畢業(yè)設(shè)計(jì)---zigbee無線路由器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　學(xué) 院 電氣與信息工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名

2、 </p><p>　　班級(jí)學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p><b>　　二零一一年六月</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文

3、</p><p>　　Zigbee無線路由器的設(shè)計(jì)</p><p>　　The ZigBee Wireless Router Design</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　ZigBee是一種網(wǎng)絡(luò)容量大，節(jié)點(diǎn)體積小，架構(gòu)簡單，低速率，低功耗的無線通信技術(shù)。由于節(jié)點(diǎn)體積小，且能自動(dòng)組網(wǎng)，所以布

4、局十分方便。網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自愈能力，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效都不會(huì)影響整體，特別適合用來組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，而這里的一個(gè)重要邏輯設(shè)備就是ZigBee無線路由器，起中繼轉(zhuǎn)發(fā)的作用。zigbee技術(shù)由ZigBee聯(lián)盟開發(fā)，這是一個(gè)由原始設(shè)備制造商，技術(shù)供應(yīng)商和半導(dǎo)體產(chǎn)商加盟的組織。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個(gè)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)被稱作IEEE 802.15.4（ZigBee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。</p>&

5、lt;p>　　ZigBee技術(shù)的應(yīng)用前景被看好。在未來的幾年里，它將在工業(yè)控制，工業(yè)無線定位，家庭網(wǎng)絡(luò)，汽車自動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化，消費(fèi)電子，醫(yī)用設(shè)備控制等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛的應(yīng)用。特別是家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制將成為今后ZigBee芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　本文將對(duì)應(yīng)用開發(fā)的軟件核心ZigBee協(xié)議棧的組成結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹，完成ZigBee無線路由器的硬件設(shè)計(jì)和軟件配置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制燈的路由功

6、能演示實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)中采用了CC2430EB開發(fā)板和Altium designer，IAR Embedded Workbench for MCS 51等軟件開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議棧；無線路由器；IEEE 802.15.4；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　ZigBee is

7、 a kind of Wireless communications technology ，the network capacity is large, the nodal point volume is small, the structure is simple, low speed rate and low-power.Because the nodal point volume is small, and it can org

8、anize the network automatically, so Layout is very convenient.The network has very strong capability of automatic heal, the lapse of the whichever nodal point can't effected whole, specially suited to be used to orga

9、nize a Wireless Sensor Network, an important logic equ</p><p>　　The ZigBee technology's application foreground is been optimistic about. In the next few years, it will realize the widespread application

10、 in the industrial control, the industry wireless localization, the family network, the autocar automation, the building automation, the consumer electronics, the medical device control and so on many domains. Specially

11、 the household automation and the industrial control will become the ZigBee chip main application domain from now on. </p><p>　　This article will introduce ZigBee Protocol stack of the Application developme

12、nt 's software core ,composition structure and the method to carry on, that completes the hardware design and the software disposition of the ZigBee wireless router , realizes the light switch control for routing fun

13、ction demonstration experiment. This design use CC2430EB evaluation board , Altium designer and IAR Embedded Workbench for 8051.</p><p>　　Keywords：ZigBee Protocol stack; wireless router; IEEE 802.15.4;</p

14、><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2 ZigBee技術(shù)2</p><p>　　1.2.1 ZigBee技術(shù)的發(fā)展2&l

15、t;/p><p>　　1.2.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.3 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)3</p><p>　　1.3選題的目的和意義4</p><p>　　1.4 本文的工作內(nèi)容5</p><p>　　第二章 IEEE 802.15.4通信層6</p><p>

16、;　　2.1 物理層（PHY）6</p><p>　　2.1.1 無線信道的分配6</p><p>　　2.1.2 物理層的主要功能7</p><p>　　2.1.3 IEEE 802.15.4的調(diào)制方式8</p><p>　　2.1.4 PPDU格式9</p><p>　　2.1.5 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收1

17、0</p><p>　　2.2 介質(zhì)訪問控制層規(guī)范（MAC）10</p><p>　　2.2.1 信標(biāo)和非信標(biāo)模式11</p><p>　　2.2.2數(shù)據(jù)傳送模式12</p><p>　　2.2.3 MAC層通用幀格式13</p><p>　　第三章 ZigBee的基本概念和基本術(shù)語16</p>

18、<p>　　3.1 ZigBee的基本術(shù)語16</p><p>　　3.1.1 設(shè)備類型(Device Types)16</p><p>　　3.1.2 端點(diǎn)（endpoint）17</p><p>　　3.1.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的三類地址18</p><p>　　3.1.4 屬性（attribute）18<

19、/p><p>　　3.1.5 簇（cluster）19</p><p>　　3.1.6 配置文件(profile)19</p><p>　　3.1.7 綁定（binding）19</p><p>　　第四章 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)和原理20</p><p>　　4.1 ZigBee體系結(jié)構(gòu)20</p

20、><p>　　4.2 網(wǎng)絡(luò)層的原理21</p><p>　　4.2.1 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)21</p><p>　　4.3 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)功能22</p><p>　　4.3.1 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)之建立網(wǎng)絡(luò)23</p><p>　　4.3.2 .怎樣加入網(wǎng)絡(luò)25</p><p>　　4.3.3 怎樣離開

21、網(wǎng)絡(luò)26</p><p>　　4.4 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的發(fā)送與接送27</p><p>　　4.4.1各層幀結(jié)構(gòu)的構(gòu)成29</p><p>　　4.5 路由選擇29</p><p>　　4.5.1 路由成本29</p><p>　　4.5.2 路由表30</p><p>　　4.5.3 路

22、由選擇30</p><p>　　4.6 網(wǎng)絡(luò)層的地址分配32</p><p>　　4.7 基本路由算法33</p><p>　　4.7.1 路由函數(shù)34</p><p>　　第五章 ZigBee無線路由器硬件設(shè)計(jì)37</p><p>　　5.1 主電路設(shè)計(jì)37</p><p>　　5

23、.1.1 CC2430外圍電路設(shè)計(jì)37</p><p>　　5.1.2.電源電路與上電復(fù)位電路38</p><p>　　5.1.3.串口電路38</p><p>　　5.1.4.按鍵電路39</p><p>　　5.1.5.LED顯示39</p><p>　　5.1.6 排針引出調(diào)試端口和部分芯片引腳40&

24、lt;/p><p>　　5.2 PCB的設(shè)計(jì)40</p><p>　　第六章 ZigBee無線路由器的軟件設(shè)計(jì)41</p><p>　　6.1 操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）41</p><p>　　6.1.1 OS術(shù)語41</p><p>　　6.1.2 協(xié)議棧的架構(gòu)42</p><p>

25、　　6.1.3 Z-Stack 相關(guān)的IAR 工程選項(xiàng)設(shè)置45</p><p>　　6.2 Z-Stack 軟件架構(gòu)46</p><p>　　6.2.1 任務(wù)的初始化和處理函數(shù)47</p><p>　　6.2.2 任務(wù)的調(diào)度48</p><p>　　6.3 時(shí)間管理API52</p><p>　　6.4 建立

26、自己的應(yīng)用53</p><p>　　6.4.1 設(shè)備信息配置56</p><p>　　6.4.2 協(xié)調(diào)器的建網(wǎng)59</p><p>　　6.4.3 綁定60</p><p>　　6.4.4 綁定解除61</p><p>　　6.5 路由功能演示61</p><p>　　第七章 協(xié)議分

27、析儀的使用64</p><p>　　7.1 協(xié)議分析儀64</p><p>　　7.2 燈開關(guān)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)捕獲64</p><p><b>　　結(jié) 語67</b></p><p><b>　　致 謝68</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)69</

28、p><p><b>　　附 錄70</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)已逐漸成為無線通信技術(shù)的一個(gè)重要分支。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，存在著許多這樣的應(yīng)用

29、需求，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。如采用傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，雖然能滿足上述要求，但存在著設(shè)備的成本高、體積大和能源消耗較大、組網(wǎng)困難等問題。針對(duì)這樣的應(yīng)用場合，人們更希望利用具有低成本、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無線通信技術(shù)。</p><p>　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小，成本低，具有無線通信，傳感，數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳

30、感單元，處理單元，收發(fā)單元，電源單元等功能模塊組成。</p><p>　　在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感節(jié)點(diǎn)被布置在整個(gè)觀測區(qū)域中，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合后傳給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰的節(jié)點(diǎn)接力傳送的方式傳送回基站。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，各國都非常重視無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力

31、推進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，波士頓大學(xué)還創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)（sensor network consortium）,美國《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無線傳感器列入其中。在“中國未來20年技術(shù)預(yù)見研究”中共157個(gè)技術(shù)課題，其中7項(xiàng)式直接論述傳感網(wǎng)絡(luò)的。</p><p>　　本文主要研究具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、大容量、高可靠度、高安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)——Zig

32、Bee技術(shù)，并給出CC2430的硬件設(shè)計(jì)，協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，路由算法的流程，以及協(xié)議棧各層的詳細(xì)介紹。</p><p>　　1.2 ZigBee技術(shù)</p><p>　　1.2.1 ZigBee技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會(huì)通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達(dá)信息的方式。

33、借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名?！『唵蔚恼f，Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。</p><p>　　ZigBee是一種新興的短距離，低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF lite”或“FireFly”無線技術(shù)，

34、主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。</p><p>　　2002年下半年，英國Invensys公司,日本三菱電子，Motorola和Philips等國際知名的大公司宣布加入ZigBee聯(lián)盟，該聯(lián)盟已有好幾百家成員企業(yè)，并仍在發(fā)展壯大。</

35、p><p>　　1.2.2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　從2003年12月，CHIPCON推出業(yè)界第一款ZigBee收發(fā)器CC2420以來，各大半導(dǎo)體廠家可謂百家爭鳴，先后推出許多款ZigBee收發(fā)芯片，其中仍然以CHIPCON最受關(guān)注。2004年12月，推出全球第一個(gè)IEEE 802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)（SoC）解決方案----CC2430無線單片機(jī)，該款芯片內(nèi)部集成了一

36、顆增強(qiáng)型的8051內(nèi)核以及業(yè)內(nèi)性能卓越的ZigBee收發(fā)器CC2420。2005年12月，CHIPCON再接再厲，推出內(nèi)嵌定位引擎的ZigBee/IEEE 802.15.4 解決方案CC2431。</p><p>　　2006年2月TI公司收購CHIPCON公司，以壯大其在RF行業(yè)的龍頭地位。之后TI在發(fā)布的ZigBee收發(fā)器以及無線單片機(jī)上進(jìn)行不斷的修訂，也陸續(xù)開發(fā)出具有針對(duì)性的開發(fā)系統(tǒng)，并于2006年10月把

37、其自身的MSP430處理器用于對(duì)于ZigBee收發(fā)器的控制。2008年2月，推出第二代ZigBee/IEEE 802.15.4收發(fā)芯片CC2520 ，2008年4月推出ZigBee協(xié)處理器CC2480，2008年6月推出2.4G放大芯片CC2591。 對(duì)于ZigBee的協(xié)議棧，2004年12月ZigBee 1.0標(biāo)準(zhǔn)(又稱為ZigBee2004)敲定，之后于2005年9月公布并提供下載。于2006年12月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂，推出ZigB

38、ee 1.1版(又稱為ZigBee2006)。ZigBee 1.1較原有ZigBee 1.0作了若干修改，例如新增ZCL(ZigBee Cluster Library)、群化式裝置(Group Device)、多播(Multicast)功效、直接透過無線方式(Over The Air；OTA)進(jìn)行組態(tài)配置，此外也移除了KVP(Key Value Pair)的信</p><p>　　在國內(nèi)上，嵌入式無線開發(fā)工具供應(yīng)

39、商成都無線龍通訊科技有限公司從2005年就開始對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，并相繼跟隨芯片發(fā)展步伐推出相關(guān)ZigBee開發(fā)工具，如ZigBee2004開發(fā)系統(tǒng)C51RF-3-JKS；ZigBee2006開發(fā)系統(tǒng)C51RF-3-PK；ZigBee2007開發(fā)系統(tǒng)C51RF-CC2520-PK；ZigBee協(xié)處理器CC2480開發(fā)工具ARMRF2-STR911。國內(nèi)各所大學(xué)出版的圖書教材有，北京航空航天大學(xué)出版社出版<無線網(wǎng)絡(luò)入

40、門與實(shí)戰(zhàn)>>；<無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)>>；<<ZigBee2007/ PRO協(xié)議棧實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐>>；</p><p>　　1.2.3 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　ZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbi

41、t/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù),ZigBee具有如下特點(diǎn):</p><p>　　（1）.省電：兩節(jié)五號(hào)電池即可實(shí)現(xiàn)長達(dá)六個(gè)月到兩年的使用時(shí)間。工作模式下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短；在非工作狀態(tài)下，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。</p><p>　?。?）.

42、可靠：采用了避免碰撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　?。?）路由技術(shù)：路由技術(shù)是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的基礎(chǔ)，也是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。與一般的蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)不同，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要專門的路

43、由協(xié)議進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)操作。</p><p>　?。?）.時(shí)延短：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。</p><p>　?。?）.網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。</p><p>　?。?）.安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128.</p><p>　?。?）.

44、高保密性：64位出廠編號(hào)和支持AES-128加密。</p><p>　　1.3選題的目的和意義</p><p>　　ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率及低成本的雙向無線通信技術(shù)，建立在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信．但是在ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)資源有限，數(shù)據(jù)包的傳送通常需要通過多跳通信方式到達(dá)目的

45、端．因此，數(shù)據(jù)包的傳送延遲和節(jié)點(diǎn)的剩余能量成為了路由設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，如何根據(jù)不同的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)高效率的路由選擇算法是實(shí)際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)的一個(gè)主要任務(wù)．</p><p>　　ZigBee設(shè)備主要工作在2．4 GHz頻段上，這一特性決定了ZigBee沒備的傳輸距離有限。為解決這個(gè)問題，必須使用 ZigBee路由器。路由器的主要功能是為經(jīng)過路由器的每個(gè)數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳的路徑，并將該數(shù)據(jù)幀有效的送到目的節(jié)點(diǎn)。好的路由器的

46、設(shè)計(jì)，不僅能擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸距離，還可以可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，大大提高通信速度。</p><p>　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)處于新技術(shù)的前沿，及時(shí)開展這項(xiàng)對(duì)人類未來生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對(duì)整個(gè)國家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。</p><p>　　1.4 本文的工作內(nèi)容</p><p>　　在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，本文首先深入地研究了ZigBee協(xié)議棧 v1.1 (zigb

47、ee 2006)的整體框架和各層的功能再根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備構(gòu)成分別分析了協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧。最后完成對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及ZigBee芯片CC2430的初始化程序等底層驅(qū)動(dòng)的修改與編寫，添加自己的任務(wù)程序。</p><p>　　在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，采用CC2430RF芯片，完成符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB布線、焊接和調(diào)試。</p><p>

48、;　　最后實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制燈功能展示實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)的基本功能。</p><p>　　第二章 IEEE 802.15.4通信層</p><p>　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了協(xié)議棧的最下面兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee直接使用了這兩層，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）架構(gòu)。下面我們具體介紹下這兩層的結(jié)構(gòu)和它們是如何工作的。<

49、;/p><p>　　2.1 物理層（PHY）</p><p>　　物理層定義了物理無線信道和與MAC層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)與物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。</p><p>　　2.1.1 無線信道的分配</p><p>　　ZigBee的通信頻率由物理層來規(guī)范。

50、ZigBee對(duì)于不同的國家和地區(qū)提供不同的工作頻率范圍。它所使用的頻率范圍分別為2.4GHz和868/915 MHz。因此，IEEE 802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915 MHz物理層。兩個(gè)物理層都是基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，其區(qū)別在于工作頻率，調(diào)制技術(shù)，擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率的不同。</p><p>　　通常，ZigBee硬件設(shè)備不能

51、同時(shí)兼容兩個(gè)工作頻率，由于868~868.6MHz頻段，能夠提供20Kb/s的傳輸速率，主要用于歐洲。902~928MHz頻段，能夠提供40Kb/s的傳輸速率用于北美。由于這兩個(gè)頻段上無線信號(hào)的傳播損耗和所受到的無線電干擾均小，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較大的有效通信距離，從而使用較少的設(shè)備即可覆蓋整個(gè)區(qū)域。2400~2483.5MHz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2400M

52、Hz的工作頻率。</p><p>　　IEEE 802.15.4規(guī)范定義了27個(gè)物理信道，信道編號(hào)從0到26，每個(gè)具體的信道對(duì)應(yīng)著一個(gè)中心頻率，這27個(gè)物理信道覆蓋了以上3個(gè)不同的頻段。</p><p>　　這些信道的中心頻率按照如下公式定義(k為信道數(shù))：</p><p>　　Fc =868．3MHz，k=0；</p><p>　　Fc=9

53、06MHz+2(k-1)MHz，k=l，2，…10；</p><p>　　Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，k=1l，12，…26。</p><p>　　2.1.2 物理層的主要功能</p><p>　　物理層功能相對(duì)簡單，主要是在硬件驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理信道的管理。</p><p>　　1. 數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)的發(fā)送

54、和接收；</p><p>　　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(píng)估（clear channel assessment，CCA）等。</p><p>　　物理層主要完成：激活/休眠無線收發(fā)設(shè)備，對(duì)當(dāng)前頻道進(jìn)行能量檢測，鏈接質(zhì)量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（CSMA—CA）進(jìn)行

55、空閑頻道評(píng)估，頻道選擇，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。</p><p>　　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(hào)的功率強(qiáng)度。該檢測本身不進(jìn)行解碼操作，檢測結(jié)果為有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率之和。</p><p>　　鏈接質(zhì)量指示為上層服務(wù)提供接收數(shù)據(jù)時(shí)無線信號(hào)的強(qiáng)度質(zhì)量信息，它要對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行解碼，生成一個(gè)信噪比指標(biāo)。</p><p>　　空閑信道

56、評(píng)估評(píng)判信道是否空閑。IEEE 802.15.4規(guī)范定義了三種空閑信道評(píng)估模式：</p><p>　　1.簡單判斷信道的信號(hào)能量，當(dāng)信號(hào)能量低于某一門限值時(shí)就認(rèn)為信道空閑；</p><p>　　2.判斷無線信號(hào)的特征，該特征包括兩個(gè)方面，即擴(kuò)頻信號(hào)特征和載波頻率；</p><p>　　3.前兩種模式的綜合，同時(shí)檢測信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)特征，判斷信道是否空閑。</p&

57、gt;<p>　　圖2.1 物理層結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　由2.1圖所示，其中 無線射頻服務(wù)接入點(diǎn)是由驅(qū)動(dòng)程序提供的接口，而數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)是物理層提供給上層即MAC層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，物理層實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)式物理層給MAC層提供的管理服務(wù)接口。</p><p>　　2.1.3 IEEE 802.15.4的調(diào)制方式</p><p>　　圖 2.2 2

58、.4G調(diào)制和擴(kuò)展模塊</p><p>　　如上圖2.2所示，2.4G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(hào)（symbol），每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)又被映射成32位偽隨機(jī)噪聲數(shù)據(jù)碼片（chip）。數(shù)據(jù)碼片采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移技術(shù)（O-QPSK）調(diào)制。每片的形狀如同半個(gè)正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道傳送。每個(gè)信道占用半個(gè)片碼偏移周期。如下圖2.3所示</p><

59、p>　　圖2.3 傳送符號(hào)0片碼序列時(shí)的I/Q相位 Tc=0.5us</p><p>　　2.1.4 PPDU格式</p><p>　　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。</p><p>　　同步包頭由前同步碼和數(shù)據(jù)包（幀）定界符組成，用于獲取符號(hào)同步，擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整。</p>&

60、lt;p>　　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)。如果數(shù)據(jù)包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）攜帶MAC層的幀信息（即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。</p><p>　　表 2.1 物理層數(shù)據(jù)包格式</p><p>　　2.1.5 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收</p><p>　　基于802.15.4的

61、CC2430/2431無線收發(fā)模塊，其無線核心部分是一個(gè)基于CC2420射頻收發(fā)器。</p><p>　　CC2430的無線接收器是一個(gè)低中頻的接收器。接收到的射頻信號(hào)通過低噪聲放大器和正交降頻轉(zhuǎn)換到中頻。在中頻2MHz中，當(dāng)ADC模塊轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入正交調(diào)相信號(hào)被過濾和放大。</p><p>　　CC2430的無線發(fā)送器是基于上變頻。接收數(shù)據(jù)存放在一個(gè)接收先進(jìn)先出（區(qū)別于發(fā)送先進(jìn)先出）的數(shù)據(jù)

62、緩沖區(qū)內(nèi)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)符和開始符由硬件生成。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)出去。</p><p>　　CC2430的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通過先進(jìn)先出（FIFO）的方式來接收128位數(shù)據(jù)。使用先進(jìn)先出讀取數(shù)據(jù)需要通過特殊功能寄存器接口。內(nèi)存和先進(jìn)先出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移動(dòng)使用DMA方式來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　注：在絕大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，推薦使用存儲(chǔ)器直接存取(DMA)在存儲(chǔ)器和無線模塊之間傳送

63、數(shù)據(jù)。RADIO DMA 觸發(fā)與無線模塊有關(guān)，該觸發(fā)支持 DMA控制器。下列兩個(gè)事件使該觸發(fā)有效： </p><p>　　●當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)存入 RXFIFO，即當(dāng) RXFIFO 從空狀態(tài)變成非空狀態(tài)時(shí)； </p><p>　　●當(dāng)數(shù)據(jù)通過 SFR 寄存器的 RFD，從 RXFIFO 中讀出時(shí)。</p><p>　　CRC校驗(yàn)使用硬件實(shí)現(xiàn)。接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSS

64、I）和相關(guān)值添加到幀中。在接收模式可以用中斷來清除通道評(píng)估（CCA）。</p><p>　　2.2 介質(zhì)訪問控制層規(guī)范（MAC）</p><p>　　MAC層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。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(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫。</p><p>　　MAC層的主要功能包括如下7個(gè)

65、方面：</p><p>　　1.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀（beacon）；</p><p>　　2.設(shè)備與信標(biāo)同步；</p><p>　　3.支持RAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作；</p><p>　　4.為設(shè)備的安全性提供支持；</p><p>　　5.信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪問機(jī)制（CSMA-CA）；&

66、lt;/p><p>　　6.處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙機(jī)制（GTS）；</p><p>　　7.在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。</p><p>　　2.2.1 信標(biāo)和非信標(biāo)模式</p><p>　　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)（Beacon）和非信標(biāo)（Non-beacon）兩種模式。</p><p>

67、;　　信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許終端設(shè)備進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器 和所有路由器 設(shè)備必須長期處于工作狀態(tài)。 </p><p>　　信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間（一般在 15ms-4mins 之間）向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽內(nèi)發(fā)送

68、。該超幀結(jié)構(gòu)的格式是由網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器來定義，而超幀結(jié)構(gòu)的大小邊界是由網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)所設(shè)定，一個(gè)超幀結(jié)構(gòu)包含了16個(gè)相同大小的時(shí)隙。在網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備要做通信時(shí)，會(huì)在競爭存取時(shí)間采用開槽的CSMA/CA機(jī)制去對(duì)頻道做競爭。</p><p>　　超幀結(jié)構(gòu)還包含了另一部分叫做無競爭周期，在這部分我們叫做保證時(shí)隙（GTS），采用預(yù)先請(qǐng)求的方式，讓在CFP中配置到GTS的設(shè)備可以不用競爭就可以直接傳送。下圖2.4為無保證時(shí)隙

69、的超幀結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖 2.4 無GTS的超幀結(jié)構(gòu)</p><p>　　非信標(biāo)模式下，ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，終端設(shè)備主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的周期性（周期可設(shè)置）休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點(diǎn)需為自己的終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)

70、入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。</p><p>　　2.2.2數(shù)據(jù)傳送模式</p><p>　　在IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)傳送模式里，存在有三種方式。 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(duì)等器件間傳送數(shù)據(jù)。</p><p>　　1.數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器</p><p>　　在信標(biāo)和非信標(biāo)模式下，主要區(qū)別

71、是器件是否先要從協(xié)調(diào)器獲得信標(biāo)，再通過CSMA/CA來傳送資料。如下圖2.5：</p><p>　　圖2.5 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器</p><p>　　2 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出</p><p>　　在信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器會(huì)利用信標(biāo)中的字段來告知有資料要傳送。而終端器件則是周期性的監(jiān)聽信標(biāo)，如果自己是協(xié)調(diào)器傳送對(duì)象，則該器件利用開槽CSMA/CA將MAC命令請(qǐng)求控制信息傳給

72、協(xié)調(diào)器。</p><p>　　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(qǐng)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。流程圖如下圖2.6：</p><p>　　圖2.6 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出</p><p><b>　　3.對(duì)等數(shù)據(jù)傳送</b></p><p>　　在

73、對(duì)等的PAN中，任一器件可同其射頻范圍內(nèi)的其它器件通信。預(yù)通信的器件要么定時(shí)接收，要么彼此完全同步。</p><p>　　2.2.3 MAC層通用幀格式</p><p>　　MAC幀格式主要是指MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）的格式，主要包括MAC幀頭（MHR），MAC負(fù)載和MAC幀尾（MFR）。如下表2.2所示：</p><p>　　表2.2 MAC幀的通用格式&l

74、t;/p><p>　　IEEE 802.15.4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(rèn)幀和MAC命令幀。</p><p>　　一個(gè)數(shù)據(jù)幀使用哪種地址類型由幀控制字段的內(nèi)容來決定：幀控制中的幀類型用三位二進(jìn)制表示為：000 信標(biāo)幀，001 數(shù)據(jù)幀， 010 應(yīng)答幀，011 MAC命令幀，100~111 保留。</p><p><b>　　1.信標(biāo)幀&l

75、t;/b></p><p>　　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(jìn)行同步，從而使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的成本最低。</p><p>　　表2.3 信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　2.數(shù)據(jù)幀</b></p><p>　　數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)到MAC層的數(shù)據(jù)，它的負(fù)載字段包

76、含上層需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)負(fù)載傳到MAC層時(shí)，被稱為MSDU（數(shù)據(jù)服務(wù)單元）。</p><p>　　表2.4 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.確認(rèn)幀</b></p><p>　　如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請(qǐng)求被置成1，設(shè)備需要回應(yīng)一個(gè)確認(rèn)幀。確認(rèn)幀的序列號(hào)應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號(hào)相同

77、，并且負(fù)載長度應(yīng)該為0.</p><p>　　表2.5 確認(rèn)幀結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　4.MAC命令幀</b></p><p>　　MAC命令幀由于組建WRAN網(wǎng)絡(luò)，傳輸同步數(shù)據(jù)。主要完成三方面的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到PAN網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，分配GTS。</p><p>　　表2.6 MAC命令幀結(jié)構(gòu)<

78、;/p><p>　　第三章 ZigBee的基本概念和基本術(shù)語</p><p>　　3.1 ZigBee的基本術(shù)語</p><p>　　3.1.1 設(shè)備類型(Device Types)</p><p>　　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End-Device(終端設(shè)備)。Zig

79、Bee 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè) Coordinator 以及多個(gè) Router 和多個(gè)End-Device 組成。</p><p>　　圖3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖</p><p>　　上圖3.1是一個(gè)簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖。其中黑色節(jié)點(diǎn)為Coordinator，紅色節(jié)點(diǎn)為Router，白色節(jié)點(diǎn)為End-Device。</p><p>　　1 Coordinator

80、(協(xié)調(diào)器)</p><p>　　協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID(也稱之為 PAN ID，即Personal Area Network ID)，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定(bindings)。</p><p>　　在IEEE 802.15.4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（Ful

81、l- function device，F(xiàn)FD ）和精簡功能設(shè)備（reduced-function device，RFD）。FFD之間以及FFD和RFD之間都可以相互通信；但RFD只能與FFD通信，而不能和其他的RFD通信。</p><p>　　協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備，F(xiàn)FD需要功能較強(qiáng)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。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)成員的身份管理，鏈路狀態(tài)信息的管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功能。</p&

82、gt;<p>　　2 Router(路由器) </p><p>　　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。 </p><p>　　通常，路由器希望是一直處于活動(dòng)狀態(tài)，因此它必須使用主電源供電。但是當(dāng)使用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，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。路由器也屬于全功能設(shè)備。</p&g

83、t;<p>　　3 End-Device(終端設(shè)備) </p><p>　　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(gè)電池供電設(shè)備。通常，終端設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)空間(特別是RAM 的需要)比較小。終端一般是RFD，也可是FFD設(shè)備。</p><p>　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ：ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 分別依次是星狀網(wǎng)絡(luò)，樹（

84、簇）狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　3.1.2 端點(diǎn)（endpoint）</p><p>　　端點(diǎn)是一個(gè)8位的字段，描述一個(gè)射頻端所支持的不同應(yīng)用。每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)可以包含多個(gè)端點(diǎn)。端點(diǎn)0x00用于尋址設(shè)備配置文件，這是每個(gè)ZigBee設(shè)備都必須使用的端點(diǎn)。端點(diǎn)0xff用來尋址所有的活動(dòng)的端點(diǎn)，而0xf1~0xfe暫時(shí)預(yù)留。因此，一個(gè)物理ZigBee射頻端在端點(diǎn)0x01~0x

85、f0上共支持240個(gè)應(yīng)用，即一個(gè)物理信道中最多可能有240條虛擬的信道。</p><p>　　3.1.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的三類地址</p><p>　　第一類是Zigbee IEEE地址，也叫做擴(kuò)展地址。這是一個(gè)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(gè)無效地址，就是說這個(gè)芯片還沒有分配地址拉。可以用Ti

86、的flash編程軟件燒寫一個(gè)IEEE地址。</p><p>　　第二類Zigbee地址是所謂的網(wǎng)絡(luò)地址，也就叫做短地址。這是一個(gè)16位的地址，其中有幾個(gè)特殊的地址：</p><p>　　0xFFFF -這個(gè)一個(gè)對(duì)全網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備進(jìn)行廣播的廣播地址</p><p>　　0xFFFD -如果在命令中將目標(biāo)地址設(shè)為這個(gè)地址的話那么只對(duì)打開了接收的設(shè)備進(jìn)行廣播</p>

87、;<p>　　0xFFFC -廣播到協(xié)調(diào)器和路由器</p><p>　　0xFFFE -如果目的地址為這個(gè)地址的話，那么應(yīng)用層將不指定目標(biāo)設(shè)備，而是通過協(xié)議棧讀取綁定表來獲得相應(yīng)目標(biāo)設(shè)備的短地址</p><p>　　此外的0x0000到0xFFF8都是有效的目的地址。每一個(gè)地址就只是了一個(gè)目標(biāo)設(shè)備。</p><p>　　第三類Zigbee地址是終端（e

88、ndpoint）地址。這是一個(gè)8位的邏輯地址。每個(gè)物理設(shè)備節(jié)點(diǎn)內(nèi)部含有256個(gè)可編址的邏輯終端（endpoint），其中終端0就是ZDO，終端255是個(gè)廣播地址，241-254保留為以后使用。Zigbee的通信其實(shí)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。</p><p>　　3.1.4 屬性（attribute）</p><p>　　屬性（attribute）：設(shè)備之間通信的每一種數(shù)

89、據(jù)像開關(guān)的狀態(tài)或溫度計(jì)值等皆可稱為屬性．每個(gè)屬性可得到唯一的ＩＤ值．</p><p>　　3.1.5 簇（cluster）</p><p>　　簇（cluster）：多個(gè)屬性的匯集形成了簇，每個(gè)簇也擁有一個(gè)唯一的ＩＤ．雖然個(gè)體之間傳輸?shù)耐ǔＪ菍傩孕畔?，但所謂的邏輯組件的接口指的卻是簇一級(jí)的操作，而非屬性一級(jí)．</p><p>　　3.1.6 配置文件(profile

90、)</p><p>　　配置文件(profile)：Zigbee協(xié)議的配置文件是對(duì)邏輯組件及其相關(guān)接口的描述，是面向某個(gè)應(yīng)用類別的公約、準(zhǔn)則．通常沒有程序代碼與配置文件相關(guān)聯(lián)．配置文件定義了屬性ＩＤ與簇ＩＤ，使之看起來就像設(shè)備的某種特性。</p><p>　　每一個(gè)應(yīng)用都對(duì)應(yīng)一個(gè)配置文件(Profile)。配置文件內(nèi)容包括：設(shè)備ID(Device ID)，簇ID(Cluster ID)，屬

91、性ID(Attribute ID)，及AF使用何種服務(wù)類型等信息。在zigbee協(xié)議中，一個(gè)配置文件中允許最多2^16個(gè)設(shè)備(16位表示)，2^8個(gè)簇，每個(gè)簇支持最多約 2^16個(gè)屬性。</p><p>　　3.1.7 綁定（binding）</p><p>　　綁定是控制信息從一個(gè)應(yīng)用層到另一個(gè)應(yīng)用層流動(dòng)的一種機(jī)制。在ZigBee2004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

92、綁定表，而ZigBee2006中，綁定機(jī)制在所有的設(shè)備中被執(zhí)行。它的用法在下文中會(huì)詳細(xì)介紹。</p><p>　　第四章 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)和原理</p><p>　　4.1 ZigBee體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　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(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體

93、都通過服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為上層提供接口，每個(gè)SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)所需的功能。</p><p>　　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(shí)際需要定義的。其中IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層和介質(zhì)訪問控制子層。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(jì)。應(yīng)用框架包括了應(yīng)用支持子層（APS），ZigBee設(shè)備對(duì)象

94、（ZDO）及由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。下圖4.1為ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)圖：</p><p>　　圖4.1 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.2 網(wǎng)絡(luò)層的原理</p><p>　　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。</p><p>　

95、　ZigBee 協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。</p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)層功能： </b></p><p>　　1)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)； 2)網(wǎng)絡(luò)形成； 3)允許設(shè)備連接； 4)路由器初始化； 5)設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接； 6)直接將設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接； 7)斷開網(wǎng)絡(luò)連接； 8)重新復(fù)位設(shè)備； 9)接收機(jī)同

96、步； 10)信息庫維護(hù)。</p><p>　　4.2.1 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)</p><p>　　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：</p><p>　　表 4.1 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包幀格式</p><p>　　（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。</p><p&g

97、t;　?。?）.目的地址，源地址在網(wǎng)絡(luò)層幀中是必須有的，其字節(jié)長度為2。</p><p>　　（3）.廣播半徑域，僅當(dāng)目的地址為廣播地址（0xffff）時(shí)，廣播半徑和廣播序列號(hào)才存在。廣播半徑的長度為1個(gè)字節(jié)。每個(gè)設(shè)備接收到一次該幀，廣播半徑即減1。廣播半徑限定了傳輸半徑的范圍。</p><p>　　4.3 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)功能</p><p>　　ZigBee設(shè)備在

98、工作時(shí)，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)。各項(xiàng)服務(wù)通過服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)事件由服務(wù)原語組成，它將在一個(gè)用戶的某一層，通過該層的服務(wù)接入點(diǎn)與建立對(duì)等連接的用戶的相同層之間傳送。這些服務(wù)原語是個(gè)抽象的概念，它的定義與其它的任何接口無關(guān)。</p><p>　　在調(diào)用下層服務(wù)時(shí)，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。</p><p>

99、　　層與層之間的通信原語可分為四種，關(guān)系如下圖4.2：</p><p>　　圖 4.2 層與層之間的原語通信</p><p>　　（1）Request：請(qǐng)求原語用于上層向本層請(qǐng)求指定的服務(wù)。</p><p>　　（2）Confirm：確認(rèn)原語本層用于響應(yīng)上層發(fā)出的請(qǐng)求原語。</p><p>　?。?）Indication:指示原語由本層發(fā)給上

100、層用來指示本層的某一內(nèi)部事件。</p><p>　?。?）Response：響應(yīng)原語用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。</p><p>　　請(qǐng)求(Request)、響應(yīng)(Response)原語分別由協(xié)議棧中處于較高位置的層向較低層發(fā)起；確認(rèn)(Confirm)、指示(Indication)原語則從較低層向較高層返回結(jié)果或信息。</p><p>　　原語遵循“SAP名稱—

101、原語功能.原語類型”的書寫規(guī)則，如：“MLME-ASSOCIATE.request”表示MLME-SAP提供的關(guān)聯(lián)請(qǐng)求原語。</p><p>　　ZigBee協(xié)調(diào)器具有建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的功能，路由器和終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中提供輕便支持。網(wǎng)路層的功能包括網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，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。這是協(xié)議棧的核心。</p><p>　　4.3.1 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)之建立網(wǎng)

102、絡(luò)</p><p>　　ZigBee協(xié)調(diào)器具有建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)鄰居設(shè)備表，對(duì)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配，允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能；路由器具有維護(hù)鄰居設(shè)備表，對(duì)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配，允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能；所有ZigBee設(shè)備都具有連接和斷開網(wǎng)絡(luò)的功能。</p><p>　　下面我們來理解一個(gè)協(xié)調(diào)器是怎么建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的。</p><p

103、><b>　　1.協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　協(xié)調(diào)器首先通過NLME-NETWORK-FORMATION.request原語。</p><p>　　NLME-NETWORK-FORMATION.request（</p><p>　　Scanchannels，</p><p>　　ScanDurati

104、on,</p><p>　　beaconOrder,</p><p>　　superframeOrder,</p><p>　　BatteryLifeExtension</p><p><b>　　)</b></p><p>　　其中Scanchannels為掃描信道，共32位。最高五位保留低27

105、位表示27個(gè)有效信道，1表示掃面，0表示不掃描。 ScanDuration為16位整型，表示掃描每個(gè)信道的時(shí)間長度；BeaconOrder位16位整型，表示上層所希望形成的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀序列號(hào)；superframeOrder為16位整型，表示上層所希望形成的網(wǎng)絡(luò)超幀序號(hào)；BatteryLifeExtension為布爾型，如果NLME請(qǐng)求協(xié)調(diào)器支持延長電池壽命的模式初始化，則設(shè)為TURE，否則為FALSE。</p><p&

106、gt;　　建網(wǎng)過程如下圖4.3：</p><p>　　圖4.3 建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)流程圖</p><p>　　2. 當(dāng)建網(wǎng)過程開始后，網(wǎng)絡(luò)層將首先請(qǐng)示MAC層對(duì)協(xié)議所規(guī)定的信道或物理層所默認(rèn)有效信道進(jìn)行能量檢測掃描，以檢測可能的干擾。為實(shí)現(xiàn)能量檢測掃描，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層通過發(fā)送掃描類型參數(shù)設(shè)置為能量檢測掃描的MLME-SCAN.request原語到MAC層進(jìn)行信道能量檢測掃描，掃描結(jié)果通過MLME-S

107、CAN.confirm原語返回。</p><p>　　3.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體收到成功的能量檢測掃描結(jié)果后，將以遞增的方式對(duì)所測量的能量值進(jìn)行信道排序，并且拋棄那些能量值超出了可允許能量水平的信道有待進(jìn)一步處理。</p><p>　　4. 在相應(yīng)的處理結(jié)束之后ProcessMlmeScanConfirm函數(shù)將通過調(diào)用MLME-ScanRequest函數(shù)來發(fā)起MLME-SCAN．request原

108、語操作，原語中的ScanType參數(shù)將被設(shè)置為主動(dòng)掃描，ChannelList參數(shù)將被設(shè)置為可允許掃描的信道列表。這一步執(zhí)行過程主要用來發(fā)現(xiàn)其他的ZigBee設(shè)備。</p><p>　　5.網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體根據(jù)MLME-ScanConfirm函數(shù)返回的結(jié)果將為網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)合適信道PANId。如果不能找到合適信道，則向應(yīng)用層直接返回STARTUP-FAILURE。如果存在合適的信道，就必須為這個(gè)信道選擇一個(gè)PANId

109、，同時(shí)要求這個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符不為廣播PAN標(biāo)識(shí)符0xFFFF并且在網(wǎng)絡(luò)中唯一。PAN標(biāo)識(shí)符的最高兩位被保留為將來使用，因此PAN的標(biāo)識(shí)符應(yīng)該小于等于0x3FFF。</p><p>　　6.當(dāng)PANId被選定后，網(wǎng)絡(luò)層通過發(fā)起MLME-SET.request原語將此值寫入MAC層的macPANId屬性中。</p><p>　　7. 一旦建立了一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層將設(shè)定MAC層屬性macShort

110、Addrcss的值為0x0000。ox0000代表網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的地址。</p><p>　　8.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體選擇網(wǎng)絡(luò)地址后，將通過MAC層發(fā)出MLME-START.request原語開始運(yùn)行新的個(gè)域網(wǎng)，原語中的參數(shù)將根據(jù)NLME-NETWORK-FORMATION.request原語來設(shè)置，根據(jù)信道掃描結(jié)果和所選擇的PAN標(biāo)志符來設(shè)置。啟動(dòng)狀態(tài)通過MLME-START.confirm返回到網(wǎng)絡(luò)層。</p>

111、;<p>　　9.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體收到個(gè)域網(wǎng)啟動(dòng)狀態(tài)后，將向啟動(dòng)ZigBee協(xié)調(diào)器請(qǐng)求狀態(tài)的上層報(bào)告，即通過發(fā)出NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原語來向上層報(bào)告。其原語狀態(tài)參數(shù)為從MAC層的MLME-START.confirm返回的值。</p><p>　　4.3.2 .怎樣加入網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　當(dāng)設(shè)備為協(xié)調(diào)器或路由器時(shí)，才能允許設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)