毕业设计---zigbee无线路由器的设计[管理资料]

本科毕业设计（论文）

学院电气与信息工程学院

专业电子信息工程

学生姓名

班级学号0745531240

指导教师

二零一一年六月

江苏科技大学本科毕业论文Zigbee无线路由器的设计The ZigBee Wireless Router Design

摘要

ZigBee是一种网络容量大，节点体积小，架构简单，低速率，低功耗的无线通信技术。由于节点体积小，且能自动组网，所以布局十分方便。网络具有很强的自愈能力，任何一个节点的失效都不会影响整体，特别适合用来组建无线传感网络，而这里的一个重要逻辑设备就是ZigBee无线路由器，起中继转发的作用。zigbee技术由ZigBee联盟开发，这是一个由原始设备制造商，技术供应商和半导体产商加盟的组织。ZigBee的基础是IEEE ，这是IEEE无线个域网工作组的一项标准被称作IEEE （ZigBee）技术标准。

ZigBee技术的应用前景被看好。在未来的几年里，它将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域实现广泛的应用。特别是家庭自动化和工业控制将成为今后ZigBee芯片的主要应用领域。

本文将对应用开发的软件核心ZigBee协议栈的组成结构和实现方法进行介绍，完成ZigBee无线路由器的硬件设计和软件配置，实现开关控制灯的路由功能演示实验。设计中采用了CC2430EB开发板和Altium designer，IAR Embedded Workbench for MCS 51等软件开发环境。

关键词：ZigBee协议栈；无线路由器；IEEE ；

Abstract

ZigBee is a kind of Wireless communications technology ，the network capacity is large, the nodal point volume is small, the structure is simple, low speed rate and the nodal point volume is small, and it can organize the network automatically, so Layout is very network has very strong capability of automatic heal, the lapse of the whichever nodal point can't effected whole, specially suited to be used to organize a Wireless Sensor Network, an important logic equipment here is a wireless ZigBee router,playing the role of the relay. ZigBee is developed by the ZigBee Alliance. It is an organization of semiconductor manufacturers，technology providers，and Original Equipment Manufacture．The ZigBee foundation is IEEE , this is a IEEE wireless Personal Area Network team's standard called as IEEE (ZigBee) the technical standard.

The ZigBee technology's application foreground is been optimistic about. In the next few years, it will realize the widespread application in the industrial control, the industry wireless localization, the family network, the autocar automation, the building automation, the consumer electronics, the medical device control and so on many domains. Specially the household automation and the industrial control will become the ZigBee chip main application domain from now on.

This article will introduce ZigBee Protocol stack of the Application development 's software core ,composition structure and the method to carry on, that completes the hardware design and the software disposition of the ZigBee wireless router , realizes the light switch control for routing function demonstration experiment. This design use CC2430EB evaluation board , Altium designer and IAR Embedded Workbench for 8051.

Keywords：ZigBee Protocol stack; wireless router; IEEE ;

目录

第一章绪论 (1)

(1)

ZigBee技术 (2)

ZigBee技术的发展 (2)

(2)

ZigBee技术的特点和关键技术 (3)

(4)

本文的工作内容 (5)

第二章 IEEE (5)

物理层（PHY） (6)

无线信道的分配 (6)

物理层的主要功能 (7)

IEEE (8)

PPDU格式 (9)

数据的发送与接收 (10)

介质访问控制层规范（MAC） (10)

信标和非信标模式 (11)

(12)

MAC层通用帧格式 (13)

第三章 ZIGBEE的基本概念和基本术语 (16)

ZigBee的基本术语 (16)

设备类型(Device Types) (16)

端点（endpoint） (17)

Zigbee网络中的三类地址 (18)

属性（attribute） (18)

簇（cluster） (19)

配置文件(profile) (19)

绑定（binding） (19)

第四章 ZIGBEE协议栈的体系结构和原理 (20)

ZigBee体系结构 (20)

网络层的原理 (21)

网络层帧结构 (21)

网络层管理服务功能 (22)

网络维护之建立网络 (23)

.怎样加入网络 (25)

怎样离开网络 (26)

网络层数据的发送与接送 (27)

(28)

路由选择 (29)

路由成本 (29)

路由表 (29)

路由选择 (30)

网络层的地址分配 (31)

基本路由算法 (32)

路由函数 (34)

第五章 ZIGBEE无线路由器硬件设计 (36)

主电路设计 (36)

CC2430外围电路设计 (36)

(37)

(38)

(38)

(39)

排针引出调试端口和部分芯片引脚 (39)

PCB的设计 (39)

第六章 ZIGBEE无线路由器的软件设计 (41)

操作系统抽象层（OSAL） (41)

OS术语 (41)

协议栈的架构 (42)

Z-Stack 相关的IAR 工程选项设置 (45)

Z-S TACK 软件架构 (46)

任务的初始化和处理函数 (47)

任务的调度 (48)

时间管理API (52)

建立自己的应用 (53)

设备信息配置 (56)

协调器的建网 (59)

绑定 (60)

绑定解除 (61)

路由功能演示 (61)

第七章协议分析仪的使用 (64)

协议分析仪 (64)

灯开关实验中的数据捕获 (64)

结语 (67)

致谢 (68)

参考文献 (69)

附录 (69)

第一章绪论

随着通信技术的发展，短距离无线通信技术已逐渐成为无线通信技术的一个重要分支。这是因为在现实生活中，存在着许多这样的应用需求，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送。如采用传统的无线通信技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大、组网困难等问题。针对这样的应用场合，人们更希望利用具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。

无线传感网络是由大量体积小，成本低，具有无线通信，传感，数据处理能力的传感器节点组成的，传感器节点一般由传感单元，处理单元，收发单元，电源单元等功能模块组成。

在无线传感网络中，大量的传感节点被布置在整个观测区域中，各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传给用户，数据传送的过程是通过相邻的节点接力传送的方式传送回基站。

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，各国都非常重视无线传感网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感网络的应用和发展，波士顿大学还创办了传感器网络协会（sensor network consortium）,美国《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器列入其中。在“中国未来20年技术预见研究”中共157个技术课题，其中7项式直接论述传感网络的。

本文主要研究具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、大容量、高可靠度、高安全性的无线传感器网络新技术——ZigBee技术，并给出CC2430的硬件设计，协议栈的实现，路由算法的流程，以及协议栈各层的详细介绍。

ZigBee技术

ZigBee技术的发展

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。简单的说，Zigbee 是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

ZigBee是一种新兴的短距离，低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高。

2002年下半年，英国Invensys公司,日本三菱电子，Motorola和Philips等国际知名的大公司宣布加入ZigBee联盟，该联盟已有好几百家成员企业，并仍在发展壮大。

从2003年12月，CHIPCON推出业界第一款ZigBee收发器CC2420以来，各大半导体厂家可谓百家争鸣，先后推出许多款ZigBee收发芯片，其中仍然以CHIPCON最受关注。2004年12月，推出全球第一个IEEE （SoC）解决方案----CC2430无线单片机，该款芯片内部集成了一颗增强型的8051内核以及业内性能卓越的ZigBee收发器CC2420。2005年12月，CHIPCON再接再厉，推出内嵌定位引擎的ZigBee/IEEE 解决方案CC2431。

2006年2月TI公司收购CHIPCON公司，以壮大其在RF行业的龙头地位。

之后TI在发布的ZigBee收发器以及无线单片机上进行不断的修订，也陆续开发出具有针对性的开发系统，并于2006年10月把其自身的MSP430处理器用于对于ZigBee收发器的控制。2008年2月，推出第二代ZigBee/IEEE ，2008年4月推出ZigBee协处理器CC2480，。

对于ZigBee的协议栈，2004年12月ZigBee (又称为ZigBee2004)敲定，之后于2005年9月公布并提供下载。于2006年12月进行标准修订，推出ZigBee (又称为ZigBee2006)。ZigBee ，例如新增ZCL(ZigBee Cluster Library)、群化式装置(Group Device)、多播(Multicast)功效、直接透过无线方式(Over The Air；OTA)进行组态配置，此外也移除了KVP(Key Value Pair)的信息格式。

然而ZigBee ，此标准又于2007年10月完成再次修订(称为ZigBee2007/PRO 或ZigBee Pro或ZigBee2007)，推出ZigBee Pro Feature Set(简称：ZigBee Pro)的新标准。此新标准ZigBee联盟更专注3种应用类型的拓展包括：(Home Automation；HA)、(Building Automation；BA)、(Advanced Meter Infrastructure；AMI)。

在国内上，嵌入式无线开发工具供应商成都无线龙通讯科技有限公司从2005年就开始对ZigBee无线网络技术进行研发，并相继跟随芯片发展步伐推出相关ZigBee开发工具，如ZigBee2004开发系统C51RF-3-JKS；ZigBee2006开发系统C51RF-3-PK；ZigBee2007开发系统C51RF-CC2520-PK；ZigBee协处理器CC2480开发工具ARMRF2-STR911。国内各所大学出版的图书教材有，北京航空航天大学出版社出版<无线网络入门与实战>>；<无线网络与无线定位实战>>；<>；

ZigBee技术的特点和关键技术

ZigBee是一种无线连接,(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:

（1）.省电：两节五号电池即可实现长达六个月到两年的使用时间。工作模式

下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量小，因此信号的收发时间很短；在非工作状态下，ZigBee节点处于休眠模式。

（2）.可靠：采用了避免碰撞机制，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；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

（3）路由技术：路由技术是移动节点通信的基础，也是移动自组织网络的关键技术之一。与一般的蜂窝无线网络不同，移动自组织网络各节点间通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要专门的路由协议进行分组转发操作。

（4）.时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

（5）.网络容量大：可支持多达65000个节点。

（6）.安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128.

（7）.高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率及低成本的双向无线通信技术，建立在IEEE 802．15．4标准的基础上，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信．但是在ZigBee传感器网络中，由于网络内节点资源有限，数据包的传送通常需要通过多跳通信方式到达目的端．因此，数据包的传送延迟和节点的剩余能量成为了路由设计的重点，如何根据不同的应用需求设计高效率的路由选择算法是实际应用中网络层设计的一个主要任务．ZigBee设备主要工作在2．4 GHz频段上，这一特性决定了ZigBee没备的传输距离有限。为解决这个问题，必须使用ZigBee路由器。路由器的主要功能是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳的路径，并将该数据帧有效的送到目的节点。好的路由器的设计，不仅能扩展数据传输距离，还可以可以节约网络资

源，大大提高通信速度。

Zigbee网络处于新技术的前沿，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。

本文的工作内容

在系统软件设计方面，本文首先深入地研究了ZigBee协议栈(zigbee 2006)的整体框架和各层的功能再根据ZigBee网络的设备构成分别分析了协调器、路由器和终端设备节点的协议栈。最后完成对数据结构以及ZigBee芯片CC2430的初始化程序等底层驱动的修改与编写，添加自己的任务程序。

在系统硬件设计方面，采用CC2430RF芯片，完成符合ZigBee标准的嵌入式平台的设计，包括原理图设计、PCB布线、焊接和调试。

最后实现开关控制灯功能展示实验，实现路由转发的基本功能。

第二章IEEE

IEEE ：物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）。ZigBee直接使用了

这两层，并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构。下面我们具体介绍下这两层的结构和它们是如何工作的。

物理层（PHY）

物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线信道上收发数据，物理层管理服务维护一个与物理层相关数据组成的数据库。

无线信道的分配

ZigBee的通信频率由物理层来规范。ZigBee对于不同的国家和地区提供不同的工作频率范围。。因此，IEEE ，。两个物理层都是基于直接序列扩频（DSSS）技术，使用相同的物理层数据包格式，其区别在于工作频率，调制技术，扩频码片长度和传输速率的不同。

通常，ZigBee硬件设备不能同时兼容两个工作频率，由于868~，能够提供20Kb/s的传输速率，主要用于欧洲。902~928MHz频段，能够提供40Kb/s的传输速率用于北美。由于这两个频段上无线信号的传播损耗和所受到的无线电干扰均小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较大的有效通信距离，从而使用较少的设备即可覆盖整个区域。2400~，采用16相调制技术，能够提供250Kb/s的传输速率我国采用的是2400MHz的工作频率。

IEEE ，信道编号从0到26，每个具体的信道对应着一个中心频率，这27个物理信道覆盖了以上3个不同的频段。

这些信道的中心频率按照如下公式定义(k为信道数)：

Fc =868．3MHz，k=0；

Fc=906MHz+2(k-1)MHz，k=l，2，…10；

Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，k=1l，12，…26。

物理层的主要功能

物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。

1. 数据传输包括数据的发送和接收；

2. 管理服务包括信道能量监测（energy detect，ED），链接质量指示（link quality indication，LQI）和空闲信道评估（clear channel assessment，CCA）等。

物理层主要完成：激活/休眠无线收发设备，对当前频道进行能量检测，链接质量指示，为载波检测多址与碰撞避免（CSMA—CA）进行空闲频道评估，频道选择，数据的发送和接收等。

信道能量检测为上层提供信道选择的依据，主要是测量目标信道中接收信号的功率强度。该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。

链接质量指示为上层服务提供接收数据时无线信号的强度质量信息，它要对检测信号进行解码，生成一个信噪比指标。

空闲信道评估评判信道是否空闲。IEEE ：

，当信号能量低于某一门限值时就认为信道空闲；

，该特征包括两个方面，即扩频信号特征和载波频率；

，同时检测信号强度和信号特征，判断信道是否空闲。

物理层结构模型

，其中 无线射频服务接入点是由驱动程序提供的接口，而数据服务接入点是物理层提供给上层即MAC 层的数据服务接口，物理层实体服务接入点式物理层给MAC 层提供的管理服务接口。

IEEE

图 ，（symbol ），每个数据符号又被映射成32位伪随机噪声数据码片（chip ）。数据码片采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移技术（O-QPSK ）调制。每片的形状如同半个正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道传送。每个信道占用半个片码偏移周期。

已调制的信号

PPDU 二进

制数据流 二进制比特

数据符号 数据符号 片码数据映射 偏移正交相移键控（O-QPSK ）

物理层 物理层管理实体

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—服务接入最低有效位

先传

传送符号0片码序列时的I/Q相位Tc=

PPDU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和数据包（帧）定界符组成，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，净荷部分含有MAC层数据包，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）。

表物理层数据包格式

2字节1字节0-20字节2字节

帧控制域（FCF）数据

序号

地址信息帧校验序列

（FCS）

4字节1字节1字节MAC头（MHR）MAC校验

（MFR）

前同步码帧定

界符

帧长度

（7位）

预留

位（1

位）

MAC协议数据单元（MPDU）

同步包头物理层包头PHY服务数据单元（PSDU)