毕业设计（论文）基于单片机的无线监控软件的实践（含源代码）

1、本科生毕业论文（设计）如需源代码，开题报告，外文翻译，联系qq153893706题 目: 基于单片机的无线监控软件的实践 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师: 职称: 2010 年 5月 30 日南京农业大学教务处制目 录摘要3关键词3abstract3key words3第一章 绪论411 课题的研究背景与意义412国内外研究现状513 本文主要研究内容614论文结构6第二章 zigbee技术分析72.1 zigbee与无线通讯72.1.1 zigbee的产生722 zigbee网络类型82.2.1星形网络92.2.2树状网络92.2.3网状网络923 zigbee协

2、议的层结构及功能102.3.1物理层102.3.2 mac层112.3.3.网络层112.3.4.应用层122.3.5 zigbee设备对象122.3.6. zigbee帧结构12243网络层帧结构1324 zigbee设备建立网络及路由142.4.1.zigbee设备建立网络过程142.4.2.zigbee的路由152.5.本章小结15第三章 基于zigbee的硬件系统的设计和实践153.1扩展表演板硬件描述153.1.1 电源接口163.1.2 rs-232接口163.1.3 控制按键163.1.4 无线模块插座173.1.5电位器173.1.6显示菜单说明173.2无线射频模块193.2

3、.1射频及模拟收发器193.2.2 cc2430芯片19第四章 基于zigbee的软件系统的设计和实践234.1软件设计的流程244.2开发环境264.3 项目软件平台和通信274.4.z-stack程序分析与设计274.4.1协议栈配置274.4.2网络地址分配(network address assignment)274.4.3 z-stack寻址(addressing in z-stack)284.4.4 回调程序284.5.z-stack程序的编译下栽294.5.1 定义模块性质和下栽294.5.2串口初始化程序294.5.3串口发送字符串函数304.5.4 中断程序30第五章 总结与

4、心得.31参考文献：32附录33点对点通信程序33基于单片机的无线监控软件的实践农业电气化与自动化专业学生 指导教师 摘要:服务业作为一个新兴的产业，在社会发展迅速的二十一世纪，有着巨大的发展潜力。而饮食业是服务业中一个最典型、历史最为悠久的行业。但在各种宾馆、酒店、餐厅等场所，一般都使用传统的点菜方式，不符合信息时代的便捷性、智能性和科技性。应用一种智能的点菜系统，也就有了一定的应用价值和科技价值。zigbee无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点，其包含了传感器技术、无线通讯技术和嵌入式技术等，具有信息采集、传输和处理的能力，zigbee无线传感器网络的发

5、展和广泛应用，将对人们的社会生活产生极大的影响，对产业变革产生巨大的推动作用。针对当前餐饮业的传统点菜方式，设计一个基于zigbee技术的无线点菜系统。关键词：zigbee；cc2430；无线传感器网络；ieee802.15.4；software of wireless monitoring practice based on singlechipstudent majoring in agricultural electrification and automation xiaokang zheng tutor jin xuabstract:as a new and developing t

6、rade ,service has huge development potential in social development of the 21st century.and catering services is a classic, historys most ancient trades.but various hotels, restaurants, hotels, etc, are usually use of traditional order, not in accordance with the convenience of the information age, k

7、nowledge and technology.it will have a certain value and technology by the application of an intelligent order system.zigbee wireless sensor network is an emerging on the frontiers hot with a major concern of the current international and highly crossed by many disciplines.it contains sensors, wirel

8、ess communications and embedded technology ,and has capacity of information gathering, transport and handling.the development and widespread of zigbee wireless network will bring profound effects on peoples social activities and have a great push forward to industrial changes.aim at the defect of tr

9、aditional order,desiging a wireless order system based on zigbee technology is necessary.key words: zigbee；cc2430；wireless sensor network；第一章 绪论11 课题的研究背景与意义 随着传感器、嵌入式和通信半导体技术的飞速发展，己经由pc时代和网络时代，进入到后pc时代。更小、更方便的低功耗设备冲破了传统台式计算机以及高性能服务器的设计模式。微机电系统(microelectromechanical system.mems)的迅速发展奠定了设计和实现片上系统(sy

10、stem oil chip，soc)的基础。传感器网络就是由上述技术高度集成而形成的一种新的信息获取和处理技术。目前无线传感器网络己成为计算机科学领域一个十分活跃的研究分支，己引起了学术界和工业界的高度重视，还被认为是将对2l世纪产生巨大影响力的技术之一。无线传感网络的应用前景十分诱人：传统应用有军事、监控、应急、环境、防空等领域；新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。可以预计，将来的无线传感器网络会无处不在。但现在无线传感器网络才刚刚兴起，它的技术和应用都不是十分成熟，其终端要达到希望的要求还将会有很长的一段发展历程。 目前，无线传感器终端设计的希望和要求主要集中在尽量节约的系统能

11、量消耗、尽量节省的信息处理以及简单的信号收发。对于无线传感器网络中的网络协议的期待和要求是：用简洁的协议栈支持传感器网络的有效运行，到处存在接入的可能；利用广播信息，避免交互应答；简化协议层次、简练信令方式；节省系统开销等。正是基于对无线传感器网络终端的要求，zigbee协议应运而生。 zigbee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它依据ieee802154标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力高。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。

12、对于现有的各种无线通信技术，zigbee技术将是最低功耗和成本的技术。 zigbee是一组基于ieee批准通过的8021 54无线标准研制开发的，有关组网，安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802154的名字，ieee仅处理低级mac层和物理层协议，zigbee联盟对其网络层协议和api进行了标准化。完全协议一次可直接连接到一个设备的基本节点的4k字节或者作为hub或路由器的协调器的32k字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目没有限制。zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其

13、它节点获取。zigbee协议由物理层(phy)、介质访闯控制层(mac)、网络层(ywk)，应用层(apl)及安全服务提供层(ssp)五块内容组成。网络层以上协议由zigbee联盟制定，ieee802154负责物理层和链路层标准。zigbee技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着j下式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。它不仅打开了大量新应用之门，而且还能给许多现有的应用增加新的价值。由于通过zigbee各种非常简单的器件就能够实现联网，作为一个全球标准，为将来实现

14、无所不在的无线网络创造了条件。 服务业作为一个新兴的产业，在社会发展迅速的二十一世纪，有着巨大的发展潜力。而饮食业是服务业中一个最典型、历史最为悠久的行业。但在各种宾馆、酒店、餐厅等场所，一般都使用传统的点菜方式，不符合信息时代的便捷性、智能性和科技性。应用一种智能的点菜系统，也就有了一定的应用价值和科技价值。将zigbee技术应用于点菜系统，可以方便地实现点菜系统的智能化、无线化、便捷化。 zigbee作为一种崭新的近程无线网络通信技术，因其有着低能耗、低成本、低复杂度、高安全等优点，已成为目前嵌入式应用的一个大热点。 基于zigbee技术的无线点菜系统，可以使用在各种宾馆、酒店、餐厅等场所

15、，特别是那些高级的餐厅酒店，取代传统服务员跟踪式的服务。将该系统安装在客人的餐桌上，当客人到店内来消费的时候，只需坐到餐桌前，通过餐桌上的点菜系统点菜，系统自动将该客人所点的菜肴传送到总台协调器，服务员、厨房、收银台只要通过协调器便可以知道客人所点的菜品，服务员再将相应的菜品送到客户的餐桌上。这种系统避免了因服务员来回跑动产生的忙乱现象，大大提升了服务品质和服务形象，为营造高档次就餐环境创造了良好条件。客人点完菜，服务员无需向吧台和厨房传送单子，账单传送在1秒内便完成，大大缩短了点菜时间，减少了服务员工作量，降低了服务员的劳动强度，而且服务员始终不离客人视线，服务更周到及时，并且避免了跑单漏单

16、现象，提高了经营的整体运营效率，从点菜起到客人结帐全自动，方便顾客就餐，使餐饮业真正做到了全方位信息化，管理成本下降，节省了人力物力。而zigbee技术因其低成本、低能耗、高安全、简单、快捷等特点，成为实现无线点菜系统有效又经济的手段。所以用zigbee技术来实现无线点菜系统也就成为了一种很好的选择。 12国内外研究现状 传感器网络的研究起步于20世纪90年代未期。国际上，1999年和2003年著名的美国商业周刊和mit技术评论technologyreview在预测未来技术发展的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的

17、层次、不同的角度对传感器网络进行了研究和开发。1995年美国提出了“国家智能交通系统项目规划”，2002年美国英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过在鞋、家具以及家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。zigbee是刚刚发展起来的，很有市场潜力的一种技术。它是为了满足低功耗、低成本的无线网络要求而诞生的，ieee标准委员会在2000年12月份正式批准并成立了802154 i作组，任务就是开发一个低数据速率

18、的wan(lr-wpan)标准。它能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据速率的传输。它使用的频段是无需许可的，进一步降低了成本。它非常适合在一个有限的范围内进行数据通信。目前，各大国外ic厂商纷纷推出自己的zigbee解决方案，在芯片方面主要有：ti，freescale的mcl3191、mcl3192和mcl3193，microchip，ember的em250、em260，jennic的jn5 1 2 1，chipcon的cc2420、2430等。目前已有多款单芯片(将mcu和射频收发器集成在一起的芯片)的zigbee soc解决方案。国内目前在芯片方面只有台湾达盛公司(ubec

19、)开发出自己的芯片uz2400，而更多的公司是在己有芯片的基础上进行二次开发，或者直接使用其它公司的产品。协议方面主要有zstack和zigbee协议栈等。在zigbee产品的开发上，国外的大公司一直走在前列：韩国sktelecom公司在2005年10月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术为ember公司提供的zigbee无线技术；丹麦的nesa公司将凭借飞思卡尔半导体的zigbee兼容平台在欧洲为自动读表系统(amr)部署第一套支持zigbee的系统；美国compx公司己经成功丌发出了可电脑外设上使用无线通信规格“zigbee的usb适配器，这种适配器嵌入了由compx与日本冲电气工业共同

20、开发的zigbee单芯片收发机。国内在zigbee产品的开发上起步比较晚，但是进展很快：深圳旭昂公司己经开发出多种zigbee模块，并提供开发和演示平台；成都西谷曙光公司也开始提供自己的开发平台，同时开发了多种zigbee模块(包括温度传感，门禁系统等)。目前也有很多大学和研究所也纷纷开始了zigbee产品的研究，其中有中科院、清华大学、武汉大学、山东大学等。目前许多人致力于将zigbee与gprs结合71。gprs通讯方式依赖移动通讯公司庞大的gprs网络，建设成本与运行维护成本都很低，远小于自行建设独立运行的专用通讯网络(如电台、有线ddn、微波等)。gprs网络建设方便简单，使用gprs

21、模块及相应配件，直接与带有rs232串行口的监测设备连接，与中心数据服务器构建透明的数据传输通道。它运行可靠，数据采集实时性强，运行费用低，漏码误码极少，克服、解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了极低。同时，通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗3费很大精力去维护通信线路的问题嗍。但是，如果对每个采集点都配置一套gprs模块，使用起来成本还是比较高的。将zigbee与gprs结合，它既保持数据采集实时性强，又降低了运行费用，可以使zigbee协议应用更广泛。 在各种宾馆、酒店、餐厅等场所，通常所使用的点菜方

22、式，都是传统的人工方式，即客人走进餐厅或酒店等场所，服务员就拿着菜单迎上来询问客人并要求点菜，随后服务员将菜单送到厨房和收银台，等厨房师傅将菜做好后由服务员送到客人餐桌上。这种点菜方式有很多不方便，首先就是服务员的数量较多，极大地浪费了人力，同时服务员来回跑会产生忙乱现象，也可能会出现跑单漏单现象，降低了经营的整体运行效率。而无线点菜系统就可以有效地解决这些问题。 当今的几大无线通信技术比较复杂，耗费的资源也多，成本高，不适合短距离通讯的场合。而作为短距离传输的蓝牙协议复杂度高，功耗高，成本高，不能满足小型化、低成本设备的无线联网要求，而zigbee无线协议复杂度低，对资源要求少，低功耗，低成

23、本，短时延，可容纳65535个节点，且不受国家允许的公用频率限制，非常适合无线点菜系统。zigbee无线网络能实现网状网络，从而保证了数据传输的可靠性。一台zigbee无线网络通讯中心节点能以轮询的方式与多台无线点菜机通讯。在室内，受建筑物的阻挡等因素影响，当一台pc机端无线数据节点的通讯距离不能覆盖整个应用场所时，可在适当位置增设多个无线通讯节点，这样就不容易发生数据的丢失了。zigbee联盟预言在未来的四到五年内,每个家庭将有50个zigbee器件。 现在较多的点菜系统是pda点菜系统，其主要通过红外线或无线传输技术（802.11b）来进行数据传输。红外传输距离由其功率大小决定，由于pda

24、自身性能的局限性，其红外线传输距离理论上只有4米，而且红外传输过程中不能有任何障碍物，传输成功率不能达到100%，极易造成数据丢失。另外红外传输所需的硬件品种较为复杂，因而所构建的网络也会较为复杂，造成网络易出故障。无线传输技术（802.11b）因其受到国家允许的公共频率限制，会受到其他诸如手机、微波设备的干扰。而且pda无按键,操作繁琐,点菜速度慢,在输入数据、附加项时必须用笔触式界面，难以识别潦草的字，易出错，修改麻烦，损坏频率高。13 本文主要研究内容对基于zigbee技术的无线点菜系统的研究，作者主要做了以下工作：1. 概述无线传感网络的背景和意义，回顾了无线传感网络的发展历史和研究现

25、状，分析了一种新的无线传感网络技术zigbee的应用前景。2 研究了24ghz高频设计的规范，设计并开发tzigbee的终端设备、路由器和网络协调器；研究了ieee 802154标准协议和zigbee规范，编写了系统程序并运用所开发的zigbee设备组成树状网。3 通过实现zigbee无线网络,用pic18f4620单片机控制协调器和终端设备,将数据从终端设备发送到协调器,协调器再通过串口将数据发送到pc机。从而达到发送和接收所点菜品的目的。4 对降低zigbee设备功耗进行了研究，利用芯片自有的省电模式实施低功耗设计，使系统在5号电池供电的情况下尽量延长无线传感器网络的寿命。14论文结构 第

26、一章阐述了课题研究的背景与意义，对比了国内、外的研究现状，归纳了本文的主要研究内容，说明了本文的结构。第二章通过对比zigbee和其他无线通讯技术，介绍t zigbee的应用领域；详细阐述zigbee的网络类型，协议的层结构及其功能，以及zigbee帧结构，最后阐述tzigbee设备建立网络的过程及zigbee的路由。第三章主要介绍zigbee硬件，包括扩展演示板和无线通信模块的内部组成结构、各个部分的原理和功能，主要介绍cc2430芯片的结构、各引脚功能以及简单的应用。第四章介绍软件的设计平台、程序设计流程、各种zigbee协议栈原语功能以及程序的简单设计。第五章心得和总结。第2章 zigb

27、ee技术分析2.1 zigbee与无线通讯2.1.1 zigbee的产生 zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将信息从一个传感器传到另一个传感器，因此有着非常高的通信效率。zigbee是ieee802154技术的商业名称，该技术的核心协议由2000年12月成立的ieee802154工作组制定，高层应用、互联互通测试和市场推广由2002年8月组成的zigbee联盟负责。zigbee联盟由英国invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉

28、公司以及荷兰飞利浦半导体公司等组成，其中涵盖了半导体生产商、ip服务提供商、消费类电子厂商及oem商等，例如honeywell等工业控制和家用自动化公司，甚至还有mattel这样的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发zigbee物理和mac层技术标准的ieee802154作组。2.1.2 zigbee与其他无线技术的比较 无线技术可以分为高速率无线技术和低速率无线技术两类。高速率无线技术主要包括irda、wifi、home rf、bluetooth、dect、hiperlan和uwb等，低速率无线技术主要包括zigbee和zwave，具体技术特性如下：1.rrda irda只支持点对点的连接

29、，无法实现点对多点的连接，并且两个互相通讯的设备必须对准，中间不允许有物体阻隔。由于以上几点限制，其应用前景很大程度上受到限制。2wifi 一两年之内，wifi仍然是无线接入的主流标准。用户可以用支持无线lan的笔记本电脑或pda通过wifi技术实现无线上网，其成本相对其他无线技术较高。3home rf 因其标准不公开，后续研发与技术升级较慢、缺少众多大公司的支持，并且在与wifi等技术的竞争中并不占优势等，home rf的前景普遍不被业界看好。4bluetooth bluetooth主要用做手持终端之间的链接，不过越来越多的pc、mp3播放器以及数码相机也在采用bluetooth。2005年

30、5月，蓝牙小组sig宣布了和uwb开发商的结盟，以满足同步大容量传输以及实现便携式设备的高质量视频应用等方面的需求，但一台蓝牙设备最多同时和7个其他的蓝牙设备相连，网络容量受到限制。5hiperlan hiperlan标准提供了类似于ieee 80211无限局域网协议的性能和能力，分为两种规格：hiperlan1和hiperlan2。hiperlan1标准采用5g射频频率，可以达至u20mbps的上行速率。hiperlan2 样采用5g射频频率，上行速率可以达至u54mbps。hiperlan2系统n3g标准兼容。wlan系统可以用来传送接受数据、图像以及实现语音通讯。hiperlan2网络协

31、议栈具有灵活的体系结构，很容易适配并扩展不同的固定网络。6dectdect是由etsi带ij定的增强型数字无绳电话系统标准，是一个开放型的、不断演进的标准，可为高用户密度的小范围通信提供话音和数据高质量服务。7uwb 超宽带技术uwb主要应用于小范围、高分辨率、能够穿透墙壁和地面的雷达系统和图像系统，适用于高速率传输场合。8zwave 传输速率只有96kbs，虽然zwave又另增了一个可达40kbs速率的模式，但主要应用领域还是家庭自动化。对比其他无线通讯技术，zigbee的主要优势有：1成本低：模块的成本只有几美金，并且协议免收专利费。2能耗小：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6

32、个月。3网络容量大：一个zigbeen络内可以容纳65000个设备。_4可靠性高：采取了碰撞避免策略，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。采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都需要接受方的确认。5安全：zigbee提供了基于crc的数据包检查功能，采用了aes128的加密算法。22 zigbee网络类型 为了降低系统成本，ieee定义了两种类型的设备：ffd和rfd，可根据应用的需要构成星形网络、树状网络和网状网络三种网络拓扑结构，这三种网络都必须有一个网络协调器，网络协调器的存储容量最大，计算能力最强，主要的任务是发送网络信标、建立一个网络、管理网

33、络设备、存储网络设备信息，不断的接收消息。三种网络的拓扑结构如图2.1所示：协调器ffd终端设备rfd路由器ffd网状网络树状网络星形网络图2.1 zigbee网络拓扑结构图2.2.1星形网络 星型网络为主从结构，一个网络有一个网络协调器(coordinator)位于网络的中心，其他的设备分布在其覆盖范围内。网络协调者必须是ffd，由它来负责管理和维护网络，其他设备为rfd，都与中心设备pan网络协调器通信。在这种网络中，网络协调器一般使用持续电源供电，而其他终端设备采用钮扣电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。2.2.2树状网络 树状网络可以是

34、扩展的单个星型网络或互联多个星型网络，树状网络也只有一个网络协调器，与网络协调器组成网络的可以是终端设备，也可以是路由器。每个路由器又可以组成一个星形网络，每个星形网又可以有下一级的星形网络，所以树状网络可以有几级的子网络，覆盖范围比较大，对网络协调器和直接与网络协调器通讯的路由器使用持续电源供电，终端设备或终端子网络的路由器采用钮扣电池供电，树状网络适合仓储系统管理与维护，大型停车场的车辆管理等。2.2.3网状网络 网状网络中的每一个ffd都可做为路由器，根据路由协议来优化最短和最可靠的路径，只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之间都可以直接通信。网状网络中也需要网络协调器，负责

35、实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能，使用持续电源供电。网状网络可以支持ad hoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输信息，适合于设备分布范围更广的场合，比如工业检测与控制、智能农业等方面有非常好的应用背景。23 zigbee协议的层结构及功能 zigbee联盟标准是在ieee 802154标准基础上设立的，联盟标准规定完整zigbee协议应该包括ieee 802154的物理层和mac层，网络层和应用层，其层结构如图22所示：图22 zigbee协议层结构2.3.1物理层 物理层定义了物理无线信道和mac层之间的接121，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道

36、上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层数据服务包括以下四方面的功能：1信道能量测量；2接受信息包的lqi；3cca；4收发数据。 信道能量测量为网络层提供信道选择依据，主要测量信道中接收信号的功率强度，该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。cca判断信道是否空闲。ieee 802154定义了三种cca模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低

37、于某门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。 24ghz物理层的数据传输速率为250kbs，868915mhz物理层的数据传输率分别是20kbs、40kbs。24ghz物理层的较高速率主要归因于基于dsss方法的准正交调制技术。来自物理层收敛协议数据单元的二进制数据被依次按字节从低到高组成4位二进制数据符号，每种数据符号对应16个状态组中的一组，被映像成32位伪噪音码片，以便传输。然后采用半正弦脉冲波形式的oqpsk调制方式调制。24ghz波段为全球统一的

38、无需申请的ism频段，有助于zigbee设备的推广和生产成本的降低。24ghz的物理层提供250kbs的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868mhz是欧洲的ism频段，915mhz是美国的ism频段，这两个频段的引入避免了24ghz附近各种无线通信设备的相互干扰。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域，本文使用的是24ghz波段，其信道与频率范围如表21所示：信道编号中频率心（mhz）间距（mhz）频率上（mhz）频率下（mhz）k=0808.3868.6

39、868.0k=110906+2(k-1)2928.0902.0k=11262405+5(k-11)52483.52400.0表21 zigbee信道与频率范围2.3.2 mac层ieee 802154的mac层包括以下功能：1网络协调器产生网络信标；2与信标同步；3支持个域网的建立与断开；4为设备提供安全性支持；5信道接入方式采用csmaca机制；6保护时隙机制的建立与维护。 ieee 802154mac子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和mac命令帧等4种帧类型。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和mac命令帧则用于zigbee设备之间mac子层功能实体间控制信息的收发。广播

40、帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和mac命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认，并且fcs已经通过了校验，接收方将立即发送确认帧。若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自动重传该帧。这就是mac子层可靠传输的基本过程。mac子层帧头由29节的帧控制域、l字节的帧序号域和最多20字节的地址域组成。帧控制域指明了mac帧的类型、地址域的格式以及是否需要接收方确认等控制信息；帧序号域包含了发送方对帧的顺序编号，用于匹配确认帧，实现mac子层的可靠传输；地址域采用的寻址方式可以是64bit的ieee地址或是16bit的zigbee网络地址。2.3.3.网络层网络层通过两种

41、服务接入点提供响应的两种服务。它们分别是网络层数据服务和网络层管理服务。网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。这两种服务通过mcps-sap和mlme-spa接口为mac层提供接口。除此之外，在nlme和nlde间还有一个接口使得nlme可以使用网络层数据服务。 网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些不可或缺的任务，建立新的网络，具体功能有：处理设备的进入和离开网络、根据网络类型设置设备的协议堆栈、使网络协调器对设备分配地址、保证设备之间的同步、提供网络的路由、保证数据的完整性、使用可选的aes

42、128；0n密方法对通信进行加密，具体的网络层功能如下：1网络层数据实体通过对应用支持层协议数据单元增加一个适当的协议头，生成相应的网络层协议数据单元；2指定拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送一个网络层协议数据单元到一个合适的设备，该设备可能是目的设备，也可能是中间设备；3初始化一个网络，即建立一个新的包含协调器、路由器和终端设备的网络；4连接或断开一个网络；5zigbee协调器和路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力；6发现和存贮有效的传送信息的网络路由。2.3.4.应用层 zigbee的应用层由应用支持子层、zigbee设备对象以及应用层框架组成。应用支持子层的作用是维护绑定表，在绑

43、定的设备之间传输信息。zigbee设备对象的作用包括：在网络中定义一个设备的类型，如定义设备类型为网络协调器或为路由器或为终端设备；发现网络中的设备并确定能提供何种应用的服务；发起或应答绑定请求以及在网络设备之间建立一个安全的链路等。1应用支持子层应用支持子层在网络层和应用层之间提供了一个接口。接口的提供是通过zigbee设备对象和制造商定义的应用设各共同使用的一套通用的服务机制，应用支持子层的功能如下：(1)接收到应用对象载荷后，对其打上包头产生应用支持子层信息帧，并传输给网络层；(2)绑定网络中的两个设备，使它们直接连接。绑定的基础是设备之间的服务功能，如果两个设备已绑定了，则应用支持子层

44、会把收到的信息发送给已绑定的设备：(3)提供获取和设置应用子层常量的功能，管理aib；(4)安全性：提供设备之间的安全加密功能。2应用层框架 应用层框架是应用设备和zigbee设备连接的环境。在应用层框架中，应用对象通过apsde-sap发送和接收数据。而对应用对象的控制和管理则通过zigbee设备对象公用接口来实现。apsde-sap提供的数据服务包括请求、确认、响应、以及数据传输的指示。能够定义多达240个不同的应用对象，端点号从1至u240。还有两个附加的端点o和端点255，其中端点0用于zigbee设备对象的数据接口，端点255,贝1j用于所有应用对象的广播数据的数据接口。2.3.5

45、zigbee设备对象 zigbee设备对象，描述了一个基本的功能函数类，在应用对象、设备配置和应用支持子层之间提供了一个接口。zigbee设备对象位于应用框架和应用支持子层之间，满足zigbee协议栈所有应用操作的一般要求，具有以下作用：(1)初始化应用支持子层、网络层、安全服务文档；(2)从终端应用中集合配置信息来确定和执行网络发现；(3)安全加密管理，主要包括安全密匙的建立和发送；(4)网络的维护功能；(5)绑定管理，绑定功能由应用支持子层负责，但是绑定功能的管理却是由zigbee设备对象负责，它确定了绑定表的大小、绑定的发起和绑定的解除等功能；(6)设备管理，对于网络协调器和路由器，zi

46、gbee设备对象提供网络监测、路由获取和信息绑定和网络脱离等一系列设备管理功能。 zigbee设备对象实际上是介于应用对象和应用支持子层之间的端点，其主要功能集中在网络管理和维护上。应用对象可以通过zigbee设备对象提供的功能来获取网络和其他设备的信息，如网络的拓扑结构、其他设备的网络地址和当前状态等信息。2.3.6. zigbee帧结构 设备发起通讯时，发送的信息帧自上而下传递，经过应用层、网络层、mac层、物理层对信息帧都会添加相应层的包头。最后信息帧经过最底层的物理层处理后，通过射频芯片mcl3193调制发送出去。接收时，通过射频芯片mcl3193把收到的信号解调出来，即按照物理层、m

47、ac层、网络层、应用层的顺序对信息帧进行分解，各层读取相应的包头，并把信息帧往上层传递。2.3.6.1.物理层帧结构 物理层帧包括同步包头、物理层包头和物理层载荷三部分，同步包头包括前同步码和帧定界符。1前同步码是32bit，全为o；2帧定界符为8bit，固定为0xa7：3物理层包头包括7bit的帧长度和1bit的预留位；4物理层载荷就是mac层的帧内容。2.3.6.2.mac层帧结构 mac层帧包括mac层帧头、mac层载荷和mac层帧尾三部分。mac层由帧控制域、帧序列号、目的pan标识符、目的地址、源pan标识符、源地址组成。243网络层帧结构 网络层帧结构包括网络层帧头域和网络层载荷两

48、部分，网络层帧头域由帧控制域、目的设备网络地址、源设备网络地址、广播半径和广播序列号组成。1 帧控制域的结构如表2.2所示：位012567891015帧类型协议版本发现路由保留安全保留表2.2 网络层帧控制域结构帧类型为00时表示是数据帧，0l时表示是网络层命令帧；(1)协议版本表示所使用的zigbeen络层协议版本号；(2)发现路由为00时表示禁止路由发现，01时表示使能路由发现，10时表示强制路由发现；(3)安全位置1时表示使能安全加密。2目的设备网络地址和源设备网络地址都为16bit，分别与mac层的目的地址和源地址相同；3广播半径仅在帧的目的地址为广播地址(0xffff)时，广播半径存

49、在，设备每接收一次该帧，把广播半径的值减1；4广播序列号也是仅在帧的目的地址为广播地址(0xffff)时，广播序列号才存在。每传送一个新的广播帧，该序列号就会增加1；5网络层帧载荷就是应用支持子层的内容。2.3.6.3.应用支持子层帧结构 应用支持子层帧结构包括应用支持层帧头和应用支持层载荷两部分。应用支持子层帧头由帧控制域、目的端点域、组地址域、簇标识符域、轮廓标识符域、源端点域和帧长计算器组成。1 帧控制域的结构如表2.3 所示：位01234567帧类型发送模式间接地址模式安全请求确认保留表2.3 应用支持子层帧控制域结构帧类型为00时表示数据帧，0l时表示命令帧，10表示确认帧；(1)发

50、送模式为oo时表示普通发送模式，01时表示间接寻址发送，10时表示广播发送；(2)间接地址模式置1时表示在地址域中不包含目的端口；(3)安全位置1时使能安全功能；(4)确认请求位置1时表示发送设备等待接收设备发送的确认帧。2目的端点域用来指示信息帧的终端接收设备；3组地址域用来指示设备的16bit的组地址；4簇标识符域用来对不同的设备进行绑定操作；5轮廓标识符域用来对信息帧进行过滤并传送该帧；6源端点域为0x00时表示信息帧来自zigbee设备对象，为0x010xf0时表示此信息帧来自不同的应用对象的操作；7帧长计算器用来避免对信息帧的重复接收，启动一次新的发送此值加l：8应用支持子层帧载荷就

51、是应用对象载荷的内容。2.3.6.4.应用层框架帧结构应用层框架提供应用对象载荷，作为信息帧的原始内容。24 zigbee设备建立网络及路由2.4.1.zigbee设备建立网络过程 虽然网络拓扑结构的形成属于网络层的功能，但ieee 802154为形成各种网络拓扑结构提供了充分支持，下面主要介绍星形网络、树状网络和网状网络的形成过程：1星形网络的建立过程 星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。网络协调器必须是ffd设备，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。一种简单的策略是：一个ffd设备在第一次被激活后，首先

52、广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个ffd设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。网络协调器要为网络选择一个惟一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个终端设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。2树状网络的建立过程 在树状网络中，与网络协调器通讯的设备是路由器，而终端设备

53、作为末端设备连接到网络中。整个树状网中也只有一个网络协调器，网络协调器拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(cluster header)，并将簇标识符(cluster identifier)设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的pan网络标识符，形成网络中的第一个簇。接着，网络协调器开始广播信标帧。邻近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。设备能否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中，pan网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以此形成更

54、多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择较远的通信设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度地缩小不同簇间消息传递的跳数，达到减少延迟和开销的目的，一簇也就是一个星形网络，树状网就是星形网络的延伸。3网状网络的建立过程 网状网络是zigbee无线传感器网络中最复杂的拓扑结构。网状网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信。网状网络中仍然需要一个网络协调器，负责整个网络的建立，也是由网络协调器给其他设备分配地址，其他设备大部分是路由器，可以转发周围设备发送的

55、信息。网状网络中的一个数据包可以通过选择一条最优的传输路径最终到达它的目的设备，具有传输可靠性强的优势，网状网络的覆盖范围很大，可在大范围内进行数据的传输。2.4.2.zigbee的路由 zigbee采用数据包确认、再传输及自适应路由等技术。自适应路由可在路由设备发生临时或永久故障的情况下，为数据包提供通过网络的其他可选路径。zigbee设备采用被称为“按需距离矢量路由协议(aodv)的路由发现算法来建立通过该网络的其他可选路径。在设备发生故障或部分网络传输条件暂时恶劣的情况下，aodv的恢复能力极强。如果存在几条到目的设备的可选路径，那么zigbee路由器会采用包括lqi记录在内的多种指示器来选择适当的路由路径，以尽可能避免数据包丢失。zigbee的路由功能还实现了另一重要功能。ieee 802154收发器的典型室内工作距离在10至75米之间，具体根据环境而定。设备所能实现的工作距离很大程度上取决于其自身