1、本科生毕业论文（设计）题 目: 基于ZigBee和USB的无线传输平台设计 姓 名: 马孟秋 学 院: 工学院 专 业: 电子信息科学与技术 班 级: 信息84班 学 号: 指导教师: 汪小旵 职称: 教授 2012年05月 10日南京农业大学教务处制本科生毕业论文（设计）规范化要求（说明：本表供农理工科专业学生用，以下所有红色、蓝色文字仅供参考，学生在写作论文时请保留字体、字号，改写或删除掉文字，黑色文字请保留。每一页的上方(天头)和左侧(订口)分别留边25mm，下方(地脚)和右侧(切口)应分别留边20mm，装订线5 mm，页眉和页脚为5 mm。论文题目使用黑体三号字，正文使用宋体小四号字，
2、行距为单倍行距；一级标题段前段后为0.5行，正文段前段后为0，字符间距为标准。为保证打印效果，学生在打印前，请将全文字体的颜色统一设置成黑色。以上说明参阅后请自行删除，包括本文本框！）（顶头空2行）目 录（4号黑体，居中）摘要1关键词1Abstract1Key words1引言（或绪论）11材料与方法Y1.1材料 Y1.2方法 Y1.2.1Y1.2.2Y1.2.3Y1.2.4Y2Y2.1Y3 Y（略）X （正文第X章）Y致谢Y参考文献Y附录A （必要时）Y附录B （必要时）Y图1 （必要时）Y图2 （必要时）Y表1 （必要时）Y表2 （必要时）Y注：1. 目次中的内容一般列出“章”、“节”、“
3、条”三级标题即可；2X、Y表示具体的阿拉伯数字；基于ZigBee和USB的无线传输平台设计电子信息科学与技术专业学生 马孟秋指导教师 汪小旵摘要：ZigBee是一种新兴的专为低速率无线个域网(LR-WPAN)而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信协议。能够广泛的应用于军事，工业，智能家居等领域。但由于ZigBee技术出现较晚，其规范及应用仍在不断的完善和发展之中。本课题采用基于 USB接口的cc2531zigbee模块及PC组成硬件平台，在遵循IEEE802. 15. 4 标准及ZigBee2007 协议的基础上，实现模块间点对点的数据传输，并进一步利用ZigBee的组网特性实现区域内无线网络
4、覆盖，从而达到实时通信、远程区域控制的目地。本设计最终利用改进的具有USB数据接口的ZigBee模块，利用IAR Embedded Workbench 开发工具对一个完整的ZigBee网络的组网过程进行实验，然后在无线传感网 ZigBee 套件上实现了一个简单的点对点的串口数据通信实验。通过仿真表明，CC2531能够较好的达到设计要求， 结果表明ZigBee无线通信网络结构简单、操作方便、稳定性好、实时性强，完全满足现代通信需求，具有较强的生命力。关键词：USB接口；cc2531；无线网络Design of Wireless Communication Network Based on Zig
5、Bee with USB InterfaceStudent majoring in Electronic Information Science and Technology Ma Mengqiu Tutor Wang XiaochanAbstract：ZigBee is a new wireless communication technology，focuses on the fileds of low-cost，low-power consumption，short distance，and especially for the Low-Rate Wireless Personal Ar
6、ea Network(LR-WPAN).it widely use in military、industry and intelligence home etc. However, due to late emergence of ZigBee technology，the specification and application is still continuous improving and developing. The subject use CC2531zigbee module based on USB interface and PC to constitute its ha
7、rdware platform, on the base of IEEE802 15.4 standard and ZigBee2007 protocol, realize the point-to-point data transmission between modules, and use ZigBee network characteristics to achieve regional coverage of a wireless network further, so as to achieve the purpose of real time communication and
8、remote control of the region. Then，the paper simulates a complete ZigBee network process based on the IAR Embedded Workbench and builds a simple ZigBee Mesh network on ZigBee development board using the improved programs. And then do the relevant testes on this network to verify the work done by the
9、 previous chapters. The simulation shows that the improved algorithm can better meet the design requirements，also shows that the ZigBee wireless communication network has the advantages of simple structure, convenient operation, good stability and strong real-time performance, fully meet the needs o
10、f modern communication, has strong vitality.Key words: USB interface; CC2531; wireless network第1章 绪 论1.1 选题背景过去若干年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等迫切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准1。随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网
11、(WLAN)、蓝牙(Blue Tooth)技术、无线保真(Wi-Fi)、超宽带(UWB)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现2，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR.WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。预计随着ZigBee技术以及相关技术的发展，低速率应
12、用将日益广泛，在我们的生活中扮演越来越重要的角色。ZigBee的提出弥补了短距离无线通信技术应用研究的空白，现在该技术已经成为研究的新热点，在不久的未来，基于ZigBee技术的产品将会形成一个新的浪潮，势不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落，给人们的生活带来方便和快捷3。研究ZigBee组网技术，可为下一步应用打下良好理论基础，方便进行系统设计。本文将结合当今的发展趋势和ZigBee的技术特点，对ZigBee做详细的研究和实验开发。1.2 选题的目的及意义随着社会的发展，人们对通信技术的要求日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。其中Zig
13、Bee是最受产业界关注的标准之一。ZigBee专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，该协议标准具有的特点是：低成本、低功耗、时延短、网络容量大、可靠度高、安全、传输距离远4。因此非常适用于家电和小型家电子设备的无线控制指令传输。ZigBee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。在短距离、低功耗且传输速率要求不高的各种电子设备之间，完成周期性数据、间歇性数据和低反映时间数据的传输，比较适合采用ZigBee网络来实现。ZigBee网络主要应用于工业控制、汽车控制。农业控制、医学领域、家庭智能控制、消费类电子设备的遥控装置以及PC外设的无线连接等领域
14、。目前大多数用户只能借鉴于ZigBee厂商提供的开发平台进行应用层程序的开发，但是运用厂商提供的开发平台和开发工具，用户再选芯片型等方面会受到很大限制，极大的束缚了ZigBee产业的发展。ZigBee作为一种如此有生命力的短距离通信技术，根据ZigBee联盟所定义的标准，如果能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，尤其是能实现基于ARM微控制器的ZigBee组网技术，是一件非常有意义的事情，这将给我们解决ZigBee实际反应中的问题带来更大的自由度和选择性。ZigBee 协调器通常采用普通的RS232 串口与上位机进行通讯，如果ZigBee 节
15、点比较少，组网不太复杂，比如简单的星形网络，普通的RS232串口可以满足数据传输率的要求。然而当节点过多，组网十分复杂时，比如带多个路由器的混合型网络， RS232 串口将会大幅度地限制组网后协调器与上位机数据传输的速率，难以满足监测系统对数据采样实时性的需要。USB 接口的出现很好的弥补了系统的这个缺陷，使系统的连接更加方便了。1.3 国内外发展概况国外对ZigBee技术的研究起步较早，研究也较成熟。ZigBee联盟成立于2002 年8月，为了推动ZigBee技术的发展，Chapcon、Ember、FreeScale、Honeywill、Motorala、Philaddrs和Samsung等
16、公司共同成立了ZigBee联盟，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多IC设计、家电、通讯节点、ADDR服务提供、玩具等厂商，目前该联盟已经包含了150多家会员。并且还有许多厂商已将ZigBee纳入产品中。国内ZigBee的研究起步较晚，国内ZigBee模块生产厂家一般都受芯片厂家数量等限制价格，国内市场主要由国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研制的ZigBee产品，只有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志5。到目前为止， 国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将ZigBee技术开发成产品， 并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道
17、。不过随着无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术应用方面的研究。特别是与我们同常生活息息相关的近距离无线组网技术的研究和应用。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产ZigBee和其他无线产品投入市场。从ZigBee协议规范的研究及完善方面来看，ZigBee协议规范从推出至今， 已有大量研究者对ZigBee网络的时间同步、广播问题、安全机制等进行了研究，并且ZigBee协议正在继续改进并将提供更多的功能，但目前仍然存在一些问题6，主要包括以下几个方面： 从安全方面来看，由于无线自组织网络使用的共享无线信道存在着安全隐患，使得无线自组织网络很容易受到攻击并且很难对
18、攻击进行跟踪7。从接入控制来看，对接入公平性、多种网络共存、隐藏终端、暴露终端等问题虽然已提出了很多技术和方法但是依然没有得到完善的解决8。从能量控制来看，由于无线自组织网络的节点没有固定基础设施支持，因此如何降低网络能量消耗，提高能量效率，以及如何避免网络分割和节点过早死亡也是研究的重要问题。目前，降低网络能量消耗的主要方法包括选择性的调整节点接收器到休眠状态、使用可调输出功率的发送器、采用节能型路由等。就ZigBee技术的研究现状来看，ZigBee规范及其应用仍在不断的发展和善之中，众多厂商、高校和研究机构都对ZigBee技术展现了极大的研究兴趣， 进行了大量的研究工作。当前研究的重点主要
19、集中在ZigBee技术应用研究和产品设计、ZigBee协议规范的研究及其完善两个方面，主要集中在以下几个方面： 1.ZigBee芯片和产品的设计：不少厂商推出了ZigBee的产品和全套解决方案。如Freescale公司的第三代PADDR晶片MCl322x；Helicomm公司推出的ADDR Link 1200 ZigBee开发套件；Jennic公司的JN5121/513X等。2.ZigBee技术的具体应用研究：目前，不管国内国外，已有大量的研究者和厂商提出了ZigBee可能的应用。如智能家居、智能公交车、嵌入式方面、传感器网络22的应用。另外，Jennie公司的JenNET应用在路灯控制、环境
20、监控、生产线数据收集，以及ZigBee结合RFID等。3.ZigBee技术扩展研究：ZigBee技术和其它技术的结合也是目前研究的一个热点。如ZigBee技术和Web/GPRS构成的无线网关系统、和Linux/DSP 构成的无线通信系统等。4.和其它技术共存研究：对ZigBee网络与其它无线网络共存的问题也有大量的研究，如ZigBee网络和蓝牙网络共存、WiFi的共存与干扰问题。5.网络性能评估：对ZigBee网络性能的研究也是一大热点，如研究ZigBee 底层的802.15.4标准在竞争时期(CAP)的网络吞吐量和能量消耗、ZigBee网络在不同的通信参数下，网络的通信量及稳定性、在ZigB
21、ee网络的低负载的情况下，调整其活动时期节点的能量消耗，使得网络的生命延长等9。6.路由算法：ZigBee的路由是基于Ad Hoe按需距离矢量(AODV算法)路由算法，这样ZigBee的网状网络建立与数据传播方式和Ad Hoe网络很类似。而传统的AODV算法的路由开销和路由发现可能会干扰网络性能，特别是节点密集的网络，会直接影响端到端时延和数据包的传递的时延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可扩展性。最后，ZigBee技术主要被用于现场信息的采集和电子设备的控制，而数据的收集、分析和控制命令的发送经常需要PC机完成，所以实现ZigBee无线网络和PC机的相互通信，是基于ZigBee技术的监控
22、系统需要解决的一个关键技术。随着计算机技术的发展，外设通过USB接口与PC机通信时主流的技术。在这样的背景下，研发一种基于ZigBee技术的USB接口，可以通过USB接口实现ZigBee无线网络与PC机相互通信，符合技术的发展方向，具有技术前瞻性和很好的应用前景。14 本文研究内容与工作组织本文主要对ZigBee无线组网技术进行了详细的研究与分析，包括ZigBee组网方案和ZigBee协议栈的研究与设计，采用基于 USB接口的CC2530 ZigBee模块及PC组成硬件平台，在遵循IEEE802. 15. 4 标准及ZigBee2007 协议的基础上，实现模块间一个简单的点对点的数据传输。本文
23、主要内容和结构安排如下：第一章：绪论，主要研究论文的研究背景、国内外研究现状及ZigBee的研究意义等。第二章：主要是对ZigBee技术及应用的学习和研究，分析ZigBee网络体系的功能、节点类型和拓扑结构。在此基础之上深入了解了ZigBee协议栈各层的功能、各层之间的数据通信。第三章：研究带有USB接口的ZigBee芯片CC2531，包括内部结构的注解、硬件结构的分类等，并详细介绍了基于CDC类的USB虚拟串口通信的实现。第四章：通过对ZigBee协议的学习，利用C语言编译点对点通信的程序，利用IAR软件和CC2531的开发平台，并在前面两章的基础上对ZigBee网络的点对点串口通信进行仿真
24、演示。第五章：总结与展望。对全文工作进行了总结，并对以后的研究工作作出了展望。6第2章 ZigBee协议2.1 技术简介随着无线网络市场对网络的高效性及标准化的需求日益增长，ZigBee协议作为一种支持低速率、低功耗、安全可靠的无线网络标准应运而生。它是目前远程监控传感网络应用领域唯一的标准化技术，还处于不断成长与发展中，但已显示出强大的生命力11。ZigBee技术是一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术， ZigBee的目标是建立一个无所不在的传感器网络(Ubiquitous Sensor Network)，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定
25、位功能。2.1.1 ZigBee联盟的由来2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组。这个工作组致力于定义一种提供廉价的固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、低成本、低速率的无线连接技术。ZigBee是这种技术的商业化命名。ZigBee来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜂群通过跳ZigBee形状的舞蹈来分享所发现食物的具体的位置、距离和方向等信息。IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。2002年ZigBee联盟正式成立，她由英国Invensys公司
26、、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备开发商和制造商的加入。ZigBee联盟负责制定网络层及以上层协议。2.1.2 ZigBee技术优势IEEE802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等节点的无线网络。这是由其主要技术优势决定的： 1.数据传输可靠：ZigBee的MAC层采用CSMA/CA的碰撞避免机制，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；同时，MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等到接收方的确认信息。同时ZigBee
27、采用较短的帧格式(128字节)和CRC校验机制来减少无线通信的误码率。2.功耗低：ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节电池支持长达6个月到两年的试用时间。而蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。3.成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费，目前低速低功耗的UWB芯片组价格至少为20美元，而ZigBee的价格仅为几美分。4.网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个节点，加上网络的协调器可以互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，理论上可容纳65535个节点。5.安全：
28、ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES.128加密算法。6.有效范围小：有效覆盖范围10-75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。7.兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测(CSMA/CA)方式进行信道接入12。为了可靠传递，还提供全握手协议。2.1.3 ZigBee的应用ZigBee技术主要应用在短距离无线网络通信方面。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输： 1.需要数据采集或监控的网点多； 2.要求传输的数据量不大
29、，而要求节点成本低： 3.要求数据传输可性高，安全性高； 4.节点体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 5.电池供电； 6.地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖； 7.现有移动网络的覆盖盲区； 8.使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。9.使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。不远的将来，在很多领域里都可以看到ZigBee的身影： 1.智能家庭和楼宇自动化通过ZigBee网络，可以远程控制家里的电器、门窗等；可以方便的采集水、电、气三表的远程自动抄表；通过一个ZigBee遥控器，控制所有的家电节点。未来的家庭将会有50-100个支持ZigBee的芯片安
30、装在电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房机械中，为实现远程控制服务。2.在消费和家用自动化市场可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、PC外设、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘及其他家用电器等。近年来，由于无线技术的灵活性和易用性、无线消费电子产品已经越来越普遍，越来越重要。3.工业自动化领域在工业自动化领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护等。4.医疗监控借助于各种传感器和ZigBee网络，准确且实时
31、地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应， 特别是对重病和病危患者的监护治疗。5.农业领域传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和ZigBee网络后，农业将可以逐渐地向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可以收集包括土壤湿度、氮浓度、PH值、降水量、温湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由ZigBee网络传递到中央控制设备供农民决策和参考，这样就能够及早而准确的发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。2.2 ZigBe
32、e网络体系结构2.2.1 功能类型ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)精简功能设备RFD(Reduced Function Device)两种功能类型的设备。全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器(Coordinator)、路由器(Router)和普通节点(Device)而存在。而精简功能器件旨在实现最简单的协议功能而设计，只能作为普通节点存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他的全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器件之间不能直接通信。ZigBee网络要求至少有一个全功能设备作为网络协调器13。2.2.2
33、 节点类型ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Route)和终端设备ZE(ZigBee End Device)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。协调器：一个ZigBee网络PAN(Personal Area Network)有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力；路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络
34、和网状网络中存在；终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。2.2.3 拓扑结构ZigBee地网络支持星状网(Star Network)，树状网(Cluster tree Network)和网状网(Mesh Network)三种网络拓扑结构，如图2-1所示，依次是星状网络，树状网络和网状网络，在图2-1中的C表示PAN协调器，F表示全功能设备，R表示精简功能设备。星形网(Star)是由一个ZigBee协调器和一个或多个ZigBee终端节点
35、组成的。ZigBee协调器必须是FFD，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点(终端节点)一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调器的覆盖范围内，直接与ZigBee协调器进行通信。星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。树状网络(Cluster-tree)由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，枝干末端的叶子节点一般为RFD，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成数据和控制信息的传输。ZigBee协调器比网络中的其它路由器具有更强人的处理能力和存储空间。树状网络的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，
36、但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。网状网络(Mesh网)一般是由若干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连(如图2-1中箭头所示)，但它们中也有一个会被推荐为ZigBee协调器。网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它是由路由器中的路由表配合来实现数据的网状路由的。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余”的网络
37、。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。FRFRFRRCFRFCFFFRFRRCFFFFFRRR星型树状网状图2-1 星状网、树状网和网状网三种拓扑结构2.2.4 工作模式ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beaeon)模式和非信标(Non-beaeon)模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备长期处于工作状态。在信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间(一般在15ms-4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽
38、分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有的父节点需要为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。2.3 原语的概念OSI开放模型采用分层结构来简化和隔离各层的功能。每一层的服务是建立在它下层的服务之上，来为它的上层或者子层里的用户提供服务的。N层是服务提供者，N+1层是服务用户。
39、N+1层和N层之间的信息流是由一些离散的、瞬间的事件模拟的，每个事件都是通过传递服务原语来实现的，通过SAP将服务原语从一层传递到另一层。服务原语是个抽象的概念，我们可以通过描述服务原语和其特征参数来制定某个服务。一个服务可能包含一个或者多个相关的原语，这些原语组成了与特定服务相关的行为，每个服务原语可能包含零个或者多个参数，这些参数带有要求提供服务的信息。ZigBee规范的各种不同的任务在不同的层次上执行，上层通过下层提供的功能完成所要执行的任务。因此对于一个特定的层来说要完成两方面的功能，向上层提供服务以及从下层调用服务。ZigBee上下层间的交互就是通过服务原语来实现的14。24 Zig
40、Bee协议栈架构2.4.1 ZigBee协议栈简介ZigBee协议栈标准采用的是OSI的分层结构，其中物理层(PHY)、媒体接入层(MAC)和链路层(LLC)由IEEE802154工作小组制定，而网络层和应用层则由ZigBee联盟制定。ZigBee协议栈的体系结构各层的分布如图21 图2-2 ZigBee协议栈体系结构在ZigBee协议栈中，其结构包含一系列的层，每一层通过使用下层提供的服务完成自己的功能，同时向上层提供服务。层与层之间通过服务访问点SAP(Service Access Point)连接，每一层都可以通过本层与其下层相连的SAP调用下层为本层提供服务，同时通过本层与上层相连的S
41、AP为上层提供服务。这些服务是设备中的实体通过发送服务原语来实现的，其中实体包括数据实体(Data-Entity, DE)和管理实体(Management Entity, ME)两种：数据实体向上层提供常规的数据服务而管理实体提供向上层提供访问数据内部层的参数、配置和管理数据等机制。所谓服务原语是代表响应服务的符号和参数的一种格式化、规范化的表示，它与服务的具体实现方式无关。原语的书写形式包含了服务的实体、原语的功能及原语的类型等，如：扫描原语MLMESCANrequest；关联确认原语：MLMEASSOCIATEconfirm。另外，原语都是发送给服务实体相邻层的层与层之间的通信原语可以分为
42、以下四种，它们之间的关系如图2。 图2-3 层与层的通信原语示意图其中：Request：请求原语，用于上层向本层请求指定的服务；Indication：指示原语，本层发给上层用来指示本层的某一内部事件；Response：响应原语，上层用于响应本层发出的指示原语；Confirm：确认原语，本层用于响应上层发出的请求原语。2.4.2 ZigBee与IEEE802.15.4的联系人们通常会把ZigBee与IEEE802.15.4等同起来，其实两者之间还是有所区别的：1. ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定义的功能强大的物理特性的优点；2. ZigBee增加了逻辑网络和应用软件；3
43、. ZigBee基于IEEE802.15.4射频标准，同时ZigBee联盟通过与IEEE802.15.4紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案；4. IEEE802.15.4工作组只要负责制定物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层标准，而 ZigBee负责网络层和应用层的开发。下图示意了ZigBee 的结构和分工第3章 ZigBee芯片CC2531USB接口由于其方便灵活、独立供电的特点，已广泛应用于数据采集与监控系统中。采用T1公司的第二代SOC芯片CC2531，实现了基于USB接口的虚拟串口通信，并以温度监测系统将其引入到实际工程中来。3.1 CC2531CC2531是TI公司推出
44、的符合24 GHz IEEE 802154标准的射频收发器。它具有很好的接收灵敏度和鲁棒性以及低功耗特性，可编程输出功率高达45 dBm，外部元件很少；结合RF收发器与业界标准增强型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系统可编程闪存和8 KB的RAM，且该RAM具备在各种供电方式下的数据保护能力；同时具有多种运行模式，而且运行模式之间转换时间短，使低能耗特性能够进一步保证。CC2531提供了101 dB的链路质量以及一套广泛的外设集，包括2个USART、8路输入可配置的12位ADC、21个通用GPIO、高级加密标准(AES)安全协处理器、看门狗定时器和具有捕获功能的32 kHz睡眠定时器等设备。它支持一般的低功耗无线通信，可以应用于远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。3.2 CDC类简介 在USB的文件中，定义了将某种相同属性的设备整合在一起的群体，称之为类。这样做可以同时开发该类的驱动程序，提高了驱动程序的复用性。CDC类是通信设备类的简称，是专
