毕业设计（论文）基于ZigBee技术的无线数据采集系统.doc

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1、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技术与数据采集技术相结合，具有广泛的应用前景。本课

2、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

3、。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+ BuilderABSTRACTData acquisition is an important branch of information

4、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-range wireless communication technology, a wireless data acquisition

5、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. ZigBee technology is a bidirectional wireless communication techn

6、ology 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 distance wireless communication. Data acquisition system which comb

7、ines 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 (technique parameters, features, network topologies, and ZigBee2006

8、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 testing module. The wireless transmitting module mainly accomplishes

9、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 characteristics and the function requirements of the whole system, the lower com

10、puter 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 star network building with the features of low power consumption and l

11、ow delay. The upper software programming using Borland C+ Builder 6.0 accomplishes the function of monitoring the node state in the network including data acquiring and processing, curve-drawing, data-saving, and so on.This design is verified by field data acquisition of ZigBee terminal nodes, commu

12、nication 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 overcome through the combination of Zigbee technology and data acquisition technology.Keyword: d

13、ata acquisition, wireless communication, ZigBee technology, CC2430, C+ Builder目 录摘 要IABSTRACTII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 ZigBe

14、e 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223.1 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

15、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314.1.3 ZigBee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

16、.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55

17、6.1.3数据通信测试576.2 本文总结586.3 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，从而提高了产品质量、降低成本。数

18、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，传输速度越来越快，可靠性

19、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。1.2.1 IEEE 802.11标准5, 6IEEE802.11是IEEE（电

20、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2.4GHz，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

21、 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:l 工作在2.4GHz的ISM频段，工作频率无须申请许可。l 使用1Mb/s速率以达到最大限制带宽。l 使用快速调频（1600跳/s）技术抗干扰。l 采用前向纠错方式

22、，减少传输时的干扰。l 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米，传统速度可达4Mbps，同时在点对点通信时要求接口对准角度不超过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

23、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, 4 HomeRF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

24、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 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

25、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、低成本的双向无线通信技术。工作在 2.4 GHz 的 ISM频段上，传输速率

26、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 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

27、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

28、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：1.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

29、：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

30、一些改进完善措施。第二章 系统总体方案设计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

31、网络拓扑结构的变化和网络通信不畅，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：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

32、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，ZigBee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

33、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。4、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

34、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

35、 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

36、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年左右的使用时间。 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

37、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。

38、削减功能设备(Reduced function device, RFD)，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

39、节点，只能与父节点通信，没有加入其它任何节点的能力。ZigBee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，则设备可以用短地址通信。每个PAN协调器都有唯一

40、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。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15

41、16ZigBee 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。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。每一个服务层都通过一个服务访问点

42、(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）、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： 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MA

43、C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。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PSDU。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 lay

44、er 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。2、MAC层IEEE802.15.4标准MAC子层实现包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确认模式的帧的传送和接收，信道接入和控制，帧校验与快速自动请求重发，预留时隙管理以及广播信号

45、管理等。MAC子层处理所有物理层无线信道接入，主要功能有：网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持个域网（PAN）链路的建立和断开；为设备的安全提供支持；信道接入方式采用载波监听多址接入/冲突避免机制（CSMA/CA）；处理和维护保护时隙（GTS）机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。MAC层在服务协议汇聚层（SSCS）和物理层之间提供了一个接口。MAC层包括一个管理实体，该实体通过一个服务接口可调用MAC层管理功能，该实体还负责维护MAC层固有的管理对象的数据库。从图2.5可以看出，在MAC层两个不同服务的接入点提供了两个不同的MAC层服务：MAC层通过它的公共部分子层服务

46、接入点为它提供数据服务；MAC层通过它的管理实体服务接入点为它提供管理服务。图2.5 MAC层参考模型Fig.2.5 The MAC layer reference modelMAC帧，即MAC协议数据单元（MPDU），通常包括三个部分：MAC头、MAC有效载荷和MAC尾，具体结构如表2.2所示。MAC头部分由帧控制字段、帧序号字段和地址信息域组成；MAC子层负载长度可变，具体内容由帧类型确定；帧尾是帧头和负载数据的16位循环冗余码校验（CRC）序列。表2.2 MAC层数据帧结构Tab.2.2 MAC layer frame structure字节数：210/20/2/80/20/2/8可变长

47、度2帧控制帧序号目的PAN标识码目的地址源PAN标识码源地址帧有效载荷FCS地址信息MAC头（MHR）MAC有效载荷MAC尾（MFR）3、 网络层ZigBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体（NLDE）通过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP）提供数据传输服务，网络层管理实体（NLME）通过网络层管理实体服务接入点（NLME-SAP）提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息库（NIB）的维护和管理。图2.6 网络层参考模型Fig.2.6 The NWK layer reference model网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用于堆栈相互作用。网络层管理实体提供如下服务：l 配置一个新的设备：为保证设备正常工作的需要，设备应具有足够的堆栈，以满足配置的需要。配置选项包括对一个