ZigBee基礎(chǔ)知識

1、ZigBee基礎(chǔ)知識ZigBee基礎(chǔ)知識一、ZigBee特點(diǎn)ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)傳輸率的無線通信技術(shù)。它的主要特點(diǎn)如下：1)低功耗：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用624個月。2)低速率：數(shù)據(jù)傳輸速率只有10kb/s 250 kb/s，專注于低速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。3)低成本：因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，降低了對通信控制器的要求，所以大大降低了成本。 4)短距離：傳輸距離一般介于10100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到13km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。5)短時延：Zigbe

2、e的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。6)容量大：Zigbee可采用星狀、簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)，同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，這樣可組成65000多個節(jié)點(diǎn)。7)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法，各個應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。8)工作頻段靈活：使用的頻段分別為全球的2.4GHz ISM頻段(16個信道)、歐洲的868MHz頻段(1個信道)，以及美國的915MHz頻段(10個信道)，均為免執(zhí)照頻段。二、ZigBee工作頻率表1 ZigBee工作頻率表頻帶頻

3、段類型使用范圍數(shù)據(jù)傳輸速率信道數(shù)2.4GHzISM全球250Kb/s16915MHzISM美國40Kb/s10868MHzISM歐洲20Kb/s1三、ZigBee的設(shè)備類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持兩種功能類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：全功能器件(Full Function Device, FFD)和精簡功能器件(Reduce Function Device，RFD)。全功能器件擁有完整的協(xié)議功能，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為協(xié)調(diào)器(Coordinator)，路由器(Router)和普通節(jié)點(diǎn)(Device)；而精簡功能器件旨在實(shí)現(xiàn)最簡單的協(xié)議功能而設(shè)計，只能作為普通節(jié)點(diǎn)存在于網(wǎng)絡(luò)中。全功能器件可以與精簡功能器件或其他的全功能

4、器件通信，而精簡功能器件只能與全功能器件通信，精簡功能器件之間不能直接通信。四、ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種節(jié)點(diǎn)類型：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)和終端設(shè)備(ZigBee End Device，ZED)。協(xié)調(diào)器只能是全功能器件FFD。一個PAN的網(wǎng)絡(luò)中，至少要有一個全功能器件作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，它可以看作是一個PAN的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(SINK節(jié)點(diǎn))。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)PAN網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配，充當(dāng)信任中心和儲存安全密鑰，與其他網(wǎng)絡(luò)的連

5、接等。在任何一個拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上，所有設(shè)備都有一個唯一的64位IEEE長地址，該地址可以在PAN中用于直接通信。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)之后獲得一定的短地址空間，在這個空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配16位短地址給節(jié)點(diǎn)。因此在設(shè)備發(fā)起連接時采用的是64位IEEE長地址，只有連接成功后，系統(tǒng)分配了PAN的標(biāo)志符后，才能采用16位的短地址來通信。路由器可以只運(yùn)行一個存放有路由協(xié)議的精簡協(xié)議棧，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能。在網(wǎng)絡(luò)中最基本的節(jié)點(diǎn)就是終端節(jié)點(diǎn)ZED，一個終端節(jié)點(diǎn)可以是全功能器件FFD或者是精簡功能器件RFD。Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較流行的有三種：星型網(wǎng)絡(luò)(Star)、簇狀型網(wǎng)

6、絡(luò)(Cluster)、網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)(Mesh)。五、ZigBee協(xié)議通信原語在分層的通信協(xié)議中，層與層之間是通過服務(wù)接入點(diǎn)(Service Access Point，SAP)相連接的。每一層都可以通過本層與下一層的SAP調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時通過與上一層的SAP為上層提供相應(yīng)服務(wù)。SAP是層與層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)是以通信原語的形式供上層調(diào)用的。在調(diào)用下層服務(wù)時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。層與層之間的通信原語可分為以下四種，它們之間的關(guān)系如圖5-1所示：5-1 ZigBee協(xié)議通信原語Request：請求原語，用于上層

7、向本層請求指定的服務(wù)。Confirm：確認(rèn)原語，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。Indication：指示原語，用于本層向上層指示本層的某一內(nèi)部事件。Response：響應(yīng)原語，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。本文中原語遵循了“SAP名稱-原語功能.原語類型”的書寫規(guī)則，如MLME-ASSOCIATE.request”表示MLME-SAP上提供的關(guān)聯(lián)請求原語。六、ZigBee協(xié)議?？蚣?.1 PHY層圖6-1 物理層結(jié)構(gòu)模型物理層的作用主要是利用物理介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)傳輸率并降低數(shù)據(jù)出錯率，以便透明的傳送比特流。Zigbee協(xié)議的物理層主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：(1)啟動和關(guān)閉

8、RF收發(fā)器。(2)信道能量檢測。(3)對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行鏈路質(zhì)量指示LQI(Link Quality Indication)。(4)為CSMA/CA算法提供空閑信道評估CCA(Clear Channel Assessment)。(5)對通信信道進(jìn)行選擇。(6)數(shù)據(jù)包的傳輸和接收6.2 MAC層圖6-2 MAC層結(jié)構(gòu)模型IEEE 802.15.4媒體介入控制層沿用了傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)中的帶沖突避免的載波多路偵聽訪問技術(shù)CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。這種設(shè)計，不但使多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單，還可以實(shí)現(xiàn)非常有效的功耗管理。MAC層完成的具體任務(wù)如下：(1)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀(Bea

9、con)。(2)普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步。(3)支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(Association)和取消關(guān)聯(lián)(Disassociation)操作。(4)為設(shè)備的安全性提供支持。(5)使用CSMA-CA機(jī)制共享物理信道。(6)處理和維護(hù)時隙保障GTS(Guaranteed Time Slot)機(jī)制。(7)在兩個對等的MAC實(shí)體之間提供一個可靠的數(shù)據(jù)鏈路。在IEEE 802.15.4的MAC層中引入了超幀結(jié)構(gòu)和信標(biāo)幀的概念。這兩個概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡(luò)管理，我們可以選用以超幀為周期來組織LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀為始，在這個信標(biāo)幀中包含了超幀將

10、持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到超幀開始時的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)，例如進(jìn)入休眠狀態(tài)直到這個超幀結(jié)束。6.3 NWK層圖6-3 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)模型對于網(wǎng)絡(luò)層，其完成和提供的主要功能如下：(1)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層接受到來自應(yīng)用子層的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后加上適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)層包頭向MAC層傳輸。(2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚晒δ埽壕W(wǎng)絡(luò)層提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如果包的目的節(jié)點(diǎn)是本節(jié)點(diǎn)的話，將該數(shù)據(jù)包向應(yīng)用子層發(fā)送。如果不是，則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給路由表中下一結(jié)點(diǎn)。(3)配置新的器件參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)層能夠配置合適的協(xié)議，比如建立新的協(xié)調(diào)器并發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)或者

11、加入一個已有的網(wǎng)絡(luò)。(4)建立PAN網(wǎng)絡(luò)。(5)連入或脫離PAN網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)層能提供加入或脫離網(wǎng)絡(luò)的功能，如果節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器或者是路由器，還可以要求子節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。(6)分配網(wǎng)絡(luò)地址：如果本節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器或者是路由器，則接入該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址由網(wǎng)絡(luò)層控制。(7)鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)層能發(fā)現(xiàn)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)鄰居信息。(8)建立路由：網(wǎng)絡(luò)層提供路由功能。(9)控制接收：網(wǎng)絡(luò)層能控制接收器的接受時間和狀態(tài)。6.4 APL層圖6-4 應(yīng)用支持子層結(jié)構(gòu)模型Zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層APS、應(yīng)用框架AF、Zigbee設(shè)備對象ZDO。它們共同為各應(yīng)用開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口。APS層主要功能：(1)APS層協(xié)議

12、數(shù)據(jù)單元APDU的處理。(2)APSDE提供在同一個網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。(3)APSME提供多種服務(wù)給應(yīng)用對象，這些服務(wù)包括安全服務(wù)何綁定設(shè)備，并維護(hù)管理對象的數(shù)據(jù)庫，也就是我們常說的AIB。應(yīng)用框架(Application Framework，AF)為各個用戶自定義的應(yīng)用對象提供了模板式的活動空間，為每個應(yīng)用對象提供了鍵值對KVP服務(wù)和報文MSG服務(wù)兩種服務(wù)供數(shù)據(jù)傳輸使用。每個節(jié)點(diǎn)除了64位的IEEE地址，16位的網(wǎng)絡(luò)地址，每個節(jié)點(diǎn)還提供了8位的應(yīng)用層入口地址，對應(yīng)于用戶應(yīng)用對象。端點(diǎn)0為ZDO接口，端點(diǎn)1至240供用戶自定義用于對象使用，端點(diǎn)255為廣播地址，端點(diǎn)241 -

13、254保留將來使用。每一個應(yīng)用都對應(yīng)一個配置文件(Profile)。配置文件包括：設(shè)備ID(Device ID)，事務(wù)集群ID(cluster ID)，屬性ID(Attribute ID)等。AF可以通過這些信息來決定服務(wù)類型。ZDO是一個特殊的應(yīng)用層的端點(diǎn)(Endpoint)。它是應(yīng)用層其他端點(diǎn)與應(yīng)用子層管理實(shí)體交互的中間件。它主要提供的功能如下：(1)初始化應(yīng)用支持子層，網(wǎng)絡(luò)層。(2)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)功能。在無信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，加入的節(jié)點(diǎn)只對其父節(jié)點(diǎn)可見。而其他節(jié)點(diǎn)可以通過ZDO的功能來確定網(wǎng)絡(luò)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(3)安全加密管理：主要包括安全key的建立和發(fā)送，已經(jīng)安全授權(quán)。(4)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)功能。(5)綁定管理：綁定的功能由應(yīng)用支持子層提供，但是綁定功能的管理卻是由ZDO提供，它確定了綁定表的大小，綁定的發(fā)起和綁定的解除等功能。(6)節(jié)點(diǎn)管