ZigBee基礎(chǔ)知識(shí)

1、ZigBee基礎(chǔ)知識(shí)、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(wú)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(hào)干電池可使用624個(gè)月。2）低速率：數(shù)據(jù)傳輸速率只有10kb/s 250 kb/s,專(zhuān)注于低速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。3）低成本：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，降低了對(duì)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(guò)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(shí)延：Zigbee的響應(yīng)速度較快

2、，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(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)信道）、 歐洲的868MHz頻段（1個(gè)信道），以及美國(guó)的915MHz頻段（10個(gè)信道），均為免 執(zhí)照頻段。二、ZigBee工作頻率表1 ZigBee工作頻率表頻帶頻段類(lèi)型使用

3、范圍數(shù)據(jù)傳輸速率信道數(shù)2.4GHzISM全球250Kb/s16915MHzISM美國(guó)40Kb/s10868MHzISM歐洲20Kb/s1三、ZigBee的設(shè)備類(lèi)型ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持兩種功能類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：全功能器件（Full Function Device,FFD)和精簡(jiǎn)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(jiǎn)功能器件旨在實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的協(xié)議功能 而設(shè)計(jì),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(jiǎn)功能器件或其 他的全功能器件

4、通信, 而精簡(jiǎn)功能器件只能與全功能器件通信, 精簡(jiǎn)功能器件之 間不能直接通信。四、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種節(jié)點(diǎn)類(lèi)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(gè)PAN的網(wǎng)絡(luò)中，至少要有一個(gè)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(gè)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(hào)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(chǔ)存安

5、全密鑰, 與其他網(wǎng)絡(luò)的連接等。在任何一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上,所有設(shè)備都有一個(gè)唯一的 64 位 IEEE 長(zhǎng)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(gè)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(shí)采用的是 64 位 IEEE 長(zhǎng)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(lái)通信。路由器可以只運(yùn)行一個(gè)存放有路由協(xié)議的精簡(jiǎn)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(gè)終端節(jié)點(diǎn)可以是全功能器件FFD或者是精簡(jiǎn)功能器件 RFD。Zi

6、gbee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)絡(luò)(Cluster)、網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)(Mesh)。五、ZigBee 協(xié)議通信原語(yǔ)在分層的通信協(xié)議中，層與層之間是通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn) (Service Access Poin，t SAP)相連接的。每一層都可以通過(guò)本層與下一層的 SAP調(diào)用下層所提供的服務(wù)， 同時(shí)通過(guò)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(yǔ)的形式供上層調(diào)用的。 在調(diào)用下層服務(wù)時(shí)， 只需要遵 循統(tǒng)一的原語(yǔ)規(guī)范， 并不需要去了解如何處理原語(yǔ)。 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(yǔ)可分為以下四種

7、，它們之間的關(guān)系如圖5-1 所示：5-1 ZigBee 協(xié)議通信原語(yǔ)Reques：t 請(qǐng)求原語(yǔ)，用于上層向本層請(qǐng)求指定的服務(wù)。Confirm :確認(rèn)原語(yǔ)，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請(qǐng)求原語(yǔ)。In dicatio n：指示原語(yǔ)，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(yǔ)，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語(yǔ)。本文中原語(yǔ)遵循了 “SAP名稱(chēng)-原語(yǔ)功能.原語(yǔ)類(lèi)型”的書(shū)寫(xiě)規(guī)則，如"MLME- ASSOCIATE.request表示MLME-SAP上提供的關(guān)聯(lián)請(qǐng)求原語(yǔ)。六、ZigBee協(xié)議棧框架6.1 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

8、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(cuò)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(dòng)和關(guān)閉 RF 收發(fā)器。(2) 信道能量檢測(cè)。(3) 對(duì)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(píng)估 CCA(Clear Channel Assessment。)(5) 對(duì)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(wú)線局域網(wǎng)中的帶沖突避免的載 波多路偵聽(tīng)訪問(wèn)技術(shù) CSMA/C

9、A 方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。 這種設(shè)計(jì)， 不但使 多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡(jiǎn)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 (Beacon)。(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)(Disassociaten臊作。(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(shí)隙保障 GTS( Guaranteed Time Slo)機(jī)制。(7) 在兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路。在 IEEE 來(lái)組織 LR-WPAN

10、 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備間的通信。 每個(gè)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(gè)信標(biāo)幀中包含了超幀將持續(xù)的時(shí)間以及對(duì)這段時(shí)間的分 配等信息。 網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到超幀開(kāi)始時(shí)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(gè)超幀結(jié)束。6.3 NWK 層圖 6-3 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)模型對(duì)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(lái)自應(yīng)用子層的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)層 對(duì)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

11、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)或者加入一個(gè)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(shí)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Zi

12、gbee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(duì)象ZDO 它們共同為各應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供統(tǒng)一的接口。APS 層主要功能：(1) APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理。(2) APSDE提供在同一個(gè)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(duì)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(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們常說(shuō)的 AIB 。應(yīng)用框架(Application Framework，AF)為各個(gè)用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象提供了 模板式的活動(dòng)空間，為每個(gè)應(yīng)用對(duì)象提供了鍵值對(duì) KVP 服務(wù)和報(bào)文 MSG 服務(wù) 兩種服務(wù)供數(shù)據(jù)傳輸使用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)除了 64位的

13、IEEE地址，16位的網(wǎng)絡(luò)地址， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)還提供了 8 位的應(yīng)用層入口地址， 對(duì)應(yīng)于用戶應(yīng)用對(duì)象。 端點(diǎn) 0為 ZDO 接口，端點(diǎn) 1 至 240 供用戶自定義用于對(duì)象使用，端點(diǎn) 255 為廣播地址，端點(diǎn) 241 -254保留將來(lái)使用。每一個(gè)應(yīng)用都對(duì)應(yīng)一個(gè)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(guò)這些信息來(lái)決定服務(wù)類(lèi)型。ZDO是一個(gè)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(wú)信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，加入的節(jié)點(diǎn)只對(duì)其父節(jié)點(diǎn)可 見(jiàn)。而其他節(jié)點(diǎn)可以通過(guò) ZDO 的功能來(lái)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