ZigBee基础知识.docx

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一、ZigBee特色
ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低成本、低数据传输率的无线通讯
技术。它的主要特色以下:
1)低功耗:在低功耗待机模式下,两节一般5号干电池可使用6~24个月。
2)低速率:数据传输速率只有10kb/s~250kb/s,专注于低速数据传输应用。
低成本:由于ZigBee数据传输速率低,协议简单,降低了对通讯控制器的要求,所以大大降低了成本。
短距离:传输距离一般介于10~100m之间,在增添RF发射功率后,亦可增添到1~3km。这指的是相邻节点间的距离,假如经过路由和节点间通讯的接力,传输
距离将能够更远。
5)短时延:Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只要15ms,节点
连结进入网络只要30ms,进一步节俭了电能。
6)容量大:Zigbee可采纳星状、簇状和网状网络构造,一个主节点可管理254
个子节点,同时主节点还可由上一层网络节点管理,这样可构成65000多个节点。
7)安全:ZigBee供给了数据完好性检查和鉴权功能,采纳AES-128加密算法,
各个应用可灵巧确立其安全属性。
8)工作频段灵巧:使用的频段分别为全世界的ISM频段(16个信道)、欧洲的
868MHz频段(1个信道),以及美国的915MHz频段(10个信道),均为免执照频段。
二、ZigBee工作频次
表1ZigBee工作频次表
频带频段种类使用范围数据传输速率信道数
ISM全世界250Kb/s16
915MHzISM美国40Kb/s10
868MHzISM欧洲20Kb/s1
三、ZigBee的设施种类
ZigBee网络支持两种功能种类的网络节点:全功能器件(FullFunctionDevice,
FFD)和精简功能器件(ReduceFunctionDevice,RFD)。
全功能器件拥有完好的协议功能,在网络中能够作为协调器(Coordinator),路
由器(Router)和一般节点(Device);而精简功能器件旨在实现最简单的协议功能而设计,只好作为一般节点存在于网络中。全功能器件能够与精简功能器件或其余的
全功能器件通讯,而精简功能器件只好与全功能器件通讯,精简功能器件之间不可以直接通讯。
四、ZigBee网络节点种类
ZigBee网络包含三种节点种类:ZigBee协调器(ZigBeeCoordinator,ZC)、ZigBee路由器(ZigBeeRouter,ZR)和终端设施(ZigBeeEndDevice,ZED)。
协调器只好是全功能器件FFD。一个PAN的网络中,起码要有一个全功能器件
作为网络的协调器,它能够看作是一个PAN的网关节点(SINK节点)。它是网络成立
的起点,负责PAN网络的初始化,确立PAN的ID号和PAN操作的物理信道并兼顾短地点分派,充任相信中心和储藏安全密钥,与其余网络的连结等。
在任何一个拓扑网络上,全部设施都有一个独一的64位IEEE长地点,该地点
能够在PAN顶用于直接通讯。协调器在加入网络以后获取必定的短地点空间,在这
个空间内,他有能力同意其余节点加入网络,并分派16位短地点给节点。所以在设
备倡始连结时采纳的是64位IEEE长地点,只有连结成功后,系统分派了PAN的标
志符后,才能采纳16位的短地点来通讯。
路由器能够只运转一个寄存有路由协议的精简协议栈,负责网络数据的路由,
实现数据中转功能。在网络中最基本的节点就是终端节点ZED,一个终端节点能够
是全功能器件FFD或许是精简功能器件RFD。
Zigbee

网络拓扑构造比较流行的有三种:星型

网络

(Star)

、簇状型网络
(Cluster)

、网状型网络

(Mesh)。
五、ZigBee协议通讯原语
在分层的通讯协议中,层与层之间是经过服务接入点(ServiceAccessPoint,
SAP)相连结的。每一层都能够经过本层与下一层的SAP调用基层所供给的服务,同
时经过与上一层的SAP为上层供给相应服务。SAP是层与层之间的独一接口,而具
体的服务是以通讯原语的形式供上层调用的。在调用基层服务时,只要要按照一致的原语规范,其实不需要去认识怎样办理原语。这样就做到了数据层与层之间的透明
传输。层与层之间的通讯原语可分为以下四种,它们之间的关系如图5-1所示:
5-1ZigBee协议通讯原语
Request:恳求原语,用于上层向本层恳求指定的服务。
Confirm:确认原语,用于本层响应上层发出的恳求原语。
Indication:指示原语,用于本层向上层指示本层的某一内部事件。
Response:响应原语,用于上层响应本层发出的指示原语。
本文中原语按照了“SAP名称-”的书写规则,如"”表示
MLME-SAP上供给的关系恳求原语。
六、ZigBee协议栈框架
PHY层
图6-1物理层构造模型
物理层的作用主假如利用物理介质为数据链路层供给物理连结,负责办理数据
传输率并降低数据犯错率,以便透明的传递比特流。Zigbee协议的物理层主要负责以下任务:
启动和封闭RF收发器。
信道能量检测。
(3)对接收到的数据包进行链路质量指示LQI(LinkQualityIndication)。
(4)为CSMA/CA算法供给安闲信道评估CCA(ClearChannelAssessment)。
对通讯信道进行选择。
数据包的传输和接收
MAC层
图6-2MAC层构造模型
IEEE媒体介入控制层沿用了传统无线局域网中的带矛盾防止的载波多路侦听
接见技术CSMA/CA方式,以提升系统的兼容性。这类设计,不只使多种拓扑构造网
络的应用变得简单,还能够实现特别有效的功耗管理。
MAC层达成的详细任务以下:
协调器产生并发送信标帧(Beacon)。
一般设施依据协调器的信标帧与协调器同步。
(3)支持PAN网络的关系(Association)和撤消关系(Disassociation)操作。
为设施的安全性供给支持。
使用CSMA-CA体制共享物理信道。
办理和保护时隙保障GTS(GuaranteedTimeSlot)体制。
在两个平等的MAC实体之间供给一个靠谱的数据链路。
在IEEE的MAC层中引入了超帧构造和信标帧的观点。这两个观点的引入极大
了方便了网络管理,我们能够采纳以超帧为周期来组织LR-WPAN网络内设施间的通
信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始,在这个信标帧中包含了超帧将连续
的时间以及对这段时间的分派等信息。网络中的一般设施接收到超帧开始时的信标
帧后,就能够依据此中的内容安排自己的任务,比如进入休眠状态直到这个超帧结
束。
NWK层
图6-3网络层构造模型
关于网络层,其达成和供给的主要功能以下:
产生网络层的数据包:当网络层接遇到来自应用子层的数据包,网络层对数
据包进行分析,而后加上适合的网络层包头向MAC层传输。
网络拓扑的路由功能:网络层供给路由数据包的功能,假如包的目的节点是本节点的话,将该数据包向应用子层发送。假如不是,则将该数据包转发给路由表中下一结点。
配置新的器件参数:网络层能够配置适合的协议,比方成立新的协调器并倡始成立网络或许加入一个已有的网络。
成立PAN网络。
连入或离开PAN网络:网络层能供给加入或离开网络的功能,假如节点是协
调器或许是路由器,还能够要求子节点离开网络。
分派网络地点:假如本节点是协调器或许是路由器,则接入该节点的子节点的网络地点由网络层控制。
街坊节点的发现:网络层能发现保护网络街坊信息。
成立路由:网络层供给路由功能。
控制接收:网络层能控制接收器的接受时间和状态。
APL层
图6-4应用支持子层构造模型
Zigbee应用层包含应用支持子层APS、应用框架AF、Zigbee设施对象ZDO。它们共同为各应用开发者供给一致的接口。
APS层主要功能:
(1)APS层协议数据单元APDU的办理。
(2)APSDE供给在同一个网络中的应用实体之间的数据传输体制。
(3)APSME供给多种服务给应用对象,这些服务包含安全服务何绑定设施,并维
护管理对象的数据库,也就是我们常说的AIB。
应用框架(ApplicationFramework,AF)为各个用户自定义的应用对象供给了模
板式的活动空间,为每个应用对象供给了键值对KVP服务和报文MSG服务两种服务供数据传输使用。每个节点除了64位的IEEE地点,16位的网络地点,每个节点还
供给了8位的应用层进口地点,对应于用户应用对象。端点0为ZDO接口,端点1
至240供用户自定义用于对象使用,端点255为广播地点,端点241-254保存未来使用。每一个应用都对应一个配置文件(Profile)。配置文件包含:设施ID(Device
ID),事务集群ID(clusterID),属性ID(AttributeID)等。AF能够经过这些信息
来决定服务种类。
ZDO是一个特别的应用层的端点(Endpoint)。它是应用层其余端点与应用子层
管理实体交互的中间件。它主要供给的功能以下:
初始化应用支持子层,网络层。
发现节点和节点功能。在无信标的网络中,加入的节点只对其父节点可见。而其余节点能够经过ZDO的功能来确立网络的整体拓扑构造。
安全加密管理:主要包含安全key的成立和发送,已经安全受权。
网络的保护功能。
绑定管理:绑定的功能由应用支持子层供给,可是绑定功能的管理倒是由
ZDO供给,它确立了绑定表的大小,绑定的倡始和绑定的排除等功能。
(6)节点管理:关于网络协调器和路由器,ZDO供给网络监测、获取路由和绑定
信息、倡始离开网络过程等一系列节点管理功能。
ZDO其实是介于应用层端点和应用支持子层中间的端点,其主要功能集中在
网络管理和保护上。应用层的端点能够经过ZDO供给的功能来获取网络或许是其余
节点的信息,包含网络的拓扑构造、其余几点的网络地点和状态以及其余几点的类
型和供给的服务等信息。
协议栈框架
图6-5ZigBee协议栈框架