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一、ZigBee特点
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
通信技术。它的主要特点以下:
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。
3)低成本:因为ZigBee数据传输速率低,协议简单,降低了对通信控制器
的要求,因此大大降低了成本。
4)短距离:传输距离一般介于10~100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到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信的接力,传输距离将能够更远。
5)短时延:Zigbee节点连结进入网络只要

的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只要30ms,进一步节俭了电能。

15ms,
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6)容量大:

Zigbee

可采用星状、簇状和网状网络构造,一个主节点可管理
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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
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节点。
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7)安全:ZigBee

供应了数据完满性检查和鉴权功能,采用

AES-128

加密算
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法,各个应用可灵巧确定其安全属性。
8)工作频段灵巧:(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
全球
250Kb/s
16
915MHz
ISM
美国
40Kb/s
10
868MHz
ISM
欧洲
20Kb/s
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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,
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FFD)和精简功能器件(ReduceFunctionDevice,RFD)。
全功能器件拥有完满的协议功能,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,只能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
他的全功能器件通信,而精简功能器件只能与全功能器件通信,精简功能器件之
间不可以够直接通信。
四、ZigBee网络节点种类
ZigBee网络包括三种节点种类:ZigBee协调器(ZigBeeCoordinator,ZC)、
ZigBee路由器(ZigBeeRouter,ZR)和终端设施(ZigBeeEndDevice,ZED)。
协调器只能是全功能器件FFD。一个PAN的网络中,最少要有一个全功能
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,确定PAN的ID号和PAN操作的物
理信道并兼备短地点分派,充任相信中心和积蓄安全密钥,与其余网络的连结等。
在任何一个拓扑网络上,所有设施都有一个独一的64位IEEE长地点,该
地点能够在PAN顶用于直接通信。协调器在加入网络今后获得必定的短地点空
间,在这个空间内,他有能力赞同其余节点加入网络,并分派16位短地点给节
点。因此在设施倡导连结时采用的是64位IEEE长地点,只有连结成功后,系
统分派了PAN的标志符后,才能采用16位的短地点来通信。
路由器能够只运行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协议通信原语
在分层的通信协议中,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调用基层所供应的服务,
同时经过与上一层的SAP为上层供应相应服务。SAP是层与层之间的独一接口,
而详细的服务是以通信原语的形式供上层调用的。在调用基层服务时,只要要遵
循一致的原语规范,其实不需要去认识如何办理原语。这样就做到了数据层与层之
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间的透明传输。层与层之间的通信原语可分为以下四种,它们之间的关系如图
5-1所示:
5-1ZigBee协议通信原语
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。
本文中原语依照了“SAP名称-”的书写规则,如
"MLME-”示MLME-SAP上供应的关系恳求原语。
六、ZigBee协议栈框架

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应物理连结,负责办理数据传输率并降低数据犯错率,以便透明的传达比特流。Zigbee协议的物理层主要负责以下任务:
(1)启动和封闭RF收发器。
(2)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算法供应悠闲信道评估CCA(ClearChannelAssessment)。
(5)对通信信道进行选择。
(6)数据包的传输和接收

图6-2MAC层构造模型

波多路侦听接见技术CSMA/CA方式,以提高系统的兼容性。这种设计,不仅使
多种拓扑构造网络的应用变得简单,还可以够实现特别有效的功耗管理。
MAC层达成的详细任务以下:
(1)协调器产生并发送信标帧(Beacon)。
(2)一般设施依照协调器的信标帧与协调器同步。
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(3)支持PAN网络的关系(Association)和撤消关系(Disassociation)操作。
(4)为设施的安全性供应支持。
(5)使用CSMA-CA系统共享物理信道。
(6)办理和保护时隙保障GTS(GuaranteedTimeSlot)系统。
(7)在两个同样的MAC实体之间供应一个可靠的数据链路。
在IEEE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,在这个信标帧中包括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,就能够依照其中的内容安排自己的任务,比方进入休眠状态直到这个超帧结束。

图6-3网络层构造模型
关于网络层,其达成和供应的主要功能以下:
(1)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解析,此后加上合适的网络层包头向MAC层传输。
(2)网络拓扑的路由功能:网络层供应路由数据包的功能,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。
(3)配置新的器件参数:网络层能够配置合适的协议,比方成立新的协调器
并倡导成立网络或许加入一个已有的网络。
(4)成立PAN网络。
(5)连入或走开PAN网络:网络层能供应加入或走开网络的功能,假如节点
是协调器或许是路由器,还可以够要求子节点走开网络。
(6)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。
(7)邻居节点的发现:网络层能发现保护网络邻居信息。
(8)成立路由:网络层供应路由功能。
(9)控制接收:网络层能控制接收器的接受时间和状态。

图6-4应用支持子层构造模型
Zigbee应用层包括应用支持子层APS、应用框架AF、Zigbee设施对象ZDO。
它们共同为各应用开发者供应一致的接口。
APS层主要功能:
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(1)APS层协议数据单元APDU的办理。
(2)APSDE供应在同一个网络中的应用实体之间的数据传输系统。
(3)APSME供应多种服务给应用对象,这些服务包括安全服务何绑定设施,
并保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应了
模板式的活动空间,为每个应用对象供应了键值对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,
每个节点还供应了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保存将来使用。每一个应用都对应一个配置文件(Profile)。配置文件包
括:设施ID(DeviceID),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是一个特其余应用层的端点(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。它主要供应的功能以下:
(1)初始化应用支持子层,网络层。
(2)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的功能来确定网络的整体拓扑构造。
(3)安全加密管理:主要包括安全key的成立和发送,已经安全授权。
(4)网络的保护功能。
(5)绑定管理:绑定的功能由应用支持子层供应,可是绑定功能的管理倒是由ZDO供应,它确定了绑定表的大小,绑定的倡导和绑定的消除等功能。
(6)节点管理:关于网络协调器和路由器,ZDO供应网络监测、获得路由和
绑定信息、倡导走开网络过程等一系列节点管理功能。
ZDO实际上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供应的功能来获得网络或
者是其余节点的信息,包括网络的拓扑构造、其余几点的网络地点和状态以及其
他几点的种类和供应的服务等信息。

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图6-5ZigBee协议栈框架
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