(xiàn)狀：我國無線傳感網(wǎng)絡及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動。 .2 Zigbee技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀 。ZigBee聯(lián)盟企業(yè)包括有IC供應商、無線IP提供商、OEM廠商、測試設備制造商、最終產(chǎn)品制造商等，提供ZigBee適用的產(chǎn)品和方案。飛思卡爾推出全球首個符合ZigBee標準的平臺，制造商現(xiàn)在能夠將ZigBee技術用于傳感和監(jiān)控應用。ZigBee在中國的應用也愈加廣泛。同時許多企業(yè)也在進行ZigBee相關產(chǎn)品的開發(fā)工作，有代表性的企業(yè)有上海順舟網(wǎng)絡科技有限公司[3]、成都無線龍通訊科技有限公司等[4]。該聯(lián)盟主席Robert ，以免專利費的方式吸引中國本地企業(yè)加入。在標準林立的短距離無線通信領域，ZigBee的快速發(fā)展可以說是有些令人始料不及的，從2004年底標準確立，到2005年底相關芯片及終端設備總共賣出1500億美元，應該說比被業(yè)界“炒”了多年的藍牙、WiFi進展都要快。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領域有具有巨大的運用價值，在未來其應用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領域。 短距離無線通信技術作為成為無線通信技術領域的一個重要分支,在諸多無線數(shù)據(jù)傳輸中的應用已經(jīng)越來越廣泛。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。由于ZigBee技術具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等許多優(yōu)點，很多研究機構將其作為無線傳感器網(wǎng)絡的通訊標準。無線語音通信則屬于即時數(shù)據(jù)傳輸，雖然實現(xiàn)無線語音通信不是ZigBee標準最初的目標，但在許多領域中如果沒有語音通信功能，將使其應用受到很大的局限；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具有其他通信技術難以替代的優(yōu)勢，如能利用ZigBee網(wǎng)絡進行雙向語音傳輸則具有非常大的實用價值；同時，在無線傳感網(wǎng)絡的應用中，聲音也是一種傳感量，傳輸采樣的聲音數(shù)據(jù)正是聲音傳感應用的基本要求。 本論文的研究內容主要研究內容包括以下幾點：①，開發(fā)低成本的ZigBee無線模塊②為了實現(xiàn)語音的正常傳輸，我們通過芯片APR9600進行接受和處理③研究基于ZigBee的無線語音傳輸系統(tǒng)的設計第二章 Zigbee協(xié)議棧結構和原理 Zigbee協(xié)議棧概述Zigbee 協(xié)議棧由一組子層構成。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。IEEE —2003標準定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質接入控制層（MAC）。其中，應用層的框架包括了應用支持層（APS）、Zigbee設備對象（ZDO）及由制造商制定的應用對象。Zigbee聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個電子設備的無線網(wǎng)，它預言Zigbee將很快成為全球高端的無線技術，2007年Zigbee節(jié)點達到30億個。IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。這些信道的中心頻段按如下定義[6]（k為信道數(shù)）：FC= MHz （k=0）FC=906 MHz+2（k1）MHz （k=1，210）FC=2405 MHz +5（k11）MHz （k=11,12一個IEEE 、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個信道中選擇1個工作信道。然后，這個連續(xù)的偽噪聲CHIP 序列被調制到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控調制方式。管理服務通過MAC層管理實體服務接入點訪問高層，MAC層數(shù)據(jù)服務使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。ZigBee的網(wǎng)絡層主要用于ZigBee網(wǎng)絡的組網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡安全等。 ZigBee網(wǎng)絡體系Zigbee網(wǎng)絡中存在兩種功能類型設備，三種節(jié)點類型，三種拓撲結構及兩種工作模式。全功能設備（FFD）支持標準定義的所有功能和特性；而精簡功能設備（RFD）功能簡潔，存儲器容量要求最少。協(xié)調器：一個ZigBee網(wǎng)絡PAN（PersonalArea Network）有且僅有一個協(xié)調器，該設備負責啟動網(wǎng)絡，配置網(wǎng)絡成員地址，維護網(wǎng)絡，維護節(jié)點的綁定關等，需要最多的存儲空間和計算能力。終端設備：只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡，可以收發(fā)信息，但不能轉發(fā)信息，不具備路由功能。星狀網(wǎng)絡由一個PAN協(xié)調器和多個終端設備組成，只存在PAN協(xié)調器與終端的通訊，終端設備間的通訊都需通過PAN協(xié)調器的轉發(fā)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡是樹狀網(wǎng)絡基礎上實現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡不同的是，它允許網(wǎng)絡中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，由路由器中的路由表實現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。圖22 ZigBee 網(wǎng)絡中的三種網(wǎng)絡拓撲結構 兩種工作模式網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標（Beaeon）和非信標（Nonbeaeon）兩種模式,信標模式實現(xiàn)了網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標模式則只允許ZE進行周期性休眠，ZC和所有ZR設備必須長期處于工作狀態(tài)。非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，ZE主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)ZE的周期性（周期可設置）休眠。 IEEE IEEE 標準定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC）：物理層（PHY）主要的功能：信道的選擇 信道能量的檢測無線信道的收發(fā)數(shù)據(jù)空閑信道的評估接受包鏈路質量的檢測其中，信道能量的檢測主要測量目標信道中接收信號的功率強度，實際上所測得的是有效信號功率和噪聲信號功率之和。空閑信道評估判斷的是當前是否處于空閑狀態(tài)，以此來決定是否發(fā)送當前數(shù)據(jù)幀。 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。物理層包頭指示凈荷部分的長度，凈荷部分含有MAC層數(shù)據(jù)包，最大長度是127字節(jié)。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）預留位（1位）PSDU同步包頭物理層包頭物理層凈荷 介質接入控制子層MACIEEE 802 系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制子層LLC和介質接入控制子層MAC兩個子層。LLC子層的主要功能是進行數(shù)據(jù)包的分段和重組，以及確保數(shù)據(jù)包安順序傳輸。MAC層含數(shù)據(jù)幀、命令幀、信標幀、應答幀，幀格式及不同類型幀的格式特點如下：表23 MAC幀格式[1]字節(jié)：210/20/2/80/20/2/8長度可變2幀控制域（FCF）幀序列碼接收端設備網(wǎng)絡號接收端設備地址發(fā)送端設備網(wǎng)絡號發(fā)送端設備地址幀載荷FCS地址域偵頭MAC負荷幀尾通用的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。MAC幀載荷域即為MAC層的有效數(shù)據(jù)單元。 表24 幀控制域（FCF）的格式[1]Bits：0~234567~910~1112~1314~15幀類型安全使能幀待決請求確認PAN保留目的地址保留源地址注：幀類型：信標幀、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；請求確認：定義是否要求接收端應答（反饋ACK）；PAN：定義是否省略發(fā)送端設備網(wǎng)絡號（PAN ID）； 目的地址和源地址有三種模式：不含地址、16位網(wǎng)絡地址、64位IEEE地址；幀序號為該幀在源設備中的幀標識符，每個設備都有自己的幀序列號發(fā)生器，序列號采用循環(huán)計數(shù)方式，范圍值為00xFF； 地址域包括接受端設備網(wǎng)絡和設備地址，發(fā)送端設備網(wǎng)絡號和設備地址。 四種MAC幀格式說明：MAC幀含數(shù)據(jù)幀、信標幀、ACK幀、命令幀四種幀類型。信號幀：具有父節(jié)點功能的節(jié)點通過發(fā)送信標幀，告知自己的相關信息，如是否允許新節(jié)點加入。命令幀：MAC層的命令幀，其負荷域由命令ID和具體的命令參數(shù)組成。表25 [1]物理層（PHY）MAC層同步頭（SHR）物理頭MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）前同步碼：4bSFD：1b幀長：1b物理層服務數(shù)據(jù)單元（PSDU）物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU） MAC層數(shù)據(jù)的傳輸重傳機制分別實現(xiàn)了信道的共享及數(shù)據(jù)幀的可靠傳輸。CSMACA以包括載波檢測機制和隨機退避規(guī)則，即等待一段隨機時間，隨后通過檢測物理信道能量來判斷當前信道是否空閑，若當前信道空閑，則占用信道并立即發(fā)送幀，否則，再次重復上述過程。CSMA/CA采取了三種檢測信道空閑的方式：能量檢測（ED）、載波檢測（CS）和能量載波混臺檢測。載波檢測（CS）：接收端將接收到的信號與本機的偽隨機碼（PN碼）進行 運算比較，如果其值超過某一極限時，表示有用戶在占用信道，否則認為信道 為空。2）、應答重傳機制為了保證傳輸?shù)目煽啃?。當Ackrequest子域為0時，不需要接收端反饋ACK幀，發(fā)送端默認接收端正確收到數(shù)據(jù)幀，通訊流程如下圖所示。接收端接收到該幀后，立即向發(fā)送端反饋應答幀，并將該接收幀傳給上層。成功的有應答數(shù)據(jù)傳輸如下圖所示。MAC層接收到該原語，并確認其掃描類型為ED掃描后，根據(jù)原語所提供的phyChannelssupported這一通道列表屬性值，對所有指定的通道進行逐一掃描。如此，一個信道測量完畢，隨后切換到下一信道進行新一輪的ED測試。2） 、Active掃描Active信道掃描使得設備獲取在其物理通訊范圍內所有潛在父節(jié)點的 信標幀。Active信道掃描過程，即節(jié)點向外發(fā)送一信標請求（beaeon request）命令幀，周邊的所有具有父節(jié)點功能的節(jié)點聽到該命令幀后，各自組建一信標幀反饋給該節(jié)點，該節(jié)點等待最多aBasesuperframeDuration*（Zn+1）時間，（n為Scan Duration）在這段等待時間內，設備只處理信標幀，且將 信標幀上的相關信息記錄到網(wǎng)絡描述符列表中（PAN Descriptor List）中，同時還寫入鄰接表中。在orphan掃描期間，該節(jié)點MAC層只處理 接收到的Coordinator realignment命令幀。一般情況下，若orphan掃描沒有成功，則該設備可重新嘗試orphan掃描或是尋找新的父節(jié)點加入。 通用的幀類型格式 NWK幀由幀頭和幀負荷兩部分組成。 NWK幀的幀負荷域長度可變，內容和長度取決于幀類型。 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：標記該協(xié)議的版本號； 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：012567891015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：含目標地址、源地址、路由半徑和序列號；c、目標端設備地址：指該幀最終的目標接收端設備的網(wǎng)絡地址；d、源端設備地址：指該幀最初發(fā)起方的發(fā)送端設備的網(wǎng)絡地址。f、序列號域：設備NWK層所定義的幀序列號，類似于MAC層的幀序列號，和目標端設備地址及源端設備地址一起，用于識別該幀。數(shù)據(jù)幀：其NWK負荷域對應于APS層的APDU。表28 不同類型NWK幀格式特點[5]NWK幀頭NWK幀負荷幀類型2字節(jié)6字節(jié)長度可變數(shù)據(jù)幀幀控制域路由信息域數(shù)據(jù)載荷（APDU）NWK命令幀NWK命令標識符NWK命令負荷NWK的命令幀目前包括路徑請求、路徑應答、路徑錯誤和離開網(wǎng)絡四種命令類型。ZigBee網(wǎng)絡，每個設備擁有兩個地址：一個是64位IEEE物理地址，另一個是所在PAN里獨有的16位網(wǎng)絡地址，也稱短地址（Sh