物联网嵌入式网关的研究及组网实现(毕业设计论文).doc

摘 要
物联网是在互联网概念的基础上提出的，积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。而物联网网关可以实现感知网络与通信网络以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。
物联网嵌入式网关的研究及组网实现，是在构建整个物联网体系结构中至关重要的一步。网关是建立在网络层之上的协议转换器，而嵌入式系统具有专用性强、实时性好、可靠性高、功耗少、体积小和低成本的特点，因此用嵌入式网关极大增加了应用的灵活性并降低了成本。通过网关把ZigBee网络同因特网连接起来，在各个角落都可以对某个ZigBee网络中的设备进行监测和控制，大大缩小了物理世界的时空距离。
本文首先提出了一种基于ARM微处理器的嵌入式网关总体设计方案，设计出的网关具有功耗底、体积小、设计简单又可以满足小数据量信息传输的特点。然后以奥尔斯物联网创新实验系统IOV-T-2530为平台，模拟了嵌入式网关多点数据采集并完成了ZigBee网络与互联网的通信，从而实现了嵌入式网关在物联网中的应用。

关键词：物联网；嵌入式系统；ZigBee；网关；
ABSTRACT
The Internet of things is based on the concept of Internet, Actively develop Internet of Things technology, expand its application areas as soon as possible, put it into production and life as soon as possible, will be of great signifiance. While the Gatway can bring about protocol conversion between the sensor network, communications networks and different types of sensor network, both can achieve wide-area access, local access can also be achieved.
The research and application of Embedded Gateway is a crucial step to build the Internet of Things architecture. Gateway is protocol converter built on top of network layer，while Embedded system has specific use is strong, good real-time performance, high reliability, low power consumption, small size and low cost, thus Embedded Gateway greatly increased the use of application flexibility and reduced the cost. Through a Gateway to connect ZigBee network with the Internet, in every corner can monitoring and control the equipment in ZigBee network, greatly reducing the time and space between the physical world.
This paper first suggests a overall design of embedded Gateway based on the ARM microprocessor, the Gateway has the advantages of low power consumption, small size, simple design and a small amount of data to meet the characteristics of information transmission. then use OURS IOV-T-2530 as a platform to simulate the embedded Gateway multi-point data acquisition, and completed the communication between ZigBee network and Internet, accomplishing the application of embedded Gateway in the Internet of Things.

Keywords: Intemet of things; Embedded systems; ZigBee ; Gateway;
目录
1 绪论 3
1.1 课题研究背景 3
1.2 国内外研究现状 4
1.3 课题研究意义和内容 6
2 物联网相关理论基础 9
2.1 无线传感器网络概述 10
2.2 基于ZigBee的无线组网技术简介 11
2.3 TI Z-Stack协议栈 20
2.4 ZigBee开发基础 22
3 基于ARM微处理器的嵌入式网关总体设计 25
3.1 网关设计的基本要求 …25
3.2 网关功能模块的组成…… 26
3.3 嵌入式网关的硬件设计…… …27
3.4 嵌入式网关的软件设计…… …28
4 物联网嵌入式网关Cortex A8DB概述 29
4.1 嵌入式网关Cortex A8DB开发板简介 29
4.2 嵌入式网关操作系统方案的选择 33
4.3 OMAP3530处理器（ARM内核）烧写WinCE 38
5 软硬件平台的搭建及系统实现 39
5.1 CC2530芯片概述 39
5.2 Visual Studio 2005的特点 41
5.3 Platform Builder for CE 6.0简介 42
5.4 系统运行环境的搭建及组网实现 43
6 总结和展望 ….56
参考文献 57
致谢词 58
附录1外文原文 59
附录2 中文译文 67

1 绪论
1.1 课题研究背景
21世纪是一个以网络计算机为核心的信息时代。随着信息技术、网络技术的快速发展，物联网时代即将到来。物联网被称为信息产业的第三次浪潮。物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、GPS、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现任何时间、任何地点、任何物体进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是具有全面感知、可靠传输、智能处理特征的连接物理世界的网络。
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
无线传感器网络并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列。目前迫切需要一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准，而ZigBee的出现正好解决了这一问题。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得Zighee和无线传感器网络完美地结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发己得到越来越多的关注。
最近二十年间，以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化，然而，网络功能再强大，网络世界再丰富，终究是虚拟的，与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合，才能与现实世界相联系。
将无线网络和有线网络相互连接，组成一个更大的网络，可以进一步发挥无线网络和有线网络的优势，提高信息传输效率和质量。无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。例如，无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合，一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。
多个ZigBee设备可以构成一个无线个人区域网，在这个网络中主协调器可以对各个设备进行控制。随着Zighee无线网络技术的广泛应用，如何通过现有网络基础设施(如Internett)对其进行远程管理、控制，逐渐成为该领域的重要研究课题。现如今因特网普及全球，如果能把ZigBee网络同因特网连接起来，那么在世界各个角落都可以对某个ZigBee网络中的设备进行控制，有利于ZigBee技术的进一步发展，因此网关的设计就如一座桥梁紧密地联系着ZigBee网络与因特网。网关在整个传感器网络中起着重要的枢纽作用，是整个传感器网络发展的“瓶颈”之一，通过嵌入式网关和Internett做媒介，就使得世界范围内的不同监测区域都可以信息共享，这大大缩小了物理世界的时空距离。
1.2 国内外研究现状
目前，物联网技术的发展已经上升到国家战略高度，世界多个国家和企业已经开始投入巨资，力争在未来物联网技术革命中抢占制高点。美国总统奥巴马极其重视物联网这种高新技术的开发，并将其视为与开发绿色能源技术同等重要的国家战略。去年年底，世界IT巨头IBM公司首席执行官彭明盛首次抛出“智慧的地球”这一概念时，其战略核心就是物联网。这些充分证明，要想把握好信息产业变革的每一次机遇，并不是偶然机遇的垂青，而是充分重视，主动把握机会的结果。
我国也在积极的把握这次难得的机遇，温家宝总理提出了建立“感知中国”中心的工作，他指出，“当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有掌握一些核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。”国家工业和信息化部正在制定我国的“物联网”标准，相关负责人表示，我国物联网标准体系己形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案均被采纳。
我国在物联网的启动和发展上与国际相比并不落后，我国中长期规划《新绪论一代宽带移动无线通信网》中有重点专项研究开发“传感器及其网络”，国内不少城市和省份已大量采用传感网解决电力、交通、公安、农渔业中的所有增强机器设备通信和网络能力的技术的总称(MZM)等信息通信技术的服务中国通信标准化协会也启动了基于互联网的物联网和基于电信网的物联网的相关标准和研究课题的申报工作。中国的几大电信运营商积极投入“物联网”的技术开发和应用的工作:物流信息化、公交视频化、校讯通、农村信息化、渔牧业监控、水文水质等。总而言之，我国物联网技术己经初步掌握其核心技术，自行制定的行业标准纷纷被世界各国所采纳，享有话语权。我国拥有自主知识产权的“唐芯一号”已经问世，突破了我国射频电路、模数混合电路、超低功耗等集成电路设计、验证和测试技术，对于我国物联网产业的发展和应用，争取自主知识产权和占领物联网国际制高点，意义重大。
中国的物联网技术研发水平处于世界前列，具有重大的影响力，在物联网领域享有国际话语权。中科院1999年就启动了传感网研究，组成了 2000多人的团队，先后投入数亿元，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等取得重大进展。目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。
ZigBee联盟是企业间的合作组织，致力于提供可靠的、高性价比的、低能耗、无线网络化的、基于开放全球标准的监控产品。ZigBee联盟的目标：通过加入无线网络的功能，为消费者提供更富弹性、易用的电子产品，ZigBee技术应用范围横跨全球民用、商用、政府及工业领域，生产商可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又节能的各种产品。ZigBee联盟主要关注：制定网络层，安全层、应用层；提供不同产品的协调性及一致性测试规格；拓展ZigBee品牌的全球市场;管理技术演进。截至2009年12月，根据ZigBee联盟官绪论方网站上的数据显示，ZigBee联盟目前有328家会员。
ZigBee技术弥补了低功耗、低速率、短距离应用的无线技术标准空缺，有广阔的发展空间与广泛的应用前景，特别适用于构建无所不在的传感器网络。为了推动物联网和ZigBee技术的发展，业界纷纷将ZigBee网络与现有的网络（如计算机网络、移动互联网）进行互联，来延伸ZigBee网络的使用范围。目前ZigBee网络与以太网互通主要采取两种方案：ZigBee内置IP协议和网关方式。
网关是建立在传输层以上的协议转换器，通常它连接两个或多个相互独立的网络，每接收一种协议的数据包后，在转发之前将它转换为另一种协议的格式。网关方式具有效率高、响应实时、可靠性高、功耗低，抗干扰能力强等特点，同时具有很好的通用性。
1.3 课题的研究意义和内容
物联网的提出突破了将物理设备和信息传送分开的传统思维，实现了物与物的交流，体现了大融合理念，具有很大的战略意义。现有的通信主要是人与人的通信,目前全球的通信用户已经接近于饱和，发展空间有限。而物联网涉及的通信对象更多的是“物”，如果这些所谓的“物”都纳入物联网通信应用范畴，其潜在可能涉及的通信连接数可达数百亿个，为通信领域的扩展提供了巨大的空间。
物联网的接入方式是多种多样的，物联网网关设备是将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的关键设备。它可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能，而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质量和安全。物联网网关在未来的物联网时代将会扮演着非常重要的角色，可以实现感知延伸网络与接入网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联，将广泛应用于智能家居、智能社区、数字医院、智能交通等各行各业。
ZigBee弥补了低功耗、低速率、短距离应用的无线技术标准空缺，有广阔的发展空间与广泛的应用前景，特别适用于构建无所不在的传感器网络。作为面向无线传感器网络的技术标准，ZigBee的目标是建立一个无所不在的传感器网络。基于ZigBee技术的无线网关设计有机地把ZigBee技术与互联网连接起来，实现了数据从现场到互联网的整个传输过程，反之也可以把互联网上的控制信号通过网络发送到现场，实现对现场设备的远程控制，使数据能够双向通信。让ZigBee技术在各个领域的应用也更加广泛、发展前景更加广阔。
多个ZigBee设备可以构成一个无线个人区域网，在这个网络中主协调器可以对各个设备进行控制。现如今因特网普及全球，如果能把ZigBee网络同因特网连接起来，那么在世界各个角落都可以对某个ZigBee网络中的设备进行控制，有利于ZigBee技术的进一步发展，因此网关的设计就如一座桥梁紧密地联系着ZigBee网络与因特网。例如在精确农业的应用中，田间或大棚内安装不同的传感器采集各种数据，如光照、温度、湿度、二氧化碳含量等，配合ZigBee模块就可以构成一个或多个ZigBee网络。这些数据可以通过无线网关传送到因特网上，人们就可以在办公室里甚至在任何地方通过网络来控制农田的基本情况。
ZigBee是一种新兴的、低功耗的近距离无线组网通讯技术，被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统监控等领域的无线技术。随着Zigbee无线传感器网络技术的广泛应用，如何通过现有网络基础设施(Internet)对其现场进行检测、管理和远程控制，逐渐成为该领域的重要研究课题。将Zigbee网络与互联网紧密融合，实现对其有效支持、补充和扩展，是本文讨论的主要内容。
本文针对奥尔斯物联网创新实验系统IOV-T-2530的研究和学习，通过嵌入式网关Cortex A8DB开发板实现了无线传感器网络与互联网的连接和信息交互，使互联网相关设施对现场设备的远程控制成为可能。

2 物联网相关理论基础
物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议，如图2-1 所示。

图2-1 物联网网络构架
感知延伸系统包括感知和控制技术，由感知延伸层设备以及网关组成，支持包括Lonworks、UPnP、ZigBee 等通信协议在内的多种感知延伸网络。感知设备可以通过多种接入技术连接到核心网，实现数据的远程传输。业务运营管理系统面向物联网范围内的耗能设施，包括了应用系统和业务管理支撑系统。应用系统为最终用户提供计量统计、远程测控、智能联动以及其他的扩展类型业务。业务管理支撑系统实现用户管理、安全、认证、授权、计费等功能。
2.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。
所谓无线传感器网络是由大量部署在目标区域内的，具备感知、无线通信与计算能力的微小传感器节点所构成的分布式网络系统。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统以及节点应用程序等组成)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及供电单元(电池、太阳能或其他方式)。传感器网络可以根据当时的情况通过自组织方式构成动态的网络拓扑结构。传感器网络节点间一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。
ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee协议规范使用了IEEE 802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC)，并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。
基于ZigBee技术的无线传感器网络应用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
无线网络技术按照传输范围来划分，可以分为无线广域网（WWAN），无线城域网（WMAN），无线局域网（WLAN）和无线个人域网（WPAN）。其中的无线个人域网就是所谓的短距离无线网络，各种短距离无线传输技术层出不穷：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、无线USB，无载波通信技术（UWB）等, 其中蓝牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。Bluetooth虽然成本低，成熟度高，具有多种规范，但是其传输距离有限，仅为10米，只能组成最多8个节点的星状网，电池也仅能维持数周。 UWB虽然可以实现高达几百Mbps的传输速率，但是其覆盖距离仅为10米，这决定了它主要被用作消费产品中的视频和高速数据解决方案，目前UWB没有网状网络能力。Wi-Fi虽然传输速度可以达到11Mbps，传输距离达到100米，但是其价格相对教昂贵，且功耗大，组网能力差。ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，因此非常适合应用于物联网无线传感器网络中来。
2.2 基于ZigBee的无线组网技术简介
2.2.1 ZigBee网络体系
ZigBee网络中存在两种功能类型的设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。
● 功能类型
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。
● 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 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。
● 拓扑结构
ZigBee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2-2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。

图2-2 星状网、树状网和网状网三种拓扑结构
星形网（Star）是由一个ZigBee协调器和一个或多个ZigBee终端节点组成的。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。星型网络拓扑的最大优点是结构简单，无需其他路由信息，一切数据包均通过ZigBee协调器。其缺点是限制了无线网络的覆盖范围，很难实现高密度地扩展，最多支持两跳网络，适用于小型网络。目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量应用在远程监测和控制终端设备的通信。
网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。
树状网络（Cluster tree Network）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，但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。
在建立树状网络时，ZigBee协调器建立网络后，先选择网络标识符，将自己的短地址设置为0，然后向它邻近的设备发送信标，接受其他设备的连接，形成树的第一级，此时ZigBee协调器与这些设备之间形成父子关系。与ZigBee协调器建立连接的设备都分配了一个16位的网络短地址。如果以终端设备的身份与网络连接，则ZigBee协调器分配一个唯一的16位网络地址；如果以路由器的身份与网络连接，则协调器会为它分配一个地址块（包含有若干16位短地址）。路由器根据它接收到的协调器信标的信息，配置并发送它自己的信标，允许其他的设备与自己建立连接，成为其子设备。由此可见，路由器转发消息时通过计算与目标设备的关系，从而决定向自己的父节点转发还是某个子节点转发。
网状网络（Mesh Network）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。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。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。
● 工作模式
ZigBee网络的工作模式可以分为信标模式和非信标模式两种。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。
2.2.2 ZigBee协议结构
ZigBee协议由物理层（PHY）、介质访问控制子层（MAC）、网络层（NWK）， 应用层（APL）及安全服务提供层（SSP）五块内容组成。其 中PHY层和MAC层标准由IEEE802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层， APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL层由应用支持层 （APS），应用框架（AF）以及ZigBee设备对象（ZDO）及ZDO管理平台组成。ZigBee技术的整体协议架构如图2-3所示。

图2-3 ZigBee协议结构体系
PHY层定义了无线射频应该具备的特征，提供了868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2400MHz~2483.5MHz三种不同的频段，分别支持20Kbps、40Kbps和250Kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道。ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10~100米之间。PHY层提供两种服务：PHY层数据服务和PHY层管理服务，PHY层数据服务是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元（PPDU），PHY层的特性是激活和关闭无线收发嚣、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。
MAC层使用CSMA-CA冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联（Association）和退出关联（Disassociation）以及MAC层安全。MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务，MAC层数据服务通过物理层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元 （MPDU）。MAC层的主要功能是：进行信标管理、信道接入、保证时隙（GTS）管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。
NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE802.15.4-2003MAC子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。
ZigBee应用层包括应用支持子层（APS子层）、应用框架（AF）和ZigBee 设备对象（ZDO）。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架（AF）为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对（KVP）服务和报文（MSG）服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点1至端点240上。ZDO可以看成是指配到端点0上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。 ZDO负责定义设备在网络中的角色（例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端设备）、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。
安全服务提供者SSP（Security Service Provider）向NWK层和APS层提供安全服务。
ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
2.2.3 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。 ZigBee规范使用了四种类型的原语，它们是请求原语（Request），指示原 语（Indication），响应原语（Response）以及确认原语（Confirm）：
① Request：请求原语是从N+1层传递到N层，用以请求发起服务；
② Indication：指示原语是从N+1层传递到N层，用以指示一个内部N层事件对于N+1层有重要意义。该事件可能与远端服务请求逻辑相关，或者它是由N层内部时间引起的；
③ Response：响应原语是从N+1层传递到N层，用以完成指示原语先前调用的程序；
④ Confirm：确认原语是从N层传递到N+1层，用以传递一个或多个先前相关的服务请求的结果。
2.2.4 ZigBee与其它无线技术比较
将ZigBee、GPRS/GSM、Wi-Fi、Bluetooth几种无线通讯的技术指标汇总成图2-4。与其他几种无线通讯技术相比而言，ZigBee具有低功耗、低价格、低数据传输速率、传输范围小和支持网络节点多的特点，较适合用于具有以下特点的工控领域：
(1)产品设备要求成本较低，传输的数据量较小；
(2)设备体积较小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；
(3)没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；
(4)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备很多，但仅仅需要监测或控制。
只要符合上面的一条，就可以考虑使用ZigBee技术。
市场名称
标准
ZigBee
802.15.4
GPRS/GSM
IXRTT/CDMA
Wi-Fi
802.11b
Bluetooth
802.15.1
应用焦点
监控
广域网语言及数据传输
互联网、电邮、视频传输
取代接线
系统资源需求
4KB-32KB
16MB+
1MB+
250KB+
电池寿命（天）
100-1000+
1-7
0.5-5
1-7
网络规模
接近无限
1
32
7
频宽（KB/s）
20-250
64-128+
11000+
720
传输距离(公尺)
1-100+
1000+
1-100
1-10+
成功因素
高可靠性，低成本、低功耗
高覆盖、高质量
高速瓶、富弹性
低成本、方便性
图2-4 无线网络标准技术指标汇总比较
2.3 TI Z-Stack协议栈
2007年1月，TI公司宣布推出ZigBee协议栈（Z-Stack），并于2007年4月提供免费下载版本V1.4.1。Z-Stack达到ZigBee测试机构德国莱茵集团（TUV Rheinland）评定的ZigBee联盟参考平台（Golden Unit）水平，目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用。Z-Stack符合ZigBee 2006规范，支持多种平台，其中包括面向IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430片上系统解决方案、基于CC2420收发器的新平台以及TI公司的MSP430超低功耗微控制器（MCU）。
TI Z-Stack是TI公司的ZigBee协议实现，由ZigBee联盟鉴定符合ZigBee协议的平台。它主要包括以下几个方面：
1) HAL(硬件描述层)
2) OSAL(操作系统描述层)
3) ZigBeestaek+IEEE802.15.4MAC
4) 用户应用层
5) MT(支持通过串口与PC机进行通信)
ZigBee协议栈运行在一个称为OSAL的操作系统层上，所以要进行ZigBee开发必须熟悉OSAL。OSAL （操作系统描述层）基于任务调度机制，它是通过对任务的事件触发来实现任务调度。每个任务都包含若干个事件，每个事件都对应一个事件号。当一个事件产生时，对应任务的Event中该事件的标志位就被设置，这样事件调度就会调用相应的任务处理程序。OSAL中的任务可以通过任务API将其添加到系统中，可以实现多任务机制。
2010年5月推出的Z-Stack 2.3.1软件可与奥尔斯电子的 OURS-IOTV2平台协同工作，该平台基于TI的CC2530片上系统。该软件提供了其所支持的应用范例库，其中包括智能能源、家庭自动化以及无线下载 (OAD) 等功能。
● TI Z-Stack 软件架构
事实上，TI Z-Stack协议栈是基于一个轮转查询式操作系统的。
Z-Stack的main函数在ZMain.c中，总体上来说，它一共做了两件工作，一个是系统初始化，即由启动代码来初始化硬件系统和软件构架需要的各个模块，另外一个就是开始执行操作系统实体，如图2-5所示。

图 2-5 协议栈主要流程
★系统初始化
系统启动代码需要完成初始化硬件