（计算机系统结构专业论文）基于zigbee的无线温度传感网络的设计与实现.pdf

一 一 扎 ， ， f i | at h e s i sf o rt i l ed e g r e eo f m a s t e ri nc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e i ) e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s st e m p e r a t u r es e l l s o u n e t w o r kb a s e do nz i g b e e b yh u a n gj i e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl ij i n g ji a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 m109i-4洲8”l_川y 一。 ll- t ， 独创性l 声明 人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 果除：如以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 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诚挚 学位论文作者签名：黄f 敝硪 签字e t 强：归3 | ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：葭法蜊 导师签名：赫攻 签字日期：m r 岁 签字日期：o 叩善卜矿 l c d ，k b i ，t i m e r ，i i c 等等；基于硬件的结构特征以及本身的资源，设计了一个星型 的网络结构，在这个网络结构中，1 3 2 1 3 - n c b 作为主协调器，是整个网络的中心部分， 负责监控远程的温度；而1 3 2 1 3 s r b 作为终端设备，它通过i i c 协议与d s l 6 2 4 相连， 用来采集环境的温度，并将这个温度值发送给主协调器；基于f r e e s c a l e 所提供的物理层 和m a c 层的库文件，本课题实现了z i g b e e 协议栈的上层，包括网络层和应用层；最后， 对本系统的各个功能模块进行了测试。 本课题所建立的温度传感网络可以广泛用于工业上厂房、设备；农业中土壤；家庭 室温、电气等的温度检测二 关键词：z i g b e e ；协议栈；i i c ；m c l 3 2 1 3 ；d s l 6 2 4 一i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t =一一 1 一 j 一 一一 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s st e m p e r a t u r es e n s o rn e t w o r k b a s e d z i g b e e l 9 a s e d o n1 5 e e a bs t r a c t z i g b e e i san e ws h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y t h i sp a p e r e s t a b l i s h e saw i r e l e s st e m p e r a t u r es e n s o rn e t w o r kb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t h i sp a p e rs e l e c t sm c 13 213a sh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，w h i c hi st h es e c o n d g e n e r a t i o nd e v e l o p m e n tk i t f o rz i g b e eo ff r e e s c a l e ，a n di ti n c l u d e st w op a r t s ，t h a ti s 1 3 2 1 3 - n c ba n d1 3 2 1 3 一s r d ，t h em a i nc h i po f w h i c hi sm c l 3 2 1 3 ，a n dt h em a i nd i f f e r e n c ei s p e r i p h e r a l sc i r c u i t ，t h i sc h i pi n t e g r a t e sal o wp o w e r2 4 g h zr a d i of r e q u e n c y ( r e ) t r a n s c e i v e r a n dam c u ，w h i c h b e l o n g st ot h ef a m i l yo fh c s0 8 t h e ya r em a i n l yc o n n e c t e db ys p ia n d i r qp i n s ，a n da l s ot h er ft r a n s c e i v e ri sa ni e e e8 0 2 15 4 c o m p l i a n tr a d i o t h ep a p e rs e l e c t s ad i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rd s16 2 4a si t st e m p e r a t u r es e n s o r , w h i c hp r o d u c e sb yd a l l a s t h e w o r ko ft h i sp a p e ri st od e s i g na n di m p l e m e n taw i r e l e s st e m p e r a t u r es e n s o rn e t w o r k ， f i r s t l y , i tp r o g r a m sc o r r e s p o n d i n gd r i v e r so ft h ef u n c t i o nm o d u l e sw h i c hw i l lb eu s e di nt h e s y s t e m ，s u c ha ss c i ，s p i ，l c d ，k b i ，t i m e r ，i i c s e c o n d l y , i td e s i g n sas t a rn e t w o r kb a s e d o nt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s o u r c e so ft h eh a r d w a r e i nt h i sn e t w o r k ，13 2 13 - n c bi s ap a nc o o r d i n a t o r , w h i c hi sac e n t r a lp a r to ft h en e t w o r ka n d r e s p o n s i b l ef o rm o n i t o r i n g r e m o t e t e m p e r a t u r e m o r e o v e r , 1 3 213 一s r b i sa ne n d d e v i c e ，w h i c hi m p l e m e n t s e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ec o l l e c t i o nv i at h ec o n n e c t i o nw i t hd s 16 2 4t h r o u g ht h ei i c p r o t o c o l ，a n di ts e n tt h et e m p e r a t u r ev a l u et op a nc o o r d i n a t i o n b a s e do nt h el i b r a r yf i l e so f p h ya n dm a c l a y e r s ，w h i c ha r ep r o v i d e db yf r e e s c a l e ，t h ep a p e ri m p l e m e n t st h eu p p e r l a y e r so fz i g b e es t a c ka r c h i t e c t u r e ，i n c l u d i n gn w ka n da p p l i c a t i o nl a y e r s f i n a l l y , t e s t e s t h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es y s t e m t h et e m p e r a t u r es e n s o rn e t w o r kw h i c hw a se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rc a nb ew i d e l yu s e d f o r t e m p e r a t u r ed e t e c t i o n ，f o re x a m p l e ，w o r k s h o pa n de q u i p m e n ti ni n d u s t r y ，s o i li n a g r i c u l t u r e ， r o o mt e m p e r a t u r ea n dh o u s e h o l d a p p l i a n c e si nh o u s e ，a n ds oo n k e yw o r d s ：z i g b e e ；s t a c ka r c h i t e c t u r e ；i i c ；m c l 3 2 1 3 ；d s l 6 2 4 _ i i i _ 录 i i i i i i 1 1 1 4 5 5 7 7 7 7 2 1 3z i g b e e 的网络拓扑结构8 2 2z i g b e e 的主要特征9 2 3z i g b e e 协议栈体系结构9 2 3 1p h y 层描述1 0 2 3 2m a c 层描述1 2 2 3 3 网络层1 3 2 3 4 应用层1 4 2 4z i g b e e 的应用与发展前景1 5 2 4 1z i g b e e 技术的应用1 5 2 4 2z i g b e e 技术的发展前景1 5 第三章硬件结构1 7 3 1m c l 3 2 1 3 1 7 3 1 11 3 2 1 3 - n c b 1 7 3 1 21 3 2 1 3 一s i 冯1 8 3 1 3 微控制器特征：1 9 3 1 4 无线收发器2 0 3 1 5m c l 3 2 1 3 的内部连接2 1 3 2 温度传感器d s l 6 2 4 2 1 一一 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 1d s l 6 2 4 的特征和结构2 1 3 2 2d s l 6 2 4 与d s l 8 8 2 0 的比较2 3 3 2 3d s l 6 2 4 命令协议2 3 第四章总体设计与模块驱动2 5 4 1 系统的总体设计2 5 4 2 通信模块2 9 7 4 2 1 微控制器m c u 一2 9 4 2 2 收发器2 9，- 4 2 3 串行通信接口3 0 4 2 4i i c 模块。一3 l 4 2 5 物理层和m a c 层3 2 4 3 显示模块3 2 4 3 1 液晶显示器l c d 3 2 4 3 2 数码管l e d 3 3 4 4 键盘中断模块3 3 4 5 定时器模块3 4 第五章系统的详细设计与实现3 5 5 1 建立网络3 5 5 1 1 协调器形成网络3 5 5 1 2 终端设备发现网络3 9 5 1 3 终端设备加入网络- - 4 1 5 2 温度采集4 5 5 2 1 分配地址_ 4 5 5 2 2 读写时序：4 5 5 2 3 采集温度：4 6 5 3 数据传输4 8 5 3 1 数据帧格式4 8 5 3 2 数据传输4 9 5 3 3 数据传输方式51 第六章测试5 3 6 1 下载5 3 6 2 串口配置5 5 6 3 网络建立的测试5 6 6 4 网络发现的测试5 7 一v 一 一v i j 论 现有的这些短距离无线通信技术都满足不了人们的需要，而这方面的需求却是非常强烈 的，正因为如此，经过人们的努力，种新的短距离无线通信技术出现了，这就是z i g b e e 技术。 为了推动z i g b e e 技术的进一步发展和应用，2 0 0 2 年8 月，飞利浦、三菱、摩托罗 拉和i n v e n s y s 等z g b e e 的主要支持者组成了一个非营利性质的联盟一z i g b e e 联盟 2 】。 目前该联盟的成员已经超过了2 0 0 个，包括华为，i b m 、f r e e s c a l e 半导体等。到目前“ 为止，很多公司都已经研发出了自己的z i g b e e 产品。例如c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 、a t m e l 公司的a t 8 6 r f 2 1 0 、f r e e s c a l e 【3 ，4 】公司的m c l 3 1 9 x ，m c l 3 2 1 x 等。 1 2 几种短距离无线通信技术 短距离无线通信技术【5 , 6 , 7 】的范围非常广泛，一般来说，只要在通信过程中，收发双 方是通过无线电波来传输信息，并且传输的距离限制在比较短的范围内，通常是几十米， 就可以称为短距离无线通信。低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三 个重要特征和优势。目前，短距离的无线通信技术，除z i g b e e 技术外，还存在着许多 其它的短距离无线通信技术，而主流的短距离无线通信技术8 1 包括下面几种。 ( 1 ) 红外技术 1 9 9 3 年由2 0 多个大厂商发起成立了红外数据协会，统一了红外通信标准【9 1 。该技术 是通过波长为8 5 0 n m 的红外光传输数据。红外光线是直线传输的、易受遮拦，只支持点 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对点连接，收发装置的光路夹角一般在3 0 度内，通信距离为1 n 3 m 1 0 】，传输速率非常快， 最大可以达到1 6 m b p s 。主要优点是无需申请频率的使用权，降低了通信成本低。它还具 有体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。数据传输率高，适于传输大容量的文 件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全 生高【6 】。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 1 x 1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第1 代w l a n 标准- - i e e e8 0 2 1 1 ( 1 9 9 7 版) ，随后在1 9 9 9 年推 出了新的m e e8 0 2 11 ( 1 9 9 9 版) 。该标准定义了物理层和媒介访问控制子层( m a c ) 的技术 规范，允许w l a n 及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备【1 1 l 。 i e e e8 0 2 11 a 标准【1 2 , 1 3 1 是在1 9 9 9 年制定完成的。该标准的工作频段在5 0 h z ，采用正 交频分复用来调节数据流，提供8 个信道，数据传输速率可以达至1 5 4 m b p s ，传输的距离 控制在1 0 m , - - 一1 0 0 m 。 i e e e8 0 2 1l b 标准1 5 1 在1 9 9 9 生9 9 ) q 被正式批准，又称为w i f i 标准( w i r e l e s sf i d e l i t y ， 无线保真) 。工作在2 4 g h z 频段，采用直接序列扩频技术，数据传输速率高达11 m b p s 。 w i f i 的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快、便捷、可移动性好、网络结构弹 性化、组网灵活、组网价格较低等阴。 除以上两种之外，还有i e e e8 0 2 1l e 、i e e e8 0 2 11 f 等协议。 ( 3 ) 家庭无线电射频技术( h o m e r f ) 1 9 9 8 年h o m e r f 工作组制定的共享无线接入协议( s w a p ) ，该协议是h o m e r f 无线 网络的基础，它与其他w l a n 一样，也是工作在2 4 g h zi s m 频段，通信距离约5 0 m ， 传输速率为1 m b p s 或2 m b p s ，最多可支持6 个全双工的语音信道【1 6 】，调制方式分为2 f s k 与4 f s k 两种。新的h o m e r f2 x 标准，主要用于家庭无线组网，可连接1 2 7 个设备。 由于h o m e r f 技术没有公开，目前只有几十家企业支持，在抗干扰等方面相对于其它技 术而言尚有欠缺，因此注定它没有广泛的应用前景。 ( 4 ) 超带宽无线通信技术 超带宽u w b 0 a l t r a w i d eb a n d ) 无线通信【l v , l s l n 占空比很低( 低达0 5 ) 的冲激脉冲 为信息载体的无载波通信技术，脉冲的调制方式有两种：脉位调带o ( p p m ) 和二进制移相 键控( b p s k ) 调制，u w b 的工作频段在3 1 1 0 6 g h z 。当带宽为7 5 g h z 时，数据的传 输速率可达1 0 b p s 。它主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷 达和图像系统中。 ( 5 ) 数字增强无绳电话技术 一2 一 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是由e r i c s s o n ，i b m ，i n t e l ，n o k i a ，和东芝等公司于1 9 9 4 年联合 推出的一项短距离无线通信协议【2 3 】。工作频段是全球统一的2 4 g h zi s m 频段，采用每 秒钟1 6 0 0 兆的快速跳频扩频技术，传输速率为1 m b p s ，具有很强的抗干扰能力，标准 有效传输距离为1 0 米【2 4 】。它的特点是全球适用；可传送语音和数据；可建立临时性的 对等连接；具有很好的抗干扰能力；体积小；功耗低；支持点对点，以及点对多点 的连接，最多可以连接7 个蓝牙设备。 ( 8 ) z i g b e e 技术 z i g b e e 技术1 2 5 ，2 6 】是一种低速、低成本、低功耗、短距离的无线通信技术。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准口7 】制定的p h y 和m a c 作为z i g b e e 的协议栈的底下两层；而上层则由 z i g b e e 联盟来完成。该标准2 8 2 9 ，3 0 1 中规定了三个物理层标准：8 6 8 m h z9 1 5 m h z 和 2 4 g h z ，传输速率分别是2 0 k b p s ，4 0 k b p s ，2 5 0 k b p s ，网络容量大，理想状况下一个网 络可以包含的设备数量多达6 5 0 0 0 个，而每个z i g b e e 设备最多可以支持2 5 5 个设备。 它主要应用在短距离并且数据传输速率低的各种电子设备上，其典型的传输数据类型有 三种：周期性数据，如传感器数据；间歇性数据，如照明控制；重复性低反应时间数据， 如鼠标。 前面已经简单地介绍了目前主要的几种短距离无线通信技术。而工作频段为2 4 g h z 的有h o m e r f 、蓝牙、i j e e e8 0 2 1 1 b 和z i g b e e 。表1 1 【8 】是对这四种通信技术进行的个 一气一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 比较。z i g b e e 作为一种新兴的短距离、低速率、低功耗、网络容量大、安全性好的通信 技术主要应用在工业自动化控制、智能家庭，建筑、医疗等领域中。它的出现有效地弥 补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺。当前，z i g b e e 技术的应用越来越普 遍，它必将成为短距离无线通信技术的主流，在不久的将来，z i g b e e 设备将随处可见， 给我们的生活和工作带来极大的便利。 表1 1 几种短距离无线通信技术的比较 t a b l e1 1c o m p a r i s o no fs e v e r a ls h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y 一 规范数据话音最大功耗连接设备数安全措施支持组织主要用途 z i g b e e数据 1 - 3m w 2 1 6 到2 6 41 2 8 密钥 z i g b e e 联盟 家庭网络、 h o m e r f 数据 1 0 0 m w 控制网络、 传感器网络 1 2 7 5 0 次秒跳频h o m e r f个人网络 蓝牙话音数据 1 - 1 0 07 m w 8 0 2 1 l b 数据 1 0 0 m w 1 6 0 0 次秒跳 b l u e t o o t hs i g 无线局域网 频1 2 8 密钥络 2 5 5 w e p 加密 i e e e 8 0 2 1l b 无线局域网 络 1 3 无线传感网络 无线传感网络【3 1 3 2 1 ( w s n ) 是综合了嵌入式系统、现代网络和无线通信、分布式计算、 微传感器技术的新型网络。它是由部署在监测区内大量的廉价微型传感节点组成，通过 无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理 网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了 传感器网络的三个要素。实际上，2 0 世纪9 0 年代末期才开始了无线传感网络的研究， 而在人们的日常工作和生活中，对无线传感网络的需求非常之多，这就促使了无线传感 网络的飞速发展。 无线传感网络具有以下几个特征【3 3 】： ( 1 ) 传感器节点随机分布，具有自组织网络的能力，而且网络是动态的； ( 2 ) 网络数量大； ( 3 ) 每个传感器节点都是跟某个特定的应用相关； 一4 一 s p i t 3 8 】布目连，但是它把这两部分集成在一个芯片j i ，温度传感器选用的是数字式温度传 感器d s l 6 2 4 t 3 9 1 ，它是通过i i c 协议 4 0 l 与m c u 相连，使用这些硬件资源构建了一个无线的 星型【1 8 】结构的温度传感网络，用于远程监控。如果采用其它的拓扑结构，例如蔟树型或 者是网状型结构，必须要采用合适的路由算法 4 1 , 4 2 , 4 3 1 来选择路由以及对路由的维护，这 就提高了系统的成本，增加了系统的复杂度。在本系统中远程节点采集终端设备所在环 境的温度，并将这个温度值发送到监控中心，这样就可以通过观察中心节点上收到的来 自远程的信息来了解远程环境的温度状况，同时也可以通过中心节点发送命令或控制信 息给远程节点，以要求远程的设备采取相应的操作。 本系统组建的温度传感网络可以应用在工业上厂房、设备；农业中土壤；家庭室温， 家庭电气等的温度检测，应用范围非常广泛。而且将温度传感器替换成湿度、压力、烟 雾等其它的传感器，就可以进行相应的检测，可扩展性非常的大。 1 5 论文的组织结构 ： 本文以z i g b e e 为通信协议，设计了一个星型的网络结构，z i g b e e 的终端节点采集 环境的温度，而协调器则用来监控终端设备所在环境的温度。全文共分七章。 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论，主要介绍课题研究的背景，以及目前几种主流的短距离无线通信技 术，通过与其它技术的比较，突出z i g b e e 技术的优势。 第二章z i g b e e 概述，在这一章中，主要是对z i g b e e 做一个总体上的介绍，包括 z i g b e e 的由来、特征、体系结构以及应用与发展前景。 第三章硬件结构介绍，主要介绍了本系统的硬件平台m c l 3 2 1 3 以及温度传感器 d s l 6 2 4 的硬件结构以及特征。 第四章系统的总体设计与功能模块，设计了一个星型的网络结构，并且对硬件的 功能模块编写了相映的驱动程序，包括m c u ，收发器，s c i ，i i c ，l c d ，t i m e 等等。 第五章系统的详细设计与实现，详细描述了协调器与终端设备建立网络的过程， 以及终端设备采集温度的过程，并且对网络中帧的传输做了简单的介绍。 第六章测试，简单介绍了本系统所使用的集成开发环境，并且对本系统的各个功 能做了详细的测试。 第七章总结，总结本课题所做的工作，以及本系统存在的不足之处和下一步所要 ：做的工作。 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章z i g b e e 概述 第二章z i g b e e 概述 z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线通信技术，在工业自动控 制，智能家居，医疗等领域有着广泛的应用前景。 2 1z i g b e e 简介 2 1 1z i g b e e 的由来 自蓝牙规范发布以来，在越来越多的领域中得到了广泛的应用瞰，4 5 1 ，例如，工业自 动控制、家庭自动化、p d a 、手机等等。但是在使用过程中，人们发现蓝牙技术存在很 多的缺点：结构复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等。这些缺点就限制了它的发展。 而工业自动化控制，建筑和家庭智能控制，医疗领域等等对无线通信的需求却越来越强 烈。在这种需求的促动下，一种新的无线短距离的通信技术z i g b e e 技术出现了。 z i g b e e 技术的命名【8 1 来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过程中，跳着 优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像z 的形状，而且蜜蜂体积小，所需要的能量小，又能传送所 采集的花粉，因此，人们就用z i g b e e 技术来代表具有成本低，体积小，能量功耗小和 传输速率低的无线通信技术。 2 1 2i e e e8 0 2 1 5 4 i e e e 8 0 2 1 5 4 2 8 】是规范低速率无线个人局域l r w p a n s ( l o w r a t ew i r e l e s s p e r s o n a ln e t w o r k ) 的m a c 层和p h y 层。这是一种简单、低成本的连接网络。 i e e e8 0 2 1 5 4 标准为网络中的每层规定了四种服务原语，分别是请求原语、指示原 语、响应原语和确认原语。如图2 1 所示。 服务用户服务用户 斛 请求 确认 服务提供者 斛一l a y e r ) ) 指示 响应 图2 1 服务原语 f i g 2 1s e r v i c ep r i m i t i v e s 从上图可以看出，这些原语是通过与n u s e r 关联的服务入口点s a p ( s e r v i c ea c c e s s 一7 一 东北大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 概述 p o i n t ) 从一层发送到另一层，这些原语是用于传送具体的信息。 ( 1 ) 请求原语：当启动一个服务的时候，由n u s e r 向n 1 a y e r 发送一个请求原语； ( 2 ) 确认原语：由n u s e r 向n 1 a y e r 发送的，传递一个或多个先前设备的请求信息； ( 3 ) 指示原语：由n 1 a y e r 向n u s e r 发送的，用来指示内部的n 1 a y e r 的事件； ( 4 ) 响应原语：由n 1 a y e r 向n u s e r 发送的，完成指示原语调用的过程。 2 1 3z i g b e e 的网络拓扑结构 ， 在z i g b e e 网络【4 6 1 中，根据设备的功能定义了三种设备：协调器、路由和终端设备。 协调器是整个网络的中心部分，每个网络中必须有且仅有一个协调器；路由的主要功能 是负责数据的转发和网络的拓展；终端设备则主要是实现网络的功能，通常与传感器相 连，进行相应的检测和控制。另外，在z i g b e e 网络中还规定了两种设备类型：全功能 设备f f d ( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ) 和精简功能设备r f d ( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ) ，前者附带 了i e e e8 0 2 1 5 4 标准指定的全部功能和所有特征，具有更多的存储器、计算能力，它 可以作为协调器，路由或终端设备；而r f d 附带了有限的功能，用来控制成本和复杂 度，节省了费用，在网络中通常是作为终端设备，并且它只能与一个f f d 通信。 z i g b e e 协议中规定了三种网络拓扑结构：星型结构( s t 神、簇树型结构( c l u s t e r t r e e ) 、 一 网状结构( m e s h ) ，如图2 2 所示，其中，表示协调器，9 表示路由器，o 表示终端节点。 星型结构簇树型结构网状结构 图2 2z i g b e e 网络的拓扑结构 f i g 2 2z i g b e en e t w o r kt o p o l o g y 在星型网络中，整个网络是由z i g b e e 协调器来控制的，它负责网络中设备的启动和 维护，而且除了这个中心节点以外，其它所有的设备都是终端设备，直接与协调器进行 通信。在簇树型和网状型网络中，z i g b e e 协调器负责启动一个网络，它们可以通过路由 来扩展网络的覆盖范围。在簇树型结构中，与协调器相连的可以是路由，也可以是终端 设备，而在网状结构中，与协调器相连的只能是路由，终端设备只能与路由相连。这三 一8 一 一 一：v?。； ： 东北大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 概述 中结构中，星型网络结构简单，容易实现，适用了一些简单的应用，而其它两中网络结 构，都涉及到路由的管理和维护，适合于传输距离较长的应用。 2 2z i g b e e 的主要特征 z i g b e e 协议主要有以下几个特点【4 6 ，4 7 】： ( 1 ) 低功耗：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且终端节点采用了休眠模式， 两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间，免去了充电或者频繁更 换电池的麻烦； ( 2 ) 低成本：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单j 降低了对通信控制器的要求等，这 就大大降低了成本。且z i g b e e 协议免收专利费； ( 3 ) 低速率：z i g b e e 工作在2 0 2 5 0 k b p s 的较低速率，满足低速率传输数据的要求； ( 4 ) 近距离：传输范围在1 0 m - 7 5 m 之间，基本上能够满足家庭和办公室的环境，通 过增加发射功率或路由的转发可以使传输距离变的更远； ( 5 ) 短时延：响应速度快，设备搜索时延为3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备 信道接入时延为1 5 m s ； ( 6 ) 高容量：理论上，可以连接的节点个数多达6 5 0 0 0 个，而且每个z i g b e e 网络最 多可以容纳2 5 5 个设备； ( 7 ) 高安全性：提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包数据完整性检查和鉴权的功 能，在数据传输中还提供了可选的三级安全性； ( 8 ) 高可靠性：采用了碰撞避免机锖i j ( c s m a c a ) ，同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，还可以采用带确认的数据传输 机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息； ( 9 ) 全球通用性和完好的开放性：因为z i g b e e 标准协议，所以各设备之间可以相互 通信； ( 1 0 ) 工作频段灵活：使用的频段有2 4 g h z 、8 6 8 m h z 及9 1 5 m h z ，均为免执照频段。 2 3z i g b e e 协议栈体系结构 。z i g b e e 的协议【4 8 】体系结构是基于标准的o s i ( o p e ns y s t e m si m e r c o m e c t i o n ) 的七层模 块，但是它只定义了与目标市场相关的四层，如图2 3 所示。其中，底下两层：p h y 层 和m a c 层是由i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准来定义的，而上层则是由z i g b e e 联盟【2 1 来定义 一0 一 东北大学硕士学位论文第二章z i g b e e 概述 的，包括n w k 层和应用层，其中应用层又包括应用支持子层( a p s ) ，z i g b e e 设备对象 ( z d 0 ) 以及由制造厂商定义的应用对象( a o ) 。每一层都提供两种服务：数据服务和管理 服务，这两种服务对应着两种实体：数据实体和管理实体，层与层之间是通过服务入口 点来传送信息的。 图2 3z i g b e e 协议栈体系结构 f i g 2 3t h es t a c ka r c h i t e c t u r eo fz i g b e e 2 3 1p h y 层描述 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 的物理层( p h y ) 定义了物理无线信道以及与m a c 子层之间的接口， 它的主要功能是： ( 1 ) 使射频收发器激活或进入休眠状态； ( 2 ) 信道能量检钡j ( e n e r g yd e t e c t ，e d ) ； ( 3 ) 检测接收数据包的链路质量指示( 1 i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ； ( 4 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ； ( 5 ) 数据包的发送和接收。 i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 有三个独立的频率范围：8 6 8 m h z ，9 1 5m h z 和2 4 g h z 。较低 的两个频率主要用于美国和欧洲，而较高的频率则是全球通用的。不同频率上的相关参 数如表2 1 所示。 一1o 一 东北大学硕士学位沦文 第二章z i g b e e 概述 表2 1 频率带宽与数据率 t a b l e 2 1f r e q u e n c yb a n d sa n dd a t ar a t e s 频带 码片速率调制比特速率符号速率 符号 ( m h z ) ( k c h i p s ) ( k b s )( k s y m b o u s ) 8 6 8 8 6 8 6 3 0 0b p s k2 02 0 二进制 9 0 2 _ 9 2 8 6 0 0b p s k4 04 0 二进制 2 4 0 0 _ 2 4 8 3 52 0 0 0 o q p s k 2 5 0 6 2 5 1 6 相正交 - _ _ - _ _ 一_ 。_ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ - i _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - - _ _ - - - - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ - i _ - _ _ - - _ _ _ _ _ 一 i e e e8 0 2 15 4 标准中对信道的划分也做了详细的规定，一共规定了2 7 个信道，编 号为0 2 6 ，如图2 4 所示，其中2 4 5 0 m h z 占1 6 个，9 1 5 m h z 占1 0 个，8 6 8 m h z 占1 个， 具体的计算为： f c ；8 6 8 3 ，k = 0 f c29 0 6 + 2 木( k - 1 ) ，k = 1 ，2 ，1 0 f c 2 2 4 0 5 + 5 木( k 一1 1 ) ，k = 1 1 ，1 2 ，2 6 其中，k 是信道号，单位是m h z 。 信道o 8 6 8 m i - 1 2 9 1 5 乙q 凸仙一i 耍瞧霪麦子f c 频= 带9 0 的6 + 中2 * 心( k 频- 1 率) , 上9 2 醚8 m 频t - 率i z 信道间隔 24g比一 i 一 q 凸qq 凸凸凸凸凸凸i 24 g k 子频带的中心频率 24 8 ：o h 2 图2 4i e e e8 0 2 1 5 4 规定的信道 f i g 2 4i e e e8 0 2 15 4c h a n n e l s 如表2 2 所示，每个z i g b e e 物理层协议数据单元( p p d u ) 数据包由三部分组成：同 步包头s h r ，允许接收设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步；物理层包头 一1 l 一 率：；|限尘燃 东北大学硕士学位论文 g - 章z i g b e e 概述 p h r ，包含帧长度的信息；物理层净荷p s d u ，长度可变的净荷，它携带m a c 层的帧 的信息。其中s h r 由两部分组成：前同步码和1 9 贞定界符s f d ，收发器使用前同步码来 获取码和符号的同步，前同步码占4 个字节；帧定界符由8 位二进制组成，用来表示前 同步码的结束以及数据包的开始，它是一个固定的值为0 x e 7 。 表2 2 p p d u 数据包的格式 t a b l e2 2t h ef o r m a to fp p d u 字节：4 1l 可变长度 前同步码帧定界s f d 帧长度( 7 位)预留位( 1 位) p s d u 同步包头s h r物理层包头p h r物理层净荷 2 3 2m a c 层描述 i e e e8