1、 henan institute of engineering 文獻綜述 題 目 基于 zigbee 協議的家庭 防盜系統研制 學生姓名 專業班級 電氣工程及自動化 1 班 學 號 系 （部） 電氣信息工程系 指導教師(職稱) 完成時間 2011 年 2 月 28 日 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 河南工程學院論文版權使用授權書河南工程學院論文版權使用授權書 本人完全了解河南工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規定，同意如下 各項內容：按照學校要求提交論文的印刷本和電子版本；學校有權保存論文的印刷 本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數字化或其它手段保存論文；學校有權提 供目錄

2、檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權按有關規定向國家 有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學校 可以適當復制論文的部分或全部內容用于學術活動。 論文作者簽名： 2011 年 6 月 6 日 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 河南工程學院畢業設計河南工程學院畢業設計(論文論文)原創性聲明原創性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文，是本人在指導教師指導下，進行研究工作所取得 的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文的研究成果不包含任何他人創作的、 已公開發表或者沒有公開發表的作品的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的 其他個人和集體，均已在

3、文中以明確方式標明。本學位論文原創性聲明的法律責任由 本人承擔。 論文作者簽名： 2011 年 6 月 6 日 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 目 錄 中文摘要.i 英文摘要.ii 1 緒論.ii 1.1 國內外相關技術發展現狀 .1 1.1.1 國內外家居防盜系統的發展現狀.1 1.1.2 無線局域網的發展與研究現狀.1 1.2 家居防盜系統的特點和設計中考慮因素 .2 1.2.1 傳統家居防盜系統的特點和不足.2 1.2.2 家居防盜系統設計主要考慮的因素.2 1.3 家居防盜系統中無線通信技術的選擇 .2 2 家居防盜系統的無線組網技術-zigbee .4 2.1 zigbe

4、e 技術的起源 .4 2.2 選擇 zigbee 技術組建家居防盜網絡.4 2.3 zigbee 協議架構 .4 2.3.1 物理層規范.5 2.3.2 mac 層規范 .5 2.3.3 網絡層規范.5 2.3.4 應用層規范.6 2.4 zigbee 技術安全管理 .6 2.5 本章小結 .6 3 zigbee 應用開發相關基礎.7 3.1 zigbee 應用開發相關概念 .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 發現.8 3.2 zigbee設備類型.8 3.3 zigbee網絡拓撲.9 3.3.1 星型網絡拓撲.9 3.3.2 樹狀網絡拓撲

5、.9 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 3.3.3 網狀網絡拓撲.10 3.4 zigbee網絡構建.11 3.4.1 zigbee 協調器創建新網絡.11 3.4.2 設備入網.11 3.5 zigbee網絡地址分配機制.11 3.5.1.隨機分配機制.11 3.5.2.分布式分配機制.11 3.6 路由.12 3.7 數據傳輸.13 3.7.1 向協調器傳輸數據.13 3.7.2 協調器傳輸數據.13 3.7.3 對等傳輸數據.14 3.8 本章小結.14 4 基于 zigbee 的家居防盜系統設計.15 4.1 系統總體規劃 .15 4.1.1 系統總體方案設計.15 4.1.

6、2 網絡拓撲結構選擇.15 4.1.3 配置文件設計.16 4.2 系統硬件設計 .16 4.2.1 zigbee 模塊設計.16 4.2.2 系統傳感器節點設計.17 4.3 本章小結.18 5 系統軟件設計.19 5.1 zigbee 模塊相關軟件設計 .19 5.2 pc 監控軟件設計.22 5.3 本章小結.22 結束語.23 致 謝.24 參考文獻.25 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 i 基于 zigbee 的家居防盜系統研究 摘摘 要要 隨著科技的進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、居防盜系統利用 計算機技術和網絡技術，將與家居生活中安全相關的各種子系統，有機地結合在一起， 通過統籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環境。 本文介紹了家居防盜系統的國內外發展概況，綜合比較了目前流行的幾種短距離 無線通信技術，認為 zigbee 這種新興的低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術 是更加適合無線家居防盜系統的技術標準。所以選擇 zigbee 技術組建了家居防盜系統 無線通信網絡，該網絡采用網狀網絡拓撲結構，具有自組網、自修復、傳感器節點動 態加入、自動報警功能。 本文深入地對 zigbee 協議做了全面的研究分析，包括各個通信協議層的結構與功 能，在此基礎上介紹了

8、 zigbee 技術應用開發的相關概念，并采用 ti 公司的單芯片 cc2430 解決方案設計實現了一個基于 zigbee 家居防盜系統，設計內容包括系統總體 規劃、系統硬件設計和系統軟件設計。 關鍵詞關鍵詞 zigbee/cc2430/家居防盜 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 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 協議的家庭防盜系統研制 1 1 緒論 1.1 國內外相關技術發展現狀 1.1.1 國內外家居防盜系統的發展現狀 自從世界上第一幢智能建筑于 1984 年在美國出現后，美國、加拿大、歐洲、澳大 利亞和東南亞等經濟比較發達的國家先后提出了各種智能家居防盜系統方案。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，先后躋身于智能家居防 盜系統的研究與開發中，3com 公司也一直在通過因特網向用戶宣傳智能家居防盜系 統這一概念，并正在研發家用無線網關等網絡產品。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也正致力于 智

15、能家居防盜系統的研發工作。 在國外各大企業研發智能家居防盜產品的同時，國內廠商也已開始智能家居防盜 產品的研發和生產，特別是一些大型 it 企業利用自身在資金與技術方面的優勢，在 低端產品市場上占據了相當重要的地位。比如：清華同方 e-home 事業部、北京德達 創先科技集團、南京普天樓宇智能有限公司、中美科龍公司、上海五艾智能系統有限 公司、深圳正星特科技有限公司等都正加緊研發智能家居防盜系統的相關產品。 總體來說，中國的家居防盜行業剛剛起步，它還顯得比較稚嫩。國家尚沒有正式 頒布相關的行業技術標準，廠家采用各自不同的技術解決方案，這在某種程度上制約 了中國家居防盜行業的發展，在今后相當長一

16、段時間內技術的整合趨勢將形成統一的 標準。而且目前大都采用了有線通信技術，系統設計、布線成本較高，基于無線通信 技術的家居防盜系統目前還處于試驗階段。 1.1.2 無線局域網的發展與研究現狀 無線局域網是計算機間的無線通信網絡。相比有線通信的悠久歷史，無線網絡的 歷史并不長，特別是充分發揮無線通信的“可移動”特點的無線局域網則是 20 世紀 90 年代才出現的。1985 年，美國聯邦通信委員會(federal communication committees， fcc)授權普通用戶可以使用 ism 頻段，把無線局域網推向商業化發展。 fcc 定義的 ism 頻段為 902-928mhz，2.4

17、-2.4835ghz 和 5.725-5.875ghz 三個頻段。 目前世界上大部分國家的無線電管理機構也分別設置了各自的 ism 頻段，1996 年我 國無線電管理委員會開放了 2.4-2.4835ghz(ieee 標準)的 ism 頻段。ism 頻段的免 費開放對無線產業的發展產生了巨大的積極影響，保證了無線局域網元器件的順利開 發。近幾年，由于數據通信需求的推動，加上半導體、計算機等相關電子技術領域的 快速發展，短距離無線通信技術也經歷了一個快速發展的階段。各種新的短距離無線 技術不斷的被提出并取得了令人矚目的成就。如 wlan 技術、homerf 技術、藍牙 技術、紅外通信技術、移動自

18、組織網絡技術(ad-hoc),以及近年興起的 zigbee 技術等。 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 2 1.2 家居防盜系統的特點和設計中考慮因素 1.2.1 傳統家居防盜系統的特點和不足 傳統的家居防盜系統一般是有線方式組建的普遍還存在以下缺點： 1基于有線方案的明顯缺點是布線麻煩，增減設備需要重新布線，而且影響美觀； 2系統可擴展性差，系統安裝和維護成本高，移動性能差； 3標準不統一，家居內部設備的通信和控制沒有遵循一個國際上統一的通信接口 標準，設備在家居內部的編碼方式隨意混亂。 1.2.2 家居防盜系統設計主要考慮的因素 針對以上提出的目前家居防盜系統中存在的不足，本文從

19、技術發展的角度來考察 設計中應考慮的因素。與家居數據通信網絡的核心目標不一樣，家居防盜系統網絡需 要的是低速率、低成本的控制手段。從實用的角度來看，防盜系統需要的是能提供更 便利、更智能的無線通信網絡。在家居防盜網絡中，應該要考慮以下特點： 1自組織。不能期望用戶能夠對系統進行復雜的配置和管理，網絡環境下各種資 源的自組織和協同工作顯得十分重要； 2節點的動態加入或撤離。要求節點的動態加入和撤離不會影響整個網絡的運行； 3可擴展性。期望軟硬件設計過程中能夠遵循模塊化設計思想，在將來的擴展過 程中能夠改動較少，甚至無需修改。 1.3 家居防盜系統中無線通信技術的選擇 家居防盜系統中，網絡技術的選

20、擇一般以下面兩個方面作為依據：一是組建網絡 的性能要求，如數據傳輸速率、可靠性等；另一個就是能否滿足用戶的功能需求。與 家居數據網絡的核心目標不同，家居防盜系統需要的是短距離、低速率、低功耗、低 成本的監測和控制手段以及靈活的組網方式。 目前比較流行的無線標準有 wifi 技術、藍牙技術、gprs/gsm 等等。zigbee 技術和藍牙技術都屬于 ieee802.15 協議，在一定的范圍內有重疊，但其各自的技術 特點決定了其應用的側重點仍有很大的不同。zigbee 技術作為一種低功耗、低數據速 率、低成本的無線網絡技術，更適合于家庭自動化、安全保障系統及進行低數據速率 傳輸的低成本設備之間應用

21、，而藍牙更適合于語音業務及需要更高數據量的業務，如 移動電話、耳機等。zigbee 與藍牙技術相比較有許多相似點，但就應用于家庭網絡中 來說，zigbee 技術更具優勢。藍牙的傳輸距離小于 10 米，這在大一點的家庭住宅中 是一個極大的障礙，因而很難構成無線通信網絡，而 zigbee 的最大傳輸范圍在 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 3 10100 米，非常適合家庭網絡的組建；其次，在一個藍牙網絡中最多容納 8 個節點， 而 zigbee 理論上最大可以組建 65536 個節點的網絡，其網絡容量遠遠大于藍牙，可 以遠遠滿足家庭網絡的需要；最后，藍牙模塊的成本較高，其功耗也比 zig

22、bee 相比大 很多。雖然藍牙的傳輸速率要大過 zigbee，但 zigbee 的 250kbps 的傳輸速率在家庭 網絡中已足夠使用。而 ieee802.11 是 ieee 最初制訂的一個無線局域網標準，主要 用于辦公室局域網和校園網，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 標準，但這都是高速率傳輸協議，用于家居 控制網絡有些大材小用，而且價格昂貴。 另外，在家庭防盜網絡中，往往有很多子節點采用電池供電，例如分布在住宅各 處的傳感器節點，這就需要極低的功耗且在通常狀態下應具有休眠狀態，從而最大程 度地延長電池的壽命，減少網絡

23、的維護費用，降低系統的成本，zigbee 在低功耗方面 有出色的表現，zigbee 主要通過降低收發信機的忙閑比及數據傳輸的頻率，降低幀開 銷以及實行嚴格的功率管理機制，例如關機及睡眠模式等方式來降低設備的綜合功耗。 再者，zigbee 技術的數據傳輸可靠性高：采取了 csma-ca 機制，同時為需要 固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突，mac 層可以 使用完全確認的數據傳輸機制，此時每個發送的數據包都必須等待對方的確認信息。 值得說明的還有一點，zigbee 技術通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，設備 搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值為 15m

24、s，活動設備信道接入時延為 15ms。 通過上述分析，可以得出結論，zigbee 技術無疑是家庭無線防盜系統實現的一個 很好的選擇。zigbee 技術彌補了短距離、低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空 缺，隨著正式版本協議的公布，更多的注意力和研發力量已經轉到應用的設計和實現 上了。 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 4 2 家居防盜系統的無線組網技術-zigbee 2.1 zigbee 技術的起源 “zigbee”一詞源自蜜蜂在發現花粉位置時，通過跳 zigzag 形舞蹈來告知同伴， 傳遞所發現新食物的位置、距離和方向等信息。可以說，是一種小動物通過簡捷的方 式實現“無線”的溝通

25、，人們借此來稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低 速率的短距離無線網絡通信技術。zigbee 早期也曾被稱過“homerf lite” 、 “rf- easylink”或“firefly”無線通信技術，目前統一稱之為“zigbee 技術” 。 現實生活中，也存在著許多這樣的無線應用，系統所傳輸的數據通常為小量的突 發信號，要求進行實時傳送，例如工業控制、環境監測、商業監控、汽車電子、家庭 數字控制網絡等應用，系統所傳輸的數據量小，傳輸速率低，系統所使用的終端設備 通常為采用電池供電的嵌入式設備，如無線傳感器網絡，因此，這些系統必須要求傳 輸設備具有成本低、功耗小的特點，針對這些特點和需求

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 技術聯盟，合力推動 zigbee 技術。到了 2004 年底，zigbee1.0 版標準正式 公布。2004 年底到 2006 年不到兩年的時間里，zigbee 聯盟已經由最初的十多家公 司發展到擁有全世界 150 多家知名廠商加盟的商業團體。在眾多廠商的追捧下， zigbee 技術正呈現出蓬勃的發展態勢。 2.2 選擇 zigbee 技術組建家居防盜網絡 1. 采用標準化的 zigbee 無線通信技術應用于家居防盜系統有下列優勢： 家居防盜系統中各種功能的傳感

27、器節點要能相互交流、相互溝通，就需要保證節點的 互通性，即網絡的標準化。 2家居防盜系統中各種功能的傳感器節點可以像一個星狀連接；也可以像一個葡 萄串一樣串在一起；還可以像一張大網一樣相互連接，相互間可以在任意節點間進行 通信。 3按照 zigbee 標準設計生產出來的監測和控制產品，與那些使用其他無線標準 （如藍牙和 wi-fi）的產品相比，安裝更容易，功耗更低；特別是在處理遠程監測和 控制系統中，區別更加明顯。 2.3 zigbee 協議架構 zigbee 協議架構是建立在 ieee802.15.4 標準基礎之上的。ieee802.15.4 標準定 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研

28、制 5 義了 zigbee 協議的物理層（phy）和媒體訪問控制層（mac） 。zigbee 聯盟則定義 了 zigbee 協議的網絡層（nwk） 、應用層（apl）和安全服務規范。zigbee 協議棧 以 osi 七層參考模型為基礎，只定義了其中與 lr-wpan（低速無線個域網）應用相 關的協議層。 服務是一個協議層（服務提供者）向其上一層（服務用戶）提供的功能，而服務 用戶的功能是建立在其下一層提供的服務基礎之上的。服務是通過服務提供層和服務 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，每個事件通過層間 sap（服務訪問點）發送一個服務原語。服務原語是一個抽象的概念，它僅僅

29、指定了 實現特定的服務需要傳遞的信息，而與實現服務的具體方式無關。一種服務包括一個 或多個服務原語，原語中的參數用來傳遞提供服務所要求的信息。 2.3.1 物理層規范 ieee802.15.4 物理層主要完成以下幾項任務： 1開啟和關閉無線收發信機； 2對當前信道進行能量檢測（ed，energy detect） ，信道能量檢測為網絡層提供 信道選擇依據； 3對接收的數據包進行鏈路質量指示（lqi，link quality indication） ，鏈路質量指示 為網絡層和應用層提供接收數據幀時無線信號的強度和質量信息； 4空閑信道評估（cca，clear channel assessment）

30、 ，判斷信道是否空閑； 5信道頻率選擇； 6發送和接收數據。 2.3.2 mac 層規范 mac 層需要處理接入到物理無線信道等事務，并負責以下任務： 1產生網絡信標（如果設備是協調器） ； 2同信標保持同步； 3支持 pan 的連接和斷開連接； 4支持設備的安全性； 5信道接入采用 csma-ca 機制； 6處理和維護 gts 機制； 7在對等的 mac 實體之間提供一個可靠的通信鏈路。 2.3.3 網絡層規范 網絡層應提供保證 ieee802.15.4-2003 mac 層正確工作的能力并為應用層提供合 適的服務接口。為了與應用層接口，網絡層從概念上包括兩個服務實體：網絡層數據 服務實體和

31、網絡層管理服務實體。網絡層數據實體（nlde）通過 nlde-sap 為應用 層提供數據服務；網絡層管理實體（nlme）通過 nlme-sap 為應用層提供管理服 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 6 務。nlme 要借助 nlde 完成部分管理任務，另外它還要維護一個有關管理對象的數 據庫，即網絡層信息庫（nib） 。 2.3.4 應用層規范 zigbee 應用層包括應用支持子層（aps） 、zigbee 設備對象（zdo）和廠商定義 的應用對象。 2.4 zigbee 技術安全管理 zigbee 提供了三級安全模式，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、高級加密標準 aes128 的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。安全 模式對接收或發送的幀提供全部的四種安全服務：訪問控制、數據加密、幀完整性檢 查和序列更新。 2.5 本章小結 本章對 zigbee 技術作了完整的介紹，包括 zigbee 技術的起源、協議框架以及 各個通信協議層。其中詳細分析了各個通信協議層的具體功能與作用，最后簡單介紹 了 zigbee 技術安全管理。 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 7 3 zigbee 應用開發相關基礎 3.1 zigbee 應用開發相關概念 3.1.1 配置文件 配置文件（profile）是一個關于消息、消息格式和處理行為的協議，它使得位于

33、分 離設備的應用層能通過發送命令、請求數據和處理命令/請求來創建一個互操作的、分 布式的應用程序。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 個設 備類型相互交換控制信息構成一個家庭無線自動化應用。這些設備結合在一起交換約 定消息（采用 kvp 服務類型）來實現控制，如開關燈、發送光感應器件的測量結果 到照明控制器、感應器檢測到移動時發出報警信息等。 zigbee 聯盟已經定義了部分標準的配置文件，比如遠程控制開關配置文件和光傳 感器配置文件等。任何遵循某一標準配置文件的節點都可以與實現相同配置文件的節 點進行互操作。用戶也可以創建自己的配置文件然后遞交 zigbee 聯盟測試、

34、審核批 準。配置文件標識是唯一的。一旦得到配置文件標識，就允許配置文件設計者定義并 分配以下內容：設備描述、簇標識、服務類型（kvp 或 msg） 。 1簇標識 簇由簇標識區分，簇標識與流出或流入設備的數據是相關聯的。簇標識在特定的 配置文件中是獨一無二的。通過一個輸出簇標識和一個輸入簇標識的匹配（假設在同 一個配置文件中） ，才能實現綁定。 2設備描述 設備描述是指一個大型目標應用的一部分，包括一個或多個簇，并且指定簇是輸 入還是輸出。 3服務類型 應用框架可以給一個應用對象提供兩個數據服務：鍵值對服務和消息服務。 3.1.2 描述符 zigbee 設備用描述符數據結構對自身進行描述。zig

35、bee 描述符分為 5 種：節點、 節點電源、簡單的、復雜的、用戶。 1節點描述符 節點描述符包含的是有關 zigbee 節點能力的信息，該描述符對各個節點都是強 制支持的。在一個節點中只有一個節點描述符。 2節點電源描述符 節點電源描述符動態指示節點電源的狀態，它是每個節點必須支持的描述符。每 個節點只能有一個節點電源描述符。 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 8 3簡單描述符 簡單描述符包含的是節點中各端點的特定信息。簡單描述符是節點中的每個端點 必須支持的描述符。 4復雜描述符 復雜描述符包含的是節點中各個設備描述的擴展信息。復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識設備。用戶描述符 的使用是可選的。該描述符只有一個 16 字節的字段，最多包含 16 個字符。 3.1.3 綁定 zigbee 定義了一個稱為端點綁定的特殊過程。綁定即在源節點的某個端點 （endpoint）和目標節點的某個端點（endpoint）之間創建一條邏輯鏈路。綁定可以發 生在兩個或多個設備之間。協調器節點維護一個基本上包括兩個或多個端點之間的邏 輯鏈路的綁定表。 3.1.4 發現 1設備發現 設備發現是一個 zigbee 設備通過發起詢問（廣播和單播）發現其他 zigbee 設 備的過程。這里有兩種形式的設備發現請求：ieee 地址（64

37、 位）請求和 nwk 地址 （16 位）請求。ieee 地址請求是單播，并且假定知道 nwk 地址。nwk 地址請求 是廣播，并把 ieee 地址作為它的凈載荷。 2服務發現 服務發現是接收設備端點的服務被其他設備發現的過程。服務發現通過向給定設 備的每個端點發出輪詢或通過使用一個匹配服務特征（要么廣播，要么單播）得以完 成。服務發現使用了復雜描述符、用戶描述符、節點描述符或功率描述符加上端點 （為了連接應用對象）進一步尋址的簡單描述符。 3.2 zigbee 設備類型 zigbee 是 zigbee 聯盟在 ieee802.15.4 定義的物理層（phy）和媒體訪問控制層 （mac）基礎之上

38、制定的一種 lr-wpan（低速無線個域網）技術規范。對于網絡中 的設備，ieee802.15.4 和 zigbee 聯盟所制定的標準分別有不同的定義方法和規范術語。 根據設備功能的不同，ieee802.15.4 把網絡中的設備分為全功能設備（ffd）和簡化功 能設備（rfd） 。ffd 實現了 ieee802.15.4 協議的全集，而 rfd 則根據特定的應用需 要只實現了 ieee802.15.4 完整協議中的一部分。一個 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 協調器是 pan 網的總控制器， 一個 ieee802.15.4

39、 網絡中只有一個 pan 協調器，pan 協調器必須是 ffd。協調器也 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 9 是 ffd，它通過發送信標提供同步服務，pan 協調器是一種特殊的協調器。 ieee802.15.4 網絡中除 pan 協調器和協調器之外的其他設備都是一般設備，它們可以 是 ffd，也可以是 rfd。zigbee 聯盟把 ieee802.15.4 中定義的 pan 協調器、協調器 和一般設備分別稱作“zigbee 協調器” 、 “zigbee 路由器” 、 “zigbee 終端設備” 。 3.3 zigbee 網絡拓撲 3.3.1 星型網絡拓撲 星型網絡拓撲包含了一個 z

40、igbee 協調器和一個或更多的終端設備。星型網絡拓撲 如圖 3-1 所示，所有的終端設備都只與 zigbee 協調器通信。如果某個終端設備需要傳 輸數據到另一個終端設備，它會把數據發送給協調器，然后協調器依次將數據轉發到 目標接收器終端設備。 圖 3-1 星型網絡拓撲 星型網絡拓撲的最大優點是結構簡單。這種簡單帶來的好處是：很少有上層協議 需要執行、較低的設備成本、較少的上層路由信息、管理簡便。但是這種簡單是以犧 牲靈活性為代價的，因為需要把每個終端節點放置在 zigbee 協調器的通信范圍之內， 這必然會限制無線網絡的覆蓋范圍。另外，星型網絡拓撲很難實現高密度網絡擴展， 集中的信息涌向中心

41、節點，容易形成熱點，導致通信堵塞、丟包、性能下降等，這取 決于數據量的情況。目前，星型網絡結構是最常見的網絡配置結構，被大量應用在遠 程監測和控制中。 3.3.2 樹狀網絡拓撲 樹狀網絡拓撲結構是多個星型拓撲的集合。如圖 3-2 所示。終端設備可以選擇加 入 zigbee 協調器或者 zigbee 路由器。路由器提供兩種功能的服務。一是為整個網絡 增加可能的節點數。二是擴展網絡覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設備不需 要在協調器的射頻范圍內也可以加入網絡。在樹狀網絡中，所有的信息都由樹節點來 組織路由。 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 10 圖 3-2 樹狀網絡拓撲 樹型拓撲結

42、構最值得注意的地方就是它保持了星型拓撲的簡單性：較少的上層路 由信息、較低的存儲器要求，這樣成本必然也較低。然而，樹型拓撲結構也不能很好 地適應外部的動態環境。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，任何一個節點的中斷或故障將會使部分節點脫離網絡。樹型拓撲結構的最佳應 用是在穩定的無線電射頻環境中，也可以很好地用在一些簡單的低數據量（如傳感器） 的大規模集合的應用之中。如果應用需要一定的覆蓋范圍，網絡有一定的穩定性和擴 展性，樹型拓撲結構將是一個簡單的選擇。 3.3.3 網狀網絡拓撲 網狀網類似于樹狀網絡配置，如圖 3-3 所示。只是 ffd 可以直接把消息發送給其 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點來轉發。網狀 網絡拓撲的優勢在于減少了消息傳輸的時延并且增加了可靠性。 圖 3-3 網狀網絡拓撲 網狀網絡拓撲是一個自由設計的拓撲，具有很高的適應環境的能力。從圖中可以 看出，網絡中任意兩個節點的通信路徑不是唯一的。網狀網絡拓撲與星型網絡拓撲、 樹型網絡拓撲相比，更加復雜，其路由拓撲是動態的，不存在一個固定可知的路由模 式。 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 11 3.4 zigbee 網絡構建 3.4.1 zigbee 協調器創建新網絡 zigbee 協調器按如下步驟創建新網絡。1信道能量檢測掃描。nlme 將根據

44、能量 遞增的順序對信道排序并剔除其中能量強度不符合要求的信道。2nlme 在剩下的信 道上執行主動掃描。為了找到最合適創建新網絡的信道，nlme 檢索主動掃描返回的 pan 描述符，找到其中現存網絡最少的第一個信道作為創建新網絡的工作信道。 3nlme 為新網絡選擇一個 panid。如網絡層的請求原語中指定了 panid，并且與 現存網絡的 panid 不沖突，那么 panid 的值就是新網絡的 panid；否則，設備將隨 機選擇一個唯一的且不大于 0 x3fff 的 panid，并將 mac 層屬性 macpanid 設為選定 的 panid，如果沒有唯一的 panid 可選，創建新網絡失敗

45、。4選擇 16 位網絡地址。 zigbee 協調器的 nlme 選擇 0 x0000 作為自己的網絡地址，并將 mac 層屬性 macshortaddress 的值設為 0 x0000.5開始啟動新網絡。 3.4.2 設備入網 當網絡中的 zigbee 協調器或 zigbee 路由器允許一個新設備加入網絡時，這兩個 設備就構成了父子關系。新加入的設備是子設備，而第一個設備是父設備。 。一個子設 備可以通過下面兩種方式加入網絡：通過 mac 層關聯過程加入網絡或由先前指定的父 設備直接加入網絡。 一個被直接加入到網絡中的設備為了完成與父設備的關系建立，將啟動孤立申明 過程，即子設備通過孤立申明加

46、入網絡；一個加入到網絡中的子設備又與父設備失去 聯系時，要重新加入網絡也要啟動孤立申明過程，即子設備通過孤立申明重新加入網 絡。 3.5 zigbee 網絡地址分配機制 3.5.1.隨機分配機制 隨機分配機制是指當 nib 的 nwkaddralloc 值為 0 x02 時，地址隨機選擇。在這種 情況下 nwkmaxrouter 就無意義了。隨機地址分配應符合 nist 測試中的描述 。當一 個設備加入網絡使用的是 mac 地址，其父設備應選擇一個尚未分配過的隨機地址。一 旦設備已分配一個地址，它沒有理由放棄該地址，并應予以保留，除非它收到聲明， 其地址與另一個設備沖突。此外，設備可能自我指派

47、隨機地址，比如利用加入命令幀 加入一個網絡。 3.5.2.分布式分配機制 每個 zigbee 設備應該擁有一個唯一的 mac 地址。協調器（coordinator）在建立網 絡以后使用 0 x0000 做為自己的短地址。在路由器（router）和終端(enddevice)加入網絡 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 12 以后，使用父設備給它分配的 16 位的短地址來通訊。 16 位的地址意味著可以分配給 65536 個節點之多，地址的分配取決于整個網絡的 架構，整個網絡的架構由這 3 個值決定： 1.網絡的最大深度(lm)； 2.每個父親設備擁有的孩子數(cm)； 3.第 2 條的孩

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

49、parent 這個父親設備分配的第 n 個終端設備的地址 a n。 3.6 路由 zigbee 協調器和路由器將提供以下一些功能：1代表高層轉發數據幀；2代表 其他 zigbee 路由器轉發數據幀；3為后面的數據幀建立路由而參與路由發現；4代 表終端設備參與路由發現；5參與端到端路由修復；6參與本地路由修復；7使用 路由發現和路由修復中指定的 zigbee 路徑成本度量。此外，zigbee 協調器和路由器還 可能提供下列路由功能：1為記住最好的可用路由而維護路由表；2代表上層啟動 路由發現；3代表其他 zigbee 路由器啟動路由發現；4啟動端到端路由修復； 5代表其他 zigbee 路由器啟

50、動本地路由修復。 zigbee 協調器或 zigbee 路由器還可能預留一些路由記錄表專用于路由修復和在其 他路由能力都耗盡的時候才使用。所謂路由表能力是指設備使用路由表能夠建立起一 條到達特定目的設備的路由。如果一個設備是 zigbee 協調器或 zigbee 路由器，它維 護的路由表中有空閑的路由表記錄或已經有一個與目的設備對應的路由表記錄，并且 正在嘗試路由修復的設備預留了專用于路由修復的路由表記錄，那么就說它具有“路 由表能力” 。路由表記錄在設備中是長期存在的，而路由發現表記錄僅維持一次路由發 現操作的時間并且可以重復使用。如果一個設備維護了一個路由發現表，并且路由發 現表中有空閑的

51、記錄，那么就說這個設備具有“路由發現表能力” 。如果一個設備既有 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 13 路由表能力，又有路由發現表能力，那么就說設備具有“路由能力” 。 3.7 數據傳輸 zigbee 技術中存在三種數據傳輸模式：1數據從設備傳輸到協調器；2數據從 協調器傳輸到設備；3數據傳輸在兩個對等設備之間。在星型網絡中，只有第一種和 第二種數據傳輸模式，因為數據交換只能在協調器和設備之間進行；在對等網絡中， 由于設備之間可以交換數據，所以有三種數據傳輸模式。 3.7.1 向協調器傳輸數據 在使用信標的網絡中，當設備希望傳輸數據到協調器時，它首先監聽網絡信標。 監聽到信標之后，

52、設備將與超幀結構保持同步。在適當的時候，設備使用 csma-ca 機制向協調器發送數據幀。協調器成功接收后，發送一個可選應答幀予以應答，最后 完成整個過程，如圖 3-4 所示。 圖 3-4 使用信標的網絡通信 當設備在非信標的網絡中傳輸數據時，它采用非時隙 csma-ca 接入機制向協調 器傳輸數據。協調器成功接收后，可發送一個可選的應答幀予以應答，整個過程如圖 3-5 所示。 圖 3-5 不適用信標的網絡通信 3.7.2 協調器傳輸數據 在使用信標的網絡中，當協調器需要向其他設備傳輸數據時，網絡信標就表明有 待發送的數據。設備周期性監聽網絡信標，當有消息發送時，設備就使用 csma-ca 傳

53、輸 mac 子層請求命令。協調器通過發送可選應答幀予以應答，表示已經接受 mac 子層請求命令。接著，協調器使用時隙 csma-ca 接入機制發送數據幀。設備成功接 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 14 收后，通過發送應答予以確認，整個過程如圖 3-6 所示。 圖 3-6 使用信標的網絡通信（協調器到設備） 當協調器在不使用信標的網絡中向設備傳輸數據時，它為適當的設備存儲數據， 用以連接且發送請求命令。設備使用非時隙 csma-ca 接入機制，并以定義的速率發 送 mac 子層請求命令來連接協調器。協調器通過發送應答幀以確認成功接受請求命令。 當有待發送的數據時，協調器使用時隙 c

54、sma-ca 接入機制向設備發送該數據。如果 沒有數據需要發送，則協調器就發送一個凈載荷長度為零的數據幀以表示沒有數據發 送。設備接收到數據后，通過發送應答幀予以確認。整個過程如圖 3-7 所示。 圖 3-7 不使用信標的網絡通信（協調器到設備） 3.7.3 對等傳輸數據 在一個對等 pan 中，每個設備可在其射頻范圍內和其他任何設備通信。為提高有 效性，想要通信的設備要么不斷地接收數據，要么和其他設備保持同步。對于前者， 設備使用非時隙 csma-ca 接入機制發送數據；對于后者，要采用另外的措施以獲取 同步。 3.8 本章小結 本章主要對 zigbee 應用開發相關基礎做了詳細介紹。重點介

55、紹了 zigbee 配置文件、 協調器網絡設備數據請求應答數據應答協調器網絡設備信標數據請求應答數據應答描 述符、端點綁定、設備發現、服務發現等相關概念，同時也對 zigbee 網絡相關的設備 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 15 類型、網絡拓撲、網絡構建、網絡地址分配機制、路由、數據傳輸等重要內容做了分 析，為后續的應用開發設計奠定了基礎。 4 基于 zigbee 的家居防盜系統設計 4.1 系統總體規劃 4.1.1 系統總體方案設計 基于 zigbee 的家居防盜系統實現方案，實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的傳感器節點組建成 zigbee 無線網絡，實現

56、布防后能夠自動對 家居生活中存在的入侵偷竊安全隱患進行監測，當指標不合格時，相應的傳感器節點 將自動報警，并通過 zigbee 無線網絡將報警信息傳送到 pc 監控軟件，待及時處理 后，通過 pc 監控軟件發送撤警命令來解除相應傳感器節點的報警狀態，使該傳感器 節點又重新進入正常的監測狀態。本文設計的家居防盜系統模型如圖 4-1 所示。 監控軟件 usb 轉串 口 zigbee 協調器人體熱釋紅外 傳感器 圖 4-1 家居防盜系統模型 系統的設計目標如下： 1自組網，通過合理布局實現家居內部的 zigbee 無線覆蓋； 2動態添加、刪除傳感器節點； 3實現傳感器節點的自動報警； 4用戶可以通過

57、 pc 監控軟件實現布防和撤防功能； 5用戶可以通過 pc 監控軟件實時查詢所關心的各項指標； 6保證系統通信數據的可靠性。 4.1.2 網絡拓撲結構選擇 基于 zigbee 無線網絡技術的家居防盜系統的拓撲結構選擇涉及許多設計方案的 權衡。該網絡是一個動態系統，不斷與外界環境相互影響。通常拓撲結構的選擇要考 慮以下幾個問題： 窗 窗 門 基于 zigbee 協議的家庭防盜系統研制 16 1考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓撲：應用需要的節點密度和周圍環境 狀況； 2評估可選擇的情況； 3考慮系統的可升降性和權衡能耗/資源的限制。 本文家居防盜系統的實際情況如下： 1家居防盜系統中接入的主要

58、是安全相關的傳感器節點，雖然網絡中節點的數據 量不大，但必須保證數據通信的可靠性。因此，星形網絡拓撲結構不能夠滿足要求， 因為星形網絡拓撲結構需要把每個傳感器節點放置在 zigbee 協調器的通信范圍之內， 這必然會限制無線網絡的覆蓋范圍，容易造成通信斷路的情況，非常危險；而樹型網 絡拓撲結構雖然可以保障一定的覆蓋范圍，但要求網絡有一定的穩定性，所以樹型網 絡拓撲結構也不足夠擔此重任。所以我們這里選擇較為復雜的網狀網絡拓撲結構。網 狀網絡拓撲結構是一個自由設計的拓撲結構，網絡中任意兩個節點的通信路徑不是唯 一的，具有很高的適應環境能力。 2zigbee 協調器是全功能設備，由它主導網絡的建立，

59、完成網絡的初始化、相 關數據的查詢、匯聚數據到 pc 監控軟件、實現布防和撤防等功能。傳感器節點則根 據實際需要可以是全功能設備也可以是精簡功能設備，完成傳感器數據采集，響應協 調器的相關查詢等功能。因為選擇網狀網絡拓撲結構，所以全功能設備相互之間可以 進行通信。 4.1.3 配置文件設計 從應用的角度來說，zigbee 網絡內各個設備能夠實現通信的關鍵一點就是它們遵 循相同配置文件（profile）的接口定義。profile 是進行 zigbee 應用開發的基礎。 zigbee profile 的制訂者可以是 zigbeealliance，也可以是從事 zigbee 開發的開發商， 但要成為

60、標準都必須經過 zigbeealliance 的嚴格審核。對于本文的家居防盜系統來說， 只能自己定義相關的接口，對于其它廠商來說，它們就是非透明的，只能作為本系統 的“私有財產” 。為了簡單起見，本文家居防盜系統的消息通信采用 msg 形式。 4.2 系統硬件設計 4.2.1 zigbee 模塊設計 zigbee 模塊的設計采用 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鐘電路、射頻輸入/輸出匹配 電路等；性能穩定且功耗極低，當內核運行在 32mhz 時，rx 時電流消耗為 27ma，tx 時電流消耗為 25ma；掉電