Freescale公司MC13192、Ember公司的EM250等系列的开
发工具和芯片。
2、ZigBee协议框架
完整的ZigBee协议 栈自上而下由应用层、 应用汇聚层、网络层、 数据链路层和物理层组 成。数据链路层可分为 逻辑链路控制子层(LLC) 和介质访问控制子层 (MAC)。
应用层 应用汇聚层 网络层 数据链路层 物理层 LLC MAC
6.3.2 物理层
IEEE 802.15.4标准规定物理层负责如下任务： ① 激活和去活无线收发器； ② 当前信道的能量检测； ③ 发送链路质量指示； ④ CSMA/CA的空闲信道评估； ⑤ 信道频率的选择； ⑥ 数据发送与接收。
IEEE 802.15.4标准定义了27个信道，编号为0-26； 跨越3个频段，具体包括2.4GHz频段的16个信道、915MHz 频段的10个信道、868MHz频段的1个信道。 这些信道的频段中心定义如下(其中k表示信道编号)： fc=868.3MHZ k= 0 fc=906+2×(k－1)MHz k=1，2，…，10 fc=2405+5×(k－11)MHz k=11，12，…，26
6.3.1 IEEE 802.15.4标准概述
无线传感器网络的底层标准一般沿用无线个域网 （IEEE 802.15）的相关标准部分。无线个域网（WPAN） 的出现比传感器网络要早，通常定义为提供个人及消费 类电子设备之间进行互联的无线短距离专用网络。 无线个域网专注于便携式移动设备之间的双向通信 技术问题，其典型覆盖范围一般在10米以内。IEEE 802.15工作组就是为完成这一使命而专门设臵的，且已 经完成一系列相关标准的制定工作，其中就包括了被广 泛用于传感器网络的底层标准IEEE 802.15.4。
IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点： (1) 在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps和
250kbps三种不同的传输速率；
(2) 支持星型和点对点两种网络拓扑结构； (3) 有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全 球惟一的扩展地址； (4) 支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)； (5) 支持确认机制，保证传输可靠性。 IEEE 802.15.4标准主要包括物理层和MAC层的标准。
1、物理层服务规范
物理层(PHY)通过射频连接件 和硬件提供MAC层和无线物理信 道之间的接口。物理层在概念上 提供“物理层管理实体(PLME)”， 该实体提供了用于调用物理层管 理功能的管理服务接口。 物理层的组件和接口如图所 示。物理层提供两种服务：通过 物理层数据服务接入点提供物理 层的数据服务；通过PLME的服务 接入点提供物理层的管理服务。
物理层数据 服务接入点 物理层管 理实体服 务访问点 物理层管 理实体 物理层 物理层的 个域网信 息库
无线射频服务访问点
2、物理层帧结构
4字节 前导码 同步头 1字节 SFD 1字节 帧长度(7位) 保留位(1位) 物理帧头 变 长 PSDU PHY负载
前导码由32个0组成，用于收发器进行码片或者符号的同步。 帧起始定界符（SFD）域由8位组成，表示同步结束，数据包开始 传输。SFD与前导码构成同步头。 帧长度由7位组成，表示物理服务数据单元（PHY service data unit, PSDU）的字节数。其中0～4和6～7位为保留值。帧长度域和1 位的保留位构成了物理头。 PSDU域是变长的，携带PHY数据包的数据，包含介质访问控制协议 数据单元。PSDU域是物理层的载荷。
6.2 IEEE 1451系列标准
1、IEEE 1451标准的诞生
基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的

应用，这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千差万别，其内
部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。 目前市场上在通讯方面所遵循的标准主要包括IEEE 803.2(以
太网)、IEEE 802.4(令牌总线)、IEEE FDDI(光纤分布式数据界面)、
压力
温度
阀门
继电器
IEEE 1451系列标准是由IEEE仪器和测量协会的传 感器技术委员会发起制订的。由于现场总线标准不统一， 各种现场总线标准都有自己规定的通信协议，且互不兼 容，从而给智能传感技术的应用与扩展带来不利。IEEE 1451标准族就是在这样的情况下提出来的。 制订IEEE 1451标准的目的就是通过定义一套通用
6.4 ZigBee协议标准
6.4.1 ZigBee概述
1、ZigBee的由来
ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、 低功耗、低价格的无线网络方案。在ZigBee方案被提出 一段时间后，IEEE 802.15.4工作组也开始了一种低速率 无线通信标准的制定工作。最终Zigbee联盟和IEEE 802.15.4工作组决定合作共同制定一种通信协议标准， 该协议标准被命名为“ZigBee”。
网络协议 网络协议 逻辑接口 变送器逻辑 接口描述
应用软件
网 络
网 络 硬 件
I/O 变送器 接口 接口应 硬件 用软件
变送器
NCAP模块
微处理 器硬件
变送器硬件接口 规范（比如 IEEE1451.2）
支持NCAP 的逻辑接口
IEEE 1451.2标准称为变送器与微处理器通信协议
和变送器电子数据表格式。
功能简化型设备是网络中简单的发送接收节点，它 一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。 功能完备型设备是一种功能完备的设备，可完成路 由任务，充当网络协调器。它可与其它的功能完备型设 备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。
ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器、路由器 和终端设备。 协调器的作用在于启动网络初始化、组织网络节点 和存储各节点信息。 路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息。 终端设备相当于网络中的叶节点，可以是任意类型
的概念，为变送器提供了自识别和即插即用的功能。
IEEE 1451标准将传感器分成两层模块结构： 第一层模块结构用来运行网络协议和应用硬件，称
为“网络适配器”(NCAP)；
第二层模块为“智能变送器接口模块”(STIM)，其 中包括变送器和电子数据表格TEDS。
IEEE 1451.1标准的智能变送器模型
IEEE还在着手制定无线连接各种传感设备的接口 标准。该标准的名称为“IEEE P1451.5”，主要用于 利用电脑等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获 得的数据。 IEEE 1451.5提议标准主要是为智能传感器的连接 提供无线解决方案，尽量减少有线传输介质的使用。
6.3 IEEE 802.15.4标准
多通道 数字视频
传 输 距 离
802.5.3/WIMEDIA
802.11a/HL2＆802.11g
蓝牙2 蓝牙1
传输速率
协议芯片是协议标准的载体，也是最容易体现知识 产权的一种形式。
目前市场上出现了较多的ZigBee芯片产品及解决方
案，有代表性的包括Jennic公司的JN5121/JN5139、 Chipcon公司的CC2430/CC2431（被TI公司收购）和
ZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备 提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的
情况下正常工作几个月甚至几年。ZigBee无线设备工作
在公共频段上(全球2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz)， 传输距离为10～75m，具体数值取决于射频环境和特定
应用条件下的输出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz时
ZigBee主要界定了网络、安全
和应用框架层，通常它的网络层 支持三种拓扑结构：星型(Star)
结构、网状(Mesh)结构和簇树型
(Cluster Tree)结构。 星型网络最常见，可提供很长
时间的电池使用寿命。网状网络
可有多条传输路径，它具有较高 的可靠性。簇树型网络结合了星 型和网状型结构，既有较高的可 靠性，又节省电池能量。
MCPS-SAP MLME-SAP
MAC通用部分 子层
MAC 层 管 理 实 体 MAC 层 的个域 网信息 库
PD-SAP
PLME-SAP
2、MAC层的帧结构
MAC层的通用帧结构由帧头、MAC负载和帧尾构成。 帧头的域都以固定的顺序出现，不过寻址域不一定要
在所有帧都出现。
16位 帧控制
1 序列号
第 6 章 传感器网络协议的技术标准
1
6.1 技术标准的意义
无线传感器网络的价值就在于它的低成本和可以大量部署。 为了降低产品成本、扩大市场和实现规模效益，传感器网络的某 些特征和共性技术必须实现标准化，这样来自不同产商的产品才 能协同工作。 无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准组 织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的制定。其 中最出名的就是IEEE 802.15.4/ZigBee规范，它甚至已经被一部 分研究及产业界人士视为传感器网络的标准。IEEE 802.15.4定义 了短距离无线通信的物理层及链路层规范，ZigBee则定义了网络 互联、传输和应用规范。 目前传感器网络标准化工作的两个公认成果是IEEE 1451接口 标准和IEEE 802.15.4低速率无线个域网协议。
为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为 20kbps。
相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee是最低功耗和成本的 技术。由于ZigBee的低数据率和通信范围较小的特点，决定了它 适合于承载数据流量较小的通信业务。
数据 互联网/语音 802.11b Zigbee 压缩视频文件
物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，定义了三种 流量等级：当频率采用2.4GHz时，使用16信道，能够提
供250kbps的传输速率；当采用915MHz时，使用10信道，
能够提供40kbps的传输速率；当采用868MHz时，使用单 信道，能够提供20kbps的传输速率。 直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得 简单，且具有更高的容错性能，适合低端系统的实现。