基于zigbee的溫濕度傳感器設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)VIP

1、寧夏大學(xué)新華學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（2015屆）題目 基于zigbee的溫濕度傳感器設(shè)計(jì) 系 別 信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí) 2011級(jí) 學(xué)生學(xué)號(hào) 12011247112 學(xué)生姓名 劉培新 指導(dǎo)教師 劉大銘 2015 年 4月 23 日摘 要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，wsn）是由大量無(wú)處不在的，具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)相互之間的分工協(xié)作，可實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)和采集分布區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)對(duì)象或周?chē)h(huán)境的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著

2、與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，它的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被要求有更小功耗，更低成本，以及更方便使用的性能，在這種情況下，zigbee技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。zigbee技術(shù)是一種短距離無(wú)線雙向通信技術(shù)，該技術(shù)擁有協(xié)議簡(jiǎn)單、功耗低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、安全、可靠及成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有路徑選擇、自動(dòng)連結(jié)網(wǎng)絡(luò)及自我恢復(fù)等功能。預(yù)計(jì)將在消費(fèi)類電子設(shè)備、家庭智能化、工控、醫(yī)用設(shè)備控制、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)和研究現(xiàn)狀；然后深入分析了zigbee協(xié)議，給出了各層的功能；之后，設(shè)計(jì)

3、了zigbee節(jié)點(diǎn)模塊和溫濕度傳感模塊，并在此硬件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了具有基本功能的zigbee協(xié)議棧，同時(shí)提出了一種基于zigbee的組網(wǎng)算法，通過(guò)掃描信道、建立網(wǎng)絡(luò)和建立節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)三個(gè)步驟構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器組網(wǎng)功能；在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計(jì)一個(gè)小型的溫度濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；最后，對(duì)論文進(jìn)行總結(jié)，提出今后的研究工作方向。關(guān)鍵字：zigbee；溫濕度傳感器；無(wú)線通信；無(wú)線溫濕度傳感器系統(tǒng)abstractwireless sensor networks (wireless sensor network, wsn) is composed of a large number of ubiq

4、uitous，tiny sensor nodes have the ability to communicate with the intensive computing laid in the monitored area unattended constituted able to complete the assigned tasks independently according to the environment smart autonomy and control network system. a large number of sensor nodes through the

5、 division of labor between them, real-time sensing, monitoring and gathering information on the distribution area of the object or the surrounding environment. wireless sensor networks and traditional networks have distinct technical requirements , the former data-centric , the latter for the purpos

6、e of transferring data . with the gradual development of sensor network technology, its applications are increasingly widespread , wireless sensor networks are also required to have a smaller power consumption, cost, and performance is more convenient to use, in this case , zigbee technology to be s

7、hipped born.zigbee technology is a short -range wireless two-way communication technology that has the protocol is simple , low power consumption, strong networking capabilities, network capacity, time is short , safe, reliable and low cost, with a path selection, automatic link networks and self-re

8、covery capabilities. it is expected to be widely used in consumer electronic devices, intelligent home , industrial , medical equipment control , automation , and other fields of agriculture.this paper introduces the basic knowledge and research of wireless sensor networks ; and in-depth analysis of

9、 the zigbee protocol , given the function of each layer ; then designed zigbee node module temperature and humidity sensor module , and is designed on the basis of this hardware the zigbee protocol stack has the basic functions , while networking algorithm is proposed based on zigbee , by scanning c

10、hannel , networking and the establishment of three steps associated nodes to build a simple network layer , to achieve a wireless sensor network function ; on this basis, we design a small temperature and humidity monitoring network system ; finally, the paper summarizes the proposed future research

11、 directions.key words:zigbee;wireless temperature and humidity seneor system;wireless communica-tion目 錄第1章 緒論11.1 引言11.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀21.2.1 國(guó)外現(xiàn)狀21.2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀21.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)21.4 研究?jī)?nèi)容41.5 論文結(jié)構(gòu)51.6 本章小結(jié)5第2章 zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)介紹62.1 zigbee技術(shù)概述62.1.1 zigbee主要特性62.1.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)62.1.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)工作模式72.2 zigbee協(xié)議架構(gòu)8

12、2.2.1 物理層（phy）92.2.2 媒體訪問(wèn)控制層（mac）102.2.3 網(wǎng)絡(luò)層（nwk）122.2.4 zigbee應(yīng)用層142.3 本章小結(jié)15第3章 zigbee溫濕度傳感器硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)163.1 硬件設(shè)計(jì)163.1.1 cc2530芯片介紹163.1.2 射頻模塊電路193.2 主控電路213.2.1 串口通信電路213.2.2 電源模塊243.2.3 存儲(chǔ)模塊253.4 本章小結(jié)27第4章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)284.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成284.2 進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件介紹284.3 程序流程圖284.4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)304.4.1 通過(guò)初始化、信道掃描等措施建立網(wǎng)絡(luò)304

13、.4.2 傳感器各節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)304.5 本章小結(jié)31第5章 總結(jié)與展望32參考文獻(xiàn)33致謝34附錄35第1章 緒論1.1 引言信息的生成、獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理及其應(yīng)用是現(xiàn)代信息科學(xué)的六大組成部分，其中信息的獲取是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈上重要的環(huán)節(jié)之一，沒(méi)有它就沒(méi)有信息的傳輸、處理和應(yīng)用，信息化也成為了無(wú)水之源、無(wú)本之木。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、微電機(jī)系統(tǒng)mems（micro-electro-mechanism system），片上系統(tǒng)soc（system-on-chip）、納米材料、無(wú)線通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術(shù)從獨(dú)立的單一化模式向集成

14、化、微型化，進(jìn)而向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，成為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無(wú)處不在的，具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，它是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大且部署在十分廣泛的區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自調(diào)整的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有成本低體積小、能量極其有限、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力有限的特點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)的能耗是設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮的最關(guān)鍵因素。長(zhǎng)期以來(lái)，低價(jià)、低傳輸率、短距離、

15、低功率的無(wú)線通訊市場(chǎng)一直存在著。自從bluetooth(藍(lán)牙)出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是bluetooth的售價(jià)一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了ieee802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定zigbee的物理層和媒體訪問(wèn)控制層。ieee802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250kbps)、工作在2.4ghz和868/928mhz的無(wú)線技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是zigbee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。zigbee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記

16、技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無(wú)線連接。它依據(jù)ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高【1】。zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國(guó)invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“zigbee”的下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑。到目前為止，除了invensys、三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國(guó)際知名的大

17、公司外，該聯(lián)盟大約已有 150 家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、ip服務(wù)提供商、消費(fèi)類電子廠商及oem商等，例如honeywell、eaton和invensys metering systems等工業(yè)控制和家用自動(dòng)化公司，甚至還有像mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)zigbee物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的ieee802.15.4工作組。根據(jù)zigbee聯(lián)盟目前的設(shè)想，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品主要適用于：智能家居（照明控制、各類窗簾控制、家庭安防、暖氣控制、內(nèi)置家居控制的機(jī)頂盒、萬(wàn)能遙控器）、環(huán)境檢測(cè)與控制、自動(dòng)讀表系統(tǒng)、煙霧傳感器、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)、

18、大型空調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)和樓宇自動(dòng)化、安全監(jiān)控、工業(yè)控制、傳感器控制、停車(chē)計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多領(lǐng)域。1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外現(xiàn)狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人們的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。各國(guó)都非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，美國(guó)和歐洲相繼啟動(dòng)了許多關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃。特別是美國(guó)通過(guò)國(guó)家自然基金委、國(guó)防部等多個(gè)渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，同時(shí)ieee也正在努力推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，美國(guó)波士頓大學(xué)(boston unversity)最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)(sensor network co

19、nsortium)，期望能促進(jìn)學(xué)院和行業(yè)公司之間互相促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)。除了波士頓大學(xué)，該協(xié)會(huì)還包括bp、霍尼韋爾、inetco systems invensys、l-3communications、millennial net，radianse、sensicast systems及textron systems。美國(guó)的技術(shù)評(píng)論雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。1.2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀我國(guó)現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)，首次正式出現(xiàn)于199

20、9年中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一【2】。隨著知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)工作的深入，2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中國(guó)科學(xué)院內(nèi)部的相關(guān)工作，并通過(guò)該中心在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所以及中科大等10多個(gè)研究所和院校，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺(tái)，在無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點(diǎn)、簇點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)方面取得了很大的進(jìn)展，2004年3月相關(guān)成果在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場(chǎng)演示，部分成果已在

21、實(shí)際工程系統(tǒng)中使用。國(guó)內(nèi)的許多高校也掀起了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱潮。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用方面，涉及城市公共安全、公共衛(wèi)生、安全生產(chǎn)、智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的大企業(yè)目前為數(shù)不多，小企業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許許多多功能相同或不相同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、通信模塊（無(wú)線收發(fā)器）和供電模塊（電池、dc/ac能量轉(zhuǎn)換器）等組成；同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境檢測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、

22、城市交通、空間探索、大型車(chē)間管理，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測(cè)等領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成及使用決定了它應(yīng)該具備以下多項(xiàng)特點(diǎn)：（1）低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期在無(wú)人值守的狀態(tài)下工作，要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均能耗比現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如bluetooth）中節(jié)點(diǎn)的能耗更低。在一些工業(yè)監(jiān)控應(yīng)用中，裝備紐扣電池的傳感器需要在無(wú)人值守的情況下工作幾個(gè)月甚至幾年。而在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)等大范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，為大量的傳感器節(jié)點(diǎn)頻繁地更換電池是不現(xiàn)實(shí)的。這些典型的應(yīng)用要求在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要最小化自身的能量消耗，獲得最長(zhǎng)的工作時(shí)間。（2）低成本無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成千上萬(wàn)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格將

23、極大地影響系統(tǒng)的成本。為了達(dá)到降低成本的目的，需要設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)能力要求較低的簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信協(xié)議。此外，降低系統(tǒng)成本的另一個(gè)重要因素是減少系統(tǒng)管理與維護(hù)的開(kāi)銷(xiāo)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模很大，人工的管理與維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)很大，因此需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有自配置、自修復(fù)的能力。自配置是指在沒(méi)有人工干預(yù)的條件下，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠檢測(cè)到其它節(jié)點(diǎn)的存在并共同組成一個(gè)具有一定功能和結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。自修復(fù)是指在沒(méi)有人為干預(yù)的條件下，系統(tǒng)能夠檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或通信鏈路的損壞并能夠從錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)。（3）通用性無(wú)線行李標(biāo)牌、集裝箱定位系統(tǒng)等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用需要系統(tǒng)能夠在世界范圍內(nèi)正常工作。此外，為了擴(kuò)大

24、生產(chǎn)規(guī)模、開(kāi)拓市場(chǎng)，一個(gè)能在全球范圍內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)也是必要的。盡管在理論上，我們可以通過(guò)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝全球定位系統(tǒng)（gps）接收器并根據(jù)地理位置信息來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)行為的方法解決這一問(wèn)題，但接收器的成本很高，難以大量使用。因此，需要采用一種被各國(guó)政府允許的通用設(shè)計(jì)。（4）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋫鹘y(tǒng)的星形結(jié)構(gòu)包含一個(gè)主結(jié)點(diǎn)，一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)。在通信時(shí)，主結(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)可以直接通信，從節(jié)點(diǎn)間的通信需要依靠主節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。星型結(jié)構(gòu)適合在一些小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中使用。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)規(guī)模很大，節(jié)點(diǎn)間以一種對(duì)等、多跳的方式通信，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)。需要設(shè)計(jì)一種適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)、低開(kāi)銷(xiāo)、便于維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（5）

25、安全在一些應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的安全是必需的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有嚴(yán)格的資源限制，需要設(shè)計(jì)低開(kāi)銷(xiāo)的通信協(xié)議，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。一方面，入侵者可以比較容易的進(jìn)行服務(wù)拒絕攻擊（denial of service，dos）；另一方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源嚴(yán)格受限以及節(jié)點(diǎn)間自組織協(xié)調(diào)工作的特點(diǎn)使其難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密的安全防護(hù)。由于低成本的限制，一些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能采用單頻率通信機(jī)制【3】。 入侵者通過(guò)頻率掃描的手段可以很容易的捕獲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作頻率，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中植入偽裝節(jié)點(diǎn)，采用各種手段發(fā)動(dòng)攻擊。為了保證任務(wù)的機(jī)密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)一些最基本的安

26、全機(jī)制：機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理。（6）實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是需要協(xié)同工作的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。如測(cè)量移動(dòng)車(chē)輛速度需要計(jì)算不同傳感器檢測(cè)事件時(shí)間差，通過(guò)波束陣列確定聲源位置節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。目前已提出了多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中rbs，tiny/mini-sync和tpsn被認(rèn)為是三個(gè)基本的同步機(jī)制。我們?cè)诳紤]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步問(wèn)題時(shí)，擬采用tpsn機(jī)制。tpsn采用層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步：所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級(jí)，通過(guò)基于發(fā)送者-接收者的節(jié)點(diǎn)對(duì)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠與上一級(jí)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步

27、。（7）智能性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)自組織的方式來(lái)完成用戶指定的任務(wù)。系統(tǒng)需要感知環(huán)境變化，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作來(lái)產(chǎn)生需要的輸出。由于在工作的過(guò)程中無(wú)需人為干預(yù)，因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)這種根據(jù)感知的信息協(xié)同工作的方式體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的超大規(guī)模、資源嚴(yán)格受限和與物理世界密切相關(guān)等特點(diǎn)使其需要一種新的工作模式。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)并不重要，我們關(guān)心的是群體行為。用戶需要知道當(dāng)前地下室的平均溫度而不是地下室某點(diǎn)的溫度，并且不關(guān)心是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)傳回的信息，或者他需要知道當(dāng)前地下室的溫度是否超過(guò)了預(yù)警值。這些例子都說(shuō)明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)為中心的。由于與物理世界密切相關(guān)，其高

28、出錯(cuò)頻率、易受干擾和不確定的特點(diǎn)使傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)解決方案無(wú)法適用，需要為其設(shè)計(jì)新的工作模式【4】。1.4 研究?jī)?nèi)容本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)路由器和終端節(jié)點(diǎn),搭建一個(gè)蔟型的zigbee網(wǎng)絡(luò)，其中采用的zigbee協(xié)議軟件基于zigbeev1.0與ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)自行開(kāi)發(fā)，達(dá)到測(cè)量環(huán)境溫濕度的要求。本文的主要工作如下：（1）分析ieee802.15.4和zigbee協(xié)議，理解zigbee技術(shù)的特性和通信原理，詳細(xì)分析zigbee協(xié)議棧構(gòu)架，并能設(shè)計(jì)編寫(xiě)具有基本組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿膮f(xié)議棧。（2）根據(jù)節(jié)點(diǎn)的物理特性，選擇合適的微處理器和無(wú)線傳輸芯片，組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

29、，包括電路連接，相應(yīng)外圍電路設(shè)計(jì)，射頻電路設(shè)計(jì),溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)等。（3）測(cè)溫濕度軟件、仿真過(guò)程的敘述及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試，能完成預(yù)期設(shè)定的功能并能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。1.5 論文結(jié)構(gòu)本文主要研究了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)，分析了zigbee協(xié)議的架構(gòu)，各層規(guī)范及數(shù)據(jù)格式，在此基礎(chǔ)上使用cc2530微控制器以及溫濕度傳感器等外圍模塊搭建節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了在此硬件基礎(chǔ)之上的zigbee協(xié)議棧，并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試，各章安排如下：第一章（即本章）介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況。第二章介紹了zigbee協(xié)議的基本構(gòu)架，分析了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的功能、規(guī)范、數(shù)據(jù)格式等

30、。第三章設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，重點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，包括器件的選擇、節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及硬件電路設(shè)計(jì)。第四章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集以,包括程序的基本流程，所用函數(shù)的編寫(xiě)。第五章對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)。1.6 本章小結(jié)本章主要介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況、同時(shí)對(duì)本文將要采用的zigbee技術(shù)做了簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)本文所做的研究工作和論文結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。第2章 zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)介紹zigbee技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種近距離無(wú)線通信技術(shù)，以2.4ghz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)，具有低功耗、成本低、易應(yīng)用等顯著特點(diǎn)，zigbe

31、e被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在智能家居、工業(yè)應(yīng)用、智能交通、智能建筑、醫(yī)院監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的無(wú)線技術(shù)。2.1 zigbee技術(shù)概述2.1.1 zigbee主要特性zigbee顯著的特點(diǎn)就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（1）低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)月、甚至更長(zhǎng)。這是zigbee的突出優(yōu)勢(shì)，相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、wifi可工作數(shù)小時(shí)。（2）低成本：通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32kb代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4kb代碼，而且zigbee免協(xié)議專利

32、費(fèi)，每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。（3）低速率：zigbee工作在20250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4ghz)、40kbps（915mhz)和20kbps(868mhz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。（4）近距離：傳輸范圍一般介于10100m之間，在增加rf發(fā)射功率后，亦可增加到13km，這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。（5）短時(shí)延：zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要310s、wi-fi需要3s。（6）高容量：zig

33、bee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。（7）高安全：zigbee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(acl)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(aes128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。（8）免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ism)頻段2.4ghz(全球)、915mhz(美國(guó))和868mhz(歐洲)。2.1.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)zigbee協(xié)議主要采用了二種組網(wǎng)方式：星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-

34、1 zigbee二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在星狀網(wǎng)中，以pan協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與中心設(shè)備pan協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，終端設(shè)備之間的通信通過(guò)pan協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)完成，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程中，第一步就是建立pan協(xié)調(diào)器。任何一個(gè)ffd設(shè)備都有成為pan協(xié)調(diào)器的可能，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的pan協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。在這種網(wǎng)絡(luò)中，pan協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)的外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，最復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(meshnetwork)。在這種結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之

35、間的結(jié)構(gòu)是“point.to.pointto.pint”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，伸縮性好，在個(gè)別鏈路和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效時(shí)，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)分立?？梢酝瑫r(shí)通過(guò)多條路由通道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸可靠性非常高。在上述的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的形成和維護(hù)都是通過(guò)設(shè)備之間的通信而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要人工來(lái)干預(yù)。2.1.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)工作模式zigbee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)（beacon）和非信標(biāo)(non-beacon)兩種模式，信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許終端設(shè)備進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由設(shè)備必須長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)

36、。信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間(一般在15ms4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。非信標(biāo)模式下，zigbee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，終端設(shè)備主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的周期性(周期可設(shè)置)休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點(diǎn)需為自己的終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠模式,周期性的醒來(lái)與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms【5】。2.2 zigbee協(xié)議架構(gòu)zigbee的協(xié)

37、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)規(guī)定了zigbee的物理層（phy）和介質(zhì)訪問(wèn)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)議棧的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-2 zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)模型圖zigbee協(xié)議棧的每層為其上一層提供一套服務(wù)功能：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供其他的服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體和上層之間的接口稱作“服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（sap）”，通過(guò)sap交換一組服務(wù)原語(yǔ)為上層提供相關(guān)的服務(wù)功能。物理層提供兩類服務(wù)：物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。phy層功包括

38、無(wú)線收發(fā)信機(jī)的開(kāi)啟和關(guān)閉、能量檢測(cè)（ed）、鏈路質(zhì)量指示（lqi）、信道評(píng)估（cca）和通過(guò)物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。媒體訪問(wèn)控制層（mac）層提供mac層數(shù)據(jù)服務(wù)和mac層管理服務(wù)，其主要功能包括采用csma/ca進(jìn)行信道訪問(wèn)控制、信標(biāo)幀發(fā)送、同步服務(wù)和提供mac層可靠傳輸機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)層提供設(shè)備加入/退出網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制、幀安全機(jī)制、路由發(fā)現(xiàn)以及維護(hù)機(jī)制。zigbee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)新網(wǎng)絡(luò)并為新關(guān)聯(lián)的設(shè)備分配地址。zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（aps）、zigbee設(shè)備對(duì)象（zdo）和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。aps子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定列表，根據(jù)設(shè)備的服務(wù)和需求對(duì)設(shè)備進(jìn)行匹配，并在綁定的設(shè)備之間傳送消息

39、。zdo負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并明確其提供的應(yīng)用服務(wù)。ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(lr-wpan)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)，定義了lr-wpan的phy層和mac層。在此基礎(chǔ)上zigbee聯(lián)盟定義的zigbee標(biāo)準(zhǔn)包括nwk層，apl層及ssp層的標(biāo)準(zhǔn)。本小節(jié)主要分析phy層，mac層，nwk層和apl層的標(biāo)準(zhǔn)。2.2.1 物理層（phy）ieee802.15.4物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)信機(jī)、能量檢測(cè)（ed）、鏈路質(zhì)量指示（lqi）、信道評(píng)估（cca）和通過(guò)物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。ieee802.15.4物理層定義了868mhz、915mhz和2.4ghz三

40、個(gè)頻段。表2-1所示即為這三個(gè)頻段上分別所采用的調(diào)制和擴(kuò)頻技術(shù)參數(shù)。表2-1 ieee802.15.4的擴(kuò)頻和調(diào)制參數(shù)物理層工作頻率(mhz)頻道數(shù)擴(kuò)頻參數(shù)傳輸參數(shù)碼片率(kchip/s)調(diào)制方式傳輸率（kb/s）數(shù)據(jù)符號(hào)868mhz物理層868-868.61300三相的相位健控調(diào)制（bpsk）20二進(jìn)制915mhz物理層902-92810600二相的相移控件調(diào)制（bpsk）40二進(jìn)制2.4g物理層2400-2483.5162000偏移四相相移控件調(diào)制（bpsk）25016 狀態(tài)組ieee802.15.4物理層在三個(gè)頻段上共劃分了27個(gè)信道，信道編號(hào)為026。2450mhz頻段上劃分了16個(gè)信

41、道，915mhz頻段有10個(gè)信道，868mhz頻段有1個(gè)信道，27個(gè)信道的中心頻率和對(duì)應(yīng)的信道編號(hào)定義如式（2.1）所示。 (2.1)式中k指的是信道號(hào)，fc的單位為mhz。物理層通過(guò)射頻固件和硬件提供mac層與物理無(wú)線信道之間的接口。從概念上說(shuō)，物理層還應(yīng)該包括物理層管理實(shí)體（plme），以提供調(diào)用物理層管理功能的管理服務(wù)接口；同時(shí)plme還負(fù)責(zé)維護(hù)物理層pan信息庫(kù)（phy pib）。物理層參考模型如圖2-3所示。圖2-3 物理層參考模型其中，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)pd-sap支持在兩個(gè)對(duì)等的mac實(shí)體之間傳輸mac協(xié)議數(shù)據(jù)單元（mpdu），物理層管理實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)plme-sap允許在m

42、lme和plme之間傳送管理命令。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ppdu）由三部分組成：同步頭（shr）允許接收設(shè)備同步并鎖定數(shù)據(jù)流；物理層幀頭（phr）包含的是幀長(zhǎng)信息；有效載荷部分為psdu，其格式如表2-2所示：表2-2 ppdu格式字節(jié)數(shù):411可變長(zhǎng)度引導(dǎo)序列幀開(kāi)始符幀長(zhǎng)(7位)預(yù)留(1位)物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（psdu）同步頭(shr)物理層幀頭(phr)物理層有效載荷引導(dǎo)序列：收發(fā)信機(jī)用來(lái)獲得碼片和符號(hào)同步，它是32位長(zhǎng)度的全0序列。幀開(kāi)始符（sfd）：表示引導(dǎo)序列的結(jié)束和數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始。幀長(zhǎng)字段：它用7位表示物理層有效載荷psdu的長(zhǎng)度。psdu 字段：可變長(zhǎng)度的字段，它是物理層要發(fā)送的數(shù)據(jù)

43、包（mpdu）。2.2.2 媒體訪問(wèn)控制層（mac）mac層位于nwk層和phy層之間，主要負(fù)責(zé)以下幾項(xiàng)任務(wù)：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、信標(biāo)同步、支持pan關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián)、csma-ca信道訪問(wèn)機(jī)制、處理和維護(hù)保證時(shí)隙（gts）機(jī)制、在兩個(gè)對(duì)等mac實(shí)體間提供可靠鏈路。mac層提供了特定服務(wù)匯聚子層（sscs）和物理層之間的接口。從概念上說(shuō)，mac層還包括mac層管理實(shí)體（mlme），以提供調(diào)用mac層管理功能的管理服務(wù)接口；同時(shí)，mlme還負(fù)責(zé)維護(hù)mac pan信息庫(kù)（mac pib）。mac層通過(guò)mac公共部分子層（mcps）的數(shù)據(jù)sap（mcps-sap）提供mac數(shù)據(jù)服務(wù)；通過(guò)mlme-sap

44、提供mac管理服務(wù)。這兩種服務(wù)通過(guò)物理層pd-sap和plme-sap提供了sscs和phy之間的接口。除了這些外部接口外，mcps和mlme之間還隱含了一個(gè)內(nèi)部接口，用于mlme調(diào)用mac數(shù)據(jù)服務(wù)，mac層參考模型如圖2-4所示：圖2-4 mac層參考模型mac層數(shù)據(jù)服務(wù)中mcps-sap支持兩個(gè)對(duì)等的sscs實(shí)體之間sscs協(xié)議數(shù)據(jù)單元（spud）的傳輸。mac層管理服務(wù)中mlme-sap支持在mac層和其上層之間傳遞管理命令。mac幀，即mac協(xié)議數(shù)據(jù)單元（mpdu），是由一系列字段按照特定的順序排列而成的。mac幀通常包括三部分：mac頭、mac有效載荷和mac尾。mac頭部分由幀控制

45、字段、幀序號(hào)字段和地址信息域組成；mac有效載荷部分的長(zhǎng)度與幀類型相關(guān)，確認(rèn)幀的有效載荷部分長(zhǎng)度為 0；mac尾是幀校驗(yàn)序列（fcs），mac幀格式如表2-3所示：表2-3 mac幀格式字節(jié)數(shù):210/20/2/80/20/2/8可變長(zhǎng)度2幀控制幀序號(hào)目的 pan標(biāo)識(shí)碼目的地址源 pan標(biāo)識(shí)碼源地址幀有效載荷fcs地址信息mac 頭（mhr）mac 有效載荷mac 尾（mfr）幀控制：占2個(gè)字節(jié)，包含了幀的類型、尋址、安全等信息。幀序號(hào)：占 1 個(gè)字節(jié)，表示發(fā)送幀的序號(hào)，協(xié)調(diào)器使用某種算法選擇一個(gè)隨機(jī)值并存儲(chǔ)下來(lái)，在幀發(fā)送的時(shí)候?qū)⒋鎯?chǔ)的隨機(jī)值復(fù)制到幀序號(hào)，隨著每一幀的發(fā)送，依次加 1。目的pa

46、n表示符：占2個(gè)字節(jié)，表示接收方所在pan的標(biāo)識(shí)符。目的地址：表示幀發(fā)送目的節(jié)點(diǎn)的地址，根據(jù)地質(zhì)模式，占2個(gè)字節(jié)（16位段地址）或8個(gè)字節(jié)（64位長(zhǎng)地址）。源pan標(biāo)識(shí)符：占2個(gè)字節(jié)，為發(fā)送方所在pan的標(biāo)識(shí)符。源地址：表示幀發(fā)送源節(jié)點(diǎn)的地址，根據(jù)地址模式，占2個(gè)字節(jié)（16位段地址）或8個(gè)字節(jié)（64位長(zhǎng)地址）。幀負(fù)荷：mac幀傳送的數(shù)據(jù)。幀檢驗(yàn)序列（fcs）：fcs是對(duì)mac幀頭和有效載荷計(jì)算得到的16位itut crc序列。ieee802.15.4中的mac幀包括四種類型：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。信標(biāo)幀用于節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，pan協(xié)調(diào)器對(duì)本pan的信息發(fā)布，供節(jié)點(diǎn)選擇是否加入本網(wǎng)絡(luò)

47、。此外，信標(biāo)幀在需要進(jìn)行同步的pan中又具有傳送時(shí)隙分配信息及同步信息的功能。數(shù)據(jù)幀用于向?qū)Φ鹊膍ac層實(shí)體傳送上層遞交來(lái)的數(shù)據(jù)信息。確認(rèn)幀僅當(dāng)上次接收到的數(shù)據(jù)幀或命令幀需要進(jìn)行接收確認(rèn)時(shí)才發(fā)送。命令幀用于發(fā)送各種mac層相關(guān)命令，包括關(guān)聯(lián)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求、協(xié)調(diào)者重分配請(qǐng)求、信標(biāo)請(qǐng)求等。2.2.3 網(wǎng)絡(luò)層（nwk）網(wǎng)絡(luò)層在mac層與應(yīng)用層之間提供合適的接口，通過(guò)激發(fā)mac層的動(dòng)作執(zhí)行尋址和路由功能。主要任務(wù)包括：發(fā)起一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并且分配網(wǎng)絡(luò)地址(pan協(xié)調(diào)器)；向網(wǎng)絡(luò)中添加設(shè)備或者從網(wǎng)絡(luò)中移除設(shè)備；將消息路由到目的節(jié)點(diǎn)；對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行路由尋址并且儲(chǔ)存路由表。網(wǎng)絡(luò)層提供保證

48、ieee802.15.4mac層正確工作的能力并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層也包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體-網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（nlde）通過(guò)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(guò)nlme-sap為應(yīng)用層提供管理服務(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(kù)-網(wǎng)絡(luò)層信息庫(kù)（nib），網(wǎng)絡(luò)層參考模型如圖2-5所示：圖2-5 網(wǎng)絡(luò)層參考模型nlde 提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在同一網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（apdu）。具體來(lái)說(shuō)，nlde提供的服務(wù)：一是在應(yīng)用支持子層pdu基礎(chǔ)上添加適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭產(chǎn)

49、生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（npdu）；二是根據(jù)拓?fù)渎酚桑裯pdu發(fā)送到通信鏈路的目的地址設(shè)備或通信鏈路的下一跳。nlme提供的管理服務(wù)允許應(yīng)用與協(xié)議棧之間交互。具體來(lái)說(shuō)，nlme提供的服務(wù)包括配置新設(shè)備、創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備請(qǐng)求加入/離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)和zigbee協(xié)調(diào)器或路由器請(qǐng)求設(shè)備離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)、尋址、緊鄰發(fā)現(xiàn)、路由發(fā)現(xiàn)、接收控制等。nwk幀由兩個(gè)基本部分組成：nwk頭和nwk有效負(fù)載。nwk頭部分包括幀控制、地址和序號(hào)信息；nwk有效負(fù)載部分包含的信息因幀類型的不同而不同，它是可變長(zhǎng)度的，nwk幀的一般格式如表2-4所示：表2-4 網(wǎng)絡(luò)層幀格式字節(jié):22211可變長(zhǎng)度幀控制目的地址源地址廣播半徑的一般格式如圖

50、并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)和管理廣播序列號(hào)幀負(fù)荷路由信息網(wǎng)絡(luò)層頭部網(wǎng)絡(luò)層負(fù)荷幀控制：標(biāo)識(shí)了幀的類型、所用的協(xié)議類型以及是否采取了安全措施。目的地址/源地址：此幀接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的16位網(wǎng)絡(luò)地址，其中16位網(wǎng)絡(luò)地址在網(wǎng)絡(luò)連接建立時(shí)已經(jīng)分配好。廣播半徑：表示節(jié)點(diǎn)發(fā)信機(jī)發(fā)射信號(hào)可以被接收到的范圍。廣播序列號(hào)：表示廣播幀的序號(hào)，隨著幀的廣播序號(hào)遞增。幀負(fù)荷：網(wǎng)絡(luò)層幀所承載的有用信息【6】。2.2.4 zigbee應(yīng)用層zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（application support sublayer，aps）、應(yīng)用框架，zigbee設(shè)備對(duì)象（zigbee device objects，zdo

51、）和 zdo管理平臺(tái)aps子層的任務(wù)是維護(hù)綁定表和在綁定設(shè)備之間傳遞信息。zdo負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（如zigbee協(xié)調(diào)器或終端設(shè)備）、發(fā)現(xiàn)設(shè)備并決定設(shè)備所能提供的應(yīng)用服務(wù)、初始化并響應(yīng)綁定請(qǐng)求和在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全關(guān)系。aps子層概述：zigbee設(shè)備對(duì)象應(yīng)用支持子層aps在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間，通過(guò)一組zigbee設(shè)備對(duì)象zdo和廠商定義的應(yīng)用對(duì)象都可以使用的服務(wù)，提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口。應(yīng)用支持子層包含兩個(gè)實(shí)體：aps數(shù)據(jù)實(shí)體（apsde）和aps管理實(shí)體(apsme)。apsde 通過(guò)aps數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(apsde-sap)在同一網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)傳輸

52、服務(wù)；apsme通過(guò)aps管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(apsme-sap)提供服務(wù)機(jī)制，以發(fā)現(xiàn)和綁定設(shè)備，并維護(hù)一個(gè)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)aps信息庫(kù)(aib)。aps子層參考模型如圖2-6所示：圖2-6 aps子層的參考模型zigbee應(yīng)用層框架是應(yīng)用設(shè)備和zigbee設(shè)備連接的環(huán)境。在應(yīng)用層框架中，應(yīng)用對(duì)象(application object)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)通過(guò)apsde-sap實(shí)現(xiàn)，而對(duì)應(yīng)用對(duì)象的控制和管理則通過(guò)zdo公用接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。apsde-sap提供的數(shù)據(jù)服務(wù)包括請(qǐng)求、確認(rèn)、響應(yīng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹甘拘畔?。用戶可以定義多達(dá)240個(gè)不同的應(yīng)用對(duì)象，每個(gè)應(yīng)用對(duì)象由端口1到端口240來(lái)標(biāo)識(shí)，端口2412

53、54保留做將來(lái)使用，此外，還有兩個(gè)附加的端口：端口0用于do的數(shù)據(jù)接口，端口255用于所有應(yīng)用對(duì)象的廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口。使用apsde-sap提供的服務(wù)，應(yīng)用層框架提供了應(yīng)用對(duì)象的兩種數(shù)據(jù)服務(wù)類型：鍵值對(duì)(key value pair，kvp)服務(wù)和通用信息(message service type，msg)服務(wù)。兩者傳輸機(jī)制一樣，不同的是：kvp較為嚴(yán)格，是專門(mén)為傳輸一組特征量而設(shè)計(jì)的；msg結(jié)構(gòu)上則比較自由，不采用應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，留給用戶自己定義。zigbee設(shè)備對(duì)象(zdo)：zigbee設(shè)備對(duì)象(zdo)，描述了一個(gè)基本的功能函數(shù)類，在應(yīng)用對(duì)象、配置文件(profile)和應(yīng)

54、用支持子層之間提供了一個(gè)接口。zdo位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它滿足了zigbee協(xié)議棧所有應(yīng)用操作的一般要求，zdo還有以下作用：初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)文檔(security services specification，sss)。從終端應(yīng)用中集合配置信息來(lái)確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理、以及綁定管理。zdo描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對(duì)象的公用接口以及控制設(shè)備和應(yīng)用對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)功能，提供了與協(xié)議棧中低一層相連的接口，數(shù)據(jù)信息通過(guò)apsde-sap相連，控制信息通過(guò)apsme-sap相連。在zigbee協(xié)議棧的應(yīng)用框架中，zdo公用接口提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)、綁定以及安全等功能的地址管

55、理。zigbee設(shè)備對(duì)象管理平臺(tái)：zigbee設(shè)備對(duì)象管理平臺(tái)管理網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層，在zigbee設(shè)備對(duì)象執(zhí)行內(nèi)部工作時(shí)允許其與網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層通信。此外，管理平臺(tái)也負(fù)責(zé)zigbee設(shè)備對(duì)象處理應(yīng)用請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)及使用zigbee設(shè)備文件信息的安全功能【7】。2.3 本章小結(jié)本章首先介紹ieee802.15.4協(xié)議與zigbee的關(guān)系，然后給出zigbee協(xié)議的架構(gòu)，最后根據(jù)zigbee協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，分別介紹了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的功能、詳細(xì)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容。通過(guò)以上內(nèi)容的研究，使我們對(duì)zigbee無(wú)線個(gè)域網(wǎng)特點(diǎn)及工作機(jī)制有了比較深刻的了解，為后面的研究打下基礎(chǔ)。第3

56、章 zigbee溫濕度傳感器硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)本章在前面兩章的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)。3.1 硬件設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的基本平臺(tái)。在設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)分為兩種類型：中心節(jié)點(diǎn)與一般節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)：無(wú)線傳輸模塊+微處理器+串口+電源。中心節(jié)點(diǎn)的功能為：接收周?chē)话愎?jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)傳給pc；根據(jù)pc發(fā)來(lái)的控制指令，對(duì)一般節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制(可選)。一般節(jié)點(diǎn)：無(wú)線傳輸模塊+微處理器+傳感器十電源。一般節(jié)點(diǎn)的功能為：數(shù)據(jù)采集(由傳感器完成)；獲取與周?chē)?jié)點(diǎn)之間的距離；將信息發(fā)送給周?chē)?jié)點(diǎn)；轉(zhuǎn)發(fā)周?chē)?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在這里，本課題所設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)參考了業(yè)界的幾種zigbee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在方案中，主要設(shè)計(jì)了個(gè)以下模塊：處理器，無(wú)線收發(fā)，電源管理，uart串口電路，傳感器電路，總體的硬件系統(tǒng)框圖如圖3-1所示：圖3-1 硬件系統(tǒng)框圖3.1.1 cc2530芯片介紹自ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，市場(chǎng)上逐步生產(chǎn)出支持ieee802.15.4的芯片。比如有freescale的mcl3192、ti公司的cc2530、ember的em2420。綜合