1、江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文I摘 要数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术以及计算机技术共同构建了现代检测技术的基础。本文在分析了数据采集系统的相关现状以及主要短距离无线通信技术的基础上，针对有线数据采集方式综合成本高、不易扩展、移动性差等缺陷，设计并实现了一个基于 ZigBee 技术的低成本、低功耗的无线数据采集系统。ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术，工作在 2.4 GHz 的 ISM 频段上，传输速率为 20 kb/s- 250 kb/s, 传输距离为 10m75m，主要用于短距离无线传输，将 ZigBee
2、 技术与数据采集技术相结合，具有广泛的应用前景。本课题基于当前数据采集系统的发展要求，以工业现场数据采集为目的，通过对 ZigBee 技术的研究（包括技术参数、网络组织结构， ZigBee2006 协议），采用基于 ZigBee 技术的无线单片机 CC2430（SOC） ，设计并实现了无线数据采集节点的硬件电路。硬件模块主要由无线传输模块和测试模块两部分组成，其中无线传输模块完成节点间的无线通讯，测试模块包括了 RS232、电源、键盘及 OLED 显示屏，主要用于选择功能、检测网络状态等。结合硬件电路的特点以及整个系统的功能要求，本研究开发了系统的下位机软件与上位机软件。下位机软件包括协调器节
3、点及一般终端节点的软件设计，建立一个低功耗、低时延的 ZigBee 星型网络。上位机软件采用 Borland C+ Builder 6.0(简称 BCB)编写，实现网络中节点监控，包括数据采集与处理，实时曲线以及历史曲线的绘制，数据保存等功能。通过 ZigBee 终端节点对现场数据的采集、ZigBee 终端节点与协调器节点的通信， ZigBee 模块的相关参数及组网参数的测试，验证了本设计方案的正确性，说明了 ZigBee 技术与数据采集技术相结合可以克服有线数据采集系统的弊端。关键词：数据采集，无线通信，ZigBee 技术，CC2430，C+ Builder江 苏 大 学 硕 士 学 位 论
4、 文IIABSTRACTData acquisition is an important branch of information technology and is the foundation of modern measurement technology together with sensor technology, signal processing technology and computer technology. Based on the research situation of data acquisition system and the main short-ra
5、nge wireless communication technology, a wireless data acquisition system based on ZigBee technology which has the features of low price and low power consumption was designed and realized aiming at solving the disadvantages of high price, unease extension and poor mobility of wired data acquisition
6、. ZigBee technology is a bidirectional wireless communication technology with the features of short distance, low complexity, low power consumption, and low bit rate. It works at 2.4GHz ISM frequency, and its transmission rate is about 20kb/s-250kb/s, So ZigBee technology is mainly applied to short
7、distance wireless communication. Data acquisition system which combines with ZigBee technology has a wide application prospect.This thesis based on the development requirement of current data acquisition system, take industry field data acquiring as a goal, through researching on ZigBee technology (
8、technique parameters, features, network topologies, and ZigBee2006 protocol). It using wireless single chip microcomputer CC2430 based on ZigBee technology, designs and realizes the hardware circuit of the ZigBee nodes. The hardware circuit has two parts including wireless transmitting module and te
9、sting module. The wireless transmitting module mainly accomplishes wireless data transmission. And the testing module including RS232 circuit, power circuit, keyboard circuit, and display circuit, mainly accomplishes function choice and network state detection. According to the circuit characteristi
10、cs and the function requirements of the whole system, the lower computer software and the upper computer software is designed and accomplished in the research. The lower computer software including the software design of coordinator node and general terminal node in star network, realizes ZigBee sta
11、r network building with the features of low power consumption and low delay. The upper software programming using Borland C+ 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文IIIBuilder 6.0 accomplishes the function of monitoring the node state in the network including data acquiring and processing, curve-drawing, data-saving, an
12、d so on.This design is verified by field data acquisition of ZigBee terminal nodes, communication between ZigBee terminal nodes and coordinate nodes, relative parameters and networking parameters of Zigbee modules, which suggests that disadvantages of the wired data acquisition system can be overcom
13、e through the combination of Zigbee technology and data acquisition technology.Keyword: data acquisition, wireless communication, ZigBee technology, CC2430, C+ Builder江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文IV目 录摘 要 IABSTRACT II目 录 .IV第一章 绪论 11.1 课题的背景 11.2 短距离无线技术的发展现状 11.2.1 IEEE 802.11 标准 .21.2.2 蓝牙技术 21.2.3 IrDA 通信技
14、术 .21.2.4 HomeRF31.2.5 ZigBee 技术 31.3 基于 ZigBee 数据采集系统的意义 .41.4 论文的主要工作及结构 .4第二章 系统总体方案设计 62.1 系统的设计原则 62.2 系统硬件组成 .62.3 关键技术介绍 .82.3.1 ZigBee 技术简介 .82.3.2 ZigBee 网络拓扑结构 92.3.3 ZigBee 协议体系结构 112.4 Zigbee 无线芯片的选取 182.5 系统的开发方法和工具 .192.5.1 IAR 开发环境 .192.5.2 C+Builder 开发环境 202.6 本章小结 .21第三章 系统硬件设计方案 22
15、3.1 ZigBee 网络节点硬件设计概述 .223.2 CC2430 无线单片机简介 223.2.1 CC2430 芯片的主要特点 .223.2.2 CC2430 外围参考电路 .233.3 无线传输模块设计 243.4 测试模块设计 263.4.1 测试电路 .263.4.2 供电电路设计 .273.4.3 RS232 串口转换电路设计 .273.4.4 OLED 显示线路设计 .283.5 节点硬件实现 .29第四章 下位机应用软件的实现 314.1 星型拓扑网络的实现 .314.1.1 原语概念 .314.1.2 建立新网络 .31江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文V4.1.3 Z
16、igBee 设备加入网络过程 324.1.4 本设计星型网络通信的实现 354.2 终端节点软件设计 .364.2.1 主程序设计 364.2.2 初始化程序 374.2.3 无线数据的收发 384.2.4 定时中断子程序 394.3 协调器节点软件设计 .404.3.1 主程序设计 404.3.2 键盘扫描程序 414.3.3 液晶驱动程序 414.4 本章小结 .41第五章 上位机应用软件的实现 435.1 软件的总体设计 .435.2 多线程的实现 .435.2.1 多线程概念 435.2.2 线程的创建 .445.2.3 线程的挂起和唤醒 455.2.4 线程的终止 455.2.5 线
17、程的同步 455.3 系统界面部分 .455.4 串口通信的实现 .475.4.1 串口通信的主程序 475.4.2 初始化串口资源 .485.4.3 数据采集 505.4.4 串口的关闭 515.5 实时显示模块 .515.6 数据库的实现 .515.6.1 Borland C+ Builder 实现数据库功能 515.6.2 建立数据库与保存数据 525.6.3 数据库数据的显示 535.7 本章小结 .54第六章 系统的总体调试、总结与展望 556.1 系统的总体调试 .556.1.1 硬件测试 556.1.2 组网测试 .556.1.3 数据通信测试 .576.2 本文总结 .586.
18、3 工作展望 .59附录 A 软件源程序 60参考文献 66致 谢 69攻读硕士学位期间的学术成果 70江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文1第一章 绪论1.1 课 题 的 背 景数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础 1。数据采集系统是综合利用计算机、通信、测控等技术采集、记录和显示现场的各种物理参量，方便管理人员和现场操作者参考的系统。在工业生产和控制中，应用这一系统可以采集工业现场的温度、湿度、电压、电流等诸多参数，在将这些模拟信号转变成数字量并进行相应的计算处理后，所得的结果可以反馈给用户或控制系统，从而提高了产品质
19、量、降低成本。数据采集系统可以提供大量的动态信息，已广泛应用于地质、医药器械、雷达、通讯等领域 2。在数据传输方式上，分为有线传输和无线传输两种。目前传统的数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接，有线传输具有传输速度快、可靠性高以及运行稳定等优点，但是受到环境、应用对象的限制。如在有些场合，如高腐蚀性、现场无法实现明线连接等环境，采用传统的有线数据传输采集系统已经满足不了数据采集与传输的需要。再则，为一次数据采集而架设有线网络的一次性投资较大。在这种情况下，无线方式是一种有效的替代方式。随着射频技术、微电子技术及集成电路的进步，无线通信技术取得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速
20、度越来越快，可靠性越来越高，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。工业环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势，将无线技术引入数据采集领域，可以解决某些不便布线环境下的数据采集问题，克服有线网络布线麻烦和维护困难的缺点，提高采集系统的适应性。本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到工业现场中布线不便时对工业现场数据的采集。1.2 短 距 离 无 线 技 术 的 发 展 现 状短距离无线通信技术已在我们日常生活中得到了广泛的应用，目前主要有IEEE802.11、蓝牙、IrDA、Home-RF、ZigBee 等 3, 4。江 苏 大 学 硕 士 学 位 论
21、 文21.2.1 IEEE 802.11 标 准 5, 6IEEE802.11 是 IEEE（电气和电子工程师协会）制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端之间的无线接入。IEEE802.11 业务主要限于数据存取。IEEE802.11 系列标准经过一段时间的发展，已经有了多个版本的标准，他们在技术和性能各有不同。802.11a 标准采用与原始标准相同的核心协议，最大的数据传输率为 54Mb/s。但是 802.11a 几乎被限制在直线范围内，这导致必须使用更多的接入点；传输距离没有 802.11b 远，因为其容易被吸收。802.11b 标准载波的频率为 2.
22、4GHz，传送速度为11Mbit/s。在 2.4-GHz-ISM 频段共有 14 个频宽为 22MHz 的频道可供使用。IEEE 802.11b 的后继标准是 IEEE 802.11g，其传送速度为 54Mbit/s。1.2.2 蓝 牙 技 术 7, 8蓝牙（Bluetooth）是爱立信公司在 1994 年提出的一种短距离无线通信技术规范，采用跳频扩频技术，使用开放的 2.4GHz 频段。蓝牙的数据传输速率约为 1Mbit/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输，其理想的连接范围为 10厘米10 米，通过增大发送功率可以将距离延长至 100 米。蓝牙作为一种新兴的技术，主要具有以下特点: 工作
23、在 2.4GHz 的 ISM 频段，工作频率无须申请许可。 使用 1Mb/s 速率以达到最大限制带宽。 使用快速调频（1600 跳/s）技术抗干扰。 采用前向纠错方式，减少传输时的干扰。 丛物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好。同时，蓝牙的传输距离一般比较短，一个网络中最多可容纳的蓝牙节点数为 8 个，因而很难满足用户的要求，再次，蓝牙的成本比较高。1.2.3 IrDA 通 信 技 术 9-11红外通信技术（IrDA，Infrared Data Association）是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议，是目前使用较广泛的短距离无线通信技术之一。通常其有效作用半径 2
24、米，传统速度可达 4Mbps，同时在点对点通信时要求接口江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文3对准角度不超过 30 度。而新制定的超高红外标准传输速率达到 16Mbps，相比传统版本的 4Mbps 快了 4 倍，接收角度也由原来的 30 度扩展到 120 度。红外技术具有如下的特点：红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收均具有方向性，其具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、成本低等。然而，通信距离短、通信过程中不能移动、遇障碍物通信中断等缺点使 IrDA 的应用受到了极大的限制。在本课题中，由于数据采集终端不固定，可以按需移动，因此采集数据有可能会因为遇
25、障碍而中断通信，从而使数据丢失，故 IrDA 技术并不适合本系统的应用。1.2.4 HomeRF3, 4HomeRF 主要为家庭网络设计，是 IEEE802.11 与 DECT 的结合，使用开放的 2.4GHz 频段，用于降低语音数据成本。采用跳频扩频（FHSS ）技术，跳频速率为 50 跳/s，共有 75 个带宽为 1MHz 的跳频频道。调制方式为恒定包络的 FSK 调制，分为 2FSK 与 4FSK 两种。2FSK 方式下，最大数据的传输速率为 1Mbps；4FSK 方式下，速率可达 2Mbps。在新的 HomeRF2.x 标准中，采用了 WBFH（Wide Band Frequency
26、Hopping，宽带调频）技术来增加跳频带宽，由原来的 1MHz 跳频信道增加到 3MHz、5MHz ，跳频的速率也增加到 75 跳/秒，数据峰值达到 10Mbps。但是 HomeRF 网络没有密码，因而它的安全性比较差，同时它的抗干扰性比较差。1.2.5 ZigBee 技 术ZigBee 就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信方式。在 2002 年 8 月 , 由英国 Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司成立了 ZigBee 联盟, 并于 2004 年 12 月, 正式公布了无线通信技术 ZigBee 的 1.0 标准。ZigBee 协议是由
27、 IEEE 802.15.4 标准的 PHY 和MAC 层再加上 ZigBee 的网络和应用支持层所组成的，其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等 12。ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文4线通信技术。工作在 2.4 GHz 的 ISM 频段上，传输速率为 20 kb/s- 250 kb/s, 传输距离为 10 m-75 m。主要用于近距离无线传输，应用领域包括工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等 13。 1.3
28、基 于 ZigBee 数 据 采 集 系 统 的 意 义ZigBee 技术作为数据采集的技术载体，有重要的意义，它能够实现无线数据采集的优点，还具有一些特有的优点：(1)低功耗： 在低耗电待机模式下,2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作624 个月,甚至更长。(2)高度扩充性： Zigbee 可采用星状、对等网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网。(3)自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。(4)自愈功能：增加或者删除一个节
29、点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个数据采集系统仍然能正常工作。1.4 论 文 的 主 要 工 作 及 结 构本课题是多学科技术的综合运用，涉及的相关技术包括传感器技术、射频通信技术、计算机接口技术、ZigBee 技术等。在原来的数据采集终端的基础上，添加支持 ZigBee 协议的 RF 模块，研制一个基于 ZigBee 技术的数据采集系统。该系统主要用于工业现场中有各种各样的数据传送，通过该系统把工业现场中采集到的数据传送到一个 ZigBee 协调器节点，再由 ZigBee 协调器节点通过有线的方式传输到总的管理中
30、心，论文着重介绍适应于数据采集系统的 ZigBee 网络的构建（包括硬件平台的构建和软件的实现） ，以及上位机软件的实现，最后论文还给出了整个系统的测试。本文的结构安排如下：江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文51.绪论：介绍了论文选题的背景和意义，以及短距离无线通信技术的比较，阐述了论文研究的重点，介绍了论文的结构安排。2.系统的总体设计：介绍系统总体设计，首先确定了系统设计原则，介绍了系统的总体设计方案，并介绍了所用到的关键技术，并根据设计要求选取了系统的主要部件，以及硬件平台的介绍。3.系统硬件设计：针对所选方案及选定器件，完成硬件电路的连接，并对各部分电路的原理及其在系统中所完成的功
31、能作详细介绍。4.系统下位机应用软件设计：根据本设计要求，选择了星型网络拓扑作为应用的底层网络。首先介绍了星型网络的组建过程及其具体实现，接着详细介绍了 ZigBee 终端节点以及 ZigBee 协调器节点的软件的具体实现。5.系统上位机应用软件设计：系统软件是基于模块化的设计思路，本论文中按照所完成不同的功能设计不同的模块，给出了系统各部分模块的程序流程图。6.系统的总体调试、总结与展望：根据软、硬件调试的结果，以及系统整体调试的情况，完成系统的设计。总结本论文的研究内容，针对系统在其他更高要求领域的应用，提出了一些改进完善措施。江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文6第二章 系统总体方案设
32、计2.1 系 统 的 设 计 原 则1、低功耗考虑到系统应用于无法布线环境下的数据采集,因而采集的终端节点电源由电池来提供,由于现场设备运行的长期性及更换电池的诸多不便,采集节点必须具有低功耗,以确保系统在电池供电条件下能正常工作半年以上。2、可靠性抗干扰能力也是设计本系统时所考虑的重要因素之一,考虑到工业现场的工作条件恶劣,各种干扰因素多,以及系统结构设计、元器件选择等因素,数据将受到来自系统内部和外部的各种电气干扰,因此提高系统的抗干扰能力,从而保证系统的可靠性是设计中的又一关键。3、自组织性,自适用性采集终端设备位置的频繁更换和网络控制器的瘫痪等,都可能引起网络拓扑结构的变化和网络通信不
33、畅，从而使整个采集系统停止工作等。因此需要确保系统具有自组织性和自适用性,以适应各种复杂的场合。2.2 系 统 硬 件 组 成无线数据采集系统应用于工业环境中的数据的采集，提供一套便携式的无线通信方式，将工业环境中的相关信息及时有效的发送到管理监控中心。整个系统由一个 ZigBee 协调器节点与多个 ZigBee 终端节点组成，其构成基于点对多点的星型网络拓扑结构，并以点对多点的形式完成信息的收发控制和数据的集中。基于 ZigBee 技术的无线数据采集系统的整体结构如图 2.1 所示：江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文7上位机Z i g B e e 协调器节点Z i g b e e 终端节
34、点数据采集终端 数据采集终端 数据采集终端RS2322 . 4 G H z I S M 频段Z i g b e e 终端节点Z i g b e e 终端节点RS232RS232RS232图 2.1 基于 ZigBee 技术的无线数据采集系统的整体结构Fig.2.1 Whole structure of wireless data acquisition based on ZigBee technology本系统是一个在局部范围内采用 ZigBee 的无线数据传输技术，把工业现场采集到的数据收集到一个 ZigBee 协调器中，并由上位机实现对数据的显示和处理。本系统包括：数据采集终端，ZigBe
35、e 终端节点，ZigBee 协调器节点和上位机四个部分。1、数据采集终端数据采集终端主要完成工业现场电压、电流、温度等参数的采集。2、ZigBee 终端节点ZigBee 终端节点主要完成从数据采集终端接收数据，并通过无线通信方式发送接收到的数据，或者接收 ZigBee 协调器节点发送的控制命令。3、ZigBee 协调器节点ZigBee 协调器节点是整个网络的发起者，管理整个网络的规模，存储有ZigBee 网络中各个节点的信息。担当 ZigBee 网络中的协调器的角色，主要任务就是组建和维护一个网络，收集 ZigBee 网络中各个节点发出的信息，通过RS232 接口把数据传到上位机。江 苏 大
36、学 硕 士 学 位 论 文84、上位机上位机主要用于接收 ZigBee 协调器节点传来的信息。主要功能就是，数据的存储和接收，数据的进一步处理和显示。2.3 关 键 技 术 介 绍2.3.1 ZigBee 技 术 简 介简言之，ZigBee 就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信方式。ZigBee 协议是由 IEEE 802.15.4 标准的 PHY 和 MAC 层再加上 ZigBee 的网络和应用支持层所组成的，其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。主要适用于工业、家庭自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线
37、联网和控制 14, 23。该技术标准包括两个物理层：一个是 2.4GHz 频段，全球通用，定义了 16 个独立的通信信道，传输速率 250kbps；另一个是欧洲的 868MHz 频段和美国的 915MHz 频段，信道分别为 1 个和 10 个，传输速率分别为 20kbps 和 40kbps。三个频段都是免许可的 ISM 频段 15。物理层的设计是面向低成本和更高层次的集成需求的，对大部分较低端的实现来说，直接序列(Direct Sequence)的应用使得采用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能；MAC 层的设计不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在
38、很多管理模式之间切换。MAC层可以使用一种削减功能设备，由于其结构简单，不需要大量的 Flash、ROM和 RAM 等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。MAC 还进行了特别的设计，可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设计支持网络规模在空间上的增长，而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条件下可以支持更大数目的网络节点。ZigBee 技术的主要特点包括以下几个部分 14：低功耗：在工作模式下，由于 ZigBee 技术的传输速率低，传输数据量小，因此信号收发时间短；在非工作模式下，ZigBee 节点处于休眠状态。一般两节五号电池支持长达 6 个月到 2
39、 年左右的使用时间。 江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文9可靠性：ZigBee 的媒体接入控制层（MAC 层）采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC 层支持确认的数据传输模式，要求每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果在传输过程中出现问题可以重新发送，从而建立了可靠的通信模式。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合。网络容量大：ZigBee 可采用星状、对等网络结构，由
40、一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网。安全性：ZigBee 提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的 AES-128。2.3.2 ZigBee 网 络 拓 扑 结 构ZigBee 协议定义了两种相互配合使用的物理设备全功能设备和削减功能设备： 全功能设备(Full function device, FFD)，可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协调器、路由器或终端节点，具备控制器的功能，并且可以和任何一种设备进行通信。 削减功能设备(Reduced function device, RF
41、D)，只支持星型结构，不能成为网络协调器或者路由器，可以与其进行通信，实现简单。ZigBee 网络中有三种网络角色：ZigBee 网络协调器、ZigBee 路由器和终端设备 26。每一个网络只有一个网络协调器，网络协调器是网络建立的起点，负责整个网络的初始化，确定 PAN 的 ID 号和通信信道。它能允许其它节点加入网络，并统筹分配短地址。网络协调器必须是 FFD，还具有路由和数据转发的功能，并周期性地发出信标帧（Beacon Frame） 。路由器也必须是 FFD，具有数据路由的能力。终端设备可以为 FFD 或 RFD，它是网络的叶子节点，只能与父节点通信，没有加入其它任何节点的能力。江 苏
42、 大 学 硕 士 学 位 论 文10ZigBee 有两种拓扑结构：星状拓扑结构和对等拓扑结构 15，如图 2.2 所示。ZigBee 网络中的 ZigBee 协调器（PAN 协调器）是一个起网络控制中心作用的FFD。就功能而言，ZigBee 协调器与扮演 ZigBee 路由器和 ZigBee 终端设备角色的 FFD 没有区别，只是根据构建网络的需要，ZigBee 协调器这个 FFD 承担了控制中心的任务。当网络状态发生变化时，其他 FFD 也能承担起 ZigBee 协调器的任务。网络中每个设备都有一个 64 位扩展地址用于网内直接通信，如果PAN 协调器为设备分配了 16 位短地址，则设备可以
43、用短地址通信。每个 PAN协调器都有唯一的标识（ID） ，有了 PAN 标识，网内设备可以使用短地址通信，并且不同 PAN 之间的设备也可以通信。在星状网络拓扑中，所有终端设备都有唯一的中央控制设备ZigBee 协调器通信，终端设备之间相互独立，所以终端设备之间的通信通过 ZigBee 协调器的转发来完成。在对等网络拓扑结构中，也有一个 ZigBee 协调器。与星状网络拓扑不同的是，对等网络拓扑中的任意两个设备只要彼此都在对方的无线辐射有限范围内，就可以直接通信，无需通过 ZigBee 协调器转发。P A N 协调器P A N 协调器全功能节点 F F D削减功能节点 R F D星状拓扑结构
44、对等拓扑结构图 2.2 ZigBee 无线网络拓扑结构Fig.2.2 ZigBee wireless network topology2.3.3 ZigBee 协 议 体 系 结 构 1516江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文11ZigBee 联盟制定的是一种低成本、低功耗，双向的无线通信技术标准。ZigBee 的协议构架是建立在 IEEE802.15.4 标准之上的。IEEE802.15.4 标准定义了 ZigBee 的物理层（PHY）和媒体访问控制层（ MAC） ；ZigBee 联盟则定义了ZigBee 协议的网络层（NWK） 、应用层（APL）和安全服务规范。应用层 （ A P L
45、）网络层 （ N W K ）物理层 （ P H Y ）2 . 4 G H z 射频8 6 8 / 9 1 5 M H z 射频物理层数据服务访问点 （ P D - S A P ）物理层管理实体服务访问点 （ P L M E - S A P ）媒体访问控制层 （ M A C ）M A C 数据实体服务访问点 （ M L D E - S A P ）M A C 管理实体服务访问点 （ M L M E - S A P ）N W K 网络管理N W K 信息 路由管理 网络管理网络层数据实体服务访问点 （ N L D E - S A P ）网络层管理实体服务访问点 （ N L M E - S A P ）
46、应用支持子层 （ A P S ）A P S 安全管理 A P S 信息中间者 反射器管理端点 0A P S 数据实体服务访问点 A P S D E -S A P端点 1A P S 数据实体服务访问点 A P S D E -S A P端点 2 4 0A P S 数据实体服务访问点 A P S D E -S A P应用框架 （ A P S ）应用对象 1应用对象 2 4 0ZDO公共接口Z i g B e e 设备对象 （ Z D O ）NWK服务实体服务访问点NLSE-SAPAPS服务实体服务访问点APSSE-SAP安全服务提供者NWK管理实体服务访问点NLME-SAPAPS管理实体服务访问点A
47、PSME-SAPZDO管理面板图 2.3 ZigBee 协议栈结构Fig.2.3 ZigBee stack architecture ZigBee 协议栈结构见图 2.3，由具备不同功能的层次组成，每一层都为上层提供详细的服务，数据单元提供数据传送服务，管理单元提供其他的服务。江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文12每一个服务层都通过一个服务访问点(SAP)作为接口对上层进行访问，每一个 SAP 都支持一系列的服务单元来达到想要的功能。1、 物理层IEEE802.15.4 物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量检测（ED） 、链路质量指示（LQI） 、空闲信道评估（CCA
48、） 、信道选择、数据发送和接收。IEEE80.215.4 物理层定义了 868MHz、915MHz 和 2.4GHz 三个频段。在这三个频段上共划分了 27 个信道，信道编号 k 为 026。2450MHz 频段上划分 16个信道，915MHz 频道有 10 个信道，868MHz 频道上只有 1 个信道。27 个信道的中心频率和对应的信道编号定义如下：86.3cfMHz0k902(1)1,2.045cfkz,6k物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从 MAC 层到物理层无线信道的接口。从图 2.4 可以看到，在物理层中存在数据服务接入点和物理层管理实体服务接入点。通过两个服务接入点提供如下服
49、务：通过物理层数据服务接入点（PD-SAP）为物理层提供数据服务；通过物理层管理实体服务接入点（PLME-SAP）为物理层管理提供服务。物理层个域网络基本信息数据服务接入点 物理层实体 服务接入点无线射频 服务接入点物理层物理层管理实体图 2.4 物理层结构模型Fig.2.4 The PHY layer reference model物理层协议数据单元（PPDU）由三部分组成：同步头（SHR）允许接收设备同步并锁定比特流；物理层帧头（PHR）包含帧长信息；有效载荷部分是江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文13PSDU。PPDU 的格式如表 2.1 所示。表 2.1 物理层数据帧结构Tab.2.1 PHY layer frame structure4 字节 1 字节 1 字节 变量前导码 帧开始符帧长（7 位） 预留位（1位）物理层服务数据单元 PSDU同步头（SHR） 物理层帧头（PHR） 物理层有效载荷前导码：收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧开始符：表示一个数据包的开始。帧长度：表示物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过 127 个字节。PSDU：可变长度的字段，它是物理层要发送的数据，即 MPDU
