ZigBee无线通信技术本科毕业设计.docx

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ZigBee无线通信技术本科毕业设计

摘要

本设计描述了Zigbee无线协议在家居电器控制中的应用，采用Zigbee协议的遥控器，能控制家中所有的Zigbee开关包括冰箱、洗衣机、空调、电视机、照明系统等的开启、关闭、定时等工作状态的调节，也可以通过编程实现复杂开关量的控制。

逻辑上包含三种类型的设备：

无线遥控器、控制中心、Zigbee开关，其中控制中心和Zigbee开关也可以集成在一起，因此在某些应用上只包含两套设备。

各种类型设备均实现了Zigbee无线通讯协议，可以任意分散布置在家中，不需要额外的控制线路。

关键词：

智能开关Zigbee网络网络拓扑终端节点

Abstract

ThisdesigndescribestheZigBeewirelessprotocolinthecontrolofhouseholdappliances,usingZigBeeprotocolremotecontrolcancontrolalloftheZigBeeswitchfamily,includingrefrigerators,Washingmachines,airconditioners,televisionsets,lightingsystems,opening,closing,timingandotherworkingconditionsoftheregulation,butalsocanbeprogrammedtoswitchthecontrolcomplex.LogicallycontainsThreetypesofdevices:

wirelessremotecontrol,controlcenter,ZigBeeswitch,whichswitchesthecontrolcenterandcanalsobeintegratedZigBee,sojustpackinsomeapplicationsWithtwosetsofequipment.VarioustypesofequipmentaretoachieveaZigBeewirelesscommunicationprotocol,whichcouldbedispersedlayoutathome,noadditionalcontrollines.

Keywords：

Intelligentswitch；Zigbee；Networktopology；Terminalnode

第一章绪论

1．1课题背景

随着社会的发展，人们对通信技术的要求日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。

无线网络技术按照传输范围来划分，可以分为无线广域网（WWAN），无线城域网（WMAN），无线局域网（WLAN）和无线个人域网（WPAN）。

其中的无线个人域网就是所谓的短距离无线网络，各种短距离无线传输技术层出不穷：

蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、无线USB，UWB等。

其中蓝牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。

对于工业控制、家庭自动化和遥测遥感领域：

1、蓝牙（Bluetooth）虽然成本低，成熟度高，具有多种规范，但是其传输距离有限，仅为10米，只能组成最多8个节点的星状网，电池也仅能维持数周;

2、UWB虽然可以实现高达几百Mbps的传输速率，但是其覆盖距离仅为10米，这决定了它主要被用作消费产品中的视频和高速数据解决方案，目前UWB没有网状网络能力；

3、Wi-Fi虽然传输速度可以达到11Mbps，传输距离达到100米，但是其价格相对教昂贵，且功耗大，组网能力差。

ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，该协议标准

与其他几种无线通讯标准相比，具有如下特点：

1成本低：

ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5到2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2．4GHz（全球）、915MHz（美国）和868Mttz（欧洲），免执照频段；

2低功耗：

由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。

据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间；

3时延短：

ZigBee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms，相比较而言，蓝牙需要3~10s、Wi-Fi则需要3s；

4网络容量大：

一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，网络构成灵活，ZigBee网络最多可以支持超过65000个ZigBee网络节点：

5可靠度高：

为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。

MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发；

6安全：

三级安全模式，ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128高级加密算法来保护数据载荷和防止攻击者冒充合法设备；

7传输距离远：

两节点间的物理传输范围一般介于10-100米之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3千米。

并且可以通过路由节点实现通讯接力，传输距离理论上可以达到两倍的“网络深度X相邻节点间的距离”的覆盖范围。

由于ZigBee技术具有上述特点，其主要应用在短距离范围内的低速率电子设备之间的数据传输，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输，其典型的传输数据类型包括周期性数据（例如传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据），间歇性数据（例如工业控制命令、远程网络控制、家用电器控制）和重复低反应时间数据（例如鼠标键盘数据、操作杆的数据）等。

ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

1．2课题研究的目的和意义

ZigBee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。

在短距离、低功耗且传输速率要求不高的各种电子设备之间，完成周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输，比较适合采用ZigBee网络来实现。

ZigBee是一个可由多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m到几百米甚至几公里，另外整个ZigBee网络还可以实现与现有的其它的各种网络例如工业以太网等的连接。

ZigBee网络主要应用在工业控制（例如矿井监控系统），汽车控制（例如轮胎压力监测系统）、农业控制（例如精确耕种监控网络）医学领域（例如血压，体温和心跳监视网络），家庭智能控制（例如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置以及PC外设的无线连接等领域。

目前大多数用户只能借助于ZigBee厂商提供的开发平台进行应用层程序的开发，但是运用厂商提供的开发平台和开发工具，用户在芯片选型等方面会受到很大的限制，并且核心协议层代码都是以LIB库形式提供的，极大地束缚了ZigBee产业的发展。

目前较为流行的开源ZigBee协议栈是Microchip提供的基于ZigBeeSpecificationV1．0的MicrochipStack。

该协议栈与微星（Microchip）公司推出的PICDEMZdemo板配套使用，该协议栈支持PICl8系列的微控制器，MicrochipMRF24J40和德州仪器公司（TI）的CC2420射频芯片，支持非信标（non-beacon）的星状、树状及网状网络拓扑结构，不考虑安全机制。

但是，该协议栈距离实际的ZigBee应用还有一段距离，除了功能上的不完整性，该协议栈编辑代码的时候，与实际的硬件平台的关联性也很强。

TI公司的ZigBee协议栈的MAC层和NWK层函数均封装成LIB库形式提供给用户，TI公司现有协议栈仅支持其旗下的SOCCC2430和MSP430微控制器、CC2420射频芯片。

因此当用户在实际应用中更换了硬件平台以后，要对协议栈做很大的改动，才能实现ZigBee节点之间的通讯和组网。

ZigBee无线网络中的每个节点都是一个嵌入式系统。

在嵌入式系统中，微控制器是硬件的核心。

MCS-51系列和ARM系列是微控制器的两大主流，应用比较广泛，有很大的客户群，两者各有优点，5l是8位机，用在比较简单的工控领域，ARM是32位机，在功能上比51系列更强大，因此在许多高档消费电子产品中，常选用ARM作为微控制器。

ZigBee作为一种如此有生命力的短距离通信技术，根据ZigBee联盟所定义的标准，如果能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，尤其是能实现基于ARM微控制器的ZigBee组网技术，是一件非常有意义的事情，这将给我们解决ZigBee实际应用中的问题带来更大的自由度和选择性。

1．3国内外研究概况

1．3．1ZigBee协议的发展概况

ZigBee联盟于2004年底发布了ZigBee协议1．0版本规范，2006年11月发布了ZigBee协议1．1版本规范，2007年10月发布了ZigBeePro版本规范。

ZigBee联盟的创始者包括TexasInstruments（收购Chipcon），Ember，Freeseale，Honeywell，Mitsubishi，Motorola，Philips和Samsung。

ZigBee联盟企业包括IC供应商，无线IP提供商，OEMs，测试设备制造商，最终产品制造商等，这些企业能提供适应ZigBee的产品和解决方案。

飞思卡尔推出全球首个符合ZigBee伯标准的平台，使得制造商能够将ZigBee技术应用于传感和监控领域。

截止至2005年4月，已有TexasInstruments（收购Chipcon）、Freeseale、CompXs、Ember等四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。

目前市场上RF主流芯片的供应商包括T1、EMBER、FREESCALE以及JENNIC，他们分别推出单芯片解决方案CC2430／CC2431、EM250、MCl321x以及JN5121，在市场上极具竞争力。

主流的商用ZigBee的协议栈为Figure8wireless提供的F8wZ-Stack。

1．3．2ZigBee的应用现状

ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型（OSI），IEEE802．15．4-2003标准定义了下面的两层：

物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟制订。

非营利组织ZigBee联盟由当初开发基本IEEE标准的同一批专家在2002年组建而成，时至今日，ZigBee联盟己经拥有包括芯片制造商、软件开发者、终端制造商以及服务提供商等在内的一条完整的产业链。

摩托罗拉、三菱电子、飞利浦、西门子、三星、德州仪器和华为等都是联盟的成员。

联盟所制订的规范也得到了广泛的应用。

自2006年以来，市场上已经陆续出现了各种基于ZigBee标准的产品。

据美国ZigBee联盟主席BobHeile博士的介绍，ZigBee应用领域主要有移动增值、家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制和个人医疗看护等，应用产品则有移动终端、家电产品、消费性电子、Pc周边产品与感测器等。

在工业领域，利用传感器和Zigbee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。

这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少Zigbee网络的维护成本。

在汽车上，主要是传递信息的通用传感器。

由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命（大于或等于轮胎本身的寿命），同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。

在精确农业，或者叫精确耕种的应用中，无线电传播特性良好，但是需要成千上万的传感器构成比较复杂的控制网络。

传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。

采用了传感器和Zigbee网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。

传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、PH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信剧。

这些信息和采集信息的地理位置经由ZigBee网络传送到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

在医学领域，将借助于各种传感器和Zigbee网络，准确而且实时地监测每个病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

1.4论文的主要研究内容

在进行系统设计时，所要完成的主要任务即是搭建ZigBee无线网络，而本文根据在设计基于ZigBee的无线控制系统时所需要的相关技术，介绍了ZigBee无线通信技术的相关内容，并将其与其他热门无线技术进行对比，从频率、覆盖范围、传输速率、复杂性以及应用范围等各方面综合考虑并进行比较，说明了在无线控制系统中选用ZigBee无线网络进行通信的原因。

作为一种通信技术，其通信协议则是在使用时所必须了解的，因此在接下来的章节中就详细介绍了ZigBee的协议栈结构，网络拓扑结构，以及ZigBee节点设备的分类，同时还介绍了ZigBee网络中网络协调器组建新网络的方式，以及其他各设备加入/离开网络的方式。

第二章ZigBee无线通信技术

2.1无线通信技术简介

无线网络是利用无线电射频（RadioFrequency，RF）或红外线（Infrared，IR）等无线传输媒体与技术构成的通信网络系统。

由于取消了有线介质（如双绞线、同轴电缆、光纤等），使网络能够真正达到信息随身化的理想境界。

典型的无线通信结构包括一个发送端，即无线发射器（包括数据源、调制器、RF源、RF功率放大器、天线、电源）和一个接收端，无线接收器（包括数据接收电路、盯解调器、译码器、RF低噪声放大器、天线、电源）[6]，其基本结构如图2一1所示。

发射器的数据在通过无线发射出去后，接收器的天线进行接收，并进行处理，从而得到经过校验的正确数据。

在进行长距离的无线通信中，还需要中继站，因为传输距离远，信号会发生衰减，需要安装中继站来提高信号传送的质量。

图2-1无线通信基本结构

无线通信技术的主要应用范围有:

公共设施自动化、无线宽带网络、安全管理、医院监护、国防军事、交通运输、石油勘探、森林防火、水文监控、仓库和物流管理等。

现今社会，许多场合都可以应用无线通信技术，并都在大力发展，其具体的系统也有许多，例如:

射频身份识别系统;无线局域网（WLAN）;无线条码阅读器;无线鼠标、无线键盘;无线安全系统等。

无线通信的范围十分广泛，可以分为许多种类。

按照媒介可分为光通信、微波通信、声波通信等;按照频段可分为ISM频带无线通信、军用频带无线通信、航空频带无线通信等;而按照协议标准可以分为无线局域网、蓝牙、HomeRF、Wi-Fi、WLMAX、UWB、无线USB、ZigBee等。

本文对其中的几项技术做了简单的介绍及对比，在本系统中所采用的是ZigBee无线通信技术。

2.1.1蓝牙

起源于1994年的蓝牙技术，是由爱立信公司、IBM公司、Intel公司、诺基亚公司以及东芝公司等企业联合推出的一种低成本的短距离无线通信技术。

2005年，BluetoothSIG宣布了采用蓝牙核心规范2.0版以及更高数据传输速率（EDR）。

蓝牙2.0版将蓝牙传输数据的速率提高了3倍，可提供中等速率至2-3Mbps;并成功地将其功耗再降低，延长了电池的使用寿命;提高了设备同时进行多项任务处理的能力，也可以使设备同时连接多个蓝牙设备，使其传输的范围更加宽泛，最高的速率也可以达到10MbPs。

蓝牙技术的工作频段是在2.4GHzISM频段，调制技术上采用了GPSK调制技术，并采用FHSS扩频技术，发射功率分别为0dBm、4dBm和20dBm三级[8]。

蓝牙的协议栈主要包括:

蓝牙核心协议、蓝牙行规以及蓝牙测试文档，其协议栈结构如图2-2所示。

其中基带（Baseband）、LMP、LZCAP、SDP属于蓝牙的核心协议，从图2-2中即可看出，蓝牙的协议较为复杂，在实际的应用中有一定难度。

在现今社会，蓝牙的应用也非常广泛，但是目前只要是应用在许多主流消费产品上（如手机、PDA、笔记本电脑）。

图2-2蓝牙协议栈结构

2.1.2Wi-Fi

Wi-Fi（wirelesfidelity，无线保真）是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE802.11），是由“无线以太网相容联盟”（WirelessEthernetCompatibilityAlliance，WECA）所发布的业界术语，它是一种短距离无线通信传输技术，能够在几百英尺的范围内支持互联网接入的无线电信号。

但是，Wi-Fi实质上只是一种商业认证，具有Wi一Fi认证的产品是符合IEEE802.11b无线网络规范的，它是目前应用最为广泛的一种WLAN标准，采用的工作频段是2.4GHZ。

IEEE802.llb无线网络规范是IEEE802.n网络规范的一个变种，其最高带宽为11Mbps，但是在信号比较弱，或者有干扰的情况下，带宽是可以调整的，可以调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整就有效保证了网络的稳定性和可靠性。

另外，还有两种802.n空间的协议，包括（a）和（g），它们也是公开使用的，但是802.1lb在世界上是最为常用的。

Wi-Fi是一种帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体的赋能技术，它为用户提供了无线的宽带互联网访问。

同时，它也可以是人们在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径，能够访问Wi-Fi网络的地方被称为热点。

Wi-Fi的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速、便捷、可移动性好、组网灵活、组网成本比较低等，因此，具有良好的发展前景。

但是它也有一定的缺点，即所在的2.4GHz的ISM频段的带宽比较窄（仅有85MHz），同时还要受微波、蓝牙等多种干扰源的干扰。

2.1.3超宽频技术（UWB）

UWB（ultrawideband）超宽频技术是一种不用载波，而是采用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲进行通信的通信方式，也被称为脉冲无线电（ImPulseRadio）、时域（TimeDomain）或者无载波通信，它和普通二进制移相键控（BPSK）的信号波形相比，UWB不利用余弦波进行载波调制，而是发送许多小于1ns的脉冲，因此这种通信方式占用带宽非常之宽，而且由于频谱的功率密度很小，它具有通常扩频通信的特点。

UWB的发展模式类似于Wi-Fi，一开始是使用脉冲无线电技术，其历史可追溯至20世纪60年代，在很长一段时间内都被归类为军事技术，后来由Intel等大公司提出应用了UWB的MB一OFDM技术方案，但是由于两种方案的截然不同，而且又各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决定出最终的标准方案，故至今UWB还在争论之中。

因此，标准化程序成为了决定消费者与设计者是否会采纳UWB技术的一个关键因素。

这也就是UWB未被采纳的原因之一。

UWB也还是具有相当多的优势，例如其抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗的电能小、发送功率小等，而且它的种类众多，因此其潜在的用途也是十分广泛的，其中包括无线局域网络（WLAN）、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、短距离雷达等领域。

不过，在应用场景上，UWB还是跟ZigBee有着不太相同的地方，UWB可以用于数据量大的如家庭多媒体无线通信等，但是它与ZigBee并不存在较大的冲击，两者还是可以互为补充构成很多种应用，如智能家庭网络系统。

2.2ZigBee技术简介

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术。

ZigBee技术是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，在发展最初时，曾经用过Home盯Lite或者FireFly无线技术的叫法。

ZigBee技术的基础是IEEE802.15.4标准，这是IEEE无线个人区域（PersonalAreaNetwork，PAN）工作组所定的一项标准，被称为JEEE802.15.4（ZigBee）技术标准，而遵循此标准的无线网络通信技术则是由国际ZigBee联盟所定义的。

国际ZigBee联盟在2001年8月成立，此联盟是由英国的hivensys公司、日本的三菱电气公司、美国的摩托罗拉公司以及荷兰的飞利浦半导体公司所组成，该联盟的主要任务是旨在研发被命名为ZigBee的下一代无线通信标准。

如今，该联盟已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司、消费类电子厂商和OEM商等的加入。

ZigBee技术的特点主要包括以下方面:

1.省电:

两节五号电池即可支持一个节点长达6个月到2年的使用时间，省电，节约成本。

2.可靠:

ZigBee技术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，避免发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

3.时延短:

针对时延敏感的应用做了一定的优化，通信时延短，从休眠状态激活的时延也非常短，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进人网络只需30ms，不但时延短，这也在一定程度上进一步节省了电能。

4.网络容量大:

ZigBee有多种网络拓扑结构，由一个主节点管理若干个子节点，最多一个主节点可以管理254个子节点;主节点还可以由上一层的网络节点来管理，最多可支持65000个节点。

5.低速率:

ZigBee技术分别提供了250kbps（此时频段为2.4GHz），以及频段在9l5MHZ时的40kbps和86sMHz时的20kbps，三种原始数据的吞吐率，完全可以满足低速率传输数据的应用需求。

6.短距离通信，覆盖范围广:

ZigBee的数据传输覆盖范围一般介于10一100m之间，而且在增加了RF发射功率后，是可以将范围扩大到1一3km的，这只是相邻节点之间的距离。

如果再通过路由器和节点之间通信的接力，ZigBee网络的数据传输范围可以达到更远。

7.高安全:

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的高级加密标准AES一128。

8.免执照频段:

采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2.4GHz（全球），9l5MHz（美国）和868MHz（欧洲）。

一个基于ZigBee的无线个域网（WPAN）能支持高达254个节点，外加一个全

能器件，即可实现双向通信。

ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围特点决定了ZigBee技术适于承载数据量较小的业务。

通常，只要符合以下条之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术。

这些条件主要包括