基于ZigBee技术的无线传感器系统设计

1、东北农业大学学士学位论文 学号：A基于ZigBee技术的无线传感器系统设计学生姓名：袁顺刚指导教师：董守田所在院系：工程学院电气工程系所学专业：农业电气化与自动化研究方向：自动控制东 北 农 业 大 学中国哈尔滨2011年6月Northeast Agricultural University Bachelors Degree Thesis ID:ABased on ZigBee Wireless Sensor System Design TechnologyName: Yuan Shungang Tutor: Dong Shoutian Department:Engineering Colle

2、ge Electrical EngineeringMajor: Agricultural Electrification and AutomationDirection: Automatic ControlNortheast Agricultural UniversityHarbinChinaJune 2011摘要 无线传感网络是当前国际上备受关注的、由多门学科高度交叉综合的新兴前沿热点研究领域，是21世纪产生巨大影响力的技术之一。它将传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术整合在一起，具有采集信息，发送并处理信息等功能。随着电子技术的发展，无线传感器网络进入快速发展时期。 然而，无

3、线网络技术在工业监控、农业自动化、智能建筑、生物医疗、环境检测、智能家居等应用领域刚刚起步，这些领域对数据吞吐量的要求都很低，而且功率消耗也比现有标准所提供的功率消耗低。为了促使简捷方便的、可以随意使用的无线装置大量出现，需要在这些应用领域空间布置大量的无线接入点，因此低廉的价格将起到关键性作用。 ZigBee协议标准作为一种新的无线连接技术在低成本、低功耗、网络容量大和低速率领域开辟了新的天地。ZigBee技术具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大及组网能力强等优点。目前在国外，ZigBee网络技术已经得到一定的应用。 本文所研究的内容对基十ZigBee技术无线传感器网络的应用具有一定的参考

4、价值和实际意义，并为ZigBee无线技术在应用领域方面的应用提供了相关的软硬件基础平台。关键词:无线传感网络，ZigBeeAbstract Wireless sensor network is the concern on current international multi-discipline height by overlapping comprehensive emerging frontier hot research field in the 21st century, is one of the technology exerts an enormous influence.

5、It will sensor technology, embedded computing technology, modern Internet and wireless communication technology with together, gathering information, send and process information, and other functions. With the development of electronic technology, a wireless sensor network into a fast development pe

6、riod. However, wireless network technology in industrial monitoring, agricultural automation, intelligent building, biological and medical treatment, environment detects, intelligent household applications just start, such as data throughput of these fields are very low, the requirements and power c

7、onsumption than existing standards provided by the low power consumption. To urge forthright convenient, are free to use wireless device, need a large presence in these applications space to decorate a lot of wireless access points, so low prices will play a pivotal role. ZigBee protocol standards a

8、s a new wireless connection technique in low cost, low power consumption, network capacity and low speed fields opened a new heaven and earth. ZigBee technology with low power consumption, low cost, short, network capacity to delay and networking ability, etc. Currently in abroad, ZigBee network tec

9、hnology has been certain applications. The result of the research of the base ten ZigBee wireless sensor network technology application to have the certain reference value and practical significance for ZigBee wireless technology, and the application fields on the application of the hardware and sof

10、tware to provide the relevant basic platform.Keywords: wireless sensor network, ZigBee目 录摘要IAbstractII1绪论11.1无线传感器网络简介11.1.1无线传感器网络发展史11.1.2无线传感器网络特点11.2几种无线通信技术21.3 ZigBee技术31.3.1 ZigBee技术的发展史31.3.2 ZigBee技术特点41.3.3 zigbee网络系体结构简介41.4论文的研究内容52 ZigBee协议的分析与实现62.1物理层分析与实现62.1.1 ZigBee的工作频率范围72.1.2物理层

11、数据单元结构72.2 MAC层分析与实现72.2.1 MAC层访问机制82.2.2 MAC层帧及其结构102.2.3 MAC层信道扫描102.2.4同步机制112.3网络层分析与实现112.3.1网络层概况112.3.2网络层帧的一般结构112.3.3网络层数据帧与命令帧112.3.4组建新网络及维护122.3.5 ZigBee网络路由选择142.3.6数据发送与接收143 ZigBee硬件的平台163.1 MC13213的特点163.2 MC13213的工作模式163.2.1 MC13213低功耗模式163.2.2 MC13213活动模式173.3 MC13213的SPI接口173.4 MC

12、13213数据传输模式173.5 MC13213的时钟配置183.6 RS-232串行通信接口与BDM接口184 ZigBee无线网络的实现194.1软件开发环境194.2软件接口实现194.3硬件底层驱动204.3.1硬件初始化204.3.2内部13192输出时钟的设置224.4协调器建网过程224.5终端设备入网过程235 无线网络在数据采集中的应用265.1网络系统的构成265.2数据检测266 总结与展望296.1总结296.2 Zigbee展望29参考文献31致 谢：321绪论 无线传感器网络（WSN：WirelessSensor Network）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现

13、代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成的微型传感器共同的实时监测、感知和采集各种环境或监测对象中的信息，人们获得信息的能力得到了极大的扩展，它是21世纪产生巨大影响的技术之一。目前用于无线传感网络的主要网络协议有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi以及IrDA等。其中，在各类无线传感网络中，ZigBee技术是具有延时短，低成本，低功耗的无线通信应用的首选技术。1.1无线传感器网络简介 随着微电子技术、计算技术以及无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域

14、内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是共同协作感知、采集和处理网络覆盖区域中检测对象的信息，并把所采集的信息发送给观察者。 1.1.1无线传感器网络发展史当今，个域无线网络的出现极大的方便了人类的生活，并极力的在改变人类的生活，而电子信息、半导体技术的发展又为个域无线网络带来了更多的机遇和挑战。无线通信在人们的生活中扮演越来越重要的角色。无线传感器网络的发展是由传感器网络开始的。 无线传感器网络的发展大致经过了四个阶段：第一阶段，将传统传感器采用点对点的连接方式，进行数据的传输，从而构成的传感网络，这种连接方式的传感器构成了传感器网络的最初模

15、型。第二阶段，随着电子通信技术的发展，传感器网络同时也具有了获取多种信息和综合处理信息的能力，通过与传感控制器的相联，组成了具有信息综合处理能力的传感器网络。第三阶段，就是具有智能获得信息的传感器网的通信技术进入局部监控网络阶段，并且可以通过网关和路由器实现与Internet相连，从而形成智能化传感网络。第四阶段，伴随着低能耗的模拟和数字电路技术、无线电射频技术和传感技术的发展，开发小体积、低成本、低能耗的微型传感器，在实际应用中需要成千上万个这种微传感器一起协调工作，它们之间通信的方式也由有线通信转变为无线通信，最终形成无线传感器网络。在第四代无线传感网络中，采用大量的具有多功能、多信息获取

16、能力的传感器，在通信方式上采用自组织无线接入，从而构成了现代意义的无线传感器网络。 1.1.2无线传感器网络特点 无线传感器网络的节点一般有几十个到上万个，是采用无线通信方式的数据传输网络。因此网络具有以下特点：1）网络节点数量大，但通信距离，数据传输量有限。网络节点大主要体现在在很大区域内，往往有成千上万个节点布置在该区域，节点数量大，但节点与节点之间的传输距离较短，一般在几十米范围内。在较小区域内，布设密集的节。这种通信速率要求不高，一般在1-100k即可。2）传感器节点体积小，成本低，低功耗，网络节点耗电低，电池使用寿命长。为了方便实际应用，网络节点的硬件体积设计的比较小，便于安装。由于

17、需求网络节点多，因此，在单节点上成本不能过高。如果要控制节点成本，网络系统能力就会降低，网络协议层次就不能复杂。3）网络具有自组织性。在网络的使用过程中，一些节点由于电能耗尽或者其它的原因而遭到损坏，也可能由于工作的需要有新的节点设备被添加到网络中，因而网络的拓扑结构也将发生变化。由于网络中节点通信距离有限，如果希望与其网络覆盖范围之外的节点进行数据的通信，则需要通过路由中间节点进行连接。4）网络以数据为中心，在无线传感器网络里，人们关心只是观测到在某一个区域的指标值，而不会去关心具体某个节点的位置。因此无线传感器网络是任务型网络，节点的网络地址号与节点位置没有必然的联系，所关心的只是要成功传

18、送或接收的数据。1.2几种无线通信技术 由于短距离无线通信和网络技术有着广泛的应用前景和巨大的市场空间，因此得到众多厂商的重视。随着无线通信技术的发展，其应用不断深入到人们的日常生活领域，提出传输范围在人身附近几米到几十米，这样就出现了无线个域网络。在个域网络中有几种常见的短距离无线通信技术。例如Bluetooth（蓝牙）、Wi-Fi、IRDA、HomeRF以及ZigBee等技术。1）蓝牙技术，1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM以及英特尔5家公司在联合开展短距离无线通信活动时提出了蓝牙技术。蓝牙技术的出现，简化了笔记本电脑和移动电话等终端通信设备之间的通信，也能够简化上述设备与因特网

19、之间的通信，使这些通信设备与因特网之间的数据传输更加高速。自蓝牙出现以来，其应用范围越来越广泛，例如工业控制，手机和PC机外围设备等。2）Wi-Fi技术，Wi-Fi联盟在1999年成立，起初名称叫无线以太网相容联盟（WECA：Wireless Ethernet Compatibility Alliance），在2002年改名为Wi-Fi。它是一种短距离的无线通信技术，能够在上百米的范围支持互联网接入无线信号，为用户提供无线宽带上网。工作频率段为2.4MHz，传输速率最大达到11Mbps。3）红外技术（IRDA），于1993年在20多个厂商发起下成立了红外数据协会，制定了统一的红外标准，将红外数

20、据通信所采用的光波范围限制在850nm900nm。红外技术为手机和电脑之间提供无线通信，其它具备红外接口的设备也可以进行数据传输。由于红外技术需要对接才能通信，所以安全性比较高。但是由于红外技术传输距离短，采用点对点的直线通信传输方式，并要求两设备之间无障碍通信，而且扩展性很差，因此在应用上受到很大的限制。目前4M速率的红外技术已广泛使用，16M传输速率红外技术已发布。4)家庭无线射频技术（HomeRF），由西门子、摩托罗拉等巨头公司在1998年组建并负责研发。它吸取了其它无线通信技术的优点，对现有无线通信标准改进，工作频率段为2.4GHz。但是其标准与802.b协议不兼容，因此HomeRF协

21、议主要应用在家庭无线网络中。 5）ZigBee技术，基于802.15.4协议的Zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有低成本、低功耗、低速率、近距离、自组织强和网络节点大等特点，非常适用于自动控制领域。对于家庭自动化，现代农业，工业自动化等应用来说，蓝牙虽然成本低、传输快，但是电池使用寿命短，而且传输范围短。Wi-Fi网络传输快，传输距离达到100米，但是它的成本太高。IrDA存在同样的问题。为了解决低价格、低传输率、短距离、低功率的无线通讯问题，从而制定了ZigBee无线网络。ZigBee无线网络的出现为使用低传输率、短距离、低功率领域开辟了新的天地。1.3 ZigBee技术

22、 ZigBee在中国被译为“紫蜂”，它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信新技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。它依据IEEE 802.15.4标准，协调几千个传感器之间的相互通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线通信方式把数据从一个传感器传到另一个传感器，通信效率高。与其他无线网络相比，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术，它以其经济、可靠、高效等优点在WSN中有着广泛的应用前景。ZigBee技术数据速率低和通信范围小的特点，也使得ZigBee无线通信技术适合于承载数据流量较小的业务。1.3.1 Zig

23、Bee技术的发展史为了满足长期以来低价格、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场需求，制定一种新兴的短距离无线技术，在2002年IEEE（美国电子和电气工程师协会）成立了IEEE 802.15工作组，开发一种低成本、低功耗和低速率的无线连接技术。2002年10月，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。2004年12月ZigBee联盟正式对外公布ZigBee技术规范1.0版本，2004年12月在韩国汉城的“ZigB

24、ee公开研讨会”上，有23家公司展示了ZigBee产品方案。2006年12月，ZigBee联盟对ZigBee标准进行修订，推出升级规范ZigBee2006。并在这一年，ZigBee联盟在国际消费电子展览会上宣布，开始为ZigBee产品提供ZigBee标签，确保产品互用。2007年，Zigbee联盟又推出了ZigBee2007协议规范。到目前为止，除了三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有200家成员企业，包括终端产品商、软件供应商和系统集成商，并且还有企业不断的加入进来。1.3.2 ZigBee技术特点ZigBee技术主要专注于低速率、低功耗、低成本和时延短的无线市场，

25、与其他几种无线通信网络相比具有低速率、低功耗、低成本、时延短和高安全性等特点。1） 低功耗，由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee网络节点在低功耗待机模式下，两节普通的电池可使用6到24个月。2） 低成本，因为ZigBee网络的数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了硬件开发成本，并且ZigBee协议免收专利费用和免执照频段。3） 延时短，ZigBee的响应速度很快，通信时从休眠状态转换到激活的时延都非常短，一般只需15ms，节点连接进入网络所需要的时间仅为30ms，进一步减少了能源消耗。4） 安全性高，ZigBe

26、e协议提供了三级安全模式级别。网络层和MAC层都有安全策略，且安全分级，各个应用可以灵活确定其安全属性。5） 网络容量大，一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，网络构成灵活，在一个单独的ZigBee网络内可以支持超过65000个ZigBee网络节点。6） 免执照频率，ZigBee技术有三种传输频率段，分别为868MHz，915MHz和2.4GHz，共有27个信道。其中2.4GHz频率段为全球免费使用频段，传输速率达到250KB/s。ZigBee是一种低功耗、低成本、低速率、短距离无线网络技术，凡是具有上述特点的场合都可以使用它。典型的应用有工业控制、智能建筑、家

27、庭自动化、智能交通系统、医疗与健康保护、现代农业、环境监测等方面。1.3.3 zigbee网络系体结构简介Zigbee栈体系结构由一组称为层的块儿组成。每一层为上层执行指定一套服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他的所有服务。按照ISO的OSI模型，ZigBee网络分为四层，分别为物理层（PHY:Physical Layer）、媒体访问控制层MAC:Medium Access Control Sub-Layer）、网络层（NWK:Network）以及应用层（APL:Application Layer），如图1-1所示。其中IEEE 802.15.4标准制定的物理层和媒体接入控制层作为

28、ZigBee的物理层(PHY层)和媒体接入控制层（MAC层），ZigBee联盟在此基础上规定了网络层和应用层框架。图1-1 Zigbee协议框架物理层定义了物理无线信道和MAC层的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务，其主要完成射频收发器的激活与关闭；当前信道的能量检测；链路服务质量信息；信道频率选择，以及物理层数据报的接收与发送。ZigBee使用的频率有868MHz/915MHz和2.4GHz，均属于ISM频段。在我国免费使用2.4GHz频率。MAC层位于物理层与网络层之间，MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务，主要实现信标管理，信道接入，时隙管理，发送与接收帧结构数

29、据，提供合适的安全机制等。网络层允许设备加入网络和离开网络；为设备分配网络内部的逻辑地址；建立和维护邻居表。应用层有应用支持层、ZigBee设备对象等组成，为实际应用提供框架模型。1.4论文的研究内容本文简要介绍了ZigBee技术的特点，深入分析了ZigBee技术协议，在此基础上构建一个ZigBee无线网络，并在硬件平台上实现。 论文首先介绍了无线传感器网络的特点和发展现状，对几种常见的无线传感网络技术作了比较，并介绍了ZigBee网络技术的特点和应用领域。然后再全面深入分析了ZigBee网络协议，详细说明了物理层、MAC层、网络层的功能和实现。采用Freescale公司提供的以MC13213

30、为代表的第二代硬件平台方案，MC13213作为一个系统集成芯片，内部集成S08GT60单片机和MCl3192射频模块，从而简化了外围电路的设计，进一步降低了成本。然后在此硬件平台上构建软件支撑平台以及对ZigBee通信协议栈的实现。提出了基于ZigBee的组网算法，从扫描信道、网络建立、地址分配以及节点入网等步骤构建一个无线网络，实现无线传感器网络的组网功能，并在硬件平台上成功得到验证。2 ZigBee协议的分析与实现2.1物理层分析与实现 ZigBee网络的数据交换所使用的无线信道在网络分层中属于物理层任务。物理层通过硬件和软件为MAC层和物理层无线信道提供接口，物理层通过服务节点（SAP：

31、Servie Access Point）提供两种接口，分别为物理层数据服务（PD-SAP）和物理层管理服务(PLME-SAP)，对下直接管理射频服务的接入（RF-SAP）。物理层的结构模型如图2-1所示。图 2-1 物理层结构图物理层数据服务接入点通过原语在对等的MAC层实体之间传输MAC层协议数据单元（MPDU），其中所使用的原语有请求、确认和指示原语等。数据请求原语PD-DATA.request、数据请求确认原语PD-DATA.confirm(status)、数据指示原语PD-DATA.indication。物理层管理服务接入点允许MAC层与物理层之间传输管理命令，例如空闲信道评估，能量检

32、测以及收发设备的状态转换等。其主要功能：信道频率大小的选择、数据接收和发送、基于CSMA-CA的空闲信道评估（CCA:Clear ChannelAssessment）、信道的能量检测（ED:Energy Detection）和激活和休眠射频设备等。1） 空闲信道评估就是检查当前的信道有没有被其他的无线设备使用。其主要任务是为了协调器建立无线网络时选择信道的提供依据。2） 能量检测是建立网络前信道选择算法的一个重要步骤。对所选择的信道中接收的信号功率进行测量，所测量的结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。能量检测的请求原语为PLME-ED.request。2.1.1 ZigBee的工作频率范围

33、ZigBee所使用的三个工作频段，每一频段的宽度不同，其分配的信道个数也不同。IEEE802.15.4规范标准总共定义了27个编号从0到26的信道。其中，2.4G频段定义了16个信道，915MHz频段定义了10个信道，868MHz频段定义了1个信道。这些信道的中心频率定义如下：Fa=868MHz k=0Fb=906MHz+2(k-1)MHz k=1,2,10Fc=2405MHz+5(k-11)MHz k=11,12,26其中，k为信道编号。一般来说，ZigBee设备不能同时兼容这3个工作频段。2.4GHz频率段是全球免费使用的频段，更有利于ZigBee设备的推广和使用成本的降低。2.1.2物理

34、层数据单元结构 在ZigBee网络体系中，每一层在发送数据时都要加上自己的协议信息，以形成网络协议数据单元。ZigBee物理层的数据单元（PPDU）又可以称之为物理层数据包，其格式如图2-2所示。4字节1字节1字节变量前同步码帧定界符帧长度（7bit）预留位（1bit）PSDU同步包头物理包头负载图 2-2 物理层数据包 物理层的数据单元是由同步包头、物理层包头和物理层有效载荷组成。为了方便快捷，PPDU结构最左边的域首先传送和接收。前导码(preamble)域，接收设备使用前导码域保持码片和符号的同步，IEEE802.15.4规定前导码域由32个二进制0组成。帧定界域由一个字节组成，标识一个

35、物理帧的开始，其值用16进制表示为0xA7。物理包头中的其中7位来表示帧长度，也就是有效载荷的长度，按照物理层有效载荷（PSDU）不同，帧长度可变。字节数在0aMaxPHYPacketSize之间。其中，aMaxPHYPacketSize为物理层常量，其值为127，表示物理层能够接收的最大PSDU数。PSDU域也一个是可变长度域，通过物理层发送出去的数据。PSDU中含MAC子层帧。2.2 MAC层分析与实现 MAC层处于NWK层和PHY层之间，其功能为两个ZigBee设备的MAC层提供可靠的路径，使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输。MAC子层控制使用CSMACA(Carrier Se

36、nse Multiple Access with CollisionAvoidance)来控制接入信道。MAC子层主要实现MAC层数据帧的传输，信道访问，设备间无线链路的建立和维护，设备间的同步实现。MAC层的主要功能包括如下几个方面：1） 网络协调器能够产生并发送信标。2） 信道接入方式采用CSMA-CA机制。3） 支持PAN链路的连接与断开。4） 设备与信标同步。5） 处理和维护保护时隙(GTS)机制。6） 支持设备的安全性。2.2.1 MAC层访问机制Zigbee网络中各层都有自己的帧（Pactet），它是数据通信的基本单位。MAC层中有一种包含若干不同类型帧且被称为超帧，信道访问的时间

37、可以在Zigbee网络中使用超帧来限定。超帧组成包括活动部分和非活动部分。在活动部分，通信设备通过竞争或非竞争机制使用信道；在非活动部分，通信设备进入休眠状态以达到节省能量的目的。超帧的活动部分分成16个时隙，超帧的第一个时隙所发送的是信标帧。信标帧是一种特殊的帧，一直处于超帧的最前面，表示一个超帧的开始。超帧其余15个时隙由分成竞争部分（CAP:Contention Aeccess Period）和非竞争部分（CFP:Contention-free Period）。ZigBee网络有两种通信方式分别是信标使能和非信标使能。信标使能和非信标使能在定义的时候分别又有是不是使用“信标帧”来决定。根

38、据超帧具体结构属性macBeaconframeorder（BO）和macSuperframeOrder（SO）来定义使不使用信标帧。当SO取值为15时，表示超帧不存在活动部分，当BO值为15的时候不使用信标帧。如果SO不等于15，BO取值在0到14之间，则表示使用信标帧。在ZigBee无线网络中，主要通过冲突避免载波检测多路访问机制来实现有效访问物理信道，可以减少由帧发送冲突而带来的不必要的能量损耗。在Zigbee网络有两中CSMA-CA算法：在使用信标的网络中使用带时隙的CSMA-CA；在非信标的网络，使用不带时隙的CSMA-CA，CSMA-CA流程图如图2-3所示。图 2-3 CSMA-C

39、A流程图 在有时隙的CSMA-CA中，设备第一个退避周期的开始和信标帧传输的开始相一致。每个设备实现CSMA-CA算法都要维护BN、CW和BE这三个变量。其中，BN是实现CSMA-CA算法需要退避的次数；CW是竞争窗口长度且只用于时隙CSMA-CA，其初始化值为2；BE是退避指数。2.2.2 MAC层帧及其结构 一个完整的MAC层帧（MPDU）结构是由三部分组成：MAC帧首部（MHR），MAC净载荷以及帧尾（MFR）。帧头又包含了帧控制域、序列号、地址域；MAC净载荷是MAC层的有效数据单元，其长度可变。帧尾为一个帧校验序列（FCS）。 1）帧控制域长度为16位，包含帧的类型、地址域以及控制标

40、志部分。2）序列号域长度为8位，它是帧的唯一标示符。对于信标帧该域指定了信标信号（beacon sequence number：BSN）。数据序号(data sequence number：DSN)则用于数据帧、确认帧或命令帧。在通信过程中，每生成一个帧，其相应的域加1。3）目的PAN标识符是帧接收的唯一标示符。其值为0xFFFF时表示当前侦听信道的设备标示符为广播帧。4）目的地址域长度为16位或是64位。如果为0xFFFF表示广播帧。5）帧校验域包含一个16位的校验码，通过对帧头和净载荷部分进行CRC16计算得到。MAC层帧格式有信标帧、数据帧、应答帧和命令帧四种类型。在使用信标帧的网络中，

41、为了保证协调器与设备保持同步，协调器向其网络内的设备发送信标帧。数据帧与MAC帧的结构基本上是一致的，它包含了地址子域或源地址域。数据载荷上的数据是发给上层的内容。确认帧的结构比较简单，在MAC帧的结构基础上简化得到的，仅帧控制域、序列号和校验码三部分。在帧控制域里取值010，表示这个帧的为确认帧。根据发送设备是否有发送的数据来设置未处理帧，其它子域都设置为0。MAC层命令帧在MAC层所有的帧是最繁杂的，执行各种命令帧实现网络的连接请求命令、网络断开命令、数据请求命令、信标请求命令等功能。2.2.3 MAC层信道扫描启动和建立一个PAN网络是MAC层一个重要的功能。建立网络之前网络协调器先要进

42、行信道扫描，选择一个合适的信道和PAN标示符。所谓的信道扫描就是检查信道的工作情况，看是否有其它的PAN在此信道上工作。信道扫描有能量扫描（ED）、主动信道扫描、被动信道扫描以及孤立点信道扫描。扫描的结果通过MLME-SCAN.confirm原语返回到高层。网络协调器能够执行能量检测和主动扫描，而所有的通信设备都可以被动扫描和孤点扫描。MWK层使用MLME-SCAN.request原语向MAC层发起扫描请求，MAC层接收到该原语，并确认其扫描类型能量扫描，根据原语所提供的phyChannelsSupponed这一通道列表属性值，对所有指定的通道进行逐一扫描。扫描结束后，MAC层记下检测得到能量

43、最大值，在扫描下一个指定的信道进行扫描，扫描所有指定的信道后，将扫描能量值通过确认原语报告给上层。扫描方式有主动扫描和被动扫描。主动扫描（Active Channel Scan）就是使设备获取在其物理通讯范围内所有的父设备的信标帧，主要目的是网络启动时避免PANID冲突。被动信道扫描（Passive Channel Scan)与主动扫描相似，被扫描的设备在物理通信范围内向锁定协调器发送信标帧，这个设备本身不需要发送信标帧。孤立点信道扫描（Orphan Channel Scan)是指原来在网络与协调器连接，现在与协调器失去了连接的设备。2.2.4同步机制同步就是在ZigBee网络中，协调器与其他

44、设备之间的同步。实现同步机制有两种：信标同步与非信标同步。信标同步就是设备向MAC层发送MLME-SYNC.request请求原语，并通过接收协调器发送的信标帧，并对这个信标帧进行分析，从而达到与协调器同步的目的。无信标同步，在不使用信标时，设备发送完数据请求命令MLME-POLL.request原语，在一段时间内轮询协调器，等待从协调器发过来的数据，如果协调器中存在该设备的数据，在接收到请求命令后，把数据取出并发送，从而实现非信标同步。2.3网络层分析与实现 ZigBee网络层(NWK)是由ZigBee联盟定义的，其主要工作是为MAC层与应用层提供服务接口，负责新建网络、连接和断开网络、发现

45、和维护路由等功能。2.3.1网络层概况 网络层为了向应用层提供相应的接口，网络层提供了两个服务实体：网络层数据实体（NLDE）和网络层管理实体（NLME）。网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点(NLDE-SAP)提供数据传输服务，网络层管理实体通过网络层管理实体服务接入点(NLME-SAP)提供网络管理服务。此外，网络管理实体还将负责对网络信息数据库（PIB）的维护。2.3.2网络层帧的一般结构每一个网络帧的一般结构是有网络层帧首部和有效载荷构成，帧控制域中又包含了，帧类型、版本协议、序列号等其他控制。1）帧类型长度为2位，取值不同代表类型不同。以0xa0a1为顺序，0x00表示数据帧；

46、0x01表示命令帧。0x100x11保留。2）协议版本表示本协议的版本号并保存在网络层常数nwkcProtocolVersion中。3）发现路由长2位，以0xb0b1为顺序，0x00代表进制发现路由；0x01表示使能路由发现；0x02表示强制发现路由；0x03保留。目的地址是其值为16位的目的设备网络地址或广播地址0xFFFF。帧净载荷域的长度可变，加载的是帧要发送的数据。2.3.3网络层数据帧与命令帧 网络层帧可分为数据帧和命令帧两种。在一般的网络层帧结构中，帧控制域为0x00时，就表示此帧为一个数据帧。网络层帧中的帧控制域为0x01时表示此帧是一个网络层命令帧。命令帧根据标示符取值不同又可

47、分为不同功能的命令，以a0a1为顺序。0x01表示路由请求命令、0x02表示路由响应命令、0x03表示路由错误命令、0x04表示离开命令、0x00和0x050xff保留。2.3.4组建新网络及维护在ZigBee网络，协调器具有允许设备加入网络和离开网络的功能，并给设备分配内部网络地址，维护邻居表等；ZigBee设备只需有加入和离开网络的功能。1） 建立一个新网络要想创建一个新的ZigBee网络，其设备必须具有网络协调器（FFD设备）的能力。建立一个新网络是使用NLME-NETWORK-FORMATION.request原语实现。网络管理实体向MAC层发送MLME-SCAN.request能量检

48、测请求原语对信道进行检测，检测完毕后将检测的结果通过MLME-SCAN.confirm确定原语返回给网络层。网络层接收到能量检测的成功结果后，会对能量检测值对信道大小排序，丢弃信道值超出允许水平的信道。对剩余信道扫描发现合适水平的信道。然后网络层选择一个自己的PANID，并且所选择的PANID是所建立的网络中是唯一的。选定PANID后并将其写入macPANID属性里。然后网络层管理实体选择一个0x0000的16位网络作为短地址。在使用原语句将此短地址写入macShortAddress属性里。最后网络层管理实体发送MLME-STATRT.request原语到MAC层，启动这个新的PAN。如果在以

49、上过程中，设备不具有协调器的能力或是没有检测到合适信道，网络层将会停止PAN的启动。2） 设备入网以及离开网络一个新的设备通过已经存在网络中的协调器或是路由器建立连接来实现设备入网，此时就有了父子关系。先前存在的设备称为父设备，后加入的设备称为子设备。入网过程中，子设备有2种方式加入到网络中。第一种就是子设备通过主动请求方式加入网络。当某设备希望加入网络成为一个子设备时，应用层向网络层发送一个NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语。然后网络层再向MAC层发送服务请求开始信道扫描。根据扫描网络的结果，选择一个网络加入。向网络层发NLME-JOIN.request原语。M

50、AC层发送MLME-ASSCIATE.confirm原语向网络层报告连接情况。另外一种连接方式是子设备以直接方式加入网络。这种情况，网络协调器事先已保存了子设备的64位扩展地址。开始加入网络时，网络层的上层向网络层发送一个叫NLME-DIRECT-JOIN.request原语，这个原语中包含了一个64位的扩展地址，网络层接收到这个原语，就会检查自己的邻居表，是否在邻居表中发现与这个64位地址相匹配的值。如果发现，网络层管理实体就会禁止这个原语。如果没有找到与这个64位地址相匹配的值，网络层将本网络内的唯一的16位短地址分配给这个子设备。Zigbee网络中设备与网络断开有两种方式：一种是子设备向

51、父设备发送求情断开链接，另一种是父设备发起断开命令。如果子设备希望离开网络，将会发送一个NLME-LEAVE.request请求原语，网络层执行断开子设备并返回一个NLME-LEAVE.confirm确定原语。父设备接受到子设备请求离开后，检测网络中是否有这个子设备。如果存在，将从邻居表中删除该设备，并发送NLME-LEAVE.indication原语。如果父设备要想将子设备与自己断开时，将会发送NLME-LEAVE.request离开请求命令，然后会断开子设备的64位扩展地址。3） 地址分配机制在Zibee网络中采用的是分布式地址分配机制。Zigbee网络中的设备有两种模式，分别为64位的长

52、地址和16位的短地址。长地址是设备在进入网络之前就已经分配好，而且是全球唯一的。网络中的每一个设备都有一个网内唯一的短地址，它是有父设备分给子设备的。一个网络中所能包含子设备的最大个数是有协调器确定的，这些子设备包括路由设备和终端设备。每一个终端设备将一个帧传播到Zigbee协调器中所需要最小条数，这就是网络设备中一个网络协调器本身的连接深度为0，定义协调器的子设备连接深度为1。在ZigBee网络中，网络的最大深度是有协调器决定的。在分布式地址分配机制中，有三个主要的参数：nwkMaxChildren，nwkMaxDepath和nwkMaxRouters。见表2-1所示。表 2-1 地址分配机

53、制参数表参数名简称描述mwkMaxChildrenCm父设备拥有最大的子设备个数nwkMaxDepathLm网络最大深度nekMaxRoutersRm子设备允许路由器的最大个数 父设备所能分给的子设备的地址，偏移量用函数Cskip(d)表示。其计算公式如公式（1）所示，其中d表示网络深度。 （1）当某一设备的Cskip(d)为0时，表示它没有接受子设备的能力。通过连续分配，将网络地址An到第n个设备中，其公式如（2）所示。 （2）其中，表示父设备地址，。 由于一个地址子块不能共享，就会出现某一个设备还没有地址可用，而它的父设备的地址已经用完。如果父设备没有剩余地址可以使用，该父设备便不能再接受

54、一个新的设备入网。此时，新设备应搜索网络内另外的父设备。4）设备邻居表设备邻居表包含了在无线网络该设备传输范围内相邻设备的信息。储存在邻居表中的信息分布包括必要信息和可选信息，这些信息描述了设备的不同特性，用于各种目的。邻居表里包含的必要信息有：PAN标示符；父设备或是子设备的扩展地址；邻居设备的网络地址；设备的类型，其有效范值范围0x000x02，以x0b1b0为顺序，0x00表示ZigBee协调器、0x01表示ZigBee路由器、0x02表示ZigBee终端设备；设备与邻居设备之间的关系，0x00表示邻居是父设备、0x01邻居是子设备、0x02邻居是兄弟设备。2.3.5 ZigBee网络路

55、由选择在Zigbee网络通过协调器与路由器可以实现帧的多跳传输。在路由选择上包括路由成本、路由表、路由发现等。1） 路由成本是衡量路由质量的一种量度，与路径中的每条链路有关，是组成路由上每一条链路成本的总和。定义一个长度为L的路径P，一组有序的设备D1,D2.DL组成，若干个子路由D1Di+1，路由成本为公式（3）所示： （3）其中Di，Di+1是一个链路成本，可记作CL。如果取集合为0，1，7，其定义公式如公式（4）所示： （4）式（4）中，P1是经过链路l所传送数据包的概率。2）路由表，在ZigBee网络中，协调器或是路由器对路由表进行监理和维护。路由表中保存一些路由表项，作为路由修复或是

56、在路由容量耗尽时使用。 3）路由发现是ZigBee网络的网络设备相互合作建立路由的过程。网络层接收到来自上层的NLDE-DATA.request请求服务原语，原语中参数DiscoveryRouter设置为TURE。如果一个设备不具有路由的能力，网络层属性中的nwkUseTreeRoutering值设为TURE。如果把nwkUseTreeRoutering的值设为FALSE表示丢弃该帧。路由发现发起时，路由发现命令被重播nwkcInitialRREQRetriese次，每次重播的时间间隔为nwkcInitialRREQRetryInterval（ms）。2.3.6数据发送与接收当设备与网络建立连接后，才可以向网络内的其它设备发送数据。网络层接到它的上层发送的数据，并将此数据构成网络层数据帧。构造好网络层数据帧后网络层向MAC层发送数据请求原语MCPS-DATA.request。MAC层通过发送确认原语MCPS-DATA.confirm告知数据发送的结果。为了能接收数据，接收设备必须启动处于接收状态。应用层向网络层使用NLNE-SYNC.request原语使接收设备启动。在使用信标的网络中，此原语使一个设备与它的父设备的下一个