【正文】 通信范圍。信標模式實現(xiàn)了網(wǎng)絡中所有設(shè)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終端設(shè)備ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器ZC和所有路由器ZR設(shè)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(shè)置)休眠。 ZigBee組網(wǎng) 基本通信原語ZigBee協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務接入點SAP相連接的。SAP是層與層之間的唯一接口，而具體的服務是以通信原語的形式供層與層之間調(diào)用。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。Confirm：確認原語，用于本層響應上層發(fā)出的請求原語。Response：響應原語，用于上層響應本層發(fā)出的指示原語。 另外，ZigBee/：協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit,PDU）和服務數(shù)據(jù)單元（Service Data Unit,SDU）。SDU是為了完成上層用戶的請求，本層所傳送的本層數(shù)據(jù)凈荷。管理服務實體通過網(wǎng)絡管理實體服務接入點(NLMESAP)提供網(wǎng)絡管理服務，并允許應用和堆棧相互作用。 網(wǎng)絡管理服務1. ZigBee網(wǎng)絡的建立。如果該程序已經(jīng)在其他設(shè)備中開始運行，網(wǎng)絡層管理實體(NLME)就必須結(jié)束該程序，并通知上一層屬于非法請求。信道掃描通過發(fā)送，將ScanType參數(shù)設(shè)置為能量掃描。網(wǎng)絡層管理實體根據(jù)能量檢測來對這些信道進行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。為了選取建立新網(wǎng)絡的最佳信道，網(wǎng)絡層管理實體需要尋找現(xiàn)有網(wǎng)絡數(shù)量最少的第一個信道。如果發(fā)現(xiàn)了合適的信道，網(wǎng)絡層管理實體就要為新網(wǎng)絡選擇一個PAN（Personal Area Network）標識符。如果存在并且沒有與現(xiàn)有的PANID沖突，這個值就成為新網(wǎng)絡的PANID，否則設(shè)備會選擇一個隨機的PAN標識符。PAN標識符被選定后，網(wǎng)絡層管理實體就要選擇一個16位的網(wǎng)絡地址并設(shè)置MAC層的maeShortAddress屬性與該網(wǎng)絡地址一致。、。如果該程序己經(jīng)在其他任意設(shè)備上被運行，網(wǎng)絡層管理實體(NLME)就要終止該程序。如果程序初始化時PemritDuration參數(shù)在0x01到Oxfe之間。如果程序初始化時設(shè)置PermitDuration屬性為參數(shù)為ox0f,網(wǎng)絡層管理實體就要設(shè)置MAC層tnacAssociationPernit屬性為TRUE。，設(shè)置Cbannels參數(shù)(需要掃描哪些信道)和ScaiiDuration參數(shù)(掃描每個信道所需的時間)。掃描過程中每接收到一個有效數(shù)據(jù)非零的信息幀，掃描設(shè)備就從MAC層發(fā)送一個。網(wǎng)絡層管理實體需要檢查信標有效載荷中的協(xié)議標識并確認其是否符合ZigBee協(xié)議標識符。網(wǎng)絡描述包括ZigBee版本、協(xié)議棧概要、PANID，以及該網(wǎng)絡是否允許設(shè)備加入的信息。然后，(PANID參數(shù)設(shè)置成選定網(wǎng)絡的PAN標識符；；設(shè)置JoinAsRouter參數(shù)，表明該設(shè)備是否作為路由器加入)。合適的設(shè)備應具備要求的PANID允許關(guān)聯(lián)。父設(shè)備的網(wǎng)絡層管理實體首先要判斷需要加入網(wǎng)絡的設(shè)備是否己在網(wǎng)絡中存在，具體是通過搜索鄰居設(shè)備表判斷是否存在相匹配的64位擴展地址。如果未能找到匹配地址，網(wǎng)絡層管理實體就要給新設(shè)備分配一個在該網(wǎng)絡中唯一的16位網(wǎng)絡地址(每個現(xiàn)在父節(jié)點都被分配了有限的地址空間，一旦該空間溢出，設(shè)備就會拒絕加入請求)。如果加入請求成功，父設(shè)備的網(wǎng)絡層管理實體即在鄰居設(shè)備表中按照子節(jié)點的設(shè)備信息為該子節(jié)點開辟一個新的條目。 數(shù)據(jù)傳輸服務在數(shù)據(jù)傳輸機制上，主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)到從設(shè)備和由從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)到主設(shè)備的機制隨網(wǎng)絡類型的不同而不同。當檢測到空閑信道時，它將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到主設(shè)備，如果主設(shè)備想要將此數(shù)據(jù)發(fā)送到從設(shè)備，它會將數(shù)據(jù)幀保存在它的發(fā)送緩沖器中，直到目標從設(shè)備明確地來查詢該數(shù)據(jù)為止。在點對點對等網(wǎng)絡中，每個節(jié)點必須一直保持它們的接收器為開啟狀態(tài)或者同意在一個時間段內(nèi)開啟它們的接收器，這將允許節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀并確保數(shù)據(jù)幀會被其它節(jié)點接收。根據(jù)應用要求，在絕大部分時間內(nèi)從設(shè)備都處于休眠狀態(tài)，僅定期喚醒設(shè)備來發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。如果網(wǎng)絡包含很多休眠時間很長的從設(shè)備，主設(shè)備必須將數(shù)據(jù)幀保存很長時間。在這種情形下，主設(shè)備可以根據(jù)從設(shè)備的設(shè)備描述符有選擇地將一個特定的數(shù)據(jù)幀保持一段長時間或短時間。TR通過一種樹形拓撲的地址分配機制來尋找路徑,具有低能耗但路徑次優(yōu)的特點。當路由器從它自身的應用程序或者別的設(shè)備那里收到一個單點發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，網(wǎng)絡層會遵循以下流程將它繼續(xù)傳遞下去：如果目標節(jié)點是它的相鄰節(jié)點或子節(jié)點，則數(shù)據(jù)包會被直接傳送給目標設(shè)備。如果存在與目標地址相符合的有效路由記錄，數(shù)據(jù)包將被發(fā)送到記錄中的下一跳地址中去。ZigBee終端節(jié)點不執(zhí)行任何路由功能。同樣的，任何一個設(shè)備要給終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，終端節(jié)點的父節(jié)點代表它作出回應。通常，每一個目標設(shè)備都需要一條路由表記錄。 路由過程ZigBee路由器（含協(xié)調(diào)器）將完成路徑發(fā)現(xiàn)和選擇、路徑保持維護、路徑期滿處理等功能。任意一個路由設(shè)備都可以發(fā)起路徑尋找，去尋找某個特定的目標設(shè)備。路徑選擇盡可能選擇成本最低的路徑。通常，連接成本最典型的表示方法是一個關(guān)于接收信號強度的函數(shù)。路由算法將尋找擁有最小路徑成本的路徑。源設(shè)備向它的所有鄰節(jié)點廣播一個路由請求數(shù)據(jù)包（RREQ），來請求一個目標地址的路徑。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，要加上最新的連接成本，然后更新RREQ數(shù)據(jù)包中的成本值。由于RREQ經(jīng)過不同的路徑，目標設(shè)備將收到許多RREQ副本。一旦一條路徑被創(chuàng)建，數(shù)據(jù)包就可以發(fā)送了。各個節(jié)點根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包來更新它的路由表。當下一次數(shù)據(jù)包到達該節(jié)點時，節(jié)點將重新尋找路徑。這兩種那個方法都實現(xiàn)了路徑的自動重建。如果在一定的時間周期內(nèi)，沒有數(shù)據(jù)通過這條路徑發(fā)送，這條路徑將被表示為期滿。設(shè)置ROUTE_EXPIRY_TIME為期滿時間，單位為秒。本章共分為六部分，對ZigBee的相關(guān)知識和內(nèi)容進行了介紹。第二部分對它的特點一一描述，并得出ZigBee技術(shù)最適合于無線傳感器網(wǎng)絡。第四部分介紹對Zigbee的網(wǎng)絡配置，包含兩種功能設(shè)備，三種節(jié)點類型，三種拓撲結(jié)構(gòu)以及兩種工作模式。同時，在組網(wǎng)中也介紹了一些基本的通信原語。 第三章 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡的硬件設(shè)計傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本功能單元，其結(jié)構(gòu)主要包括傳感器模塊，處理器模塊，射頻模塊和電源模塊等四部分。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點設(shè)計對于其性能至關(guān)重要，所以設(shè)計過程中應注意以下幾個方面：（1）低功耗無線傳感器網(wǎng)絡對低功耗的需求一般都遠遠高于目前已有的藍牙、WLAN等無線網(wǎng)絡。（2）微型化無線傳感器節(jié)點應該在體積上足夠小，保證對目標系統(tǒng)本身的特性不會造成影響，或者造成的影響可以忽略不計。（3）低成本在無線傳感器網(wǎng)絡的應用中，成本是一個必須要考慮的重要因素。因此，傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計應根據(jù)具體應用的特點來合理選擇器件，使得節(jié)點易于維護和管理，從而降低開發(fā)和維護成本。硬件的穩(wěn)定性要基于ZigBee2006的無線傳感器網(wǎng)絡設(shè)計與實現(xiàn)求節(jié)點的各個部件能夠在給定的應用背景下正常工作，避免由于外界的干擾而產(chǎn)生過多的錯誤數(shù)據(jù)。另外，在某些應用場合可能希望保證節(jié)點的運行代碼不被第三方了解，這時應采用具有代碼保護能力的微處理器和存儲芯片。在主要的Zigbee芯片提供商中，德州儀器(TI)的Zigbee產(chǎn)品線覆蓋了以上三種方案，飛思卡爾、Ember、Jennic可以提供單芯片方案，Atmel、Microchip等其它廠商大都提供MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案。由于低功耗是ZigBee系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以減少工作電流消耗、具有超低耗電睡眠模式并縮短模式切換時間對每一種方案而言都非常重要。CC2430芯片工作時的電流損耗為27mA，接收和發(fā)射模式下的電流損耗分別低于27mA或25mA，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。在MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案方面，TI采用的是CC2420 RF收發(fā)器和超低功耗MCU MSP430[10]。TI的第三種Zigbee方案是無線網(wǎng)絡處理器CC2480(RF收發(fā)器和ZigBee協(xié)議棧)，可搭配任意MCU，比如MSP430。用戶在設(shè)計和使用過程中不需要牽涉到Jennic公司的JN5139芯片是一個低功耗的無線微處理器， IEEE 、192k ROM以及一些數(shù)字及模擬外圍電路，可降低對外部元件的需求。 IEEE ZigBee堆棧上的基于閃存的16位微處理器(XAP2b核)，并且該產(chǎn)品的SPI接口可以使開發(fā)者容易在自己的MCU中增加ZigBee網(wǎng)絡功能。MRF24J40器件集成了接收器、發(fā)送器、VCO和PLL，最大限度地減少了外接元件并降低功耗。這個被稱為MiWi的協(xié)議比ZigBee協(xié)議棧大約小70%，可被用于對成本敏感的應用中。AT86RF230是真正的SPI到天線的方案，除了天線、晶體振蕩器和去耦電容外，所有的RF主要元件都集成在單一芯片內(nèi)，包括模擬無線電收發(fā)器和數(shù)字解調(diào)器、時間和頻率同步以及數(shù)據(jù)緩沖器。選用理想的ZigBee實現(xiàn)方案可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，減少成本。根據(jù)上述要求綜合比較后，本文采用TI公司推出的高度整合的SOC芯片CC2430方案，它成本低，體積小，外圍設(shè)備豐富且電路簡單、擴展性強、而且能夠勝任WSN節(jié)點的功能和作用。根據(jù)芯片的內(nèi)置內(nèi)存的不同，CC2430有三個版本：CC2430F32/F64/F128,編號后綴分別代表具有32KB，64KB或128KB的內(nèi)存。CC2430芯片上系統(tǒng)（SOC）是高度集成的解決方案，僅需很少的外圍電路，且選用的原件成本低，可支持快速、廉價的ZigBee節(jié)點的構(gòu)建。所集成的MCU為強大的8位、單周期8051微控制核心（其典型性能可達標準8051性能的8倍）。CC2430的功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。在接收機傳輸模式下的電流損耗分別為27mA和25mA。CC2430可用于ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。CC2430的主要特性如下：l 高性能和低功耗的8051微控制器核； l 集成符合IEEE GHz RF無線電收發(fā)機；l 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力。圖31 CC2430的功能模塊結(jié)構(gòu) CC2430引腳功能介紹 CC2430芯片采用7mm7mm QLP封裝，共有48個引腳，全部引腳可分為I/O端口引腳、電源線引腳、控制線引腳三類。圖32 CC2430/31芯片引腳圖1. I/O端口線引腳功能 CC243O有21可編程的I/0口引腳，PO、Pl口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。 I/O口有下面的關(guān)鍵特性:l 可設(shè)置為通常的工/0口，也可設(shè)置為外圍I/0口使用；l 在輸入時有上拉和下拉能力；l 全部21個數(shù)字工/O口引腳都具有響應外部的中斷能力。1～6腳（P1_2～P1_7）：具有4mA輸出驅(qū)動能力；8,9腳（P0_0,P1_1）：具有20mA驅(qū)動能力；11～18腳（P0_0～P0_7）：具有4mA輸出驅(qū)動能力；43～46,48腳（P2_0～P2_4）：具有4mA輸出驅(qū)動能力。3. 控制線引腳功能10腳（RESET_N）：復位引腳，低電平有效；19腳（XOSC_Q2）：32MHz的晶振引腳2；21腳（XOSC_Q1）：32MHz的晶振引腳1，或外部時鐘輸入引腳；22腳（RBIAS1）：為參考電流提供精確的偏執(zhí)電阻；26腳（RBIAS2）：提供精確電阻，43（1177。 CC2430的增強型8051內(nèi)核CC2430集成了增強工業(yè)標準8051內(nèi)核MCU核心。每個機器周期的一個時鐘周期與標準8051每個機器周期中的12個時鐘周期相對應，因此其指令執(zhí)行速度比標準8051快。CC2430核心的8051的目標代碼與工業(yè)標準8051目標代碼兼容。1. 復位 CC2430有四個復位源：l 低電平復位RESET_N；l 上電復位；l 掉電復位；l 看門狗復位。2. 存儲器 8051 CPU有四個不同的存儲空間：l 代碼（CODE）：16位只讀存儲空間，用于程序存儲。該空間的低128字節(jié)可以直接或間接訪問，而高128只能夠間接訪問。l 特殊功能寄存器（SFR）：7位可存取寄存器存儲空間，可以被單個CPU指令訪問。CC2430有18個中斷源，每個中斷源有它自己的、位于一系列特殊功能寄存器中的中斷請求標志。關(guān)于CC2430中斷的詳細介紹參見文獻[11]。該時鐘的振蕩源既可以用16MHz高頻RC振蕩器，也可以采用32MHz晶體振蕩器。系統(tǒng)時鐘同時也可以提供給8051所有的外部設(shè)備使用。運行RF收發(fā)器時，必須使用高精度的晶體振蕩器。32 kHz時鐘驅(qū)動睡眠定時器和看門狗定時器，并當計算睡眠時期的時間時，作為MAC定時器的閘門。因此在外圍電路中設(shè)計了32 MHz和32 KHz兩個晶振電路，32 KHz，需要時間精度時，為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的時鐘信號。CSMA/CA控制處理器（CSP）可向CPU產(chǎn)生中斷請求，并通過MAC定時器的溢出事件來接口MAC定時器。l 直接命令操作直接通過CSP把命令發(fā)送給無線模塊。l 程序操作是指CSP執(zhí)行一個由程序存儲器或指令內(nèi)存中指令序列組成的程序段來進行操作，這些指令是CC243O規(guī)定的指令集。3. 天線CC2430射頻模塊天線的選擇直接影響到它的RF能力大小。表31列舉這三種天線的優(yōu)缺點：表31 天線對比天線類型優(yōu)點缺點PCB天線價格低，高頻時尺寸小設(shè)計尺寸小且高效的天線比較困難，低頻時尺寸大，性能一般貼片天線尺寸小價格中等，性能中等鞭狀天線性能好，應用普遍價格略高，尺寸大 為了保證節(jié)點有足夠的發(fā)射能力，我們最看重性能，所以這里我們選用鞭狀天線。 CC2