【正文】 頻碼片長度和傳輸速率的不同。 902~928MHz 頻段，能夠提供 40Kb/s 的傳 輸速率用于北美。 2400~ 頻段可用于全球，采用 16 相調(diào)制技術(shù)，能夠提供 250Kb/s 的傳輸速率我國采用的是2400MHz 的工作頻率。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 7 頁 這些信道的中心頻率按照如下公式定義 (k 為信道數(shù) )： Fc =868． 3MHz， k=0； Fc=906MHz+2(k1)MHz， k=l， 2，? 10； Fc=2405MHz+5(k11)MHz， k=1l， 12，? 26。 1. 數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收； 2. 管理服務(wù)包括信道能量監(jiān)測（ energy detect， ED），鏈接質(zhì)量指示（ link quality indication， LQI）和空閑信道評估（ clear channel assessment， CCA）等。 信道能量檢測為上層提供信道選擇的依據(jù)，主要是測量目標(biāo)信道中接收信號的功率強度。 鏈接質(zhì)量指示為上層服務(wù)提供接收數(shù)據(jù)時無線信號的強度質(zhì)量信息，它要對檢測信號進行解碼，生成一個信噪比指標(biāo)。 IEEE 規(guī)范定義了三種空閑信道評估模式： ，當(dāng)信號能量低于某一門限值時就認為信道空閑； ，該特征包括兩個方面，即擴頻信號特征和載波頻率； ，同時檢測信號強度和信號特征，判斷信道是否空閑。 IEEE 的調(diào)制方式 圖 調(diào)制和擴展模塊 如上圖 所示， 物理層將數(shù)據(jù)每字節(jié)的低四位和高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號（ symbol），每個數(shù)據(jù)符號又被映射成 32 位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片（ chip）。每片的形狀如同半個 正弦波，交替在同相 (I)信道和正交相位 (Q)信道傳送。如下圖 所示 物理層 物理層管理實體 數(shù)據(jù)服務(wù)接入點 物理層實體 服務(wù)接入點 物理層個域 網(wǎng)絡(luò)基本信息 無線 射頻 — 服務(wù)接入點 已調(diào)制的信號 PPDU 二進制數(shù)據(jù)流 二進制比特 數(shù)據(jù)符號 數(shù)據(jù)符號 片碼數(shù)據(jù)映射 偏移正交相移鍵控（ OQPSK） 最低有效位先傳 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 9 頁 圖 傳送符號 0 片碼序列時的 I/Q 相位 Tc= PPDU 格式 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 物理層數(shù)據(jù)包格式 2 字節(jié) 1 字節(jié) 020 字節(jié) 2 字節(jié) 幀控制域（ FCF） 數(shù)據(jù) 序號 地址信息 幀校驗序列 （ FCS） 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) MAC 頭（ MHR） MAC 校驗 （ MFR） 前同步碼 幀定界符 幀長度 （ 7 位） 預(yù)留位（ 1位） MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU） 同步包頭 物理層包頭 PHY 服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU) 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 10 頁 數(shù) 據(jù)的發(fā)送與接收 基于 的 CC2430/2431 無線收發(fā)模塊，其無線核心部分是一個基于CC2420 射頻收發(fā)器。接收到的射頻信號通過低噪聲放大器和正交降頻轉(zhuǎn)換到中頻。 CC2430 的無線發(fā)送器是基于上變頻。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)符和開始符由硬件生成。 CC2430 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通過先進先出（ FIFO）的方式來接收 128 位數(shù)據(jù)。內(nèi)存和先進先出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移動使用 DMA 方式來實現(xiàn)。 RADIO DMA 觸發(fā)與無線模塊有關(guān)，該觸發(fā)支持 DMA 控制器。 CRC 校驗使用硬件實現(xiàn)。在接收模式可以用中斷來清除通道評估（ CCA）。前者保證 MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，而后者從事 MAC層的管理活動，并維護一個信息數(shù)據(jù)庫。 信標(biāo)和非信標(biāo)模式 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)（ Beacon）和非信標(biāo)（ Nonbeacon）兩種模式。 信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負責(zé) 以一定的間隔時間（一般在 15ms4mins 之間）向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16 個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)的各時槽內(nèi)發(fā)送。在網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備要做通信時，會在競爭存取時間采用開槽的 CSMA/CA 機制去對頻道做競爭。下圖 為無保證時隙的超幀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點需為自己的終端設(shè)備子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有終端設(shè)備子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(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。 一是終端器件傳送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，二是協(xié)調(diào)器傳出數(shù)據(jù)到終端器件，三是在對等器件間傳送數(shù)據(jù)。如下圖 ： 圖 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器 應(yīng)答（可選） 應(yīng)答（可選） 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 信標(biāo) 網(wǎng)絡(luò)器件 網(wǎng)絡(luò)器件 協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 13 頁 2 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 在信標(biāo) 使能方式中，協(xié)調(diào)器會利用信標(biāo)中的字段來告知有資料要傳送。 在非信標(biāo)使能方式中，終端器件利用無槽 CSMA/CA 將 MAC 命令請求控制信息給協(xié)調(diào)器，若協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳送，則利用無槽 CSMA/CA 方式將資料傳出。預(yù)通信的器件要么定時接收，要么彼此完全同步。如下 表 所示： 應(yīng)答 應(yīng)答 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 應(yīng)答 應(yīng)答 數(shù)據(jù)請求 數(shù)據(jù)請求 信標(biāo) 協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器 網(wǎng)絡(luò)器件 網(wǎng)絡(luò)器件 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 14 頁 表 MAC 幀的通用格式 字節(jié) 2 1 0/2 1/2/8 0/2 0/2/8 2 幀控制 序列號 目的 PAN 標(biāo)志符 目的地址 源 PAN 標(biāo)志符 源地址 幀校驗 地 址域 MAC 幀頭 MAC 幀尾 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中共定義了四種類型的幀：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認幀和MAC 命令幀。 在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡(luò)中的所有從設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀，以保證這些設(shè)備能夠同協(xié)調(diào)器進行同步，從而使得網(wǎng)絡(luò)運行的成本最低。數(shù)據(jù)負載傳到 MAC 層時，被稱為 MSDU（數(shù)據(jù)服務(wù)單元）。確認幀的序列號應(yīng)該與被確認幀的序列號相同，并且負載長度應(yīng)該為 0. 表 確認幀結(jié)構(gòu) 字節(jié)： 2 1 2 MAC 層 幀控制 序列碼 FCS MHR MFR 命令幀 MAC 命令幀由于組建 WRAN 網(wǎng)絡(luò)，傳輸同步數(shù)據(jù)。 表 MAC 命令幀結(jié)構(gòu) 字節(jié)： 2 1 4 或 10 1 n 2 MAC 層 幀控制 序列碼 尋址信息 命令類型 命令載荷 FCS MHR MSDU MFR 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 16 頁 第三 章 ZigBee 的基本概念和基本術(shù)語 ZigBee 的基本術(shù)語 設(shè)備類型 (Device Types) 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型： Coordinator(協(xié)調(diào)器 )， Router(路由器 )和 EndDevice(終端設(shè)備 )。 圖 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)示意圖 上圖 是一個簡單的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)示意圖。 1 Coordinator(協(xié)調(diào)器 ) 協(xié)調(diào)器負責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò) ID(也稱之為 PAN ID，即 Personal Area Network ID)，隨后啟動整個江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 17 頁 網(wǎng)絡(luò)。 在 IEEE 網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備（ Full function device， FFD ）和精簡功能設(shè)備（ reducedfunction device， RFD）。 協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備， FFD 需要功能較強的 MCU，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中擁有網(wǎng)絡(luò)控制和管理的功能。 2 Router(路由器 ) 路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的終端設(shè)備的通訊。但是當(dāng)使用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)時，允許路由間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電。 3 EndDevice(終端設(shè)備 ) 終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以可以是一個電池供電設(shè)備。終端一般是 RFD，也可是 FFD 設(shè)備。 端點（ endpoint） 端點是一個 8 位的字段，描述一個射頻端所支持的不同應(yīng)用。端點 0x00 用于尋址設(shè)備配置文件，這是每個 ZigBee 設(shè)備都必須使用的端點。因此，一個物理 ZigBee 射頻端在端點 0x01~0xf0 上共支持 240 個應(yīng)用，江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 18 頁 即一個物理信道中最多可能有 240 條虛擬的信道。這是一個 64 位的地址，由設(shè)備商固化到設(shè)備中，地址由 IEEE 發(fā)配，當(dāng)然我們現(xiàn)在買到的開發(fā)板芯片上的IEEE 地址一般應(yīng)該為全 F，這是一個無效地址，就是說這個芯片還沒有分配地址拉。 第二類 Zigbee 地址是所謂的網(wǎng)絡(luò)地址，也就叫做短地址。每一個地址就只是了一個目標(biāo)設(shè)備。這是一個 8 位的邏輯地址。 Zigbee 的通信其實就是由叫做簇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在終端之間傳播構(gòu)成的。 每一個應(yīng)用都對應(yīng)一個配置文件 (Profile)。在 zigbee 協(xié)議中，一個配置文件中允許最多 2^16 個設(shè)備 (16 位表示 )， 2^8 個 簇 ，每個 簇 支持最多約 2^16 個屬性。在ZigBee2021 中，只有通過協(xié)調(diào)器才能發(fā)起綁 定，即只有協(xié)調(diào)器能建立綁定表，而 ZigBee2021 中，綁定機制在所有的設(shè)備中被執(zhí)行。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 20 頁 第四章 ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)和原理 ZigBee 體系結(jié)構(gòu) ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實體則提供所有其他的服務(wù)。 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的分層架構(gòu)是在 OSI 七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場和應(yīng) 用的實際需要定義的。 ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）和應(yīng)用層框架（ APL）的設(shè)計。下圖 為 ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)圖： 圖 ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)圖 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 21 頁 網(wǎng)絡(luò)層的原理 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC層正常工作，并未應(yīng) 用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU）即網(wǎng)絡(luò)層的幀結(jié)構(gòu)如下圖所示： 表 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包幀格式 字節(jié)： 2 2 2 1 1 0/8 0/8 0/1 變長 變長 幀控制 目的地址 源地址 廣播半徑域 廣播序列號 IEEE目的地址 IEEE源地址 多點傳送控制 源路由幀 幀的有效載荷 網(wǎng)絡(luò)層幀頭 網(wǎng)絡(luò)層的有效載荷 （ 1） .幀控制域中包括幀類型，協(xié)議版本，發(fā)現(xiàn)路由，源路由，廣播，地址，安全和保留位。 （ 3） .廣播半徑域，僅當(dāng)目的地址為廣播地址（ 0xffff）時，廣播半徑和廣播序列江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 22 頁 號才存在。每個設(shè)備接收到一次該幀，廣播半徑即減 1。 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)功能 ZigBee 設(shè)備在工作時，各種不同的任務(wù)在不同的任務(wù)在不同的層次上執(zhí)行，通過層的服務(wù)，完成所要執(zhí)行的任務(wù)。每個事件由服務(wù)原語組成，它將在一個用戶的某一層，通過該層的服務(wù)接入點與建立對等連接的用戶的相同層之間傳送。 在調(diào)用下層服務(wù)時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要了解如何處理原語的。 （ 2） Confirm：確認原語本層用于響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。 （ 4） Response：響應(yīng)原語用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。 原 語 遵循 “ SAP 名稱 — 原 語功 能 . 原 語類 型 ”的 書寫 規(guī) 則， 如 ：“ ”表示 MLMESAP 提供的關(guān)聯(lián)請求原語。網(wǎng)路層的功能包括網(wǎng)絡(luò)的維護，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，路由的選擇以及廣播通信，下面我們來一一介紹。 網(wǎng)絡(luò)維護之建立網(wǎng)絡(luò) ZigBee 協(xié)調(diào)器具有建立一個網(wǎng)絡(luò)，維護鄰居設(shè)備表，對邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進 行分配，允許設(shè)備 MA