畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）_基于ZigBee的家居防盜系統(tǒng)研究

1、 henan institute of engineering 文獻(xiàn)綜述 題 目 基于 zigbee 協(xié)議的家庭 防盜系統(tǒng)研制 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 電氣工程及自動(dòng)化 1 班 學(xué) 號(hào) 系 （部） 電氣信息工程系 指導(dǎo)教師(職稱) 完成時(shí)間 2011 年 2 月 28 日 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解河南工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下 各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存論文的印刷 本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提 供目錄

2、檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家 有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)校 可以適當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 論文作者簽名： 2011 年 6 月 6 日 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文論文)原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得 的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、 已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的 其他個(gè)人和集體，均已在

3、文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由 本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 2011 年 6 月 6 日 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 目 錄 中文摘要.i 英文摘要.ii 1 緒論.ii 1.1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 .1 1.1.1 國內(nèi)外家居防盜系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.1.2 無線局域網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀.1 1.2 家居防盜系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)中考慮因素 .2 1.2.1 傳統(tǒng)家居防盜系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足.2 1.2.2 家居防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮的因素.2 1.3 家居防盜系統(tǒng)中無線通信技術(shù)的選擇 .2 2 家居防盜系統(tǒng)的無線組網(wǎng)技術(shù)-zigbee .4 2.1 zigbe

4、e 技術(shù)的起源 .4 2.2 選擇 zigbee 技術(shù)組建家居防盜網(wǎng)絡(luò).4 2.3 zigbee 協(xié)議架構(gòu) .4 2.3.1 物理層規(guī)范.5 2.3.2 mac 層規(guī)范 .5 2.3.3 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范.5 2.3.4 應(yīng)用層規(guī)范.6 2.4 zigbee 技術(shù)安全管理 .6 2.5 本章小結(jié) .6 3 zigbee 應(yīng)用開發(fā)相關(guān)基礎(chǔ).7 3.1 zigbee 應(yīng)用開發(fā)相關(guān)概念 .7 3.1.1 配置文件.7 3.1.2 描述符.7 3.1.3 綁定.8 3.1.4 發(fā)現(xiàn).8 3.2 zigbee設(shè)備類型.8 3.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?9 3.3.1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?9 3.3.2 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

5、.9 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 3.3.3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?10 3.4 zigbee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建.11 3.4.1 zigbee 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò).11 3.4.2 設(shè)備入網(wǎng).11 3.5 zigbee網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制.11 3.5.1.隨機(jī)分配機(jī)制.11 3.5.2.分布式分配機(jī)制.11 3.6 路由.12 3.7 數(shù)據(jù)傳輸.13 3.7.1 向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù).13 3.7.2 協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù).13 3.7.3 對(duì)等傳輸數(shù)據(jù).14 3.8 本章小結(jié).14 4 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì).15 4.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃 .15 4.1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì).15 4.1.

6、2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇.15 4.1.3 配置文件設(shè)計(jì).16 4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .16 4.2.1 zigbee 模塊設(shè)計(jì).16 4.2.2 系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì).17 4.3 本章小結(jié).18 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).19 5.1 zigbee 模塊相關(guān)軟件設(shè)計(jì) .19 5.2 pc 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì).22 5.3 本章小結(jié).22 結(jié)束語.23 致 謝.24 參考文獻(xiàn).25 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 i 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)研究 摘摘 要要 隨著科技的進(jìn)步和人民生活水平的日益提高，人們將注意力越來越多地放在了他 們的生活環(huán)境上，他們渴望更安全、更舒適、更便利的生活空間。家

7、居防盜系統(tǒng)利用 計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將與家居生活中安全相關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起， 通過統(tǒng)籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環(huán)境。 本文介紹了家居防盜系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況，綜合比較了目前流行的幾種短距離 無線通信技術(shù)，認(rèn)為 zigbee 這種新興的低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 是更加適合無線家居防盜系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。所以選擇 zigbee 技術(shù)組建了家居防盜系統(tǒng) 無線通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng) 態(tài)加入、自動(dòng)報(bào)警功能。 本文深入地對(duì) zigbee 協(xié)議做了全面的研究分析，包括各個(gè)通信協(xié)議層的結(jié)構(gòu)與功 能，在此基礎(chǔ)上介紹了

8、 zigbee 技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的相關(guān)概念，并采用 ti 公司的單芯片 cc2430 解決方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于 zigbee 家居防盜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括系統(tǒng)總體 規(guī)劃、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 zigbee/cc2430/家居防盜 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 ii research of home security system basedon zigbee abstract with the development to modern science and the raising of peoples living standard, people pay

9、more and more attention to their living environment. they want an intelligent living space which makes their life safer, more comfortable and more convenient. the home security system takes the advantage of computer technology and network technology to combine all the sub-system related with our hom

10、e life together and manages the masawhole,so a stop provide a safer, more comfortable and more convenient living environment. this thesis introduces the development to home security system although meant abroad. through the analys is and comparation of several related short-ranged wireless network t

11、echnology standards which are popular nowadays, i think zigbee, anew low-power, low- rateand low-cost short-ranged wireless network technology, is better suit able for the wireless home security system. so i choose the zigbee as networking method to setup the home security wireless communication net

12、work with me shtopology.this network is self-organizing, self-repairing, and sense node can join dynamically, alarm auto matically. this thesis researches and analyses the zigbee protocol standard in details, including the structure and function of each protocollayer.then introduces some concepts re

13、lated to the zigbee application development. adopt tis single-chip solutioncc2430 to build our home security system based on zigbee.my work contain cover all plan of the system, the hard ware design of the system and the soft ware design of the system. key words zigbee, cc2430, and homesecurity 基于 z

14、igbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 1 1 緒論 1.1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.1 國內(nèi)外家居防盜系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 自從世界上第一幢智能建筑于 1984 年在美國出現(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大 利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家先后提出了各種智能家居防盜系統(tǒng)方案。近來， 以美國微軟公司及摩托羅拉公司等為首的一批國際知名企業(yè)，先后躋身于智能家居防 盜系統(tǒng)的研究與開發(fā)中，3com 公司也一直在通過因特網(wǎng)向用戶宣傳智能家居防盜系 統(tǒng)這一概念，并正在研發(fā)家用無線網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。此外 intel 公司、托馬杜多媒體公 司、日本松下電器公司、新加坡科技電子公司、韓國三星公司等知名企業(yè)也正致力于 智

15、能家居防盜系統(tǒng)的研發(fā)工作。 在國外各大企業(yè)研發(fā)智能家居防盜產(chǎn)品的同時(shí)，國內(nèi)廠商也已開始智能家居防盜 產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，特別是一些大型 it 企業(yè)利用自身在資金與技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，在 低端產(chǎn)品市場上占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。比如：清華同方 e-home 事業(yè)部、北京德達(dá) 創(chuàng)先科技集團(tuán)、南京普天樓宇智能有限公司、中美科龍公司、上海五艾智能系統(tǒng)有限 公司、深圳正星特科技有限公司等都正加緊研發(fā)智能家居防盜系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品。 總體來說，中國的家居防盜行業(yè)剛剛起步，它還顯得比較稚嫩。國家尚沒有正式 頒布相關(guān)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，廠家采用各自不同的技術(shù)解決方案，這在某種程度上制約 了中國家居防盜行業(yè)的發(fā)展，在今后相當(dāng)長一

16、段時(shí)間內(nèi)技術(shù)的整合趨勢(shì)將形成統(tǒng)一的 標(biāo)準(zhǔn)。而且目前大都采用了有線通信技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布線成本較高，基于無線通信 技術(shù)的家居防盜系統(tǒng)目前還處于試驗(yàn)階段。 1.1.2 無線局域網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 無線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)間的無線通信網(wǎng)絡(luò)。相比有線通信的悠久歷史，無線網(wǎng)絡(luò)的 歷史并不長，特別是充分發(fā)揮無線通信的“可移動(dòng)”特點(diǎn)的無線局域網(wǎng)則是 20 世紀(jì) 90 年代才出現(xiàn)的。1985 年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(federal communication committees， fcc)授權(quán)普通用戶可以使用 ism 頻段，把無線局域網(wǎng)推向商業(yè)化發(fā)展。 fcc 定義的 ism 頻段為 902-928mhz，2.4

17、-2.4835ghz 和 5.725-5.875ghz 三個(gè)頻段。 目前世界上大部分國家的無線電管理機(jī)構(gòu)也分別設(shè)置了各自的 ism 頻段，1996 年我 國無線電管理委員會(huì)開放了 2.4-2.4835ghz(ieee 標(biāo)準(zhǔn))的 ism 頻段。ism 頻段的免 費(fèi)開放對(duì)無線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的積極影響，保證了無線局域網(wǎng)元器件的順利開 發(fā)。近幾年，由于數(shù)據(jù)通信需求的推動(dòng)，加上半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)等相關(guān)電子技術(shù)領(lǐng)域的 快速發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)也經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展的階段。各種新的短距離無線 技術(shù)不斷的被提出并取得了令人矚目的成就。如 wlan 技術(shù)、homerf 技術(shù)、藍(lán)牙 技術(shù)、紅外通信技術(shù)、移動(dòng)自

18、組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(ad-hoc),以及近年興起的 zigbee 技術(shù)等。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 2 1.2 家居防盜系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)中考慮因素 1.2.1 傳統(tǒng)家居防盜系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足 傳統(tǒng)的家居防盜系統(tǒng)一般是有線方式組建的普遍還存在以下缺點(diǎn)： 1基于有線方案的明顯缺點(diǎn)是布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線，而且影響美觀； 2系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高，移動(dòng)性能差； 3標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，家居內(nèi)部設(shè)備的通信和控制沒有遵循一個(gè)國際上統(tǒng)一的通信接口 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備在家居內(nèi)部的編碼方式隨意混亂。 1.2.2 家居防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮的因素 針對(duì)以上提出的目前家居防盜系統(tǒng)中存在的不足，本文從

19、技術(shù)發(fā)展的角度來考察 設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素。與家居數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的核心目標(biāo)不一樣，家居防盜系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需 要的是低速率、低成本的控制手段。從實(shí)用的角度來看，防盜系統(tǒng)需要的是能提供更 便利、更智能的無線通信網(wǎng)絡(luò)。在家居防盜網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該要考慮以下特點(diǎn)： 1自組織。不能期望用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的配置和管理，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下各種資 源的自組織和協(xié)同工作顯得十分重要； 2節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入或撤離。要求節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入和撤離不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行； 3可擴(kuò)展性。期望軟硬件設(shè)計(jì)過程中能夠遵循模塊化設(shè)計(jì)思想，在將來的擴(kuò)展過 程中能夠改動(dòng)較少，甚至無需修改。 1.3 家居防盜系統(tǒng)中無線通信技術(shù)的選擇 家居防盜系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選

20、擇一般以下面兩個(gè)方面作為依據(jù)：一是組建網(wǎng)絡(luò) 的性能要求，如數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性等；另一個(gè)就是能否滿足用戶的功能需求。與 家居數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的核心目標(biāo)不同，家居防盜系統(tǒng)需要的是短距離、低速率、低功耗、低 成本的監(jiān)測(cè)和控制手段以及靈活的組網(wǎng)方式。 目前比較流行的無線標(biāo)準(zhǔn)有 wifi 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、gprs/gsm 等等。zigbee 技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)都屬于 ieee802.15 協(xié)議，在一定的范圍內(nèi)有重疊，但其各自的技術(shù) 特點(diǎn)決定了其應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)仍有很大的不同。zigbee 技術(shù)作為一種低功耗、低數(shù)據(jù)速 率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更適合于家庭自動(dòng)化、安全保障系統(tǒng)及進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率 傳輸?shù)牡统杀驹O(shè)備之間應(yīng)用

21、，而藍(lán)牙更適合于語音業(yè)務(wù)及需要更高數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)，如 移動(dòng)電話、耳機(jī)等。zigbee 與藍(lán)牙技術(shù)相比較有許多相似點(diǎn)，但就應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)中 來說，zigbee 技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。藍(lán)牙的傳輸距離小于 10 米，這在大一點(diǎn)的家庭住宅中 是一個(gè)極大的障礙，因而很難構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，而 zigbee 的最大傳輸范圍在 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 3 10100 米，非常適合家庭網(wǎng)絡(luò)的組建；其次，在一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中最多容納 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 而 zigbee 理論上最大可以組建 65536 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于藍(lán)牙，可 以遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的需要；最后，藍(lán)牙模塊的成本較高，其功耗也比 zig

22、bee 相比大 很多。雖然藍(lán)牙的傳輸速率要大過 zigbee，但 zigbee 的 250kbps 的傳輸速率在家庭 網(wǎng)絡(luò)中已足夠使用。而 ieee802.11 是 ieee 最初制訂的一個(gè)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要 用于辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)，由于它在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要， ieee 小組又相繼推出了 ieee802.11b/a/g 標(biāo)準(zhǔn)，但這都是高速率傳輸協(xié)議，用于家居 控制網(wǎng)絡(luò)有些大材小用，而且價(jià)格昂貴。 另外，在家庭防盜網(wǎng)絡(luò)中，往往有很多子節(jié)點(diǎn)采用電池供電，例如分布在住宅各 處的傳感器節(jié)點(diǎn)，這就需要極低的功耗且在通常狀態(tài)下應(yīng)具有休眠狀態(tài)，從而最大程 度地延長電池的壽命，減少網(wǎng)絡(luò)

23、的維護(hù)費(fèi)用，降低系統(tǒng)的成本，zigbee 在低功耗方面 有出色的表現(xiàn)，zigbee 主要通過降低收發(fā)信機(jī)的忙閑比及數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，降低幀開 銷以及實(shí)行嚴(yán)格的功率管理機(jī)制，例如關(guān)機(jī)及睡眠模式等方式來降低設(shè)備的綜合功耗。 再者，zigbee 技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采取了 csma-ca 機(jī)制，同時(shí)為需要 固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突，mac 層可以 使用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，此時(shí)每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待對(duì)方的確認(rèn)信息。 值得說明的還有一點(diǎn)，zigbee 技術(shù)通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，設(shè)備 搜索時(shí)延典型值為 30ms，休眠激活時(shí)延典型值為 15m

24、s，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為 15ms。 通過上述分析，可以得出結(jié)論，zigbee 技術(shù)無疑是家庭無線防盜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè) 很好的選擇。zigbee 技術(shù)彌補(bǔ)了短距離、低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空 缺，隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量已經(jīng)轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 上了。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 4 2 家居防盜系統(tǒng)的無線組網(wǎng)技術(shù)-zigbee 2.1 zigbee 技術(shù)的起源 “zigbee”一詞源自蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳 zigzag 形舞蹈來告知同伴， 傳遞所發(fā)現(xiàn)新食物的位置、距離和方向等信息?？梢哉f，是一種小動(dòng)物通過簡捷的方 式實(shí)現(xiàn)“無線”的溝通

25、，人們借此來稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低 速率的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。zigbee 早期也曾被稱過“homerf lite” 、 “rf- easylink”或“firefly”無線通信技術(shù)，目前統(tǒng)一稱之為“zigbee 技術(shù)” 。 現(xiàn)實(shí)生活中，也存在著許多這樣的無線應(yīng)用，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突 發(fā)信號(hào)，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，例如工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭 數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，傳輸速率低，系統(tǒng)所使用的終端設(shè)備 通常為采用電池供電的嵌入式設(shè)備，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此，這些系統(tǒng)必須要求傳 輸設(shè)備具有成本低、功耗小的特點(diǎn)，針對(duì)這些特點(diǎn)和需求

26、，由英國 invensys 公司、日 本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司在 2002 年共同宣布組成 zigbee 技術(shù)聯(lián)盟，合力推動(dòng) zigbee 技術(shù)。到了 2004 年底，zigbee1.0 版標(biāo)準(zhǔn)正式 公布。2004 年底到 2006 年不到兩年的時(shí)間里，zigbee 聯(lián)盟已經(jīng)由最初的十多家公 司發(fā)展到擁有全世界 150 多家知名廠商加盟的商業(yè)團(tuán)體。在眾多廠商的追捧下， zigbee 技術(shù)正呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 2.2 選擇 zigbee 技術(shù)組建家居防盜網(wǎng)絡(luò) 1. 采用標(biāo)準(zhǔn)化的 zigbee 無線通信技術(shù)應(yīng)用于家居防盜系統(tǒng)有下列優(yōu)勢(shì)： 家居防盜系統(tǒng)中各種功能的傳感

27、器節(jié)點(diǎn)要能相互交流、相互溝通，就需要保證節(jié)點(diǎn)的 互通性，即網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化。 2家居防盜系統(tǒng)中各種功能的傳感器節(jié)點(diǎn)可以像一個(gè)星狀連接；也可以像一個(gè)葡 萄串一樣串在一起；還可以像一張大網(wǎng)一樣相互連接，相互間可以在任意節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行 通信。 3按照 zigbee 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來的監(jiān)測(cè)和控制產(chǎn)品，與那些使用其他無線標(biāo)準(zhǔn) （如藍(lán)牙和 wi-fi）的產(chǎn)品相比，安裝更容易，功耗更低；特別是在處理遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和 控制系統(tǒng)中，區(qū)別更加明顯。 2.3 zigbee 協(xié)議架構(gòu) zigbee 協(xié)議架構(gòu)是建立在 ieee802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的。ieee802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研

28、制 5 義了 zigbee 協(xié)議的物理層（phy）和媒體訪問控制層（mac） 。zigbee 聯(lián)盟則定義 了 zigbee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（nwk） 、應(yīng)用層（apl）和安全服務(wù)規(guī)范。zigbee 協(xié)議棧 以 osi 七層參考模型為基礎(chǔ)，只定義了其中與 lr-wpan（低速無線個(gè)域網(wǎng)）應(yīng)用相 關(guān)的協(xié)議層。 服務(wù)是一個(gè)協(xié)議層（服務(wù)提供者）向其上一層（服務(wù)用戶）提供的功能，而服務(wù) 用戶的功能是建立在其下一層提供的服務(wù)基礎(chǔ)之上的。服務(wù)是通過服務(wù)提供層和服務(wù) 用戶層之間的信息流來描述的，層間信息流是一系列離散的事件，每個(gè)事件通過層間 sap（服務(wù)訪問點(diǎn)）發(fā)送一個(gè)服務(wù)原語。服務(wù)原語是一個(gè)抽象的概念，它僅僅

29、指定了 實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)需要傳遞的信息，而與實(shí)現(xiàn)服務(wù)的具體方式無關(guān)。一種服務(wù)包括一個(gè) 或多個(gè)服務(wù)原語，原語中的參數(shù)用來傳遞提供服務(wù)所要求的信息。 2.3.1 物理層規(guī)范 ieee802.15.4 物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)： 1開啟和關(guān)閉無線收發(fā)信機(jī)； 2對(duì)當(dāng)前信道進(jìn)行能量檢測(cè)（ed，energy detect） ，信道能量檢測(cè)為網(wǎng)絡(luò)層提供 信道選擇依據(jù)； 3對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行鏈路質(zhì)量指示（lqi，link quality indication） ，鏈路質(zhì)量指示 為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接收數(shù)據(jù)幀時(shí)無線信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量信息； 4空閑信道評(píng)估（cca，clear channel assessment）

30、 ，判斷信道是否空閑； 5信道頻率選擇； 6發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 2.3.2 mac 層規(guī)范 mac 層需要處理接入到物理無線信道等事務(wù)，并負(fù)責(zé)以下任務(wù)： 1產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)（如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器） ； 2同信標(biāo)保持同步； 3支持 pan 的連接和斷開連接； 4支持設(shè)備的安全性； 5信道接入采用 csma-ca 機(jī)制； 6處理和維護(hù) gts 機(jī)制； 7在對(duì)等的 mac 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。 2.3.3 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范 網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)提供保證 ieee802.15.4-2003 mac 層正確工作的能力并為應(yīng)用層提供合 適的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層接口，網(wǎng)絡(luò)層從概念上包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù) 服務(wù)實(shí)體和

31、網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（nlde）通過 nlde-sap 為應(yīng)用 層提供數(shù)據(jù)服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（nlme）通過 nlme-sap 為應(yīng)用層提供管理服 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 6 務(wù)。nlme 要借助 nlde 完成部分管理任務(wù)，另外它還要維護(hù)一個(gè)有關(guān)管理對(duì)象的數(shù) 據(jù)庫，即網(wǎng)絡(luò)層信息庫（nib） 。 2.3.4 應(yīng)用層規(guī)范 zigbee 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（aps） 、zigbee 設(shè)備對(duì)象（zdo）和廠商定義 的應(yīng)用對(duì)象。 2.4 zigbee 技術(shù)安全管理 zigbee 提供了三級(jí)安全模式，包括非安全模式、接入控制列表（acl）模式和安 全模式，以及采用

32、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) aes128 的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。安全 模式對(duì)接收或發(fā)送的幀提供全部的四種安全服務(wù)：訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性檢 查和序列更新。 2.5 本章小結(jié) 本章對(duì) zigbee 技術(shù)作了完整的介紹，包括 zigbee 技術(shù)的起源、協(xié)議框架以及 各個(gè)通信協(xié)議層。其中詳細(xì)分析了各個(gè)通信協(xié)議層的具體功能與作用，最后簡單介紹 了 zigbee 技術(shù)安全管理。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 7 3 zigbee 應(yīng)用開發(fā)相關(guān)基礎(chǔ) 3.1 zigbee 應(yīng)用開發(fā)相關(guān)概念 3.1.1 配置文件 配置文件（profile）是一個(gè)關(guān)于消息、消息格式和處理行為的協(xié)議，它使得位于

33、分 離設(shè)備的應(yīng)用層能通過發(fā)送命令、請(qǐng)求數(shù)據(jù)和處理命令/請(qǐng)求來創(chuàng)建一個(gè)互操作的、分 布式的應(yīng)用程序。家庭照明控制配置文件是最早的配置文件，該配置文件允許 6 個(gè)設(shè) 備類型相互交換控制信息構(gòu)成一個(gè)家庭無線自動(dòng)化應(yīng)用。這些設(shè)備結(jié)合在一起交換約 定消息（采用 kvp 服務(wù)類型）來實(shí)現(xiàn)控制，如開關(guān)燈、發(fā)送光感應(yīng)器件的測(cè)量結(jié)果 到照明控制器、感應(yīng)器檢測(cè)到移動(dòng)時(shí)發(fā)出報(bào)警信息等。 zigbee 聯(lián)盟已經(jīng)定義了部分標(biāo)準(zhǔn)的配置文件，比如遠(yuǎn)程控制開關(guān)配置文件和光傳 感器配置文件等。任何遵循某一標(biāo)準(zhǔn)配置文件的節(jié)點(diǎn)都可以與實(shí)現(xiàn)相同配置文件的節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行互操作。用戶也可以創(chuàng)建自己的配置文件然后遞交 zigbee 聯(lián)盟測(cè)試、

34、審核批 準(zhǔn)。配置文件標(biāo)識(shí)是唯一的。一旦得到配置文件標(biāo)識(shí)，就允許配置文件設(shè)計(jì)者定義并 分配以下內(nèi)容：設(shè)備描述、簇標(biāo)識(shí)、服務(wù)類型（kvp 或 msg） 。 1簇標(biāo)識(shí) 簇由簇標(biāo)識(shí)區(qū)分，簇標(biāo)識(shí)與流出或流入設(shè)備的數(shù)據(jù)是相關(guān)聯(lián)的。簇標(biāo)識(shí)在特定的 配置文件中是獨(dú)一無二的。通過一個(gè)輸出簇標(biāo)識(shí)和一個(gè)輸入簇標(biāo)識(shí)的匹配（假設(shè)在同 一個(gè)配置文件中） ，才能實(shí)現(xiàn)綁定。 2設(shè)備描述 設(shè)備描述是指一個(gè)大型目標(biāo)應(yīng)用的一部分，包括一個(gè)或多個(gè)簇，并且指定簇是輸 入還是輸出。 3服務(wù)類型 應(yīng)用框架可以給一個(gè)應(yīng)用對(duì)象提供兩個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)：鍵值對(duì)服務(wù)和消息服務(wù)。 3.1.2 描述符 zigbee 設(shè)備用描述符數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)自身進(jìn)行描述。zig

35、bee 描述符分為 5 種：節(jié)點(diǎn)、 節(jié)點(diǎn)電源、簡單的、復(fù)雜的、用戶。 1節(jié)點(diǎn)描述符 節(jié)點(diǎn)描述符包含的是有關(guān) zigbee 節(jié)點(diǎn)能力的信息，該描述符對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是強(qiáng) 制支持的。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)描述符。 2節(jié)點(diǎn)電源描述符 節(jié)點(diǎn)電源描述符動(dòng)態(tài)指示節(jié)點(diǎn)電源的狀態(tài)，它是每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須支持的描述符。每 個(gè)節(jié)點(diǎn)只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)電源描述符。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 8 3簡單描述符 簡單描述符包含的是節(jié)點(diǎn)中各端點(diǎn)的特定信息。簡單描述符是節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)端點(diǎn) 必須支持的描述符。 4復(fù)雜描述符 復(fù)雜描述符包含的是節(jié)點(diǎn)中各個(gè)設(shè)備描述的擴(kuò)展信息。復(fù)雜描述符的使用是可選 的。 5用戶描述符 用戶描述

36、符包含的信息允許用戶使用用戶友好的字符串來標(biāo)識(shí)設(shè)備。用戶描述符 的使用是可選的。該描述符只有一個(gè) 16 字節(jié)的字段，最多包含 16 個(gè)字符。 3.1.3 綁定 zigbee 定義了一個(gè)稱為端點(diǎn)綁定的特殊過程。綁定即在源節(jié)點(diǎn)的某個(gè)端點(diǎn) （endpoint）和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的某個(gè)端點(diǎn)（endpoint）之間創(chuàng)建一條邏輯鏈路。綁定可以發(fā) 生在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)基本上包括兩個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)之間的邏 輯鏈路的綁定表。 3.1.4 發(fā)現(xiàn) 1設(shè)備發(fā)現(xiàn) 設(shè)備發(fā)現(xiàn)是一個(gè) zigbee 設(shè)備通過發(fā)起詢問（廣播和單播）發(fā)現(xiàn)其他 zigbee 設(shè) 備的過程。這里有兩種形式的設(shè)備發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求：ieee 地址（64

37、 位）請(qǐng)求和 nwk 地址 （16 位）請(qǐng)求。ieee 地址請(qǐng)求是單播，并且假定知道 nwk 地址。nwk 地址請(qǐng)求 是廣播，并把 ieee 地址作為它的凈載荷。 2服務(wù)發(fā)現(xiàn) 服務(wù)發(fā)現(xiàn)是接收設(shè)備端點(diǎn)的服務(wù)被其他設(shè)備發(fā)現(xiàn)的過程。服務(wù)發(fā)現(xiàn)通過向給定設(shè) 備的每個(gè)端點(diǎn)發(fā)出輪詢或通過使用一個(gè)匹配服務(wù)特征（要么廣播，要么單播）得以完 成。服務(wù)發(fā)現(xiàn)使用了復(fù)雜描述符、用戶描述符、節(jié)點(diǎn)描述符或功率描述符加上端點(diǎn) （為了連接應(yīng)用對(duì)象）進(jìn)一步尋址的簡單描述符。 3.2 zigbee 設(shè)備類型 zigbee 是 zigbee 聯(lián)盟在 ieee802.15.4 定義的物理層（phy）和媒體訪問控制層 （mac）基礎(chǔ)之上

38、制定的一種 lr-wpan（低速無線個(gè)域網(wǎng)）技術(shù)規(guī)范。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中 的設(shè)備，ieee802.15.4 和 zigbee 聯(lián)盟所制定的標(biāo)準(zhǔn)分別有不同的定義方法和規(guī)范術(shù)語。 根據(jù)設(shè)備功能的不同，ieee802.15.4 把網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備（ffd）和簡化功 能設(shè)備（rfd） 。ffd 實(shí)現(xiàn)了 ieee802.15.4 協(xié)議的全集，而 rfd 則根據(jù)特定的應(yīng)用需 要只實(shí)現(xiàn)了 ieee802.15.4 完整協(xié)議中的一部分。一個(gè) ffd 可以和 rfd 通信，也可以 和其他的 ffd 通信；而 rfd 只能和 ffd 通信。pan 協(xié)調(diào)器是 pan 網(wǎng)的總控制器， 一個(gè) ieee802.15.4

39、 網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè) pan 協(xié)調(diào)器，pan 協(xié)調(diào)器必須是 ffd。協(xié)調(diào)器也 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 9 是 ffd，它通過發(fā)送信標(biāo)提供同步服務(wù)，pan 協(xié)調(diào)器是一種特殊的協(xié)調(diào)器。 ieee802.15.4 網(wǎng)絡(luò)中除 pan 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器之外的其他設(shè)備都是一般設(shè)備，它們可以 是 ffd，也可以是 rfd。zigbee 聯(lián)盟把 ieee802.15.4 中定義的 pan 協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器 和一般設(shè)備分別稱作“zigbee 協(xié)調(diào)器” 、 “zigbee 路由器” 、 “zigbee 終端設(shè)備” 。 3.3 zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?3.3.1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒艘粋€(gè) z

40、igbee 協(xié)調(diào)器和一個(gè)或更多的終端設(shè)備。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?如圖 3-1 所示，所有的終端設(shè)備都只與 zigbee 協(xié)調(diào)器通信。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳 輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 目標(biāo)接收器終端設(shè)備。 圖 3-1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖畲髢?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。這種簡單帶來的好處是：很少有上層協(xié)議 需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息、管理簡便。但是這種簡單是以犧 牲靈活性為代價(jià)的，因?yàn)樾枰衙總€(gè)終端節(jié)點(diǎn)放置在 zigbee 協(xié)調(diào)器的通信范圍之內(nèi)， 這必然會(huì)限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。另外，星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜茈y實(shí)現(xiàn)高密度網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展， 集中的信息涌向中心

41、節(jié)點(diǎn)，容易形成熱點(diǎn)，導(dǎo)致通信堵塞、丟包、性能下降等，這取 決于數(shù)據(jù)量的情況。目前，星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是最常見的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量應(yīng)用在遠(yuǎn) 程監(jiān)測(cè)和控制中。 3.3.2 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多個(gè)星型拓?fù)涞募?。如圖 3-2 所示。終端設(shè)備可以選擇加 入 zigbee 協(xié)調(diào)器或者 zigbee 路由器。路由器提供兩種功能的服務(wù)。一是為整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 增加可能的節(jié)點(diǎn)數(shù)。二是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設(shè)備不需 要在協(xié)調(diào)器的射頻范圍內(nèi)也可以加入網(wǎng)絡(luò)。在樹狀網(wǎng)絡(luò)中，所有的信息都由樹節(jié)點(diǎn)來 組織路由。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 10 圖 3-2 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?樹型拓?fù)浣Y(jié)

42、構(gòu)最值得注意的地方就是它保持了星型拓?fù)涞暮唵涡裕狠^少的上層路 由信息、較低的存儲(chǔ)器要求，這樣成本必然也較低。然而，樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不能很好 地適應(yīng)外部的動(dòng)態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，在信息源與目的之間，有且僅有一條傳輸 路徑，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷或故障將會(huì)使部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳應(yīng) 用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好地用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量（如傳感器） 的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。如果應(yīng)用需要一定的覆蓋范圍，網(wǎng)絡(luò)有一定的穩(wěn)定性和擴(kuò) 展性，樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將是一個(gè)簡單的選擇。 3.3.3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?網(wǎng)狀網(wǎng)類似于樹狀網(wǎng)絡(luò)配置，如圖 3-3 所示。只是 ffd 可以直接把消息發(fā)送給其 他的

43、ffd 而不用沿著樹來傳輸。來自 rfd 的消息依然要通過它的父節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)狀 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于減少了消息傳輸?shù)臅r(shí)延并且增加了可靠性。 圖 3-3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且粋€(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)?，具有很高的適應(yīng)環(huán)境的能力。從圖中可以 看出，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎啾?，更加?fù)雜，其路由拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，不存在一個(gè)固定可知的路由模 式。 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 11 3.4 zigbee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 3.4.1 zigbee 協(xié)調(diào)器創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò) zigbee 協(xié)調(diào)器按如下步驟創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)。1信道能量檢測(cè)掃描。nlme 將根據(jù)

44、能量 遞增的順序?qū)π诺琅判虿⑻蕹渲心芰繌?qiáng)度不符合要求的信道。2nlme 在剩下的信 道上執(zhí)行主動(dòng)掃描。為了找到最合適創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)的信道，nlme 檢索主動(dòng)掃描返回的 pan 描述符，找到其中現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)最少的第一個(gè)信道作為創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)的工作信道。 3nlme 為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè) panid。如網(wǎng)絡(luò)層的請(qǐng)求原語中指定了 panid，并且與 現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的 panid 不沖突，那么 panid 的值就是新網(wǎng)絡(luò)的 panid；否則，設(shè)備將隨 機(jī)選擇一個(gè)唯一的且不大于 0 x3fff 的 panid，并將 mac 層屬性 macpanid 設(shè)為選定 的 panid，如果沒有唯一的 panid 可選，創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)失敗

45、。4選擇 16 位網(wǎng)絡(luò)地址。 zigbee 協(xié)調(diào)器的 nlme 選擇 0 x0000 作為自己的網(wǎng)絡(luò)地址，并將 mac 層屬性 macshortaddress 的值設(shè)為 0 x0000.5開始啟動(dòng)新網(wǎng)絡(luò)。 3.4.2 設(shè)備入網(wǎng) 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的 zigbee 協(xié)調(diào)器或 zigbee 路由器允許一個(gè)新設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這兩個(gè) 設(shè)備就構(gòu)成了父子關(guān)系。新加入的設(shè)備是子設(shè)備，而第一個(gè)設(shè)備是父設(shè)備。 。一個(gè)子設(shè) 備可以通過下面兩種方式加入網(wǎng)絡(luò)：通過 mac 層關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)或由先前指定的父 設(shè)備直接加入網(wǎng)絡(luò)。 一個(gè)被直接加入到網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備為了完成與父設(shè)備的關(guān)系建立，將啟動(dòng)孤立申明 過程，即子設(shè)備通過孤立申明加

46、入網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)加入到網(wǎng)絡(luò)中的子設(shè)備又與父設(shè)備失去 聯(lián)系時(shí)，要重新加入網(wǎng)絡(luò)也要啟動(dòng)孤立申明過程，即子設(shè)備通過孤立申明重新加入網(wǎng) 絡(luò)。 3.5 zigbee 網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制 3.5.1.隨機(jī)分配機(jī)制 隨機(jī)分配機(jī)制是指當(dāng) nib 的 nwkaddralloc 值為 0 x02 時(shí)，地址隨機(jī)選擇。在這種 情況下 nwkmaxrouter 就無意義了。隨機(jī)地址分配應(yīng)符合 nist 測(cè)試中的描述 。當(dāng)一 個(gè)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)使用的是 mac 地址，其父設(shè)備應(yīng)選擇一個(gè)尚未分配過的隨機(jī)地址。一 旦設(shè)備已分配一個(gè)地址，它沒有理由放棄該地址，并應(yīng)予以保留，除非它收到聲明， 其地址與另一個(gè)設(shè)備沖突。此外，設(shè)備可能自我指派

47、隨機(jī)地址，比如利用加入命令幀 加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 3.5.2.分布式分配機(jī)制 每個(gè) zigbee 設(shè)備應(yīng)該擁有一個(gè)唯一的 mac 地址。協(xié)調(diào)器（coordinator）在建立網(wǎng) 絡(luò)以后使用 0 x0000 做為自己的短地址。在路由器（router）和終端(enddevice)加入網(wǎng)絡(luò) 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 12 以后，使用父設(shè)備給它分配的 16 位的短地址來通訊。 16 位的地址意味著可以分配給 65536 個(gè)節(jié)點(diǎn)之多，地址的分配取決于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 架構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)由這 3 個(gè)值決定： 1.網(wǎng)絡(luò)的最大深度(lm)； 2.每個(gè)父親設(shè)備擁有的孩子數(shù)(cm)； 3.第 2 條的孩

48、子設(shè)備當(dāng)中有幾個(gè)是路由器(rm)。 有了這 3 個(gè)值就可以根據(jù)下面的公式來算出某父設(shè)備的路由器子設(shè)備之間的地址 間隔 cskip(d)： otherwise rm-1 rm*cm-rm-cm1 1m if1-d-mm1 dskip 1 -d-lm ， ），（ ）（ rlc c 上面這個(gè)公式是用來計(jì)算位于深度 d 的父親設(shè)備的，它所分配的子路由器之間的 短地址間隔。該父親設(shè)備分配的第 1 個(gè)路由器地址=父親設(shè)備地址+1，分配的第 2 個(gè)路 由器地址=父親設(shè)備地址+1+cskip(d)，第 3 個(gè)路由器地址=父親設(shè)備地址+1+2cskip(d)， 依次類推。 計(jì)算終端地址： 這個(gè)公式是來計(jì)算 a

49、parent 這個(gè)父親設(shè)備分配的第 n 個(gè)終端設(shè)備的地址 a n。 3.6 路由 zigbee 協(xié)調(diào)器和路由器將提供以下一些功能：1代表高層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀；2代表 其他 zigbee 路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀；3為后面的數(shù)據(jù)幀建立路由而參與路由發(fā)現(xiàn)；4代 表終端設(shè)備參與路由發(fā)現(xiàn)；5參與端到端路由修復(fù)；6參與本地路由修復(fù)；7使用 路由發(fā)現(xiàn)和路由修復(fù)中指定的 zigbee 路徑成本度量。此外，zigbee 協(xié)調(diào)器和路由器還 可能提供下列路由功能：1為記住最好的可用路由而維護(hù)路由表；2代表上層啟動(dòng) 路由發(fā)現(xiàn)；3代表其他 zigbee 路由器啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)；4啟動(dòng)端到端路由修復(fù)； 5代表其他 zigbee 路由器啟

50、動(dòng)本地路由修復(fù)。 zigbee 協(xié)調(diào)器或 zigbee 路由器還可能預(yù)留一些路由記錄表專用于路由修復(fù)和在其 他路由能力都耗盡的時(shí)候才使用。所謂路由表能力是指設(shè)備使用路由表能夠建立起一 條到達(dá)特定目的設(shè)備的路由。如果一個(gè)設(shè)備是 zigbee 協(xié)調(diào)器或 zigbee 路由器，它維 護(hù)的路由表中有空閑的路由表記錄或已經(jīng)有一個(gè)與目的設(shè)備對(duì)應(yīng)的路由表記錄，并且 正在嘗試路由修復(fù)的設(shè)備預(yù)留了專用于路由修復(fù)的路由表記錄，那么就說它具有“路 由表能力” 。路由表記錄在設(shè)備中是長期存在的，而路由發(fā)現(xiàn)表記錄僅維持一次路由發(fā) 現(xiàn)操作的時(shí)間并且可以重復(fù)使用。如果一個(gè)設(shè)備維護(hù)了一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)表，并且路由發(fā) 現(xiàn)表中有空閑的

51、記錄，那么就說這個(gè)設(shè)備具有“路由發(fā)現(xiàn)表能力” 。如果一個(gè)設(shè)備既有 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 13 路由表能力，又有路由發(fā)現(xiàn)表能力，那么就說設(shè)備具有“路由能力” 。 3.7 數(shù)據(jù)傳輸 zigbee 技術(shù)中存在三種數(shù)據(jù)傳輸模式：1數(shù)據(jù)從設(shè)備傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器；2數(shù)據(jù)從 協(xié)調(diào)器傳輸?shù)皆O(shè)備；3數(shù)據(jù)傳輸在兩個(gè)對(duì)等設(shè)備之間。在星型網(wǎng)絡(luò)中，只有第一種和 第二種數(shù)據(jù)傳輸模式，因?yàn)閿?shù)據(jù)交換只能在協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間進(jìn)行；在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中， 由于設(shè)備之間可以交換數(shù)據(jù)，所以有三種數(shù)據(jù)傳輸模式。 3.7.1 向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù) 在使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)設(shè)備希望傳輸數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器時(shí)，它首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。 監(jiān)聽到信標(biāo)之后，

52、設(shè)備將與超幀結(jié)構(gòu)保持同步。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，設(shè)備使用 csma-ca 機(jī)制向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀。協(xié)調(diào)器成功接收后，發(fā)送一個(gè)可選應(yīng)答幀予以應(yīng)答，最后 完成整個(gè)過程，如圖 3-4 所示。 圖 3-4 使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)通信 當(dāng)設(shè)備在非信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它采用非時(shí)隙 csma-ca 接入機(jī)制向協(xié)調(diào) 器傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器成功接收后，可發(fā)送一個(gè)可選的應(yīng)答幀予以應(yīng)答，整個(gè)過程如圖 3-5 所示。 圖 3-5 不適用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)通信 3.7.2 協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù) 在使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)協(xié)調(diào)器需要向其他設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)就表明有 待發(fā)送的數(shù)據(jù)。設(shè)備周期性監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，當(dāng)有消息發(fā)送時(shí)，設(shè)備就使用 csma-ca 傳

53、輸 mac 子層請(qǐng)求命令。協(xié)調(diào)器通過發(fā)送可選應(yīng)答幀予以應(yīng)答，表示已經(jīng)接受 mac 子層請(qǐng)求命令。接著，協(xié)調(diào)器使用時(shí)隙 csma-ca 接入機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)幀。設(shè)備成功接 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 14 收后，通過發(fā)送應(yīng)答予以確認(rèn)，整個(gè)過程如圖 3-6 所示。 圖 3-6 使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)通信（協(xié)調(diào)器到設(shè)備） 當(dāng)協(xié)調(diào)器在不使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中向設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它為適當(dāng)?shù)脑O(shè)備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)， 用以連接且發(fā)送請(qǐng)求命令。設(shè)備使用非時(shí)隙 csma-ca 接入機(jī)制，并以定義的速率發(fā) 送 mac 子層請(qǐng)求命令來連接協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過發(fā)送應(yīng)答幀以確認(rèn)成功接受請(qǐng)求命令。 當(dāng)有待發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)調(diào)器使用時(shí)隙 c

54、sma-ca 接入機(jī)制向設(shè)備發(fā)送該數(shù)據(jù)。如果 沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則協(xié)調(diào)器就發(fā)送一個(gè)凈載荷長度為零的數(shù)據(jù)幀以表示沒有數(shù)據(jù)發(fā) 送。設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，通過發(fā)送應(yīng)答幀予以確認(rèn)。整個(gè)過程如圖 3-7 所示。 圖 3-7 不使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)通信（協(xié)調(diào)器到設(shè)備） 3.7.3 對(duì)等傳輸數(shù)據(jù) 在一個(gè)對(duì)等 pan 中，每個(gè)設(shè)備可在其射頻范圍內(nèi)和其他任何設(shè)備通信。為提高有 效性，想要通信的設(shè)備要么不斷地接收數(shù)據(jù)，要么和其他設(shè)備保持同步。對(duì)于前者， 設(shè)備使用非時(shí)隙 csma-ca 接入機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)；對(duì)于后者，要采用另外的措施以獲取 同步。 3.8 本章小結(jié) 本章主要對(duì) zigbee 應(yīng)用開發(fā)相關(guān)基礎(chǔ)做了詳細(xì)介紹。重點(diǎn)介

55、紹了 zigbee 配置文件、 協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)請(qǐng)求應(yīng)答數(shù)據(jù)應(yīng)答協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信標(biāo)數(shù)據(jù)請(qǐng)求應(yīng)答數(shù)據(jù)應(yīng)答描 述符、端點(diǎn)綁定、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)等相關(guān)概念，同時(shí)也對(duì) zigbee 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的設(shè)備 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 15 類型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制、路由、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎匾獌?nèi)容做了分 析，為后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 4 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃 4.1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 基于 zigbee 的家居防盜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)際上是將廣泛分布的人體熱釋紅外傳 感器等各種安全相關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)組建成 zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)

56、布防后能夠自動(dòng)對(duì) 家居生活中存在的入侵偷竊安全隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)指標(biāo)不合格時(shí)，相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn) 將自動(dòng)報(bào)警，并通過 zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息傳送到 pc 監(jiān)控軟件，待及時(shí)處理 后，通過 pc 監(jiān)控軟件發(fā)送撤警命令來解除相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的報(bào)警狀態(tài)，使該傳感器 節(jié)點(diǎn)又重新進(jìn)入正常的監(jiān)測(cè)狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的家居防盜系統(tǒng)模型如圖 4-1 所示。 監(jiān)控軟件 usb 轉(zhuǎn)串 口 zigbee 協(xié)調(diào)器人體熱釋紅外 傳感器 圖 4-1 家居防盜系統(tǒng)模型 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下： 1自組網(wǎng)，通過合理布局實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)部的 zigbee 無線覆蓋； 2動(dòng)態(tài)添加、刪除傳感器節(jié)點(diǎn)； 3實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)報(bào)警； 4用戶可以通過

57、 pc 監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)布防和撤防功能； 5用戶可以通過 pc 監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)查詢所關(guān)心的各項(xiàng)指標(biāo)； 6保證系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的可靠性。 4.1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇 基于 zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的家居防盜系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇涉及許多設(shè)計(jì)方案的 權(quán)衡。該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響。通常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要考 慮以下幾個(gè)問題： 窗 窗 門 基于 zigbee 協(xié)議的家庭防盜系統(tǒng)研制 16 1考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓?fù)洌簯?yīng)用需要的節(jié)點(diǎn)密度和周圍環(huán)境 狀況； 2評(píng)估可選擇的情況； 3考慮系統(tǒng)的可升降性和權(quán)衡能耗/資源的限制。 本文家居防盜系統(tǒng)的實(shí)際情況如下： 1家居防盜系統(tǒng)中接入的主要

58、是安全相關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)，雖然網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 量不大，但必須保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。因此，星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能夠滿足要求， 因?yàn)樾切尉W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要把每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)放置在 zigbee 協(xié)調(diào)器的通信范圍之內(nèi)， 這必然會(huì)限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，容易造成通信斷路的情況，非常危險(xiǎn)；而樹型網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然可以保障一定的覆蓋范圍，但要求網(wǎng)絡(luò)有一定的穩(wěn)定性，所以樹型網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不足夠擔(dān)此重任。所以我們這里選擇較為復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng) 狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯 一的，具有很高的適應(yīng)環(huán)境能力。 2zigbee 協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備，由它主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的建立，

59、完成網(wǎng)絡(luò)的初始化、相 關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、匯聚數(shù)據(jù)到 pc 監(jiān)控軟件、實(shí)現(xiàn)布防和撤防等功能。傳感器節(jié)點(diǎn)則根 據(jù)實(shí)際需要可以是全功能設(shè)備也可以是精簡功能設(shè)備，完成傳感器數(shù)據(jù)采集，響應(yīng)協(xié) 調(diào)器的相關(guān)查詢等功能。因?yàn)檫x擇網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以全功能設(shè)備相互之間可以 進(jìn)行通信。 4.1.3 配置文件設(shè)計(jì) 從應(yīng)用的角度來說，zigbee 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)通信的關(guān)鍵一點(diǎn)就是它們遵 循相同配置文件（profile）的接口定義。profile 是進(jìn)行 zigbee 應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)。 zigbee profile 的制訂者可以是 zigbeealliance，也可以是從事 zigbee 開發(fā)的開發(fā)商， 但要成為

60、標(biāo)準(zhǔn)都必須經(jīng)過 zigbeealliance 的嚴(yán)格審核。對(duì)于本文的家居防盜系統(tǒng)來說， 只能自己定義相關(guān)的接口，對(duì)于其它廠商來說，它們就是非透明的，只能作為本系統(tǒng) 的“私有財(cái)產(chǎn)” 。為了簡單起見，本文家居防盜系統(tǒng)的消息通信采用 msg 形式。 4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.2.1 zigbee 模塊設(shè)計(jì) zigbee 模塊的設(shè)計(jì)采用 ti 公司的 cc2430 芯片作為核心部件。使用 cc2430， 只需要很少的外部元器件，它的外圍電路主要包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配 電路等；性能穩(wěn)定且功耗極低，當(dāng)內(nèi)核運(yùn)行在 32mhz 時(shí)，rx 時(shí)電流消耗為 27ma，tx 時(shí)電流消耗為 25ma；掉電