江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计
（1） 生成网络级别的PDU(NPDU) （2） 指定传输路由
（3） 确保无线通信的机密性和安全性
上层实体 MLDE-SAP MLME-SAP 网络等数据实体 网络层管理实体 MCPS-SAP MAC层实体 MLME-SAP
图2-5 网络层参考模型
网络层管理实体（NLME）应提供某些管理服务，允许应用程序与协议栈相互作用。NLME应提供以下服务：
1）配置一个新设备。为所需的操作充分配置协议栈的功能，配置选项包括开始一个作为ZigBee协调器的操作，或加入一个已存在的网络。
2）开始一个网络。建立一个新的网络功能。
3）加入、重新加入和离开一个网络。加入、重新加入或离开一个网络的功能，以及为一个ZigBee协调器或ZigBee路由器请求一个设备离开网络的功能。
4）寻址。ZigBee协调器和路由器给新加入网络的设备分配地址的能力。 5）邻居发现。发现、记录和报告关于单跳邻居设备信息的能力。
6）路由发现。发现并记录通过网络的路径的功能，即信息可以有效地传送。 7）接收控制。一个设备控制何时接收者是激活的，以及激活多长时间，从而使MAC子层同步或直接接收。
8）路由。路由器从一个接口上收到数据包，根据数据包的目的地址进行迪昂想并转发到另一个接口的过程。例如单播，广播，多播或者多对，在网络中高
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校交换数据。
2.4.4 Zigbee应用层
Zigbee的应用层包括APS子层（应用支持子层）、ZDO（Zigbee设备对象）及其他制造商定义的应用对象[7]。ZigBee技术嵌入到消费型电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围内基于无线通信的控制和自动化。
通常符合下列条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术： ? 设备间距较小；
? 设备成本很低，传输的数据量很小；
? 设备体积很小，不容许防止较大的充电电池或者电源模块； ? 只能使用一次性电池，没有充足的电力支持； ? 无法做到频繁更换电池或反复充电；
? 需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多，网络主要用于检测或控制。
Zigbee设备对象是处于协议栈中应用层上的为满足实际应用需求的一种解决方案，为协议栈中的各层提供初始化服务。
2.5 Zigbee和LED技术的优势
Zigbee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，使用IEEE802.15.4协议作为通信标准，具有低速率、低功耗、高容量、延时短、安全性高以及免执照频段等特点[8]；LED路灯以发光二极管为光源，具有节能环保等优点。两种技术的结合为现代城市照明系统的发展和节能环保提供了可能的技术手段，用Zigbee技术和LED路灯组建的无线路灯控制系统从成本、功能以及运营管理等方面都具有很大的优势。
基于Zigbee技术的LED路灯控制系统在节能和环保方面技术优势明显: (1) 低功耗：LED路灯的功率选择根据不同场合的实际照明需求，通常选
用50W到200W的功率。路灯照明用高压钠灯功率一般在250W，特殊场合可使用高达450W的高压钠灯；Zigbee模块在低功耗模式下工
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作时普通干电池就可保证芯片长时间工作。
(2) 寿命长：平均每盏LED路灯的设计使用寿命为大约50000小时，有
时甚至更高，远远超过高压钠灯的使用寿命，在节约成本和维护上具有很大优势。
(3) 照明效率高：LED路灯采用独特的二次光学设计，将灯光照射到需要
照明的区域，提高光照效率，节约能源，LED灯光具有单向性，光源没有漫射，保证照明效率；LED光源具有环保特性，不含汞，无污染，属于新兴绿色照明光源[8]。
(4) 成本低：拥有精简的通信协议，减少对微控制器的要求。
(5) 容量大：Zigbee网络采用不同的拓扑结构可以极大的扩充无线通信网
络的容量，由系统的协调器管理路由节点和终端设备。
2.6 Zigbee技术的应用领域
ZigBee技术适用于距离范围小和对通信速率要求不高的场合，在工业现场的各种电子设备中应用广泛，其常见的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和重复低反应时间数据等，其目标功能是自动化控制[9]；Zigbee技术使用两个频段的工作频率，分别为欧洲使用的868MHz和美国、澳大利亚使用的915MHz的低频段，2.4GHz为全球通用的高频段，Zigbee技术的有效通信范围为10m-75m：如果数据传输速率降至28Kb／s时，其有效通信范围甚至可以增加到134m，极大的提高了通信的可靠性[9]；ZigBee联盟认为该技术日后必将在工业控制、汽车控制、现代农业等领域得到广泛应用。
在工业控制中，传感器通过Zigbee网络采集各种信息，并通过无线网络将信息及时传送到系统进行数据分析与处理，为决策者提供及时准确的参考信息，使得整个工业控制过程更加高效。例如对火灾现场的环境探测，工业设备运行状况的监测等。
在汽车控制中，由于大部分传递消息的通用传感器只能内置在监测对象内部，所以要求使用的无线通信模块的供电电池具有较长的寿命，且能够克服恶劣的环境和各种金属结构对电磁信号的干扰。
在现代农业控制中，无线信号的传播特性良好，但是由于通信区域较大，需
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要使用的大量的传感器设备组成复杂的控制网络[10]。采用传感器和Zigbee技术相结合的无线监控系统后，农业控制系统逐渐向智能化数字化方向发展。传感器可以收集到各种信息，包括土壤的湿度、PH值、温度以及降水量等，这些信息将通过Zigbee网络上传至监控中心供决策者参考，可以及早的发现农场中的问题，从而做出调整以提高农作物的产量。
在医学应用中，通过各种传感器和基于Zigbee技术的通信网络，准确实时的监测每个病人的状况，包括体温、血压以及心跳等，从而减少相关医务人员的工作量，有助于合理利用医疗资源。
智能化家居是Zigbee最具潜力的市场。据推测，在未来的智能化家居中，每个家庭需要数十个Zigbee终端设备，可以联网的设备包括录像机、PC机、安全门、窗户以及空调等。智能化家居引入Zigbee技术后，将在很大程度上提高人们生活环境的舒适度。同时使用Zigbee技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝使用，从而降低设备的车本，有利于在未来进行大规模的推广应用[10]。
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3 Zigbee技术开发使用的硬件平台
3.1 无线通信芯片的选择
通过对Zigbee技术的了解我们得知，选择一款支持Zigbee通信协议的芯片是硬件电路设计中的重点。选择和比较不同芯片的优缺点以便能够设计出低成本、低功耗并且可以根据实际需求进行适当升级的电路。本文重点研究无线通信的组网，在目前使用的诸多无线芯片中，片上系统因为低功耗、低成本和多功能成为本设计的首选。
随着Zigbee技术的发展，无线单片机模块也在不断发展，功能更加丰富，种类也不断增加，各大公司纷纷开发相应的无线单片机模块。目前，支持Zigbee通信协议的芯片有很多，其中在市场上获得良好效果的主要有以下几种：
（1）Freescale系列。Freescale公司推出的MC13191芯片，应用成本相对低廉，其支持的通信协议为IEEE802.15.4，该公司向开发设计人员提供MAC软件，设计人员通过该软件即可组建相对简单的星形网络。Freescale的后续产品在功能上不断加强，设计人员可根据实际需要选择不同的开发平台。
（2）Ember的EM250和EM260均支持Zigbee通信协议，也可根据实际需求组建星形网、树状网以及网状网。除此之外，该系列芯片还有丰富的配套设施，保证整个系统的可靠性和稳定性。
（3）Atmel的AT86RF230射频芯片
该芯片的工作频率为2.4GHz且支持Zigbee协议栈，因其将射频收发器各模块都集成在一个芯片上，故拥有较高的稳定度、灵敏度和传输功率，可以有效减少网络中节点数量，降低成本。
（4）TI公司的CC2430
CC2430是首款真正意义上的片上系统，它完美结合Zigbee协议栈，是一款可以满足Zigbee低成本低功耗要求的解决方案。CC2430内部集成了一个增强型8051控制器和RF射频收发器，三种不同大小的Flash内存（分别是32/64/128kb），8kb的RAM,以及ADC、DMA、看门狗定时器等[10],因其优异的性能广泛应用于各种传感器网络。