毕业设计（论文）-基于zigbee无线无线网络系统设计.doc

摘要zigbee是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。本文介绍了基于ieee 802.15.4的无线网络协议zigbee的主要特征和应用领域，并且根据其特点，利用单片机和chipcon公司的cc2420实现了基于zigbee的无线网络应用。 关键词：ieee 802.15.4 无线网络协议 zigbee cc2420 目录 1.引言-4-2.zigbee技术简介-5-3.zigbee技术特点-5-4.zigbee协议栈结构.-7-5.zigbee网络拓扑结构-9-6.数据传输机制-10-7.网络配置-10- 8.芯片选择-11-9.rf收发芯片cc242.-13- 10.配置寄存器实际系统需要做的配置.-15-11.结论-16- 12.参考文献-17-13.致谢-18-引言 zigbee技术并不是完全独有的、全新的标准，它的物理层、mac层和数据链路层采用了ieee802154（无线个人区域网）协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。基于zigbee技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地1。同时，zigbee规范与协议日臻完善2。从zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求3。zigbee是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议。zigbee协议的一些应用包括建筑自动化网络、建筑安防系统、工业控制网络、远程抄表以及pc外设。与其他无线协议相比，zigbee无线协议提供了低复杂性、缩减的资源要求，最重要的是它提供了一组标准的规范，并提供了三个工作频带，以及一些网络配置和可选的安全功能。 zigbee技术简介zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是zigzag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前zigbee也被称为“homerf lite”、“rf- easylink”或“firefly”无线电技术，目前统称为zigbee。 简单的说，zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于cdma和gsm网络。zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移动通信的cdma网或gsm网不同的是，zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个zigbee网络节点(ffd)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(rfd)无线连接。zigbee技术特点 zigbee技术主要用于无线个域网（wpan），是基于ieee802.15.4无线标准研制开发的。ieee802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制（media access control，mac）层；zigbee联盟则在ieee 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。zigbee联盟成立于2001年8月，该联盟由invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和qos（服务质量）要求不高的无线通信应用场合。zigbee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，zigbee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：(1)低功耗：这是zigbee的一个显著特点。由于工作周期短、传输速率低，发射功率仅为lmw，以及采用了休眠机制，因此zigbee设备功耗很低，非常省电。据估算，zigbee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。(2)低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了zigbee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且zigbee协议是免专利费的。低成本对于zigbee也是一个关键的因素。(3)时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。(4)传输范围小：在不使用功率放大器的前提下，zigbee节点的有效传输范围一般为10-75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。(5)网络容量大:根据zigbee协议的16位短地址定义，一个zigbee网络最多可以容纳65535个节点，而且还可以通过64位的ieee地址进行扩展，因此zigbee网络的容量是相当大的。(6)数据传输速率低：2.4ghz频段为250kb/s，915mhz频段为40kb/s，868mhz频段只有20kb/s。(7)可靠:采取了免冲撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。媒体接入控制子层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 图1(8)安全:zigbee提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用高级加密标准 (advanced encryption standard，aes)进行加密，各个应用可以灵活确定其安全属性。zigbee协议栈结构 zigbee协议栈结构（图2）是基于标准osi七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。图2 zigbee 协议栈ieee802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4ghz物理层和868/915mhz物理层。两者均基于直接序列扩频（directsequencespread spectrum，dsss）技术。868mhz只有一个信道，传输速率为20kb/s；902mhz928mhz频段有10个信道，信道间隔为2mhz，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用bpsk调制。2.4ghz2.4835 ghz频段有16个信道，信道间隔为5mhz，能够提供250kb/s的传输速率，采用o-qpsk调制。为了提高传输数据的可靠性，ieee 802.15.4定义的媒体接入控制（mac）层采用了csma-ca和时隙csma-ca信道接入方式和完全握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到zigbee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。物理层物理层提供的服务是由硬件和软件共同实现的，定义了物理无线信道(对于24ghz频段，有16个信道，编号为11-26)和mac子层之间的接izl，提供物理层数据服务(plde)和物理层管理服务(plme)。通过该接1：3可以唤醒层管理服务功能，同时也负责维护与物理层相关的一些管理对象的数据库(pib)。物理层通过物理层数据服务接入点(pdsap)和物理层管理实服务接入点fplmesap)与mac层通信，pdsap支持在对等的mac层实体间进行mac协议数据单元传送，plmesap则在mac层管理实体之间提供管理命令的传送。物理层主要完成如下任务：1无线收发机的激活与关闭：2当前信道的能量检澳1(energy detect，ed)；3接受数据包的链路质量标识(lqi)；4为载波侦听多路访问冲突防_flz(csmsca)提供空闲信道评估(cca)：5工作信道选择；6数据发送和接收。信道能量检测为网络层提供信道选择依据，其值取值范围是0x000xff。它主要测量目标信道中接受信号的功率强度，链路质量标识为网络层或应用层提供接受数据帧无线信号的强度和质量信息。mac层与物理层类似，mac层也包括管理实体(mlme)和数据实体(mlde)。mac层管理实体提供可以唤醒mac层管理服务的服务接口，同时也维护一个与mac层相关的管理对象数据库(mib)。mac层与物理层之间通过plmesap和pdsap进行通信，通过mac数据实体服务点(mldesap)和mac层管理实体服务接入点(mlmesap)向qlt务相关子层提供mac层数据和管理服务。另外，mac层能支持多种llc标准，通过业务相关会聚子层(sscs)协议承载8022类型的llc标准。mac层功能如下：1当节点为网络协调器时，产生信标(beacon)帧；2在信标帧之间进行同步；3支持个人区域网(pan)的关联与解关联；4支持节点安全机制；5对信道接入使用csmaca机制；6处理和维护有保证的时隙(gts)机制；7在两个对等的mac实体问提供可靠的链接。zigbee中的mac和物理层协议是网状网络的应用基础，高容错和低功耗的特点能保证网状网络所必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络白组特性。而且对于经典的隐藏终端和暴露终端问题、协议的接入公平性问题、服务质量问题等都有良好的解决。在网状网络中，mac层的传输调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，影响网络层路由性能，所以网络层必须感知mac层性能的变化，才可以自适应的方式改变路由，改善网络性能。网络层网络层对于zigbee协议栈非常重要，每一个zigbee节点都包含网络层，zigbee网络层主要实现组建网络，为新加入网络访分配地址、路由发现、路由维护等。另外网络层还提供一些必要的函数，确保zigbee的mac层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口，这种结构使得网状网络的应用基本能够实现。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为网络数据服务实体(nlde)和管理服务实体(nlme)。nlde通过网络层数据服务实体服务接入点(nlmesap)提供数据传输服务，网络层管理实体(nlme)通过网络层管理实体服务接入点(nlmesap)提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息庠(nibl的维护和管理。应用层zigbee 应用层由三个部分组成：应用子层(aps)、zdo(包含zdo管理寸骨)和制造商定义的应用对象(app obj)。aps通过蚓络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全午口绑定提供服务，可以适配不同但兼容的霄点，并且提供了这样的接口：在nwk层和apl层之间，从zdo到供应商的应用对象的通用服务集。zigbee中的应_|j框架(apl framework)是为驻扎在zigbee节点巾的应用对象提供活动的环境。最多可以定义240个相对独立的应用程序对象(zdo)，任何个对象的端点编号从l到240，端点号0固定用于zdo数据接口，应用程序可以通过这个端点与zigbee怫议栈的其它层通信：另外一个端点255固定用于所有应用对象广播数数据的数据接口功能。端点241254保留(给为了扩展使片)，用户不能使用1451。 zigbee网络拓扑结构ieee802.15.4和zigbee协议中明确定义了三种拓扑结构:星型结构(star)、网状结构(mesh)和簇树结构 (clustertrec)，如图3 图3.zigbee网络拓扑结构在星型网络结构中，zigbee协调器负责整个网络的控制，无其它路由节点，zigbee终端设备直接与zigbe。协调器通信，终端设备间的通信则需通过协调器转发。这是最简单的拓扑结构，网络通信范围十分有限，单独使用这种拓扑结构的情况很少。在网状网络和簇树型网络中，zigbee协调器负责网络的建立和初始参数设定，网络都可以通过zigbee路由器进行扩展。但是，在簇树型网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息，并且通常是基于信标(beacon)的通信模式。而在网状网中则是完全对等的点对点通信，路由器不会定期发送信标，仅在网内设备要求时对其单播信标。对于簇树型网络，其通信路由相对单一，骨干网络中一旦有路由节点瘫痪，则相应区域就进入通信瘫痪状态，要等待该部分网络重组后，才能恢复通信。但是，簇树型网定期发送信标，使网内节点能做到很好的同步，便于节点定期进入休眠状态，降低功耗，延长网络寿命。在网状网中情况则恰好相反，完全的点对点通信使路由有多种选择，提高了网络的容错性，但是不定期发送信标使网络中节点很难达到同步，必须采取别的手段来实现，如广播。因此，网状结构与簇树结构的层次融合，必定是zigbee网络拓扑结构的一个发展方向。 数据传输机制传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确切机制随网络类型的不同而有所不同。在无信标的星型网络中，当终端设备想要发送数据帧时，它只需等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将帧发送到协调器。如果协调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询该数据为止。此方法确保终端设备的接收器是被开启的，而且可从协调器接收数据。 在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收。 网络配置zigbee无线网络可采用多种类型的配置。 星型网络配置由一个协调器节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设备）组成。协调器是实现了一组很多zigbee服务的一种特殊的全功能设备（ffd）。终端设备可能是ffd或简化功能设备（rfd）。rfd是最小而且最简单的zigbee节点。它只实现了一组最小的zigbee服务。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。 群集网络配置也是zigbee使用的一种网络配置结构。在群集网络中，终端设备既可以选择和协调器通信，也可以和路由器（router）通信。路由器有两个功能：一是增加网络中的节点数量，二是扩大网络的物理范围。有了路由器后，终端设备就不必安装在协调器的有效射频范围内。和任何网络一样，zigbee网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。有两种类型的多点接入机制。在没有使能信标的网络中，只有信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送。在使能了信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标知为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。芯片选择cc2420是chipcon as公司推出的首款符合2.4ghz ieee802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于zigbee产品的rf器件。它基于chipcon公司的smartrf 03技术，以0.18um cmos工艺制成 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。cc2420的选择性和敏感性指数超过了ieee802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。 cc2420的主要性能参数如下 ： 工作频带范围：2.4002.4835ghz； 采用ieee802.15.4规范要求的直接序列扩频方式； 数据速率达250kbps码片速率达2mchip/s； 采用o-qpsk调制方式； 超低电流消耗（rx:19.7ma,tx:17.4ma）高接收灵敏度（-99dbm）； 抗邻频道干扰能力强(39db)； 内部集成有vco、lna、pa以及电源整流器采用低电压供电(2.13.6v)； 输出功率编程可控； ieee802.15.4 mac层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit crc校验、电源检测、完全自动mac层安全保护(ctr,cbcmac,ccm)； 与控制微处理器的接口配置容易(4总线spi接口)； 开发工具齐全提供有开发套件和演示套件； 采用qlp-48封装，外形尺寸只有77mm。芯片内部结构cc2420芯片的内部结构如图所示。天线接收的射频信号经过低噪声放大器和i/q下变频处理后，中频信号只有2 mhz,此混合i/o信号经过滤波、放大、ad变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。 发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据ieee802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到da变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4 ghz，并经放大后送到天线发射出去。图4.cc2420芯片的内部结构图5.cc2420射频模块优势利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小,适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为家庭自动控制、工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等提供了理想的解决方案。 rf收发芯片cc2420cc2420是chipcon公司推出的首款符合2.4ghzieee802.15.4标准的射频收发器。该器件是第一款适用于zigbee产品的rf器件。它基于chipcon公司的smartrf03技术，以0.18um cmos工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。cc2420的选择性和敏感性指数超过了ieee 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。 cc2420只需要极少的外围元器件,其典型应用电路如图6所示。 图6. cc2420典型应用电路 它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗,使其输入输出阻抗为,同时为芯片内部的pa及lan提供直流偏置。cc2420可以通过线spi总线（si、so、sclk、csn）设置芯片的工作模式，并实现读写缓存数据，读写状态寄存器等。通过控制fifo和fifop管脚接口的状态可设置发射接收缓存器。注意：在spi总线接口上进行的地址和数据传输大多是msb优先的。cc2420片内有个比特状态设置寄存器，在每个寄存器的读写周期中，si总线上共有比特数据，分别为：比特ram寄存器选择位（：寄存器,：ram），比特读写控制位（：写,：读），比特地址选择位、比特数据位。在数据传输过程中csn必须始终保持低电平。另外，通过cca管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过sfd管脚状态的设置可以控制时钟定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。p;如前所述，cc2420是一款符合ieee802.15.4标准的rf收发芯片。cc2420硬件支持一部分ieee802.15.4数据帧格式。数据帧格式示如图7所示。 图7.数据帧格式同步头包括前导序列和开始帧分隔符。在cc2420中,前导序列长度和开始帧分隔符是可以配置的。默认值4字节和1字节是符合ieee802.15.4协议的。物理头为1字节，帧控制和序列号分别为2字节和1字节，地址包括个人区域网身份识别号码、目的地址和源地址共6字节，待发数据段长度为帧长度减去地址和帧校验序列。当modemctrl0.autocrc控制位置位时，这个帧校验序列自动产生2字节，并由cc2420硬件自动插入。配置寄存器实际系统需要做的配置（1）cc2420 内部寄存器的设置：cc2420内部有33个16位结构寄存器和15个命令脉冲寄存器以及2个8位访问独立的发射和接收缓冲器的rxfifo、txfifo寄存器。这些寄存器在芯片复位时都已设置了一些初始值。例如：mdmctrl0.autocrc自动循环冗余校验；iocfg0.fifop_thr设置rxfifo缓冲器中字节门限值；battmon.battmon_e电池监控使能；txctrl.pa_level输出功率编程(输出功率单位为dbm)；in0.xosc16m_bypass使能外部晶体振荡器等。实际使用时,应根据需要对初始值进行修改。 （2）初始化：定义信息包传输的基本格式；定义单片机和cc2420的端口；打开电压调节器，复位cc2420，开启晶体振荡器，写入所有必须的寄存器和地址识别(为自动地址识别准备)，注意晶体振荡器应该一直处于工作状态。寄存器设置如下：sxoscon打开晶体振荡器；mdmctrl0=0x0af2打开自动应答；mdmctrl1=0x0500；设置关联门限值为20；iocfg0=0x007f设置fifop门限至最大值128；secctrl0=0x01c4关闭安全使能。 （3）缓冲发送模式：使用ieee802.15.4媒介访问控制层数字格式和短地址发送一个信息包。使能发送，当信道评估显示信道空闲时，使能校准然后发送；当没有字节写入，txfifo缓冲器发出下溢指示状态位和下溢脉冲，发送自动停止。ctrl1.tx_mode=0；stxon使能发送；stxoncca信道估计显示信道空闲，使能校准然后发送；sflushtx当没有字节写入，txfifo缓冲器发出下溢脉冲；txctl=0xa0ff发射最大电流为1.72ma。 （4）缓冲接收模式：先使能信息包接收和fifop中断，通过fifop中断服务程序接收信息包，其中rxfifo缓冲器溢出和不合法信息包格式都有中断服务程序处理，信息包接收采用cc2420自动应答。寄存器设置如下：dmctrl1.rx_mode=0；srxon使能接收；sflushrxrxfifo缓冲器溢出，复位解调器；rxctrl0=0x12e5低噪声放大器增益中等。 结论 本文介绍了zigbee网络节点设计要求、性能特点与构建框架和较为详尽的设计过程;给出了外围电路的设计以及实际设计出的实物和元器件参数。另笔者在实现此系统的过程中发现，无线网络的链路层、应用层协议的性能是制约无线传感网络的关键因素。另外，制作电路板时，应采用四层板，外围器