（微电子学与固体电子学专业论文）基于zigbee的无线智能照明系统的研究.pdf

摘要 随着计算机技术和无线通讯技术的快速发展和人们生活水平的提高，在家庭 生活中使用网络化智能家居系统已经广泛被人们所接受和认可。其中无线通讯技 术与嵌入式系统和l e d 照明灯具相结合的无线智能照明系统作为一个新兴的技 术，以其无需布线、操作简单、可以任意添加和移除灯具等优点得到人们的青睐， 有着广阔的发展前景。 z j g b e e 技术是一种短距离、低速率、低功耗和低成本的无线通讯技术，这 些特点使得该技术弥补了低功耗、低成本和低速率的无线通讯市场的空缺，其应 用前景被十分看好。在未来几年里将在工业无线定位、汽车自动化、工业控制、 消费电子、医用设备控制、家庭照明与楼宇自动化等多个领域具有广泛的应用前 景，特别是家庭自动照明将成为该技术未来主要的应用领域。 本文提出了一套基于z i g b e e 技术的无线智能照明系统的方案，该方案包括 协议栈分析、网络拓扑结构设计、硬件电路设计和应用程序设计等方面。协议栈 分析首先对z i g b e e 使用的协议栈的发展历史做了简单的介绍，然后对协议栈的 体系结构做了逐一分析，包括物理层、m a c 层、网络层、a p s 层、a f 层和z d o 层。网络拓扑方面对几种网络拓扑方式进行了比较，并根据本设计的应用场合选 择了最合适的点对点拓扑方式进行网络布线。硬件设计方面首先对系统整体结构 进行了设计，然后对各个器件的型号进行了选择并给出了电路原理图，最后给出 了射频模块的p c b 版图。应用程序方面根据本系统提出的功能进行了程序上的 设计，包括自动组网、设备绑定、普通照明、定时照明、温度照明和光敏照明等 功能，并采用了u c o s i i 嵌入式系统作为本设计的操作系统。设计了人机图形化 界面，方便用户在计算机上控制整个照明系统的工作。最后对结果进行了验证， 验证结果表明系统能够正常组网工作和实现各种照明方式，性能良好，达到了设 计指标。 关键词：z i g b e e ，智能照明，a r m ，u c o s i i ，人机化图形界面 a b s t r a c t w i t ht h e r 印i dd e v e l o p m e n to f t h e c o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 ya n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n di m p r o v e m e n to fl i v i n g s t a n d a r d ，u s i n gn e t w o r k i n t e l l i g e n th o m es y s t e mh a sb e e nw i d e l ya c c e p t e da n dr e c o g n i z e db yp e o p l e w i r e l e s s i n t e l l i g e n tl i g h t i n gs y s t e mw h i c hc o m b i n e sw 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 ya n d e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g ya n dl e dt o g e t h e ra san e wb o mt e c h n o l o g y h a s a t t r a c t e dp e o p l e se y e si nr e c e n ty e a r sb yt h ec h a r a c t e ro fn ow i r i n ge a s yt oo p e r a t e a n dc a na d do rr e m o v et h el i 曲t sa ta n y t i m e z i g b e et h e c h n o l o g yi saw i r e i e s sc o m m u n i c a t i o nt c c h n o i o g yw h i c hc h a r a c t e r s a r es h o r td i s t a n c e ，l o wp o w e r ，l o wd a t ar a t ea n dl o w p r i c e t h e s ea d v a n t a g e s6 l lt h e b l a n ko ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm a r k e ta n dh a v ea g o o dp r o s p e c t i th a saw i d e u s ei nw i r e l e s sl o c a t i o ni n d u s t r y ，a u t o m o t i v ea u t o m a t i o n ，i n d u s t r i a lc o n 仃o l ，c o n s u m e r e l e c n o n i c s ，m e d i c a ld e v i c ec o n t r o l ，h o m el i g h t i n ga n db u i k i i n ga u t o m a t i o n ，e s p e c i a l l y i ni n t e l l i g e n th o m e l i g h t i n g t h i sa r t i c l eg i v e sa p r o g r a mo fw i r e l e s sl i 曲t i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e e 卸dt h e p r o g r a mi n c l u d e st h ea n a l y s i so ft h ep r o t o c o l ，d e s i g no fn e t w o r ks t l l l c t u r e ，d e s i g no f h a r d w a r ec i r c u i t 锄ds o r w a r e a n a l y s i so fp r o t o c o li n t r o d u c e s t h eh i s t o 巧o ft h e z i g b e ep r o t o c o la n d 锄a i y s et h es t r u c t u r eo ft h ep r o t o c o l ，i n c l u d i n gp h ym a c ， n e t w o r k ，a p s ，a f 如dz d 0 t h ed e s i g no fn 咖o r ks t m c t u r ec o m p a r e st h em a i n s t m c t u r eo ft h en e 觚o r ka n dc h o o s e st h ep o i n tt o p o i n ts t m c t u r ea st h em o s t 印p r o p r i a t es t m c t u r e 1 1 1 ed e s i g no f h a r d w a r ef i r s td e s i g nt h es y s t e ms 仃u c t u r ea n d t h e nc h o o s et h ec h i pa n dd e s i g nt h ec i r c u i t ，a tl a s tg i v et h ep c b l a y e ro fi 冲m o d u l e t h ed e s i g no fs o rw a r ed e s i g nt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，i n c lu d i n gt h ea u t oc r e a t e n e “v o r l ( ，b i n d i n gd e v i c e ，o r d i n a 叫l i g h t i n g ，t i m i n gl i g h t i n g ，t e m p e r a t u i el i g h t i n ga n d p h o t o s e n s i t i v el i g h t i n ga n du s eu c o s i ia st h ee m b e d d e do p e i j a t es y s t e m d e s i g nt h e m a n 。m a c h i n eg r a p h i ci n t e r | a c et h a tu s e rc a n 叩e r a t et h es y s t e m e a s i l y f i n a l l y v e r i f i e dt h er e s u l ta n dt h er e s u l ts h o wt h a tt h es y s t e mc a nw o r ks u c c e s s f u ll y 锄d a c h i v e dt h et a 唱e to ft h ed e s i g n 1 ( e y w o r d s ：z i g b e e ，i n t e l l i g e n tl i g h t i n g ，a r m ，u c o s i i ，g r a p h i ci n t e r f a c e 第一章绪论 第一章绪论 1 1zi 邸e e 技术简介 z i g b e e 技术( 智蜂技术，也被称作h o m e r f 或f i r e f l y 技术) 是一种介于无 线标记技术与蓝牙技术之间的、用于近距离连接的低速率无线网络技术。z i g b e e 这个名字来源于蜜蜂的通信方式，即蜜蜂通过跳z 远z a g 形状的舞蹈来传递各种 信息，如：食物的位置、方向和距离等。蜜蜂的这种通信方式和z i g b e e 的网络 拓扑方式、短距离与低功耗等特点十分相似，所以人们将这种技术命名为z i g b e e 技术【1 1 。 z i g b e e 技术因为其具有以下优点而被广泛应用： ( 1 ) 低功耗：z i 庐e e 技术的最大特点就是低功耗，在工作模式下，由于其数 据传输速率低且每次传输的数据量较小，所以每次的通信时间就较短。而一旦没 有数据传输的时候，z i g b e e 模块就会自动进入休眠状态。以上这些特点导致了 z i g b e e 技术的功耗很低，每个节点在普通电池的支持下可以连续工作长达6 个 月至2 年不等，这也是z i g b e e 技术相对于蓝牙、w i f i 等其他无线通讯技术的最 大优势。同时根据电池的种类、容量和应用场合的不同，z i g b e e 技术在协议上 也进行了优化：对于典型应用场合情况，一节普通碱性电池可以使用数年；对于 某些工作时间很小的情况下，电池寿命可达1 0 年以上【2 1 。 ( 2 ) 高可靠性：由于z i g b e e 技术在m a c 层上采用了t a l k w h e n r e a d y 的防碰 撞机制，使得当节点要传送数据的时候则立刻发送并且要求发送的每一个数据包 都必须得到确认信息，如果节点没有接收到目的节点发送回来的确认信息，就表 示该数据包发生了碰撞，则该节点就会重新发送一次，知道接收到确认信息为止。 这种防碰撞机制提高了信息传输的稳定性和可靠性并且为需要固定带宽的通信 业务预留了相应的通道，避免了发送数据的冲突。 ( 3 ) 高网络扩充性：z i g b e e 网络具有高度的可扩充性。每一个网络可以包括 2 5 5 个网络节点，如果再通过网络协调器扩充，则可达到6 5 0 0 0 个网络节点。而 且每个网络协调器可以互相连接，这使得z i g b e e 技术的网络节点数目大大超过 实际应用所需求的数目。 第一章绪论 ( 4 ) 无线自组织网络：z i g b c e 技术通过采用格栅状的网络拓扑结构使得节点 或接入点无须经过中央交换机节点即可相互通信，这样就可以在有节点加入或退 出的时候能够实现自我组织的功能。在普通的无线网络中，一个节点的瘫痪有可 能导致整个网络的无法运行，而z i g b e e 网络由于其具有无线自组织的功能，使 得某一节点无法工作时仍可保障网络的正常运行【1 】【3 1 。 ( 5 ) 高带宽：由于无线通讯中通讯的路程越长，导致数据出错或丢失的因素 出现的几率就越大，数据的传输错误就不能保证。当发射器功率固定的时候，数 据的出错几率会随着发射节点与接收节点之间的距离成正比。所以大多数无线网 络协议都以牺牲带宽的方法来减少噪声的干扰。而在z i g b c e 技术中，由于其具 有无线自组织的功能，数据可以通过多次传递，这就大大缩短了每次传递的路程， 提高了系统的带宽。 ( 6 ) 维护成本低：z i g b e e 技术大大简化了网络的维护成本，每一个节点具有 多条不同的通路，当某一条通路出现故障而无法正常工作的时候，并不会影响网 络的正常运行，方便了整个网络的维护和升级。 ( 7 ) 高安全性：z i g b e e 技术采用了计数模式( c t r ) 加密、密码链块信息鉴 权码( c b c m a c ) 验证、计数模式和密码链块信息鉴权码( c c m ) 的加密和 验证、高级加密标准( a e s ) 加密与个域网信息库( p i b ) 等安全要素。目前大 多数应用中多采用a e s 高级加密标准。该标准由美国国家标准技术研究所 ( n i s t ) 与1 9 9 7 年开始启动并征集算法，在2 0 0 0 年确定采用r i j n d a e l 算法作 为最终算法。该算法是二个对称的分组加密算法，长度和密钥长度都可变，可以 指定为1 2 8 位、1 9 2 位和2 5 6 位。目前大多数z i g b e e 都采用a e s 1 2 8 的安全加 密机制【3 】【4 】【5 1 。 1 2 发展历史 z i g b e e 技术由提出到现在仅仅经历了8 年时间，在过去的8 年时间里， z i g b e e 技术由最初的提出走到逐渐成熟并广泛应用，主要可以划分为以下几个 阶段： 2 0 0 2 年，z i g b e e 联盟成立。该联盟规定z i g b e e 技术的物理层协议与 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议相一致，高层协议由该联盟制定。 2 0 0 2 年下半年，英国l n v e n s y s 公司、日本三菱公司、美国摩托罗拉公司和 第一章绪论 荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们加盟z i g b e e 联盟以研发下一代 无线标准，成为z i g b e e 技术发展的里程碑。 2 0 0 4 年，z i g b e ev 1 o 诞生，它是z i g b e e 第一个规范，但是由于推出时间 仓促和技术的不成熟，这个规范存在着一些错误。 2 0 0 6 年，z i g b e e 2 0 0 6 协议推出，这个协议在z i g b e ev 1 0 的基础上做了一 些调整，成为了一个比较完善的协议。 2 0 0 7 年底，z i g b e ep r o 推出，标志着z i g b e e 技术逐渐走向成熟。 到目前为止，除了上述四大巨头等国际知名半导体公司外，z i g b e e 联盟大 约已经有2 5 家企业成员，发展速度迅猛，其中涵盖了半导体生产商、l p 服务提 供商、o e m 商以及消费类电子厂商等。例如e a t o n 、i n v e n s y sm e t e r i n gs y s t e m s 和h o n e y w e l l 等工业控制和家庭自动化公司，甚至还有像m a 仕e l 之类的玩具公司。 而这些公司都参加了负责开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的 i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组f 1 】【6 1 。 1 3 应用前景 z i g b e e 提供了一种低成本与低功耗的无线网络技术方案。弥补了低功耗、 低成本和低速率的无限通讯市场的空缺，其应用前景被十分看好。在未来几年里 将在工业无线定位、汽车自动化、工业控制、消费电子、医用设备控制、家庭照 明与楼宇自动化等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动照明将成为该 技术未来主要的应用领域1 7 】。 在工业领域，利用传感器和z i g b e e 网络，使得对工业领域的数据的自动采 集和处理十分方便，大大加快了生产速度和效率。 在汽车领域，该技术的主要应用范围是汽车的传感器部分，由于大部分传感 器只能内置在车轮和发动机之中，例如轮胎压力检测系统，这对检测设备的使用 寿命有很高要求( 应高于轮胎使用寿命) ，并且在复杂的工作环境中，难免产生 各种电磁波干扰，这样会对传感器的精度产生致命的干扰，而z i g b e e 技术以其 优越的高寿命和抗干扰能力在汽车领域中有着无可比拟的技术优势。 在农业领域，传统的农业没有有效的农作物监测工具，主要是以人力监测作 物的生长状况，而z i g b e e 技术的出现为农业自动化监测提供了极大的便利，逐 渐转向以信息化的生产模式和监测模式，实现了自动化、网络化、远程化和智能 第一章绪论 化农业。 在家庭和楼宇自动化办公领域，z i g b e e 技术凭借其易于进入、低廉的成本 和简单的应用方式得到了迅速的扩展。目前采用z i g b e e 技术组网的家庭自动控 制系统和自动照明系统越来越得到人们的重视和青睐。 在医学领域，医生可以借助该技术和各种传感监测器件准确实时的监测病人 的血压、体温等各种生理指标，有助于病人身体发生异常时医生能够及时的得到 信息而不用人工实时监控，极大的减轻了医生的负担，节省了医院的成本。 在消费电子方面，z i g b e e 技术具有广泛的应用空间，例如在家庭保安方面， 将家庭的门窗上面安装z i g b e e 网络，当有人闯入时，网络可以检测到并自动开 启室内摄像设施，再将这些数据通过w l a n 或g p r s 传送给主人，从而实现报 警。再者，有些企业在家用电器上安装了z 谵b e e 节点，如空调、热水器等，用 户可以利用g p r s 网络来传递给家中的z i g b e e 控制器来开启这些电器，从而实 现远程控制的智能家居的功能。 在建筑智能化领域，各种气体的监测和灯光的控制、煤气报警等都可以应用 该技术。另外，电表、水表和煤气表如果采用z i g b e e 技术的话，监管部门可以 实现自动抄表功能，不但省去了抄表的人力开支，还可以监控仪表状态，防止偷 窃行为。 2 0 0 6 年有多家z i g b e e 芯片厂商推出了自己的新一代z i g b e e 芯片，同时将 单片机与射频芯片集成的s o c 也得到广泛应用和普及。根据无线数据调查集团 ( w i r e l e s sd a t ar e s e a r c hg r o u p ) 调查结果显示，2 0 0 9 年z i g b e e 市场的收益达到 1 2 0 亿美元，而在市值多于8 0 亿美元的微控制器产品中，只有不到2 的产品具 有网络功能，这意味着z i g b e e 技术具有巨大的市场需要和发展的潜力【8 1 【9 】【1 0 1 。 1 4 几种无线通讯技术的比较 当今无线通讯领域由于其应用范围和要求不同，存在着许多种无线通讯技 术，各种无线连接技术都有着各自的优势和不足，应用在不同的领域之中。目前 应用的最为广泛的无线通讯技术有以下几种： 1 4 1z ig b e e 技术 z i g b e e 技术主要用于近距离无线连接和家庭局域网络方面，其基础是 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，该协议规定了物理层和低层次的m a c 层协议，网络层以上 4 第一章绪论 的协议和a p i 的制定由z i g b e e 联盟负责进行标准化。工作频带为8 6 8 9 1 5 m h k 与2 4 g h z ，2 4 g 为无许可证频带，世界各地各个领域都可以使用，适合于低 成本的z i g b e e 技术使用。采用d s s s 正交调制技术进行信号调制，其传输速度 为2 0 k 2 5 0 k b p s ，相对于蓝牙技术的传输速度较慢，适用于对数据需求量小，速 度要求不高的环境i l l 】。 1 4 2w ifi 技术 w i f i 技术是基于i e e e 8 0 2 11 标准的一种无线网络通讯技术。第一个版本发 表于1 9 9 7 年，定义了物理层和m a c 层的工作方式，其中物理层定义了工作在 2 4 g h z 的i s m 频段上的两种无线调频方式和一种红外传输方式，数据速率可达 1 1 m b p s 。w i f i 技术的优势在于无线电波的覆盖范围广( 半径可达1 0 0 m ) 、传输 速率快、建网速度快、便捷，可移动性好，网络结构弹性化和厂商进入该领域的 门槛低等优点，具备着良好的发展前景。其缺点是通信质量不是很好喝数据传输 质量有待改进，占用频带较窄( 仅有8 5 m h z ) f 1 2 】。 1 4 3 蓝牙技术 蓝牙技术是1 9 9 4 年爱立信公司首先提出的一种短距离无线通讯技术规范， 能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通讯，是 目前无线局域网的主流技术之一。其工作标准为i e e e 8 0 2 1 5 ( 协议组成图见图 1 1 ) ，工作频带为1 s m 2 4 5 g ，在该频带上有7 9 个信道，可以随时更换频道以 防止干扰，传输速率为7 2 3 1 k b p s 。当发射功率为】m w 时，其通信距离可达1 0 m ； 发射功率为1 0 0 m w 时，通信距离可达1 0 0 m 。蓝牙技术采用灵活的无基站组网 方式，在这种组网方式下，每一个蓝牙设备都能够同时和7 个设备进行通信，而 且支持点对点与点对多点的通信方式，在点对点的通信方式下，蓝牙技术采用密 码核对方式进行通信，及通信的两个设备需要进行设置相应的密码以进行配对， 大大增加了数据传输的安全性。该技术广泛应用于现在如手机、p d a 、台式机电 脑和笔记本电脑等主流消费性产品当中【1 3 】。 第一章绪论 软 硬 服务发现协议 高层协议 配置链路控制与适配协议音频协议1 主机挖制器接口协议 链路管理器协议 一 苴；当 晴：世【j 矗堕i 阜g l ；o 己匹咐砒陌丁e m q 响订i ”巩v 射频无线电协议 图1 1 蓝牙标准协议组成图 1 4 4 红外技术 红外技术( i r d a ，i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是成立于1 9 9 3 年的一种短距离 无线通讯标准。采用波长为8 5 0 n m 的红外光作为传输介质，采用点到点通讯方 式，通过红外光脉冲和电脉冲的转化实现通信，通讯距离在l 米以内，传输速率 为16 m b p s ，是一种代替传统线缆传输的有效通讯方式。但因其传输距离有限、 传输方向性局限大等缺点，在应用上受到了很大的限制 14 1 。 表1 1 给出了本文介绍的几种无线通讯技术的基本参数和比较。 表1 1 几种无线通讯技术的参数及比较 规范工作频段传输速率功耗 传输方安全方支持组 主要用 ( m b p s )式式织途 z i g b e e 8 6 8 9 1 5 m h0 0 2 0 0 4 1 3 m w 点到多 a e s z i g b e e 联 家庭网络 z0 2 5 点1 2 8盟 2 4 g h z 红外 8 5 0 m n1 51 1o i i l 点到点无 i r d a 近距离遥 w控 蓝牙 2 4 g h zl 1 1 0 0 m 点到多 1 2 0 位b l u e t b o t 个人网络 w 点密钥 h s i g w i f i2 4 g h z 1 1 6 0 7 0 m 点到多 w e p w i f i 联局域网 w 占 加密盟 6 第一章绪论 1 5 本文研究的主要意义及工作安排 1 5 1 研究意义 如前所述，当今照明市场中传统有线照明器件还占据主导地位，而有线照明 灯具的布线困难随着室内照明设施的增加越发显得严重，尤其在使用过程中，如 果房屋要临时增加照明设施，甚至有着需要整体重新布线的可能，这就大大增加 了生活成本。随着无线通讯技术的兴起和广泛使用，采用无线通讯技术对灯具进 行无线连接，免去了布线的困扰，还可以对灯具进行随意的增加、移动和去除， 同时采用无线通讯对家庭照明进行控制可以对灯具方便的进行调光和定时等控 制，相比较传统的有线照明具有极大的优势，是未来发展的趋势。 本文根据各种无线通讯方式的优缺点进行了比较，选择了适合家居照明系统 使用的z i g b e e 技术设计了一种无线智能化的家居照明系统，具有低成本、低功 耗和高灵活性的特点，对无线智能家居的发展有着积极的意义。 1 。5 2 工作安排 本论文的具体内容安排如下： 第一章，概述。主要对z i g b e e 技术的概念和意义进行了阐述，并着重分析 了z i g b e e 技术在智能家居照明系统中应用的优势所在。 第二章，z i g b e e 技术的基本工作原理和协议分析。详细说明照明系统的组成 和工作原理，并对i e e e 8 0 2 1 5 4 协议进行分析。 第三章，智能家居照明系统元件分析。对系统中各个模块进行分析，对各个 模块的参数和电路连接进行了介绍并给出了电路图和p c b 版图。 第四章，系统软件实现与操作系统。对系统的照明功能进行了简要的介绍并 根据相应的功能进行了代码的编写和人机图形化界面的设计。介绍了u c o s i i 嵌 入式操作系统，开发出了基于该系统的无线智能照明系统。最后给出了实验结果 和实际照片。 第五章，总结和展望。对整个论文工作进行系统的总结，并对下一步工作的 开展提出自己的看法。 1 6 本章总结 本章作为绪论，首先介绍了z i g b e e 技术的起源和应用前景，然后对z i g b e e 技术的特点作了介绍并与其他几种现存的无线通讯技术做了对比，详细阐述了 第一章绪论 z i g b e e 的优点和不足并阐述了选择z i g b e e 技术作为智能照明系统无线通讯手段 的理由和优势所在，最后给出了研究工作的意义和每一章的工作内容安排。 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 第二章z ig b e e 技术工作原理及协议分析 2 1zig b e e 技术结构分析 2 1 1 技术特点 由绪论可知，z i g b e e 技术是基于i e e e 8 0 2 15 4 协议之上的( 即该技术的物理 层与m a c 层完全与i e e e 8 0 2 1 5 4 相同) ，因此z i 庐e e 技术是一种低速的无线个 域网。而低速无线个域网相对于i e e e 8 0 2 1 5 工作组已经制定完成的其他协议， 如：i e e e 8 0 2 1 5 1 ( 中速无线个域网即蓝牙) 、i e e e 8 0 2 1 5 3 ( 高速无线个域网即 超宽带u w b ) 而言，主要是为了以一种灵活易用的协议来构建一种可随时安装 卸载、低成本、低功耗的可靠的短距离无线通讯网络。这种无线技术主要是服务 于对数据传输速率要求不高但是对工作寿命要求较高的场合，因此i e e e 8 0 2 1 5 4 标准对低速无线个域网做了如下规定： 1 速率方面要求支持2 0 k b p s 、4 0 k b p s 与2 5 0 k b p s 三种不同的速率，根据不同 的工作频率采用不同的传输速率。 2 信道方面规定了2 7 个信道，其中1 6 个信道工作在2 4 g h z ，1 0 个信道工 作在9 1 5 m h z ，1 个信道工作在8 6 8 m h z 。 3 网络方面要求支持点到点型网络拓扑与星形网络拓扑结构，每个设备都具 有6 4 位唯一的i e e e 地址，在局域网内还可以拥有一个1 6 位的短地址。支持时 隙保证机制，通过预留保证时隙提供无竞争媒体访问。 4 采用c s m a c a 机制防止冲突的发生。具有能量检测功能与链路质量指示 功能来保证数据的可靠传输l l5 1 。 2 1 2 设备分类 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议根据z i g b e e 设备功能的不同把工作在无线网络中的设备 分为全功能设备( f f d ) 与简化功能设备( r f d ) 两种。其中全功能设备具有完 整的协议，可以实现协议中规定的任意功能，简化功能设备则是根据特定的需要 只是实现了部分的协议内容。 z i 曲e e 网络中有三种逻辑设备类型：协调器、路由器、终端设备。其中协调 器负责控制和管理整个网络，选择一个信道和一个网络标识符( 也叫做个人局域 网i d ) ，然后启动网络，是z i g b e e 网络的“大脑”，因此协调器必须具有全部的 9 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 协议内容，必须是f f d ：路由器是负责对传输的数据进行信标同步与路由选择， 因此也必须具有全部协议内容和功能，是f f d 。终端设备是组成网络的一部分， 受协调器约束和管理，因此不必具有协议中网络管理和控制的功能，可以采用 f f d 或r f d 实现，由于l u d 通常只与一个f f d 关联，所以为了降低成本，终 端设备往往采用i u d 来实现。 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议中规定一个f f d 既可以与r f d 通信也可以与其他的f f d 通信，而r f d 只能与f f d 通信，这就为网络拓扑结构做了保证。 如图2 1 所示，一个z i 曲e e 网络包括一个协调器节点，多个路由器和终端设 备节点。设备类型不以任何方式限制可能在特定设备上运行的应用程序类型。黑 色为：协调器、红色为：路由器、白色为：终端。 t 。 图2 1 设备类型示意 2 1 3 网络拓扑结构 在z i g b e e 应用中，常用的网络拓扑结构有点到点网络结构与星形网络结构 两种。 星形网络拓扑，如图2 2 所示，最大的特点就是所有的终端设备都与协调器 相连，每一个终端设备发送的数据都要经过路由器转发给协调器进行处理。这种 网络的优点是结构清晰、每种设备分工明确、易于软件程序的编写。缺点是一旦 协调器发生故障会导致网络瘫痪。 1 0 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 o u 图2 2 星形网络结构 点对点结构是一种对等网，如图2 3 所示，在这种结构中也需要有一个协调 器来启动并控制整个网络，但是与星形网络不同的是点到点结构中的任何两个设 备只要在无线通讯范围内就可以相互通信而不必经过协调器。如果两个节点超出 了通信范围就要借助路由器来传输数据。这种网络的优点是具有较强的容错能力 和修复能力，不会像星形网络那样产生网络瘫痪。缺点是组网与路由算法复杂， 程序编写困难1 7 】【1 8 】【19 1 。 习，r j f 一 图2 3 点对点网络结构 2 1 4 协议架构 z i g b e e 协议是建立在i e e e 8 0 2 15 4 标准之上的，i e e e 8 0 2 15 4 标准规定了 z i g b e e 的物理层和m a c 层的工作方式，而m a c 层以上的网络层与应用层则是 由上面所提到的z i g b e e 联盟所制定。各层示意如图2 4 所示： 睁 一v儿一 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 f 应用层 0 e m 自定 l 应用框架 网络层 z i g be e 磅 1 m a c 层 ；l i e e e 8 0 2 1 物理层 5 4 1 图2 4z i g b e e 协议组成 由上图可以看出，z i g b e e 协议的组成是以o s i 七层模型为基础但是又有别 于o s l 七层模型，可以看做是该模型的一个简化版。协议中每一层为上层提供 数据服务功能，其中又分为数据实体和管理实体两种。数据实体负责提供数据传 输服务，管理实体提供相应层的管理请求。相邻两层之间通过服务访问节点 ( s a p ) 来交换数据。 物理层的作用主要体现在提供物理层数据服务和物理层管理服务上，包括无 线收发机的开关管理、链路质量指示、能量检测、信道评估和数据包的收发等功 能。 m a c 层的主要作用是提供该层的数据服务和管理服务，包括信道访问控制 机制c s m a c a 、信标同步与提供可靠的数据传输机制。 网络层的功能是提供组网和设备退出网络的机制、数据帧安全机制、路由 的发现及维护等功能，其中协调器的网络层还应该具有为其他加入网络的设备分 配和管理l6 位短地址的功能。 应用层和应用框架层包括应用支持子层( a p s ) 、设备对象( z d o ) 与o e m 的 应用对象。其中a p s 负责设备的匹配和绑定。z d o 负责设备的发现和明确提供 的服务【2 0 】。 2 2 物理层协议规范 2 2 1 物理层概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议规定了物理层主要功能是管理无线收发机、链路质量指示、 空闲信道评估、能量检测、信道选择和数据的收发。物理层的工作频段为 1 2 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 8 6 8 m h z ，9 15 m h z 和2 4 g h z ，在这三个频段上分别采用不同的调制和扩频技术， 如表2 1 所示： 表2 1 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层扩频和调制参数 扩频参数数据参数 频率m h z 码片速率调制比特速符号速率符号 “k c h i p s ) 方式 率l ( b p s ( k s y m b o l s ) 阶数 8 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 02 0 二进制 8 6 8 9 1 5 9 0 2 9 2 86 0 0 b p s k4 04 0二进制 o - q p 2 5 06 2 5十六进 2 4 5 02 4 0 0 2 4 8 3 52 0 0 0 s k制正交 如上文所述，在z i g b e e 的工作频段上总共有2 7 个信道，分别划分为0 2 6 号，其中o 号信道工作在8 6 8 m h z 频率上，1 1 0 号信道工作在9 1 5 m h z 频率上， 1 1 2 6 号信道工作在2 4 g h z 频率上。这些信道的工作中心频率由以下公式确定： f = 8 6 8 3 m h zk _ o 时；( k 为信道编号) f = 9 0 6 + 2 ( k 1 ) m h z k = l ，2 ，3 1 0 时； f = 2 4 0 5 + 5 ( k 11 ) m h 【zk = ll ，1 2 2 6 时； 信号传输在不同的频率上采用的调制方式不同，由表2 1 可以看出，工作在 8 6 8 m h z 与9 l5 m 比频率上其调制方式均为b p s k 即二相相移键控。这种调制方 式是利用偏离相位的复数波浪组合来表现键控移相方式的一种模数转换方式。 b p s k 分为绝对移相和相对移相两种，其中以未调载波的相位作为基准相位的移 相方式叫做绝对移相，即取码元为0 时，调制后的载波与未调载波反相；当取码 元为1 时，调制后的载波与未调载波同相。绝对移相的波形示意图如图2 5 所示： 相对移相是为了解决在绝对移相中产生的相位含糊问题而提出的一种移相 方式。其工作方式是：每一个码元的载波相位的取值是以与其相邻的前一个码元 的相位来确定的，当取值为1 时，意味着该码元的相位与前一码元的相位相同； 当取值为0 时，意味着该码元的相位与前一码元的相位相反。相对移相的波形示 意图如图2 6 所示【1 】【2 1 】： 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 u ( t ) 基带 信号 u c ( t ) 未调 载波 s ( t ) 绝对 调相 u ( t ) 基带 信号 s ( t ) 朝藉 图2 5 绝对移相波形示意 t t t 图2 6 相对移相波形不意 在2 4 g 频段上采用的调制方式是o q p s k 调制即偏移四相相移键控调 制。它规定了4 种载波相位，分别为4 5 。、1 3 5 。、2 2 5 。和2 7 5 。，并采用0 0 、 0 1 、1 0 、l1 来代表每一个相位，因此该调制方式一次调制两位信息，并用相应 的相位信息来表示。z 培b e e 技术在2 4 g 上的数据扩频调制工作过程如图2 7 所示，首先将数据每4 位转化为一个s y m b o l ，然后利用1 6 位伪随机序列将s y m b o l 扩频为一个c h i p 后以o q p s k 方式调制到载波上去。o q p s k 映射表如表2 2 所示【1 】【2 2 】： 图2 7o q p s k 调制过程 1 4 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 表2 2 0 - q p s k 映射表 b i ts y m b o l c h i p 0 0 0 0011 0 1 1 0 0 1 11 0 0 0 0 11 0 1 0 1 0 0 l 0 0 0 1 0 1 ll o 1 0 0 011 】1 0 1 1 0 1 1 0 0 l ll 0 0 0 0 l1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 020 0 1 0 l l l o l l o l1 0 0 1 11 0 0 0 0 l1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 10 030 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 l l 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1040 1 0 1 0 0 1 0 0 0 l o l l l o l l 0 1 1 0 0 1 l 1 0 0 0 0 l l 1 0 1o 50 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 l l o l l 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 061 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 l l1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 11071 0 0 1 11 0 0 0 0 l1 0 1 0 l o o l 0 0 0 1 0 1 11 0 1 1 0 l 0 0 0 1 81 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 l l o l l l l 0 1 l 10 0 l91 0 l l1 0 0 0 11 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 ll l o l l l 0 1 0 1100 1 1 l1 0 1 11 0 0 0 1 1 0 0 l o o l o l l 0 0 0 0 0 0 1 11 1 10 11 1 0 1 11 0 nl l o l l1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 l o l1 0 0 0 0 0 0 0 1 11 20 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 11 0 1 11 0 0 0 1 l o o l 0 0 1 0 ll o 1 0 ll130 11 0 0 0 0 0 0 1 11 0 1 11 1 0 l l1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 11 11 41 0 0 1 0 l 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 l l l151 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 l l l 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 2 2 2 物理层服务规范 物理层通过管理接口与上层进行通讯，如图2 8 所示，物理层通过数据服务 访问点( p d s a p ) 向上提供数据服务，通过管理实体服务访问点( p l m e s a p ) 向上提供管理服务，通过射频访问点( r f s a p ) 来获取相应的信息。 图2 8 物理层结构 第二章 z i g b e e 技术工作原理及协议分析 2 2 3 物理层数据格式 l e e e 8 0 2 1 5 4 规定了物理层的数据单元由三部分组成，分别是同步序列、帧 头与数据部分。 其中同步序列又分为引导序列和帧开始符2 个部分，引导序列是一个长度为 3 2 位的全0 序列，用来同步收发机的工作状态。帧开始符是用来表示引导序列 的结束和数据的开始，格式为l l l0 0 1 0 1 ； 帧头是一个7 位二进制数据，用来表示物理层数据的长度。 数据部分是一个可变长度的数据段，是物理层要发送的数据，其长度由帧头 规定。 物理层数据格式由表2 3 所示： 表2 3 物理层数据格式 字节：4 1l 可变长度 引导序列帧开始符帧长预留( 1 位)物理层数据单元 同步序列帧头数据单元 2 3m a c 层协议规范 2 3 1 c 层概述 m a c 层主要负责的任务有：生成信标、信标同步、器件的绑定与解除管理、 防冲突算法的访问机制、保证时隙的处理和维护、数据可靠链路的维护等。 m a c 层具有超帧结构，它通过发送的信标帧来确定，每一个超帧都分为活 动区间和非活动区间两个部分，其中设备只有在活动区间才能交换信息，在非活 动区间是处于低功耗模式。活动区间分为三个阶段，分别是信标发送阶段、竞争 阶段和非竞争阶段。其中在竞争阶段中所有传输的数据都要采用时隙c s m a c a 来防止冲突，所有需要传输的数据都要保证在一个竞争阶段内传输完毕，如果数 据不能在一个竞争阶段内传输完毕，则该数据就需要推迟到下一个超帧的竞争阶 段进行传输。非竞争阶段的长度是可变的，传输过程中不采用c s