毕业设计（论文）-基于ZigBee的家居防盗系统研究.doc

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1、 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 文献综述 题 目 基于 Zigbee 协议的家庭 防盗系统研制 学生姓名 专业班级 电气工程及自动化 1 班 学 号 系 （部） 电气信息工程系 指导教师(职称) 完成时间 2011 年 2 月 28 日 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 河南工程学院论文版权使用授权书河南工程学院论文版权使用授权书 本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷 本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提 供目录

2、检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家 有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校 可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名： 2011 年 6 月 6 日 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 河南工程学院毕业设计河南工程学院毕业设计(论文论文)原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，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，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体，均已在

3、文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由 本人承担。 论文作者签名： 2011 年 6 月 6 日 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 目 录 中文摘要I 英文摘要II 1 绪论II 1.1 国内外相关技术发展现状 .1 1.1.1 国内外家居防盗系统的发展现状1 1.1.2 无线局域网的发展与研究现状1 1.2 家居防盗系统的特点和设计中考虑因素 .2 1.2.1 传统家居防盗系统的特点和不足2 1.2.2 家居防盗系统设计主要考虑的因素2 1.3 家居防盗系统中无线通信技术的选择 .2 2 家居防盗系统的无线组网技术-ZIGBEE .4 2.1 ZIGBEE 技术的起源

4、 4 2.2 选择 ZIGBEE 技术组建家居防盗网络4 2.3 ZIGBEE 协议架构 4 2.3.1 物理层规范5 2.3.2 MAC 层规范 .5 2.3.3 网络层规范5 2.3.4 应用层规范6 2.4 ZIGBEE 技术安全管理 6 2.5 本章小结 .6 3 ZIGBEE 应用开发相关基础7 3.1 ZIGBEE 应用开发相关概念 7 3.1.1 配置文件7 3.1.2 描述符7 3.1.3 绑定8 3.1.4 发现8 3.2 ZIGBEE设备类型.8 3.3 ZIGBEE网络拓扑.9 3.3.1 星型网络拓扑.9 3.3.2 树状网络拓扑.9 基于 ZigBee 协议的家庭防盗

5、系统研制 3.3.3 网状网络拓扑.10 3.4 ZIGBEE网络构建.11 3.4.1 ZigBee 协调器创建新网络11 3.4.2 设备入网11 3.5 ZIGBEE网络地址分配机制.11 3.5.1.随机分配机制.11 3.5.2.分布式分配机制.11 3.6 路由12 3.7 数据传输13 3.7.1 向协调器传输数据.13 3.7.2 协调器传输数据.13 3.7.3 对等传输数据.14 3.8 本章小结14 4 基于 ZIGBEE 的家居防盗系统设计.15 4.1 系统总体规划 .15 4.1.1 系统总体方案设计15 4.1.2 网络拓扑结构选择15 4.1.3 配置文件设计1

6、6 4.2 系统硬件设计 .16 4.2.1 ZigBee 模块设计.16 4.2.2 系统传感器节点设计17 4.3 本章小结18 5 系统软件设计.19 5.1 ZIGBEE 模块相关软件设计 19 5.2 PC 监控软件设计22 5.3 本章小结22 结束语.23 致 谢.24 参考文献.25 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 I 基于 ZigBee 的家居防盗系统研究 摘摘 要要 随着科技的进步和人民生活水平的日益提高，人们将注意力越来越多地放在了他 们的生活环境上，他们渴望更安全、更舒适、更便利的生活空间。家居防盗系统利用 计算机技术和网络技术，将与家居生活中安全相关的各种

7、子系统，有机地结合在一起， 通过统筹管理，为人们提供更安全、更舒适、更便利的居住环境。 本文介绍了家居防盗系统的国内外发展概况，综合比较了目前流行的几种短距离 无线通信技术，认为 ZigBee 这种新兴的低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术 是更加适合无线家居防盗系统的技术标准。所以选择 ZigBee 技术组建了家居防盗系统 无线通信网络，该网络采用网状网络拓扑结构，具有自组网、自修复、传感器节点动 态加入、自动报警功能。 本文深入地对 ZigBee 协议做了全面的研究分析，包括各个通信协议层的结构与功 能，在此基础上介绍了 ZigBee 技术应用开发的相关概念，并采用 TI 公司的单芯片

8、 CC2430 解决方案设计实现了一个基于 ZigBee 家居防盗系统，设计内容包括系统总体 规划、系统硬件设计和系统软件设计。 关键词关键词 ZigBee/CC2430/家居防盗 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 II Research of Home Security System Basedon ZigBee ABSTRACT With the development to modern science and the raising of peoples living standard, people pay more and more attention to their

9、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 home life together and manages the m

10、asawhole,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 technology standards which are pop

11、ular 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 network with me shtopology.This netw

12、ork 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 related to the ZigBee application d

13、evelopment. 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 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 1 1 绪论 1.1 国内外相

14、关技术发展现状 1.1.1 国内外家居防盗系统的发展现状 自从世界上第一幢智能建筑于 1984 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大 利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居防盗系统方案。近来， 以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业，先后跻身于智能家居防 盗系统的研究与开发中，3COM 公司也一直在通过因特网向用户宣传智能家居防盗系 统这一概念，并正在研发家用无线网关等网络产品。此外 Intel 公司、托马杜多媒体公 司、日本松下电器公司、新加坡科技电子公司、韩国三星公司等知名企业也正致力于 智能家居防盗系统的研发工作。 在国外各大企业研发智能家居防盗产品的同

15、时，国内厂商也已开始智能家居防盗 产品的研发和生产，特别是一些大型 IT 企业利用自身在资金与技术方面的优势，在 低端产品市场上占据了相当重要的地位。比如：清华同方 e-home 事业部、北京德达 创先科技集团、南京普天楼宇智能有限公司、中美科龙公司、上海五艾智能系统有限 公司、深圳正星特科技有限公司等都正加紧研发智能家居防盗系统的相关产品。 总体来说，中国的家居防盗行业刚刚起步，它还显得比较稚嫩。国家尚没有正式 颁布相关的行业技术标准，厂家采用各自不同的技术解决方案，这在某种程度上制约 了中国家居防盗行业的发展，在今后相当长一段时间内技术的整合趋势将形成统一的 标准。而且目前大都采用了有线通

16、信技术，系统设计、布线成本较高，基于无线通信 技术的家居防盗系统目前还处于试验阶段。 1.1.2 无线局域网的发展与研究现状 无线局域网是计算机间的无线通信网络。相比有线通信的悠久历史，无线网络的 历史并不长，特别是充分发挥无线通信的“可移动”特点的无线局域网则是 20 世纪 90 年代才出现的。1985 年，美国联邦通信委员会(Federal Communication Committees， FCC)授权普通用户可以使用 ISM 频段，把无线局域网推向商业化发展。 FCC 定义的 ISM 频段为 902-928MHz，2.4-2.4835GHz 和 5.725-5.875GHz 三个频段。

17、 目前世界上大部分国家的无线电管理机构也分别设置了各自的 ISM 频段，1996 年我 国无线电管理委员会开放了 2.4-2.4835GHz(IEEE 标准)的 ISM 频段。ISM 频段的免 费开放对无线产业的发展产生了巨大的积极影响，保证了无线局域网元器件的顺利开 发。近几年，由于数据通信需求的推动，加上半导体、计算机等相关电子技术领域的 快速发展，短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段。各种新的短距离无线 技术不断的被提出并取得了令人瞩目的成就。如 WLAN 技术、HOMERF 技术、蓝牙 技术、红外通信技术、移动自组织网络技术(Ad-Hoc),以及近年兴起的 ZigBee 技术等

18、。 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 2 1.2 家居防盗系统的特点和设计中考虑因素 1.2.1 传统家居防盗系统的特点和不足 传统的家居防盗系统一般是有线方式组建的普遍还存在以下缺点： 1基于有线方案的明显缺点是布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观； 2系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差； 3标准不统一，家居内部设备的通信和控制没有遵循一个国际上统一的通信接口 标准，设备在家居内部的编码方式随意混乱。 1.2.2 家居防盗系统设计主要考虑的因素 针对以上提出的目前家居防盗系统中存在的不足，本文从技术发展的角度来考察 设计中应考虑的因素。与家居数据通信网络的核心

19、目标不一样，家居防盗系统网络需 要的是低速率、低成本的控制手段。从实用的角度来看，防盗系统需要的是能提供更 便利、更智能的无线通信网络。在家居防盗网络中，应该要考虑以下特点： 1自组织。不能期望用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资 源的自组织和协同工作显得十分重要； 2节点的动态加入或撤离。要求节点的动态加入和撤离不会影响整个网络的运行； 3可扩展性。期望软硬件设计过程中能够遵循模块化设计思想，在将来的扩展过 程中能够改动较少，甚至无需修改。 1.3 家居防盗系统中无线通信技术的选择 家居防盗系统中，网络技术的选择一般以下面两个方面作为依据：一是组建网络 的性能要求，如数据传输

20、速率、可靠性等；另一个就是能否满足用户的功能需求。与 家居数据网络的核心目标不同，家居防盗系统需要的是短距离、低速率、低功耗、低 成本的监测和控制手段以及灵活的组网方式。 目前比较流行的无线标准有 WiFi 技术、蓝牙技术、GPRS/GSM 等等。ZigBee 技术和蓝牙技术都属于 IEEE802.15 协议，在一定的范围内有重叠，但其各自的技术 特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同。ZigBee 技术作为一种低功耗、低数据速 率、低成本的无线网络技术，更适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据速率 传输的低成本设备之间应用，而蓝牙更适合于语音业务及需要更高数据量的业务，如 移动电话、耳机

21、等。ZigBee 与蓝牙技术相比较有许多相似点，但就应用于家庭网络中 来说，ZigBee 技术更具优势。蓝牙的传输距离小于 10 米，这在大一点的家庭住宅中 是一个极大的障碍，因而很难构成无线通信网络，而 ZigBee 的最大传输范围在 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 3 10100 米，非常适合家庭网络的组建；其次，在一个蓝牙网络中最多容纳 8 个节点， 而 ZigBee 理论上最大可以组建 65536 个节点的网络，其网络容量远远大于蓝牙，可 以远远满足家庭网络的需要；最后，蓝牙模块的成本较高，其功耗也比 ZigBee 相比大 很多。虽然蓝牙的传输速率要大过 ZigBee，但

22、ZigBee 的 250kbps 的传输速率在家庭 网络中已足够使用。而 IEEE802.11 是 IEEE 最初制订的一个无线局域网标准，主要 用于办公室局域网和校园网，由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要， IEEE 小组又相继推出了 IEEE802.11b/a/g 标准，但这都是高速率传输协议，用于家居 控制网络有些大材小用，而且价格昂贵。 另外，在家庭防盗网络中，往往有很多子节点采用电池供电，例如分布在住宅各 处的传感器节点，这就需要极低的功耗且在通常状态下应具有休眠状态，从而最大程 度地延长电池的寿命，减少网络的维护费用，降低系统的成本，ZigBee 在低功耗方面 有出色的表

23、现，ZigBee 主要通过降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率，降低帧开 销以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。 再者，ZigBee 技术的数据传输可靠性高：采取了 CSMA-CA 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 层可以 使用完全确认的数据传输机制，此时每个发送的数据包都必须等待对方的确认信息。 值得说明的还有一点，ZigBee 技术通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，设备 搜索时延典型值为 30ms，休眠激活时延典型值为 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms。 通过上述分析，可以得出结论

24、，ZigBee 技术无疑是家庭无线防盗系统实现的一个 很好的选择。ZigBee 技术弥补了短距离、低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空 缺，随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量已经转到应用的设计和实现 上了。 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 4 2 家居防盗系统的无线组网技术-ZigBee 2.1 ZigBee 技术的起源 “ZigBee”一词源自蜜蜂在发现花粉位置时，通过跳 ZigZag 形舞蹈来告知同伴， 传递所发现新食物的位置、距离和方向等信息。可以说，是一种小动物通过简捷的方 式实现“无线”的沟通，人们借此来称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低 速率的短距

25、离无线网络通信技术。ZigBee 早期也曾被称过“HomeRF Lite” 、 “RF- EasyLink”或“FireFly”无线通信技术，目前统一称之为“ZigBee 技术” 。 现实生活中，也存在着许多这样的无线应用，系统所传输的数据通常为小量的突 发信号，要求进行实时传送，例如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭 数字控制网络等应用，系统所传输的数据量小，传输速率低，系统所使用的终端设备 通常为采用电池供电的嵌入式设备，如无线传感器网络，因此，这些系统必须要求传 输设备具有成本低、功耗小的特点，针对这些特点和需求，由英国 Invensys 公司、日 本三菱电气公司、美国摩托罗拉

26、公司以及荷兰飞利浦等公司在 2002 年共同宣布组成 ZigBee 技术联盟，合力推动 ZigBee 技术。到了 2004 年底，ZigBee1.0 版标准正式 公布。2004 年底到 2006 年不到两年的时间里，ZigBee 联盟已经由最初的十多家公 司发展到拥有全世界 150 多家知名厂商加盟的商业团体。在众多厂商的追捧下， ZigBee 技术正呈现出蓬勃的发展态势。 2.2 选择 ZigBee 技术组建家居防盗网络 1. 采用标准化的 ZigBee 无线通信技术应用于家居防盗系统有下列优势： 家居防盗系统中各种功能的传感器节点要能相互交流、相互沟通，就需要保证节点的 互通性，即网络的标

27、准化。 2家居防盗系统中各种功能的传感器节点可以像一个星状连接；也可以像一个葡 萄串一样串在一起；还可以像一张大网一样相互连接，相互间可以在任意节点间进行 通信。 3按照 ZigBee 标准设计生产出来的监测和控制产品，与那些使用其他无线标准 （如蓝牙和 Wi-Fi）的产品相比，安装更容易，功耗更低；特别是在处理远程监测和 控制系统中，区别更加明显。 2.3 ZigBee 协议架构 ZigBee 协议架构是建立在 IEEE802.15.4 标准基础之上的。IEEE802.15.4 标准定 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 5 义了 ZigBee 协议的物理层（PHY）和媒体访问控制层

28、（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。ZigBee 协议栈 以 OSI 七层参考模型为基础，只定义了其中与 LR-WPAN（低速无线个域网）应用相 关的协议层。 服务是一个协议层（服务提供者）向其上一层（服务用户）提供的功能，而服务 用户的功能是建立在其下一层提供的服务基础之上的。服务是通过服务提供层和服务 用户层之间的信息流来描述的，层间信息流是一系列离散的事件，每个事件通过层间 SAP（服务访问点）发送一个服务原语。服务原语是一个抽象的概念，它仅仅指定了 实现特定的服务需要传递的信息，而与实现服务的具体方式无关。

29、一种服务包括一个 或多个服务原语，原语中的参数用来传递提供服务所要求的信息。 2.3.1 物理层规范 IEEE802.15.4 物理层主要完成以下几项任务： 1开启和关闭无线收发信机； 2对当前信道进行能量检测（ED，Energy Detect） ，信道能量检测为网络层提供 信道选择依据； 3对接收的数据包进行链路质量指示（LQI，Link Quality Indication） ，链路质量指示 为网络层和应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息； 4空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment） ，判断信道是否空闲； 5信道频率选择； 6发送和接收数据。 2.

30、3.2 MAC 层规范 MAC 层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责以下任务： 1产生网络信标（如果设备是协调器） ； 2同信标保持同步； 3支持 PAN 的连接和断开连接； 4支持设备的安全性； 5信道接入采用 CSMA-CA 机制； 6处理和维护 GTS 机制； 7在对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。 2.3.3 网络层规范 网络层应提供保证 IEEE802.15.4-2003 MAC 层正确工作的能力并为应用层提供合 适的服务接口。为了与应用层接口，网络层从概念上包括两个服务实体：网络层数据 服务实体和网络层管理服务实体。网络层数据实体（NLDE）通过 NLDE-SA

31、P 为应用 层提供数据服务；网络层管理实体（NLME）通过 NLME-SAP 为应用层提供管理服 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 6 务。NLME 要借助 NLDE 完成部分管理任务，另外它还要维护一个有关管理对象的数 据库，即网络层信息库（NIB） 。 2.3.4 应用层规范 ZigBee 应用层包括应用支持子层（APS） 、ZigBee 设备对象（ZDO）和厂商定义 的应用对象。 2.4 ZigBee 技术安全管理 ZigBee 提供了三级安全模式，包括非安全模式、接入控制列表（ACL）模式和安 全模式，以及采用高级加密标准 AES128 的对称密码，以灵活确定其安全属性。安全

32、 模式对接收或发送的帧提供全部的四种安全服务：访问控制、数据加密、帧完整性检 查和序列更新。 2.5 本章小结 本章对 ZigBee 技术作了完整的介绍，包括 ZigBee 技术的起源、协议框架以及 各个通信协议层。其中详细分析了各个通信协议层的具体功能与作用，最后简单介绍 了 ZigBee 技术安全管理。 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 7 3 ZigBee 应用开发相关基础 3.1 ZigBee 应用开发相关概念 3.1.1 配置文件 配置文件（Profile）是一个关于消息、消息格式和处理行为的协议，它使得位于分 离设备的应用层能通过发送命令、请求数据和处理命令/请求来创建一

33、个互操作的、分 布式的应用程序。家庭照明控制配置文件是最早的配置文件，该配置文件允许 6 个设 备类型相互交换控制信息构成一个家庭无线自动化应用。这些设备结合在一起交换约 定消息（采用 KVP 服务类型）来实现控制，如开关灯、发送光感应器件的测量结果 到照明控制器、感应器检测到移动时发出报警信息等。 ZigBee 联盟已经定义了部分标准的配置文件，比如远程控制开关配置文件和光传 感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节点都可以与实现相同配置文件的节 点进行互操作。用户也可以创建自己的配置文件然后递交 ZigBee 联盟测试、审核批 准。配置文件标识是唯一的。一旦得到配置文件标识，就允许配置

34、文件设计者定义并 分配以下内容：设备描述、簇标识、服务类型（KVP 或 MSG） 。 1簇标识 簇由簇标识区分，簇标识与流出或流入设备的数据是相关联的。簇标识在特定的 配置文件中是独一无二的。通过一个输出簇标识和一个输入簇标识的匹配（假设在同 一个配置文件中） ，才能实现绑定。 2设备描述 设备描述是指一个大型目标应用的一部分，包括一个或多个簇，并且指定簇是输 入还是输出。 3服务类型 应用框架可以给一个应用对象提供两个数据服务：键值对服务和消息服务。 3.1.2 描述符 ZigBee 设备用描述符数据结构对自身进行描述。ZigBee 描述符分为 5 种：节点、 节点电源、简单的、复杂的、用户

35、。 1节点描述符 节点描述符包含的是有关 ZigBee 节点能力的信息，该描述符对各个节点都是强 制支持的。在一个节点中只有一个节点描述符。 2节点电源描述符 节点电源描述符动态指示节点电源的状态，它是每个节点必须支持的描述符。每 个节点只能有一个节点电源描述符。 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 8 3简单描述符 简单描述符包含的是节点中各端点的特定信息。简单描述符是节点中的每个端点 必须支持的描述符。 4复杂描述符 复杂描述符包含的是节点中各个设备描述的扩展信息。复杂描述符的使用是可选 的。 5用户描述符 用户描述符包含的信息允许用户使用用户友好的字符串来标识设备。用户描述符 的

36、使用是可选的。该描述符只有一个 16 字节的字段，最多包含 16 个字符。 3.1.3 绑定 ZigBee 定义了一个称为端点绑定的特殊过程。绑定即在源节点的某个端点 （Endpoint）和目标节点的某个端点（Endpoint）之间创建一条逻辑链路。绑定可以发 生在两个或多个设备之间。协调器节点维护一个基本上包括两个或多个端点之间的逻 辑链路的绑定表。 3.1.4 发现 1设备发现 设备发现是一个 ZigBee 设备通过发起询问（广播和单播）发现其他 ZigBee 设 备的过程。这里有两种形式的设备发现请求：IEEE 地址（64 位）请求和 NWK 地址 （16 位）请求。IEEE 地址请求是

37、单播，并且假定知道 NWK 地址。NWK 地址请求 是广播，并把 IEEE 地址作为它的净载荷。 2服务发现 服务发现是接收设备端点的服务被其他设备发现的过程。服务发现通过向给定设 备的每个端点发出轮询或通过使用一个匹配服务特征（要么广播，要么单播）得以完 成。服务发现使用了复杂描述符、用户描述符、节点描述符或功率描述符加上端点 （为了连接应用对象）进一步寻址的简单描述符。 3.2 ZigBee 设备类型 ZigBee 是 ZigBee 联盟在 IEEE802.15.4 定义的物理层（PHY）和媒体访问控制层 （MAC）基础之上制定的一种 LR-WPAN（低速无线个域网）技术规范。对于网络中

38、的设备，IEEE802.15.4 和 ZigBee 联盟所制定的标准分别有不同的定义方法和规范术语。 根据设备功能的不同，IEEE802.15.4 把网络中的设备分为全功能设备（FFD）和简化功 能设备（RFD） 。FFD 实现了 IEEE802.15.4 协议的全集，而 RFD 则根据特定的应用需 要只实现了 IEEE802.15.4 完整协议中的一部分。一个 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 协调器是 PAN 网的总控制器， 一个 IEEE802.15.4 网络中只有一个 PAN 协调器，PAN 协调器必须是 FFD。协

39、调器也 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 9 是 FFD，它通过发送信标提供同步服务，PAN 协调器是一种特殊的协调器。 IEEE802.15.4 网络中除 PAN 协调器和协调器之外的其他设备都是一般设备，它们可以 是 FFD，也可以是 RFD。ZigBee 联盟把 IEEE802.15.4 中定义的 PAN 协调器、协调器 和一般设备分别称作“ZigBee 协调器” 、 “ZigBee 路由器” 、 “ZigBee 终端设备” 。 3.3 ZigBee 网络拓扑 3.3.1 星型网络拓扑 星型网络拓扑包含了一个 ZigBee 协调器和一个或更多的终端设备。星型网络拓扑 如图 3-

40、1 所示，所有的终端设备都只与 ZigBee 协调器通信。如果某个终端设备需要传 输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到 目标接收器终端设备。 图 3-1 星型网络拓扑 星型网络拓扑的最大优点是结构简单。这种简单带来的好处是：很少有上层协议 需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息、管理简便。但是这种简单是以牺 牲灵活性为代价的，因为需要把每个终端节点放置在 ZigBee 协调器的通信范围之内， 这必然会限制无线网络的覆盖范围。另外，星型网络拓扑很难实现高密度网络扩展， 集中的信息涌向中心节点，容易形成热点，导致通信堵塞、丢包、性能下降等，这取 决于数据

41、量的情况。目前，星型网络结构是最常见的网络配置结构，被大量应用在远 程监测和控制中。 3.3.2 树状网络拓扑 树状网络拓扑结构是多个星型拓扑的集合。如图 3-2 所示。终端设备可以选择加 入 ZigBee 协调器或者 ZigBee 路由器。路由器提供两种功能的服务。一是为整个网络 增加可能的节点数。二是扩展网络覆盖的物理范围。有了路由器以后，终端设备不需 要在协调器的射频范围内也可以加入网络。在树状网络中，所有的信息都由树节点来 组织路由。 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 10 图 3-2 树状网络拓扑 树型拓扑结构最值得注意的地方就是它保持了星型拓扑的简单性：较少的上层路 由信

42、息、较低的存储器要求，这样成本必然也较低。然而，树型拓扑结构也不能很好 地适应外部的动态环境。从图中可以看出，在信息源与目的之间，有且仅有一条传输 路径，任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。树型拓扑结构的最佳应 用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好地用在一些简单的低数据量（如传感器） 的大规模集合的应用之中。如果应用需要一定的覆盖范围，网络有一定的稳定性和扩 展性，树型拓扑结构将是一个简单的选择。 3.3.3 网状网络拓扑 网状网类似于树状网络配置，如图 3-3 所示。只是 FFD 可以直接把消息发送给其 他的 FFD 而不用沿着树来传输。来自 RFD 的消息依然要通过它的父节

43、点来转发。网状 网络拓扑的优势在于减少了消息传输的时延并且增加了可靠性。 图 3-3 网状网络拓扑 网状网络拓扑是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。从图中可以 看出，网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。网状网络拓扑与星型网络拓扑、 树型网络拓扑相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定可知的路由模 式。 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 11 3.4 ZigBee 网络构建 3.4.1 ZigBee 协调器创建新网络 ZigBee 协调器按如下步骤创建新网络。1信道能量检测扫描。NLME 将根据能量 递增的顺序对信道排序并剔除其中能量强度不符合要求的信道。2N

44、LME 在剩下的信 道上执行主动扫描。为了找到最合适创建新网络的信道，NLME 检索主动扫描返回的 PAN 描述符，找到其中现存网络最少的第一个信道作为创建新网络的工作信道。 3NLME 为新网络选择一个 PANID。如网络层的请求原语中指定了 PANID，并且与 现存网络的 PANID 不冲突，那么 PANID 的值就是新网络的 PANID；否则，设备将随 机选择一个唯一的且不大于 0x3fff 的 PANID，并将 MAC 层属性 macPANID 设为选定 的 PANID，如果没有唯一的 PANID 可选，创建新网络失败。4选择 16 位网络地址。 ZigBee 协调器的 NLME 选择

45、 0x0000 作为自己的网络地址，并将 MAC 层属性 macShortAddress 的值设为 0x0000.5开始启动新网络。 3.4.2 设备入网 当网络中的 ZigBee 协调器或 ZigBee 路由器允许一个新设备加入网络时，这两个 设备就构成了父子关系。新加入的设备是子设备，而第一个设备是父设备。 。一个子设 备可以通过下面两种方式加入网络：通过 MAC 层关联过程加入网络或由先前指定的父 设备直接加入网络。 一个被直接加入到网络中的设备为了完成与父设备的关系建立，将启动孤立申明 过程，即子设备通过孤立申明加入网络；一个加入到网络中的子设备又与父设备失去 联系时，要重新加入网络也

46、要启动孤立申明过程，即子设备通过孤立申明重新加入网 络。 3.5 ZigBee 网络地址分配机制 3.5.1.随机分配机制 随机分配机制是指当 NIB 的 nwkAddrAlloc 值为 0x02 时，地址随机选择。在这种 情况下 nwkMaxRouter 就无意义了。随机地址分配应符合 NIST 测试中的描述 。当一 个设备加入网络使用的是 Mac 地址，其父设备应选择一个尚未分配过的随机地址。一 旦设备已分配一个地址，它没有理由放弃该地址，并应予以保留，除非它收到声明， 其地址与另一个设备冲突。此外，设备可能自我指派随机地址，比如利用加入命令帧 加入一个网络。 3.5.2.分布式分配机制

47、每个 zigbee 设备应该拥有一个唯一的 MAC 地址。协调器（coordinator）在建立网 络以后使用 0x0000 做为自己的短地址。在路由器（router）和终端(enddevice)加入网络 基于 ZigBee 协议的家庭防盗系统研制 12 以后，使用父设备给它分配的 16 位的短地址来通讯。 16 位的地址意味着可以分配给 65536 个节点之多，地址的分配取决于整个网络的 架构，整个网络的架构由这 3 个值决定： 1.网络的最大深度(Lm)； 2.每个父亲设备拥有的孩子数(Cm)； 3.第 2 条的孩子设备当中有几个是路由器(Rm)。 有了这 3 个值就可以根据下面的公式来算

48、出某父设备的路由器子设备之间的地址 间隔 Cskip(d)： otherwise Rm-1 Rm*Cm-Rm-Cm1 1m if1-d-mm1 dskip 1 -d-Lm ， ），（ ）（ RLC C 上面这个公式是用来计算位于深度 d 的父亲设备的，它所分配的子路由器之间的 短地址间隔。该父亲设备分配的第 1 个路由器地址=父亲设备地址+1，分配的第 2 个路 由器地址=父亲设备地址+1+Cskip(d)，第 3 个路由器地址=父亲设备地址+1+2Cskip(d)， 依次类推。 计算终端地址： 这个公式是来计算 A parent 这个父亲设备分配的第 n 个终端设备的地址 A n。 3.6

49、路由 ZigBee 协调器和路由器将提供以下一些功能：1代表高层转发数据帧；2代表 其他 ZigBee 路由器转发数据帧；3为后面的数据帧建立路由而参与路由发现；4代 表终端设备参与路由发现；5参与端到端路由修复；6参与本地路由修复；7使用 路由发现和路由修复中指定的 ZigBee 路径成本度量。此外，ZigBee 协调器和路由器还 可能提供下列路由功能：1为记住最好的可用路由而维护路由表；2代表上层启动 路由发现；3代表其他 ZigBee 路由器启动路由发现；4启动端到端路由修复； 5代表其他 ZigBee 路由器启动本地路由修复。 ZigBee 协调器或 ZigBee 路由器还可能预留一些路由记录表专用于路由修复和在其 他路由能力都耗尽的时候才使用。所谓路由表能力是指设备使用路由表能够建立起一 条到达特定目的设备的路由。如果一个设备是 ZigBee 协调器或 ZigBee 路由器，它维 护的路由表中有空闲的路由表记录或已经有一个与目的设备对应的路由表记录，并且 正在尝试路由修复的设备预留了专用于路由修复的路由表记录，那么