Zigbee技術原理-PPT資料

1、- 1 -第2章Zigbee技術原理- 2 -本章目標理解Zigbee網絡結構掌握IEEE802.15.4通信層掌握MAC層和網絡層幀結構掌握Zigbee網絡層服務規(guī)范掌握Zigbee應用層規(guī)范- 3 -本章目標理解Zigbee網絡結構掌握IEEE802.15.4通信層掌握MAC層和網絡層幀結構掌握Zigbee網絡層服務規(guī)范掌握Zigbee應用層規(guī)范- 4 -2.1 概述- 5 -2.1 概述- 6 -2.2 Zigbee網絡結構協(xié)調器路由器終端節(jié)點整個網絡的中心 功能為建立、維持和管理網絡，分配網絡地址 路由發(fā)現、消息傳輸、允許其他節(jié)點通過它接入到網絡 數據采集或控制，不允許其他節(jié)點通過它加

2、入到網絡中 - 7 -2.2.1 Zigbee網絡結構Zigbee網絡分為4層，從下向上分別為物理層、MAC層、網絡層和應用層。其中物理層和MAC層由IEEE802.15.4標準定義，合稱IEEE802.15.4通信層；網絡層和應用層由Zigbee聯盟定義- 8 -2.2.2 拓撲結構星型樹型在星型拓撲結構中，所有的終端設備只和協(xié)調器之間進行通信，協(xié)調器作為發(fā)起設備，協(xié)調器一旦被激活，它就建立一個自己的網絡，并作為PAN協(xié)調器。路由設備和終端設備可以選擇PAN標識符加入網絡。樹型網絡由一個協(xié)調器和多個星型結構連接而成，設備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點互相通信外，其他只能通過網絡中的樹型路由完成

3、通信；在樹型網絡中，由協(xié)調器發(fā)起網絡，路由器和終端設備加入網絡。 - 9 -2.2.2 拓撲結構網狀型網狀型網絡是在樹型網絡的基礎上實現的。與樹狀網絡不同的是，它允許網絡中所有具有路由功能的節(jié)點互相通信，由路由器中的路由表完成路由查尋過程 。在網狀型網絡中，每個設備都可以與在無線通信范圍內的其他任何設備進行通信。 - 10 -2.2.3 協(xié)議架構- 11 -2.2.3 協(xié)議架構IEEE802.15.4 通信層（MAC層和物理層） 網絡層網絡層提供保證IEEE802.15.4 MAC層正確工作的能力，并為應用層提供合適的服務接口，包括數據服務接口和管理服務接口。 應用層應用層包括三部分：應用支持

4、子層、Zigbee設備對象和廠商定義的應用對象 - 12 -2.3 IEEE802.15.4通信層IEEE802.15.4規(guī)范滿足國際標準組織（ISO）開放系統(tǒng)互聯（OSI）參考模式，它定義了Zigbee的物理層和MAC層。 - 13 -2.3.1 物理層物理層所負責的功能： 工作頻段的分配信道的分配為MAC層提供數據服務為MAC層提供管理服務- 14 -2.3.1 物理層工作頻段的分配 2.4GHZ868/915MHZIEEE802.15.4直接序列擴頻全球統(tǒng)一的無須申請的ISM頻段，此頻段的物理層通過采用高階調制技術能夠提供250kbit/s的傳輸速率 ，提供16個數據速率為250kbps

5、的信道。 868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，868MHz的傳輸速率為20kbit/s，915MHz是40kbit/s。 868MHz支持1個數據速率為20kbps的信道，915MHz支持10個數據速率為40kbps的信道。 - 15 -2.3.1 物理層信道的分配 IEEE802.15.4物理層在三個頻段上劃分了27個信道，信道編號k為026。2.4GHz頻段上劃分了16個信道，915MHz頻段上有10個信道，868MHz頻段只有1個信道。 - 16 -2.3.1 物理層物理層服務規(guī)范 物理層的主要功能是在一條物理傳輸媒體上，實現數據鏈路實體之間透明地傳輸各種數據

6、比特流。它提供的主要服務包括：物理層連接的建立、維持與釋放、物理服務數據單元的傳輸、物理層管理、數據編碼。物理層功能涉及“服務原語”和“服務訪問接口”兩個概念服務原語：Zigbee協(xié)議棧是一種分層結構，從下至上第N層向N+1層或者N+1層向第N層提供一組操作（也叫服務），這種“操作”叫做服務原語。它一般通過一段不可分割的或不可中斷的程序實現其功能。服務原語用以實現層和層之間的信息交流。服務訪問接口：服務訪問接口（Service Access Point，SAP），是某一特定層提供的服務與上層之間的接口。這里所說的“接口”是指不同功能層的“通信規(guī)則”。例如，物理層服務訪問接口是通過射頻固件和硬件

7、提供給MAC層與無線信道之間的通信規(guī)則。服務訪問接口是通過服務原語實現的，其功能是為其他層提供具體服務。- 17 -2.3.1 物理層物理層功能 數據的發(fā)送與接收物理信道的能量檢測射頻收發(fā)器的激活與關閉空閑信道評估鏈路質量指示物理層屬性參數的獲取與設置通過物理層服務訪問接口來實現 - 18 -2.3.1 物理層物理層訪問接口 物理層數據服務訪問接口，簡稱PD-SAP，PD-SAP負責物理層和MAC層之間提供數據服務。 物理層管理服務訪問接口，簡稱PLME-SAP，PLME-SAP除了負責在物理層和MAC層之間傳輸管理服務之外，還負責維護物理層PAN信息庫；- 19 -2.3.1 物理層數據的發(fā)

8、送和接收 數據的發(fā)送和接收是通過PD-SAP提供的PD-DATA原語完成的，它可以實現兩個MAC子層的MAC協(xié)議數據單元（MAC Protocol Data Unit，MPDU）傳輸。IEEE802.15.4標準專門定義了三個與數據相關的原語：數據請求原語（PD-DATA.Request），數據確認原語（PD-DATA.comfirm）和數據指示原語（PD-DATA.Indication）。 數據請求 PD-DATA.request（ psduLength, psdu ) 數據確認 PD-DATA.confirm（ status ) 數據指示PD-DATA.indication（ psduLe

9、ngth, psdu, ppduLinkQuality )- 20 -2.3.1 物理層物理能量信道的檢測 協(xié)調器在構建一個新的網絡時，需要掃描所有信道（在MAC層這種掃描稱做ED_SCAN），然后為網絡選擇一個空閑的信道，這個過程在底層是借助物理信道能量檢測來完成的。如果一個信道被別的網絡占用，體現在信道能量上的值是不一樣的。IEEE802.15.4標準定義了與之相關的兩個原語：能量檢測請求原語（PLME_ED.request）和能量檢測確認原語（PLED-ED.confirm）。 能量檢測請求 PLME-ED.request（） 能量檢測確認 PLME-ED.confirm（ status

10、, Energy Level )- 21 -2.3.1 物理層射頻收發(fā)器的激活與關閉 為了滿足低功耗要求，在不需要無線數據收發(fā)時，可以選擇關閉底層射頻收發(fā)器。802.15.4標準定義了兩個相關的原語：收發(fā)器狀態(tài)設置請求原語（PLME-SET-TRX-STATE.request）和收發(fā)器狀態(tài)設置確認原語（PLME-SET-TRX-STATE.confirm）。 收發(fā)狀態(tài)設置請求 PLME-SET-TRX-STATE.request（ status） 收發(fā)狀態(tài)設置確認 PLME-SET-TRX-STATE. confirm（ status)- 22 -2.3.1 物理層空閑信道評估 由于802.1

11、5.4標準的MAC子層采用的是CSMA/CA機制訪問信道，需要探測當前的物理信道是否空閑，物理層提供的CCA檢測功能就是專門為此而定義的。此功能定義的兩個與之相關的原語為：CCA請求原語（PLME-CCA.request）與CCA確認原語（PLME-CCA.confirm）。 CCA請求 PLME-CCA.request（） CCA確認 PLME-CCA.confirm （ status)- 23 -2.3.1 物理層鏈路質量指示 高層的協(xié)議往往需要依據底層的鏈路質量來選擇路由，物理層在接收一個報文的時候，可以順帶返回當前的LQI值，物理層主要通過底層的射頻硬件支持來獲取LQI。MAC軟件產生

12、的LQI值可以用信號接收強度指示器（RSSI）來表示。 - 24 -2.3.1 物理層物理層屬性參數的獲取與設置 在Zigbee協(xié)議棧里面，每一層協(xié)議都維護著一個信息庫（PAN information base，PIB）用于管理該層，里面具體存放著與該層相關的一些屬性參數，如最大報文長度等。在高層可以通過原語獲取或者修改下一層的信息庫里面屬性參數。IEEE802.15.4物理層也同樣維護著這樣一個信息庫，并提供4個相關原語：屬性參數獲取請求（PLME-GET.request） 屬性參數獲取確認原語（PLME-GET.confirm） 屬性參數設置請求原語（PLME-SET.request）屬性

13、參數設置確認原語（PLME-SET.confirm） - 25 -2.3.2 MAC層MAC層負責無線信道的使用方式，它們是構建Zigbee協(xié)議底層的基礎CSMA/CA訪問信道 PAN的建立和維護 支持PAN網絡的關聯和解除關聯協(xié)調器產生網絡信標幀普通設備根據信標幀與協(xié)調器同步 處理和維護保證GTS 在兩個對等MAC實體間提供可靠鏈路 其功能如下：- 26 -2.3.2 MAC層MAC子層具體功能采用CSMA/CA機制來訪問信道 PAN的建立和維護支持PAN網絡的關聯和解除關聯 協(xié)調器產生網絡信標幀，普通設備根據信標幀與協(xié)調器同步 處理和維護保證GTS 在兩個對等MAC實體間提供可靠鏈路 -

14、27 -2.3.2 MAC層MAC層服務規(guī)范MAC管理服務可以提供調用MAC層管理功能的服務接口，同時還負責維護MAC PAN信息庫MAC數據服務可以提供調用MAC公共部分子層（MCPS）提供的的數據服務接口，為網絡層數據添加協(xié)議頭，從而實現MAC層幀數據 - 28 -2.3.2 MAC層CSMA/CA工作原理 CSMA/CA機制實際是在發(fā)送數據幀之前對信道進行預約，以免造成信道碰撞問題。CSMA/CA提供兩種方式來對無線信道共享訪問，其工作流程如下： 送出數據前，監(jiān)聽信道的使用情況，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間后信道依然空閑，送出數據 送出數據前，先送一段小小的請求傳送RTS報文給目

15、標端，等待目標端回應CTS報文后才開始傳送 - 29 -2.3.2 MAC層PAN建立和維護 在一個新設備上電的時候，如果設備不是協(xié)調器，它將通過掃描發(fā)現已有的網絡，然后選擇一個網絡進行關聯。如果是一個協(xié)調器設備，則掃描已有網絡，選擇空余的信道與合法的PANID，然后構建一個新網絡。當一個設備在通信過程中，與其關聯的協(xié)調器失去同步，也需要通過掃描通知其協(xié)調器。為了實現這些功能，802.15.4標準專門定義了4種掃描：1ED信道掃描2主動信道掃描3被動信道掃描4孤立信道掃描- 30 -2.3.2 MAC層關聯和解除關聯 “關聯”即設備加入一個網絡，“解除關聯”即設備從這個網絡中退出。對于一般的設

16、備（路由器或者終端節(jié)點），在啟動完成掃描后，已經得到附近各個網絡的參數，下一步就是選擇一個合適的網絡與協(xié)調器進行關聯。在關聯前，上層需要設置好相關的PIB參數（調用PIB參數設置原語），如：物理信道的選擇，PANID、協(xié)調器地址等。 - 31 -2.3.2 MAC層信標幀 在信標幀使能的網絡中，一般設備通過協(xié)調器信標幀的同步來得知協(xié)調器里是否有發(fā)送給自己的數據；另一方面，為了減少設備的功耗，設備需要知道信道何時進入不活躍時段，這樣設備可以在不活躍時段關閉射頻，而在協(xié)調器廣播信標幀時打開射頻。所有這些操作都需要通過信標幀實現精確同步。 判斷自己是否在網絡中保持網絡同步- 32 -2.3.3 MA

17、C幀結構MAC幀，即MAC協(xié)議數據單元（MPDU），是由一系列字段按照特定的順序排列而成的。設計目標是在保持低復雜度的前提下實現在噪聲信道上的可靠數據傳輸。MAC層幀結構分為一般格式和特定格式。 - 33 -2.4 Zigbee網絡層Zigbee網絡層的主要作用：負責網絡的建立允許設備加入或離開網絡路由的發(fā)現和維護 - 34 -2.4.1 功能概述Zigbee網絡層主要實現網絡的建立、路由的實現以及網絡地址的分配。Zigbee網絡層不同功能由不同的設備完成。其中Zigbee網絡中的設備有三種類型：協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點，分別實現不同的功能 ：協(xié)調器具有建立新網絡的能力 協(xié)調器協(xié)調器或路由器終

18、端節(jié)點協(xié)調器或路由器具備允許設備加入網絡或者離開網絡、為設備分配網絡內部的邏輯地址、建立和維護鄰居表等功能 終端節(jié)點只需要有加入或離開網絡的能力即可 - 35 -2.4.2 服務規(guī)范網絡層內部由兩部分組成，分別是網絡層數據實體（NLDE）和網絡層管理實體（NLME） 網絡層數據實體通過訪問服務接口NLDE-SAP為上層提供數據服務 網絡層管理實體通過訪問服務接口NLME-SAP為上層提供網絡層的管理服務，另外還負責維護網絡層信息庫 - 36 -2.4.3 幀結構網絡層協(xié)議數據單元（NPDU）即網絡層幀的結構 ，在Zigbee網絡協(xié)議中定義了兩種類型的幀結構，即網絡層數據幀和網絡層命令幀，其格式

19、如下：幀結構組成網絡層協(xié)議數據單元（NPDU）結構由網絡層幀報頭和網絡層的有效載荷兩部分組成。 幀報頭包含幀控制、地址信息、廣播半徑域、廣播序列號、多點傳送控制等信息 幀報頭幀有效載荷的長度是可變的，包含的是上層的數據單元信息 幀有效載荷- 37 -2.4.3 幀結構幀控制子域幀類型幀類型子域占2位，00表示數據幀，01表示命令幀，1011保留 協(xié)議版本協(xié)議版本子域占4位，為Zigbee網絡層協(xié)議標準的版本號 ，在Zstack-CC2530-2.5.1A中版本號為2 發(fā)現路由發(fā)現路由子域占2位，00表示禁止路由發(fā)現，01表示使能路由發(fā)現，10表示強制路由發(fā)現，11保留 廣播標記廣播標記占1位，

20、0表示為單播或者廣播，1表示組播 安全安全子域占1位，當該幀為網絡層加密時，安全子域的值為1，當未加密時，值為0 - 38 -2.4.3 幀結構幀控制子域源路由源路由子域占1位，1表示源路由子幀在網絡報頭中存在。如果源路由子幀不存在，則源路由子域值為0。IEEE目的地址IEEE目的地址為1時，網絡幀報頭包含整個IEEE目的地址 IEEE源地址IEEE源地址為1時，網絡幀報頭包含整個IEEE源地址 - 39 -2.4.3 幀結構目的地址目的地址長度域為2個字節(jié)。如果幀控制域的廣播標志子域值為0，那么目的地址域值為16位的目的設備網絡地址或者廣播地址。如果廣播標志子域值為1，目的地址域為16位目的

21、組播的Group ID。- 40 -2.4.3 幀結構源地址在網絡層幀中必須有源地址，其長度是2個字節(jié)，其值是源設備的網絡地址 - 41 -2.4.3 幀結構半徑域半徑域總是存在的，它的長度為1字節(jié)。當設備每接收一次幀數據時，廣播半徑即減1，廣播半徑限定了傳輸半徑的范圍。 - 42 -2.4.3 幀結構廣播序列號域 每個幀中都包含序列號域，其長度是1字節(jié)。每發(fā)送一個新的幀，序列號值即加1。幀的源地址和序列號子域是1對，在限定了序列號1字節(jié)的長度內是唯一的標識符 - 43 -2.4.3 幀結構IEEE目的地址 如果存在IEEE目的地址域，它將包含在網絡層地址頭中的目的地址域的16位網絡地址相對應

22、的64位IEEE地址中。如果該16位網絡地址是廣播或者組播地址，那么IEEE目的地址不存在 - 44 -2.4.3 幀結構IEEE源地址 如果存在IEEE源地址域，則它將包含在網絡層地址頭中的源地址域的16為網絡地址相對應的64位IEEE地址中 - 45 -2.4.3 幀結構多點傳送控制 多點控制域是1字節(jié)長度，且只有廣播標志子域值是1（即，組播）時才存在 - 46 -2.4.3 幀結構源路由幀源路由幀只有在幀控制域的源路由子域的值是1時，才存在源路由幀子域。它分為3個子域：應答計數器（1個字節(jié)）、應答索引（1個字節(jié)）以及應答列表（可變長） 應答計數器子域表示包含在源路由幀轉發(fā)列表中的應答數值

23、 應答索引子域表示傳輸數據包的應答列表子域的下一轉發(fā)索引。這個域被數據包的發(fā)送設備初始化為0，且每轉發(fā)一次就加1 應答列表子域是節(jié)點的短地址列表，用來為源路由數據包尋找目的轉發(fā)節(jié)點 - 47 -2.5 Zigbee應用層Zigbee的應用層由應用支持子層（APS）、Zigbee設備對象、Zigbee應用框架（AF）、Zigbee設備模板和制造商定義的應用對象等組成。- 48 -2.5.1 幾個概念節(jié)點地址端點號節(jié)點地址：地址類型有兩種，64位IEEE地址和16位網絡地址 端點號：端點號是Zigbee協(xié)議棧應用層的入口，它是為實現一個設備描述而定義的一組群集。每個Zigbee設備可以最多支持24

24、0個端點- 49 -2.5.1 幾個概念間接通信和直接通信間接通信：是指各個節(jié)點通過端點的“綁定”建立通信關系，這種通信方式不需要知道目標節(jié)點的地址信息，包括IEEE地址或網絡短地址，Zstack底層將自動從棧的綁定表中查找目標設備的具體網絡地址并將其發(fā)送出去。 直接通信：該方式不需要節(jié)點之間通過綁定建立聯系，它使用節(jié)點地址作為參數，調用適當的應用接口來實現通信。直接通信關鍵點之一在于節(jié)點地址的獲得（獲取IEEE地址或網絡短地址） - 50 -2.5.1 幾個概念簇簇（cluster）可以由用戶自定義，用于代表消息的類型。當一個任務接收到消息后，會對消息進行處理，但不同的應用有不同的消息，簇是

25、為了將這些消息區(qū)分開而定義的 - 51 -2.5.1 幾個概念設備發(fā)現在Zigbee網絡中，一個設備通過發(fā)送廣播或者帶有特定單播地址的查詢，從而發(fā)現另一設備的過程稱為設備發(fā)現。設備發(fā)現有兩種類型：第一種是根據IEEE地址；第二種是短地址已知的單播發(fā)現和短地址未知的廣播發(fā)現。接收到查詢廣播或單播發(fā)現信息的設備，根據Zigbee設備類型的不同作出不同方式的響應 - 52 -2.5.1 幾個概念服務發(fā)現在Zigbee網絡中，某設備為發(fā)現另一終端設備提供服務的過程稱為服務發(fā)現。服務發(fā)現可以通過對某一給定設備的所有端點發(fā)送服務查詢來實現，也可以通過服務特性匹配來實現。服務發(fā)現過程是Zigbee協(xié)議棧中設

26、備實現服務接口的關鍵。通過對特定端點的描述符的查詢請求和對某種要求的廣播查詢請求等，可以使應用程序獲得可用的服務 - 53 -2.5.1 幾個概念綁定綁定是一種兩個（或多個）應用設備之間信息流的控制機制，在Zstack協(xié)議棧中被稱為源綁定。所有需要綁定的設備都必須執(zhí)行綁定機制。綁定允許應用程序發(fā)送一個數據包而不需要知道目標地址。應用支持子層從它的綁定表中確定目標地址，然后將數據繼續(xù)向目標應用或者目標組發(fā)送 - 54 -2.5.2 應用支持子層應用支持子層（APS）負責應用支持子層協(xié)議數據單元APDU的處理、數據傳輸管理和維護綁定列表。APS通過一組通用的服務為網絡層和應用層之間提供接口，這一組

27、服務可以被Zigbee設備對象和制造商定義的應用對象使用，包括應用支持子層數據服務和應用支持子層管理服務。- 55 -2.5.2 應用支持子層APSDE通過“應用支持子層數據服務訪問接口”提供應用層數據單元的處理服務，并為應用層PDU加入合適的協(xié)議頭生成APSDU APSME通過“應用支持子層管理服務訪問接口”提供設備發(fā)現、設備綁定和應用層數據庫的管理等服務- 56 -2.5.3 應用框架Zigbee設備中應用對象駐留的環(huán)境稱為應用框架（Application Framework，英文簡稱AF）。在應用框架中，應用程序可以通過APSDE-SAP發(fā)送、接收數據，通過“設備對象公共接口”實現應用對

28、象的控制與管理。應用支持子層數據服務接口（APSDE-SAP)提供的數據服務包括數據傳輸請求、確認、指示等原語 。數據請求原語用于在對等的應用實體間實現數據傳輸 確認原語報告“數據請求原語”執(zhí)行的結果 指示原語用來指示APS向目的應用對象的數據傳送 - 57 -2.5.3 應用框架協(xié)議模板 每個Zigbee設備都與一個特定的模板有關，這些模板定義了設備的應用環(huán)境、設備類型以及用于設備間通信的簇，比如應用環(huán)境為智能家居，那么就可以建立一個智能家居的模板。不過Zigbee模板不是隨意定義的，它們的定義，由Zigbee聯盟負責。Zigbee聯盟定義了三種模板分別為Zigbee協(xié)議棧模板、Zigbee

29、PRO模板以及特定網絡模板，在Zstack協(xié)議棧中使用了這三種模板 - 58 -設備地址：包含有IEEE地址和短地址的無線收發(fā)裝置 端點地址：設備中的不同應用端點號代表。一個設備中最多可以有240個端點 2.5.3 應用框架協(xié)議模板 協(xié)議模板 Zigbee有三種類型的模板可以按使用限制分為：私有、公開和共用。每個模板都有一個模板標識符，此標識符必須是唯一的 單個的Zigbee設備可以支持多個模板，提供定義的簇標識符和設備描述符。這些簇標識符和端點標識符通過設備地址和端點地址來實現實現：- 59 -2.5.4 設備對象功能描述 Zigbee應用框架的功能可以簡單概括為組合事務、接收和拒絕 組合事務：應用框架幀結構允許將若干個單獨的事務組合在一個幀