基于ZigBee的无线语音传输系统的设计.doc

基于ZigBee无线语音传播系统设计摘要：ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本无线网络技术。其重要特性涉及：具备多跳传送（multi-hop relay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具备自组织与自修复能力。在无线传感网络应用中，声音也是一种传感量，传播采样声音数据正是声音传感应用基本规定，因此本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee应用环境，提出实现语音通信研究课题。本课题设计了基于CC2430芯片Zigbee硬件模块，通过理解，在空旷环境下视距传播距离大概30米；在此基本上设计了基于IEEE802.15.4语音通信系统方案，开发了硬件实验平台，用以研究短距离无线语音通信技术。语音通信方案充分运用CC2430 SoC性能特点，使用芯片内部ADC和APR9600完毕语音采样及回放，无需外部语音编解码器件且使用外围器件很少。系统可以较好地实现实时语音无线传播，发射功率不大于0 dBm，语音延时不大于25ms，传播距离达到15米，音质MOS测试分达到3分以上。该方案硬件简朴，成本低廉，功耗很低，可应用于矿井井下生产、无线传感器网络、消防、安全监控领域，拓展了IEEE802.15.4应用范畴。核心词：IEEE802.15.4； ZigBee； CC2430； APR9600； 无线语音通信Based on ZigBee wireless voice transmission system designAbstract：ZigBee technology is a kind of short，low complexity，low power consumption，low rate，low cost wireless network technology. Its main features include：with multiple hops transmission (multi - hop relay) mechanism，extend the network performance is good，layout easily and has since organization and the self-repairing ability. In wireless sensor network applications，the audio is also a kind of sensor volume，transmission sampling voice data is the basic requirement of voice sensing，so this paper the application of IEEE802.15.4 / ZigBee proposed realize voice communication environment，the research subject.This topic was designed based on the CC2430 chip Zigbee hardware modules，after understanding in open environment，the transmission distance stadia about 30 meters；On the basis of IEEE802.15.4 designed on the basis of voice communication system solutions，developed hardware test platform to study the sprint wireless voice communications technology. Voice communications plan make full use of CC2430 SoC performance characteristics，use chip APR9600 completed internal ADC and speech sampling and playback，without external voice codec pieces and use of peripheral devices seldom. System can well realize real-time speech wireless transmission，transmission power，less than 0 dBm 25ms speech delay，the transmission distance to less than 15 meters，timbre MOS test points to three points. The scheme hardware simple and low cost，low power consumption，and can be used to mine production，wireless sensor network，fire control，safety monitoring field，expand the scope of IEEE802.15.4 application.Keywords：IEEE802.15.4， ZigBee， CC2430， APR9600， wireless voice communication目录第一章 绪论11.1 选题背景11.2 国内外研究现状21.2.1 无线传感网络国内外应用现状21.2 .2 Zigbee技术国内外发呈现状31.3 生产需求状况31.4 研究目和意义41.5 本论文研究内容5第二章 Zigbee合同栈构造和原理62.1 Zigbee合同栈概述62.2 ZigBee网络体系72.2.1 两种功能类型设备72.2.2 三种节点类型82.2.3 三种网络拓扑构造82.2.4 两种工作模式92.3 IEEE 802.15.4通信层92.3.1 载波信道和频率描述102.3.2 物理层(PHY)数据包格式102.4 介质接入控制子层MAC112.4.1 MPDU 数据单元解决112.4.2 MAC层数据传播122.5 Zigbee网络层152.5.2 组网管理172.5.3 Zigbee路由算法18第三章 CC2430模块硬件设计243.1 Zigbee芯片描述243.2 CC2430 无线单片机简介253.2.1 CC2430芯片重要特点253.2.2 CC2430芯片引脚功能283.2.3 CC2430 芯片典型电路应用293.3 CC2430模块硬件设计与实现303.3.1 CC2430 模块电路图303.3.2 硬件方面设计303.4 软件设计343.4.1 IAR开发环境简介343.4.2 ADC参数配备353.4.3 使用TI-MAC合同栈进行语音传播36总结39道谢40重要参照文献41第一章 绪论1.1 选题背景Zigbee是一种短距离、低速率无线网络通信技术，其开发是为了建立一种低成本、低功耗社区域无线通信方式，在此基本上通过软件合同栈发展出易布建大容量、不依赖既有通信网络和既有电力网络无线网络。Zigbee在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛应用前景。数据传播速率低。只有10kbs250kb/s，专注于低传播应用。在休眠状态下耗电量仅仅只有1W，通信距离短状况下工作状态耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。WSN节点对功耗需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（例如战场、核辐射）区域持续工作数年而不更换供电单元。由于ZigBee数据传播速率低，合同简朴，因此大大减少了成本，这也正是蓝牙系统所不具备。无线传感器网络中可以具备成千上万节点，如果不能严格地控制节点成本，那么网络规模必将受到严重制约，从而将严重地制约WSN强大功能。 每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。由于WSN能力很大限度上取决于节点多少，也就是说可容纳传感器节点越多，WSN功能越强大。因此ZigBee网络容量大特点非常符合WSN需要。有效覆盖范畴在1075m之间，但是可以扩展到数百米，详细根据实际发射功率大小和各种不同应用模式而定，基本上可以覆盖普通家庭或办公室环境。减少WSN节点能量消耗和平衡所有节点能量，有必要缩小节点RF模块覆盖范畴。使用频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段，具备16个扩频通信信道。相应，WSN采用2.4GHZ工作频段特性将会更有助于WSN发展。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件自身支持CRC和AES128。这一安全特性能较好地适应军事需要无线传感器网络。总结Zigbee有如下长处：低功耗：由于ZigBee传播速率低,发射功率仅为1mW,并且采用了休眠模式,功耗低,因而ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右使用时间,这是其他无线设备望尘莫及。 成本低：ZigBee模块初始成本在6美元左右,预计不久就能降到1.52.5美元，并且ZigBee合同是免专利费。低成本对于ZigBee也是一种核心因素。 时延短：通信时延和从休眠状态激活时延都非常短,典型搜索设备时延30ms,休眠激活时延是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。因而ZigBee技术合用于对时延规定苛刻无线控制(如工业控制场合等)应用。网络容量大：一种星型构造Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一种主设备，一种区域内可以同步存在最多100个ZigBee网络，并且网络构成灵活。可靠：采用了碰撞避免方略,同步为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据竞争和冲突。MAC层采用了完全确认数据传播模式，每个发送数据包都必要等待接受方确认信息。如果传播过程中浮现问题可以进行重发。 安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128加密算法,各个应用可以灵活拟定其安全属性。ZigBee重要应用在距离短、功耗低且传播速率规定不高各种电子设备之间，典型传播数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反映时间数据。因而它应用目的重要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络）、医护（如监视和传感）、家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警）、消费类电子设备遥控装置、PC外设无线连接等领域。1.2 国内外研究现状1.2.1 无线传感网络国内外应用现状军用领域：国际上比较有代表性和影响力无线传感网络项目有遥控战场传感器系统（Remote Battlefield Sensor System）、网络中心战（NCW）及机灵传感器网络（SSW）、智能尘（smartdust）、Intel mote、Smart-Its项目、Sensor IT、行为习性监控（Habitat Monitoring）项目。Sensor IT项目摸索了如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。民用领域：美日等国家运用该技术对各种领域进行了应用2：英特尔与加利福尼亚州大学伯克利分校合伙针对微尘技术进行研究，并于将传感器网络技术应用到大鸭岛海燕生活习性监测项目。日立制作所与YRP泛在网络化研究所于11月24日宣布开发出了全球体积最小传感器网络终端，作为安装电池有源无线终端，可以搭载温度、亮度、红外线、加速度等各种传感器。设想应用于大楼与家庭无线传感器以及安全管理方面。三菱电机9月29日宣布成功试制出了支持近距离无线通讯技术ZigBee无线传感器。在旧金山，科学家将200各种Mica2节点布置在金门大桥构成WSN，用以监测大桥从一端到另一端摆动幅度，从而及时发现大桥隐患。国内现状：国内无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。中华人民共和国科学院上海微系统联合声学所、微电子所、半导体所等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通讯技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面获得很大进展。1.2 .2 Zigbee技术国内外发呈现状 底由ZigBee联盟发布了1.0版本规范ZigBee合同，11月发布了1.1版本规范。世界上有八家支持ZigBee联盟创始者公司，即Chipcon、Ember、Freeseale、Honeywell、Mitsubishi、Motorola、PhiliPs、Samsung。ZigBee联盟公司涉及有IC供应商、无线IP提供商、OEM厂商、测试设备制造商、最后产品制造商等，提供ZigBee合用产品和方案。到4月，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作测试和兼容性验证。飞思卡尔推出全球首个符合ZigBee原则平台，制造商当前可以将ZigBee技术用于传感和监控应用。中华人民共和国市场，华为、海尔等中华人民共和国OEM公司也加入了ZigBee联盟，许多院所展开了对ZigBee研究。ZigBee在中华人民共和国应用也更加广泛。例如以海尔U-HomeWireless Network为代表，涉及通过Internet、电话、手机或进行家庭监控、无线网关控制等。同步许多公司也在进行ZigBee有关产品开发工作，有代表性公司有上海顺舟网络科技有限公司3、成都无线龙通讯科技有限公司等4。1.3 生产需求状况为了推动ZigBee技术发展，Chipcon与Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee Alliance，当前该联盟已经包括130多家会员。该联盟主席Robert F.Haile曾于11月亲自拜访中华人民共和国，以免专利费方式吸引中华人民共和国本地公司加入。这一预言正在从ZigBee联盟及其成员近期一系列活动和进展中得到验证。在原则林立短距离无线通信领域，ZigBee迅速发展可以说是有些令人始料不及，从底原则确立，究竟有关芯片及终端设备总共卖出1500亿美元，应当说比被业界“炒”了近年蓝牙、Wi-Fi进展都要快。ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4推动下，结合其她无线技术，可以实现无所不在网络。它不但在工业、农业、军事、环境、医疗等老式领域有具备巨大运用价值，在将来其应用可以涉及到人类寻常生活和社会生产活动所有领域。随着21世纪社会经济和当代科技迅速发展,人们对可以随时随处提供信息服务无线通信需求越来越迫切。 短距离无线通信技术作为成为无线通信技术领域一种重要分支,在诸多无线数据传播中应用已经越来越广泛。Zigbee浮现,弥补了短距离数据通讯低成本解决方案空白,促成了它应用辽阔前景.据调查，时，zigbee芯片销量只达到约1000万元美元，而就已经达到约6000万美元，预测可达到3万美元，复合增长63%。通过这些数据，咱们可以看出zigbee需求量是比较庞大。 1.4 研究目和意义ZigBee技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本无线网络技术，它根据IEEE 802.15.4原则，在数千个微小传感器之间通过互相协调来实现通信，其重要特性涉及：具备多跳传送（multi-hop relay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具备自组织与自修复能力。由于ZigBee技术具备功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等许多长处，诸多研究机构将其作为无线传感器网络通讯原则。老式上ZigBee重要应用于家庭自动化、工业自动化、库存管理、产品质量控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域，其传播数据为非实时数据。无线语音通信则属于即时数据传播，虽然实现无线语音通信不是ZigBee原则最初目的，但在许多领域中如果没有语音通信功能，将使其应用受到很大局限；另一方面，在有紧急需求和布置不易环境下（如矿井井下救援、消防急救），ZigBee具备其她通信技术难以代替优势，如能运用ZigBee网络进行双向语音传播则具备非常大实用价值；同步，在无线传感网络应用中，声音也是一种传感量，传播采样声音数据正是声音传感应用基本规定。因此本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee应用环境，提出实现语音通信研究课题。1.5 本论文研究内容重要研究内容涉及如下几点：依照IEEE802.15.4原则及ZigBee，开发低成本ZigBee无线模块为了实现语音正常传播，咱们通过芯片APR9600进行接受和解决研究基于ZigBee无线语音传播系统设计第二章 Zigbee合同栈构造和原理2.1 Zigbee合同栈概述Zigbee 合同栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定服务：一种数据实体提供数据传播服务，一种管理实体提供所有其她服务。每个服务实体通过一种服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列基本服务指令来完毕相应功能。Zigbee合同栈体系构造如图2.1所示，它虽然是基于原则7层开放系统互联（OSI）模型，但仅对那些涉及Zigbee层予以定义。IEEE 802.15.4原则定义了最下面两层：物理层（PHY）和介质接入控制层（MAC）。Zigbee联盟提供了网络层和应用层（APL）框架设计。其中，应用层框架涉及了应用支持层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）及由制造商制定应用对象。图2-1Zigbee合同栈体系构造相比于常用无线通信原则，Zigbee合同套件经凑而简朴，详细实现规定很低。Zigbee联盟但愿建立一种可以连接每个电子设备无线网，它预言Zigbee将不久成为全球高品位无线技术，Zigbee节点达到30亿个。具备十几亿节点网络将不久耗尽已不够用IPv4地址空间，因而IPv6与IEEE 802.15.4结合是传感器网络发展趋势。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。在IEEE 502.15.4中总共分派了27 个具备3种速率信道；2.4GHz频段有16个速率为250Kb/s信道；915MHz频道有10个40Kb/s信道；868MHz频段有1个20Kb/s信道。这些信道中心频段按如下定义6（k为信道数）：FC=868.3 MHz （k=0）FC=906 MHz+2（k-1）MHz （k=1，2，10）FC=2405 MHz +5（k-11）MHz （k=11,12，26）IEEE 802.15.4 有下列特性：1.只支持星形和点对点拓扑构造；2.在网络中存在两种地址：16位网络地址，由协调器在网络建立是分派， 64位IEEE地址；3.实现四中不同传播速率（20、40、100、2500 Kbps）；4.支持应答机制；5.信道能量检测和链路质量批示；6.工作于ISM频段，在868MHz频段上有1个信道，915MHz上有10个信道，在2450MHz上有16个信道；7.低功耗节能。一种IEEE 802.15.4可以依照ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选取1个工作信道。从能量和成本效率来看，不同数据速率能为不同应用提供较好选取。来自IEEE502.15.4物理层合同数据单元二进制数据被依次构成4位二进制数据符号。每种数据符号被映射成32位伪噪声码片，以便传播。然后，这个持续伪噪声CHIP 序列被调制到载波上，即采用半正弦脉冲波形偏移正交相移键控调制方式。IEEE 802.15.4 MAC 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MAC层管理实体服务接入点访问高层，MAC层数据服务使MAC层合同数据单元收发可以通过物理层数据服务。IEEE 802.15.4 MAC层特性有信标管理、信标接入机制、保证时隙管理、帧确认、确认帧传播以及节点接入与分离。ZigBee网络层重要用于ZigBee网络组网接入、数据管理以及网络安全等。而应用层重要为ZigBee技术实际应用提供某些应用框架模型等，以便于对ZigBee技术开发应用。2.2 ZigBee网络体系Zigbee网络中存在两种功能类型设备，三种节点类型，三种拓扑构造及两种工作模式。2.2.1 两种功能类型设备ZigBee网络含全功能设备FFD（Full function device）和精简功能设备RFD（Reduced function device）两种功能类型设备。全功能设备（FFD）支持原则定义所有功能和特性；而精简功能设备（RFD）功能简洁，存储器容量规定至少。2.2.2 三种节点类型ZigBee网络含三种类型节点，即协调器ZC（ZigBee Coordinator）、路由器ZR（ZigBee Router）和终端设备ZE（ZigBee EndDevice），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：一种ZigBee网络PAN（PersonalArea Network）有且仅有一种协调器，该设备负责启动网络，配备网络成员地址，维护网络，维护节点绑定关等，需要最多存储空间和计算能力。路由器：重要实现扩展网络及路由消息功能，扩展网络，即作为网络中父节点，容许更多设备接入网络，路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。终端设备：只能选取加入她人已经形成网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。2.2.3 三种网络拓扑构造ZigBee网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑构造，如图5所示，从左到右依次是星状网络，树状网络和网状网络。星状网络由一种PAN协调器和各种终端设备构成，只存在PAN协调器与终端通讯，终端设备间通讯都需通过PAN协调器转发。树状网络由一种协调器和一种或各种星状构造连接而成，设备除了能与自己父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其她只能通过树状路由完毕消息传播。网状网络是树状网络基本上实现，与树状网络不同是，它容许网络中所有具备路由功能节点直接互连，由路由器中路由表实现消息网状路由。该拓扑长处是减少了消息延时，增强了可靠性，缺陷是需要更多存储空间开销。图2-2ZigBee 网络中三种网络拓扑构造2.2.4 两种工作模式网络工作模式可以分为信标（Beaeon）和非信标（Non-beaeon）两种模式,信标模式实现了网络中所有设备同步工作和同步休眠，以达到最大限度功耗节约，而非信标模式则只容许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备必要长期处在工作状态。信标模式下，ZC负责以一定间隔时间（普通在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个相似时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个某些，消息只能在网络活动区各时槽内发送。非信标模式下，ZigBee原则采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE积极向其父节点提取数据机制，实现ZE周期性（周期可设立）休眠。网络中所有父节点需为自己ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点大多数时间都处在休眠模式，周期性醒来与父节点握手以确认自己仍处在网络中，其从休眠模式转入数据传播模式普通只需要15ms。2.3 IEEE 802.15.4通信层IEEE 802.15.4 原则定义了最下面两层：物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）：物理层（PHY）重要功能：信道选取 信道能量检测无线信道收发数据空闲信道评估接受包链路质量检测其中，信道能量检测重要测量目的信道中接受信号功率强度，事实上所测得是有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质量要对信号进行解码，生成是信噪比批示，提供接受数据帧是无线信号强度和治疗信息。空闲信道评估判断是当前与否处在空闲状态，以此来决定与否发送当前数据帧。2.3.1 载波信道和频率描述IEEE802.15.4原则定义ZigbeePHY层：表2-1 原则定义PHY层7信道编号中心频率/MHZ信道间隔/MZ频率上限/MZ频率下限/MZ传播速率Kb/S调制方式k=0868.3有且仅有1个信道868.6868.020BPSKk=110903+2(k-1)2928.0902.040BPSKk=11262401+5(k-11)52483.52400.0250Q-QPSK注：868MHz 是欧洲附加ISM频段，915MHz 是美国附加ISM频段，而2.4GHz为全球通用ISM频段。2.3.2 物理层(PHY)数据包格式物理层帧（PPDU）格式如下表所示，Zigbee物理层数据包由同步包头、物理层包头和物理层净荷三某些构成。同步包头由前向同步码（前导码）和数据包（帧）定界符构成，用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步，也有助于错略频率调节。物理层包头批示净荷某些长度，净荷某些具有MAC层数据包，最大长度是127字节。如果数据包长度类型为5字节或不不大于8字节，那么物理层服务数据单元（PSDU）携带MAC层帧信息（即MAC层合同数据单元）。表2-2物理层数据包格式14字节1字节1字节变量前同步码帧定界符帧长度（7位）预留位（1位）PSDU同步包头物理层包头物理层净荷2.4 介质接入控制子层MACIEEE 802 系列原则把数据链路层提成逻辑链路控制子层LLC和介质接入控制子层MAC两个子层。LLC自层在IEEE802.6 原则中定义，为802原则系列所共用；而MAC子层合同则依赖于各自物理层。LLC子层重要功能是进行数据包分段和重组，以及保证数据包安顺序传播。而MAC层功能更加强大：a、 解决MPDU；b、 网络协调器信标产生及与协调器信标同步；c、 ED 、ACTIVE和ORPHAN机制参加频道存取，数据应答重传机制；d、 运用CSMACA机制参加频道存取，数据应答重传机制；e、 解决与维护保证时槽机制；f、 关联和退出关联功能；2.4.1 MPDU 数据单元解决MAC层负责分解接受到MPDU包，并对来自NWK层数据包进行MPDU封装。MAC层含数据帧、命令帧、信标帧、应答帧，帧格式及不同类型帧格式特点如下：表2-3 MAC帧格式1字节：210/20/2/80/20/2/8长度可变2帧控制域（FCF）帧序列码接受端设备网络号接受端设备地址发送端设备网络号发送端设备地址帧载荷FCS地址域侦头MAC负荷帧尾通用MAC帧（MPDU）格式如表2-3所示，涉及帧头（MHR）、MAC帧载荷域及帧尾三某些构成。帧头由帧控制域、序列号、地址域构成。MAC帧载荷域即为MAC层有效数据单元。帧尾为帧头和MAC帧负荷域16位CRC校验序列FCS）。 表2-4 帧控制域（FCF）格式1Bits：02345679101112131415帧类型安全使能帧待决祈求确认PAN保存目地址保存源地址注：1、帧类型：信标帧、数据帧、ACK帧、命令帧； 2、帧待决：定义发送端与否尚有数据给接受端；3、祈求确认：定义与否规定接受端应答（反馈ACK）；4、PAN：定义与否省略发送端设备网络号（PAN ID）； 5、目地址和源地址有三种模式：不含地址、16位网络地址、64位IEEE地址；6、帧序号为该帧在源设备中帧标记符，每个设备均有自己帧序列号发生器，序列号采用循环计数方式，范畴值为0-0xFF； 7、地址域涉及接受端设备网络和设备地址，发送端设备网络号和设备地址。MAC层帧头接受端设备和发送端设备属于单跳关系。 8、四种MAC帧格式阐明：MAC帧含数据帧、信标帧、ACK帧、命令帧四种帧类型。数据帧帧数据单元相应于NWK层帧NPDU（NWK Protocal data unit），信标帧、ACK帧、命令帧均由MAC层解决或构造。信号帧：具备父节点功能节点通过发送信标帧，告知自己有关信息，如与否容许新节点加入。ACK帧：只含帧头中帧控制域和序列号域，及帧尾FCS校验码域，由接受方反馈给发送方，告知某条帧对的接受。命令帧：MAC层命令帧，其负荷域由命令ID和详细命令参数构成。IEEE 802.15.4定义了MAC层以及物理层通信数据格式，如表2-5，其中，物理层数据格式是在MAC层数据格式前加上物理头以及同步头两某些。表2-5 IEEE802.15.4定义通信数据格式1物理层（PHY）MAC层同步头（SHR）物理头MAC合同数据单元（MPDU）前同步码：4bSFD：1b帧长：1b物理层服务数据单元（PSDU）物理层合同数据单元（PPDU）2.4.2 MAC层数据传播重传机制分别实现了信道共享及数据帧可靠传播。1）、CSMA-CA传播机制基于IEEE802.15.4原则，MAC子层发送数据帧和命令帧须使用CSMA-CA机制访问信道，以减少由于帧发送冲突而带来不必要能量损耗。CSMA-CA以涉及载波检测机制和随机退避规则，即等待一段随机时间，随后通过检测物理信道能量来判断当前信道与否空闲，若当前信道空闲，则占用信道并及时发送帧，否则，再次重复上述过程。CSMA/CA通信方式将时间域划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一种站点发送，实现了网络系统集中控制。CSMA/CA采用了三种检测信道空闲方式：能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混台检测。能量检测（ED）：接受端对接受到信号进行能量大小判断，当功率大于某一拟定值时，表达有顾客在占用信道，否则信道为空。载波检测（CS）：接受端将接受到信号与本机伪随机码（PN码）进行运算比较，如果其值超过某一极限时，表达有顾客在占用信道，否则以为信道为空。 MAC层使用CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision avoidance）机制和应答能量载波检测：它是能量检测和载波检测两种工作方式结合。2）、应答重传机制为了保证传播可靠性，IEEE802.15.4原则在MAC层使用了帧应答重传机制。发送端发送数据帧或命令帧时，可以通过置位帧控制域Ack request子域，实现MAC层帧应答重传。当Ackrequest子域为0时，不需要接受端反馈ACK帧，发送端默认接受端对的收到数据帧，通讯流程如下图所示。图2-3 无应答成功数据传播1当Ack request子域为1时，发送端将帧发送出去后，启动定期器，等待接受来自接受端应答帧（ACK帧）。接受端接受到该帧后，及时向发送端反馈应答帧，并将该接受帧传给上层。若发送端在定期器超时之前接受到该应答帧，确认其序列号与原帧相似后，停止该定期器计数，并向上层反馈一成功确认，否则，若发送端没有在有效时间内接受到对的ACK帧，可尝试最多aMaxFram eRetries次重传，若都以失败告终，则以为本次通讯失败，并向上层发送失败确认。成功有应答数据传播如下图所示。图2-4 有应答成功数据传播12、MAC层各种扫描MAC层向上层提供了三种扫描：a、ED（EnergyDetect）扫描：用于PAN建立前选取适当信道信道；b、Active扫描：用于获取物理通讯范畴内所有父节点信标帧信道；c、orphan扫描：用于与父节点失去联系节点重新建立关联；1）、ED扫描ED信道扫描，即对目的信道中接受信号功率强度测量，以得出指定信道现存网络活跃限度。NWK层使用MLME-SCAN.request原语向MAC层发起扫描祈求，MAC层接受到该原语，并确认其扫描类型为ED扫描后，依照原语所提供phyChannelssupported这一通道列表属性值，对所有指定通道进行逐个扫描。每个信道扫描过程是先设立信道号，然后对该信道进行多次ED测试，直到耗尽最长时间aBasesuperframeDuration*（Zn+l）（n是MLM- SCAN.request原语中Scanduration），然后将本次所有测试最大ED值记录下来，作为该信道ED测量值。如此，一种信道测量完毕，随后切换到下一信道进行新一轮ED测试。待phyChannelssupported中所有信道所有测试完毕，MAC层向上层反馈一MLME-SCAN.eonfirm原语，告知本次ED扫描状态成果。2） 、Active扫描Active信道扫描使得设备获取在其物理通讯范畴内所有潜在父节点信标帧。重要用于起动网络时避免PANID冲突，及设备加入网络选取一最佳父节点加入。Active信道扫描过程，即节点向外发送一信标祈求（beaeon request）命令帧，周边所有具备父节点功能节点听到该命令帧后，各自组建一信标帧反馈给该节点，该节点等待最多aBasesuperframeDuration*（Zn+1）时间，（n为Scan Duration）在这段等待时间内，设备只解决信标帧，且将信标帧上有关信息记录到网络描述符列表中（PAN Descriptor List）中，同步还写入邻接表中。3） 、orphan扫描当节点与自己父节点失去联系，它就需要使用orphan扫描尝试重新建立与原关联父节点联系。在orphan扫描期间，该节点MAC层只解决接受到Coordinator realignment命令帧。orphan信道扫描过程，节点一方面发送orphan notification命令帧，只有原父节点听到该帧后才会反馈coordinator realignment命令帧，这一过程只容许在aResponsewaitTime时间内完毕。普通状况下，若orphan扫描没有成功，则该设备可重新尝试orphan扫描或是寻找新父节点加入。2.5 Zigbee网络层网络层（NWK）位于媒体访问控制层（MAC）和应用层（APL）之间，主要功能如下：a、网络层合同数据单元（NPDU）解决；b、信息路由；c、组网管理；2.5.1NPDU 数据单元解决NWK 帧分为数据帧和命令帧。1、 通用帧类型格式NWK帧由帧头和帧负荷两某些构成。帧头涉及帧控制域和路由信息域，其中路由信息域含目的端设备地址，源端设备地址，路由半径及序列号四某些。NWK帧帧负荷域长度可变，内容和长度取决于帧类型。格式如下图：表2-6 通用NWK 帧格式5字节：22211长度可变帧控制域目的端设备地址源端设备地址路由半径序列号帧数据单元路由信息域NWK头NWK 负荷阐明：a、帧头帧控制域含：帧类型，合同版本，途径搜索及安全位四个子域。 帧类型子域：定义了数据帧和NWK命令帧； 合同版本子域：标记该合同版本号； 途径搜索子域：用于决定与否使用路由搜索这一功能；表2-7 NWK 帧控制域格式5位：0-12-56-78910