1、本科生畢業論文（設計）題 目: 基于ZigBee和USB的無線傳輸平臺設計 姓 名: 馬孟秋 學 院: 工學院 專 業: 電子信息科學與技術 班 級: 信息84班 學 號: 3238401 指導教師: 汪小旵 職稱: 教授 2012年05月 10日南京農業大學教務處制本科生畢業論文（設計）規范化要求（說明：本表供農理工科專業學生用，以下所有紅色、藍色文字僅供參考，學生在寫作論文時請保留字體、字號，改寫或刪除掉文字，黑色文字請保留。每一頁的上方(天頭)和左側(訂口)分別留邊25mm，下方(地腳)和右側(切口)應分別留邊20mm，裝訂線5 mm，頁眉和頁腳為5 mm。論文題目使用黑體三號字，正文使

2、用宋體小四號字，行距為單倍行距；一級標題段前段后為0.5行，正文段前段后為0，字符間距為標準。為保證打印效果，學生在打印前，請將全文字體的顏色統一設置成黑色。以上說明參閱后請自行刪除，包括本文本框！）（頂頭空2行）目 錄（4號黑體，居中）摘要1關鍵詞1Abstract1Key words1引言（或緒論）11材料與方法Y1.1材料 Y1.2方法 Y1.2.1×××××Y1.2.2×××××Y1.2.3×××××Y1.2.4××&

3、#215;××Y2××Y2.1×××××Y3××× Y（略）X ×××××（正文第X章）Y致謝Y參考文獻Y附錄A ××××（必要時）Y附錄B ××××（必要時）Y圖1 ××××（必要時）Y圖2 ××××（必要時）Y表1 ××××（

4、必要時）Y表2 ××××（必要時）Y注：1. 目次中的內容一般列出“章”、“節”、“條”三級標題即可；2X、Y表示具體的阿拉伯數字；基于ZigBee和USB的無線傳輸平臺設計電子信息科學與技術專業學生 馬孟秋指導教師 汪小旵摘要：ZigBee是一種新興的專為低速率無線個域網(LR-WPAN)而設計的低成本、低功耗的短距離無線通信協議。能夠廣泛的應用于軍事，工業，智能家居等領域。但由于ZigBee技術出現較晚，其規范及應用仍在不斷的完善和發展之中。本課題采用基于 USB接口的cc2531zigbee模塊及PC組成硬件平臺，在遵循IEEE802. 15. 4

5、 標準及ZigBee2007 協議的基礎上，實現模塊間點對點的數據傳輸，并進一步利用ZigBee的組網特性實現區域內無線網絡覆蓋，從而達到實時通信、遠程區域控制的目地。本設計最終利用改進的具有USB數據接口的ZigBee模塊，利用IAR Embedded Workbench 開發工具對一個完整的ZigBee網絡的組網過程進行實驗，然后在無線傳感網 ZigBee 套件上實現了一個簡單的點對點的串口數據通信實驗。通過仿真表明，CC2531能夠較好的達到設計要求， 結果表明ZigBee無線通信網絡結構簡單、操作方便、穩定性好、實時性強，完全滿足現代通信需求，具有較強的生命力。關鍵詞：USB接口；cc

6、2531；無線網絡Design of Wireless Communication Network Based on ZigBee with USB InterfaceStudent majoring in Electronic Information Science and Technology Ma Mengqiu Tutor Wang XiaochanAbstract：ZigBee is a new wireless communication technology，focuses on the fileds of low-cost，low-power consumption，short

7、 distance，and especially for the Low-Rate Wireless Personal Area Network(LR-WPAN).it widely use in military、industry and intelligence home etc. However, due to late emergence of ZigBee technology，the specification and application is still continuous improving and developing. The subject use CC2531zi

8、gbee module based on USB interface and PC to constitute its hardware platform, on the base of IEEE802 15.4 standard and ZigBee2007 protocol, realize the point-to-point data transmission between modules, and use ZigBee network characteristics to achieve regional coverage of a wireless network further

9、, so as to achieve the purpose of real time communication and remote control of the region. Then，the paper simulates a complete ZigBee network process based on the IAR Embedded Workbench and builds a simple ZigBee Mesh network on ZigBee development board using the improved programs. And then do the

10、relevant testes on this network to verify the work done by the previous chapters. The simulation shows that the improved algorithm can better meet the design requirements，also shows that the ZigBee wireless communication network has the advantages of simple structure, convenient operation, good stab

11、ility and strong real-time performance, fully meet the needs of modern communication, has strong vitality.Key words: USB interface; CC2531; wireless network第1章 緒 論1.1 選題背景過去若干年以來，通信技術快速發展，短距離無線通信技術已經成為通信技術中的一大熱點。各種網絡終端的出現、工業控制的自動化和家庭的智能化等迫切需要一種具備低成本、低距離、低功耗和組網能力強等優點的無線互連標準1。隨著各種便攜式個人通信設備與家用電器設備的增加，人

12、們享受蜂窩移動通信系統帶來的便利的同時，對短距離的無線與移動通信又提出了新的需求，使得短距離無線通信異軍突起，包括無線局域網(WLAN)、藍牙(Blue Tooth)技術、無線保真(Wi-Fi)、超寬帶(UWB)以及ZigBee技術等各種熱點技術相繼出現2，均展現出各自巨大的應用潛力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技術作為無線傳感器網絡的主要支撐技術獲得廣泛的關注。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術，正有力地推動著低速率無線個人區域網絡LR.WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的發展，可以廣泛應用于工業控制、家庭自動化

13、、醫療護理、智能農業、消費類電子和遠程控制等領域，將擁有廣闊的應用前景。預計隨著ZigBee技術以及相關技術的發展，低速率應用將日益廣泛，在我們的生活中扮演越來越重要的角色。ZigBee的提出彌補了短距離無線通信技術應用研究的空白，現在該技術已經成為研究的新熱點，在不久的未來，基于ZigBee技術的產品將會形成一個新的浪潮，勢不可擋地席卷全球，而它的發展前景將同計算機、互聯網一樣融入人們生活的每一個角落，給人們的生活帶來方便和快捷3。研究ZigBee組網技術，可為下一步應用打下良好理論基礎，方便進行系統設計。本文將結合當今的發展趨勢和ZigBee的技術特點，對ZigBee做詳細的研究和實驗開發

14、。1.2 選題的目的及意義隨著社會的發展，人們對通信技術的要求日益提高，無線通信技術在其中扮演著越來越重要的角色。其中ZigBee是最受產業界關注的標準之一。ZigBee專注于低成本，低功耗和低速率的無線通信市場，該協議標準具有的特點是：低成本、低功耗、時延短、網絡容量大、可靠度高、安全、傳輸距離遠4。因此非常適用于家電和小型家電子設備的無線控制指令傳輸。ZigBee網絡具有低成本、低功耗、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全及免執照頻段等特點。在短距離、低功耗且傳輸速率要求不高的各種電子設備之間，完成周期性數據、間歇性數據和低反映時間數據的傳輸，比較適合采用ZigBee網絡來實現。ZigB

15、ee網絡主要應用于工業控制、汽車控制。農業控制、醫學領域、家庭智能控制、消費類電子設備的遙控裝置以及PC外設的無線連接等領域。目前大多數用戶只能借鑒于ZigBee廠商提供的開發平臺進行應用層程序的開發，但是運用廠商提供的開發平臺和開發工具，用戶再選芯片型等方面會受到很大限制，極大的束縛了ZigBee產業的發展。ZigBee作為一種如此有生命力的短距離通信技術，根據ZigBee聯盟所定義的標準，如果能夠實現協議庫的封裝及模塊化，使得協議在不同的硬件平臺間，不同的應用系統間的能夠便捷移植，尤其是能實現基于ARM微控制器的ZigBee組網技術，是一件非常有意義的事情，這將給我們解決ZigBee實際反

16、應中的問題帶來更大的自由度和選擇性。ZigBee 協調器通常采用普通的RS232 串口與上位機進行通訊，如果ZigBee 節點比較少，組網不太復雜，比如簡單的星形網絡，普通的RS232串口可以滿足數據傳輸率的要求。然而當節點過多，組網十分復雜時，比如帶多個路由器的混合型網絡， RS232 串口將會大幅度地限制組網后協調器與上位機數據傳輸的速率，難以滿足監測系統對數據采樣實時性的需要。USB 接口的出現很好的彌補了系統的這個缺陷，使系統的連接更加方便了。1.3 國內外發展概況國外對ZigBee技術的研究起步較早，研究也較成熟。ZigBee聯盟成立于2002 年8月，為了推動ZigBee技術的發展

17、，Chapcon、Ember、FreeScale、Honeywill、Motorala、Philaddrs和Samsung等公司共同成立了ZigBee聯盟，如今已經吸引了上百家芯片公司、無線節點公司和開發商的加入，包括有許多IC設計、家電、通訊節點、ADDR服務提供、玩具等廠商，目前該聯盟已經包含了150多家會員。并且還有許多廠商已將ZigBee納入產品中。國內ZigBee的研究起步較晚，國內ZigBee模塊生產廠家一般都受芯片廠家數量等限制價格，國內市場主要由國外儀器所占領，國內未見成熟的自主研制的ZigBee產品，只有一些研究性和簡單應用的文章出現于期刊雜志5。到目前為止， 國內目前除了成

18、都西谷曙光數字技術有限公司，真正將ZigBee技術開發成產品， 并成功地用于解決幾個領域的實際生產問題而外，尚未見到其它報道。不過隨著無線技術大趨勢的發展，很多高校和研究機構都已經著手無線組網、無線技術應用方面的研究。特別是與我們同常生活息息相關的近距離無線組網技術的研究和應用。相信隨著無線技術研究的深入，會有更多的國產ZigBee和其他無線產品投入市場。從ZigBee協議規范的研究及完善方面來看，ZigBee協議規范從推出至今， 已有大量研究者對ZigBee網絡的時間同步、廣播問題、安全機制等進行了研究，并且ZigBee協議正在繼續改進并將提供更多的功能，但目前仍然存在一些問題6，主要包括以

19、下幾個方面： 從安全方面來看，由于無線自組織網絡使用的共享無線信道存在著安全隱患，使得無線自組織網絡很容易受到攻擊并且很難對攻擊進行跟蹤7。從接入控制來看，對接入公平性、多種網絡共存、隱藏終端、暴露終端等問題雖然已提出了很多技術和方法但是依然沒有得到完善的解決8。從能量控制來看，由于無線自組織網絡的節點沒有固定基礎設施支持，因此如何降低網絡能量消耗，提高能量效率，以及如何避免網絡分割和節點過早死亡也是研究的重要問題。目前，降低網絡能量消耗的主要方法包括選擇性的調整節點接收器到休眠狀態、使用可調輸出功率的發送器、采用節能型路由等。就ZigBee技術的研究現狀來看，ZigBee規范及其應用仍在不斷

20、的發展和善之中，眾多廠商、高校和研究機構都對ZigBee技術展現了極大的研究興趣， 進行了大量的研究工作。當前研究的重點主要集中在ZigBee技術應用研究和產品設計、ZigBee協議規范的研究及其完善兩個方面，主要集中在以下幾個方面： 1.ZigBee芯片和產品的設計：不少廠商推出了ZigBee的產品和全套解決方案。如Freescale公司的第三代PADDR晶片MCl322x；Helicomm公司推出的ADDR Link 1200 ZigBee開發套件；Jennic公司的JN5121/513X等。2.ZigBee技術的具體應用研究：目前，不管國內國外，已有大量的研究者和廠商提出了ZigBee可

21、能的應用。如智能家居、智能公交車、嵌入式方面、傳感器網絡22的應用。另外，Jennie公司的JenNET應用在路燈控制、環境監控、生產線數據收集，以及ZigBee結合RFID等。3.ZigBee技術擴展研究：ZigBee技術和其它技術的結合也是目前研究的一個熱點。如ZigBee技術和Web/GPRS構成的無線網關系統、和Linux/DSP 構成的無線通信系統等。4.和其它技術共存研究：對ZigBee網絡與其它無線網絡共存的問題也有大量的研究，如ZigBee網絡和藍牙網絡共存、WiFi的共存與干擾問題。5.網絡性能評估：對ZigBee網絡性能的研究也是一大熱點，如研究ZigBee 底層的802.

22、15.4標準在競爭時期(CAP)的網絡吞吐量和能量消耗、ZigBee網絡在不同的通信參數下，網絡的通信量及穩定性、在ZigBee網絡的低負載的情況下，調整其活動時期節點的能量消耗，使得網絡的生命延長等9。6.路由算法：ZigBee的路由是基于Ad Hoe按需距離矢量(AODV算法)路由算法，這樣ZigBee的網狀網絡建立與數據傳播方式和Ad Hoe網絡很類似。而傳統的AODV算法的路由開銷和路由發現可能會干擾網絡性能，特別是節點密集的網絡，會直接影響端到端時延和數據包的傳遞的時延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可擴展性。最后，ZigBee技術主要被用于現場信息的采集和電子設備的控制，而數據

23、的收集、分析和控制命令的發送經常需要PC機完成，所以實現ZigBee無線網絡和PC機的相互通信，是基于ZigBee技術的監控系統需要解決的一個關鍵技術。隨著計算機技術的發展，外設通過USB接口與PC機通信時主流的技術。在這樣的背景下，研發一種基于ZigBee技術的USB接口，可以通過USB接口實現ZigBee無線網絡與PC機相互通信，符合技術的發展方向，具有技術前瞻性和很好的應用前景。14 本文研究內容與工作組織本文主要對ZigBee無線組網技術進行了詳細的研究與分析，包括ZigBee組網方案和ZigBee協議棧的研究與設計，采用基于 USB接口的CC2530 ZigBee模塊及PC組成硬件平

24、臺，在遵循IEEE802. 15. 4 標準及ZigBee2007 協議的基礎上，實現模塊間一個簡單的點對點的數據傳輸。本文主要內容和結構安排如下：第一章：緒論，主要研究論文的研究背景、國內外研究現狀及ZigBee的研究意義等。第二章：主要是對ZigBee技術及應用的學習和研究，分析ZigBee網絡體系的功能、節點類型和拓撲結構。在此基礎之上深入了解了ZigBee協議棧各層的功能、各層之間的數據通信。第三章：研究帶有USB接口的ZigBee芯片CC2531，包括內部結構的注解、硬件結構的分類等，并詳細介紹了基于CDC類的USB虛擬串口通信的實現。第四章：通過對ZigBee協議的學習，利用C語言

25、編譯點對點通信的程序，利用IAR軟件和CC2531的開發平臺，并在前面兩章的基礎上對ZigBee網絡的點對點串口通信進行仿真演示。第五章：總結與展望。對全文工作進行了總結，并對以后的研究工作作出了展望。6第2章 ZigBee協議2.1 技術簡介隨著無線網絡市場對網絡的高效性及標準化的需求日益增長，ZigBee協議作為一種支持低速率、低功耗、安全可靠的無線網絡標準應運而生。它是目前遠程監控傳感網絡應用領域唯一的標準化技術，還處于不斷成長與發展中，但已顯示出強大的生命力11。ZigBee技術是一種近距離、低成本、低功耗、低數據速率的無線通信技術， ZigBee的目標是建立一個無所不在的傳感器網絡(

26、Ubiquitous Sensor Network)，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中，同時支持地理定位功能。2.1.1 ZigBee聯盟的由來2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種提供廉價的固定、便攜或者移動設備使用的低復雜度、低成本、低速率的無線連接技術。ZigBee是這種技術的商業化命名。ZigBee來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜂群通過跳ZigBee形狀的舞蹈來分享所發現食物的具體的位置、距離和方向等信息。IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層協議，其余協議主要參照和采用現有的標準，高

27、層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。2002年ZigBee聯盟正式成立，她由英國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半導體公司等組成，如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備開發商和制造商的加入。ZigBee聯盟負責制定網絡層及以上層協議。2.1.2 ZigBee技術優勢IEEE802.15.4和ZigBee從一開始就被設計用來構建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數表等節點的無線網絡。這是由其主要技術優勢決定的： 1.數據傳輸可靠：ZigBee的MAC層采用CSMA/CA的碰撞避免機制，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

28、數據時的競爭和沖突；同時，MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等到接收方的確認信息。同時ZigBee采用較短的幀格式(<128字節)和CRC校驗機制來減少無線通信的誤碼率。2.功耗低：ZigBee技術采用了多種節電的工作模式，可以確保兩節電池支持長達6個月到兩年的試用時間。而藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。3.成本低：ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且免收專利費，目前低速低功耗的UWB芯片組價格至少為20美元，而ZigBee的價格僅為幾美分。4.網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持255個節點，加上網絡的協調器可以互相連接，整

29、個ZigBee網絡節點的數目將十分可觀。一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡，理論上可容納65535個節點。5.安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES.128加密算法。6.有效范圍?。河行Ц采w范圍10-75米之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。7.兼容性：ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器自動建立網絡，采用載波偵聽/沖突檢測(CSMA/CA)方式進行信道接入12。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。2.1.3 ZigBee的應用ZigBee技術主要應用在短距離無線網絡通信方面。

30、通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術做無線傳輸： 1.需要數據采集或監控的網點多； 2.要求傳輸的數據量不大，而要求節點成本低： 3.要求數據傳輸可性高，安全性高； 4.節點體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊； 5.電池供電； 6.地形復雜，監測點多，需要較大的網絡覆蓋； 7.現有移動網絡的覆蓋盲區； 8.使用現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統。9.使用GPS效果差，或成本太高的局部區域移動目標的定位應用。不遠的將來，在很多領域里都可以看到ZigBee的身影： 1.智能家庭和樓宇自動化通過ZigBee網絡，可以遠程控制家里的電器、門窗等；可以方便的采集

31、水、電、氣三表的遠程自動抄表；通過一個ZigBee遙控器，控制所有的家電節點。未來的家庭將會有50-100個支持ZigBee的芯片安裝在電燈開關、煙火檢測器、抄表系統、無線報警、安保系統、HVAC、廚房機械中，為實現遠程控制服務。2.在消費和家用自動化市場可以聯網的家用設備有電視、錄像機、無線耳機、PC外設、運動與休閑器械、兒童玩具、游戲機、窗戶和窗簾及其他家用電器等。近年來，由于無線技術的靈活性和易用性、無線消費電子產品已經越來越普遍，越來越重要。3.工業自動化領域在工業自動化領域，利用傳感器和ZigBee網絡，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統的重要組成部分。

32、例如危險化學成分的檢測、火警的早期檢測和預報、高速旋轉機器的檢測和維護等。4.醫療監控借助于各種傳感器和ZigBee網絡，準確且實時地監測病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫生查房的工作負擔，有助于醫生作出快速的反應， 特別是對重病和病危患者的監護治療。5.農業領域傳統農業主要使用孤立的、沒有通信能力的機械設備，主要依靠人力監測作物的生長狀況。采用了傳感器和ZigBee網絡后，農業將可以逐漸地向以信息和軟件為中心的生產模式，使用更多的自動化、網絡化、智能化和遠程控制的設備來耕種。傳感器可以收集包括土壤濕度、氮濃度、PH值、降水量、溫濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經由Zi

33、gBee網絡傳遞到中央控制設備供農民決策和參考，這樣就能夠及早而準確的發現問題，從而有助于保持并提高農作物的產量。2.2 ZigBee網絡體系結構2.2.1 功能類型ZigBee網絡含全功能設備FFD(Full Function Device)精簡功能設備RFD(Reduced Function Device)兩種功能類型的設備。全功能器件擁有完整的協議功能，在網絡中可以作為協調器(Coordinator)、路由器(Router)和普通節點(Device)而存在。而精簡功能器件旨在實現最簡單的協議功能而設計，只能作為普通節點存在于網絡中。全功能器件可以與精簡功能器件或其他的全功能器件通信，而精

34、簡功能器件只能與全功能器件通信，精簡功能器件之間不能直接通信。ZigBee網絡要求至少有一個全功能設備作為網絡協調器13。2.2.2 節點類型ZigBee網絡包含三種類型的節點，即協調器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和終端設備ZE(ZigBee End Device)，其中協調器和路由器均為全功能設備(FFD)，而終端設備選用精簡功能設備(RFD)。協調器：一個ZigBee網絡PAN(Personal Area Network)有且僅有一個協調器，該設備負責啟動網絡，配置網絡成員地址，維護網絡，維護節點的綁定關系表等，需要最多的存儲空間和計

35、算能力；路由器：主要實現擴展網絡及路由消息的功能。擴展網絡，即作為網絡中的潛在父節點，允許更多的設備接入網絡。路由節點只有在樹狀網絡和網狀網絡中存在；終端設備：不具備成為父節點或路由器的能力，一般作為網絡的邊緣設備，負責與實際的監控對象相連，這種設備只與自己的父節點主動通訊，具體的信息路由則全部交由其父節點及網絡中具有路由功能的協調器和路由器完成。2.2.3 拓撲結構ZigBee地網絡支持星狀網(Star Network)，樹狀網(Cluster tree Network)和網狀網(Mesh Network)三種網絡拓撲結構，如圖2-1所示，依次是星狀網絡，樹狀網絡和網狀網絡，在圖2-1中的C

36、表示PAN協調器，F表示全功能設備，R表示精簡功能設備。星形網(Star)是由一個ZigBee協調器和一個或多個ZigBee終端節點組成的。ZigBee協調器必須是FFD，它位于網絡的中心，負責發起建立和維護整個網絡，其它的節點(終端節點)一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在ZigBee協調器的覆蓋范圍內，直接與ZigBee協調器進行通信。星形網的控制和同步都比較簡單，通常用于節點數量較少的場合。樹狀網絡(Cluster-tree)由一個協調器和一個或多個星狀結構連接而成，枝干末端的葉子節點一般為RFD，設備除了能與自己的父節點或子節點進行點對點直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成數據和控

37、制信息的傳輸。ZigBee協調器比網絡中的其它路由器具有更強人的處理能力和存儲空間。樹狀網絡的一個顯著優點就是它的網絡覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時延也會增大。網狀網絡(Mesh網)一般是由若干個FFD連接在一起組成骨干網，它們之間是完全的對等通信，每個節點都可以與它的無線通信范圍內的其它節點通信，即允許網絡中所有具有路由功能的節點直接互連(如圖2-1中箭頭所示)，但它們中也有一個會被推薦為ZigBee協調器。網狀網絡是樹狀網絡基礎上實現的，與樹狀網絡不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實現數據的網狀路由的。Mesh網是一種高可靠性網絡，具有“自恢復”能力，它可為傳輸的數據

38、包提供多條路徑，一旦一條路徑出現故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個節點之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網絡。該拓撲的優點是減少了消息延時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷。FRFRFRRCFRFCFFFRFRRCFFFFFRRR星型樹狀網狀圖2-1 星狀網、樹狀網和網狀網三種拓撲結構2.2.4 工作模式ZigBee網絡的工作模式可以分為信標(Beaeon)模式和非信標(Non-beaeon)模式兩種。信標模式可以實現網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，ZC和所有ZR設備長期處于工作狀態。在信標模

39、式下，ZC負責以一定的間隔時間(一般在15ms-4mins之間)向網絡廣播信標幀，兩個信標幀發送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網絡休眠區和網絡活動區兩個部分，消息只能在網絡活動區的各個時槽內發送。非信標模式下，ZigBee標準采用父節點為ZE子節點緩存數據，ZE主動向其父節點提取數據的機制，實現ZE的周期性(周期可設置)休眠。網絡中所有的父節點需要為自己的ZE子節點緩存數據幀，所有ZE子節點的大多數時間都處于休眠狀態，周期性的醒來與父節點握手以確認自己仍處于網絡中，并向父節點提取數據，其從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要15ms。2.3 原語的概念OSI開放模型采用分層結構來簡化和

40、隔離各層的功能。每一層的服務是建立在它下層的服務之上，來為它的上層或者子層里的用戶提供服務的。N層是服務提供者，N+1層是服務用戶。N+1層和N層之間的信息流是由一些離散的、瞬間的事件模擬的，每個事件都是通過傳遞服務原語來實現的，通過SAP將服務原語從一層傳遞到另一層。服務原語是個抽象的概念，我們可以通過描述服務原語和其特征參數來制定某個服務。一個服務可能包含一個或者多個相關的原語，這些原語組成了與特定服務相關的行為，每個服務原語可能包含零個或者多個參數，這些參數帶有要求提供服務的信息。ZigBee規范的各種不同的任務在不同的層次上執行，上層通過下層提供的功能完成所要執行的任務。因此對于一個特

41、定的層來說要完成兩方面的功能，向上層提供服務以及從下層調用服務。ZigBee上下層間的交互就是通過服務原語來實現的14。24 ZigBee協議棧架構2.4.1 ZigBee協議棧簡介ZigBee協議棧標準采用的是OSI的分層結構，其中物理層(PHY)、媒體接入層(MAC)和鏈路層(LLC)由IEEE802154工作小組制定，而網絡層和應用層則由ZigBee聯盟制定。ZigBee協議棧的體系結構各層的分布如圖21 圖2-2 ZigBee協議棧體系結構在ZigBee協議棧中，其結構包含一系列的層，每一層通過使用下層提供的服務完成自己的功能，同時向上層提供服務。層與層之間通過服務訪問點SAP(Ser

42、vice Access Point)連接，每一層都可以通過本層與其下層相連的SAP調用下層為本層提供服務，同時通過本層與上層相連的SAP為上層提供服務。這些服務是設備中的實體通過發送服務原語來實現的，其中實體包括數據實體(Data-Entity, DE)和管理實體(Management Entity, ME)兩種：數據實體向上層提供常規的數據服務而管理實體提供向上層提供訪問數據內部層的參數、配置和管理數據等機制。所謂服務原語是代表響應服務的符號和參數的一種格式化、規范化的表示，它與服務的具體實現方式無關。原語的書寫形式包含了服務的實體、原語的功能及原語的類型等，如：掃描原語MLMESCANre

43、quest；關聯確認原語：MLMEASSOCIATEconfirm。另外，原語都是發送給服務實體相鄰層的層與層之間的通信原語可以分為以下四種，它們之間的關系如圖2。 圖2-3 層與層的通信原語示意圖其中：Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務；Indication：指示原語，本層發給上層用來指示本層的某一內部事件；Response：響應原語，上層用于響應本層發出的指示原語；Confirm：確認原語，本層用于響應上層發出的請求原語。2.4.2 ZigBee與IEEE802.15.4的聯系人們通常會把ZigBee與IEEE802.15.4等同起來，其實兩者之間還是有所區別的：1.

44、ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定義的功能強大的物理特性的優點；2. ZigBee增加了邏輯網絡和應用軟件；3. ZigBee基于IEEE802.15.4射頻標準，同時ZigBee聯盟通過與IEEE802.15.4緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案；4. IEEE802.15.4工作組只要負責制定物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層標準，而 ZigBee負責網絡層和應用層的開發。下圖示意了ZigBee 的結構和分工第3章 ZigBee芯片CC2531USB接口由于其方便靈活、獨立供電的特點，已廣泛應用于數據采集與監控系統中。采用T1公司的第二代SOC芯片CC

45、2531，實現了基于USB接口的虛擬串口通信，并以溫度監測系統將其引入到實際工程中來。3.1 CC2531CC2531是TI公司推出的符合24 GHz IEEE 802154標準的射頻收發器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達45 dBm，外部元件很少；結合RF收發器與業界標準增強型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數據保護能力；同時具有多種運行模式，而且運行模式之間轉換時間短，使低能耗特性能夠進一步保證。CC2531提供了101 dB的鏈路質量以及一

46、套廣泛的外設集，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個通用GPIO、高級加密標準(AES)安全協處理器、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應用于遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫療以及更多領域。3.2 CDC類簡介    在USB的文件中，定義了將某種相同屬性的設備整合在一起的群體，稱之為類。這樣做可以同時開發該類的驅動程序，提高了驅動程序的復用性。CDC類是通信設備類的簡稱，是專為各種通信設備定義的子類。根據應用場合的不同，CDC類可以分成以下不同的模型：POS

47、T(傳統純電話業務)模型、ISDN模型和Networking(網絡)模型。其中，POST模型又可以分為DL(直接線控制)模型、AC(抽象控制)模型、Datapump(數據泵)模型、T(電話)模型。本文的USB接口開發就屬于POST模型下的AC模型。圖3-1 CDC類的結構    此外，CDC又由Communication Interface Class(通信接口類)和Data Interface Class(數據接口類)組成。通信接口類主要負責設備的管理和控制，數據接口類則負責數據的傳輸。不同的模型端點需求不同，對系統所用的抽象控制模型來說，通信接口類需要一個控制

48、端點(Control Endpoint)來管理設備的枚舉、虛擬串口的波特率和數據類型的設置。數據接口類的需求相對比較靈活，本設計中采用一個塊傳輸IN端點和一個等時傳輸OUT端點。3.3 CC2531芯片內部簡介    CC2531是TI公司針對24 GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBeeIEEE 802154協議的片上集成芯片。    其內部集成了高性能射頻收發器、工業標準增強型8051MCU內核、256 KB Flash和8 KB RAM；具有1個USB全速接口、2個USART、8位和16位定時器、看門狗定時器、8路輸入可配

49、置的12位ADC、21個GPIO、AES128協同處理器；硬件支持CSMA-CA、數字化的RSSILQI和強大的DMA功能，具有電池監測和溫度感測功能。    CC2531全速USB接口的結構如圖2所示。其特性如下：圖3-2 USB接口結構圖 全速操作(12 Mbps)；    6個端口，端口0為控制端點，其余5個為數據傳輸端點；    具有1 KB SRAM(FIFO)存儲USB數據包；    端口支持的數據包大小為8512字節；    支持雙

50、緩沖傳輸模式。    端點0(EP0)為控制端點，枚舉階段的通信都是通過該端口完成的。端點15(EP15)可以通過SFR配置為等時、塊、中斷3種傳輸方式。其中塊傳輸端點和中斷傳輸端點對應的USB寄存器設置是一樣的，但在固件方面具有不同的屬性。同時為了加快數據傳輸，還可以使用雙緩沖模式。在配置各個端點的屬性之前，必須通過特殊寄存器USBINDEX來選擇不同的端點，以此來選擇當前進行配置的端點寄存器組。3.4 硬件設計節點系統結構框圖如圖2所示。整個采集節點可以劃分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊、數據采集模塊4個組成部分，各部分協同工作。電源模塊負責電壓調理，為其

51、他模塊提供所需要的電壓；處理模塊負責處理節點數據和命令；無線通信模塊負責各節點之間數據、命令的傳輸；數據采集模塊完成數據采集與信號調理。 圖3-3 節點系統結構框圖34.1 電源模塊無線傳感器網絡多用于人們不方便或者不經常到達的地方，因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個節點的能量分配，在整個無線傳感器網絡節點的設計中具有極其重要的意義。目前，比較容易實現的無線傳感器網絡節點供電方式是電池供電，根據不同場合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網絡在平常使用時具有更好的線性特性，因此可以作為系統能量來源的一種選擇。但是，鋰電池額定容量較小，而且需要升壓處理，

52、限制了節點的生存期。為了維持更長的工作時間和節省成本，本設計采用5節7號鎳氫電池供電。除此之外，軟件上通過合理設置節點的發射、接收以及待機狀態，也可以有效地延長節點的工作時間。新的能源解決方法也是無線傳感器網絡需要研究的重要課題，太陽能或者風力充電就是目前的研究點 。數據采集模塊需要外部提供5 V直流電壓，處理模塊及無線通信模塊需要33 V 直流電壓，因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX2815和SP6201EM 一33 V將輸入的電池電壓轉換為5 V和33 V。經過電壓轉換后將電源繼續劃分為數字部分與模擬部分供各芯片、模塊使用，保證模擬電源、數字電源之間不互相干擾。CC2531具有

53、8路AD 接口，使用TI公司的基準電壓二極管LM4040為CC2531 的8 路AD接口提供25 V的參考電壓，同時為傳感器信號調理電路提供25 V電壓。LM4040的輸出電壓穩定性好、精度高，輸出電壓精度為05 ，其接口電路如圖所示。 圖3-4 接口電路34.2 處理模塊處理模塊是采集節點的核心部分，主要由CC2531及其外圍電路構成，完成對采集數據的處理、存儲以及收發工作。CC2531的接口電路如圖4所示。CC2531具有21個Io 口(其中8路P0口具有AD功能)，它們分別與傳感器接口、SPI存儲器及在線仿真器連接。圖中P07接收LM4040提供的25 V基準電壓；系統時鐘由32 MHz

54、晶振提供；系統休眠所用時鐘由32768 kHz無源晶振提供；復位按鍵與RESET連接，可實現硬件復位，初始化系統。圖3-5 CC2531接口電路3.5 USB通信的實現    CC2531的USB硬件連接很簡單，如圖3所示。采用USB總線供電方式，通過電壓轉換芯片為硬件電路提供33 V電壓(圖中未畫出)。由于該設備為全速設備，因此D+信號線通過電阻上拉。圖3-6 CC2531的USB硬件連接    按照CDC類抽象控制模型對端點的需求，采用端點0作為控制端點，完成設備的枚舉和串口參數的設置。將端點2和端點4分配給數據接口子類，作為IN和OUT端點，虛擬串口的數據傳輸主要在這兩個端點進行。具體的配置如下： currentLineCoding.dteRate=HAL_UART_BAUDRATE_115200; /波特率設置currentLineCoding.charFormat=CDC_CHAR_FORMAT_1_STOP_BIT; /1個停止位currentLineCoding.