摘要
随着计算机技术和无线通讯技术的快速发展和人们生活水平的提高，在家庭中使用网络化智能家居系统，显然人们已经不满足于单纯的提供亮度这一功能。Zigbee技术是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和可靠性高的无线通信技术，这些特点使得该技术弥补了低功耗、低成本和低速率的无线通讯市场的空缺，其应用前景被十分看好。
本文提出了一套基于Zigbee技术的无线智能灯光控制系统的方案，该方案从Zigbee 技术介绍、基于Zigbee的WPAN灯光控制系统的设计与实现、Zigbee技术与几种常用的无线通讯技术的比较，硬件设计和软件设计等方面进行了设计。通过对Jennic公司的JN51xx系列芯片的性能进行了比较，最终选择JN5139模块进行硬件系统设计。并对无线传感器网络、GAINSJ上的温湿度传感器的工作原理、性能特点进行了分析说明。软件设计部分从软件平台介绍、终端设备软件实现、主程序三个方面着手进行设计，最终使得系统能共实现自动组网、设备绑定、普通照明等功能。成功实现了本次设计。
关键词：Zigbee技术，JN5139模块，自动组网，灯光控制
Abstract
IEEE802.15.4defines a new standard of wireless chip technology with the characterics of short-range,low power consumption,low ratio,and high reliability.Zigbee is a group technical standards based on the IEEE 802.15.4 approved by the wireless standard about the network、security and application software.Not only the name of 802.15.4 in which IEEE deals only with low-level MAC layer and physical layer protocol,Zigbee Alliance standardized its network layer protocol and API layer.
Zigbee technology is targeting the fields of industrial,home automation,remote control,automotive automation,automation of agricultural and medical care.
This paper first introduces Zigbee technology in the background, present situation and development prospect and the history of the basic technical specifications Zigbee technology and other several common wireless technology, after comparing. And respectively in two aspects of hardware and software for lighting control system design and research, and finally worked out a simple and feasible wireless lighting system solutions.
Keywords: Zigbee,ieee802.15.4,WAPN,wireless lighting
目录
摘要 .................................................................... I Abstract ..................................................................................................... 错误！未定义书签。第1章绪论 . (1)
1.1 基于Zigbee灯光控制系统研究的背景 (1)
1.2 Zigbee技术介绍 (1)
1.2.1 Zigbee的概念及特点 (1)
1.2.2 Zigbee技术的历史现状及发展前景 (2)
1.2.3 Zigbee技术的发展方向 (3)
1.3 Zigbee与几种无线通信技术的比较 (4)
1.3.1 Zigbee技术 (4)
1.3.2 蓝牙技术 (4)
1.3.3 Wi-Fi技术的比较 (5)
1.3.4 红外技术 (5)
1.4 本文研究内容及结构安排 (6)
第2章基于Zigbee技术的WPAN灯光控制系统设计 (7)
2.1 基于Zigbee的智能照明系统的实现 (7)
2.1.1 Zigbee无线照明的特点 (7)
2.2 控制系统总体设计 (7)
2.3 Zigbee网络的新建与加入 (9)
第3章硬件设计 (11)
3.1 Jennic芯片 (11)
3.1.1 JN51xx系列芯片介绍 (11)
3.1.2 Jennic：JN5139平台介绍 (12)
3.1.3 GAINSJ开发板 (12)
3.1.4 JN5139模块 (14)
3.2 无线传感器网络 (17)
3.2.1 GAINSJ传感器 (18)
3.2.2 温湿度传感器 (19)
3.3 Zigbee芯片比较Zigbee芯片采用器件分析 (20)
3.4 系统硬件模块设计 (23)
第4章软件设计 (24)
4.1 软件平台介绍 (24)
4.1.1基于Zigbee协议栈开发 (24)
4.1.2 Zigbee协议栈的开发API (25)
4.1.3 ZDP接口函数 (26)
4.2 终端设备软件实现 (29)
4.2.1 协调器工作流程 (29)
4.2.2 终端设备软件实现 (31)
4.3 主程序 (32)
第5章总结与展望 (34)
5.1 总结 (34)
5.2 不足和展望 (35)
致谢 (36)
参考文献 .................................................................................................. 错误！未定义书签。
第1章绪论
1.1基于Zigbee灯光控制系统研究的背景
随着我国城市化水平的不断提高，在灯光控制领域，人们已经不满足于单纯的提供亮度这一功能，而是面向系统控制方式的灵活、高效和视觉上的美感发展。显然，传统的灯光控制系统已经不能满足现代化的控制需求。如何节约能源，提高灯光控制系统的有效管理水平，是目前急需解决的课题。当前，在灯光控制领域，普遍存在能源利用率低的问题。特别是子夜过后，对灯光的要求很低，可以适当对相应灯光进行控制，以避免能源浪费。以街灯为例，子夜过后，街道上的车辆和行人相对较少，街灯没有必要全部打开，可以适当关闭部分路灯，以前采用人工控制的方式对灯光就行管理控制。但是，由于传统灯光控制方式在控制上功能相对分散和无法实现有效管理，既浪费人力、操作繁琐且各时间段街灯关闭时间不准，人为因素影响太大，并不能对灯光进行灵活，有效的控制管理。后来又采用设置光电控制电路，利用光敏电阻器件的变化，控制街灯在晚上天黑之后自动点亮，早上天亮之后自动关闭。这种方法存在可靠性低、易受外界干扰、后半夜灯光照明浪费能源，也不能对灯光实行有效的节能控制。针对传统灯光控制系统所存在的问题，基于Zigbee的无线网络技术正在悄然兴起。
1.2 Zigbee技术介绍
1.2.1 Zigbee的概念及特点
Zigbee一词来源于蜜蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过调ZigZag 形状的舞蹈来传递新发现的食物的位置，距离和方向等信息。Zigbee是一种基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，集组网、安全和应用技术为一体的无线网络技术，Zigbee技术的应用不仅解决了传统灯光控制相对分散、能源浪费、不能实现有效管理的问题，还具备了传统控制方式没有的功能，比如场景设置以及与建筑物内其他灯光系统的关联调节等。由于IEEE802.15.4仅能处理低层协议：MAC层和物理层协议。Zigbee 联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
Zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率（10~250KB / S）、低成本、低复杂度、可靠性高的无线网络技术。其网络容量较大，可以容纳65000个设备。提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。使用频段为 2.4 GHZ，868
MHZ（欧洲）和915MHZ（美国），均为免费频段。
Zigbee的网络拓扑结构主要有星型网络拓扑和对等网络拓扑。星状拓扑结构中有一个协调者和其它的设备所组成，其它的装置．都只能与协调者连接，完全有协调者处理所需要处理的事情，这种拓扑结构基本上使用64位（8个字节）的扩展地址，此外，协调者给加入网络的设备分配16为的地址以节省频宽。在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。
点对点的拓扑结构也有一个协调者，用来点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能，但是其他非协调者的FFD除了与协调者连接外，也可、以对在其一定范围内的其他的设备进行通信，不过终端设备只能与FFD 连接，而点对点在实际的应用中主要是以更复杂的方式运作，点对点网络模式可以支持ad-hoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据
Zigbee网络中主要包括三种类型的设备，包括网络协调器、全功能设备（FFD）、精简功能设备（RFD）。只有网络协调者才能形成网络与其他的全功能设备或者是精简功能设备的连接。全功能设备同时具有路由的功能，可提供信息的双向传输。精简功能设备只能传送信息给全功能设备或者从全功能设备接收信息。
1.2.2 Zigbee技术的历史现状及发展前景
ZigBee从2002年ZigBee Alliance成立到2006年联盟推出比较成熟的ZigBee2006标准协议，至今已走过了多个春秋，当Zigbee几年前刚出现时，它的支持者曾设想这种基于IEEE 802.15.4规范的无线技术拥有潜在的巨大市场。在低吞吐量、短距离通信应用中，成本是第一王牌，而类似蓝牙、802.11x和802.15.3等规范的性能过于强大。但对于一些Zigbee支持者来说，当初的设想并没有成为现实。任何一项通信协议标准都离不开上游芯片厂商的支持和推动，ZigBee作为一项低功耗、低速率无线短距离传输应用的标准，自然也离不开芯片厂商的支持。从整个ZigBee产业联盟来看，主要的上游芯片供应商有五家，分别为Jennic、Ti(Chipcon)、Frescale、Ember、Ateml。“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。为了进一步减少OEM厂商的成本，部分上游芯片厂商推出了在单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc解决方案，单Soc把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路。而且基本上每家芯片公司都免费提供了基于自家芯片的ZigBee协议栈，大大地加速了ZigBee的应用和普及。
随着ZigBee协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动，整个ZigBee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展，在5大上游芯片厂商和ZigBee联盟的不断努力推动下，
基于ZigBee应用层出不穷，并和我们的实际生活接轨，让人们的生活更加智能美好。ZigBee芯片全球销售收入逐年递增。
ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点。商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。对消费者来说，若家中具有ZigBee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。ZigBee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团;韩国NURI Telecom等纷纷开始引进ZigBee技术之仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。ZigBee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使ZigBee仪表控制市场具有一定的需求。
1.2.3 Zigbee技术的发展方向
虽然ZigBee应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，ZigBee市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正上量起飞，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，具有典型应用的方向和领域便少，点对点的应用较多，体现ZigBee优势的网状网络应用少，缺乏体现ZigBee大型组网应用。
虽然ZigBee在艰难中前进，但未来整个ZigBee产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来ZigBee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在ZigBee联盟的推动下，ZigBee技术将朝着开发SoC(片上系统)，更多规范，于IPV6结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，ZigBee完全有机会开拓在目前大然的智能手机领域中的应用，目前智能手机领域里短距离数据传输主要是通过蓝牙方式来实现，但相比于蓝牙，ZigBee的低功耗更具有优势，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长，相比较，蓝牙能工作数周，WiFi只能工作数小时。同时，贵重设备的定位也是未来值得关注的一个大的潜在应用领域，加大在大型停车场，矿井人员定位等方面的应用。
作为离我们最近的中国市场，ZigBee产品的应用爆发可能需要的时间更长，中国的无线网络市场还未成熟，本土厂商的参与度还非常有限，未来ZigBee产业人士要加大无线自动抄表系统，车用无线领域等工业应用，便携设备等高端市场的应用。
根据Zigbee联盟目前的设想，根据该标准和技术生产的相关产品主要适用于：智能家居（照明控制、各类窗帘控制、家庭安防、暖气控制、内置家居控制的机顶盒、万能遥控器）、环境监测与控制、自动读表系统、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调
系统、工业和楼宇自动化、安全监控、工业控制、传感器控制、停车计费数据传输等诸多领域。Zigbee联盟对于各个应用标准现阶段首先定义了一套灯光控制方案，从而保证今后各个生产商的相关产品可以互联互通。由于现阶段相关无线控制芯片和模块价格还不能满足民用市场的需求，因此，Zigbee灯光控制的应用目标主要面向智能大厦和高档住宅。相信随着技术水平的不断完善，相关产品的价格会逐步降低，巨大的民用市场将是其最终的发展方向。
1.3 Zigbee与几种无线通信技术的比较
当今无线通讯领域由于其应用范围和要求不同，存在着许多种无线通讯技术，各种无线连接技术都有着各自的优势和不足，应用在不同的领域之中。目前应用的最为广泛的无线通讯技术有以下几种。
1.3.1 Zigbee技术
Zigbee技术主要用于近距离无线连接和家庭局域网络方面，其基础是IEEE802.15.4协议，该协议规定了物理层和低层次的MAC层协议，网络层以上的协议和API的制定由Zigbee联盟负责进行标准化。工作频带为868/915MHz与2.4GHz,2.4GHz为无许可证频带，世界各地各个领域都可以使用，适合于低成本的Zigbee技术使用。其传输速度为10k-250kbps,相对于蓝牙技术的传输速度较慢，适用于对数据需求量小，速度要求不高的环境。并且具有以下几大特点：
(1)省电：两节五号电池支持长达半年到两年左右的使用时间；
(2)可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用的隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性；
(3)时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；
(4)网络容量大：可支持达65000个节点；
(5)安全：Zigbee 提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的AES-128；
(6)高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。
1.3.2 蓝牙技术
蓝牙技术是1994年爱立信公司首先提出的一种短距离无线通讯技术规范，能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通讯，是目前无线局域网的主流技术之一。其工作标准为IEEE802.15.4工作频带为ISM2.4GHz，在该频带上
有79个信道，可以随时更换频道以防止干扰，传输速率为723.1kbps. 当发射功率为1mW 时，其通信距离可达10m；发射功率为100mW时，通信距离可达100m.蓝牙技术采用灵活的无基站组网方式，在这种组网方式下，每一个蓝牙设备都能够同时和7个设备进行通信，而且支持点对点与点对多点的通信方式，在点对点的通信方式下，蓝牙技术采用密码核对方式进行通信，及通信的两个设备需要进行设置相应的密码进行配对，大大增加了数据传输的安全性。该技术广泛应用于现在如手机、PDA、台式机电脑和笔记本电脑等主流消费性产品当中。
1.3.3 Wi-Fi技术的比较
无线局域网技术WLAN（Wi-Fi）,其技术标准为802.11，可实现十几兆至几十兆的无线接入。WLAN最大的特点是便携性，主要解决用户“最好100m”的通信需求，定位于人点地区的高速游牧数据接入，不支持高速移动性，主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。WLAN制定有一系列标准，有802.11b/a/g/n等。
使用WiFi的缺点包括功耗大、成本高、协议开销大、需要接入点。目前在一个器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft标记的价格是65美元。虽然成本还会下降，但近期仍只能用于跟踪价值较高的资产。一个仓库可能只会把Bluesoft标记用于它的铲车，而不会用于铲车搬动的箱子。Wi-Fi是一个无中继转发能力的单跳网，器具只能连接到接入点（AP）。AP之间的链接、AP与其他网络的链接往往通过常规的有线以太网。如果已经用于其他以太网业务的同一布线再用作WiFi回传，就需要进行认证或者把WiFi无线数据包隔离开。要不，你就不得不安装新的缆线和交换机。
现在，需要新兴公司正在推进Wi-Fi网状网，其内AP被用作路由器，彼此自动发现，可经过几跳转发业务。但网状网结构主要涉及用于室外，在AP之间要求视距，使他们更适用于服务提供商，而不是企业。随着低速率应用市场需要的不断增长，Zigbee 和Wi-Fi系统共处的可能性越来越大，但是由于两者都主要工作在2.4GHZ的ism频段，他们不可避免的会产生相互干扰，所以Zigbee和Wi-Fi之间的共存是一个待需解决的问题。
1.3.4 红外技术
红外技术（IrDA,Infrared Data Association)是制定于1993年的一种短距离无线通讯标准。采用波长850nm的红光作为传输介质，采用点到点通讯方式，通过红外光脉冲和电脉冲的转化实现通信，通讯距离在1米以内，传输速率为16Mbps,是一种代替传统线缆传输的有效通讯方式。但因其传输距离有限、传输方向局限大等特点，在应用上受到
了很大的限制。表1-1给出了本文介绍的集中无线通讯技术的基本参数和比较。
表1-1 几种无线通讯技术的参数及比较
规范
工作频段
传输速率
（mbps）
功耗传输方式安全方式支持组织主要用途
Zigbee 868/915MHz
2.4GHz
0.02/0.04/
0.25
1-3mW点到多点AES128Zigbee联盟家庭网络
红外850nm 1.51-10mW点到点无IrDA近距离遥控
蓝牙 2.4GHz11-100mw 点到多点
点到点
120位密钥
BlueTooth
SIG
个人网络
WIFI 2.4GHz1160-70mW点到多点WEP加密WIFI联盟局域网1.4 本文研究内容及结构安排
论文对基于Zigbee技术的WPAN智能灯光控制系统进行了研究，主要工作是系统的总体设计和软件开发。本论文的结构安排如下：
第一章：绪论。主要介绍了Zigbee技术产生的背景、现状发展前景、以及技术特点。并重点介绍了Zigbee技术与其他几种无线通信协议的性能比较，突出Zigbee特定领域应用上的技术优势。
第二章：本章主要进行Zigbee智能灯光控制系统的设计方案。构建了一个稳定可扩展的智能灯光控制网络系统。
第三章：本章对Jennic公司的JN51xx系列芯片做了简单介绍、重点介绍了GAINSJ 开发板、JN5139模块、无线传感器网络及JN5139模块的板载温湿度传感器的组成与性能，并通过对目前市场上的Zigbee芯片的性能分析比较最终选用JN5139模块进行硬件模块设计。
第四章：系统软件的设计与实现，对本系统设计所用到的各类函数及其实现的功能做了详细介绍，重点对应用程序设计中的网络协调器、终端设备的工作流程进行了着重说明，并给出了主程序。
第五章：对本课题的研究工作进行了总结与展望。
第2章基于Zigbee技术的WPAN灯光控制系统设计
2.1 基于Zigbee的智能照明系统的实现
Zigbee联盟定义了一套灯光无线控制规范，从而保证今后各个生产厂商的相关产品都可以进行相互通信。它是一种在无线个人网络领域新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE与2000年底成立了802.15.4工作组，规定了Zigbee的物理层和媒体接入控制层。2001年八月成立了Zigbee联盟，负责Zigbee规范的制定和应用推广工作，2004年12月推出Zigbee规范的正是版本Zigbee Specification V1.0。目前，Zigbee标准在Zigbee联盟的推动下正日趋增强和完善，其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI,FreeScale和Ember等各自推出了符合Zigbee标准的芯片及协议栈。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的最佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。
2.1.1 Zigbee无线照明的特点
基于ZigBee本身相对其他短距离无线技术的组网灵活和省电的优势，ZigBee联盟定义了灯光控制方案具有以下主要特点：
标准：ZigBee灯光定义了灯光开关、调光器、感测设备的规范，保证各个厂商相同产品间的混用和呼唤，从而保证生产厂商和用户的利益和成本投入。
网络：ZigBee网络的最大特点就是布网和建网灵活。原则上，无论是灯光开关、调光器、遥控器还是感测器都可以作为网络的协调器和路由器。经过合理布局，保证建筑物内没有无线通讯的盲区。
自由：通过ZigBee 网络协调器，用户可以在任何时候方便的添加、删除照明设备，任意组合各类控制器和照明设备的对应关系，最大限度的展现无线照明的优势特点。
延伸:ZigBee网络技术是短程无线控制网络的发展趋势。无论是智能楼宇还是今后的民用住宅，安防，家电控制，老人及儿童安全都会用到ZigBee无线控制网络。ZigBee 灯光控制网络非常容易就延伸到整个大网络之中。
2.2 控制系统总体设计
整体组网采用树状簇型结构，即以每个房间为1个单元，房间内的每盏灯作为一个终端设备，每个房间设置1个路由器用以与协调器通信并向房间内每一个终端设备转发
数据。整体结构布局及组网方式如图2-1所示。
图2-1 整体结构布局及组网方式
在功能设定方面，由于不同的房间所具有的职能不同，所以对每一个房间的终端设备所具有的功能进行分别设置。总体上，要求房间内所有的终端设备可以对LED进行开关控制及亮度调节。
为了方便和快速进行调节，在遥控面板上还加入了情景和亮度设定，其中亮度设定为昏暗程度、明亮程度和超明亮程度。情景模式可以设置多种颜色模式。还可以具有以下功能：
(1)智能调光：开灯时，灯光亮度由暗逐渐变亮；关灯时灯光亮度逐渐由明变暗。有利于保护视力及延长灯泡寿命。
(2)延时功能：当按下延时按键后，所有灯光将在一定时间后全部关闭。
(3)全开全关：实现一键控制全部灯光的开关功能。
针对ZigBee联盟制定的标准灯光控制规范，ZigBee灯光定义了遥控器，灯光控制器，灯光开关，调光器，感测设备的规范，以保证各个厂商产品兼容互通和呼唤。原则上说，无论是灯光开关，调光器，遥控器，感测器都能够成为网络的协调器和路由器。系统设计以灯光控制器作为网络协调器Coordinatior,灯光开关作为Router，调光器以及亮度感测器作为End devices。
1.无线灯光控制器
(1)代替原来的多个普通机械开关，可以实现多路灯光的集中和独立控制。
(2)接收遥控器的控制指令。
(3)兼具无线网络的协调和路由功能。
2.无线灯光亮度调节器
(1)用无线方式调节灯光的亮度（本地）。
(2)接收遥控器的控制指令，实现灯光亮度的无线调节功能。
(3)根据亮度感测器的感测信号，根据环境亮度调节灯光的明暗。
(4)兼具网络的路由功能。
3.调光亮度感测器
检测环境亮度信息，以无线方式传输数据,无线网络的终端设备。
无线灯光控制器通常为总体灯光控制现场的总协调器，分割各个房间或多层灯光控制。它具有协调与路由的功能，对于智能家居网络它通常除了具备家庭的灯光控制方案之外还能够具备一些比如窗帘，消防，消费家电的控制和检测等。因此它是整个灯光控制甚至智能家居系统的中心。
作为无线灯光亮度调节器是作为一个房间或者是一层楼里面的子控制器，作为总总之器的路由节点，它可以通过采集遥控器信号和亮度感应测器数据智能控制，发送控制信号给调光器，从而达到该范围内的灯光控制。
调光器和亮度调节遥控器作为终端设备EndDevice.调光器需要与无线灯光亮度调节器通信。遥控器则作为移动式设备，动态组网，可以实现与总协调器以及无线灯光亮度调节器的动态链接，使用非常方便。
调光器End Device可以以交流电源供电，作为End Device可以大大减少Zigbee
方案对于低功耗的较高要求。而且本文涉及的调光器终端可以实现大功率1000W的20级调光，导通角可以达到90%以上，而且很少发热。
2.3 Zigbee网络的新建与加入
在一个Zigbee网络中，每个设备角色不同，所实现的功能也是有区别的，这在Zigbee 设备类型的对比表中就可以看出，具体来说，作为网络协调器的全功能设备具有建立一个新网络、维护邻设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络的功能；路由节点则具有维护邻居设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC/应用层的连接或断开网络的功能，它在功能上只是比网络协调器少了组网一项，网络中只需要一个网络协调器；而所有的Zigbee设备都具有断开或连接网络的功能。
网络协调器要建立一个新的网络，首先，协调器通过
NIME-NETWORK-FORMATION.request原语来启动一个新的网络的建立过程：当建网过程开始后，网络层将首先请示MAC层对协议所规定的信道，或物理层所默认的有效信道，进行检测扫面，以检测可能的干扰，为实现检测扫面过程，网络层通过
MLME-SCAN.request原语到MAC层，而扫描结果则通过MIME-SCAN.confirm原语返回；当网络层管理实体收到成功的扫描结果后，找到合适的信道，则将为新的网络选择一个PAN标识符，并通过MLME-SET.request原语进行发送；当地址选择好后，网络层管理实体将通过MLME-START.request原语开始运行新网络；然后网络协调器就进入监听状态，随时响应其他节点的入网请求。
当网络建立成功后，就应该考虑如何将设备加入到网络中区，在Zigbee网络中，当
一个设备允许另一个新的设备连接时，它就与新设备形成了一种父子关系，新设备为子设备，第一个设备为父设备。在Zigbee网络中存在三种加入的途径，即通过联合方式加入网络、直接方式加入、重新加入网络或者孤点加入。
1、如果一个新的设备希望加入网络，他首先执行信道扫描以检测是否存在协调器，当其发现在某个信道上存在协调器时就执行相关联操作加入网络，加入求求由子设备发起。
2.、直接加入网络即子设备通过预先分配的父设备（Zigbee网络协调器或路由器）直接同网络连接。在这种情况下，父设备将为子设备预先分配一个64位地址。此种情况下，加入请求由父设备发起，
3、Zigbee提供孤点加入的方式，那些已经直接加入网络的设备或者之前就已经加入网络但是与其父节点失去联系的设备就使用这种方式加入网络。
第3章硬件设计
3.1 Jennic芯片
3.1.1 JN51xx系列芯片介绍
Jennic是一家将无线连接革新技术带入新应用的半导体设计公司。该公司系统软件方面的专业技能以及全球一流的RF及数字芯片设计为为注重IEEE802.15.4及Zigbee 标准的低功耗短程无线数据市场提供了高度整合的低成本硅片解决方案，该公司的产品包括一流的低功耗无线微控制器、收发器及低成本开发平台。
Jennic宣布退出的第二代无线微控制器JN513x系列产品，此举实现了单芯片低
3美元的目标（定量在10万颗以上）。除了达到新的价格门槛外，此系列产品不论在微控制器性能的表现，成本及功率消耗等都凌驾与现有的JN5121系列。除了芯片的推出，一系列基于JN513x的模组、开发工具、软件及通讯协定软件也同时提供上市。
JN513x系列二代无线微控制器在现有的解决方案上提供了以下的改良：藉由重新设计的MODEM提供高达-97dBm的接受敏感，大大提高了工作范围，尤其是在多干扰源的恶劣环境中越显顽固，对载波的偏移和WVM有更大的容忍度。发射功率也增强到+3dBm。JN513x系列是目前市面上唯一单芯片无线微控制器拥有10dB Link budget，同时支援工业温度标准以及大工作电源电压范围。
当产品在等待外在事件激发，并深入深层休眠方式，此时芯片功耗仅仅 400nA，等于几乎没有消耗任何电力。若内建芯片振荡器（Oscillator）。这些休眠功耗方式与无线收发、通讯协定软件、硬件紧密结合在单芯片无线微控制器上，为无线感测应用极需长久电池的寿命的需求开拓了全新的产业指标。
内建存储器增加到192kB ROM和96kB RAM，可以充分配挥32位RISC单芯片处理机的超强运算能力，完美实现复杂的应用于Zigbee或其他mesh通讯协定软件的结合。除此外，尚提供32k、16k、和8kB RAM版本，为较简易或低价诉求应用给用户选择。芯片上的ROM已内含多样软件，包含全球首推IEEE802.15.4版本B的MAC层，支持多种不同厂家的EEPROM装置，硬件抽象层（hardware abstraction layers）和一个简单的串列接口。藉由内建众多软件与ROM中，以释放出更大应用记忆空间或节省所需RAM size，以达到产品低成本的优势。JN513x系列产品有提供IEEE802.15.4和Zigbee 版本。
每个出厂的芯片都有专属唯一的网络地址（MAC address）识别码，如此可节省外
接的快闪存储器，另有256位一次可编程的只读存储器供客户直接烧录AES安全加密钥或其他专属的识别码。
JN513x的芯片包装与接脚分布于第一代JN5121一样，客户无需修改硬件线路就可由现有的设计升级。
此系列的模组有陶瓷天线，SMA和UFL连接器可供选择。标准功率和高功率模组分别可提供100dB和119dB的Link budget。标准功率模组及高功率模组可分别于距离1公里以及4公里空旷环境下传输操作。Jennic模组符合且通过FFC、ETST和TELEC规范认证，有次可帮助客户降低不少未来终端产品设计，开发和认证的工作复杂度。
3.1.2 Jennic：JN5139平台介绍
由于本设计采用JN5139系列芯片，所以重点对JN5139平台进行了介绍。Jennic的JN5121是业界第一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗，低成本SoC芯片。最新推出的高功率版本的模块传输距离更可以达到空前的1km以上，而功耗只有100mW.Jennic新推出的JN5139更是整合了192KB的只读存储器和高达96KB的随机存储器。
GAINSJ是宁波中科集成电路设计中心有限公司设计开发的基于JN5121/JN5139的无线传感器网络实验平台，工作在2.4GHz频段上。GAINSJ开发板在保证原产性能的基础上，采用串行接口直接调试和烧写程序，给开发者带来了很大的便捷。另外40针的外括I/O接口，将主芯片上的主要接口全部引出，用户可以在节点上扩展各种传感器子板。板载的温湿度传感器，用于监测节点所处环境状况，节点上提供的按键和LED 灯可以用于程序调试和节点状态指示。
GAINSJ套件提供了资源丰富的软硬件开发平台，以及针对GAINSJ节点的无线个域网可视化软件。套件还提供了基于C语言的开发环境、调试器和FLASH编程器、网络分析工具。完善的硬件、软件及技术支持使得用户可以将该套件广泛地应用于工业、科研和教学等领域。
3.1.3 GAINSJ开发板
GAINSJ开发套件由GAINSJ节点、软件开发包。实验教程及软件后台iSnamp-J和Zigbee网络分析软件等内容组成，其中节点的数量和节点所用模块类型可以由用户根据自己的需求而定。GAINSJ节点开发板如图3-1所示：
开发套件特性:
(1)板载温度传感器，用于监测节点所处的环境状况。
(2)提供RS-232接口，用于flash编程，在线测试。
(3)提供网络可视化后台软件iSnamp-J。
(4)提供开发板及其外围器件的参考设计。
(5)提供完整的SDK和网络协议栈，协议栈使用C语言开发，易于开发与移植。
(6)提供不受限制的软件开发软件开发环境、编译器、flash编程器和外围设备库。
(7)提供无线网络库、控制器和外围设备库。
图3-1 GAINSJ节点开发板
GAINSJ节点采用Jennic公司的JN51xx-Z01-Mxx模块制成，针对JN5121和JN5139不同的模块，分别推出了GAINSJ5121和GAINSJ5139系列开发套件，使用该产品用户可以花较短的时间和较少的花费实现IEEE802.15.4和Zigbee协议。采用GAINSJ节点可以免去复杂的射频设计环节，以及高成本的开发和设计过程，同时GAINSJ的配置也充分考虑到了用户的需要，JN5139芯片的主要特性：
(1)全集成、单芯片。
(2)2.4GHz兼容IEEE802.15.4规范。
(3)内建128位AES安全协处理器。
(4)内建高效的电源管理器。
(5)内建32位RISC处理器。
(6)内建96KB容量RAM静态存储器。
(7)内建192KB ROM程序存储器。
(8)内建4路12位ADC、2路11位DAC、2个比较器。
(9)内建3个系统Timer和2个用户Timer。
(10)内建2个UART端口。
(11)内建1个SPI接口，带有5个片选线。
(12)内建1个2线串行接口，兼容SM-BUS和I2C规范。
(13)内建21个通用I/O口。
(14)8mm×8mm 56-pin的QFN封装。
(15)符合ROHS规范。
3.1.4 JN5139模块
JN5139模块系列的模块有陶瓷天线、SMA和UFL连接器可供选择。标准功率和高功率模组分别可提供100dB和119dB的Link budget。标准功率模组及高功率模组可分别于距离1km及4km空旷环境下进行传输操作。Jennic模组符合且通过FCC、ETSI和TELEC规范认证，由此可帮助客户降低不少未来终端产品设计、开发与认证的工作量。JN5139系列模块包括以下几种:
(1)JN5139-xxx-M00低功率模块，集成陶瓷天线。
(2)N5139-xxx-M01 低功率模块，集成SMA天线座。
(3)JN5139-xxx-M02高功率模块，集成SMA天线座。
(4)JN5139-xxx-M03低功率模块，集成uF1天线插槽。
(5)JN5139-xxx-M04高功率模块，集成uF1天线插槽。
不同低功率模块如图3-2所示：
图3-2-1JN5139-xxx-M00模块
图3-2-2 JN5139-xxx-M01模块
图3-2-3JN5139-xxx-M03模块
低功率模块除了上述的天线不同外，具有如下特性：
(1)兼容2.4GHz IEEE802.15.4和Zigbee协议（按—001或-Z01标注区分）。
(2)2.7～3.6V操作电压。
(3)睡眠电流（包括睡眠定时器处于活动状态）2.8uA。
(4)接收灵敏度-96.5dBm。
(5)TX功率+2.5dBm。
(6)TX电流﹤37mA。
(7)RX电流﹤37mA。
(8)开阔环境下，最高可达1km通信距离。
(9)18mm×30mm尺寸。
MCU特性：
(1)16MHz 32位RISC CPU。
(2)96KB RAM、192KB ROM。
(3)4个输入端口、12位ADC、两个11位ADC、2个比较器。
(4)2个应用级定时器/计数器。
(5)3个系统定时器。
(6)2个串口（一个用于系统在线调试）。
(7)一个SPI接口，带有5个片选线。
(8)2个串行接口。
(9)21个GPIO.
高功率模块介绍，不同高功率模块如图3-3所示。
图3-3-1 JN5139-xxx-M02模块
图3-3-2 JN5139-xxx-M04模块
高功率模块除了上述的天线不一样外，具有如下特性：
(1)兼容2.4GHz IEEE802.15.4和Zigbee协议（按—001或-Z01标注区分）。
(2)2.7～3.6V操作电压。
(3)睡眠电流（包括睡眠定时器处于活动状态）2.8uA。
(4)接收灵敏度-100dBm。
(5) T X功率+19dBm。
(6)TX电流﹤120mA。
(7)RX电流﹤45mA。
(8)开阔环境下，最高可达4km通信距离。
(9)18mm×41mm尺寸。
MCU特性：
16MHz32位RISC CPU。
96KB RAM、192KB ROM。
(10)4个输入端口、12位ADC、两个11位ADC、2个比较器。
(11)2个应用级定时器/计数器。
(12)3个系统定时器。
(13)2个串口（一个用于系统在线调试）。
(14)一个SPI接口，带有5个片选线。
(15)2个串行接口。
JN5139模块为开发人员提供了访问JN5139芯片的全部数字和模拟接口能力，包括