（通信与信息系统专业论文）基于zigbee技术的无线网关设计.pdf

基于z ig b e e 技术的无线网关设计 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字：i 三冬裕 拯如 锄砺 “ 少曼一 一 嗍8川5洲08 一 2 一 舢8 一 1 一 y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；垫遗直墓他盂要挂剔座明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名玛私畸签字日期：猁口年么月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：勇私) 茅 导师签字： 捌奇 签字日期：o x * 口年易月 日 签字日期：年月日 基于z ig b e e 技术的无线网关设计 摘要 近年来，随着无线通信技术和嵌入式系统等技术的发展，各种新技术相互交 叉融合，涌现出了许多用于数据信息获取、处理的新产品、新模式和新技术， z i 曲e e 技术便是其中的一种。z i 曲e e 无线通信技术基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准，作 为一种新兴的无线通讯协议，其具有低复杂度、近距离、低功耗、低成本等特点， 被广泛应用于工业控制、医疗、智能楼宇系统、消费电子等领域，具有极大的市 场发展潜力，并有望成为主流无线通信技术之一。 随着z i 曲e e 技术的发展，人们越来越多的需要通过1 1 1 t e r n e t 获取z i 曲e e 传 感器网络采集的数据或通过i l l t e m e t 对z i 曲e e 传感器网络实现远程控制。因此， 设计一种用以满足上述需求的无线网关，用以实现z i 曲e e 网络与i n t 锄e t 互联互 通，成为亟待解决的问题之一。而无线局域网( w u 蝌) 由于不受布线条件的限 制，并且传输速度快，从而使人们可以方便快捷的接入h l t e r n e t ，目前已得到越 来越广泛的应用，所以我们选择其作为接入1 1 1 t e r n e t 的方式。 本文基于嵌入式系统、z i g b e e 技术和w i f i 无线宽带技术等几方面的热点技 术，设计实现了一种基于a r m 的嵌入式z i g b e e 无线网关，本网关用于完成z i 曲c e 协议与w i f i 的协议转换，以实现z i g b e e 网络与h l t e m e t 的互联互通。 本设计在对z i 曲e e 协议进行深入研究的基础上，以嵌入式“i m x 操作系统 和a r m9 开发板为平台，完成了嵌入式网关主要三部分的设计：完成了硬件电 路的设计，包括主要功能模块的选取和接口电路设计；同时开发了相关模块的设 备驱动程序与用户应用软件，最终实现了无线网关的功能。最后，通过上、下链 路的网络通信测试对网关功能进行了检验，测试结果表明嵌入式网关完成了其协 议转换功能，达到了预期的设计目标。 关键字：嵌入式系统，l m u x ，z i g b e e ，w i - f i ，无线网关 t h e d e sig no fwir eie s sg a t e w a yb a s e do n zig b e et e c h n oio g y a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，嬲t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a n de m b e d d e ds y s t e m ，s e v e r a lk i n d so fn e wt e c h n o l o g i e sc o m b i n e dw i t he a c ho t h e r l e a dt os o m en e wm e t h o d s ，m o d e l sa n dt e c n o l o g i e st o g e ta n dp r o c e s sd a t a i n f o r m a t i o n ，z i g b e ei so n eo ft h o s en e wt e c h n o l o g i e s z i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi sb a s e do ni e e e8 0 2 15 4s t a n d a r d s ，a san e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，i th a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wc o m p l e x i t y , s h o r td i s t a n c e ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wc o s t ，w h i c hc a nb ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o l ， m e d i c a l ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n gs y s t e ma n dc o n s u m e re l e c t r o n i c s t h u sh a sag r e a t m a r k e td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l a st h ed e v d o p m e n to fz i g b e et e c h n o l o g y , t h e r ea l em o r ea n dm o r en e e d st og e t d a t ac o l l e c t i n gf i o mz i g b e es e n s o rn e t w o r ko rt or e m o t ec o n t r o l l i n gt h ez i g b e es e n s o r n e t w o r kt h r o u g hi n t e m e t s od e s i g naw i r e l e s sg a t e w a yt om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s a b o v ea n dt or e a l i z ez i g b e en e t w o r ka n di n t e m e ts h a r e dd a t aw i t he a c ho t h e rb e c o m e a nu r g e n tp r o b l e mt ob er e s o l v e d b e c a u s eo ft h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kd o e s n t c o n s t r a i n e db yw i r i n ga n dh a sh i 曲t r a n s m i s s i o ns p e e d ，s ot h a tp e o p l ec a na c c e s s i n t e r n e te a s i l ya n dq u i e k yt h r o u g hw l a n i ti sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e da n dw e c h o o s ei ta st h ew a yt oa c c e s si n t e m e t i nt h i st h e s i s ，b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，w i - f iw i r e l e s sw i d e - b a n dt e c h n o l o g i e s a n dz i g b e et e c h n o l o g i e s ，w ed e s i g n e da na r mb a s e de m b e d d e dz i g b e ew i r e l e s s g a t e w a y , w h i c hi su s e dt ot r a n s f o r mp r o t o c o l sb e t w e e nz i g b e ea n dw i - f i ，r e a l i z et h e i n t e r - c o n n e c t i n gb e t w e e nz i g b e en e t w o r ka n di n t e r a c t b a s e do ni n - d e p t hr e s e a r c ho fz i g b e ep r o t o c o l ，t h r e ep a r t so ft h i sg a t e w a ya r e d e s i g n e da n dd e v e l o p e du n d e rt h ee m b e d d e dl i n u xo sa n da r md e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f h a r d w a r ec i r c u i tb o a r d ，s u c ha st h es e l e c t i o no ft h e m a i nm o d u l e sa n dt h ed e s i g no ft h e i n t e r f a c ec i r c u i t d e v e l o p m e n to ft h er e l a t e d i i m o d u l e sd r i v e rp r o g r a m s ，a n du s e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r e , r e a l i z et h ef u n c t i o no ft h i s w et e s tt h ef u n c t i o no f g a t e w a yt h r o u g hu pa n dd o w nl i n kn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e s t i n g s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee m b e d d e dg a t e w a yc o u l d c o m p l e t e t h ep r o t o c o lc o n v e r s i o na n da c h i e v et h ed e s i r e dd e s i g ng o a l s k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , l i n u x ，z i g b e e ，w i - f i ，w i r e l e s sg a t e w a y m 目录 1 绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1z i g b e e 技术国内外发展现状3 1 2 2 近距离无线通信技术发展现状4 1 3 其他关键技术7 1 3 1 嵌入式系统7 1 3 2l i n u x 设备驱动程序8 1 4 研究内容与论文安排1 0 2z i g b e e 无线通信技术综述1 1 2 1z i g b e e 无线技术概述1 l 2 2z i g b e e 网络拓扑结构1 3 2 3z i g b e e 协议规范1 5 2 3 1 物理层( p h y ) 1 6 2 3 2 媒体接入控制层( m a c ) 1 7 2 3 3 网络层( n w k ) 2 0 2 3 4 应用层( a p l ) 2 2 2 4z i g b e e 无线技术应用2 3 3 系统硬件设计2 5 3 1 系统硬件结构总体设计2 5 3 2 主要功能模块的选取与介绍2 6 3 2 1e p 9 3 0 1 微处理器2 6 3 2 2z i g b e e 无线收发模块2 7 3 3 接口电路设计2 9 3 3 1f l a s h 存储器接口电路设计2 9 3 3 2s d r a m 接口电路设计3 0 3 3 3j t a g 接口电路设计3 l 3 3 4r s 2 3 2 串口电路设计3 2 4 系统软件设计3 4 4 1 软件总体设计3 4 4 2 建立交叉开发环境3 5 4 3b o o t l o a d e r 的编译与移植3 7 4 4l i n u x 操作系统内核移植4 1 4 4 1l i n u x 内核配置与编译4 1 4 4 2 内核对f l a s h 分区的配置4 3 4 4 3 文件系统的建立4 4 4 4 4l i n u x 内核与r a m d i s k 映像文件的烧写4 7 4 5l i n u x 下驱动程序开发4 8 i v 4 5 1l i n u x 下设备驱动程序模型4 8 4 5 2z i g b e e 无线收发模块驱动程序开发5 0 4 6 嵌入式网关数据收发程序设计5 7 4 6 1 嵌入式网关上行链路程序设计5 8 4 6 2 嵌入式网关下行链路程序设计6 1 4 7 嵌入式网关测试与分析6 2 5 总结与展望6 4 5 1 总结6 4 5 2 进一步工作和展望6 4 参考文献：6 6 致谢6 8 个人简历6 9 攻读硕士期间发表的学术论文6 9 v 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 1 绪论 1 1 课题研究背景 伴随着i n t c r n e t 的普及、无线通信技术的日新月异和嵌入式技术的发展，智 能家居系统、智能公交、智能小区等词汇越来越多的进入我们的视线，但它们却 迟迟没有真正走进我们的生活。要使这些新技术能够最终成为我们生活的一部 分，必须要有两个基本条件：智能化的设备和合适的无线通信技术。时至今日， 嵌入式技术的发展与成熟使设计各种智能化设备成为了现实，但一种可以用于工 业控制、家居自动化控制及遥测遥控等领域的无线通信技术却迟迟没有出现，使 得这些新技术仍不能真正走进我们的生活。 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组，致力于定义一种供廉价的 固定、便携或者移动设备使用，且复杂度、成本和功耗均很低的无线连接技术。 2 0 0 3 年5 月，i e e e8 0 2 1 5 4 标准获得批准，它定义了网络的物理层( p h y s i c a ll a y e r , p h y ) 和媒体访问控制子层【l 】( m e d i a a c c e s sc o n t r o ls u bl a y e r , m a c ) 。在这一标 准的基础上，z i g b e 圯协议在2 0 0 4 年1 2 月应运而生，它依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准， 在z i g b e e 传感器之间互相协调地实现通信。由于这些传感器只需要很少的能量， 以接力的方式将数据通过无线电波从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的 工作效率非常高，问世之后逐渐成为了无线传感器网络的首选网络协议。 z i g b e e 是一种短距离、低功耗、低复杂度、低速率、低成本的无线网络技术 【2 1 ，这个名字来源于蜜蜂以z i g z a g 形状的舞蹈来与其他蜜蜂进行信息的交流，故 以此作为新一代无线通信技术的命名。z i g b e e 技术在工业控制、家居自动化控制 及遥测遥控等领域与其他无线通信技术相比，z i g b e e 在成本控制、功耗和复杂度 之间达到了一种更好的平衡，我们有理由相信，z i g b e e 技术的出现将使得智能家 居系统、智能公交、智能小区等技术真正成为现实。随着z i g b e e 技术的普及， z i g b e e 网络也必将逐步成为我们生活中不可或缺的一部分，例如，在工业控制自 动化领域，工作人员可以通过z i g b e e 网络实现对厂房内不同区域的控制，及时 得到设备的运行状况信息；在智能楼宇系统中，人们可以通过z i g b e e 网络对大 楼的空调、电梯、照明灯设备进行控制和检测，并提供语音通信、电子邮件等方 面的信息服务；在智能家居系统中，人们可以通过z i g b e e 网络实现防盗报警、 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 远程抄表、远程医疗诊断及室内电器的自动控制管理等。 但同时我们也应该注意到，z i g b e e 网络具有传输速率低、距离短、抗干扰能 力差等弱点，其应用范围一般局限于仓库、楼宇、家庭等小范围内，那么如何使 i n t e m e t 网络上的其他用户能够实时地获得z i g b e e 网络采集到的数据，实现 z i g b e e 网络与i n t e m e t 的融合成为亟待解决的问题。无线局域网作为一种应用广 泛的通信技术，为解决这个问题提供了一种思路。 无线局域网是无线通信技术与计算机网络技术相结合的产物，它是一种通过 无线传输方式将小范围区域内的通信设备连接到一起的通信网络。i e e e8 0 2 1 l 是电气和电子工程师协会( i e e e ) 于1 9 9 7 年发布的一个无线局域网标准，主要 用于局域网中用户与用户终端之间的无线接入，这也是在无线局域网领域内第一 个在国际上被认可的协议【3 1 。i e e e8 0 2 1 1 系列标准经过一段时间的发展，已经 衍生出多个版本的标准，即8 0 2 1 l b w g 标准簇，它们根据使用领域的不同在技 术特性和性能方面等各不相同。其中i e e e8 0 2 1 1 b 协议由于其具有传输速度快、 可靠性高、覆盖范围广、组网成本低等优点成为我们实现z i g b e e 网络与i n t e m e t 融合的选择。 8 0 2 1 l b 即无线局域网w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 于1 9 9 9 年9 月通过了i e e e 的批准，它工作于2 4 g h zi s m 频带，能够支持5 5 m b p s 和11 m b p s 的传输速率。8 0 2 1 i b 协议定义了用于在无线局域网之间进行通信的物理层和媒 体访问控制子层。8 0 2 1 i b 协议体系结构如图1 - 4 所示【4 】。 高层 逻辑链路控制( l l c ) 子层 ，r 一 数据l 链d l 路层i 媒体访问控制( m a c ) 子层 l 8 0 2 1 i b 1 5 m s 8 6 8 9 15 m h z ：1 1 信道数 2 4 g ：1 6 寻址方式6 4b i ti e e e 地址，8b i t 网络地址 信道接入c s m a c a 和时序化的c s m a c a 温度4 0 8 5 z i g b e e 技术的主要优点有【1 6 】【1 7 】： ( 1 ) 省电：z i g b e e 传输速率低，其传输的数据量也少，所以信号的收发时间 短，工作周期短。并且z i g b e e 在非工作模式时，会处于休眠状态，当从休眠模 式转换到工作模式时，启动时间一般仅需要1 5 m s 。所以z i g b e e 是十分省电的， 通常情况下，一节普通的5 号碱性电池能支持z i g b e e 长达6 个月到2 年左右的 时间。 ( 2 ) 可靠度高：z i g b e e 的m a c 层采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽 的通信业务保留了专用的时隙，避免了数据发送时的竞争和冲突。同时采用了完 全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须由接收方确认收到并进行确认 回复，这种机制大幅提高了信息传输的可靠度。 ( 3 ) 成本低：模块的成本很快就能降到1 5 美元到2 美元之间，并且z i g b e e 协议是免专利费的。 ( 4 ) 低速率：z i g b e e 网络工作在2 0 - 2 5 0 k b p s 的低速率，分别提供2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z ) 、4 0 k b p s ( 9 15 m h z ) 和2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) 的原始数据吞吐率，满足低速率 传输数据的应用需求。 ( 5 ) 安全性高：z i g b e e 提供了三级安全模式，包括安全设定、使用接入控制 1 2 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a e s1 2 8 ) 的对称密码，以灵活确定 其安全属性。 ( 6 ) 协议复杂度低：z i g b e e 协议栈平均起来其他8 0 2 1 1 协议的四分之一，这 种简化大大降低了系统成本，提高了系统的可交互性和可维护性。同时，i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层的使用使其可以支持许多现在已经被广泛使用的频段，使得 z i g b e e 协议具有了更旺盛的生命力。 ( 7 ) 网络容量大：一个z i g b e e 网络最多可包括2 5 5 个z i g b e e 网络节点，其中 一个作为主控设备，其余则是从属设备。通过网络协调器，整个网络最多可支持 超过6 5 0 0 0 个z i g b e e 网络节点。 ( 8 ) 时延短：通常在1 5 m s 到3 0 m s 之间。 2 2z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 定义了两种相互配合使用的物理设备，分别是全功能设备和削减功能 设备： 全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 可以支持任何一种拓扑结构，可以 作为路由器、网络协调器或者终端节点，同时具备控制器的功能，可以和任何一 种设备通信。 削减功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，i 心d ) 只支持星型拓扑结构，不能 成为网络协调器或者路由器，可以与其进行通信。 z i g b e e 联盟制定的协议规范中将设备类型则进一步分为三种：z i g b e e 网络协 调器( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 、z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e r ) 和z i g b e e 终端设备 ( z i g b e ee n dd e v i c e ) 。前两种均为f f d ，z i g b e e 终端设备则对应r f d 。 z i g b e e 网络协调器：每一个网络都有且仅有一个z i g b e e 网络协调器，网络 协调器是建立网络的起点，负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、维护 节点之间的绑定关系等，需要最多的存储空间和运算能力。z i g b e e 网络协调器必 须是f f d ，同时具有路由和数据转发的功能，并周期性的发出信标帧。 z i g b e e 路由器：路由器与网络协调器一样，必须是f f d 。其主要作用是扩 展网络以及负责数据的路由。它同时还可以作为网络中的待用父节点，允许更多 的设备连接进网络。 1 3 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 终端设备：终端设备可以是f f d ，也可以为r f d 。终端设备只能与父节点 通信，不具备成为父节点或者路由器的能力，具体的数据路由则全部交给父节点 以及网络中具有路由功能的协调器或路由器，一般情况下用作网络的边缘设备， 与实际的监控对象相连。 协议器节点 路由节点 。终端节点 图2 - 1z i g b e e 网络拓扑结构 由上述三种节点，z i g b e e 可以组成三种网络拓扑结构，即星型网( s t a r ) 、 树状网( t r e e ) 和网状网( m e s h ) 。 星型网( 图2 1 a ) 是最简单的拓扑结构，由一个网络协调器和多个终端设 备组成，但不包含路由器节点。只存在网络协调器和终端设备之间的通信，终端 设备之间要进行通信，只能通过网络协调器进行转发。星型网通常用于结点数量 比较少的场合。 树状网( 图2 1 - b ) 常使用基于信标的通信模式，由一个网络协调器和一个 或多个星型网连接而成，路由器采取分级路由策略传输数据与控制信息，终端设 备只能与自己的父节点或子节点进行点到点通信，其他必须通过树状路由完成数 据传输。 网状网( 图2 1 c ) 一般由若干个f f d 连接在一起形成，它们之间的通信是 完全对等的，每一个节点都可以与其他节点通信。网状网是一种可靠性很高的网 络，并且具有“自恢复”的能力，它为数据的传输提供了多条线路，一旦其中一条 线路出现了故障，则可以选择其他线路进行数据通信。但网状网的缺点是需要更 多的空间开销。 由上可看出这三种拓扑之间的关系，即星型网是树状网的子集，树状网是网 状网的子集。 1 4 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 2 3zig b e o 协议规范 i e e e8 0 2 1 5 工作组定义了蓝牙等几种不同的短距离无线传输技术，但在使 用中人们发现蓝牙等无线传输技术存在协议复杂度大、功耗高、组网范围小等缺 点。i e e e8 0 2 1 5 4 标准的出现弥补了这一缺点，其重点集中在低速率个人无线 网络( l 1 0 w n ) 上。 i e e e8 0 2 15 4 标准定义了p h y 层和m a c 层两层，z i g b e e 联盟在此基础上 完成了对网络层协议和a p i 的标准化，确定了可以在不同制造商之间共享的应 用纲要。z i g b e e 协议体系结构【1 8 】如图2 2 所示。z i g b e e 的出现填补了低成本、低 功耗和低速率无线通信市场的空缺，它不仅带来了大量的新应用，而且也给现有 的应用增加了新的价值，作为一个全球标准，z i g b e e 为实现无所不在、随时随地 的无线通信网络创造了重要的条件。 应用层接口a p i 安全 3 2 4 6 4 4 1 2 8 位加密 网络层 媒体接入控制 m a c 层 物理层( p h y ) 8 6 8 m h z 915 m h z 2 4 g m h z i 锚 l 8 凛4 图2 - 2z i g b e e 协议体系结构 z i g b e e 协议相对比较紧凑和简单，具体实现的要求很低，总体上可以划分为 物理层( p h y ) 、媒体介入控制子层( m a c ) 、网络层( n w k ) 、应用层( a p l ) 和安全服务提供层( s s p ) 。它虽然是基于标准的开放式系统互联( o s i ) 模型， 但仅对那些涉及z i g b e e 的层进行定义。其中，应用层框架包含了应用支持子层 ( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和由制造商制定的应用对象。每一层都为其 上层提供特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部 1 5 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 其他所有服务。每一层为服务通过服务接入点( s a p ) 为上一层提供服务接口，每 个s a p 提供了一系列基本服务原语来实现相应的功能【1 9 1 。 2 3 1 物理层( p h y ) 物理层定义了物理信道及其与m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务 和物理层管理服务，主要是在驱动程序的基础上，实现数据的传输和管理。物理 层数据服务负责从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务负责维护一个物理 层相关数据组成的数据库【2 0 1 。 物理层的参考模型如图2 3 所示，其中物理层管理实体负责处理与物理层管 理相关的服务原语；物理层p i b 是物理层个域网( w 蝌) 数据库，负责存储物理 层个域网的相关属性；数据服务接入点为物理层的数据访问点，负责接收将要发 送的m a c 帧数据，向m a c 层提交接收到的m a c 帧；物理层实体服务接入点 为物理层的服务访问点，负责接收m a c 层的管理服务原语，同时向m a c 汇报 管理指示原语和服务确认原语，向m a c 提供物理层管理服务。 图2 - 3 物理层参考模型 针对不同的国家和地区，z i g b e e 提供的工作频率也不同，i e e e8 0 2 1 5 4 提 供了两个物理层标准，分别是8 6 8 9 1 5 m h z 物理层和2 4 g h z 物理层。为了避免 干扰，这两种标准都是基于直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s ) 技术，可使用的信道分别有l 、1 0 、1 6 个，各自提供2 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 的传输速率，8 6 8 9 1 5 m h z 频段采用二进制移相键控( b p s k ) 调制方式，2 4 g h z 频段采用1 6 相位正交调制技术( o q p s k ) 调制方式，其传输范围介于1 0 1 0 0 m 1 6 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 之间。这两种标准除了在工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率方面有 所不同外，均使用相同的物理层数据包格式。 物理层主要实现以下的功能： 表2 - 2 物理层数据包帧结构 4 字节l 字节1 字节最大1 2 7 字节 前导码帧界定符 帧长( 7 字节)预f l ( 1 字节) p s d u 同步头物理层包头物理层载荷 ( 1 ) 收发数据包：如表2 2 所示，每个物理层数据包包含三个基本部分：一个 同步包头( s h r ) ，允许接受设备同步和锁定比特流；一个物理层包头( p h r ) ， 包含帧长信息；一个可变长度的载荷，用来承载m a c 子层帧。同步包头由前同 步码( 前导码) 和数据包( 帧) 定界符组成，用于进行符号同步、扩频码同步和帧同 步；物理层包头中的帧长度域标记了载荷部分的长度，o 4 字节和6 7 字节长度 规定保留，5 字节长度的帧作为m a c 层协议数据单元的确认帧，8 1 2 7 字节长 i度的帧为m a c 层协议数据单元；物理层载荷用于承载m a c 层的数据包，最大 载荷长度为1 2 7 字节。 ( 2 ) 激活和休眠射频收发器。 ( 3 ) 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ，e d ) ：主要负责测量目标信道中接受信号 的功率强度，为网络层提供信道选择依据。 ( 4 ) 清除信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ：i e e e8 0 2 1 5 4 定义了 三种空闲信道评估模式。第一种是简单判断信道中的信号强度，如果低于一个特 定的阈值就认为信道是空闲的；第二种是通过判断无线信号的特征，包括扩频信 号特征和载波频率；第三种是前两种方式的结合使用，通过判断信号强度和无线 信号特征来判断信道是否空闲。 ( 5 ) 信道选择：i e e e8 0 2 1 5 4 规定了三种无线信道 ( 6 ) 数据链路质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ：为网络层和应用层提 供接受数据帧时无线信号的强度以及信号质量的相关信息。 2 3 2 媒体接入控制层( m a c ) m a c 层负责设备之间无线数据传输链路的建立、维护和终结。m a c 层提供 1 7 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务，m a c 层数据服务保证m a c 层协议数据单元在物理层数据服务中能够正确的收发，m a c 层管理服务维护一 个存储m a c 子层协议状态相关的数据库。m a c 层参考模型如图2 - 4 所示。 图2 - 4 m a c 层参考模型 表2 3 给出了m a c 层各功能实体和s a p 的描述。 表2 3m a c 层各功能实体和s a p 的描述 功能实体和s a p 相关描述 实现m a c 的一般功能，如m a c 层帧的封装、解封装、执行c s m a - c a m a c 公共部分子层 算法共享物理信道。 m a c 层个域网信息库用于存储m a c 层个域网的相关属性 负责处理数据原语外的所有管理原语，以实现标准规定的m a c 层功 m a c 层管理实体 能如超帧管理、信标帧同步、创建网络、建立和释放网络关联等。 m a c 公共部分子层负责为上层提供m a c 数据服务 服务接入点 m a c 层管理实体负责接收发送除数据原语外的管理服务原语，为上层提供m a c 管理 服务接入点服务。 根据标准的定义，m a c 层主要完成以下六个方面的功能【2 l 】： ( 1 ) 协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步。 ( 2 ) 支持p a n 网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作，关联操 作是指当一个设备企图加入一个特定的个域网时，向协调器注册以及身份验证的 过程，取消关联是指设备注销注册，退出网络的过程。 1 8 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 ( 3 ) 支持信道通信安全。在i e e e8 0 2 1 5 4 中，以m a c 帧为单位提供了四种安 全服务，分别为访问控制、数据加密、帧完整性检查和顺序更新。为了适应不同 的应用，设备可以在无安全模式、访问控制列表模式或安全模式中选择一种。 ( 4 ) 使用c s m a c a 机制共享物理信道。 ( 5 ) 支持时隙保障g t s ( g u a r a n t e e dt i m es 1 0 0 机制。 ( 6 ) 为两个对等的m a c 实体提供可靠的数据链路。 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议帧结构的设计原则是保证网络在有噪音的信道上 可以足够健壮的传输的同时将网络的复杂性降到最低。这种m a c 层的设计，不 但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗管理。 每个m a c 子层的帧【2 2 】t 2 3 3 f 1 3 _ - 部分组成：帧头、m a c 子层负载和帧尾。 帧头由2 字节的帧控制信息、1 9 节帧序列号和最多2 0 字节的地址信息组成， 帧控制信息指明了m a c 帧的类型、地址信息的格式以及是否需要对方发送确认 信息等控制信息；帧序列号包含了发送方帧的顺序，用于匹配确认帧，实现m a c 子层的可靠传输；地址域采用的寻址方式可以是1 6 位的短地址( z i g b e e 网络地 址) ，也可以是6 4 位的长地址( m e em a c 地址) 。 - m a c 子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。 帧尾是帧头和负载数据的1 6 位c r c 校验序列。 m a c 层的帧结构如表2 4 所示。 表2 4 m a c 层帧结构 2 字节 i 字节0 ，2 字节0 2 8 字节0 2 字节0 2 8 字节可变2 字节 目的p ：删源p a n 标 目的地址源地址 f c s 帧控制序列号 标识符识符 帧负载 地址域 m h r ( m a c 层帧头)m f r i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层定义了4 种基本的帧类型：信标帧、数据帧、应答帧 和m a c 命令帧。其基本功能如下： 信标帧：供协调器使用，用于网络同步； 数据帧：承载所有交换的数据； 应答帧：确认帧的顺利传送，保证传输的可靠性； 1 9 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 m a c 命令帧：由m a c 自身产生，用来处理m a c 对等实体之间的控制传送等 其他功能。 2 3 3 网络层( n w k ) 网络层是z i g b e e 协议栈的核心部分，z i g b e e 网络层构建在m a c 层的基础上， 提供建立网络、连接网络、断开网络等网络维护功能，实现了多跳路由、按需路 由发现等功能，能够在任意设备之间传输数据。同时，提供一些必要的函数，确 保m a c 层的正常工作，并为应用层提供合适的服务接口。具体的功能包括： ( 1 ) 设计连接和断开网络时采用的机制和帧传输过程中所采用的安全机制； ( 2 ) 设备间的路由发现与维护； ( 3 ) 在网状网络中负责路由寻址，并且存储路由表； ( 4 ) 发起一个网络并分配网络地址( z i g b e e n 络协调器) ； ( 5 ) 对发送的数据进行加密； ( 6 ) 提供网络的路由，保证节点之间的同步。 表2 - 5 网络层帧结构 字节：222llo 8o 8o l可变可变 m e e 目的广播广播 e e 多点 源地址目的源路帧的有效 帧控制地址半径域序列号源地址传送 地址 由帧载荷 路由信息 网络层帧报头网络层负荷 网络层帧结构【2 4 】如表2 5 所示，网络层帧结构由两个基本部分组成：网络层 帧报头，包括帧控制、地址和序列信息；网络层帧的可变有效载荷，包含帧类型 所指定的信息。在z i g b e e 网络协议中，定义了两种类型的网络层帧，分别是数据 帧和网络层命令帧，其中网络层命令帧又分为路由请求命令帧、路由回答命令帧、 路由失败命令帧和离开网络命令帧等。 基于z i g b e e 技术的无线网关设计 网络层数据实体服务接 入点( n l d e s a p ) 网络层管理实体胡艮务接 入点( n l m e s a p ) 网络层数据实体以网络层管理实体 ( n l d e ) 厂 ( n l m e ) m a c 公共部分子层胡艮 务接入点( m c p s s a p ) m a c 层管理实体服务 接入点( m l m e s a p ) 图2 5 网络层层参考模型 网络层模型如图2 5 所示，为了给应用层提供合适的接口，网络层用数据服 务和管理服务这两个服务实体来提供必要的功能。网络层数据实体( n l d e ) 通 过相关的服务接入点( s a p ) 来提供数据传输服务，即n l d e s a p ；网络层管理 实体( n l m e ) 通过相关的服务接入点来提供管理服务，即n u e s a p 。n l m e 利用n l d e 来完成一些管理任务和维护网络信息数据库( n e t w o r ki n f o r m a t i o n b a s e ，n m ) 。 ( 1 ) 网络层数据实体( n l d e ) n l d e 提供数据服务，一个应用可以在两个或多个设备之间来传输应用协议 数据单元( a p p l i c a t i o np r o t o c o ld a t au n i t s ，a p d u ) ，这些设备必须处于同一个 网络中。n l d e 会提供以下的服务类型： a 通用的网络层协议数据单元( n p d u ) 。 b 特定的拓扑路由。 ( 2 ) 网络层管理实体( n l m e ) n l m e 提供管理服务，允许一个应用和z i g b e e 栈相连接。n l m e 提供