第六章-網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標準

1、第第6 6章章 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標準傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標準 6.1 6.1 技術(shù)標準的意義技術(shù)標準的意義 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的價值就在于它的低成本和可以大量部署。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的價值就在于它的低成本和可以大量部署。 為了降低產(chǎn)品成本、擴大市場和實現(xiàn)規(guī)模效益，傳感器網(wǎng)絡(luò)的某為了降低產(chǎn)品成本、擴大市場和實現(xiàn)規(guī)模效益，傳感器網(wǎng)絡(luò)的某 些特征和共性技術(shù)必須實現(xiàn)標準化，這樣來自不同產(chǎn)商的產(chǎn)品才些特征和共性技術(shù)必須實現(xiàn)標準化，這樣來自不同產(chǎn)商的產(chǎn)品才 能協(xié)同工作。能協(xié)同工作。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作受到了許多國家及國際標準組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作受到了許多國家及國際標準組 織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成

2、了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其 中最出名的就是中最出名的就是IEEE 802.15.4/ZigBeeIEEE 802.15.4/ZigBee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部 分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準。分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4定義定義 了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，ZigBeeZigBee則定義了網(wǎng)絡(luò)則定義了網(wǎng)絡(luò) 互聯(lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范?；ヂ?lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范。 目前傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化工作的兩個公認成果是

3、目前傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化工作的兩個公認成果是IEEE 1451IEEE 1451接口接口 標準和標準和IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4低速率無線個域網(wǎng)協(xié)議。低速率無線個域網(wǎng)協(xié)議。 6.2 IEEE 14516.2 IEEE 1451系列標準系列標準 1 1、IEEE 1451IEEE 1451標準的誕生標準的誕生 基于各種現(xiàn)場總線標準的分布式測量和控制系統(tǒng)得到了廣泛的基于各種現(xiàn)場總線標準的分布式測量和控制系統(tǒng)得到了廣泛的 應(yīng)用，這些系統(tǒng)所采用的控制總線網(wǎng)絡(luò)多種多樣、千差萬別，其內(nèi)應(yīng)用，這些系統(tǒng)所采用的控制總線網(wǎng)絡(luò)多種多樣、千差萬別，其內(nèi) 部結(jié)構(gòu)、通訊接口、通訊協(xié)議等各不相同。部

4、結(jié)構(gòu)、通訊接口、通訊協(xié)議等各不相同。 目前市場上在通訊方面所遵循的標準主要包括目前市場上在通訊方面所遵循的標準主要包括IEEE 803.2(IEEE 803.2(以以 太網(wǎng)太網(wǎng)) )、IEEE 802.4(IEEE 802.4(令牌總線令牌總線) )、IEEE FDDI(IEEE FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)界面光纖分布式數(shù)據(jù)界面) )、 TCP/IP(TCP/IP(傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議/ /互聯(lián)協(xié)議互聯(lián)協(xié)議) )等，以此來連接各種變送器（包等，以此來連接各種變送器（包 括傳感器和執(zhí)行器），要求所選的傳感器括傳感器和執(zhí)行器），要求所選的傳感器/ /執(zhí)行器必須符合上述標準執(zhí)行器必須符合上述標準

5、總線的有關(guān)規(guī)定?？偩€的有關(guān)規(guī)定。 一般說來，這類測控系統(tǒng)的構(gòu)成可以采用如圖所一般說來，這類測控系統(tǒng)的構(gòu)成可以采用如圖所 示的結(jié)構(gòu)來描述。示的結(jié)構(gòu)來描述。 計算機計算機 路由器路由器 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 壓力壓力 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 溫度溫度 閥門閥門 繼電器繼電器 控制網(wǎng)絡(luò)總線控制網(wǎng)絡(luò)總線 IEEE 1451 IEEE 1451系列標準是由系列標準是由IEEEIEEE儀器和測量協(xié)會的傳感器技術(shù)委儀器和測量協(xié)會的傳感器技術(shù)委 員會發(fā)起制訂的。由于現(xiàn)場總線標準不統(tǒng)一，各種現(xiàn)場總線標準員會發(fā)起制

6、訂的。由于現(xiàn)場總線標準不統(tǒng)一，各種現(xiàn)場總線標準 都有自己規(guī)定的通信協(xié)議，且互不兼容，從而給智能傳感技術(shù)的都有自己規(guī)定的通信協(xié)議，且互不兼容，從而給智能傳感技術(shù)的 應(yīng)用與擴展帶來不利。應(yīng)用與擴展帶來不利。IEEE 1451IEEE 1451標準族就是在這樣的情況下提出標準族就是在這樣的情況下提出 來的。來的。 制訂制訂IEEE 1451IEEE 1451標準的目的就是通過定義一套通用的通信接口，標準的目的就是通過定義一套通用的通信接口， 以使變送器以使變送器( (傳感器傳感器/ /執(zhí)行器執(zhí)行器) )能夠獨立于網(wǎng)絡(luò)，并與現(xiàn)有基于微處能夠獨立于網(wǎng)絡(luò)，并與現(xiàn)有基于微處 理器的系統(tǒng)、儀器儀表和現(xiàn)場總線網(wǎng)

7、絡(luò)相連，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間理器的系統(tǒng)、儀器儀表和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間 的兼容性問題，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作的兼容性問題，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作 性。性。 IEEE 1451 IEEE 1451標準定義了變送器的軟、硬件接口，而標準定義了變送器的軟、硬件接口，而 且該族的所有標準都支持且該族的所有標準都支持“變送器電子數(shù)據(jù)表變送器電子數(shù)據(jù)表”(TEDS)(TEDS) 的概念，為變送器提供了自識別和即插即用的功能。的概念，為變送器提供了自識別和即插即用的功能。 IEEE 1451 IEEE 1451標準將傳感器分成兩層模塊結(jié)構(gòu)：標準將傳感器分成兩

8、層模塊結(jié)構(gòu)： 第一層模塊結(jié)構(gòu)用來運行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用硬件，稱第一層模塊結(jié)構(gòu)用來運行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用硬件，稱 為為“網(wǎng)絡(luò)適配器網(wǎng)絡(luò)適配器”(NCAP)(NCAP)； 第二層模塊為第二層模塊為“智能變送器接口模塊智能變送器接口模塊”(STIM)(STIM)，其，其 中包括變送器和電子數(shù)據(jù)表格中包括變送器和電子數(shù)據(jù)表格TEDSTEDS。 IEEE 1451.1IEEE 1451.1標準的智能變送器模型標準的智能變送器模型 網(wǎng) 絡(luò) 硬 件 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議 邏 輯 接 口 變 送 器 邏 輯 接 口 描 述 支 持 NCAP 的 邏 輯 接 口 變 送 器 硬 件 接 口 規(guī) 范 （ 比 如

9、 IEEE1451.2） 應(yīng) 用 軟 件 NCAP模 塊 微 處理 器 硬件 變 送 器 接 口 應(yīng) 用 軟 件 I/O 接 口 硬 件 變 送 器 網(wǎng) 絡(luò) IEEE 1451.2 IEEE 1451.2標準稱為變送器與微處理器通信協(xié)議標準稱為變送器與微處理器通信協(xié)議 和變送器電子數(shù)據(jù)表格式。和變送器電子數(shù)據(jù)表格式。 IEEE 1451.3 IEEE 1451.3標準稱為分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通信和標準稱為分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通信和 變送器電子數(shù)據(jù)表格式。變送器電子數(shù)據(jù)表格式。 IEEE 1451.4 IEEE 1451.4標準稱為混合模式通信協(xié)議和變送器標準稱為混合模式通信協(xié)議和變送器 電子數(shù)據(jù)表

10、格式。這是一項實用的技術(shù)標準，它使變電子數(shù)據(jù)表格式。這是一項實用的技術(shù)標準，它使變 送器電子數(shù)據(jù)表格與模擬測量相兼容。送器電子數(shù)據(jù)表格與模擬測量相兼容。 IEEE 1451 IEEE 1451系列標準的組成結(jié)構(gòu)如圖所示，這些標準可以在一起系列標準的組成結(jié)構(gòu)如圖所示，這些標準可以在一起 應(yīng)用，構(gòu)成多種網(wǎng)絡(luò)類型的智能傳感器系統(tǒng)，也可以單獨使用。應(yīng)用，構(gòu)成多種網(wǎng)絡(luò)類型的智能傳感器系統(tǒng)，也可以單獨使用。 IEEE IEEE還在著手制定無線連接各種傳感設(shè)備的接口還在著手制定無線連接各種傳感設(shè)備的接口 標準。該標準的名稱為標準。該標準的名稱為“IEEE P1451.5”IEEE P1451.5”，主要用于

11、，主要用于 利用電腦等主機設(shè)備綜合管理建筑物內(nèi)各傳感設(shè)備獲利用電腦等主機設(shè)備綜合管理建筑物內(nèi)各傳感設(shè)備獲 得的數(shù)據(jù)。得的數(shù)據(jù)。 IEEE 1451.5 IEEE 1451.5提議標準主要是為智能傳感器的連接提議標準主要是為智能傳感器的連接 提供無線解決方案，盡量減少有線傳輸介質(zhì)的使用。提供無線解決方案，盡量減少有線傳輸介質(zhì)的使用。 6.3 IEEE 802.15.46.3 IEEE 802.15.4標準標準 6.3.1 IEEE 802.15.46.3.1 IEEE 802.15.4標準概述標準概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準一般沿用無線個域網(wǎng)（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準一般沿用無線個域網(wǎng)（IEE

12、E IEEE 802.15802.15）的相關(guān)標準部分。無線個域網(wǎng)（）的相關(guān)標準部分。無線個域網(wǎng)（WPANWPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng) 絡(luò)要早，通常定義為提供個人及消費類電子設(shè)備之間進行互聯(lián)的無絡(luò)要早，通常定義為提供個人及消費類電子設(shè)備之間進行互聯(lián)的無 線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。 無線個域網(wǎng)專注于便攜式移動設(shè)備之間的雙向通信技術(shù)問題，無線個域網(wǎng)專注于便攜式移動設(shè)備之間的雙向通信技術(shù)問題， 其典型覆蓋范圍一般在其典型覆蓋范圍一般在1010米以內(nèi)。米以內(nèi)。IEEE 802.15IEEE 802.15工作組就是為完成工作組就是為完成 這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相

13、關(guān)標準的制定工作，這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標準的制定工作， 其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準定義的標準定義的LR-WPANLR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：網(wǎng)絡(luò)具有如下特點： (1) (1) 在不同的載波頻率下實現(xiàn)在不同的載波頻率下實現(xiàn)20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三種不同三種不同 的傳輸速率；的傳輸速率； (2) (2) 支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；支持星

14、型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)； (3) (3) 有有1616位和位和6464位兩種地址格式，其中位兩種地址格式，其中6464位地址是全球惟一的擴位地址是全球惟一的擴 展地址；展地址； (4) (4) 支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(CSMA-CA)(CSMA-CA)； (5) (5) 支持確認機制，保證傳輸可靠性。支持確認機制，保證傳輸可靠性。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準主要包括物理層和標準主要包括物理層和MACMAC層的標準。層的標準。 6.3.2 6.3.2 物理層物理層 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標準規(guī)

15、定物理層負責如下任務(wù)：標準規(guī)定物理層負責如下任務(wù)： 激活和去活無線收發(fā)器；激活和去活無線收發(fā)器； 當前信道的能量檢測；當前信道的能量檢測； 發(fā)送鏈路質(zhì)量指示；發(fā)送鏈路質(zhì)量指示； CSMA/CA CSMA/CA的空閑信道評估；的空閑信道評估； 信道頻率的選擇；信道頻率的選擇； 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準定義了標準定義了2727個信道，編號為個信道，編號為0-260-26； 跨越跨越3 3個頻段，具體包括個頻段，具體包括2.4GHz2.4GHz頻段的頻段的1616個信道、個信道、915MHz915MHz 頻段的頻段的1010個信道、

16、個信道、868MHz868MHz頻段的頻段的1 1個信道。個信道。 這些信道的頻段中心定義如下這些信道的頻段中心定義如下( (其中其中k k表示信道編號表示信道編號) )： f fc c=868.3MHZ k= 0=868.3MHZ k= 0 f fc c=906+2=906+2(k(k1)MHz k=11)MHz k=1，2 2，1010 f fc c=2405+5=2405+5(k(k11)MHz k=1111)MHz k=11，1212，2626 1 1、物理層服務(wù)規(guī)范、物理層服務(wù)規(guī)范 物理層物理層(PHY)(PHY)通過射頻連接件通過射頻連接件 和硬件提供和硬件提供MACMAC層和無線

17、物理信層和無線物理信 道之間的接口。物理層在概念上道之間的接口。物理層在概念上 提供提供“物理層管理實體物理層管理實體(PLME)”(PLME)”， 該實體提供了用于調(diào)用物理層管該實體提供了用于調(diào)用物理層管 理功能的管理服務(wù)接口。理功能的管理服務(wù)接口。 物理層的組件和接口如圖所物理層的組件和接口如圖所 示。物理層提供兩種服務(wù)：通過示。物理層提供兩種服務(wù)：通過 物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點提供物理物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點提供物理 層的數(shù)據(jù)服務(wù)；通過層的數(shù)據(jù)服務(wù)；通過PLMEPLME的服務(wù)的服務(wù) 接入點提供物理層的管理服務(wù)。接入點提供物理層的管理服務(wù)。 物理層管理實體 服務(wù)訪問點 無線射頻服務(wù)訪問點 物理層數(shù)

18、據(jù)服務(wù)接 入點 物理層 物理層管理實體 物理層的個域網(wǎng) 信息庫 2 2、物理層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu) 4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變 長 前導碼SFD幀長度(7位)保留位(1位)PSDU 同步頭物理幀頭PHY負載 前導碼由前導碼由3232個個0 0組成，用于收發(fā)器進行碼片或者符號的同步。組成，用于收發(fā)器進行碼片或者符號的同步。 幀起始定界符（幀起始定界符（SFDSFD）域由）域由8 8位組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始位組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始 傳輸。傳輸。SFDSFD與前導碼構(gòu)成同步頭。與前導碼構(gòu)成同步頭。 幀長度由幀長度由7 7位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PHY s

19、ervice data PHY service data unit, PSDUunit, PSDU）的字節(jié)數(shù)。其中）的字節(jié)數(shù)。其中0 04 4和和6 67 7位為保留值。幀長度域和位為保留值。幀長度域和1 1 位的保留位構(gòu)成了物理頭。位的保留位構(gòu)成了物理頭。 PSDU PSDU域是變長的，攜帶域是變長的，攜帶PHYPHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議 數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)單元。PSDUPSDU域是物理層的載荷。域是物理層的載荷。 6.3.3 MAC6.3.3 MAC子層子層 1 1、MACMAC層服務(wù)規(guī)范層服務(wù)規(guī)范 MAC MAC層為業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層層為業(yè)務(wù)相

20、關(guān)的會聚子層 （SSCSSSCS）和物理層提供接口。）和物理層提供接口。MACMAC 層在概念上提供介質(zhì)訪問控制層層在概念上提供介質(zhì)訪問控制層 管理實體管理實體(MLME)(MLME)，負責用于調(diào)用，負責用于調(diào)用 MACMAC層管理功能的管理服務(wù)接口。層管理功能的管理服務(wù)接口。 MLMEMLME還負責維護屬于還負責維護屬于MACMAC層的管理層的管理 對象數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫被稱為對象數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫被稱為 “MACMAC層的個域網(wǎng)信息庫層的個域網(wǎng)信息庫(PIB)”(PIB)”。 MCPS-SAPMLME-SAP PD-SAP MAC通用部分 子層 MAC層管理實 體 MAC層的個 域網(wǎng)信息庫 P

21、LME-SAP 2 2、MACMAC層的幀結(jié)構(gòu)層的幀結(jié)構(gòu) MAC MAC層的通用幀結(jié)構(gòu)由幀頭、層的通用幀結(jié)構(gòu)由幀頭、MACMAC負載和幀尾構(gòu)成。負載和幀尾構(gòu)成。 幀頭的域都以固定的順序出現(xiàn)，不過尋址域不一定要幀頭的域都以固定的順序出現(xiàn)，不過尋址域不一定要 在所有幀都出現(xiàn)。在所有幀都出現(xiàn)。 16位位10/20/2變長變長2 幀控制幀控制序列號序列號 目標目標PAN標識標識目標地址目標地址源源PAN標識標識源地址源地址 幀負載幀負載FCS 地址域地址域 MHRMAC負載負載MFR 幀控制域的長度是幀控制域的長度是1616位，包含幀類型定義、尋址域和其它控制標位，包含幀類型定義、尋址域和其它控制標

22、志等。序列號域的長度是志等。序列號域的長度是8 8位，為每個幀提供唯一的序列標識。目標位，為每個幀提供唯一的序列標識。目標 PANPAN標識域的長度是標識域的長度是1616位，內(nèi)容是指定接收方的唯一位，內(nèi)容是指定接收方的唯一PANPAN標識。根據(jù)尋標識。根據(jù)尋 址模式域中指定的尋址模式，目標地址域的長度可以是址模式域中指定的尋址模式，目標地址域的長度可以是1616或者或者6464位，位， 內(nèi)容是指定接收方的地址。源內(nèi)容是指定接收方的地址。源PANPAN標識域的長度是標識域的長度是1616位，內(nèi)容是發(fā)送位，內(nèi)容是發(fā)送 幀設(shè)備的唯一幀設(shè)備的唯一PANPAN標識。根據(jù)尋址模式域中指定的尋址模式，源地

23、址標識。根據(jù)尋址模式域中指定的尋址模式，源地址 域的長度可以是域的長度可以是1616或者或者6464位，內(nèi)容是發(fā)送幀的設(shè)備地址。幀負載域長位，內(nèi)容是發(fā)送幀的設(shè)備地址。幀負載域長 度可變，根據(jù)不同的幀類型其內(nèi)容各不相同。度可變，根據(jù)不同的幀類型其內(nèi)容各不相同。FCSFCS域的長度是域的長度是1616位。位。 6.4 ZigBee6.4 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.4.1 ZigBee6.4.1 ZigBee概述概述 1 1、ZigBeeZigBee的由來的由來 ZigBee ZigBee技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的低速率、技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的低速率、 低功耗、低價格的無線網(wǎng)

24、絡(luò)方案。在低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡(luò)方案。在ZigBeeZigBee方案被提出方案被提出 一段時間后，一段時間后，IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4工作組也開始了一種低速率工作組也開始了一種低速率 無線通信標準的制定工作。最終無線通信標準的制定工作。最終ZigbeeZigbee聯(lián)盟和聯(lián)盟和IEEE IEEE 802.15.4802.15.4工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準， 該協(xié)議標準被命名為該協(xié)議標準被命名為“ZigBee”ZigBee”。 ZigBee ZigBee的通信速率要求低于藍牙，由電池供電設(shè)備的通信速率要求低于藍牙，由

25、電池供電設(shè)備 提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的 情況下正常工作幾個月甚至幾年。情況下正常工作幾個月甚至幾年。ZigBeeZigBee無線設(shè)備工作無線設(shè)備工作 在公共頻段上在公共頻段上( (全球全球2.4GHz2.4GHz、美國、美國915MHz915MHz、歐洲、歐洲868MHz)868MHz)， 傳輸距離為傳輸距離為101075m75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境和特定，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境和特定 應(yīng)用條件下的輸出功耗。應(yīng)用條件下的輸出功耗。ZigBeeZigBee的通信速率在的通信速率在2.4GHz2.4GHz時時 為為250k

26、bps250kbps，在，在915MHz915MHz時為時為40kbps40kbps，在，在868MHz868MHz時為時為 20kbps20kbps。 相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBeeZigBee是最低功耗和成本的是最低功耗和成本的 技術(shù)。由于技術(shù)。由于ZigBeeZigBee的低數(shù)據(jù)率和通信范圍較小的特點，決定了它的低數(shù)據(jù)率和通信范圍較小的特點，決定了它 適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的通信業(yè)務(wù)。適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的通信業(yè)務(wù)。 數(shù)據(jù) Zigbee 互聯(lián)網(wǎng)/語音 802.11b 傳輸速率 藍牙2 藍牙1 802.11a/HL2802.11g 壓縮視頻文件

27、多通道 數(shù)字視頻 802.5.3/WIMEDIA 傳輸距離 傳輸距離 協(xié)議芯片是協(xié)議標準的載體，也是最容易體現(xiàn)知識協(xié)議芯片是協(xié)議標準的載體，也是最容易體現(xiàn)知識 產(chǎn)權(quán)的一種形式。產(chǎn)權(quán)的一種形式。 目前市場上出現(xiàn)了較多的目前市場上出現(xiàn)了較多的ZigBeeZigBee芯片產(chǎn)品及解決方芯片產(chǎn)品及解決方 案，有代表性的包括案，有代表性的包括JennicJennic公司的公司的JN5121/JN5139JN5121/JN5139、 ChipconChipcon公司的公司的CC2430/CC2431CC2430/CC2431（被（被TITI公司收購）和公司收購）和 FreescaleFreescale公司公

28、司MC13192MC13192、EmberEmber公司的公司的EM250EM250等系列的開等系列的開 發(fā)工具和芯片。發(fā)工具和芯片。 2 2、ZigBeeZigBee協(xié)議框架協(xié)議框架 完整的完整的ZigBeeZigBee協(xié)議協(xié)議 棧自上而下由應(yīng)用層、棧自上而下由應(yīng)用層、 應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組 成。數(shù)據(jù)鏈路層可分為成。數(shù)據(jù)鏈路層可分為 邏輯鏈路控制子層邏輯鏈路控制子層(LLC)(LLC) 和介質(zhì)訪問控制子層和介質(zhì)訪問控制子層 (MAC)(MAC)。 物理層采用直接序列擴頻物理層采用直接序列擴頻(DSSS)(DSSS)技術(shù)，定義了三種

29、技術(shù)，定義了三種 流量等級：當頻率采用流量等級：當頻率采用2.4GHz2.4GHz時，使用時，使用1616信道，能夠提信道，能夠提 供供250kbps250kbps的傳輸速率；當采用的傳輸速率；當采用915MHz915MHz時，使用時，使用1010信道，信道， 能夠提供能夠提供40kbps40kbps的傳輸速率；當采用的傳輸速率；當采用868MHz868MHz時，使用單時，使用單 信道，能夠提供信道，能夠提供20kbps20kbps的傳輸速率。的傳輸速率。 直接序列擴頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計變得直接序列擴頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計變得 簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。

30、簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。 ZigBee ZigBee主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和 應(yīng)用框架層，通常它的網(wǎng)絡(luò)層支持應(yīng)用框架層，通常它的網(wǎng)絡(luò)層支持 三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型(Star)(Star)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、 網(wǎng)狀網(wǎng)狀(Mesh)(Mesh)結(jié)構(gòu)和簇樹型結(jié)構(gòu)和簇樹型(Cluster (Cluster Tree)Tree)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 星型網(wǎng)絡(luò)最常見，可提供很長時星型網(wǎng)絡(luò)最常見，可提供很長時 間的電池使用壽命。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可有間的電池使用壽命。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可有 多條傳輸路徑，它具有較高的可靠多條傳輸路徑，它具有較高的可靠 性。簇樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了星型和網(wǎng)狀性。

31、簇樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了星型和網(wǎng)狀 型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié)型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié) 省電池能量。省電池能量。 功能簡化型設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)中簡單的發(fā)送接收節(jié)點，它功能簡化型設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)中簡單的發(fā)送接收節(jié)點，它 一般由電池供電，只與功能完備型設(shè)備連接通信。一般由電池供電，只與功能完備型設(shè)備連接通信。 功能完備型設(shè)備是一種功能完備的設(shè)備，可完成路功能完備型設(shè)備是一種功能完備的設(shè)備，可完成路 由任務(wù)，充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它可與其它的功能完備型設(shè)由任務(wù)，充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它可與其它的功能完備型設(shè) 備或功能簡化型設(shè)備連接通信，一般接有線電源。備或功能簡化型設(shè)備連接通信，一般接有線電源。 ZigBee ZigBee

32、的邏輯設(shè)備按其功能可分為的邏輯設(shè)備按其功能可分為協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器、路由器路由器 和和終端設(shè)備終端設(shè)備。 協(xié)調(diào)器的作用在于啟動網(wǎng)絡(luò)初始化、組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)調(diào)器的作用在于啟動網(wǎng)絡(luò)初始化、組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 和存儲各節(jié)點信息。和存儲各節(jié)點信息。 路由器設(shè)備的作用是管理每對節(jié)點的路由信息。路由器設(shè)備的作用是管理每對節(jié)點的路由信息。 終端設(shè)備相當于網(wǎng)絡(luò)中的葉節(jié)點，可以是任意類型終端設(shè)備相當于網(wǎng)絡(luò)中的葉節(jié)點，可以是任意類型 的物理設(shè)備。的物理設(shè)備。 ZigBee ZigBee技術(shù)的主要特點包括：技術(shù)的主要特點包括： (1) (1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：數(shù)據(jù)率只有數(shù)據(jù)傳輸速率低：數(shù)據(jù)率只有10kbps10kbps250kb

33、ps250kbps，專注于低傳，專注于低傳 輸應(yīng)用。輸應(yīng)用。 (2) (2) 有效范圍?。河行Ц采w范圍有效范圍?。河行Ц采w范圍101075m75m之間，具體依據(jù)實際發(fā)射之間，具體依據(jù)實際發(fā)射 功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。 (3) (3) 工作頻段靈活：使用的頻段分別為工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz2.4GHz、868MHz868MHz（歐洲）及（歐洲）及 915MHz915MHz（美國），均為無需申請的（美國），均為無需申請的ISMISM頻段。頻段。 (4) (4) 省電：由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休省電：由于工作周期

34、很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休 眠模式，眠模式，ZigBeeZigBee可確保兩節(jié)五號電池支持長達可確保兩節(jié)五號電池支持長達6 6個月至個月至2 2年左右的使用年左右的使用 時間，當然不同應(yīng)用的功耗有所不同。時間，當然不同應(yīng)用的功耗有所不同。 3 3、ZigBeeZigBee的技術(shù)特點的技術(shù)特點 (5) (5) 可靠：采用碰撞避免機制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。可靠：采用碰撞避免機制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 (6) (6) 成本低：由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡單，降低了成本，另成本低：由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡單，降低了成本，另 外使用外使用ZigBeeZigBee協(xié)議

35、可免專利費。協(xié)議可免專利費。 (7) (7) 時延短：設(shè)備搜索時延的典型值為時延短：設(shè)備搜索時延的典型值為30ms30ms，休眠激活時延的典型值，休眠激活時延的典型值 是是15ms15ms，活動設(shè)備信道接入時延為，活動設(shè)備信道接入時延為15ms15ms。 (8) (8) 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBeeZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達網(wǎng)絡(luò)可容納多達254254個從設(shè)備和一個主個從設(shè)備和一個主 設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可同時布置多達設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可同時布置多達100100個個ZigBeeZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。 (9) (9) 安全：安全：ZigBeeZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認證功能，

36、加密算法采用提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認證功能，加密算法采用 AES-128AES-128，應(yīng)用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。，應(yīng)用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。 6.4.2 6.4.2 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范 網(wǎng)絡(luò)層從功能上為網(wǎng)絡(luò)層從功能上為IEEE 802.15.4 MACIEEE 802.15.4 MAC子層提供支子層提供支 持，為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了實現(xiàn)與應(yīng)用持，為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了實現(xiàn)與應(yīng)用 層的接口，網(wǎng)絡(luò)層從邏輯上分為兩個具備不同功能的層的接口，網(wǎng)絡(luò)層從邏輯上分為兩個具備不同功能的 服務(wù)實體，分別是數(shù)據(jù)實體和管理實體。服務(wù)實體，分別是數(shù)據(jù)實體和管理實體。 8位字節(jié)22l

37、l變長 幀控制域 目標地址源地址半徑序列號幀負載 路由域 幀頭網(wǎng)絡(luò)負載 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的幀結(jié)構(gòu) 幀控制域：由幀控制域：由1616位組成，內(nèi)容包括幀種類、尋址、排序域和其它位組成，內(nèi)容包括幀種類、尋址、排序域和其它 的控制標志位。的控制標志位。 目標地址域：必備，有兩個目標地址域：必備，有兩個8 8位字節(jié)長，用來存放目標設(shè)備的位字節(jié)長，用來存放目標設(shè)備的1616位位 網(wǎng)絡(luò)地址或者廣播地址網(wǎng)絡(luò)地址或者廣播地址(0 xffff)(0 xffff)。 源地址域：必備，有兩個源地址域：必備，有兩個8 8位字節(jié)長，用來存放發(fā)送幀設(shè)備自己的位字節(jié)長，用來存放發(fā)送幀設(shè)備自己的 1616位網(wǎng)絡(luò)地址。位網(wǎng)絡(luò)地

38、址。 半徑域：必備，有一個半徑域：必備，有一個8 8位字節(jié)長，用來設(shè)定傳輸半徑。位字節(jié)長，用來設(shè)定傳輸半徑。 序列號域：必備，有一個序列號域：必備，有一個8 8位字節(jié)長，在每次發(fā)送幀時改為加位字節(jié)長，在每次發(fā)送幀時改為加1 1。 幀負載域：該域長度可變，內(nèi)容由具體情況決定。幀負載域：該域長度可變，內(nèi)容由具體情況決定。 6.4.3 ZigBee6.4.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā) 1 1、系統(tǒng)設(shè)計事項、系統(tǒng)設(shè)計事項 (1) ZigBee(1) ZigBee協(xié)議棧協(xié)議棧 ZigBee ZigBee系統(tǒng)軟件的開發(fā)是在廠商提供的系統(tǒng)軟件的開發(fā)是在廠商提供的ZigBeeZigBe

39、e協(xié)議棧的協(xié)議棧的MACMAC和物理和物理 層基礎(chǔ)上進行的。協(xié)議棧分有償和無償兩種。層基礎(chǔ)上進行的。協(xié)議棧分有償和無償兩種。 無償?shù)膮f(xié)議棧能夠滿足簡單應(yīng)用開發(fā)的需求，但不能提供無償?shù)膮f(xié)議棧能夠滿足簡單應(yīng)用開發(fā)的需求，但不能提供ZigBeeZigBee規(guī)范定規(guī)范定 義的所有服務(wù)，有些內(nèi)容需要用戶自己開發(fā)。義的所有服務(wù)，有些內(nèi)容需要用戶自己開發(fā)。 例如，例如，MicrochipMicrochip公司為產(chǎn)品公司為產(chǎn)品PICDEMOPICDEMO開發(fā)套件提供了免費的開發(fā)套件提供了免費的MP ZigBeeMP ZigBee 協(xié)議棧；協(xié)議棧；FreescaleFreescale公司為產(chǎn)品公司為產(chǎn)品1319

40、2DSK13192DSK套件提供了套件提供了SmacSmac協(xié)議棧。協(xié)議棧。 有償?shù)膮f(xié)議棧能夠完全滿足有償?shù)膮f(xié)議棧能夠完全滿足ZigBeeZigBee規(guī)范，提供豐富的應(yīng)規(guī)范，提供豐富的應(yīng) 用層軟件實例、強大的協(xié)議棧配置工具和應(yīng)用開發(fā)工具。用層軟件實例、強大的協(xié)議棧配置工具和應(yīng)用開發(fā)工具。 一般的開發(fā)板都提供有償協(xié)議棧的有限使用權(quán)，如購買一般的開發(fā)板都提供有償協(xié)議棧的有限使用權(quán)，如購買 FreescaleFreescale公司的公司的13192DSK13192DSK和和TITI公司的公司的chipconchipcon開發(fā)套件，可開發(fā)套件，可 以獲得以獲得F8F8的的Z-StackZ-Stack和和Z-TraceZ-Trace等工具的等工具的9090天使用權(quán)。單獨購天使用權(quán)。單獨購 買有償?shù)膮f(xié)議棧及開發(fā)工具比較昂貴，在產(chǎn)品有希望大規(guī)模買有償?shù)膮f(xié)議棧及開發(fā)工具比較昂貴，在產(chǎn)品有希望大規(guī)模 上市的前提下可以考慮購買。上市的前提下可以考慮購買。 (2) ZigBee(2) ZigBee芯片芯片 現(xiàn)在芯片廠商提供的主流現(xiàn)在芯片廠商提供的主流ZigBeeZigBee控制芯片在性能上大同小異。