畢業(yè)設計---zigbee無線路由器的設計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）</p><p>　　學 院 電氣與信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　學生姓名

2、 </p><p>　　班級學號 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　二零一一年六月</b></p><p>　　江蘇科技大學本科畢業(yè)論文

3、</p><p>　　Zigbee無線路由器的設計</p><p>　　The ZigBee Wireless Router Design</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　ZigBee是一種網絡容量大，節(jié)點體積小，架構簡單，低速率，低功耗的無線通信技術。由于節(jié)點體積小，且能自動組網，所以布

4、局十分方便。網絡具有很強的自愈能力，任何一個節(jié)點的失效都不會影響整體，特別適合用來組建無線傳感網絡，而這里的一個重要邏輯設備就是ZigBee無線路由器，起中繼轉發(fā)的作用。zigbee技術由ZigBee聯盟開發(fā)，這是一個由原始設備制造商，技術供應商和半導體產商加盟的組織。ZigBee的基礎是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個域網工作組的一項標準被稱作IEEE 802.15.4（ZigBee）技術標準。</p>&

5、lt;p>　　ZigBee技術的應用前景被看好。在未來的幾年里，它將在工業(yè)控制，工業(yè)無線定位，家庭網絡，汽車自動化，樓宇自動化，消費電子，醫(yī)用設備控制等多個領域實現廣泛的應用。特別是家庭自動化和工業(yè)控制將成為今后ZigBee芯片的主要應用領域。</p><p>　　本文將對應用開發(fā)的軟件核心ZigBee協議棧的組成結構和實現方法進行介紹，完成ZigBee無線路由器的硬件設計和軟件配置，實現開關控制燈的路由功

6、能演示實驗。設計中采用了CC2430EB開發(fā)板和Altium designer，IAR Embedded Workbench for MCS 51等軟件開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　關鍵詞：ZigBee協議棧；無線路由器；IEEE 802.15.4；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　ZigBee is

7、 a kind of Wireless communications technology ，the network capacity is large, the nodal point volume is small, the structure is simple, low speed rate and low-power.Because the nodal point volume is small, and it can org

8、anize the network automatically, so Layout is very convenient.The network has very strong capability of automatic heal, the lapse of the whichever nodal point can't effected whole, specially suited to be used to orga

9、nize a Wireless Sensor Network, an important logic equ</p><p>　　The ZigBee technology's application foreground is been optimistic about. In the next few years, it will realize the widespread application

10、 in the industrial control, the industry wireless localization, the family network, the autocar automation, the building automation, the consumer electronics, the medical device control and so on many domains. Specially

11、 the household automation and the industrial control will become the ZigBee chip main application domain from now on. </p><p>　　This article will introduce ZigBee Protocol stack of the Application developme

12、nt 's software core ,composition structure and the method to carry on, that completes the hardware design and the software disposition of the ZigBee wireless router , realizes the light switch control for routing fun

13、ction demonstration experiment. This design use CC2430EB evaluation board , Altium designer and IAR Embedded Workbench for 8051.</p><p>　　Keywords：ZigBee Protocol stack; wireless router; IEEE 802.15.4;</p

14、><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2 ZigBee技術2</p><p>　　1.2.1 ZigBee技術的發(fā)展2&l

15、t;/p><p>　　1.2.2國內外的發(fā)展現狀2</p><p>　　1.2.3 ZigBee技術的特點和關鍵技術3</p><p>　　1.3選題的目的和意義4</p><p>　　1.4 本文的工作內容5</p><p>　　第二章 IEEE 802.15.4通信層6</p><p>

16、;　　2.1 物理層（PHY）6</p><p>　　2.1.1 無線信道的分配6</p><p>　　2.1.2 物理層的主要功能7</p><p>　　2.1.3 IEEE 802.15.4的調制方式8</p><p>　　2.1.4 PPDU格式9</p><p>　　2.1.5 數據的發(fā)送與接收1

17、0</p><p>　　2.2 介質訪問控制層規(guī)范（MAC）10</p><p>　　2.2.1 信標和非信標模式11</p><p>　　2.2.2數據傳送模式12</p><p>　　2.2.3 MAC層通用幀格式13</p><p>　　第三章 ZigBee的基本概念和基本術語16</p>

18、<p>　　3.1 ZigBee的基本術語16</p><p>　　3.1.1 設備類型(Device Types)16</p><p>　　3.1.2 端點（endpoint）17</p><p>　　3.1.3 Zigbee網絡中的三類地址18</p><p>　　3.1.4 屬性（attribute）18<

19、/p><p>　　3.1.5 簇（cluster）19</p><p>　　3.1.6 配置文件(profile)19</p><p>　　3.1.7 綁定（binding）19</p><p>　　第四章 ZigBee協議棧的體系結構和原理20</p><p>　　4.1 ZigBee體系結構20</p

20、><p>　　4.2 網絡層的原理21</p><p>　　4.2.1 網絡層幀結構21</p><p>　　4.3 網絡層管理服務功能22</p><p>　　4.3.1 網絡維護之建立網絡23</p><p>　　4.3.2 .怎樣加入網絡25</p><p>　　4.3.3 怎樣離開

21、網絡26</p><p>　　4.4 網絡層數據的發(fā)送與接送27</p><p>　　4.4.1各層幀結構的構成29</p><p>　　4.5 路由選擇29</p><p>　　4.5.1 路由成本29</p><p>　　4.5.2 路由表30</p><p>　　4.5.3 路

22、由選擇30</p><p>　　4.6 網絡層的地址分配32</p><p>　　4.7 基本路由算法33</p><p>　　4.7.1 路由函數34</p><p>　　第五章 ZigBee無線路由器硬件設計37</p><p>　　5.1 主電路設計37</p><p>　　5

23、.1.1 CC2430外圍電路設計37</p><p>　　5.1.2.電源電路與上電復位電路38</p><p>　　5.1.3.串口電路38</p><p>　　5.1.4.按鍵電路39</p><p>　　5.1.5.LED顯示39</p><p>　　5.1.6 排針引出調試端口和部分芯片引腳40&

24、lt;/p><p>　　5.2 PCB的設計40</p><p>　　第六章 ZigBee無線路由器的軟件設計41</p><p>　　6.1 操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）41</p><p>　　6.1.1 OS術語41</p><p>　　6.1.2 協議棧的架構42</p><p>

25、　　6.1.3 Z-Stack 相關的IAR 工程選項設置45</p><p>　　6.2 Z-Stack 軟件架構46</p><p>　　6.2.1 任務的初始化和處理函數47</p><p>　　6.2.2 任務的調度48</p><p>　　6.3 時間管理API52</p><p>　　6.4 建立

26、自己的應用53</p><p>　　6.4.1 設備信息配置56</p><p>　　6.4.2 協調器的建網59</p><p>　　6.4.3 綁定60</p><p>　　6.4.4 綁定解除61</p><p>　　6.5 路由功能演示61</p><p>　　第七章 協議分

27、析儀的使用64</p><p>　　7.1 協議分析儀64</p><p>　　7.2 燈開關實驗中的數據捕獲64</p><p><b>　　結 語67</b></p><p><b>　　致 謝68</b></p><p>　　參 考 文 獻69</

28、p><p><b>　　附 錄70</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　隨著通信技術的發(fā)展，短距離無線通信技術已逐漸成為無線通信技術的一個重要分支。這是因為在現實生活中，存在著許多這樣的應用

29、需求，系統(tǒng)所傳輸的數據通常為小量的突發(fā)信號，即數據特征為數據量小，要求進行實時傳送。如采用傳統(tǒng)的無線通信技術，雖然能滿足上述要求，但存在著設備的成本高、體積大和能源消耗較大、組網困難等問題。針對這樣的應用場合，人們更希望利用具有低成本、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無線通信技術。</p><p>　　無線傳感網絡是由大量體積小，成本低，具有無線通信，傳感，數據處理能力的傳感器節(jié)點組成的，傳感器節(jié)點一般由傳

30、感單元，處理單元，收發(fā)單元，電源單元等功能模塊組成。</p><p>　　在無線傳感網絡中，大量的傳感節(jié)點被布置在整個觀測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點將所探測到的有用信息通過初步的數據處理和信息融合后傳給用戶，數據傳送的過程是通過相鄰的節(jié)點接力傳送的方式傳送回基站。</p><p>　　無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用前景，各國都非常重視無線傳感網絡的發(fā)展，IEEE正在努力

31、推進無線傳感網絡的應用和發(fā)展，波士頓大學還創(chuàng)辦了傳感器網絡協會（sensor network consortium）,美國《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器列入其中。在“中國未來20年技術預見研究”中共157個技術課題，其中7項式直接論述傳感網絡的。</p><p>　　本文主要研究具有近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本、大容量、高可靠度、高安全性的無線傳感器網絡新技術——Zig

32、Bee技術，并給出CC2430的硬件設計，協議棧的實現，路由算法的流程，以及協議棧各層的詳細介紹。</p><p>　　1.2 ZigBee技術</p><p>　　1.2.1 ZigBee技術的發(fā)展</p><p>　　蜜蜂在發(fā)現花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。

33、借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名?！『唵蔚恼f，Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。Zigbee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。</p><p>　　ZigBee是一種新興的短距離，低速率無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“HomeRF lite”或“FireFly”無線技術，

34、主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。</p><p>　　2002年下半年，英國Invensys公司,日本三菱電子，Motorola和Philips等國際知名的大公司宣布加入ZigBee聯盟，該聯盟已有好幾百家成員企業(yè)，并仍在發(fā)展壯大。</

35、p><p>　　1.2.2國內外的發(fā)展現狀</p><p>　　從2003年12月，CHIPCON推出業(yè)界第一款ZigBee收發(fā)器CC2420以來，各大半導體廠家可謂百家爭鳴，先后推出許多款ZigBee收發(fā)芯片，其中仍然以CHIPCON最受關注。2004年12月，推出全球第一個IEEE 802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)（SoC）解決方案----CC2430無線單片機，該款芯片內部集成了一

36、顆增強型的8051內核以及業(yè)內性能卓越的ZigBee收發(fā)器CC2420。2005年12月，CHIPCON再接再厲，推出內嵌定位引擎的ZigBee/IEEE 802.15.4 解決方案CC2431。</p><p>　　2006年2月TI公司收購CHIPCON公司，以壯大其在RF行業(yè)的龍頭地位。之后TI在發(fā)布的ZigBee收發(fā)器以及無線單片機上進行不斷的修訂，也陸續(xù)開發(fā)出具有針對性的開發(fā)系統(tǒng)，并于2006年10月把

37、其自身的MSP430處理器用于對于ZigBee收發(fā)器的控制。2008年2月，推出第二代ZigBee/IEEE 802.15.4收發(fā)芯片CC2520 ，2008年4月推出ZigBee協處理器CC2480，2008年6月推出2.4G放大芯片CC2591。 對于ZigBee的協議棧，2004年12月ZigBee 1.0標準(又稱為ZigBee2004)敲定，之后于2005年9月公布并提供下載。于2006年12月進行標準修訂，推出ZigB

38、ee 1.1版(又稱為ZigBee2006)。ZigBee 1.1較原有ZigBee 1.0作了若干修改，例如新增ZCL(ZigBee Cluster Library)、群化式裝置(Group Device)、多播(Multicast)功效、直接透過無線方式(Over The Air；OTA)進行組態(tài)配置，此外也移除了KVP(Key Value Pair)的信</p><p>　　在國內上，嵌入式無線開發(fā)工具供應

39、商成都無線龍通訊科技有限公司從2005年就開始對ZigBee無線網絡技術進行研發(fā)，并相繼跟隨芯片發(fā)展步伐推出相關ZigBee開發(fā)工具，如ZigBee2004開發(fā)系統(tǒng)C51RF-3-JKS；ZigBee2006開發(fā)系統(tǒng)C51RF-3-PK；ZigBee2007開發(fā)系統(tǒng)C51RF-CC2520-PK；ZigBee協處理器CC2480開發(fā)工具ARMRF2-STR911。國內各所大學出版的圖書教材有，北京航空航天大學出版社出版<無線網絡入

40、門與實戰(zhàn)>>；<無線網絡與無線定位實戰(zhàn)>>；<<ZigBee2007/ PRO協議棧實驗與實踐>>；</p><p>　　1.2.3 ZigBee技術的特點和關鍵技術</p><p>　　ZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbi

41、t/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內,但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術,ZigBee具有如下特點:</p><p>　?。?）.省電：兩節(jié)五號電池即可實現長達六個月到兩年的使用時間。工作模式下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數據量小，因此信號的收發(fā)時間很短；在非工作狀態(tài)下，ZigBee節(jié)點處于休眠模式。</p><p>　　（2）.

42、可靠：采用了避免碰撞機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突；節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網的功能，信息在整個ZigBee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸的可靠性。</p><p>　?。?）路由技術：路由技術是移動節(jié)點通信的基礎，也是移動自組織網絡的關鍵技術之一。與一般的蜂窩無線網絡不同，移動自組織網絡各節(jié)點間通過多跳數據轉發(fā)機制進行數據交換，需要專門的路

43、由協議進行分組轉發(fā)操作。</p><p>　?。?）.時延短：針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。</p><p>　?。?）.網絡容量大：可支持多達65000個節(jié)點。</p><p>　　（6）.安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128.</p><p>　?。?）.

44、高保密性：64位出廠編號和支持AES-128加密。</p><p>　　1.3選題的目的和意義</p><p>　　ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率及低成本的雙向無線通信技術，建立在IEEE 802．15．4標準的基礎上，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信．但是在ZigBee傳感器網絡中，由于網絡內節(jié)點資源有限，數據包的傳送通常需要通過多跳通信方式到達目的

45、端．因此，數據包的傳送延遲和節(jié)點的剩余能量成為了路由設計的重點，如何根據不同的應用需求設計高效率的路由選擇算法是實際應用中網絡層設計的一個主要任務．</p><p>　　ZigBee設備主要工作在2．4 GHz頻段上，這一特性決定了ZigBee沒備的傳輸距離有限。為解決這個問題，必須使用 ZigBee路由器。路由器的主要功能是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳的路徑，并將該數據幀有效的送到目的節(jié)點。好的路由器的

46、設計，不僅能擴展數據傳輸距離，還可以可以節(jié)約網絡資源，大大提高通信速度。</p><p>　　Zigbee網絡處于新技術的前沿，及時開展這項對人類未來生活影響深遠的前沿科技的研究，對整個國家的社會、經濟將有重大的戰(zhàn)略意義。</p><p>　　1.4 本文的工作內容</p><p>　　在系統(tǒng)軟件設計方面，本文首先深入地研究了ZigBee協議棧 v1.1 (zigb

47、ee 2006)的整體框架和各層的功能再根據ZigBee網絡的設備構成分別分析了協調器、路由器和終端設備節(jié)點的協議棧。最后完成對數據結構以及ZigBee芯片CC2430的初始化程序等底層驅動的修改與編寫，添加自己的任務程序。</p><p>　　在系統(tǒng)硬件設計方面，采用CC2430RF芯片，完成符合ZigBee標準的嵌入式平臺的設計，包括原理圖設計、PCB布線、焊接和調試。</p><p>

48、;　　最后實現開關控制燈功能展示實驗，實現路由轉發(fā)的基本功能。</p><p>　　第二章 IEEE 802.15.4通信層</p><p>　　IEEE 802.15.4標準定義了協議棧的最下面兩層：物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC）。ZigBee直接使用了這兩層，并在此基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）架構。下面我們具體介紹下這兩層的結構和它們是如何工作的。<

49、;/p><p>　　2.1 物理層（PHY）</p><p>　　物理層定義了物理無線信道和與MAC層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務是從無線信道上收發(fā)數據，物理層管理服務維護一個與物理層相關數據組成的數據庫。</p><p>　　2.1.1 無線信道的分配</p><p>　　ZigBee的通信頻率由物理層來規(guī)范。

50、ZigBee對于不同的國家和地區(qū)提供不同的工作頻率范圍。它所使用的頻率范圍分別為2.4GHz和868/915 MHz。因此，IEEE 802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915 MHz物理層。兩個物理層都是基于直接序列擴頻（DSSS）技術，使用相同的物理層數據包格式，其區(qū)別在于工作頻率，調制技術，擴頻碼片長度和傳輸速率的不同。</p><p>　　通常，ZigBee硬件設備不能

51、同時兼容兩個工作頻率，由于868~868.6MHz頻段，能夠提供20Kb/s的傳輸速率，主要用于歐洲。902~928MHz頻段，能夠提供40Kb/s的傳輸速率用于北美。由于這兩個頻段上無線信號的傳播損耗和所受到的無線電干擾均小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較大的有效通信距離，從而使用較少的設備即可覆蓋整個區(qū)域。2400~2483.5MHz頻段可用于全球，采用16相調制技術，能夠提供250Kb/s的傳輸速率我國采用的是2400M

52、Hz的工作頻率。</p><p>　　IEEE 802.15.4規(guī)范定義了27個物理信道，信道編號從0到26，每個具體的信道對應著一個中心頻率，這27個物理信道覆蓋了以上3個不同的頻段。</p><p>　　這些信道的中心頻率按照如下公式定義(k為信道數)：</p><p>　　Fc =868．3MHz，k=0；</p><p>　　Fc=9

53、06MHz+2(k-1)MHz，k=l，2，…10；</p><p>　　Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，k=1l，12，…26。</p><p>　　2.1.2 物理層的主要功能</p><p>　　物理層功能相對簡單，主要是在硬件驅動程序的基礎上，實現數據傳輸和物理信道的管理。</p><p>　　1. 數據傳輸包括數據的發(fā)送

54、和接收；</p><p>　　2. 管理服務包括信道能量監(jiān)測（energy detect，ED），鏈接質量指示（link quality indication，LQI）和空閑信道評估（clear channel assessment，CCA）等。</p><p>　　物理層主要完成：激活/休眠無線收發(fā)設備，對當前頻道進行能量檢測，鏈接質量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（CSMA—CA）進行

55、空閑頻道評估，頻道選擇，數據的發(fā)送和接收等。</p><p>　　信道能量檢測為上層提供信道選擇的依據，主要是測量目標信道中接收信號的功率強度。該檢測本身不進行解碼操作，檢測結果為有效信號功率和噪聲信號功率之和。</p><p>　　鏈接質量指示為上層服務提供接收數據時無線信號的強度質量信息，它要對檢測信號進行解碼，生成一個信噪比指標。</p><p>　　空閑信道

56、評估評判信道是否空閑。IEEE 802.15.4規(guī)范定義了三種空閑信道評估模式：</p><p>　　1.簡單判斷信道的信號能量，當信號能量低于某一門限值時就認為信道空閑；</p><p>　　2.判斷無線信號的特征，該特征包括兩個方面，即擴頻信號特征和載波頻率；</p><p>　　3.前兩種模式的綜合，同時檢測信號強度和信號特征，判斷信道是否空閑。</p&

57、gt;<p>　　圖2.1 物理層結構模型</p><p>　　由2.1圖所示，其中 無線射頻服務接入點是由驅動程序提供的接口，而數據服務接入點是物理層提供給上層即MAC層的數據服務接口，物理層實體服務接入點式物理層給MAC層提供的管理服務接口。</p><p>　　2.1.3 IEEE 802.15.4的調制方式</p><p>　　圖 2.2 2

58、.4G調制和擴展模塊</p><p>　　如上圖2.2所示，2.4G物理層將數據每字節(jié)的低四位和高四位分別映射組成數據符號（symbol），每個數據符號又被映射成32位偽隨機噪聲數據碼片（chip）。數據碼片采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移技術（O-QPSK）調制。每片的形狀如同半個正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道傳送。每個信道占用半個片碼偏移周期。如下圖2.3所示</p><

59、p>　　圖2.3 傳送符號0片碼序列時的I/Q相位 Tc=0.5us</p><p>　　2.1.4 PPDU格式</p><p>　　ZigBee物理層數據包由同步包頭，物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。</p><p>　　同步包頭由前同步碼和數據包（幀）定界符組成，用于獲取符號同步，擴頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調整。</p>&

60、lt;p>　　物理層包頭指示凈荷部分的長度，凈荷部分含有MAC層數據包，最大長度是127字節(jié)。如果數據包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)，那么物理層服務數據單元（PSDU）攜帶MAC層的幀信息（即MAC層協議數據單元）。</p><p>　　表 2.1 物理層數據包格式</p><p>　　2.1.5 數據的發(fā)送與接收</p><p>　　基于802.15.4的

61、CC2430/2431無線收發(fā)模塊，其無線核心部分是一個基于CC2420射頻收發(fā)器。</p><p>　　CC2430的無線接收器是一個低中頻的接收器。接收到的射頻信號通過低噪聲放大器和正交降頻轉換到中頻。在中頻2MHz中，當ADC模塊轉換時，輸入正交調相信號被過濾和放大。</p><p>　　CC2430的無線發(fā)送器是基于上變頻。接收數據存放在一個接收先進先出（區(qū)別于發(fā)送先進先出）的數據

62、緩沖區(qū)內。發(fā)送數據幀的前導符和開始符由硬件生成。通過數模轉換把數字信號轉換成模擬信號發(fā)出去。</p><p>　　CC2430的數據緩沖區(qū)通過先進先出（FIFO）的方式來接收128位數據。使用先進先出讀取數據需要通過特殊功能寄存器接口。內存和先進先出緩沖區(qū)數據移動使用DMA方式來實現。</p><p>　　注：在絕大多數實際應用中，推薦使用存儲器直接存取(DMA)在存儲器和無線模塊之間傳送

63、數據。RADIO DMA 觸發(fā)與無線模塊有關，該觸發(fā)支持 DMA控制器。下列兩個事件使該觸發(fā)有效： </p><p>　　●當第一個數據存入 RXFIFO，即當 RXFIFO 從空狀態(tài)變成非空狀態(tài)時； </p><p>　　●當數據通過 SFR 寄存器的 RFD，從 RXFIFO 中讀出時。</p><p>　　CRC校驗使用硬件實現。接收信號強度指標（RSS

64、I）和相關值添加到幀中。在接收模式可以用中斷來清除通道評估（CCA）。</p><p>　　2.2 介質訪問控制層規(guī)范（MAC）</p><p>　　MAC層提供兩種服務：MAC層數據服務和MAC層管理服務。前者保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中的正確收發(fā)，而后者從事MAC層的管理活動，并維護一個信息數據庫。</p><p>　　MAC層的主要功能包括如下7個

65、方面：</p><p>　　1.網絡協調者產生并發(fā)送信標幀（beacon）；</p><p>　　2.設備與信標同步；</p><p>　　3.支持RAN網絡的關聯和取消關聯操作；</p><p>　　4.為設備的安全性提供支持；</p><p>　　5.信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪問機制（CSMA-CA）；&

66、lt;/p><p>　　6.處理和維護保護時隙機制（GTS）；</p><p>　　7.在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。</p><p>　　2.2.1 信標和非信標模式</p><p>　　ZigBee 網絡的工作模式可以分為信標（Beacon）和非信標（Non-beacon）兩種模式。</p><p>

67、;　　信標模式實現了網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標模式則只允許終端設備進行周期性休眠，協調器 和所有路由器 設備必須長期處于工作狀態(tài)。 </p><p>　　信標模式下，協調器負責以一定的間隔時間（一般在 15ms-4mins 之間）向網絡廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有 16個相同的時槽，這些時槽分為網絡休眠區(qū)和網絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網絡活動區(qū)的各時槽內發(fā)送

68、。該超幀結構的格式是由網絡中的協調器來定義，而超幀結構的大小邊界是由網絡中的信標所設定，一個超幀結構包含了16個相同大小的時隙。在網絡中的任何設備要做通信時，會在競爭存取時間采用開槽的CSMA/CA機制去對頻道做競爭。</p><p>　　超幀結構還包含了另一部分叫做無競爭周期，在這部分我們叫做保證時隙（GTS），采用預先請求的方式，讓在CFP中配置到GTS的設備可以不用競爭就可以直接傳送。下圖2.4為無保證時隙

69、的超幀結構。</p><p>　　圖 2.4 無GTS的超幀結構</p><p>　　非信標模式下，ZigBee 標準采用父節(jié)點為終端設備子節(jié)點緩存數據，終端設備主動向其父節(jié)點提取數據的機制，實現終端設備的周期性（周期可設置）休眠。網絡中所有父節(jié)點需為自己的終端設備子節(jié)點緩存數據幀，所有終端設備子節(jié)點的大多數時間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網絡中，其從休眠模式轉

70、入數據傳輸模式一般只需要15ms。</p><p>　　2.2.2數據傳送模式</p><p>　　在IEEE 802.15.4的數據傳送模式里，存在有三種方式。 一是終端器件傳送數據到協調器，二是協調器傳出數據到終端器件，三是在對等器件間傳送數據。</p><p>　　1.數據傳送到協調器</p><p>　　在信標和非信標模式下，主要區(qū)別

71、是器件是否先要從協調器獲得信標，再通過CSMA/CA來傳送資料。如下圖2.5：</p><p>　　圖2.5 數據傳輸到協調器</p><p>　　2 數據從協調器傳出</p><p>　　在信標使能方式中，協調器會利用信標中的字段來告知有資料要傳送。而終端器件則是周期性的監(jiān)聽信標，如果自己是協調器傳送對象，則該器件利用開槽CSMA/CA將MAC命令請求控制信息傳給

72、協調器。</p><p>　　在非信標使能方式中，終端器件利用無槽CSMA/CA將MAC命令請求控制信息給協調器，若協調器有數據要傳送，則利用無槽CSMA/CA方式將資料傳出。流程圖如下圖2.6：</p><p>　　圖2.6 數據從協調器傳出</p><p><b>　　3.對等數據傳送</b></p><p>　　在

73、對等的PAN中，任一器件可同其射頻范圍內的其它器件通信。預通信的器件要么定時接收，要么彼此完全同步。</p><p>　　2.2.3 MAC層通用幀格式</p><p>　　MAC幀格式主要是指MAC協議數據單元（MPDU）的格式，主要包括MAC幀頭（MHR），MAC負載和MAC幀尾（MFR）。如下表2.2所示：</p><p>　　表2.2 MAC幀的通用格式&l

74、t;/p><p>　　IEEE 802.15.4標準中共定義了四種類型的幀：信標幀，數據幀，確認幀和MAC命令幀。</p><p>　　一個數據幀使用哪種地址類型由幀控制字段的內容來決定：幀控制中的幀類型用三位二進制表示為：000 信標幀，001 數據幀， 010 應答幀，011 MAC命令幀，100~111 保留。</p><p><b>　　1.信標幀&l

75、t;/b></p><p>　　在信標網絡中，協調器通過向網絡中的所有從設備發(fā)送信標幀，以保證這些設備能夠同協調器進行同步，從而使得網絡運行的成本最低。</p><p>　　表2.3 信標幀結構</p><p><b>　　2.數據幀</b></p><p>　　數據幀用來傳輸上層發(fā)到MAC層的數據，它的負載字段包

76、含上層需要傳輸的數據。數據負載傳到MAC層時，被稱為MSDU（數據服務單元）。</p><p>　　表2.4 數據幀結構</p><p><b>　　3.確認幀</b></p><p>　　如果設備收到目的地址為其自身的數據幀或MAC命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認請求被置成1，設備需要回應一個確認幀。確認幀的序列號應該與被確認幀的序列號相同

77、，并且負載長度應該為0.</p><p>　　表2.5 確認幀結構</p><p><b>　　4.MAC命令幀</b></p><p>　　MAC命令幀由于組建WRAN網絡，傳輸同步數據。主要完成三方面的功能：把設備關聯到PAN網絡，與協調器交換數據，分配GTS。</p><p>　　表2.6 MAC命令幀結構<

78、;/p><p>　　第三章 ZigBee的基本概念和基本術語</p><p>　　3.1 ZigBee的基本術語</p><p>　　3.1.1 設備類型(Device Types)</p><p>　　在 ZigBee 網絡中存在三種邏輯設備類型：Coordinator(協調器)，Router(路由器)和End-Device(終端設備)。Zig

79、Bee 網絡由一個 Coordinator 以及多個 Router 和多個End-Device 組成。</p><p>　　圖3.1 ZigBee網絡示意圖</p><p>　　上圖3.1是一個簡單的ZigBee網絡示意圖。其中黑色節(jié)點為Coordinator，紅色節(jié)點為Router，白色節(jié)點為End-Device。</p><p>　　1 Coordinator

80、(協調器)</p><p>　　協調器負責啟動整個網絡。它也是網絡的第一個設備。協調器選擇一個信道和一個網絡ID(也稱之為 PAN ID，即Personal Area Network ID)，隨后啟動整個網絡。協調器也可以用來協助建立網絡中安全層和應用層的綁定(bindings)。</p><p>　　在IEEE 802.15.4網絡中，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備（Ful

81、l- function device，FFD ）和精簡功能設備（reduced-function device，RFD）。FFD之間以及FFD和RFD之間都可以相互通信；但RFD只能與FFD通信，而不能和其他的RFD通信。</p><p>　　協調器必須是全功能設備，FFD需要功能較強的MCU，在網絡結構中擁有網絡控制和管理的功能。協調器負責網絡成員的身份管理，鏈路狀態(tài)信息的管理以及分組轉發(fā)等功能。</p&

82、gt;<p>　　2 Router(路由器) </p><p>　　路由器的功能主要是：允許其他設備加入網絡，多跳路由和協助它自己的由電池供電的終端設備的通訊。 </p><p>　　通常，路由器希望是一直處于活動狀態(tài)，因此它必須使用主電源供電。但是當使用樹狀網絡拓撲結構時，允許路由間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電。路由器也屬于全功能設備。</p&g

83、t;<p>　　3 End-Device(終端設備) </p><p>　　終端設備沒有特定的維持網絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以可以是一個電池供電設備。通常，終端設備對存儲空間(特別是RAM 的需要)比較小。終端一般是RFD，也可是FFD設備。</p><p>　　拓撲結構 ：ZigBee 網絡支持星狀、樹狀和網狀三種網絡拓撲結構， 分別依次是星狀網絡，樹（

84、簇）狀網絡和網狀網絡。</p><p>　　3.1.2 端點（endpoint）</p><p>　　端點是一個8位的字段，描述一個射頻端所支持的不同應用。每一個ZigBee節(jié)點可以包含多個端點。端點0x00用于尋址設備配置文件，這是每個ZigBee設備都必須使用的端點。端點0xff用來尋址所有的活動的端點，而0xf1~0xfe暫時預留。因此，一個物理ZigBee射頻端在端點0x01~0x

85、f0上共支持240個應用，即一個物理信道中最多可能有240條虛擬的信道。</p><p>　　3.1.3 Zigbee網絡中的三類地址</p><p>　　第一類是Zigbee IEEE地址，也叫做擴展地址。這是一個64位的地址，由設備商固化到設備中，地址由IEEE發(fā)配，當然我們現在買到的開發(fā)板芯片上的IEEE地址一般應該為全F，這是一個無效地址，就是說這個芯片還沒有分配地址拉?？梢杂肨i

86、的flash編程軟件燒寫一個IEEE地址。</p><p>　　第二類Zigbee地址是所謂的網絡地址，也就叫做短地址。這是一個16位的地址，其中有幾個特殊的地址：</p><p>　　0xFFFF -這個一個對全網絡中設備進行廣播的廣播地址</p><p>　　0xFFFD -如果在命令中將目標地址設為這個地址的話那么只對打開了接收的設備進行廣播</p>

87、;<p>　　0xFFFC -廣播到協調器和路由器</p><p>　　0xFFFE -如果目的地址為這個地址的話，那么應用層將不指定目標設備，而是通過協議棧讀取綁定表來獲得相應目標設備的短地址</p><p>　　此外的0x0000到0xFFF8都是有效的目的地址。每一個地址就只是了一個目標設備。</p><p>　　第三類Zigbee地址是終端（e

88、ndpoint）地址。這是一個8位的邏輯地址。每個物理設備節(jié)點內部含有256個可編址的邏輯終端（endpoint），其中終端0就是ZDO，終端255是個廣播地址，241-254保留為以后使用。Zigbee的通信其實就是由叫做簇的數據結構在終端之間傳播構成的。</p><p>　　3.1.4 屬性（attribute）</p><p>　　屬性（attribute）：設備之間通信的每一種數

89、據像開關的狀態(tài)或溫度計值等皆可稱為屬性．每個屬性可得到唯一的ＩＤ值．</p><p>　　3.1.5 簇（cluster）</p><p>　　簇（cluster）：多個屬性的匯集形成了簇，每個簇也擁有一個唯一的ＩＤ．雖然個體之間傳輸的通常是屬性信息，但所謂的邏輯組件的接口指的卻是簇一級的操作，而非屬性一級．</p><p>　　3.1.6 配置文件(profile

90、)</p><p>　　配置文件(profile)：Zigbee協議的配置文件是對邏輯組件及其相關接口的描述，是面向某個應用類別的公約、準則．通常沒有程序代碼與配置文件相關聯．配置文件定義了屬性ＩＤ與簇ＩＤ，使之看起來就像設備的某種特性。</p><p>　　每一個應用都對應一個配置文件(Profile)。配置文件內容包括：設備ID(Device ID)，簇ID(Cluster ID)，屬

91、性ID(Attribute ID)，及AF使用何種服務類型等信息。在zigbee協議中，一個配置文件中允許最多2^16個設備(16位表示)，2^8個簇，每個簇支持最多約 2^16個屬性。</p><p>　　3.1.7 綁定（binding）</p><p>　　綁定是控制信息從一個應用層到另一個應用層流動的一種機制。在ZigBee2004中，只有通過協調器才能發(fā)起綁定，即只有協調器能建立

92、綁定表，而ZigBee2006中，綁定機制在所有的設備中被執(zhí)行。它的用法在下文中會詳細介紹。</p><p>　　第四章 ZigBee協議棧的體系結構和原理</p><p>　　4.1 ZigBee體系結構</p><p>　　ZigBee協議標準采用分層結構，每一層為上層提供一系列特殊的服務：數據實體提供數據傳輸服務；管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體

93、都通過服務接入點（SAP）為上層提供接口，每個SAP都支持一定數量的服務原語來實現所需的功能。</p><p>　　ZigBee標準的分層架構是在OSI七層模型的基礎上根據市場和應用的實際需要定義的。其中IEEE 802.15.4-2003標準定義了最下面的兩層：物理層和介質訪問控制子層。ZigBee聯盟提供了網絡層（NWK）和應用層框架（APL）的設計。應用框架包括了應用支持子層（APS），ZigBee設備對象

94、（ZDO）及由制造商制訂的應用對象。下圖4.1為ZigBee協議棧的體系結構圖：</p><p>　　圖4.1 ZigBee協議棧的體系結構圖</p><p>　　4.2 網絡層的原理</p><p>　　ZigBee網絡層的主要功能就是提供一些必要的函數，確保ZigBee的MAC層正常工作，并未應用層提供合適的服務接口。</p><p>　

95、　ZigBee 協議棧的核心部分在網絡層。網絡層主要實現節(jié)點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數據等功能。</p><p><b>　　網絡層功能： </b></p><p>　　1)網絡發(fā)現； 2)網絡形成； 3)允許設備連接； 4)路由器初始化； 5)設備同網絡連接； 6)直接將設備同網絡連接； 7)斷開網絡連接； 8)重新復位設備； 9)接收機同

96、步； 10)信息庫維護。</p><p>　　4.2.1 網絡層幀結構</p><p>　　網絡協議數據單元（NPDU）即網絡層的幀結構如下圖所示：</p><p>　　表 4.1 網絡層數據包幀格式</p><p>　?。?）.幀控制域中包括幀類型，協議版本，發(fā)現路由，源路由，廣播，地址，安全和保留位。</p><p&g

97、t;　?。?）.目的地址，源地址在網絡層幀中是必須有的，其字節(jié)長度為2。</p><p>　?。?）.廣播半徑域，僅當目的地址為廣播地址（0xffff）時，廣播半徑和廣播序列號才存在。廣播半徑的長度為1個字節(jié)。每個設備接收到一次該幀，廣播半徑即減1。廣播半徑限定了傳輸半徑的范圍。</p><p>　　4.3 網絡層管理服務功能</p><p>　　ZigBee設備在

98、工作時，各種不同的任務在不同的任務在不同的層次上執(zhí)行，通過層的服務，完成所要執(zhí)行的任務。各項服務通過服務原語來實現。每個事件由服務原語組成，它將在一個用戶的某一層，通過該層的服務接入點與建立對等連接的用戶的相同層之間傳送。這些服務原語是個抽象的概念，它的定義與其它的任何接口無關。</p><p>　　在調用下層服務時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要了解如何處理原語的。</p><p>

99、　　層與層之間的通信原語可分為四種，關系如下圖4.2：</p><p>　　圖 4.2 層與層之間的原語通信</p><p>　?。?）Request：請求原語用于上層向本層請求指定的服務。</p><p>　?。?）Confirm：確認原語本層用于響應上層發(fā)出的請求原語。</p><p>　?。?）Indication:指示原語由本層發(fā)給上

100、層用來指示本層的某一內部事件。</p><p>　?。?）Response：響應原語用于上層響應本層發(fā)出的指示原語。</p><p>　　請求(Request)、響應(Response)原語分別由協議棧中處于較高位置的層向較低層發(fā)起；確認(Confirm)、指示(Indication)原語則從較低層向較高層返回結果或信息。</p><p>　　原語遵循“SAP名稱—

101、原語功能.原語類型”的書寫規(guī)則，如：“MLME-ASSOCIATE.request”表示MLME-SAP提供的關聯請求原語。</p><p>　　ZigBee協調器具有建立一個新網絡的功能，路由器和終端設備在網絡中提供輕便支持。網路層的功能包括網絡的維護，網絡層數據的發(fā)送和接收，路由的選擇以及廣播通信，下面我們來一一介紹。這是協議棧的核心。</p><p>　　4.3.1 網絡維護之建立網

102、絡</p><p>　　ZigBee協調器具有建立一個網絡，維護鄰居設備表，對邏輯網絡地址進行分配，允許設備MAC層/應用層連接或斷開網絡的功能；路由器具有維護鄰居設備表，對邏輯網絡地址進行分配，允許設備MAC層/應用層連接或斷開網絡的功能；所有ZigBee設備都具有連接和斷開網絡的功能。</p><p>　　下面我們來理解一個協調器是怎么建立一個網絡的。</p><p

103、><b>　　1.協調器建立網絡</b></p><p>　　協調器首先通過NLME-NETWORK-FORMATION.request原語。</p><p>　　NLME-NETWORK-FORMATION.request（</p><p>　　Scanchannels，</p><p>　　ScanDurati

104、on,</p><p>　　beaconOrder,</p><p>　　superframeOrder,</p><p>　　BatteryLifeExtension</p><p><b>　　)</b></p><p>　　其中Scanchannels為掃描信道，共32位。最高五位保留低27

105、位表示27個有效信道，1表示掃面，0表示不掃描。 ScanDuration為16位整型，表示掃描每個信道的時間長度；BeaconOrder位16位整型，表示上層所希望形成的網絡信標幀序列號；superframeOrder為16位整型，表示上層所希望形成的網絡超幀序號；BatteryLifeExtension為布爾型，如果NLME請求協調器支持延長電池壽命的模式初始化，則設為TURE，否則為FALSE。</p><p&

106、gt;　　建網過程如下圖4.3：</p><p>　　圖4.3 建立一個網絡流程圖</p><p>　　2. 當建網過程開始后，網絡層將首先請示MAC層對協議所規(guī)定的信道或物理層所默認有效信道進行能量檢測掃描，以檢測可能的干擾。為實現能量檢測掃描，設備網絡層通過發(fā)送掃描類型參數設置為能量檢測掃描的MLME-SCAN.request原語到MAC層進行信道能量檢測掃描，掃描結果通過MLME-S

107、CAN.confirm原語返回。</p><p>　　3.當網絡層管理實體收到成功的能量檢測掃描結果后，將以遞增的方式對所測量的能量值進行信道排序，并且拋棄那些能量值超出了可允許能量水平的信道有待進一步處理。</p><p>　　4. 在相應的處理結束之后ProcessMlmeScanConfirm函數將通過調用MLME-ScanRequest函數來發(fā)起MLME-SCAN．request原

108、語操作，原語中的ScanType參數將被設置為主動掃描，ChannelList參數將被設置為可允許掃描的信道列表。這一步執(zhí)行過程主要用來發(fā)現其他的ZigBee設備。</p><p>　　5.網絡層管理實體根據MLME-ScanConfirm函數返回的結果將為網絡選擇一個合適信道PANId。如果不能找到合適信道，則向應用層直接返回STARTUP-FAILURE。如果存在合適的信道，就必須為這個信道選擇一個PANId

109、，同時要求這個PAN標識符不為廣播PAN標識符0xFFFF并且在網絡中唯一。PAN標識符的最高兩位被保留為將來使用，因此PAN的標識符應該小于等于0x3FFF。</p><p>　　6.當PANId被選定后，網絡層通過發(fā)起MLME-SET.request原語將此值寫入MAC層的macPANId屬性中。</p><p>　　7. 一旦建立了一個新網絡，網絡層將設定MAC層屬性macShort

110、Addrcss的值為0x0000。ox0000代表網絡協調器的地址。</p><p>　　8.當網絡層實體選擇網絡地址后，將通過MAC層發(fā)出MLME-START.request原語開始運行新的個域網，原語中的參數將根據NLME-NETWORK-FORMATION.request原語來設置，根據信道掃描結果和所選擇的PAN標志符來設置。啟動狀態(tài)通過MLME-START.confirm返回到網絡層。</p>

111、;<p>　　9.當網絡層管理實體收到個域網啟動狀態(tài)后，將向啟動ZigBee協調器請求狀態(tài)的上層報告，即通過發(fā)出NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原語來向上層報告。其原語狀態(tài)參數為從MAC層的MLME-START.confirm返回的值。</p><p>　　4.3.2 .怎樣加入網絡</p><p>　　當設備為協調器或路由器時，才能允許設備與網絡