毕业设计无线温度传感器.doc

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1、【摘 要】随着科学技术的飞速发展，人类目前已经置身于信息时代，信息的获取是实现信息他的前提，获取信息的一种重要工具就是传感器。综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信号处理技术等的无线传感器 网络是多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。在作战人员通信、环境和气象监测、灾害预警、智能家具、辐射监测等众多领域都发挥着重要作用。低成本、低功耗、应用简单的IEEE802154和ZigBee协议的诞生为无线传感器网络提供了互联互通酶规范。ZigBee协议是由IEEE80215 4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网终层和应用层组成的，由于网络节点具有成本低、体积小、能

2、量和通信能力有限等特点，所以此种网络的突出特点是两络系统支持低成本、易实现、低功耗等。 本课题综合运用无线传感器网络技术、现场总线技术和以太网技术，用网络化思想构建了温度传感器系统。关键词：MSP430F2274 ZIGBEE CC2500 【Abstract】With the rapid development of technology，human has been in informationera. Obtaining information is the precondition of realizing informationization while one of the mos

3、t important tools which were used toacquire information is the sensorsThe wireless sensor network which combinessens or technology，wireless communication technology，embedded computertechnology，modern network and distributed information disposal technology together is a multistudy，highly crossed new

4、research fieldsIt plays an important part in campaign people communication，invironmental and weather control，disaster detection，intelligent building，radiation inspection and so onThe IEEE802154 and ZigBee protocol offer the criterion for wireless sensor netwokZigBee protocol is constituted of IEEE80

5、2154 PHY and MAC layerZigBee network layer and application layerbecause the node has some characteristics such as lowcost，small volume，1imited energy and limited communication，the networks characteristic CS are the system supporting low cost operation，easily realization and very low power consumptio

6、nKey Words: MSP430F2274 ZIGBEE CC2500 目录1 引言12 MSP430单片机介绍221 MSP430单片机的用途222 MSP430单片机的功能223 MSP430F2274的介绍3231 MSP430F2274的16位CPU4232 MSP430F2274的存储器组织5233 MSP430F2274的寻址模式624 MSP430F2274的原理图63 无线射频芯片CC2500831 CC2500的性能参数832 CC2500的内部结构94 ZIGBEE协议栈研究1041 ZigBee协议栈概述1042 IEEE802.15.4通信层12421 PHY(物理

7、)层12422 MAC(介质接入控制子层)1343 ZigBee网络层15431 网络层概况15432网络层帧结构17433网络层功能介绍1744 ZigBee应用层185 系统的硬件设计1951 系统设计原则1952 系统元件概述19521 存取点（AP）19522 终端设备（ED）2053 操作模式20531 冗余模式20532 最简模式2054 温度传感器节点硬件方案研究设计2155传感器节点主电路设计21551控制器电路设计21552输入输出模块设计2156传感器节点电源设计22561终端节点的可控电源设计22562协调器节点的开关电源设计2357传感器节点通信模块设计23571 无线

8、通信模块设计236 系统的软件设计2561 存取点的软件设计2562 协调器节点的软件设计25621协调器节点软件总体设计25622 ZigBee协议应用对象设计2663 温度传感器终端节点的软件设计28631温度传感器终端节点软件总体设计28632温度采集程序设计28633温度显示程序设计297 结论31致 谢32参考文献33附录34附录1：MSP430与CC2500主接线图34附录2：MSP430与CC2500实物图35附录3：eZ430-RF2500网络显示设置361 引言在工农业生产以及科学研究中，温度传感器系统为分析决策系统提供准确、实时的现场温度数据，是许多监控系统中不可缺少的一部

9、分，广泛应用在电力、化工、冶金、石油、环境、机械制造、农业生产、粮食存储、酒类生产等领域随着生产规模的不断扩大，生产车间等在地域上分布越来越广，温度监测的范围随之扩大。温度传感器系统逐渐由单点、集中式向多点、分布式演变由于温度采样点数量不断增加，与监控中心的距离越来越远，它们之间的数据交换必须通过传输网络当前国内广泛应用的温度变送器大多采用两线制，两线制虽然解决了电源线和信号线的复用问题，很大程度上减少了布线成本，但没有彻底摆脱导线的束缚。很多情况下，布线成本很高，或者根本无法布线，导致温度传感器系统的监测范围受到限制。此外，采用两线制温度变送器的温度传感器系统的容量比较小，且不易扩展。因此，

10、设计一种成本低、覆盖面积广、容量大、易扩展、便于安装和维护的温度传感器系统将很有意义基于网络的温度传感器系统采用新兴的无线传感器网络技术，实现现场温度数据的分布式采集，解决了传统温度传感器系统受布线限制、系统容量小、不易扩展的问题，拓展了温度监测的地域范围另外，系统采用成熟的Modbus总线技术和以太网等技术构建了完整的数据传输网络，实现数据的汇聚和远传等功能本课题综合运用无线传感器网络技术、现场总线技术和以太网技术，用网络化思想构建了温度传感器系统，具有成本低、覆盖面积广、容量大、易扩展、便于安装和维护的优点本课题旨在实现一个覆盖面积广、易扩展、便于安装和维护的低成本温度传感器系统具体需要实

11、现以下目标：建立体积小、成本低、适应性强且功耗低的无线传感器网络硬件平台。选择和开发功耗低、可靠性高、适应低速率、小数据量传输的无线传感器网络通信协议，实现无线传感器网络的组网和数据传输。实现无线传感器网络和现场总线之间的连接。设计网关，实现现场总线和以太网间的连接。同时，提供温度数据的Web发布功能。2 MSP430单片机介绍21 MSP430单片机的用途单片机技术如今已经渗透到人类生活的方方面面，在家用电器、通信产品等日用电子设备中都可以看见单片机，估计全世界人均有几片单片机，此技术正在积极地影响着人类的生活。TI公司的MSP430系列是一个超低功耗类型的单片机，特别适合于电池应用的场合或

12、手持设备。同时，该系列将大量的外围模块整合到片内，也特别适合于设计片上系统；有丰富的不同型号的器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。它是一个16位的精简指令架构，有大量的工作寄存器和数据储存器，其RAM单元也可以实现运算。MSP430系列是众多单片机系列中的一颗耀眼的新星。22 MSP430单片机的功能TI公司的MSP430系列单片机是16位超低功耗微控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成，这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长的使用时间。它们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率；灵活的时

13、钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器（DOC）可是器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6s的时间内激活到跳跃的工作方式。MSP430系列单片机片上集成了丰富的功能模块。温度传感器终端节点负责温度数据的采集，同时实现温度数据的显示和无线发送。MSP430系列单片机具有以下一些共同的特点低电压、超低功耗MSP430系列单片机，在1.8-3.6V电压、1MHZ的时钟条件下运行，耗电电流因不同的工作模式而不同；具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6s，可编制出实时性特别高的源代码；可将CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。强大的处理能力MSP430

14、系列单片机，为16为RISC结构，具有丰富的寻址方式（7中源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8MHZ晶体驱动下，指令周期为125s。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。系统工作稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗

15、将其复位。丰富的片内外设MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。他们风别是以下一些外围模块的不同组合：看门狗（WDT） 定时器A（Timer-A） 定时器B（Timer-B） 比较器 串口0、1（USART0、1） 硬件乘法器液晶驱动器 10位/12位ADC 14位ADC端口0（P0） 端口1-6（P1_P6） 基本定时器（Basic Timer）以上外围模块再加上多种存储器方式就构成了不同型号的器件。其中，看门狗可以使程序时空是迅速复位；比较器进行模拟电压的比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；定时器具有捕获/比较功能，可用于时间技术、时序发生、PMW等；有的器件更具有两个

16、串口，可方便地实现多机通信等应用；具有较多的并行端口，最多可达200Kbps，能满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达120段。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。方便高效的开发环境目前MSP430系列有4种类型器件：OTP型、FLASH型、EPROM型和ROM型。这些器件的开发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是用相对应的EPROM型器件作为开发片，或使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片；而对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过

17、软件控制程序的运行，由JTAG就扣读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。23 MSP430F2274的介绍MSP430F2274 单片机是由TI 公司生产一种16 位的单片机，综合比较，本设计将采用之。其内部带有10 位A/ D ,1. 83. 6V 的工作电压,5 种低功耗省电模式,从待机到唤醒的响应时间不超过1s ,片内高频时钟源,频率高达16MHZ,内部还有低功耗低频振荡器VLO ,32KHZ晶振模块。除此,其还具有非常强的处理能力,非常适合一些对处理要求比较高的嵌入式系统。因此,MSP

18、430F2274 单片机在许多领域内得到了广泛的应用。231 MSP430F2274的16位CPUMSP430F2274系列采用的是“冯-诺依曼”结构，ROM和RAM在同一地址空间，使用一组地址数据总线。中央处理单元CPU采用了精简的、高透明的、高效率的正交设计。他包括：一个16位的ALU、16个寄存器和一个指令控制单元。16个寄存器中有4个为特殊用途，他们分别是：程序计数器、堆栈指针、状态寄存器和常数发生器。程序流程通过程序计数器控制，而呈现执行的现场状态体现在程序状态字中那个。表1.1对16个寄存器做了简要的说明。1. 程序计数器PCMSP430的指令根据其操作数的多少，其指令长度分别为1

19、、2或3字长。程序计数器PC的内容总是偶数，指向偶字节地址。其内容在调试程序是，可通过寄存器窗口查看。2.堆栈指针SP系统堆栈在系统调用子程序或进入中断服务程序是，保护程序计数器PC。堆栈指针SP总是指向堆栈的顶部。系统在将数据压入堆栈时，总是先将堆栈指针SP的值减2，然后再将数据送到SP所指的RAM单元。讲数据从堆栈中弹出正好相反：先将数据从SP所指示的内存单元取出，再将SP的值加2.堆栈的操作有两种情况：隐式与显式。系统对堆栈的操作为隐式，主要为自动保存PC的数值。在用户程序中那个也可对SP操作。简写功能ROR1R2R3R4R15 程序计数器PC，指示下一条将要执行的指令的地址 堆栈指针S

20、P，指向堆栈的栈顶状态寄存器SR/常数发生器CGI 常数发生器CG2通用工作寄存器R4 通用工作寄存器R15表2.1 MSP430F2274的CPU的16个寄存器3.状态寄存器SR状态寄存器记录程序执行过程中的现场情况，在程序设计中有相当重要的地位。MSP430F2274的状态几寸器为16位，目前只用到前9位，其结构如下：159 8 7 6 5 4 3 2 1 0保留VSCG1SCG0OscOffCPUOFFGIENZC位0 C 进位标志 当运算结果产生进位时置位，否则复位。位1 Z 零标志 当运算结果为0时置位，否则复位。位2 N 负标志 当运算结果为负时置位，否则复位。位3 GIE 中断控

21、制位 置位允许中断，复位禁止所有的中断。该位中断复位，RETI指令置位，也可以用哪个指令改变。位4 CPUOFF CPU控制位 置位使CPU进入关闭模式，此时除了RAM内容、端口、寄存器保持外，CPU处于停止状态，可用所有允许的中断将CPU从此状态唤醒。位5 OscOff 晶振控制位 置位使晶体振荡器处于停止状态，CPU从此状态唤醒；只有在GIE置位的情况下，由外部中断或NMI唤醒。要设置OscOff=1，必须同时设置CPUOFF=1.位6 SCG0 此位与位7一起控制系统时钟发生器的4中活动状态。位7 SCG1 此位与位6一起控制系统时钟发生器的4中活动状态。位8 V 当算术运算结果超出有符

22、号数范围时置位。4.常数发生器CG1和CG2在16个寄存器中R2和R3位常数发生器，利用CPU的27调内核指令配合常数发生器可以生成一些见解高效的模拟指令。表1.2列出了CG1和CG2可以产生的常数。寄存器As常数说明R2R2R2R2R3R3R3R30001101100011011-(0)00004H00008H0000H00001H0002H0FFFFH寄存器模式绝对寻址模式+4，位处理+8，位处理0， 字处理+1+2，位处理-1，字处理表2.2 CG1和CG2可以产生的常数5.通用工作寄存器R4R15为通用工作寄存器。MSP430F2274的通用寄存器是430活动的打不风场所，可以执行算术

23、逻辑运算，也可以作为临时的暂存单元；可以字操作，也可以字节操作。MSP430F2274指令的寻址方式包括立即寻址、索引寻址和绝对寻址。这4种寻址方式均可用于源操作数，而索引、符号和绝对寻址方式只可以用于目的操作数。源操作数和目的操作数的指令集需占用代码存储器中的13个字。232 MSP430F2274的存储器组织MSP430F2274的存储空间采用“冯-诺依曼”结构，ROM和RAM在同一地址空间，使用一组地址数据总线。存储空间的组织又分大模式和小模式。在小模式时，总的寻址空间为64KB；大模式时，总的寻址空间为1MB。小模式时采用线性寻址空间；大模式时代码可访问16个64KB的代码段，数据可访

24、问的地址空间为16个64KB的页，即为分段分页方式。当存储器组织为64KB或更少时采用小模式，地址空间为最低的64KB，而目前的器件都设计成小模式，最大的程序存储空间60KB空间中。现在只讨论64KB存储空间的使用情况。由于采用“冯-诺依曼”结构，ROM和RAM在同一地址空间，从00000H0FFFFH这一段范围内从低到高分别是：特殊功能寄存器、外围模块、数据存储器、程序存储器和中断向量表。数据存储器RAM MSP430F2274的数据存储器位于存储器地址空间的0200H以上，这些存储器一般用做数据的保存与堆栈，同时也是数据运算的场所，在特殊场合还可以用作程序存储器。可以字操作，也可以字节操作

25、，通过指令后缀加以区别。但用做程序存储器时只能字操作。在字节操作时，每8位为一个操作单位；在字操作时，每两个字节为一个操作单位，而且对准偶地址操作。MSP430F2274为FLASH型的器件，它还有信息存储区，也可以当做数据RAM使用，同时它是FLASH型，掉电后数据部丢失，可以保存重要参数。程序存储器ROM程序ROM区位0FFFFH以下一定数量存储空间，可存放指令代码和数据表 格。程序代码必须偶地址寻址。程序代码可分为3种情况：中断向量区、用户程序代码及系统引导程序。中断向量区用来说明相应中断的中断服务程序首地址。233 MSP430F2274的寻址模式MSP430F2274有7种寻址方式，

26、其中源操作数可用全部的7种方式寻址，而目的操作数只有4种方式寻址。但他们都可访问整个地址空间，由AS和AD模式位的内容确定，这7种方式分别是：1. 寄存器寻址模式2. 变址寻址模式3. 符号模式4. 绝对寻址模式5. 间接寻址模式6. 间接增量寻址模式7. 立即寻址模式24 MSP430F2274的原理图图2.1为MSP430F2274的引脚图图2.1 MSP430F2274的引脚出线图图2.2为MSP430F2274的结构框图图2.2 MSP430F2274的结构框图3 无线射频芯片CC2500CC2500芯片是Chipcon公司的第四代产品，工作频率为2.4GHz，符合IEEE802.15

27、.4规范。CC2500基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18,no CMOS工艺制成。只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2500 具有片上载波感应指示灯和数字RSSI输出，有助于提高无线链路的质量。自动消除通道评价功能(CCA)使其更适用于载波侦听(Listen-Before-Talk,LB T)系统。而且CC2500。可通过扫描2.4GHz的数字RSS91寻找最佳工作通道.CC2500采用4x4mm 20引脚QFP封装，由于外形小，而且需要的外部元件数量少，因此适合开发小型2.4GHz产品。CC2500 的选择性和敏感性质数超过了IEEE8 02.15.4标准的

28、要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性，且其数据传输速率最高可达500kpbs，因此可以实现多点对多点的快速组网。31 CC2500的性能参数CC2500的主要性能参数如下所示:1)采用QLP封装，尺寸为4 X 4mm;2)工作频带范围:2400MHz-2483.5MHz3)数据传输速率为500kpbs;4)低电流消耗(RX: 15.6MA ).高灵敏度(-98dBm);5)所需外围元件很少;6)抗干扰能力强:7)采用低压供电(2.1V -3.6V) ;8)与微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口);9)开发工具齐全，提供开发套件图3.1为CC2500的引脚接线图图3.1 CC2500引脚图

29、32 CC2500的内部结构图 3-2是 CC2500的内部结构示意图。CC2500从天线接收到射频信号时，首先经过低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)，然后在正交下变频到2MHz的中频上，形成中频信号的同向分量和正交分量。两路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC)转换成数字信号。后续的处理，如自动增益控制、最终信道选择、解扩以及字节同步等，都是以数字信号的形式处理。当 CC2500的SFD引脚为低电平时，表示接收到了物理帧的SFD字节.接收到的数据存放在128字节的接收FIFO缓存区中，帧的CRC

30、校验由硬件完成。CC2500的FIFO缓存区保存MAC帧的长度、MAC帧头和MAC帧负载数据三个部分，而不保存帧校验码。CC2500发送数据时，数据帧的前导序列、帧的起始分隔符以及帧检验序列由硬件产生;接收数据时，这些部分只用于帧同步和CRC校验，而不会保存到接收FIFO缓存区。CC2500发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被数模转换器转换为模拟信号，通过低通滤波器后，直接变频到设定的信道上。图3-2 CC2500的内部结构示意图4 ZigBee协议栈研究本章介绍的是基于IEEE802154的无线网络标准ZigBee协议栈，简单讲解ZigBee的MAC以及PHY层

31、(即IEEE802154定义)，比较详细地讲解由ZigBee联盟所定义的ZigBee协议栈网络层和应用层。41 ZigBee协议栈概述ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术。ZigBee协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。图4.1 Zigbee体系结构模型ZigBee协议栈的体系结构如图31所示。它是基于标准的开放式系统互联(OSI)模型，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。

32、IEEE802154-2003标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。IEEE802154在工业科学医疗(ISM)领域，定义了两个工作频段：24GHz频段和868915MHz频段。在IEEE802154中，总共分配了27个具有3种速率的信道：在24GHz频段有16个速率为250kbs的信道；在915MHz频段有lO个40kbs的信道；在868MHz频段有一个20kbs的信道。这些信道的中心频率按如下定义(k

33、为信道数)一个IEEE802154可以根据ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量、成本和效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。来自IEEE802154物理层协议数据单元(PPDU)的二进制数据被依次(按字节从低到高)组成4位二进制数据符号，每种数据符号(对应16状态组中的一组)被映射成32位伪噪声码片(CHIP)，以便传输。然后这个连续的伪噪声CHIP序列被调制(采用最小键控方式)到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移键控(OOPSK)调制方式。IEEE802154MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。管理服务通过

34、MAC层管理实体(MLME)服务接入点(SAP)访问高层，MAC层数据服务使MAC层协议数据单元(MPDU)的收发可以通过物理层数据服务。IEEE802154MAC层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙(GTS)管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。ZigBee的网络层主要用于ZigBee网络的组网连接、数据管理以及网络安全等，而应用层主要用于对ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等。低速率的无限个局域网允许使用超帧结构。超帧的格式由传感器网络的协调器定义，超帧被分为16个大小相等的时隙n别，由协调器发送，如图42所示。每个超帧之间由网络信标分隔。信标可用来使接入的设备同步，

35、描述超帧结构。任何想要在竞争接入时段(CAP)通信的设备都要使用有时隙的载波监听多址接入冲突避免(CSMACA)机制。所有的传输要在下一个信标到来之前结束。图4.2 超帧结构从图42可以看出，超帧结构有活跃和非活跃两部分。在非活跃部分，协调器将不与网络联系，进入低能模式。对于低延迟应用或需要特殊带宽的应用来说，网络协调器为它贡献出超帧的活跃部分，这部分叫做GTS。GTS由无竞争时段(CFP)组成，它总是紧跟着CAP，在活跃的超帧尾部。网络协调器可以分配7个GTS，每个GTS可以占用一个以上的时隙，而CAP有充足的时间留给基于竞争的接入网络的设备或想加入网络的设备。所有基于竞争的传输都要在CFP

36、开始前结束，同样，GTS的传输也要确保在下个GTS开始前结束。42 IEEE802.15.4通信层ZigBee协议栈的体系结构如图21所示IEEE802154标准定义了最下面的两层一一物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)，而ZigBee直接使用了IEEE802154所定义的物理层和介质接入控制子层来作为ZigBee的物理层和介质接入控制子层。421 PHY(物理)层ZigBee的通信频率在物理层来规范，ZigBee根据不同的国家和地区为其提供不同的工作频率范围，ZigBee所使用的频率范围分别为24GHz和868915MHz。因此，IEEE802154定义了两个物理层标准，分别是24G

37、Hz物理层和868915MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。24GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。24GHz的物理层通过采用16相调制技术，能够提供250kbs的传输速率，从而提高了数据吞吐率，缩短了通信时延和数据收发的时间，所以更加省电。868MHz是欧洲附加的ISM频段，915MHz是美国附加的ISM频段，工作在这两个频段上的ZigBee设备避开了来自24GHz频

38、段中其他无线通信设备和家用电器的无线电干扰。868MHz上的传输速率为20kbs，915MHz上的传输速率则是40kbs。物理层提供两个服务：PHY数据服务和PHY管理服务，PHY管理服务和物理层管理实体(PLME)接口。PHY数据服务：在物理无线信道上接收和发送PHY协议数据单元(PPDUs)，物理层负责下面的任务：无线收发信机的激活和去激活；在当前信道上的能量监测(ED)；链路质量指示(LQI)，用在接收的数据包上；清除信道评估(CCA)；信道频率选择；数据发送和接收；IEEE在物理层中还规范了传输速率以及调制方式等相关要求。在24GHz的物理层，数据传输速率为250kbs，采用的是16相

39、位正交调制技术(O-QPSK)：在915MHz的物理层，数据传输速率为40kbs；采用的是带有二进制移相键控(BPSK)的直接序列扩频(DSSS)技术；在868MHz的物理层，数据传输速率为20kbs，采用的是带有二进制移相键控(BPSK)的直接序列扩频(DSSS)技术。物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层到物理层无线信道的接口。从图44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的接入点。通过这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(PDSAP)为物理层数据提供服务；通过物理层管理实体(PLME)服务的接入点(PLMESAP)为物理层管理提供服务。图4

40、.4 物理层参考模型图45给出了物理层数据包的格式。ZigBee物理层数据包由同步包头、物理层包头和物理层净荷三部分组成。同步包头由前同步码(前导码)和数据包(帧)分隔符组成，用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整；物理层包头指示净荷部分的长度，物理层净荷部分含有MAC层数据包，净荷部分的最大长度是127字节。如果数据包的长度类型为5字节或大于8字节，那么物理层服务数据单元(PSDU)携带MAC层的帧信息，即MAC层协议数据单元。4字节1字节1字节变量（127字节）前导码帧起始分隔符帧长度（7bit）预留位（1bit）PSDU同步头PHY帧头PHY净载图4.5 PHY帧结

41、构422 MAC(介质接入控制子层)在IEEE802系列中，OSI参考模型的数据链路层又被分为MAC和LLC两个子层。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC子层在MAC子层的基础上，在设备之间提供面向连接(关联)和非连接(取消关联)的服务。IEEE802154 MAC子层实现包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发(ARQ)，预留时隙管理以及广播信息管理等。MAC子层处理所有物理层无线信道的接入，其主要工作有：网络协调器产生并发送网络信标帧：支持多个域网(PAN)的关联和取消关联；为设备的安全提供支持；与网

42、络信标同步；信道接入方式采用载波监听多址接入冲突避免(CSMACA)机制；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层包括一个称之为MLME的管理实体，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36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47给出了MAC子层的数据包格式。MAC子层数据包由M

43、AC子层帧头(MHR，MAC Header)、MAC子层载荷和MAC子层帧尾(MFR，MAC Footer)组成。MAC子层帧头由2字节的帧控制域、1字节的帧序号域和最多20字节的地址域组成。帧控制域指明了MAC帧的类型、地址域的格式以及是否需要接收方确认等控制信息；帧序号域包含了发送方对帧的顺序编号，用于匹配确认帧，实现MAC子层的可靠传输；地址域采用的寻址方式可以是64位的IEEE MAC地址或者8位的ZigBee网络地址。图4.6 MAC子层参考模型图4.7 MAC帧格式MAC子层载荷，其长度可变，不同的帧类型包含不同的信息，如MAC子层业务数据单元(MSDU)：但整个,MAC帧的长度应

44、该小于127字节，其内容取决于帧类型。IEEE802154的MAC子层定义了4种帧类型：广播(信标)帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和MAC命令帧则用于ZigBee设备间与MAC子层功能实体间控制信息的收发。MAC子层帧尾含有采用16位CRC算法计算出来的帧校验序列(FCS)，用于接收方判断该数据包是否正确，从而决定是否采用ARQ进行差错恢复。广播帧和确认帧不需要接收方的确认；数据帧和MAC命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要，并且已经通过了CRC检验，接收方将立即发送确认帧，若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自动

45、重传该帧，这就是MAC子层可靠传输的基本过程。IEEE802154MAC子层定义了两种基本的信道接入方法，分别用于两种ZigBee网络拓扑结构中。这两种网络结构分别是基于中心控制的星状网络和基于对等操作的网状网络。在星状网络中，中心设备承担网络的形成和维护、时隙的划分、信道接入控制和专用带宽分配等功能，其余设备根据中心设备的广播信息来决定如何接入和使用无线信道。这是一种时隙化的载波侦听冲突避免(CSMACA)信道接入算法。在对等网状方式的网络中，没有中心设备的控制，也没有广播信道和广播信息，而是使用标准的CSMACA信道接入算法接入网络。43 ZigBee网络层ZigBee协议栈是在IEEE802154标准基础上建立的，我们知道IEEE802154仅定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802154的PHY和MAC层以及ZigBee协议栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务管理。从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接(例如，一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮)。端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有两个特殊的端点，即端点0和端点255。端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理，应用程序可以通过端