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1、 中山大学硕士学位论文基于ZigBee技术的智能楼宇管理系统Technology of Intelligent Building Management System Based on ZigBee原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权
2、保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名： 导师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要ZigBee技术是一种新的低功耗、短距离、低速率、网络可靠性高的无线通信技术，主要应用于自动控制和近距离数据传输等领域，同时我们还可以将ZigBee技术应用于室内定位领域。在传统的楼宇管理系统中，考勤功能一直是大家关注焦点，而当大楼出现险情或楼内人员有突发情况时，如何能够快速有效地营救出事人
3、员也一直是科研人员一直致力解决的问题。本论文讨论的是基于ZigBee技术的智能楼宇管理系统，该系统具有大楼内部人员定位、大楼环境温度监测、人员考勤、危险报警、遇险求救，远程监控等一系列的功能。本文提出了一种基于ZigBee与GPRS（General Packet Radio Service）结合的楼宇管理系统技术方案。利用ZigBee技术和各种传感器组成无线传感器网络，对大楼内的人员位置和环境温度进行准确、有效的实时监控，并将采集到的信息通过GPRS远传至主控计算机，同时，主控计算机端通过软件的图形界面实时了解大楼内部情况，当有人员发出报警或者大楼内部出现险情时，主控计算机自动通过GPRS向大
4、楼内部的ZigBee网络发送危险信号，ZigBee网络受命令影响立即向大楼内部人员发出撤离信息。该方案结合了ZigBee和GPRS技术各自的特点，以M2M的方式实现了对大楼及内部人员进行环境温度检测、定位、报警。该系统对物联网的发展有重要的意义。关键词：ZigBee、人员定位、楼宇管理、GPRS。AbstractZigBee is a new generation of wireless communication technology which has many features such as low power、low rate、short-range and high reliabi
5、lity and so on. It is mainly applied to fields like automatic control and short distance digital communication. Meanwhile, we can use ZigBee for indoor location.In the traditional building management systems，work attendance function has always been the focus. And when building shows dangerous or peo
6、ple in the building have urgent cases, how to quickly and efficiently rescue incident has also been a problem to the researchers.This paper discusses Intelligent Building Management System based on ZigBee. This system has a series of functions, including the building condition monitoring、 work atten
7、dance function、danger alertion、distress for help and so on. Now we project a scheme, Intelligent Building Management System, which is base on the combination of ZigBee and GPRS（General Packet Radio Service）. We will use ZigBee and some sensors to form a wireless sensor network，which can get the loca
8、tion of personnel within the building and the accurate environment temperature by effective real-time monitoring. And these data will automatically transmit to the remote computer by GPRS. When an alarm or emergency occurs in the building, the remote computer can send the dangerous to the ZigBee net
9、work in the building automatically by GPRS. Then ZigBee network will send the evacuation information to people in the building precisely and efficiently in time. In this way， we combine the advantages of both ZigBee and GPRS to achieve those series of functions posed above. And this system is signif
10、icant for development of the Internet of Things.Key Words： ZigBee、Personnel Positioning、Building Management、GPRS.目 录摘 要IABSTRACTIII第 1 章绪 论11.1ZigBee技术介绍11.2GPRS技术简介31.3典型室内定位系统51.4ZigBee定位技术研究现状和发展61.5论文研究意义与创新点6第 2 章系统硬件开发平台92.1CC2430简介92.2系统开发套件13第 3 章系统软件开发平台173.1ZigBee协议栈概述173.2ZigBee2006协议栈223
11、.3系统软件开发环境24第 4 章系统方案的设计294.1系统总体设计方案294.2区域定位功能模块的设计314.3环境温度采集功能模块的设计394.4上下行紧急呼救功能模块的设计404.5后台界面的设计44第 5 章系统测试535.1ZigBee网络测试535.2定位功能测试555.3环境温度测试575.4上下行紧急呼救测试575.5考勤功能测试605.6GPRS远传测试625.7系统测试总结65第 6 章总结和展望696.1论文总结696.2工作展望69参考文献71第 1 章 绪 论1.1 ZigBee技术介绍随着科技不断发展，通信技术已深入人类生活的各个方面，人们提出了在人自身附近几米范
12、围内的通信需求，这样就出现了无线个人区域网络（wireless personal area network，简称WPAN）的概念，WPAN网络就是把近距离范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，为几米范围内的设备建立无线连接，使它们可以相互通信甚至接入互联网和局域网1。在ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、超宽带等众多能够组建WPAN的无线通信技术中，ZigBee的快速发展无疑成为了这当中的明星2。ZigBee技术是一种新兴的无线网络技术它具有低速率、短距离、低功耗的优点，并且是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术提案，它能够实现数千个微小的传感器之间相互协调通信，主要用于近距离无线连接3。ZigBe
13、e的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称为IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准34。1.1.1 ZigBee技术的发展早在2001年12月，IEEE就专门成立了无线个人局域网工作组，致力于定义无线个人局域网的无线通信协议，并于2003年10月发布了针对低成本、低速率应用的IEEE.802.15.4标准，该标准涉及无线通信协议的MAC层和物理层5。ZigBee联盟成立于2001年8月，但当时成立时还什么公司加入直到一年之后，三菱电气公司、Invensys公司、摩托罗拉公司以及飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加入“ZigBee联盟
14、”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑6。随着ZigBee技术的逐步发展，到目前为止，该联盟已有200多家成员企业，并在迅速的发展壮大，ZigBee联盟涵盖了绝大部分IP服务提供商、半导体生产商、OEM商及消费类电子厂商等等，包括像Mattel之类的玩具公司，还有像Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，所有这些公司都参加了负责开发媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组和ZigBee物理层5 7。1.1.2 ZigBee技术的主要特性和其他的无线通信技术而言，ZigBee技术的主要
15、特性如下348：（1）低速率：ZigBee的三个频段中，其传输速率都比较较低，2.4GHz频段为250Kb/s，9l5MHz频段为40Kb/s，868MHz频段只有20Kb/s;（2）低功耗：这是ZigBee技术使其处于优势地位的特点，ZigBee 的传输速率低、数据量小，发射功率仅为1mW，在非工作模式时处于休眠状态，功耗极低。（3）低成本：ZigBee协议是免专利费的，降低了软件的应用费用；并且ZigBee协议栈相对于蓝牙、Wi-Fi等要简单得多，降低了对通信控制器的要求。（4）短时延：从休眠状态激活和通信时延的时延都比预期的短，比如典型的休眠激活的时延是15ms，搜索设备时延为30ms，
16、活动设备信道接入的时延为15ms。（5）多种组网方式：ZigBee网络可以通过网络协调器组成树状、星状、网状等多种组网方式。组网方式灵活，并可动态的让节点设备退出和加入网络。（6）可靠数据传输：ZigBee的MAC层采用CSMA/CA算法，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。（7）大容量网络：一个星型的ZigBee网络最多可以容纳255个从设备和一个主设备，一个ZigBee协调器可容纳65535个设备。（8）近距离通信： ZigBee节点的有效传输范围一般为10-75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。（9）安全：采用了三级安全模式，采用了AES- 128 的加
17、密算法，提供基于循环冗余校验(CRC) 的数据包完整性检验，支持鉴权和认证。1.1.3 ZigBee技术的应用领域ZigBee技术以其低速率、低功耗、可靠、安全等特点，在智能家居、环境科学、医疗健康、商业应用、工业应用等领域有着广泛的应用前景10。主要应用领域介绍如下11-13：（1）智能家居：ZigBee 技术可以应用于温湿度控制、家庭的照明等。ZigBee 模块可以安装于遥控器、玩具、灯泡、空调系统、门禁系统和其它家电产品中，并实现智能控制。（2）环境科学：随着人们需要采集的数据也越来越多，对环境问题的关注程度越来越高，ZigBee技术为获取各种数据提供了便利。比如，ZigBee技术可以用
18、于监测海洋、大气和土壤的成分等。（3）医疗健康：借助ZigBee网络，医生的工作量可以大大的减少，因为借助它，可以实时监测病人的、血压和心跳速度等信息，同时帮助医生快速做出反应，利用定位技术还能实时知道病人的具体位置。（4）工业控制：通过ZigBee可以实现厂房照明系统感侧和温湿度监控，及时得到运转状况的信息和进行生产线流程控制，用ZigBee网络取代有线控制系统，能大幅度降低工业生产成本8。（5）智能交通：ZigBee无线网络能够比GPS系统覆盖更全面，并能够得到比GPS更多的信息，如道路是双行线还是单行线等，各条街的交通情况和事故信息等。1.2 GPRS技术简介GPRS（General P
19、acket Radio Service）即通用无线分组业务，它是介于2G和3G之间的一种技术，通常称为2.5G14。相对于原来GSM拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS属于分组交换技术，它能够提供广域的无线、端到端IP连接，并且具有 “按量计费”、 “实时在线”、 “高速传输”、“快捷登录”、 “自如切换”等优点14。1.2.1 GPRS的技术特点GPRS技术可以让我们在任何时间都能快速方便地实现连接，并且费用也很合理。它有如下的一些特点15：（1）接入速度快：GPRS平均接入时间不超过两秒，接入等待时间短，提供了与现有数据网的无缝连接；（2）高速数据传输速率：能够提供9.05-171.2
20、kbit/s的数据传输速率速度，并且可以稳定地传送大容量高质量视频和音频文件；（3）收费更为合理：即根据传输数据量来计费，当无数据传输时，用户在线也不会占用信道，实现了用户“永远在线”，真正体现了多用多付费的原则。（4）无线资源利用率高：新的无线资源管理技术，使得用户能够在有数据发送时占用信道，数据发送完之后释放信道，供其他用户使用，这大大提高了无线资源的利用率；（5）良好的移动性：采用IP作为核心网技术，使用一种隧道协议作为SGSN和GGSN的通信接口，保证了用户IP地址和网络IP地址的隔离，无长途概念实现IP的“可移动性”15。1.2.2 GPRS技术的应用GPRS特别适用于间断的、少量的
21、数据传输、突发性的或者频繁的，而且也适用于偶尔的大数据量的传输16。具体来说，GPRS无线数据传输系统应用领域有如下几个方面：（1）车辆调度：通过GPS的定位功能和GPRS的远程数据传输功能可以实现车辆调度，从而对车辆进行有效地调度18。（2）移动上网：GPRS移动终端可实现诸如收发E-mail、网页浏览和图像发送等功能17。（3）远程智能监控：GPRS可以应用于、工业遥信；水表、电表等数据的自动传输；电信行业无人值守机房监控和远程维护；闸门、煤气管道、加压站的监控；供热系统实时监控与维护；市政系统（路灯夜景照明系统管理）、公安系统（查询人口信息、在逃犯信息等）；环境参数监测，如气象数据采集与
22、传输、水文监测等19。基于GPRS数据远程传输的各种优势，我们可以开发多种前景极其乐观的各类应用，GPRS网络经过通信企业的多年建设已成为稳定、成熟、可靠的通信网络，为SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统)系统提供廉价、快速最佳的数据传输解决方案20。本论文将结合ZigBee和GPRS在智能监控方面的优势，将两者应用于智能楼宇管理系统中。1.3 典型室内定位系统1.3.1 室内GPS定位技术当今世界运用最多的定位技术即GPS。尽管它广泛运用，但当它在室内时仍然有大量问题如定位精度降低，因为它还是不能像在室外一样工
23、作不能直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息，但我们可以换个思路可以考虑延长在每个码上的停留时间，尽可能的提高信号的灵敏度。室内GPS技术做了大量的改进，比如说采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，这样就可以更方便的实现快速定位，为什么要用GPS进行定位呢，它的优势就是定位导航信号免费并且覆盖范围大 21。当然也有缺点，就是定位信号不能穿透建筑物，到达地面时较弱。1.3.2 室内无线定位系统(l)RADAR系统21RADAR室内定位系统是Microsoft公司利用“指纹识别技术进行定位进行开发的，它主要依据是对特定环境下的RF信号衰落特征值进行处理，主要依据即RADAR系统主要利用信号强度作
24、为估算接收器与射频发射器间距的依据，当得到信号强度后就以此确定信号衰减与接收器间发射器、墙壁数量的关系，并且可以通过信号强度来建立射频信号的传输信道模型21。RADAR系统是由Microsoft公司开发的，是一种前沿技术，有很多优点的主要优点就是只需要很少基站，并且还采用了无线网络结构，但是任何事物都有两面性，反倒由于它过于依赖无线局域网技术，制约了其节点的种类和电源情况21。1.4 ZigBee定位技术研究现状和发展ZigBee技术是一种新技术，而随着它的出现，出现了很多关于它的定位研究。总体而言，基于ZigBee的研究在国内才刚开始，现阶段还处于利用国外芯片应用开发的层面。表面上国外在硬件
25、芯片、定位算法的理论研究上都已经实现了产品化，但是在实际应用还是处于初级阶段，还是有很多算法存在改进。总体而言在目前还只有4个设备生产商(OEM)的ZigBee套件符合ZigBee联盟规定的标准21。虽然这4个公司都推出了符合ZigBee标准的通信套件，但它们的芯片功能都各有特点可以适合于不同的应用场合。市场上主流的芯片为Freeseale公司的芯片MCl3193和Chipecon公司的芯片CC2420、CC2430，所以用于研究ZigBee技术的定位系统也以它们的芯片为主要核心器件。总体而言，目前存在两种ZigBee定位解决方案21。(l)第一种方案就是基于CC2431片上系统的单芯片定位方
26、案就是在CC2430基础之上增加了基于RSSI的硬件定位引擎，通过输入参考节点的坐标信息，即可输出未知节点的坐标 21，但是CC2431的定位系统要求比较理想化的场地如空旷地才能有较好的效果，不符合复杂的楼道环境，所以在适合本系统。(2)第二种方案就是CC2430/(MCU+CC2420)定位算法，首先它是通过将定位方法前期输入到芯片内部一起处理，然后由CC2430实现网络中节点中信息的传输，它有一个最大的优点就是其定位算法就很灵活的选择21，本文就是利用CC2430芯片进行定位实现的。1.5 论文研究意义与创新点1.5.1 研究意义随着社会的发展，城市化的脚步进一步加快，越来越多的高楼矗立起
27、来，同时对于高楼的管理却越来越欠缺，据不完全统计近两年就发生了多起火灾事故，例如2009年2月9日晚21时许，在建的央视新台址园区文化中心发生特大火灾事故，造成直接经济损失16383万元；2010年11月15日14时，上海余姚路胶州路一栋高层公寓起火，大火已导致58人遇难，另有70余人正在接受治疗；2010年3月15日20时30分左右，河南省郑州市新密市东兴煤业有限公司发生重大火灾事故，造成25人死亡等等。造成如此严重的损失纵然有很多原因，但如果我们从一开始就采用智能楼宇管理系统，对内部人员的所在位置情况了解很清楚，可以减少损失。1.5.2 创新点本论文研究的是基于ZigBee技术的智能楼宇管
28、理系统。论文通过对目前各种国内外无线定位技术的分析研究，借鉴了无线局域网的经典定位技术，利用RSSI和LQI值进行定位，并添加了考勤管理，紧急呼救，温度测试等一系列功能，形成一套完整的智能楼宇管理系统。1.5.3 文章内容安排第1章 介绍ZigBee技术和GPRS技术的研究概况，并对几种典型的室内定位技术进行了分析，在这基础上，提出本文研究的意义与创新点。第2章 介绍了ZigBee技术所依托的硬件平台。第3章 介绍了ZigBee技术软件开发系统，包括组网方式、拓扑结构等一系列功能。第4章 提出了智能楼宇管理系统的设计方案，并对各个功能模块进行逐一分析，搞清其工作原理。第5章 对系统进行实地测试
29、，并对误差进行分析。第6章 对论文进行总结，提出有待于进一步研究的问题。第 2 章 系统硬件开发平台本项目主要采用成都无线龙通讯科技有限公司生产的C51RF-CC2430系列的开发系统，该系统的核心的部件为以8051为内核的CC2430无线片上系统，系统的硬件开发平台包括23：（1）以CC2430芯片为主体的2.4GHz ZigBee高频无线模块，本项目用到了成都无线龙公司生产的两种CC2430 ZigBee模块，一种为通信距离为70米的模块；（2）具有USB接口的CC2430无线单片机实时在线仿真器；（3）GPRS DTU远传模块；（4）配套的USB、电源线、电池盒及其他配置器。 2.1 C
30、C2430简介CC2430是德州仪器（TI）推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它硬件支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 协议，由于它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧且高效的8051控制器芯片，使它具有了优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性8。2.1.1 CC2430芯片的主要特点 CC2430的芯片依然是用了CC2420芯片架构并且有进一步的提升就是在单个芯片整合了ZigBee 射频(RF)前端与微控制器4。 CC2430芯片有很多优点特别是在发射与接收的模式下电流损耗分别不高于27mA，并且它的休眠模式与
31、转换到主动模式都只需要超短时间的特性所以非常适合要求电池的寿命非常长的应用28。图2-1 CC2430的结构图CC2430主要特点如下29：(1) 具备低功耗并且高性能的8051微控制器核；(2) 集成了符合2.4 GHz的IEEE 802.15.4标准的2 RF无线电收发机；(3) 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；(4) 外部的中断或RTC都能唤醒系统，休眠模式时仅有0.9A的流耗；(5) 外部硬件支持CSMA/CA功能；(6) 具有很宽的电压范围(2.03.6 V)；(7) 具有RSSI/LQI支持与DMA功能； (8) 带有2个的USART、l个MAC定时器、1个常规的16位定时器
32、与2个8位定时器29。2.1.2 CC2430 芯片的封装和引脚功能 CC2430芯片共有48个引脚29，图2-2为CC2430的引脚图，全部引脚可分为 I/O端口线引脚与电源线引脚三类。图2-2 CC2430引脚封装图CC2430具有多个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位29。通过软件设定某些SFR 寄存器的位和字节，便可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC与USART部件的外围设备I/O口使用或计时器 29。I/O口具有如下特性29：（1） 可设为通用的I/O口，也可设置为外围I/O口使用；（2） 有上拉和下拉的能力；（3） 除了P1_0、P
33、1_1具有20 mA的驱动能力外，其余IO口都只有4 mA的驱动能力；（4） 全部21个数字I/O口引脚都有响应外部的中断能力，外部设备可对I/O口引脚产生中断信号，且外部的中断事件也可被用来唤醒休眠模式。 2.1.3 芯片典型应用电路 它只需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，因此CC2430 芯片内部结构很完善，图2-3为 CC2430 一种典型应用电路。 图2-3 CC2430典型应用电路CC2430的电路使用的是一个非平衡天线，如果用非平衡天线就可以使连接非平衡变压器性能更好，LNA与PA之间的交换是由内部的T/R交换电路完成的。R221和R261为偏置电阻，电阻R221是用来
34、为 32MHz 的晶振提供合适的工作电流30。2个电容构成一个 32 MHz 的晶振电路与1个32 MHz的石英谐振器（XTAL1）。用2个电容构成一个32.768 kHz 的晶振电路以及1个 32.768 kHz 的石英谐振器（XTAL2）。电压调节器可以为一切需要1.8 V电压的引脚以及内部电源供电，C241和 C421 电容用来电源滤波，这样就可以提高芯片工作的稳定性30。2.2 系统开发套件2.2.1 CC2430无线单片机实时在线仿真器在线仿真是该ZigBee开发系统的核心技术之一，实物图如图2-4所示，C51RF-CC2430-ZDS仿真器包括一个复位按键，电源指示灯，一个USB接
35、口及一根仿真线。图2-4 ZigBee在线仿真器图2-5 在线仿真连接图实时在线仿真器通过USB接口和计算机连接，支持在线下载、仿真和断点调试，可以实现单步、变量观察等在线调试Debug功能，它能够提供高达129kb/s的下载速度2。图2-5为ZigBee模块和仿真器相连接。2.2.2 C51RF协议分析仪C51RF协议分析仪可以全面解码、了解复杂的ZigBee协议栈并可加速程序的调试，它就相当于一台2.4G频谱分析仪、一台高档的逻辑分析仪和数字示波器；C51RF协议分析仪具有强大的数据分析功能，能够抓取空中符IEEE802.15.4的数据包并对其帧结构进行剖析3，图2-6为协议分析仪的开机软
36、件。图2-6 协议分析仪软件的开机画面图2-7 分析仪分析ZigBee数据包界面图2-7为ZigBee协议包括分析界面，在此，我们可以清楚看到一个数据包的帧结构；通过ZigBee协议分析仪，我们还能观察到出错的数据包以及接入错误和信号的灵敏度。因此，协议分析仪有助于我们完全掌握ZigBee网络节点发送所有数据包的情况，它对于ZigBee系统的设计开发者具有非常重要的意义。2.2.3 GPRS模块介绍GPRS模块采用的是广州致远电子有限公司生产的ZWG-23A GPRS DTU，DTU的英文全称为Data Transmit Unit，GPRS无线数传设备也称“GPRS DTU”。DTU为用户的串
37、口设备与远程的电脑之间建立一个数据传输通道31。图2-8为ZWG-23A产品的外形图，我们可以看到，模块的SIM卡座、棒状天线、LED指示灯电源接口、RS232接口。图2-9为ZWG产品的内部结构，我们可以看到，模块内部是由CPU、电源管理、GPRS模块、SIM卡组成的。RS232电平DB9接口宽输入电压：526V内置高效率开关电源金属外壳，抗冲击工业级温度：-25+70天线接口短棒天线自锁SIM卡座LED状态指示图2-8 ZWG-23A产品外形图2-9 ZWG-23A产品内部结构ZWG-23A产品使用5V26V宽范围供电，支持数据中心域名或IP地址的访问、点对点互连，具有断线自动重连、本地和
38、远程固件升级、短信配置与维护和短信和电话唤醒等功能，并支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式31。为了方便用户设置，ZWG-23A GPRS模块提供三种配置方式，第一种为本地配置工具配置，使用图形化的配置工具对模块进行配置，方便快捷；第二种为本地串口命令行方式配置，用户可以使用超级终端或者单片机对模块进行参数配置；第三种为短信配置，用户可以使用手机对DTU进行配置，以应对紧急情况31。第 3 章 系统软件开发平台3.1 ZigBee协议栈概述ZigBee协议栈架构是建立在IEEE 802.15.4标准基础之上，其媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）采用了IEEE 802.15.4标
39、准；ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范是由ZigBee联盟定义的32。ZigBee协议构架如图3-1所示。图3-1 ZigBee协议栈构架3.1.1 物理层概述物理层主要负责开启和关闭无线收发信机、链路能量检测(ED) 质量指示（LQI）、信道选择、空闲信道评估(CCA)、数据发送和接收。ZigBee协议定义了两个物理层(PHY)标准，它们分别是2.4 GHz物理层以及868/915 MHz物理层，这两个物理层使用了相同的物理层数据包，并且都是使用直接序列扩频DSSS技术，它们的区别在于工作频率、信号处理过程和传输速率3，具体如表3-1所示。表3-1 三个频段调
40、制和扩频技术频段/MHZ扩展参数数据参数码片速率/kcips-1调制比特速率/Kbps符号速率/kBauds-1符号868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制24002483.52000O-QPSK25062.516相正交由表3-1可以知道，ZigBee所定义的两个物理层中有三个频段，这三个频段一共是划分了27个信道，其中868MHZ频段有1个信道（信道0），915MHZ频段有10个信道（110），2.4GHz频段有16个信道（1126），由于我国的2.4G为ISM免费的频段系统选择2.4G作为工作频段，2.4G的各信道的中心频率定义如式（3-1）所示
41、22： （3-1）2.4GHz的信道分布如图3-2所示。图3-2 2.4GHz信道分布物理层其中一个作用就是提供了一个从媒体访问控制层到物理层无线信道接口但完成这个功能主要是借助射频硬件以及射频固件的，物理层有管理实体服务的接入点与数据服务接入点，由图3-3可以看到，这两个服务点提供了如下两种服务33：（1） 物理层主要作用就是维护一个由物理层相关的数据组成的信息库（PIB）（2） 通过物理层的管理实体（PLME）服务的接入点（PLME-SAP）为物理层提供服务。数据服务接入点物理层实体服务接入点物理层个域 网络基本信息无线射频服务接入点物理层物理层管理实体图3-3 物理层结构模型3.1.2
42、MAC层概述媒体访问控制层需要处理两层间发送过来的数据，并将处理结果转发给这两层。ZigBee网络的工作模式可以分为非信标(Non-Beaeon)和信标(Beaeon)两种模式，非信标模式则只是允许ZE周期性睡眠，ZC和所有ZR设备则必须长期处于工作状态，而信标模式实现了网络中设备的同步工作和同步睡眠，以此达到最大限度的功耗节省 8。媒体访问控制层的参考模型如图3-4所示，由图可以看到，媒体访问控制层包含一个管理实体，并有两个不同的接入点提供不同的服务，管理实体通过一个服务接口调用媒体访问控制层的管理功能，并负责维护管理对象的数据库，而两个接入点是分别提供了数据服务和管理服务3。MAC层公共部
43、分子层服务接入点（MCPS-SAP）MAC管理实体服务接入点（MLME-SAP）物理层数据服务接入点（PD-SAP）物理层管理实体服务接入点（PLME-SAP）MAC层个域网信息库MAC层公共部分子层MAC层管理实体图3-4 MAC层参考模型IEEE802.15.4媒体访问控制层实现包括确认模式的帧传送和接收、信道接入、设备间的断开与控制、预留时隙管理以及广播信息管理与无线链路建立、维护等。媒体访问控制层处理所有物理层无线信道接入，它的主要功能有如下几点3：（1） 与信标同步；（2） 网络协调器产生网络信标；（3） 处理与维护保护时隙(GTS)机制；（4） 个域网(PAN)链路的建立和断开；（
44、5） 在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。（6） 为设备的安全提供支持；（7） 信道接入方式采用了免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；3.1.3 网络层概述ZigBee网络层的基本功能就是提供必要的函数，确保ZigBee的媒体访问控制层正常工作，并为应用层提供了合适的服务接口8。网络层提供了两个功能服务实体，它们分别是网络层管理实体（NLME）以及网络层数据实体（NLDE），以此向应用层提供接口8，具体如图3-5网络层参考模型所示。网络层数据实体服务接入点（NLDE-SAP）网络层管理实体服务接入点（NLME-SAP）MAC层公共子层服务接入点（MCPS-SAP）MAC
45、层管理实体服务接入点（NLME-SAP）上层实体MAC层实体网络层数据实体网络层管理实体图3-5 网络层参考模型网络层数据实体是专门用来提供数据传输服务，当设备之间传送数据时，将按照应用协议数据单元（APDU）的格式进行传输，网络层数据实体提供如下的服务3：（1）生成网络层协议数据单元（NPDU），在接收到应用支持层协议数据单元时，数据实体对其增加一个协议头，生成网络层的协议数据单元；（2）安全，确保通信的真实性和机密性网络层管理实体提供网络的管理服务，并允许应用和堆栈相互作用。网络层管理实体提供如下服务3：（1）初始化一个网络，使之具有建立一个新网络的能力；（2）配置一个新的设备，能够对设备的各种参数进行配置；（3）路由发现，设备应具有发现和记录有效地址传送信息的网络路由能力；（4）连接和断开网络，建立ZigBee协调器或者路由器；（5）寻址，ZigBee协调器和路由器具有能够为新入网设备分配地址的能力；（6）接收控制，控制设备接收机接收状态的能力，以此保证MAC层的同步和正常的数据接收。 ZigBee协议栈网络层定义了三种网络组网方式，它们分别为：星型网、树状网和网状网32，
