PAN是Personal Area Network的缩写，是指个人局域网。无线个人局域网（WPAN）是一种采用无线连接的个人局域网。它被用在诸如电话、计算机、附属设备以及小范围（个人局域网的工作范围一般是在10米以内）内的数字助理设备之间的通讯。

　　1 基本定义

　　近年来，随着各种短距离无线通信技术的发展，人们提出了一个新的概念，即个人局域网（Personal Area Network， PAN）。

　　PAN核心思想是，用无线电或红外线代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。从计算机网络的角度来看，PAN是一个局域网；从电信网络的角度来看，PAN是一个接入网，因此有人把PAN称为电信网络“最后一米”的解决方案。

　　PAN定位在家庭与小型办公室的应用场合，其主要应用范围包括话音通信网关、数据通信网关、信息电器互联与信息自动交换等。

　　无线个人域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。

　　WPAN是一种与无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）并列但覆盖范围相对较小的无线网络。在网络构成上，WPAN位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如连接手机和蓝牙耳机等。WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内，必须运行于许可的无线频段。WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。

　　2 原理与方法

　　PAN的实现技术主要有：Bluetooth、IrDA、Home RF、ZigBee与UWB（Ultra-Wideband Radio）四种。

　　支持无线个人局域网的技术包括：蓝牙、 ZigBee、超频波段（UWB）、IrDA、HomeRF等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用的最广泛。每一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。此外，虽然在某些方面，有些技术被认为是在无线个人局域网空间中相互竞争的，但是他们常常相互之间又是互补的。

　　美国电子与电器工程师协会（IEEE）802.15工作组是对无线个人局域网做出定义说明的机构。除了基于蓝牙技术的802.15之外，IEEE还推荐了其他两个类型：低频率的802.15.4（TG4，也被称为ZigBee）和高频率的802.15.3（TG3，也被称为超波段或UWB）。TG4 ZigBee针对低电压和低成本家庭控制方案提供20 Kbps或250 Kbps的数据传输速度，而TG3 UWB则支持用于多媒体的介于20 Mbps和1Gbps之间的数据传输速度。

　　3 四种指标

　　* 对于要求传输速率高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备，如打印机、扫描仪、数码像机等，IrDA技术是首选。

　　* 如果设备是属于那种活动范围比较广、要求能和多种设备迅速互联，如，笔记本电脑、数字无绳电话、个人数字助理（PDA）、手机等，采用蓝牙或WPAN是十分理想的。

　　* HomeRF技术对于小型公司或者类似别墅的家庭是再方便不过的了，因为这两种环境的活动半径都比Bluetooth和WPAN规定的活动范围大，同时，一般又小于无线局域网的半径。但这也并非是说HomeRF的地位是高枕无忧的。因为，一项技术如果想要成为国际认可的标准，其独特性是必不可少的。 HomeRF在传输距离方面的优势很有可能被蓝牙所击败。

　　4 蓝牙最热门

　　蓝牙技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术。蓝牙技术的发展极大地推动了PAN技术的发展，蓝牙的设计初衷就是利用一种小型化、低成本和低功率的无线通信技术，形成一种个人身边的网络，使得其覆盖范围之内各种信息化的移动或固定设备都能“无缝”地实现资源共享。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的这类设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，也能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。因为蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此它特别适用于小型的移动通信设备。

　　5 ZigBee倍受关注

　　ZigBee技术的安全性很高，至今全球尚未出现一起破解先例。其安全性源于其系统性的设计：采用AES加密（高级加密系统），严密程度相当于银行卡加密技术的12倍；其次，Zigbee采用蜂巢结构组网，每个设备均能通过多个方向与网关通信，网络稳定性高；另外，其网络容量理论节点为65300个，足够满足家庭网络覆盖需求，即便是智能小区、智能楼宇等仍能全面覆盖；最后，Zigbee具备双向通讯的能力，不仅能发送命令到设备，同时设备也会把执行状态反馈回来，这对终端使用体验至关重要，尤其是安防设备，倘若你点击了关门，却不知道门是否真的已经锁上，将会带来多大的安全隐患；此外，Zigbee采用了极低功耗设计，可以全电池供电，理论上一节电池能使用10年以上，节能环保。

　　总的来讲，IrDA对于要求传输速率高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备，如打印机、扫描仪、数码像机等比较适合；IEEE802．11传输距离长，速度快，比较适于公司企业中距离较大的无线网络。HomeRF技术比较适于家居环境的通信，因为这种环境的活动半径大于蓝牙技术规定的活动范围，而且一般又小于IEEE 802．1l的半径。蓝牙技术跳频快．功耗低、灵活性强，因而在移动设备互连方面更具有优势，尤其适合于那种活动范围比较广、要求能和多种设备迅速互联的设备，如：笔记本电脑、数字无绳电话、PDA、手机等，从而在新兴的个人局域网领域也更具有吸引力和竞争力。

　　TI用于个人局域网的6LoWPAN解决方案

　 　TI 的低于 1 GHz 和 2.4 GHz 6LoWPAN 解决方案为远程、低成本无线传感器提供了与互联网及有线 IP 基础设施无线扩展进行顺利连接的通道。TI 的 6LoWPAN 解决方案能够工作在低于 1GHz 频段，相对于基于 2.4 GHz 的传统 6LoWPAN 产品，能够以更低功率级别提供更长的无线距离。6LoWPAN 解决方案支持大规模自愈式网状网络，适用于智能电表、智慧城市之类的应用，其中包括街道照明、家庭和楼宇自动化和其他无线传感器网络。TI 的 6LoWPAN 解决方案完全基于互联网协议 （IP） 和开放的 IEEE 与 IETF 标准。

　　相关解决方案

　　1.CC2538：经济高效型低功耗 6LoWPAN 解决方案的可扩展平台

　 　它包含一个强大的基于 ARM Cortex M3 的微控制器 （MCU） 系统，此系统具有高达 32K 片载 RAM 和 512K 片载闪存 这使得它能够处理具有安全性，包含要求严格的应用以及无线下载的复杂网络堆栈。 32 个通用输入和输出 （GPIO） 以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。 强大的安全加速器可在 CPU 处理应用任务的同时实现快速且高效的认证和加密。 具有保持功能的低功耗模式可实现从睡眠状态中的快速唤醒并且大大降低了执行周期任务时的能耗。 为了实现顺利平稳开发，CC2538xFnn 包括一个强大的调试系统和一个综合性驱动器库。 为了减少应用闪存封装尺寸，CC2538xFnn ROM 包含一个实用功能库和一个串行引导加载器。

　　详细资料：CC2538：经济高效型低功耗 6LoWPAN 解决方案的可扩展平台

　　2.CC2592:2.4GHZ 射频范围扩展器

　 　CC2592 器件是一款针对低功率和低压 2.4GHz 无线应用的经济高效且高性能的 RF 前端。CC2592 器件是一款针对德州仪器 （TI） 所有 CC25XX 2.4GHz 低功率 RF 收发器、发射器和片上系统产品的范围扩展器。 为了增加链路预算，CC2592 器件提供一个可增加输出功率的功率放大器，以及一个具有低噪声系数的 LNA，以提升接收器灵敏度。CC2592 器件提供一个极小尺寸，高输出功率 RF 设计，此设计采用 4mm x 4mm 四方扁平无引线 （QFN）-16 封装。CC2592 器件包含高性能无线应用简单设计所需的 PA，LNA，开关，RF 匹配和不平衡变压器。

　　详细资料：CC2592:2.4GHZ 射频范围扩展器

　　3.CC1180:低于1GHz的6LoWAPN网络处理器

　　CC1180 是一款划算的，低功耗，低于 1GHz的 6LoWPAN 网络处理器，此处理器用最少的开发成本实现 6LoWPAN 的功能性。

　 　由于在微处理器的选择方面提供了很大的灵活性，CC1180 使同时向全新的或者现有的产品添加 6LoWPAN 功能性变得十分容易。 在用户指南SWRU298中描述了如何使用 Sensinode NanoStack 2.0 协议栈。 CC1180 通过UART接口与几乎所有的微处理器进行连接。 例如，CC1180 能与 MSP430联合使用。

　　详细资料：CC1180：低于1GHz的6LoWAPN网络处理器

　　4.CC1200:低功率高性能射频收发器

　 　CC1200 是一款完全集成的单芯片无线电收发器，此无线电收发器设计用于在为经济高效的无线系统中的极低功耗和低电压操作上实现高性能。 所有滤波器都已集成，因此无需昂贵的外部声表面波（SAW）和中频（IF）滤波器。 该器件主要用于 164-192MHz，410-480MHz 和 820-960MHz 频带上的 ISM（工业、科学和医疗）应用以及 SRD（短程器件）频带。

　　详细资料：CC1200：低功率高性能射频收发器

　　5.CC1120：面向窄带系统的超低功耗收发器

　　功能框图

　　详细资料：CC1120：面向窄带系统的超低功耗收发器

　　6.CC1190：850 - 950MHz 射频前端

　　功能框图

　　详细资料：CC1190：850 - 950MHz 射频前端

　　TI用于家庭网络的Zigbee解决方案

　　作为 ZigBee 联盟的长期促进者，TI 是 ZigBee 解决方案的领先供应商。TI 提供完整的硬件和软件 ZigBee 兼容平台。

　　主要特性

　　完整的硬件和软件解决方案经 ZigBee 联盟认可的测试机构认证，是符合 Zigbee 的平台

　　免费的 IEEE 802.15.4 MAC 软件和最高业内水平的协议栈实施 （Z-Stack™）

　　可出色兼容 WLAN、蓝牙®和其它 2.4GHz 解决方案的高性能无线电

　　世界范围的应用支持

　　开发套件和工具

　　ZigBee 应用框图

　　完整ZigBee解决方案

　　详细资料：

　　CC2538：经济高效型低功耗 6LoWPAN 解决方案的可扩展平台

　　CC2590：2.4-GHz射频前端

　　CC2520：符合2.4 GHz IEEE802.15.4/ ZigBee射频收发器

　　ZigBee相关工具与软件

　　Atmel用于个人局域网的无线解决方案

　　随着物联网不断深入人们的生活，无线连接性比以往任何时候都更加重要。随着无线产品从计算机外设和家庭娱乐应用领域扩展到智能网络及下一代应用领 域，消费者需求也在迅速膨胀。为支持这些复杂的应用，Atmel 提供了完整系列的符合 IEEE 802.15.4 标准、基于 IPv6/6LoWPAN、经过 ZigBee 认证的无线解决方案。这些解决方案基于 Atmel 丰富的射频接收器系列、8 位和 32 位 AVR 以及 ARM 微控制器。为简化开发过程并加快面市时间，Atmel 提供各种免费软件栈、参考设计、无线模块和开发工具包。而且，Atmel 解决方案和工具提供了可以满足低成本、低功耗、无线控制和传感器网络应用等独特需求的一切。

　　关键特性

　　单芯片解决方案 — Atmel 的符合 IEEE 802.15.4 标准的单芯片解决方案将基于 ARM® Cortex®-M0+ 的微控制器或行业领先的 AVR 微控制器与一流的 2.4GHz 射频收发器结合使用。它是要求最小电路板空间和最低成本但又不希望降低 MCU 和射频性能的应用的理想选择。

　　收发器 — 我们种类齐全的高性能、低功耗、符合 IEEE 802.15.4 标准的收发器支持地区性 700/800/900MHz 频带（中国、欧洲、日本和北美）以及 2.4GHz 频带（全球）。为最大限度地提高灵活性，这些独特的射频收发器可以通过 SPI 接口与 Atmel 任何屡获大奖的微控制器整合在一起。

　　模块 — ZigBits 是紧凑型 802.15.4/ZigBee 模块，具有破纪录的距离性能和异常简便的集成性。ZigBits 还将完整的、经过 FCC/CE/ARIB 验证的、可以减少射频开发成本和时间的射频设计打包，可以将您的产品按时按预算推向市场。

　　相关器件

　　详细资料：

　　Atmel 8位AVR微控制器

　　ZigBee低功耗收发器应用手册

　　ZigBee平衡射频输出的无线模块

　　ZigBee 2.4GHz 无线放大模块

　　基于AT86RF230 ZigBee的WPAN网络设备设计

　　1硬件电路设计

　　一般情况下IEEE802．15．4网络设备的基本构成如图l所示。系统的电源通常由电池提供，也可以由稳压模块供给。RF收发芯片负责射频信号的产 生和接收解调，其基准时钟由外部高精度的晶体振荡器提供；同时要实现一些物理层和 MAC层的基本功能，例如编解码、信道选择、功率控制、接收机能量检测（RSSI）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）和硬件CRC校验 等。在实现这些基本功能的前提下，RF芯片应该尽量做到低功耗、高灵敏度和较小封装。微控制器要有丰富的资源来完成对RF芯片的控制，以及对传感器、各类 应用接口和用户接口的实时响应。通常协议栈需要占用32KB左右的存储空间。

　　1.1AT86RF230性能和内部结构

　　Atmel公司的AT86RF230是与ZigBee／IEEE802．15．4兼容的无线射频收发芯片。它工作在2.4GHzISM频段，拥有 104dB链路预算，-101dB的接收灵敏度和3 dB的传输功率，从而减少网络中所需节点设备的总数，大大降低了IEEE 802．15．4系统的组网成本。所有RF关键器件（除了天线、晶振、去耦电容外）都集成在一块芯片中，封装形式采用32引脚、5 mm×5mm×0．9mm大小的QFN封装。由该芯片所构成的设备仅需6个外部组件，功能框图如图2所示。终端节点通常是电池供电，发射模式下电流消耗为 17 mA，接收模式下为15 mA，睡眠模式下仅为O．7μA；工作电压可达1．8～3．6V，内部有集成的1．8V LDO。AT86RF230内部有35个可以通过SPI控制时序访问的8位寄存器，工作时有8个基本状态（可以根据需要扩展为14个）。片内发送数据和接收数据的缓冲分别为129字节和130字节，正好可以满足IEEE802．15．4协议规定的最大帧长度127字节的要求。发送时需要加2字节的 CRCl6校验码，接收时还要多加1字节的链路质量指示。

　　2软件设计

　　软件开发环境为AVRSTUDIO+AVRGCC。这两个软件均是免费的。软件设计主要包括射频驱动、外围电路控制和ZigBee协议栈设计3个部分。基于IEEE802．15．4协议的WPAN网络中的协调器和网络节点的软件流程基本相同，只是网络协调器要承担网络建立的功能，网络节点则要承担一些控制或测量的功能。为了与其他ZigBee产品相兼容，软件设计必须严格遵守IEEE802．15．4协议。本设计建立的网络拓扑是非超帧结构的星形网络，具体软件流程如图5所示。

　　基本过程为：网络协调器首先初始化WPAN信息数据库，建立ZigBee网络，分配网络ID号和16位网络地址，初始化邻居设备表，然后等待其他节点连接；网络节点上电后，初始化内部资源、网络节点的WPAN信息数据库，发送扫描信号请求连接，连接成功后，记录下网络ID和分配好的16位网络地址，按功能设定向协调器发送信息。因为网络节点一般为电池供电，所以在空闲时要进入休眠节能状态。外围电路控制主要是针对传感器、开关等器件的控制，可根据不同需求对软件进行相应的修改。

　　文章详情：基于AT86RF230 ZigBee的WPAN网络设备设计

　　蓝牙无线个人局域网的组建方案解析

　　蓝牙技术作为一种小范围无线连接技术，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信，是目前实现无线个人局域网的主流技术之一。

　　1蓝牙组网机制

　　1.1蓝牙个域网的网络特性

　　蓝牙PAN网络具有以下Ad Hoc网络的共同特点：

　　（1）独立组网能力

　　（2）多跳路由

　　（3）拓扑动态变化

　　（4）特殊的信道特征

　　（5）节点的局限性

　　（6）安全性

　　1.2蓝牙网络的拓扑结构

　　蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可与7个其他的蓝牙设备相连接。蓝牙系统的网络结构的拓扑结构有2种形式：微微网（Piconet）和散射网（Scatternet）。

　　微微网是通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是2台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。在一个微微网中，所有设备的级别是相同的，具有相同的权限。蓝牙采用自组式组网方式（Ad Hoc），微微网主设备（Master）单元（发起链接的设备）和从设备（Slave）单元构成，有一个主设备单元和最多7个从设备单元，如图1所示。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，受主设备单元控制。

　　1.3蓝牙散射网拓扑构建的规则

　　在一个蓝牙WPAN拓扑结构中，主设备或从设备只是节点的一个逻辑状态。一个单元只能是一个微微网的主设备，但可以参与多个相互重叠的微微网。一个主设备或一个参与多个微微网的活动从设备称为桥；允许微微网构成一个被称为散射网的较大网络。由于使用了跳频技术，一个桥在同一时间不能作为多个微微网的活动设备；桥必须在一个时分基上的2个微微网间进行转换，转换时必须与当前的微微网再同步，这会带来一个严重影响系统性能的重要开销。

　　1.4蓝牙散射网拓扑构建的关键问题

　　蓝牙散射网拓扑构建就是将一组彼此分离的蓝牙节点连接起来，因此蓝牙节点的互相发现过程和节点的角色分配等问题对蓝牙网络的构建以及网络负载均衡影响很大。

　　蓝牙微微网通过M/S桥连接而形成的蓝牙散射网的拓扑为分级结构，如图4示：

　　图4 牙散射网的分级拓扑结构

　　分级结构中，网络拓扑表现为树形，假设树的根节点所在的微微网为根微微网，其他的微微网为叶微微网，则叶微微网的主节点为根微微网的从节点。各微微网的内部通信可独立进行，但微微网之间的通信要通过根微微网。因为叶微微网的主节点为桥节点，当它参与根微微网的通信时，所有叶微微网的通信将被挂起，严重降低了系统的吞吐量。

　　蓝牙微微网通过S/S桥连接而形成的蓝牙散射网的拓扑为平面结构，如图5所示：

　　图5 蓝牙散射网的平面拓扑结构

　　2蓝牙散射网拓扑构建算法

　　蓝牙散射网拓扑构建算法就是将一组彼此分离的，对相邻节点信息一无所知的节点连接起来，确定每个节点在网络中的角色，从而形成一个连通的蓝牙散射网。本节提出的算法可以对微微网数目进行合理控制，并能有效减少微微网间的冗余通信链接，减轻桥设备的负载，从而提高蓝牙散列网的性能。

　　蓝牙散射网拓扑构建算法就是将一组彼此分离的，对相邻节点信息一无所知的节点连接起来，确定每个节点在网络中的角色，从而形成一个连通的蓝牙散射网。本节提出的算法可以对微微网数目进行合理控制，并能有效减少微微网间的冗余通信链接，减轻桥设备的负载，从而提高蓝牙散列网的性能。

　　2.1主节点的选择

　　算法采用分布式机制，在组网空间内选出部分权值较高的设备为主节点。每个蓝牙节点都有变量WEIGHT、变量BACK和变量TIMEOUT，其中变量WEIGHT代表节点的权值（电力等级、剩余能量、数据处理能力等资源状况），这个值表示节点作为主设备的适合度，软件模拟时，每个节点的WEIGHT值由程序随即设为（1－255）之间的整数；变量BACK代表节点是否需要备份，初始值为0，当节点角色确定为主节点和桥节点时，变量BACK变为1，变量TIMEOUT为超时设定值。

　　2.2.桥节点的选择

　　各个已选出的主节点根据选桥策略确定互连各微微网的桥节点，并且优先使用权值较高的设备作桥。

　　2.3组成散射网

　　每个主节点寻呼各自所发现的设备。通过互连各个微微网，形成蓝牙散列网。

　　第二、三阶段程序流程图如图6所示：

　　图6逐级构建微微网从而构成散射网

　　3.对于算法的节点插入和移除的两个过程

　　对于一个被给定的蓝牙WPAN拓扑，讨论两种分布式过程来处理拓扑变化。第一个过程是允许在WPAN中插入一个新的节点;第二个过程是从网络中去除一个节点，这两个过程要达到的主要目标是满足蓝牙规范的限制条件，即全网络连通性，有高的吞吐流量，降低控制信息的开销等。当然，可以加入一个新节点到网络中去，也意味着可以同时加入几个节点。因此，根据这个，我们可以依靠最初给定的一系列蓝牙设备用来建立一个可增长的BT--WPAN或者形成一个网络拓扑。

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