無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、HUBEI NORMAL UNIVERSITY無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)論文Courses Thesis課程名稱無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)論文題目無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件概略學(xué)生姓名何 剛學(xué) 號(hào)2012115020342指導(dǎo)教師柯宗武所在院系計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)名稱通信工程完成時(shí)間2015/1/1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)第一講：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一、短距離無(wú)線通信紅外（IrDA）例控、Blue Tooth（藍(lán)牙）可穿設(shè)備、WIFI、802.15.4（MAC）、UWB（超寬帶）、ZigBee等。二、無(wú) 線 網(wǎng) 絡(luò)1.有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)：需要固定基站,如使用的手機(jī)，屬于無(wú)線蜂窩網(wǎng)，需要高大的天線和大功率基站來(lái)支持，基站就是最重要的基礎(chǔ)

2、設(shè)施；使用無(wú)線網(wǎng)卡上網(wǎng)的無(wú)線局域網(wǎng)，由于采用了接入點(diǎn)這種固定設(shè)備，也屬于有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)。2.無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)：2.1移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點(diǎn)是分布式的，沒(méi)有專門的固定基站。無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)分為兩類: 一類是移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc Network,簡(jiǎn)稱MANET)，終端是快速移動(dòng)的；另一類就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)是靜止的或者移動(dòng)很慢。2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)定義是這樣的：傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的

3、方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。 它的英文是Wireless Sensor Network, 簡(jiǎn)稱WSN。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)：終端節(jié)點(diǎn)（采集數(shù)據(jù)）、匯聚節(jié)點(diǎn)、路由器（konter）、協(xié)調(diào)器。五層協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。物理層負(fù)責(zé)載波頻率的產(chǎn)生、信號(hào)調(diào)制、解調(diào)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體接入和差錯(cuò)控制；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制；應(yīng)用層負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)等具體業(yè)務(wù)。三、基本工作過(guò)程(1) 傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器模塊完成計(jì)算與控制功能，射頻模塊完成無(wú)線通信傳輸功能，傳感器

4、探測(cè)模塊完成數(shù)據(jù)采集功能，通常由電池供電，封裝成完整的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。(2) 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)只需要具有處理器模塊和射頻模塊，通過(guò)無(wú)線方式接收探測(cè)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，再傳輸給有線網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)或服務(wù)器。(3) 各種類型的低功耗網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者混合型的ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有的路由節(jié)點(diǎn)還可以采用電源供電方式。四、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集部分（傳感模塊）、處理模塊（CPU）和無(wú)線通信模塊組成： 從無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的角度來(lái)看，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)三個(gè)部分。 類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層

5、、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。五、傳感器節(jié)點(diǎn)的限制條件 傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)獲取子網(wǎng)、數(shù)據(jù)分布子網(wǎng)和控制管理中心三部分組成。主要組成部分是集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)議自組織成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線電波傳輸給信息處理中心。傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，存在一些限制和約束。 1、電源能量有限 耗能模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量主要消耗在無(wú)線通信模塊上。傳感器節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能；傳輸l比特信息100

6、m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令所消耗的能量。2、通信能力受限，傳輸距離小，采用多跳方式通信 通常無(wú)線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系符合如下規(guī)律：；n滿足關(guān)系2<n<4。n的取值與很多因素有關(guān)，如傳感器節(jié)點(diǎn)部署貼近地面時(shí)，障礙物多、干擾大，n取值就大；天線質(zhì)量對(duì)信號(hào)發(fā)射質(zhì)量影響也很大。通常取n為3，假定通信能耗與距離三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗會(huì)急劇增加；在滿足通信連通性的前提下應(yīng)盡量減少單跳的通信距離。3、計(jì)算和存儲(chǔ)能力受限，處理能力低，內(nèi)存小花費(fèi)少節(jié)點(diǎn)是微型嵌入式設(shè)備，價(jià)格低、功耗小，導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

7、的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。六、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)具有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、斷接性、電源能力局限性等共同特征；在組網(wǎng)方面具有一些鮮明的自身特點(diǎn)。它的主要特點(diǎn)包括自組織性、以數(shù)據(jù)為中心、應(yīng)用相關(guān)性、動(dòng)態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大和需要高的可靠性等。七、傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況（一）民事應(yīng)用智能家居（智慧城市）、智慧醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、物種保護(hù)等（二）軍事應(yīng)用監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)等八、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)1.無(wú)線通信技術(shù)；2.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂疲康氖茄娱L(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期）；3.嵌入式操作系統(tǒng)（微操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）；4.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；5.數(shù)據(jù)融合（減少網(wǎng)絡(luò)流量）；6.安全技術(shù)；7.時(shí)間

8、同步；8.定位技術(shù)（GPS）；9.數(shù)據(jù)管理；10.應(yīng)用技術(shù)。九、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)微處理器（自帶無(wú)線傳輸）第二講：ZigBee協(xié)議棧ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飛翔和“嗡嗡”地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee

9、早期也被稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”無(wú)線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee技術(shù)。一、ZigBee的特點(diǎn):1.數(shù)據(jù)傳輸速率低：一般在0-250kb/s；2.自組織：ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)在傳輸過(guò)程中采取了碰撞避免策略。3.低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。4.低成本：由于ZigBee模塊的復(fù)雜度不高，ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)，再加之使用的頻段無(wú)需付費(fèi)，所以它的成本較低。通過(guò)大幅度

10、簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼。5.喚醒時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜素設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。相比較，藍(lán)牙需要3-10s、WiFi需要3s。6.網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可有65536個(gè)節(jié)點(diǎn)，是16位編址。7.數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了基

11、于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES-128）的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)。8.工作頻段廣：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，2.4GHz（全球）、915MHz（美國(guó)）和868MHz（歐洲）。二、ZigBee設(shè)備類型:1.半功能設(shè)備(精簡(jiǎn)功能設(shè)備)RFD：終端設(shè)備（End-device），一個(gè)終端設(shè)備對(duì)于維護(hù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒(méi)有具體的責(zé)任，所以它可以睡眠和喚醒看它自己選擇。因此他能作為電池電節(jié)點(diǎn)。不能做的事，存放路由信息，路由列表。占有

12、或者形成網(wǎng)絡(luò)，允許其它設(shè)備加入自己，掃描并發(fā)現(xiàn)一個(gè)PAN 并加入它，向父節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)并收到信息，該功能可以關(guān)閉，可移動(dòng)，CPU 與射頻可以被關(guān)斷。（感知）2.全功能設(shè)備：2.1協(xié)調(diào)器（Coordinator ）FDD：它包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3種設(shè)備最復(fù)雜的，存儲(chǔ)容量大、計(jì)算能力最強(qiáng)。它主要用于發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由信息并且不斷的接收信息。一旦網(wǎng)絡(luò)建立完成，這個(gè)協(xié)調(diào)器的作用就像路由器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 。 協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò) ID( 也稱之為 PAN ID ，即 Personal Area Network ID) ，隨后

13、啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。允許其他設(shè)備加入它，加入該網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備在睡眠時(shí)，為終端節(jié)點(diǎn)作緩沖器，提供綁定和地址列表服務(wù)，路由信息，維護(hù)動(dòng)態(tài)路由，可以有I / O能力，管理安全。 （構(gòu)造管理網(wǎng)絡(luò)）2.2路由器（Router）FDD：它的執(zhí)行功能包括允許其它設(shè)備加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，跳躍路由，輔助子樹(shù)下電池供電終端的通信。通常，路由器全時(shí)間處在活動(dòng)狀態(tài)，因此為主供電。但是在樹(shù)狀拓?fù)渲?，允許路由器操作周期運(yùn)行，因此這個(gè)情況下允許路由器電池供電。沒(méi)有自己的PAN，也不自動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)PAN ；主要功能是掃描加入一個(gè)已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)本機(jī)已經(jīng)加入PAN時(shí),允許其它設(shè)備加入它，路由信息，動(dòng)態(tài)路由維護(hù)，為正在休眠的設(shè)備充當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖

14、器，支持加密信息傳送，允許對(duì)一些IO進(jìn)行控制，射頻收發(fā)器一直被開(kāi)啟。（路由、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、感知）一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。上述的三種設(shè)備根據(jù)功能完整性可分為全功能(FFD)和半功能(RFD)設(shè)備。其中全功能設(shè)備可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，而半功能設(shè)備只能用于終端設(shè)備。一個(gè)全功能設(shè)備可與多個(gè)RFD設(shè)備或多個(gè)其它FFD設(shè)備通信，而一個(gè)半功能設(shè)備只能與一個(gè)FFD通信。三、ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）支持星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。星狀網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)渲芯W(wǎng)絡(luò)由ZigBee 協(xié)調(diào)器的設(shè)備控制。ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備,其

15、它設(shè)備，稱為終端設(shè)備直接與ZigBee 協(xié)調(diào)器通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)狀和樹(shù)型拓?fù)渲?，ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，選擇某些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，但是網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)使用ZigBee 路由器進(jìn)行范圍擴(kuò)展，該網(wǎng)絡(luò)還具備自動(dòng)路由功能。 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)在樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)中，路由器使用一個(gè)分級(jí)路由策略在網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)和控制信息。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以使用IEEE 802.15.4-2003 規(guī)范中描述的以信標(biāo)為導(dǎo)向的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許完全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。四、ZigBee地址類型ZigBee 設(shè)備有兩種類型的地址64 位 IEEE 地址，即 MAC 地址；16 位網(wǎng)絡(luò)地址。64 位地址使全球唯一的地址 ， 設(shè)備將在它的生命周期中一直擁有它

16、。 它通常由制造商或者被安裝時(shí)設(shè)置。這些地址由 IEEE 來(lái)維護(hù)和分配。16 為網(wǎng)絡(luò)地址是當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配的。它在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee物理地址（ MAC 地址）： 按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)每一個(gè)ZigBee設(shè)備必需有全球唯一的64 位 IEEE 地址（物理地址），由于這些地址都獲得ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證，因此通過(guò)每一個(gè)物理地址可以追朔到相應(yīng)的生產(chǎn)廠商。ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址：在一個(gè)新設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)之后協(xié)調(diào)器會(huì)主動(dòng)為它分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，以方便在網(wǎng)絡(luò)中的身分確認(rèn)。（理論地址范圍：0-65535）某些專用的地址不會(huì)分配給設(shè)備，如：0xFFFF是廣播地址（所有設(shè)備），0xFF

17、FE是廣播到FFD設(shè)備（全功能設(shè)備：路由器）。網(wǎng)絡(luò)地址分配：ZigBee 使用分布式尋址方案來(lái)分配網(wǎng)絡(luò)地址。這個(gè)方案保證在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有分配的地址是唯一的。在每個(gè)路由加入網(wǎng)絡(luò)之前，尋址方案需要知道和配置一些參數(shù)。這些參數(shù)是 MAX_DEPTH ，MAX_ROUTERS 和 MAX_CHILDREN 。這些參數(shù)是棧配置的一部分， ZigBee2007 協(xié)議棧已經(jīng)規(guī)定了這些參數(shù)的值：MAX_DEPTH = 5MAX_ROUTERS = 6 MAX_CHILDREN = 20 。MAX_DEPTH 決定了網(wǎng)絡(luò)的最大深度。協(xié)調(diào)器 (Coordinator) 位于深度 0 ，它的子節(jié)點(diǎn)位于深度1 ，他的

18、子節(jié)點(diǎn)的的子節(jié)點(diǎn)位于深度 2 ，以此類推。MAX_CHILDREN 決定了一個(gè)路由 (Router) 或者一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以處理的子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)。MAX_ROUTER 決定了一個(gè)路由 (Router) 或者一個(gè)協(xié)調(diào)器 (Coordinator) 節(jié)點(diǎn)可以處理的具有路由功能的子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)。這個(gè)參數(shù)是 MAX_CHILDREN 的一個(gè)子集。終端節(jié)點(diǎn)使用 (MAX_CHILDREN MAX_ROUTER) 剩下的地址空間。PAN ID為了識(shí)別不同網(wǎng)絡(luò)而派生的標(biāo)志。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)擁有唯一的網(wǎng)絡(luò)號(hào)；在同一通道上允許存在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)但必需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)號(hào)進(jìn)行區(qū)分。五ZigBee頻率,通道網(wǎng)絡(luò)通道范圍： (0-26

19、) ； 0x0B-0x1A頻率 ：868MHZ（ 1）902-928MHZ（10） 2405MHZ 2480MHZ（16）六、ZStack協(xié)議棧構(gòu)架Z-Stack是TI公司開(kāi)發(fā)的ZigBee協(xié)議棧。App：應(yīng)用層目錄，這也是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域；HAL：硬件層目錄，包括著與硬件相關(guān)的配置及操作函數(shù)；MAC：MAC層目錄，包括著MAC層配置參數(shù)文件及MAC LIB庫(kù)的函數(shù)接口文件；MT：包括基于AF(應(yīng)用框架)層的調(diào)試函數(shù)文件，主要包括串口等通信函數(shù)；NWK：網(wǎng)絡(luò)層目錄，包括著網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及MAC LIB庫(kù)的函數(shù)接口文件；OSAL：系統(tǒng)目錄，包括協(xié)議棧系統(tǒng)文檔；ZStack協(xié)議棧構(gòu)架

20、：Profile：設(shè)備規(guī)范目錄，包括AF層處理函數(shù)文件；Security：安全層目錄，安全層處理函數(shù)，比如加密函數(shù)等;Services：地址處理函數(shù)目錄，包括著地址模式的定義及地址處理函數(shù)文檔；Tools：工程配置目錄，包括協(xié)議棧等配置文檔；ZDO ：zigbee設(shè)備對(duì)象層目錄，包括層處理函數(shù)文檔；ZMac：MAC層目錄，包括MAC層參數(shù)配置及MAC層LIB庫(kù)函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)ZMain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件；Output：輸出文件目錄，這是EW8051IDE自動(dòng)生成的；Z-Stack軟件層次：整個(gè)Z-Stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)

21、，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。TI-ZigBee Device 軟件結(jié)構(gòu)：Endpoint是應(yīng)用對(duì)象的地址，類似于進(jìn)程編號(hào)（網(wǎng)絡(luò)中的端口號(hào)）硬件抽象層（HAL）提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer，通用I/O 口GPIO，通用異步收發(fā)器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC 的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集。操作系統(tǒng)抽象層OSAL 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。用戶可以調(diào)用OSAL 提供的相關(guān)API 進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。七、ZigBee協(xié)議一般結(jié)構(gòu) 第三講：ZigBee的硬件平臺(tái)一、ZigBee無(wú)線SOC片

22、上系統(tǒng)CC2430/CC2530概述CC2430/CC2530是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議。根據(jù)芯片內(nèi)置閃存的不同容量，提供給用戶3個(gè)版本，即CC2430-F32/64/128，分別對(duì)應(yīng)內(nèi)置閃存32/64/128KB。二、CC2430/CC2530芯片主要特點(diǎn)CC2430/CC2530 采用增強(qiáng)型8051MCU、32/64/128KB閃存、8KB SRAM等高性能模塊，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧。加上超低能耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。CC2430/C

23、C2530是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和工業(yè)級(jí)的8051控制器。CC2430/CC2530芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有32/64/128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）、

24、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown Out Detection)以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430/CC2530芯片采用0.18m CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25mA。CC2430/CC2530的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。三、CC2430/CC2530芯片的主要特點(diǎn)如下：1.高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核（WCU）；2.32/64/128KB閃存（Flash）；3.8KBsRAM，具備在各種供

25、電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；4.適應(yīng)2.4GHzIEEE 802.15.4的RF收發(fā)器；5.強(qiáng)大的DMA功能；6.高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AEs)協(xié)處理器；7.內(nèi)置電池監(jiān)視器和CPU溫度傳感器；8.電源電壓范圍寬(2.O3.6 V)；9.硬件實(shí)現(xiàn)（SMA/CD協(xié)議）10.具有8路輸入814位ADC；11.掉電方式下，電流消耗只有O.9A，外部中斷或者實(shí)時(shí)鐘(RTc)能喚醒系統(tǒng)；掛起方式下，電流消耗小于O.6A，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；12.2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的usART；13.硬件支持避免沖突的載波偵聽(tīng)多路存取(csMAcA)；14.極高的接收靈敏度和抗干擾性能；15.只需極少的外接元件；16.只需一個(gè)晶

26、體，即可滿足組網(wǎng)需要；電流消耗小(當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32MHz時(shí)。Rx為27mA，Tx為25mA)；17.支持?jǐn)?shù)字化的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器/鏈路質(zhì)量指示(RssI/LQI)；看門狗；18.1個(gè)IEEE 802.5.4媒體存取控制(MAc)定時(shí)器；19.1個(gè)通用的16位和2個(gè)8位定時(shí)器；20.21個(gè)通用I/0引腳，其中2個(gè)具有20mA的電流吸收或電流供給能力；21.提供強(qiáng)大、靈活的開(kāi)發(fā)工具；22.小尺寸QLP48封裝，7mm×7mm。四、CC2430/CC2530芯片功能結(jié)構(gòu)外露的芯片安裝襯墊必須連接到PCB的接地層，芯片通過(guò)該處接地。CC2430/CC2530具有CC2420 RF接

27、收器以及增強(qiáng)性能的8051 MCU、8KB RAM等，其增強(qiáng)的8051 MCU核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051核性能的8倍。CC2430/CC2530還具備直接存儲(chǔ)器定址(DMA)功能(能夠被用于減輕8051微控制器內(nèi)核對(duì)數(shù)據(jù)搬移，因此提高了芯片整體的性能)、可編程看門狗定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、多達(dá)8輸入的8-14位ADC、USART、睡眠模式定時(shí)、上電復(fù)位、掉電檢測(cè)電路(Brown Out Detection)、21個(gè)可編程I/O管腳等。兩個(gè)可編程的USART用于主/從SPI或UART操作。帶外部功放的CC2430/CC2530參考設(shè)計(jì)可提供+10dBm的輸出功率。采用該核心，可以實(shí)現(xiàn)

28、0.25米的定位分辨率和3米左右的定位精度，這個(gè)精度已經(jīng)大大高于衛(wèi)星定位的精度，定位時(shí)間小于40微秒。CC2430/CC2530芯片采用7mm×7mmQLP封裝，共有48個(gè)引腳。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。1.I/O端口線引腳功能CC2430/CC2530有21個(gè)可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。I/O口有下面的關(guān)鍵特性：可設(shè)置為通常的I/O口，也可設(shè)置為外圍I/O口使用。在輸入

29、時(shí)有上拉和下拉能力。全部21個(gè)數(shù)字I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。如果需要外部設(shè)備，可對(duì)I/O口引腳產(chǎn)生中斷，同時(shí)外部的中斷事件也能被用來(lái)喚醒休眠模式。16腳（P1_2P1_7）：具有4mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。89腳（P1_0P1_1）：具有20mA的驅(qū)動(dòng)能力。1118腳（P0_0P0_7）：具有4mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。43，44，45，46，48腳（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。2電源線引腳功能7腳（DVDD）：為I/O提供2.03.6V工作電壓。20腳（AVDD_SOC）：為模擬電路連接2.03.6V的電壓。23腳（AVDD_RREG）：為模擬電路

30、連接2.03.6V的電壓。24腳（RREG_OUT）：為25，2731，3540引腳端口提供1.8V的穩(wěn)定電壓。25腳(AVDD_IF1)：為接收器波段濾波器、模擬測(cè)試模塊和VGA的第一部分電路提供1.8V電壓。27腳（AVDD_CHP）：為環(huán)狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供1.8V電壓。28腳（VCO_GUARD）：VCO屏蔽電路的報(bào)警連接端口。29腳（AVDD_VCO）：為VCO和PLL環(huán)濾波器最后部分電路提供1.8V電壓。30腳（AVDD_PRE）：為預(yù)定標(biāo)器、Div2和LO緩沖器提供1.8V的電壓。31腳（AVDD_RF1）：為L(zhǎng)NA、前置偏置電路和PA提供1.8V的電壓。33腳（T

31、XRX_SWITCH）：為PA提供調(diào)整電壓。35腳（AVDD_SW）：為L(zhǎng)NA/PA交換電路提供1.8V電壓。36腳（AVDD_RF2）：為接收和發(fā)射混頻器提供1.8V電壓。37腳（AVDD_IF2）：為低通濾波器和VGA的最后部分電路提供1.8V電壓。38腳（AVDD_ADC）：為ADC和DAC的模擬電路部分提供1.8V電壓。39腳（DVDD_ADC）：為ADC的數(shù)字電路部分提供1.8V電壓。40腳（AVDD_DGUARD）：為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。41腳（AVDD_DREG）：向電壓調(diào)節(jié)器核心提供2.03.6V電壓。42腳（DCOUPL）：提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用

32、。47腳（DVDD）：為I/O端口提供2.03.6V的電壓。3控制線引腳功能10腳（RESET_N）：復(fù)位引腳，低電平有效。19腳（XOSC_Q2）：32MHz的晶振引腳2。21腳（XOSC_Q1）：32MHz的晶振引腳1，或外部時(shí)鐘輸入引腳。22腳（RBIAS1）：為參考電流提供精確的偏置電阻。26腳（RBIAS2）：提供精確電阻，43k，±1%。32腳（RF_P）：在RX期間向LNA輸入正向射頻信號(hào)；在TX期間接收來(lái)自PA的輸入正向射頻信號(hào)。34腳（RF_N）：在RX期間向LNA輸入負(fù)向射頻信號(hào)；在TX期間接收來(lái)自PA的輸入負(fù)向射頻信號(hào)。43腳(P2_4/XOSC_Q2)：32.

33、768 kHz XOSC的2.3端口。44腳(P2_4/XOSC_Q1)：32.768 kHz XOSC的2.4端口。五、SOC無(wú)線CC2430/CC2530之8051的CPU介紹CC2430/CC2530集成了4個(gè)振蕩器用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)操作：一個(gè)32MHz 晶體振蕩器，一個(gè)16MHz RC-振蕩器，一個(gè)可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個(gè)可選的32.768kHz RC振蕩器。CC2430/CC2530也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。一個(gè)AES協(xié)處理器被集成在CC2430/CC2530，以支持IEEE802.15.4 MAC安全所需的（128位關(guān)鍵字）AES的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)盡可能少的占用

34、微控制器。CC2430/CC2530增強(qiáng)型8051內(nèi)核使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集，具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。這是因?yàn)椋海?)每個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期而標(biāo)準(zhǔn)8051中是12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期。（2)除去被浪費(fèi)掉的總線狀態(tài)的方式。CC2430/CC2530包含一個(gè)DMA控制器。8K字節(jié)靜態(tài)RAM，其中的4K字節(jié)是超低功耗SRAM。32k、64k或128k字節(jié)的片內(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲(chǔ)器。六、存儲(chǔ)器8051 CPU有4個(gè)不同的存儲(chǔ)空間：1.代碼（CODE）：16位只讀存儲(chǔ)空間，用于程序存儲(chǔ)。2.數(shù)據(jù)（DATA）：8位可存取存儲(chǔ)空間，可以直接或間接被單個(gè)的CPU指令訪問(wèn)

35、。該空間的低128字節(jié)可以直接或間接訪問(wèn)，而高128字節(jié)只能夠間接訪問(wèn)。3.外部數(shù)據(jù)(XDATA)：l6位可存取存儲(chǔ)空間，通常需要45個(gè)CPU指令周期來(lái)訪問(wèn)。4.特殊功能寄存器(SFR)：7位可存取寄存器存儲(chǔ)空間，可以被單個(gè)的CPU指令訪問(wèn)。1存儲(chǔ)器映射圖與標(biāo)準(zhǔn)8051存儲(chǔ)器映射圖不同之處有兩個(gè)方面：（1）為了使得DMA控制器訪問(wèn)全部物理存儲(chǔ)空間，全部物理存儲(chǔ)器都映射到XDATA存儲(chǔ)率間；（2）代碼存儲(chǔ)器空間可以選擇，因此全部物理存儲(chǔ)器可以通過(guò)使用代碼存儲(chǔ)器空間的統(tǒng)一映射，映射到代碼空間。2存儲(chǔ)器空間（1）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間對(duì)于大于32KB閃存的芯片，最低的55KB閃存程序存儲(chǔ)器映射到地址0x

36、00000xDEFF；而對(duì)于32KB閃存的芯片，32KB閃存映射到地址0x00000x7FFF。所有的芯片，其8KBSRAM都映射到地址0xE0000xFFFF，而特殊功能寄存器的地址范圍是0xDF000xDFFF。這樣多就允許DMA控制器和CPU在一個(gè)統(tǒng)一的地址空間對(duì)所有物理存儲(chǔ)器進(jìn)行存取操作。（2）代碼存儲(chǔ)器空間對(duì)于物理存儲(chǔ)器空間，代碼(CODE)存儲(chǔ)器空間既可以使用統(tǒng)一映射，又可以使用非統(tǒng)一映射。代碼存儲(chǔ)器空間的統(tǒng)一映射類似外部存儲(chǔ)器空間的統(tǒng)一映射。對(duì)于大于32KB的閃存存儲(chǔ)器，在采用統(tǒng)一映射時(shí)，其最低端的55KB閃存映射到代碼存儲(chǔ)器空間。這與外部存儲(chǔ)器空間的映射類似。8KB SRAM包

37、括在代碼地址空間之內(nèi)，從而允許程序的運(yùn)行可以超出SRAM的范圍。（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間數(shù)據(jù)(DATA)存儲(chǔ)器的8位地址，映射到8KB SRAM的高端256字節(jié)。在這個(gè)范圍中，也可以對(duì)地址范圍為0xFF000xFFFF的代碼空間和外部數(shù)據(jù)空間進(jìn)行存取。（4）特殊功能寄存器空間特殊功能寄存器(SFR)可以對(duì)具有128個(gè)入口的硬件寄存器進(jìn)行存取，也可以對(duì)地址范圍為0xDF800xDFFF的XDATA/DMA進(jìn)行存取。3數(shù)據(jù)指針CC2430有2個(gè)數(shù)據(jù)指針(DPTRO和DPTRl)，主要用于代碼和外部數(shù)據(jù)的存取。例如：MOVC A，A+DPTR；MOV A，DPTR數(shù)據(jù)指針選擇位是第0位。在數(shù)據(jù)指針中，通

38、過(guò)設(shè)置寄存器DPS(0x92)就可以選擇哪個(gè)指針在指令執(zhí)行時(shí)有效。兩個(gè)數(shù)據(jù)指針的寬度均為兩個(gè)字節(jié)，存在于特殊功能寄存器之中。位 名稱 復(fù)位 讀/寫(xiě) 描述 7:1 0x00 R0 不使用 0 DPS 0 R/W 數(shù)據(jù)指針選擇，用來(lái)使選中的數(shù)據(jù)指針有效 0：DPTR0 1: DPTR1 位 名稱 復(fù)位 讀/寫(xiě) 描述 DPH0(0x83)DPTR0的高位字節(jié) 7:0 DPH07:0 0 R/W 數(shù)據(jù)指針0，高位字節(jié) DPL0(0x82)DPTR0的低位字節(jié) 7:0 DPL07:0 0 R/W 數(shù)據(jù)指針0，低位字節(jié) DPH1(0x85)DPTR1的高位字節(jié) 7:0 DPH17:0 0 R/W 數(shù)據(jù)指針

39、1，高位字節(jié) DPL1(0x84)DPTR1的低位字節(jié) 7:0 DPL17:0 0 R/W 數(shù)據(jù)指針1，低位字節(jié) 4外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存取CC2430提供一個(gè)附加的特殊功能寄存器MPAGE(0x93)。該寄存器在執(zhí)行指令“MOVX A.，Ri"和"MOVXR，A"時(shí)使用。MPAGE給出高8位的地址，而寄存器Ri給出低8位的地址。位 名稱 復(fù)位 讀/寫(xiě) 描述 7:0 MPAGE7:0 0x00 R/W 存儲(chǔ)器頁(yè)，執(zhí)行MOVX指令時(shí)地址的高位字節(jié) 七、特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器(SFR)用于控制8051CPU核心和外部設(shè)備。一部分8051CPU核心寄存器與標(biāo)準(zhǔn)

40、8051特殊功能寄存器的功能相同；另一部分寄存器不同于標(biāo)準(zhǔn)8051特殊寄存器。它們用來(lái)與外部設(shè)備單元接口，以及控制RF收發(fā)器。特殊功能寄存器控制CC2430/CC2530的8051內(nèi)核以及外設(shè)的各種重要的功能。大部分的CC2430/CC2530特殊功能寄存器與標(biāo)準(zhǔn)的8051特殊功能寄存器功能相同，少部分與標(biāo)準(zhǔn)8051的不同。不同的特殊功能寄存器主要是用于控制外設(shè)以及射頻發(fā)射。CC2430/CC2530的8051內(nèi)核內(nèi)在寄存器：1.R0-R72.程序狀態(tài)字（PSW）3.累加器（ACC）4.寄存器（B）5.堆棧指針（SP）6.寄存器和指令集（CPU）7.P0、P1、P28.DMA9.USART10.Fimer11.八、CC2430/CC2530主要外部設(shè)備I/O端口I/O每個(gè)引腳通過(guò)獨(dú)立編程能作為數(shù)字輸入或數(shù)字輸出，還可以通過(guò)軟件設(shè)置改變引腳的輸入輸出硬件狀態(tài)配置和硬件功能配置。在應(yīng)用I/O端口前需要通過(guò)不同的特殊功能寄存器對(duì)它進(jìn)行配置。CC2430/CC2431包括三個(gè)8位輸入輸出端口，分別是P0，P1，P2。P0以及P1有8個(gè)引腳，P2有5個(gè)引腳，總共就是21個(gè)數(shù)字I/O引腳。這些引腳都可以用作于通過(guò)的I/O端口，同時(shí)，通過(guò)獨(dú)立編程還可以作為特殊功能的輸入/輸出，通過(guò)軟件設(shè)置還可以改變引腳的輸入輸出硬件狀態(tài)配置。因此