CC2420的傳感器設(shè)計

1、 本論文的主要內(nèi)容是制作基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點，并實現(xiàn)節(jié)點間的通信。本文中通信模塊選擇的射頻芯片是CC2420，它是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE 802.15.4和ZIGBEE標準的收發(fā)芯片，只需很少的外圍元件就可以與單片機構(gòu)成一個無線通信系統(tǒng)；微處理器是ATMEL公司生產(chǎn)的RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機ATmega 128L。文中詳細介紹了這兩個主要芯片的選型、性能和特點，并對關(guān)鍵部分的硬件接口作了詳細闡述。 在設(shè)計過程中，我們充分考慮到硬件節(jié)點功耗低、成本低、體積小等要求，在選擇芯片所需的外圍電路元件時，為減小節(jié)點體積，這些元件的外部封裝都選用體積小 ，

2、易實現(xiàn)的。利用Protel 2004電路板設(shè)計軟件，首先繪制電路原理圖，完成原理圖后生成網(wǎng)絡(luò)表，然后進行實際布線，生成印制電路板。在設(shè)計PCB過程中，充分考慮了高頻電路的設(shè)計原則，使用了四層布線結(jié)構(gòu)和大面積鋪地來抑制高頻模擬信號的噪聲。硬件節(jié)點設(shè)計完成后，進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)理論研究,把握基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境和實現(xiàn)的要求，使網(wǎng)絡(luò)更安全地、可靠地運行；網(wǎng)絡(luò)硬件搭配完畢后，嵌入程序和初始化網(wǎng)絡(luò)的各個模塊，組建成一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)試，硬件節(jié)點可以接收光敏傳感器電路中的光源信號，同時將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端節(jié)點，實現(xiàn)兩個硬件節(jié)點

3、間的通信。通用串行接口能與RS-232標準串行接口連接，實現(xiàn)與計算機的通信；在PC機上顯示采集數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ATmega128L，ZIGBEE，CC2420Abstract This paper is focused on the implementation of wireless sensor network node Based on CC2420 and chieving the communication capability in the nodes. We choose the CC2420,a IEEE 802.15.4 compliant chip provi

4、ded by Chipcon corpor- ations RF transceiver,and it need a MCU and few external components to constitute a wireless communication system. Microcontroller is RISC structure based 8 bit controller ATmega128L from ATMEL corporation. We also gave a detaileddescription of key hardware interface in the pa

5、per.Taking the request of low cost,low power,small size into consideration,we chose the low power、small size and Easy to achievely packaged external components.Then we charted circuit diagram,created netlist and layouted the printed circuit board(PCB) in the computer aided design software:Protel 200

6、4. While layouting the PCB,we gave full consideration to high frequency circuit design rules and utilized four layers structure and large-area ground plane to restrain RF noise. The extended interface is also designed for more sensors.Node hardware design is completed, a wireless sensor network prot

7、ocol structure and related network architecture based on the CC2420 grasp the theoretical study of ZIGBEE sensor networks working environment and achieving the requirements of the network,make it more secure, reliable operation; networking hardware after the match, Embedded network initialization pr

8、ocedure and the various modules, formed into a complete wireless sensor network operating system,After a lot of debugging work, the nodes can communicate between every two of them and can show the information of transmission,reception,acknowledgment etc. And node can sense to RS-232 light intensity,

9、 and send it to center node.When the universal serial port is connectedinterface,the node can communicate with personal computer then we can monitor thelight intensity information on software platform. Key words: The wireless sensor network, ATmega128L, ZIGBEE, CC2420 目錄1 緒論11.1 論文研究的背景11.2 論文研究的意義1

10、1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11. 3.1 國外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀11.3.2 國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀11.4 論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)22 CC2420芯片 32.1本論文對通信模塊的要求32.2無線通信芯片CC242032.2.1芯片主要性能特點42.2.2芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)42.2.3應(yīng)用電路53 電路硬件實現(xiàn)93.1硬件電路要求及印制電路板93.1.1硬件電路要求93.1.2 DXP 2004及印制電路板103.2基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個電路原理圖及分析103.2.1處理器接口電路103.2.2通信接口電路143.2.3傳感器模塊143.2.4外部存儲電路143.2.5供電電

11、路/電壓檢測電路153.2.6單片機通過串口與PC的連接163.2.7天線的選擇174 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.15.4/ZigBee194.1 ZigBee協(xié)議的結(jié)構(gòu)194.1.1 物理層194.1.2介質(zhì)訪問層(MAC)204.1.3網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用會聚層214.2安全性214.3 ZigBee協(xié)議的特點224.4傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)235 數(shù)據(jù)采集流程265.1.硬件電路程序設(shè)計流程圖265.1.1主流程序流程圖265.1.2 發(fā)送和接受數(shù)據(jù)流程圖265.2 數(shù)據(jù)分析285.2.1數(shù)據(jù)采集及傳輸285.2.2采集數(shù)據(jù)結(jié)果顯示296 結(jié)論31參考文獻33致 謝34附錄A 35附件B 361

12、 緒論1.1 論文研究的背景隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀90年代末在美國發(fā)現(xiàn)了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其后，該技術(shù)相繼被一些重要機構(gòu)預(yù)測為將改變世界的重要新技術(shù)之一，同時相關(guān)研究工作也在世界各個主要發(fā)達國家轟轟烈烈的開展起來，并在各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，已被認為是對二十一世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一，與塑料電子學(xué)和仿生人體器官被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)，也是我國重點開展的研究領(lǐng)域之一。1.2 論文研究的意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)大面積的信息采集、分布式處理、網(wǎng)絡(luò)總體信息的融合和數(shù)據(jù)的遠程傳輸?shù)裙δ?，從而實現(xiàn)人類不方便去的地方進行環(huán)境監(jiān)測。傳

13、感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、智能家居、火星探測、城市交通和建筑物狀態(tài)監(jiān)控、生物醫(yī)療、大型工業(yè)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。它的研究對人類生活和生存來說具有廣泛和深遠的意義。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1. 3.1 國外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀目前比較系統(tǒng)地利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實例是2002年Intel實驗室和大西洋學(xué)院聯(lián)合進行的大鴨島環(huán)境監(jiān)測項目。大鴨島是一個對外來監(jiān)控設(shè)備十分敏感的生態(tài)環(huán)境。Intel實驗室和大西洋學(xué)院在大鴨島上部署了研究組在大鴨島上部署了由43個傳感器接點組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點用了Berkeley的Mote節(jié)點，節(jié)點上運行的軟件是Berkeley開發(fā)的T

14、inyOS。節(jié)點上裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了9個月左右的監(jiān)控，得到了大量第一手數(shù)據(jù)。實驗表明傳感器網(wǎng)絡(luò)在這樣的應(yīng)用環(huán)境中有非常明顯的優(yōu)勢。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用上的一個方面，也是一個跨學(xué)科的課題。傳感器網(wǎng)絡(luò)為實現(xiàn)更加準確、數(shù)據(jù)量更大、對環(huán)境影響更小的生態(tài)監(jiān)測提供一個全新的手段。這也表明傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用方面有著重大突破，研究進入高熱化階段。1.3.2 國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀我國現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首次正式出現(xiàn)于1999年中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，作為該領(lǐng)域提出的五

15、個重大項目之一，當(dāng)時的項目名稱：重點地區(qū)災(zāi)害實時監(jiān)測、預(yù)警和決策支持示范系統(tǒng)。2001年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目，初步建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機、移動機站和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大進展。未來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將向天、空、海、陸、地下一體化綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，最終成為現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的接口，深入到人們生活的各個層面，像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變?nèi)藗兊纳罘绞剑瑢崿F(xiàn)微型、安全、多功能、低功耗、集成化的高效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。1.4 論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)本文針對基于CC2420的ZI

16、GBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一國內(nèi)外研究熱點，在檢索閱讀了大量國內(nèi)外網(wǎng)站、期刊文獻和分析系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上給出了嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點的總體設(shè)計方案。采用嵌入式系統(tǒng)軟、硬件協(xié)同開發(fā)技術(shù)，基于ARM處理器實現(xiàn)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計，為特定應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)構(gòu)建了一個平臺。 本文第一章簡單介紹無線傳感器技術(shù)研究的背景、意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；第二章介紹射頻芯片CC2420及各個引腳功能，并闡述及相關(guān)電路原理圖；第三章按照功能模塊對節(jié)點的硬件設(shè)計進行了詳細的闡述，其中包括：主控模塊的設(shè)計，射頻模塊的設(shè)計，檢測電路模塊和外部存儲器模塊的設(shè)計等；第四章簡單描述IEEE 802.15.

17、4/ZIGBEE和無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；第五章簡單介紹利用基于CC2420ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)流程；第六章是這次畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)。2 CC2420芯片2.1本論文對通信模塊的要求 傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路層跟其他網(wǎng)絡(luò)一樣，需要提供流量控制、傳輸可靠的點到點的通信服務(wù)。但也與其他網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)不同，它本身對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，而對長期穩(wěn)定工作要求很高，而且節(jié)點在大部分的時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)中，所以要求鏈路層能夠解決通信同步問題，即通信雙方要在同時喚醒，而且各個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在通信上是對等的，也就是說沒有優(yōu)先級可言，所以要保持所有節(jié)點的同步，而不是通信雙方的簡單的同步。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個低功效、低成

18、本、速率要求不高的一個網(wǎng)絡(luò)，而802.15.4協(xié)議，即ZIGBEE協(xié)議，定義250kbps的低復(fù)雜度、超低功耗和超低成本的無線數(shù)據(jù)通信的物理層和MAC層，同時支持無線安全通信。ZIGBEE技術(shù)標準在設(shè)計過程中充分考慮到了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求，在功耗、同步技術(shù)及安全問題也都做了充分的考慮。另外除了2.4GHz的載波頻段，ZIGBEE還定義了700MHz和866MHz兩個頻段，同時支持多種數(shù)據(jù)通信速率，ZIGBEE很可能成為傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的無線通信標準協(xié)議之一。正是隨著ZIGBEE協(xié)議的發(fā)布和日漸成熟，世界各大無線芯片產(chǎn)商陸續(xù)推出支持IEEE802.15.4的無線收發(fā)芯片，其中Freescale公

19、司推出的MC13192，Chipcon公司推出的CC2420是比較典型的產(chǎn)品。在本次畢業(yè)設(shè)計中用的是CC2420這塊芯片，下面將詳細介紹這塊芯片。2.2無線通信芯片CC2420CC2420是Chipcon公司在2003年推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)芯片。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的Smart RF03技術(shù)，以0.18um CMOS工藝制成，性能穩(wěn)定且功耗極低，具有很高的集成度。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片

20、開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。CC2420是為低功率、低電壓無線應(yīng)用而設(shè)計的單片RF收發(fā)芯片。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線、16MHz晶體等非常少的外圍電路就能在頻率為2.4GHz的頻段上工作，是在免授權(quán)的ISM（工業(yè)、科研和醫(yī)療）頻帶上進行無線通信的低成本、高集中的解決方案。CC2420為信息包處理提供廣泛的硬件支持，數(shù)據(jù)緩沖器、發(fā)射、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)證明、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和信息包實時資料，這些特點減少主控制器的工作量，使CC2420能方便地與低成本微處理器相接。并且還提供一個SPI 接口與處理器連接，通過這個接口

21、，處理器能很方便地對CC2420配置和收發(fā)數(shù)據(jù)這兩方面的工作。2.2.1芯片主要性能特點CC2420的主要性能參數(shù)如下：·工作頻帶范圍：2.4002.4835GHz；·數(shù)據(jù)速率達250kbps，碼片速率達2MChips/s；·采用直接序列擴頻方式DSSS；·采用O-QPSK與半正弦脈沖整形調(diào)制方式；·超低電流消耗（RX：19.7mA，TX：17.4mA），高接收靈敏度（-94dBm）；·內(nèi)部使用1.8工作電壓變壓器，內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，可以直接采用低電壓供電（2.13.6V）；·輸出功率編程可控；&

22、#183;IEEE 802.15.4 MAC層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗電源檢測、完全自動MAC層安全保護（CTR，CBC-MAC，CCM）；· 802.15.4 Mac硬件安全： 自動安全操作與接收和發(fā)送FIFOs ；CTR加密、解密模式；CBC-MAC的加密/解密和驗證；采用獨立的AES加密算法；·與控制微處理器的接口配置容易（4總線SPI接口）；·開發(fā)工具齊全，提供有開發(fā)套件和演示套件；·采用QLP-48封裝，外形尺寸只有7×7mm。2.2.2芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖2.2.2 CC2420芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.

23、2.2是CC2420芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，CC2420是低中頻的收發(fā)器。天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器LNA和正交下變頻處理后，形成中頻信號為2MHz的同相分量和正交分量，然后信號經(jīng)過濾波、放大A/D變換、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。發(fā)射機部分基于接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動生的。根IEEE 802.15.4標準，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后到D/A變換器，然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調(diào)制2.4GHz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去；CC2420是低中頻接收器，接收到的射頻

24、信號被低噪聲放大器放大后，下變頻為中頻，在中頻的I/Q信號被濾波和放大后，被模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D數(shù)字化，最后儲存在接收存貯器中(RXFIFO，共128 Bytes)。2.2.3應(yīng)用電路CC2420只需要極少的外圍元器件，其應(yīng)用電路如圖2.2.3所示。它的外圍電路主要包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。 圖2.2.3.1 CC2420的應(yīng)用電路 輸入輸出匹配射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入、輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50?，同時為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。CC2420射頻信號的收發(fā)采用的是差分方式傳送，射頻端最適合的負載是115+j180?。

25、當(dāng)使用如單極天線等不平衡天線時，為優(yōu)化性能必須使用不平衡變壓器，不平衡變壓器可以用便宜的分立的電阻和電感組成。圖中C10、C11、C12、C13、L2組成不平衡變壓器，L1和L3匹配射頻輸入/輸出阻抗50?，L1、L2同時提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。 偏置電阻R10偏置電阻是電流基準發(fā)生器的精密電阻，阻值為43k？。 晶振時鐘電路CC2420需要16MHz的參考時鐘用于數(shù)據(jù)的收發(fā)，可以來自外部時鐘源，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生，精確度應(yīng)該達到±40×108。如果使用外部時鐘，直接從XOSC16_Q1引腳輸入，XOSC16_Q2腳懸空；如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶振

26、接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引腳之間。晶振起振需對CC2420選通命令寄存器SXOSCON使能。 微控制器接口 圖2.2.3.2 CC2420與ATmega128接口CC2420與處理器連接非常簡單，如圖2.2.3.2，可以通過4線SPI接口(SI、SO、SCLK、CSN)設(shè)置芯片的工作模式，處理器就是通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲器，SPI接口接收和發(fā)送時都與時鐘下降沿對齊，并實現(xiàn)讀/寫存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等；通過使用FIFO、FIFOP、SFD、和CCA管腳的狀態(tài)表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計，它只有在信道有信號時輸出高電

27、平，在接收狀態(tài)下有效，在CC2420進入接收狀態(tài)至少8個符號周期后，才會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以制時鐘/定時信息的輸入，CC2420收到SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完為止，如果啟用了地址辨識，如果地址辨認失敗，SFD引腳會立即輸出低電平。它和CCA引腳與微處理器的相應(yīng)管腳相連以實現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。FIFO和FIFOP引腳標識接收FIFO緩存區(qū)的狀態(tài)。如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，則FIFO引腳為高，相反則低；FIFOP引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過某一個臨界值時或CC2420收到一個完整的幀時輸出高電平，臨界值可通過C

28、C2420的寄存器設(shè)置。CC2420有兩個用于訪問FIFO緩存區(qū)的寄存器：一個是TXFIFO寄存器，通過寫TXTFIFO寄存器，把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按字節(jié)依次寫入發(fā)送緩存區(qū)，然后通過寫寄存器STXON或STXONCCA的命令，等待時機從無線信道發(fā)送數(shù)據(jù)；一個是RXFIFO寄存器，用于訪問接收FIFO緩存器，當(dāng)CC2420接收到數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)存入FIFO緩存器，并改變FIFO和FIFOP的狀態(tài)，處理器通過RXFIFO寄存器讀出接收到的數(shù)據(jù)。3 電路硬件實現(xiàn)3.1硬件電路要求及印制電路板3.1.1硬件電路要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)。由傳感器子板、微處理器模塊、

29、數(shù)據(jù)存儲電路、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊等組成。相對于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有明顯的技術(shù)特點：(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度高，數(shù)量大；(2)節(jié)點的計算和存儲能力有限；(3)節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，節(jié)點能量有限；(4)通信能力有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較窄，節(jié)點間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米，因此在有限的通信能力下如何設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信機制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信是必須考慮的問題；(5)各傳感器節(jié)點位置隨機分布，具有自組織特性。因此各個模塊要求如下：1、 處理器模塊處理器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的計算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲程序等都將在這個模塊的支持下

30、完成，所以處理器的選擇在整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)計上是至關(guān)關(guān)重要的，其要求如下：(1)外形要小，(2)集成度要高,(3)功耗低而且支持睡眠模式,(4)運行的速度要快，(6)要有足夠的外部通用IO端口和通信接口，(6)成本要低，(7)有安全性保證。2、通信模塊由于在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)速錄要求不高，但要長期工作，功耗要低，而且能簡單實現(xiàn)，而ZIGBEE協(xié)議正符合這一要求，在這次論文中選了CC2420芯片。3、傳感器模塊傳感器在市場上各種各樣，有溫濕度傳感器、光照傳感器、聲音傳感器、加速度傳感器等等，傳感器本身工藝水平和成本制約了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)需要盡量選擇體積小，并且價格便宜，靈敏度高的芯片。4、

31、數(shù)據(jù)存儲電路模塊對于低速率通信、低功耗運行、低頻率使用的傳感器節(jié)點來說，許多傳輸數(shù)據(jù)，包括自身采集的數(shù)據(jù)、從領(lǐng)結(jié)點獲取的轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)以及在一段時間內(nèi)需要保存的各種信息，都需要一個安全可靠的存儲地方，所以會在外面留有外部存儲器。為了避免外面復(fù)雜環(huán)境的影響，而失去重要的信息，所以應(yīng)選擇非易失存儲器。3.1.2 DXP 2004及印制電路板在電路圖和印制電路板的設(shè)計中，我們使用的Protl 2004軟件是一種功能強大，目前國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛的EDA設(shè)計軟件。Protel軟件包是20世紀90年代初由澳大利亞PROTELTECHNOLOGY公司研制開發(fā)的專用于電子行業(yè)類CAD設(shè)計的商業(yè)應(yīng)用軟件，它在我國電

32、子行業(yè)中知名度很高。最近推出Protel 2004是應(yīng)用于Windows 95/98/NT4/2000下的EDA設(shè)計軟件，它采用設(shè)計庫管理模式，可以進行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計。其功能強大，包括電子電路原理圖（SCH）設(shè)計、電子電路原理圖（SCH）仿真、印制電路板（PCB）設(shè)計、電子電路實現(xiàn)前后的信號完整性分析和可編程邏輯器件（FPGA）設(shè)計等。電路板設(shè)計首先從原理圖開始，整個設(shè)計過程是在原理圖的指導(dǎo)下完成的，設(shè)計要保證兩點：正確性和完整性。正確性：從電路板布線角度（假設(shè)原理設(shè)計正確），正確性主要是指“畫”的正確，即符合規(guī)范地產(chǎn)生電路原理圖。完整性是指原理圖必須包含能指導(dǎo)布線過程順利完成的全部信息。布線圖設(shè)計

33、要點：完成原理圖并生成網(wǎng)絡(luò)表，接下來進入實際布線過程；生成一個PCB圖，調(diào)用原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)表，布線軟件會把對應(yīng)元件的封裝調(diào)入；如果出現(xiàn)找不到的封裝，需要自己在元件庫里查找；保證把所有元件的封裝調(diào)入，進入元件布局，最后布線。在電路圖的設(shè)計過程中，由于數(shù)字器件正朝著高速、低耗、小體積、高抗干擾性的方向發(fā)展，這一發(fā)展趨勢對印刷電路板的設(shè)計提出了很多新要求。電路往往集成度較高，布線密度大，采用多層板既是布線所必須的，也是降低干擾的有效手段；電路布線的引線最好采用全直線，少折線，需要轉(zhuǎn)折，可用45度折線或圓弧轉(zhuǎn)折；高頻電路器件管腳間的引線層間交替越少越好；高頻電路布線要注意信號線近距離平行走線所引入的

34、“交叉干擾”，若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積“地”來大幅度減少干擾；對特別重要的信號線或局部單元實施地線包圍的措施，我們在電路板的設(shè)計中也充分考慮了這幾個方面問題。3.2基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個電路原理圖及分析3.2.1處理器接口電路微處理器電路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結(jié)構(gòu)，由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128L的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega128L具有如下特點：（1） 片內(nèi)有128K字節(jié)

35、的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，能夠編程10000次，遠比其他型號高，適合于需要反復(fù)編程試驗的應(yīng)用環(huán)境。（2） 片內(nèi)有4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM,可以分別存放程序的變量、堆棧和通信模塊的配置參數(shù)。（3） 片內(nèi)提供兩個8位定時器、兩個16位擴展定時器。（4） 外部IO引腳與通用單片機兼容，方便所有的人使用和明白。（5） 片內(nèi)提供了兩個通用同異步串行接口（USART）控制器，能夠緩沖更多的數(shù)據(jù)，減少緩沖耗盡，串口收發(fā)速率可以達到1MBaud/s。（6） 片內(nèi)提供了一個串行外圍接口（SPI）控制器，SPI通信協(xié)議比較簡單，通過時鐘上升沿和下降沿控制數(shù)據(jù)輸入和輸出，因此可以達到很高的吞吐率，

36、支持主動和被動兩種方式。（7） 片內(nèi)提供8個通道的10位采樣精度的ADC控制器，這8個通道復(fù)用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器，它還支持16種差分電壓輸入組合。（8） 片內(nèi)提供兩個8位的脈沖寬度調(diào)制器（PWM），6個216位分辨率可編程的脈沖寬度調(diào)制器，脈沖調(diào)制功能是通過內(nèi)部定時器實現(xiàn)的。（9） 在電源管理方面提供六種可以通過軟件選擇的省電的睡眠模式?？臻e模式時CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；A

37、DC噪聲抑制模式時CPU和所有的I/O模塊停止運行，而異步定時器和ADC繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；待機（Standby）模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展待機（Standby）模式則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。（10） 器件是以Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash可以通過SPI接口、通用編程器，或引導(dǎo)程序多次編程。（11）  工作電壓范圍寬（2.7-6V），抗干擾能力強。ATmega128L屬于AVR單片機中配置最高的產(chǎn)品。它在AVR內(nèi)核的基礎(chǔ)上，增加了更多的功能和更加完善的接口功能，在省

38、電、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面也考慮得更加周全和完善。   圖3.2.1處理器接口電路在基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其接口電路圖如圖3.2.1，ATmega128L作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的計算核心，控制所有設(shè)備的運作，并調(diào)度任務(wù)，使通信模塊收發(fā)同步，有效地傳遞所監(jiān)測的有用信息，其功能強大，引腳眾多，總共有64根引腳，下面是一些在基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的、重要的引腳的功能描述： PA0PA2 為系統(tǒng)指示燈，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，它們?yōu)殡p向I/O口，并具有 可編程的內(nèi)部上拉電阻，可以輸出和吸收大電流； PA5、PF7 用于檢測電源工作狀態(tài)，使

39、基于CC2420傳感器網(wǎng)絡(luò)有足夠電源 供電或者能檢測到電源供應(yīng)不足，它們?yōu)殡p向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻，可以輸出和吸收大電流； PF4PF7 作為多功能引腳，這四個引腳同時作為JTAG的四個引腳，為方 便JTAG的使用，ATmega128L使用該功能時，自動在內(nèi)部增加上拉電阻； PF4PF4 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器外部引腳，把接收到數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換； PB0PB3、PB5、PB6、PD4、PD6、PE6、PE7 用于連接通信模塊的CC2420 芯片，前面四個引腳作為SPI接口，通過這個SPI接口，處理器能很方便的訪問CC2420芯片；后面四個引腳用于表示芯片收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；中間兩個引腳使能C

40、C2420芯片； PG3、PG4 為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供32.768kHz晶振作為實時時鐘源； PD2、PD3 為通用串行引腳，通過串行接口MAX232與PC機連接； PG0、PG1、PC0、PC1、PC2 是外部存儲器電路引腳，PG0、PG1作為讀寫信號和地址鎖存信號，擴展外部存儲器；VCC 數(shù)字電路的電源；GND 接地引腳；RESET 復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。低于此時間的脈沖不能保證可靠復(fù)位； XTAL1 反向振蕩器放大器及片內(nèi)時鐘操作電路的輸入；XTAL2 反向振蕩器放大器的輸出；AVCC 為端口F以及ADC轉(zhuǎn)換器的電源，需要與VCC相連接，即使沒有使用ADC也應(yīng)

41、該如此。使用ADC時應(yīng)該通過一個低通濾波器與VCC連接；AREF 為ADC的模擬基準輸入引腳；PEN 是SPI串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時保持PEN為低電平將使器件進入SPI串行下載模式。在正常工作過程中PEN引腳沒有其他功能； ATmega128L的工作時鐘源可以選取外部晶振、外部RC振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器、外部時鐘源等方式。工作時鐘源的選擇通過ATmega128L的內(nèi)部熔絲位來設(shè)計，熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設(shè)置。本設(shè)計中ATmega128L采用兩個外部晶振：7.3728MHz晶振作為ATmega128L的工作時鐘；32.768kHz晶振作為實時時鐘源。3.2.2通信

42、接口電路 基于ZIGBEE協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是CC2420這塊芯片，需要外圍電路少，能在2.4GHz頻段上工作，且體積小、功耗低，非常適用于家庭及工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)，通信接口電路如圖2.2.3.13.2.3傳感器模塊節(jié)點傳感器模塊與計算機和通信子板分離，模塊化的設(shè)計提高了節(jié)點在不同應(yīng)用中的靈活性。傳感器模塊可根據(jù)實際需要確定合適的傳感器，如溫度、濕度、振動、光強、氣體報警、磁阻、紅外等，以滿足不同的需要。由于節(jié)點多為電池供電，要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡單，最好采用不需要復(fù)雜信號調(diào)理電路的數(shù)字傳感器。本文采用MTS300CA的光敏傳感器的電路設(shè)計，所用的傳感器為雙通光敏傳感器。測得信

43、號以差分信號的形式輸出，分別經(jīng)過INA2126的兩個放大器進行信號放大，放大信號經(jīng)ATmega128L的ADC控制器進行采集。3.2.4外部存儲電路本論文選用512KB串行FLASHAT45DB041存儲數(shù)據(jù)。與普通的數(shù)據(jù)存儲器相比，該芯片具有功耗低、體積小、串行接口、外部電路簡單等特點，適合傳感器節(jié)點使用。數(shù)據(jù)存儲電路示意圖如圖3.2.4所示。串行FLASHAT45DB041分為三個主要部分：時鐘發(fā)生器，發(fā)送器和接收器?？刂萍拇嫫饔扇齻€單元共享。時鐘發(fā)生器包括同步從機操作用來與外部輸入時鐘進行同步的邏輯，以及波特率發(fā)生器。SCK（發(fā)送器時鐘）引腳用于同步發(fā)送模式。發(fā)送器包括單個寫緩沖器，串行

44、移位寄存器，奇偶發(fā)生器以及處理不同的幀格式所需的控制邏輯。寫緩沖器可以保持連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)而不會在數(shù)據(jù)幀之間引入延遲。由于接收器具有時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)單元，它是外部存儲模塊中最復(fù)雜的?；謴?fù)單元用于異步數(shù)據(jù)的接收。除了恢復(fù)單元，接收器還包括奇偶校驗，控制邏輯，移位寄存器和兩個接收緩沖器UDR。接收器支持與發(fā)送器相同的幀格式，而且可以檢測幀錯誤，數(shù)據(jù)過速和奇偶校驗錯誤。它支持4種模式的時鐘：正常的異模式，倍速的異步模式，主機同步模式，以及從機同步模式。 圖3.2.4外部存儲電路3.2.5供電電路/電壓檢測電路電能是傳感器網(wǎng)絡(luò)非常寶貴的資源，為了保證硬件電路的低功耗設(shè)計，節(jié)點芯片的選擇均使用低功耗、低電壓工

45、作的芯片。供電電路如圖3.2.5.1所示。圖3.2.5.1供電電路為了保證基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠正常運行，完成信息檢測，根據(jù)能量儲存狀態(tài)調(diào)整自己的工作和通信策略，在這次設(shè)計中設(shè)計了檢測電壓電路圖，如圖3.2.5.2所示。 圖3.2.5.2 檢測電路3.2.6單片機通過串口與PC的連接通用串行接口的應(yīng)用包括RS-232標準結(jié)合實現(xiàn)短距離的低速率通信。到現(xiàn)在為止，串口通信還是個人計算機的常用設(shè)備最簡單、最常用的通信方式。RS-232接口定義及連線：RS-232接口又稱之為RS-232口、串口、異步口或一個COM（通信）口。"RS-232"是其最明確的名稱。

46、在計算機世界中，大量的接口是串口或異步口，但并不一定符合RS-232標準，但我們也通常認為它是RS-232口。嚴格地講RS-232接口是DTE（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）和DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）之間的一個接口，DTE包括計算機、終端、串口打印機等設(shè)備。DCE通常只有調(diào)制解調(diào)器（MODEM）和某些交換機COM口是DCE。標準指出DTE應(yīng)該擁有一個插頭（針輸出），DCE擁有一個插座（孔輸出）。RS232信號的電平（-12V-5V，5V12V）和單片機串口信號的電平（0V3V）不一致，必須進行二者之間的電平轉(zhuǎn)換。在此使用的集成電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232為RS232CTTL電平轉(zhuǎn)換芯片。它只使用單5V為其工作，配接

47、4個1F電解電容即可完成RS232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。其原理圖如圖3.2.6所示。轉(zhuǎn)換完畢的串口信號TXD、RXD直接和ATmega128的串行口連接。RS-232接口中2個數(shù)據(jù)信號：發(fā)送TXD；接收RXD。1個信號地線：GND。 圖3.2.6單片機通過串口與PC的連接3.2.7天線的選擇 CC2420可以使用不同類型的天線。通信中最常使用的天線是單極天線、螺旋天線和環(huán)形天線。單極天線是長度對應(yīng)電磁波長1/4的諧振天線。下面就是一個簡單的天線模型。單極天線的設(shè)計簡單，可采用一根線簡單地實現(xiàn)，甚至可以集成到印制電路板中。對于低功耗應(yīng)用，使用范圍最佳且簡單的1/4波長單極天線。1/4波長單

48、極天線的長度為L=7125/f，其中：f的單位是MHz；L的單位是cm。天線必須盡可能靠近集成電路連接。如果天線的位置遠離輸入引腳，就必須與提供的傳輸線匹配。在我們的設(shè)計中，直接將天線集成到印制板上。圖3.2.7 基于CC2420的ZIGBEE傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)計中，處理器ATmega128芯片還保留許多接口，用于JTAGE、ISP等多種編程，如JTAG，它是一種工業(yè)測試標準接口，JTAG接口可以用來調(diào)試處理器芯片，從硬件上控制處理器芯片的運行流程，包括單步執(zhí)行、設(shè)置斷點、讀寫芯片的內(nèi)部寄存器和存儲器，通過調(diào)試接口可以進行Flash編程。4 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.15.4/ZigBee

49、IEEE802.15.4/ZigBee在無線通信領(lǐng)域，針對語音、視頻、計算機局域網(wǎng)等領(lǐng)域，具有中高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用都有相應(yīng)的國際標準。從圖4中看，主要的無線技術(shù)都集中在1 Mbps以上的速率，新的標準還在追求更高、更快的速率；而IEEE 802.15.4/ZigBee定義的是250kbps的的速率的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議的物理層和MAC 層，恰恰是填補低速率端無線通信技術(shù)的空缺。 圖4 幾種無線技術(shù)的比較 為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求，于2000年12月成立IEEE802.15.4工作組，致力于定義一個廉價、固定、便攜或移動設(shè)備使用的，極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。

50、2003年5月IEEE 802.15.4標準正式發(fā)布，與此同時，建立在IEEE 802.15.4標準之上的ZigBee標準也于2005年7月確定，負責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層及其以上的協(xié)議IEEE 802.15.4/ZigBee。4.1 ZigBee協(xié)議的結(jié)構(gòu)IEEE802154滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模式，定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其結(jié)構(gòu)包括物理層、介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層和高層，zigBee的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)4.1.1 物理層IEEE802154共定義了24 GHz、915 MHz和868 MHz這3個工作頻帶。每個頻帶提供固定數(shù)量的信

51、道，由于物理層都采用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。降低了數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的幀結(jié)構(gòu)，以利于低作業(yè)周期、低功耗的運作。24 GHz頻段(242483 5 GHz)被劃分為16個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps，基于DSSS方法的準正交調(diào)制技術(shù)，來自PPDU的二進制數(shù)據(jù)被依次組成4位二進制數(shù)據(jù)符號。每個數(shù)據(jù)符號被映射成32位偽噪音CHIP，以便傳輸。然后這個連續(xù)的偽噪音CHIP序列被調(diào)制到載波上。即采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控(O-QPSK)調(diào)制方法。其物理層幀結(jié)構(gòu)如圖4.1.1所示。圖4.1.1中：前導(dǎo)碼為4 Byte，主要用于幀同步；幀定界為1 Byte，標志幀的起

52、始；幀長度為1 Byte，指示了數(shù)據(jù)單元的長度；物理層數(shù)據(jù)據(jù)單元圖4.1.1 ZigBee物理層幀結(jié)構(gòu)為0127 Byte，用于承載所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即MAC幀。在IEEE 802.15.4中，總共分配了27個具有二種速率的信道:在2.4 GHz頻段有16個速率為250 kbps的信道，在915 MHz頻段有10個40 kbps的信道，在868 MHz頻段有1個20kbps的信道。一個IEEE 802.15.4網(wǎng)可以根據(jù)可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個信道中選擇一個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。4.1.2介質(zhì)訪問層(MAC)ZigBee MAC層的

53、設(shè)計主要考慮到盡可能的降低成本、易實現(xiàn)和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通?？蓜澐譃閮煞N類型，一種是全功能器件(FFD)，其功能是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信；另一種是簡化功能器件(RFD)，其功能只能與全功能器件通信，實現(xiàn)簡單。IEEE802154 MAC層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和MAC命令幀等4種幀類型，其一般幀結(jié)構(gòu)如圖4.1.2所示，只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認幀和MAC命令幀則用于ZigBee設(shè)備同MAC子層功能實體間控制信息的收發(fā)，廣播幀和確認幀不需要接收方的確認，而數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認，如果需要確認并且已經(jīng)

54、通過了CRC校驗，接收方立即發(fā)送確認幀。若發(fā)送方一定時間內(nèi)收不到確認幀，則自動重發(fā)該幀。正因為ZigBee采用了載波偵聽多址沖突避免(CSMACA)的信道接人方式和完全握手協(xié)議，使MAC層數(shù)據(jù)傳輸是非?？煽康?。圖4.1.2 MAC幀結(jié)構(gòu)其中幀控制說明了如何看待幀的其余部分及它們包含什么，序列號是傳輸數(shù)據(jù)幀及確認幀的序號，僅當(dāng)確認幀的序列號與上次數(shù)據(jù)幀的序列號一致時，才判定數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)成功。幀校驗是16位循環(huán)冗余校驗。凈荷是MAC幀要承載的上層數(shù)據(jù)，其長度可變，MAC數(shù)據(jù)幀被送至物理層，作為物理層幀數(shù)據(jù)(PPDU)的一部分。4.1.3網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用會聚層網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制層，8022標準定義了

55、LLC，并且通用于諸如8023、80211及802151等802系列標準中。而MAC層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層的實現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層主要采用了基于Ad-hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，負責(zé)拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護、命名和綁定服務(wù)。它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些必須的任務(wù)。應(yīng)用會聚層，也就是高層，將主要負責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體包括:安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。4.2安全性安全性一直是個人無線網(wǎng)絡(luò)中的極其重要的話題。IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議使用MAC層的安全機制，來保證MAC命令幀、信標幀和響應(yīng)幀的安全性。單跳的數(shù)據(jù)消息是通過對MA

56、C層的安全來做到的，而多跳的消息報文一般是通過更上層(如網(wǎng)絡(luò)層)的安全機制來保證的。ZigBee的MAC層使用了一種被稱為高級加密標準（AES）的算法進行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全機制，用來保證MAC層幀的機密性、一致性和真實性。雖然這些安全性是在MAC層上進行處理的，但是上一層（網(wǎng)絡(luò)層）控制著安全性的整個過程，主要包括密鑰的產(chǎn)生和安全級別的使用。當(dāng)MAC層傳輸（接收）一個帶有安全性的幀時，它首先檢查該幀的目標地址（源地址），并檢索到和該目標地址（源地址）相對應(yīng)的密鑰，然后利用該密鑰和相對的安全級別所對應(yīng)的安全機制來進行逆向處理。每一種安全機制都將對應(yīng)著一個密鑰，而在MAC層

57、幀頭中有一位直接指明該幀是否使用安全機制。MAC層安全封裝幀結(jié)構(gòu)：·MAC頭幀計數(shù)器（4Byte）·序列計數(shù)器（1Byte）·加密的MAC凈負荷·消息完整性代碼(MIC)如果應(yīng)用中有一致性方面的要求，那么在傳輸一個幀時就可以利用MAC層的頭和凈荷來計算4字節(jié)、8字節(jié)或者16字節(jié)的消息完整性代碼（MIC），MIC直接被加到MAC層凈荷的后面，如果有真實性的要求，MAC層的左邊會被加入幀和序列記數(shù)器，用來對該凈荷進行加密，并保證其的新穎性。當(dāng)接收到包括了MIC的幀時，會對它進行一定的驗證；同樣如果接收到的幀的凈荷被加密，則需要進行一定的解密操作。MAC層的安全性有三種模式：利用了AES進行加密的CTR模式、利用了AES保證一致性的CBC-MAC模式(密碼分