zigbee協(xié)議棧詳解教學課件

1、ZigBee協(xié)議棧詳解目標：本章在向?qū)W員介紹物聯(lián)網(wǎng)體系中傳輸層所使用的相關(guān)技術(shù)，通過本課的學習，學員應(yīng)該掌握如下知識： IP協(xié)議棧的應(yīng)用 WLAN無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用學時：4大綱協(xié)議棧內(nèi)部結(jié)構(gòu)IEEE802.15.4 標準和 ZigBee 協(xié)議協(xié)議棧軟件總體設(shè)計網(wǎng)絡(luò)層（NWK）設(shè)計應(yīng)用層MAC 層設(shè)計物理層（PHY）設(shè)計ZigBee協(xié)議套件的基本需求8位處理器協(xié)議棧簡介緊湊 4K-32k網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖ZigBee協(xié)議棧軟件ZigBee協(xié)議棧軟件目錄結(jié)構(gòu)各個目錄的含義APP: 應(yīng)用層目錄，一般就在此目錄中創(chuàng)建項目HA

2、L: 硬件抽象層目錄，對硬件的變動需修改該目錄的內(nèi)部文件MAC: MAC層目錄，包含MAC層的參數(shù)配置文件和MAC的LIB庫的接口文件。MT: 監(jiān)控調(diào)試層目錄，該目錄下的文件實現(xiàn)通過串口調(diào)試各層。NWK: 網(wǎng)絡(luò)層目錄，包含NWK層的參數(shù)配置文件和NWK層的LIB庫的接口文件，及APS層庫的函數(shù)接口。OSAL: 協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。Profile: AF層目錄，包含AF層處理函數(shù)接口文件。Security: 安全層目錄，包含安全層處理函數(shù)接口文件Services: ZigBee和802.15.4設(shè)備的地址處理函數(shù)目錄，包含地址模式的定義及地址處理函數(shù)。Tools: 工程配置目錄，包含空間劃分及Z-

3、Stack相關(guān)配置信息。Zmain: Zmain目錄，包含整個項目的入口函數(shù)main（）。ZigBee協(xié)議棧操作系統(tǒng)C/OS-II操作系統(tǒng)C/OS-II 操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(yīng)用的免費嵌入式操作系統(tǒng)30。2002 年 7 月，C/OS-II 在一個航空項目中得到了美國聯(lián)邦航空管理局對于商用飛機的、符合 RTCA DO2178B 標準的認證。它是一種結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能31，具有可移植性、可裁減、可剝奪性、可確定性等特點。ZigBee協(xié)議棧操作系統(tǒng)TinyOS 操作系統(tǒng)為了解決

4、缺少系統(tǒng)軟件的問題，加州大學的伯利克分校為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專門開發(fā)了 TinyOS（Tiny Micro Threading Operating System）。它是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)。目前在全世界的范圍內(nèi)，有超過 500 個研究小組或者公司正在Berkeley/Crossbow的節(jié)點上使用TinyOS。它的特點是體積小、結(jié)構(gòu)高度模塊化、基于組件的架構(gòu)方式、低功耗等，這使得它能夠突破傳感器節(jié)點各種苛刻的限制，可快速實現(xiàn)各種應(yīng)用，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點和應(yīng)用需求，因而被廣泛應(yīng)用于 WSN 中，并成為很多系統(tǒng)的參考設(shè)計。目前 TinyOS 系統(tǒng)支持的平臺只有 ATMEL 公司的

5、 AVR 系列、TI 公司的MSP430系列。由于TinyOS操作系統(tǒng)還沒有對Chipcon公司提供CC2430開發(fā)平臺提供支持，因此，要在 CC2530 開發(fā)平臺上使用 TinyOS 系統(tǒng)來開發(fā) ZigBee 協(xié)議棧軟件，就必須首先對 TinyOS 進行移植。挪威半導體公司 Chipcon（已經(jīng)被 TI 公司收購）ZigBee協(xié)議棧操作系統(tǒng)OSAL Z-Stack 協(xié)議棧中提供了一個名為操作系統(tǒng)抽象層 OSAL 的協(xié)議棧調(diào)度程序。OSAL(Operating System Abstraction Layer)，翻譯為“操作系統(tǒng)抽象層”，OSAL就是以實現(xiàn)多任務(wù)為核心的系統(tǒng)資源管理機制。所以O(shè)

6、SAL與標準的操作系統(tǒng)還是有很大的區(qū)別的。簡單而言，OSAL實現(xiàn)了類似操作系統(tǒng)的某些功能，但并不能稱之為真正意義上的操作系統(tǒng)。協(xié)議棧主要流程見Zmain.c中的main函數(shù)初始化后調(diào)用函數(shù)osal_start_system(); /no return from here開始對任務(wù)進行輪詢用戶開發(fā)程序所需修改的文件任務(wù)協(xié)議棧中的每一層都設(shè)計了一個事件處理函數(shù)，用來處理與這一層操作相關(guān)的各種事件。將這些事件處理函數(shù)看成是與協(xié)議棧每一層相對應(yīng)的任務(wù)，由 ZigBee 協(xié)議棧中調(diào)度程序 OSAL 來進行管理。讀代碼如何添加新任務(wù)在z-stack2007中如果想添加新任務(wù)，更新數(shù)組tasksArr即可，

7、在其中加入新的執(zhí)行程序函數(shù)，數(shù)組的下標順序就是任務(wù)的優(yōu)先級。數(shù)組tasksEvents跟tasksArr一一對應(yīng)，表明某個任務(wù)在任務(wù)調(diào)度中是否應(yīng)該執(zhí)行。如果為0表示不執(zhí)行，當任務(wù)執(zhí)行完時會自動清0。因為各層的處理任務(wù)已經(jīng)添加好了，應(yīng)用程序只需更新SampleApp_ProcessEvent即可。nwk_event_loop、macEventLoop等是非開源的，用戶不需要改。讀代碼任務(wù)調(diào)度對于協(xié)議棧來說，無論何時發(fā)生了何種事件，我們都可以通過調(diào)度協(xié)議棧相應(yīng)層的任務(wù)，即事件處理函數(shù)來進行處理。這樣，整個協(xié)議棧便會按照時間順序有條不紊的運行。ZigBee協(xié)議棧的實時性要求并不高，因此在設(shè)計任務(wù)調(diào)度

8、程序時，OSAL只采用了輪詢?nèi)蝿?wù)調(diào)度隊列的方法來進行任務(wù)調(diào)度管理。這個輪詢就存在于osal_start_system( )函數(shù)中重視優(yōu)先級的調(diào)度方式讀代碼 do if (tasksEventsidx) / Task is highest priority that is ready. break; while (+idx tasksCnt);OSAL的“心跳”在OSAL的死循環(huán)中，各個事件只是在某些特定的情況下發(fā)生，如果OSAL一刻不停去輪詢?nèi)ヌ幚磉@些應(yīng)用程序，遲早會累死（熱量，功耗，壽命），這樣做是完全沒有必要的。所以這里就引入了心跳的概念，也就是OS的時鐘節(jié)奏。OSAL時鐘由定時器來實現(xiàn)，

9、當定時器中斷產(chǎn)生時會更新tasksEvents，告訴系統(tǒng)那些任務(wù)需要執(zhí)行。設(shè)備初始化：SampleApp_Init初始化函數(shù)主要完成，硬件的初始化，表初始化，上電等原形： void SampleApp_Init( uint8 task_id ) 函數(shù)中SampleApp_NwkState = DEV_INIT; 表明設(shè)備狀態(tài)，如果是DEV_INIT，那么它就要去檢測整個環(huán)境，看是否能重新建立或者加入存在的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)：AF_DataRequest這個函數(shù)是AF框架下的數(shù)據(jù)包發(fā)送請求，函數(shù)逐步構(gòu)造一個應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包，然后調(diào)用下APS層函數(shù)APSDE_DataReq發(fā)送數(shù)據(jù)包。消息處理函數(shù)

10、SampleApp_ProcessEvent在每次輪詢時被執(zhí)行一次調(diào)用osal_msg_receive接收消息對接收到的消息分別處理消息由osal_msg_send發(fā)出ZigBee回顧ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE802.15.4的PHY層和MAC子層規(guī)范之上。它實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層（networklayer，NWK）和應(yīng)用層（applicationlayer，APL）。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層（applicationsupportsub-layer，APS）和 ZigBee 設(shè)備對象（ZigBee Device Object，ZDO）。應(yīng)用框架中則加入了用戶自定義的應(yīng)用對象。ZigBee協(xié)議棧

11、的不同層與802.15.4MAC通過服務(wù)接入點（SAP）進行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)Zigbee報文格式應(yīng)用層（APL）APL是整個協(xié)議棧的最高層，包含應(yīng)用支持子層（applicationsupportsub-layer，APS） ZigBee 設(shè)備對象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）廠商自定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層 APS APS提供了兩個接口應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實體服務(wù)訪問點（APSDE-SAP)應(yīng)用支持子層管理實體服務(wù)訪問點（APSME-SAP）APS主要負責維護設(shè)備綁定表設(shè)備綁定表能夠根據(jù)設(shè)備的服務(wù)和需求將兩個設(shè)備進行匹配APS

12、根據(jù)設(shè)備綁定表能夠在被綁定在一起的設(shè)備之間進行消息傳遞。分裂、重新組裝和可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂酚成鋪碜杂?4位IEEE地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址ZigBee 設(shè)備對象（ZDO）負責定義網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的角色，如：協(xié)調(diào)器或者終端設(shè)備對綁定請求的初始化或者響應(yīng)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全聯(lián)系在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定供給哪個應(yīng)用服務(wù)實現(xiàn)這些功能，ZDO 使用 APS 層的 APSDE-SAP 和網(wǎng)絡(luò)層的 NLME-SAP。ZDO 是特殊的應(yīng)用對象，它在端點(endpoint)0 上實現(xiàn)。廠商自定義的應(yīng)用對象實際上就是運行在 ZigBee 協(xié)議棧上的應(yīng)用程序。這些應(yīng)用程序使用ZigBee聯(lián)盟給出的并且批準的規(guī)范(profil

13、e)進行開發(fā)并且運行在端點 1-240 上。NWK層NWK層是協(xié)議棧實現(xiàn)的核心層負責網(wǎng)絡(luò)的建立設(shè)備的加入路由搜索消息傳遞這些功能將通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點 NLDE-SAP和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)訪問點 NLME-SAP 向協(xié)議棧的應(yīng)用層提供相應(yīng)的服務(wù)。 ZigBee協(xié)議基本術(shù)語端點(EndPoint)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備都是一個節(jié)點，每個節(jié)點具有唯一的一個IEEE地址（64位）和一個網(wǎng)絡(luò)地址（16位）。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時必須指定目標節(jié)點的短地址，數(shù)據(jù)才能被接收。每個節(jié)點有241個端點，其中端點0由ZDO層使用，它是不可缺少的。端點1240由應(yīng)用程序分配使用，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用程

14、序必須登記注冊一個或多個端點，這樣才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。Profile & ClusterProfile 是對邏輯設(shè)備及其接口描述的集合，是面向某個具體應(yīng)用類別的公約、準則。Profile ID 由ZigBee 聯(lián)盟管理目前 ZigBee 制定的標準規(guī)范只有家庭照明控制燈的規(guī)范，其他規(guī)范正在完善 ZigBee綁定（binding）操作在 ZigBee 協(xié)議中定義了一種特殊的操作，叫做綁定（binding）操作。它能夠通過使用 ClusterID 為不同節(jié)點上的獨立端點建立一個邏輯上的連接。Zigbee綁定操作ZigBee協(xié)議棧各層幀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系在 ZigBee 協(xié)議棧中，任何通信數(shù)據(jù)都是利用幀

15、的格式來組織的。協(xié)議棧的每一層都有特定的幀結(jié)構(gòu)。當應(yīng)用程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它將通過 APS 數(shù)據(jù)實體發(fā)送數(shù)據(jù)請求到 APS。隨后在它下面的每一層都會為數(shù)據(jù)附加相應(yīng)的幀頭，組成要發(fā)送的幀信息。原語的概念ZigBee 協(xié)議按照開放系統(tǒng)互聯(lián)的 7 層模型將協(xié)議分成了一系列的層結(jié)構(gòu)，各層之間通過相應(yīng)的服務(wù)訪問點來提供服務(wù)。這樣使得處于協(xié)議中的不同層能夠根據(jù)各自的功能進行獨立的運作，從而使整個協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)變得清晰明朗。另一方面，由于 ZigBee 協(xié)議棧是一個有機的整體，任何 ZigBee 設(shè)備要能夠正確無誤的工作，就要求協(xié)議棧各層之間共同協(xié)作。因此，層與層之間的信息交互就顯得十分重要。ZigBee 協(xié)

16、議為了實現(xiàn)層與層之間的關(guān)聯(lián)，采用了稱為服務(wù)“原語”的操作。原語的概念層與層之間的原語一般情況下可以分為 4 種類型：請求：請求原語從 N1 用戶發(fā)送到它的 N 層，請求發(fā)起一個服務(wù)。指示：指示原語從 N 層到 N2 用戶，指示一個對 N2 用戶有重要意義外部 N層事件。這個事件可能與一個遠程的服務(wù)請求有關(guān)，或者由內(nèi)部事件產(chǎn)生。響應(yīng)：響應(yīng)原語由 N2 用戶向它的 N 層傳遞，用來響應(yīng)上一個由指示原語引起的過程。確認：確認原語由 N 層向 N1 用戶傳遞，用來傳遞與前面一個或多個服務(wù)請求相關(guān)的執(zhí)行結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層的幀格式，一般說來，主要由兩部分構(gòu)成。一部分是幀頭，另一部分是幀載荷。網(wǎng)

17、絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)幀類型由比特 1 和比特 0 決定，其意義是：00 表示數(shù)據(jù)幀；01 表示網(wǎng)絡(luò)層命令幀；10，11：保留。路由搜索域中 1 表示支持路由搜索；0 表示抑制路由搜索。安全子域中 1 表示使用安全操作；0 表示不使用安全操作。網(wǎng)絡(luò)幀幀頭中廣播半徑域只有在目的地址為廣播地址即 0 xFFFF 時才存在。其值限定了幀廣播的范圍。每接收一次該幀時，其值減少 1。當值為 0 時，不再發(fā)送廣播包。廣播序列號的存在條件與廣播半徑域相同，要求目的地址為廣播地址0 xFFFF。每傳送一次新的廣播包時，該序列號加1。網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)實體網(wǎng)絡(luò)層包括兩個服務(wù)實體，分別是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（NLDE）和網(wǎng)絡(luò)層管理實體（N

18、LME）。NLDE 提供數(shù)據(jù)傳送服務(wù)NLME 提供管理服務(wù)。NLME 同時負責網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)（networkinformationbase，NIB）NLDE提供的服務(wù)生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）：NLDE 從 APS 接收到應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元后，通過添加網(wǎng)絡(luò)層幀頭，可以生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。指定拓撲路由：NLDE 能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到適當?shù)脑O(shè)備。這個設(shè)備或者是通信的目標設(shè)備，或者是朝著最終通信目標路徑上的下一跳設(shè)備。NLME提供的服務(wù)配置一個新的設(shè)備：為保證設(shè)備正常工作，設(shè)備應(yīng)該能夠配置具有足夠的堆棧。配置選項包括作為一個 ZigBee 協(xié)調(diào)器或者加入一個已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)中。開啟

19、一個新的網(wǎng)絡(luò)：有能力建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。加入或離開網(wǎng)絡(luò)：能夠連接或斷開一個網(wǎng)絡(luò)，以及作為 ZigBee 協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器，具有要求設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)斷開的能力。尋址：ZigBee 的協(xié)調(diào)器和路由器有能力為加入網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配地址。搜索鄰居設(shè)備：搜索、記錄和報告在一跳范圍內(nèi)一個設(shè)備的鄰居設(shè)備的信息。路由搜索：有能力去搜索和記錄有效傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由接收控制：能夠控制接收機什么時候使能，保持多長時間，使 MAC 層能夠同步或者正常接收等。建立一個新網(wǎng)絡(luò)流程建立新網(wǎng)絡(luò)主要函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest(uint32 ScanChannels,byte ScanDurat

20、ion,byte BeaconOrder,uint16 PanId,byte BatteryLifeExtension );子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)方式當網(wǎng)絡(luò)中具有從屬關(guān)系的設(shè)備允許一個新設(shè)備加入時，便形成了一個父子關(guān)系。新設(shè)備將成為子設(shè)備。子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)方法：子設(shè)備通過MAC層關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)子設(shè)備通過先前指派的父設(shè)備直接加入網(wǎng)絡(luò)通過MAC層關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò)加入網(wǎng)絡(luò)主要函數(shù)extern void NLME_NetworkDiscoveryRequest(uint32 ScanChannels,byte ScanDuration);extern void NLME_JoinRequest(uint16

21、PanId,byte JoinAsRouter,byte RejoinNetwork,uint32 ScanChannel,byte ScanDuration,byte PowerSource,byte RxOnWhenIdle,byte MACSecurity); 通過指定網(wǎng)絡(luò)地址加入或重新加入網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)有兩種方式設(shè)備自身離開網(wǎng)絡(luò)父設(shè)備請求子設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備自身離開網(wǎng)絡(luò) 強制子設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層收發(fā)數(shù)據(jù)之前先要進行連接?？梢酝ㄟ^下面函數(shù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送extern void NLDE_DataRequest(uint16 DstAddr,byte ns

22、duLength,byte *nsdu,byte nsduHandle,byte BroadcastRadius,byte DiscoverRoute,byte SecurityEnable );IEEE802.15.4 標準和 ZigBee 協(xié)議IEEE 802.15.4標準概述網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧架構(gòu) 功能概述 物理層規(guī)范信道分配及調(diào)制方式 物理層幀格式 物理層功能實現(xiàn) MAC子層規(guī)范MAC子層的信道訪問方式 MAC子層的幀格式 MAC子層的功能實現(xiàn) IEEE 802.15.4標準目標：為在個人操作空間（POS）內(nèi)相互連通的無線設(shè)備提供通信標準。IEEE 802.15任務(wù)組TG1：制

23、定IEEE 802.15.1標準（藍牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標準）；中等速率、近距離的WPAN網(wǎng)絡(luò)標準。TG2：制定IEEE 802.15.2標準，研究IEEE 802.15.1與IEEE 802.11（無線局域網(wǎng)標準）的共存問題TG3：制定IEEE 802.15.3標準，研究高傳輸速率WPAN標準。TG4：制定IEEE 802.15.4標準，研究低速WPAN標準。IEEE 802.15.4標準IEEE 802.15.4標準的主要特征：實現(xiàn)20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四種不同的傳輸速率；支持星型和點到點兩種拓撲結(jié)構(gòu)；在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16位地址和64位地址。其中

24、16位地址是有協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴展地址；采用可選的時槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）機制；采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道訪問機制；支持ACK機制以保證可靠傳輸；低功耗機制；信道能量檢測（Energy Detection，ED）；鏈路質(zhì)量指示（Link quality indication，LQI）；工作在ISM頻段上，其中在2450 MHz 波段上有16個信道，在915MHz波段上有30個信道，在868MHz上有

25、3個信道；數(shù)據(jù)安全策略。IEEE 802.15.4標準IEEE 802.15.4標準網(wǎng)絡(luò)：在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4標準相互通信的設(shè)備集合。全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）協(xié)調(diào)器：與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：成員身份管理、鏈路信息管理、分組轉(zhuǎn)發(fā)IEEE 802.15.4標準所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器持續(xù)供電，其他設(shè)備電池供電適合家庭自動化、個人計算機外圍設(shè)備、個人康護護理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用星型拓撲結(jié)構(gòu) IEEE 802.15.4標準任何兩個設(shè)備之間都可以通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責管理鏈路狀態(tài)信息、認證設(shè)備身份等功能

26、允許多跳路由的方式傳輸數(shù)據(jù)適合于設(shè)備分布范圍廣的應(yīng)用（工業(yè)檢測與控制）點到點拓撲結(jié)構(gòu) IEEE 802.15.4標準基于開放系統(tǒng)互連模型（OSI）每一層都實現(xiàn)部分通信功能，并向高層提供服務(wù)物理層由射頻收發(fā)器和底層的控制模塊組成數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通訊的服務(wù)接口特定服務(wù)的聚合子層（SSCS）為IEEE 802.15.4的MAC層接入IEEE 802.2標準中定義的鏈路控制子層（LLC）子層提供聚合服務(wù)LLC為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)IEEE 802.15.4 協(xié)議棧架構(gòu)IEEE 802.15.4標準IEEE 802.15.4標準功能概述超幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸模型MAC層幀結(jié)構(gòu)

27、數(shù)據(jù)可靠傳輸機制低功耗策略數(shù)據(jù)的安全服務(wù) IEEE 802.15.4標準以超幀為周期組織LR-WPAN內(nèi)設(shè)備間的通訊信標幀包含超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息超幀將時間劃分為活躍和不活躍兩個部分不活躍階段：設(shè)備進入休眠狀態(tài)活躍階段：信標幀發(fā)送時段、競爭訪問時段和非競爭訪問時段；劃分為16個等長時槽CSMA-CA訪問機制；IEEE 802.15.4標準IEEE 802.15.4標準概述網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧架構(gòu) 功能概述 物理層規(guī)范信道分配及調(diào)制方式 物理層幀格式 物理層功能實現(xiàn) MAC子層規(guī)范MAC子層的信道訪問方式 MAC子層的幀格式 MAC子層的功能實現(xiàn) IEEE 802.1

28、5.4標準信道分配和調(diào)制方式頻段 (MHz)擴頻參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)片速率 (kchip/s)調(diào)制方式比特速率 (kb/s)符號速率 (ksymbol/s)符號868868.6300BPSK2020二進制902928600BPSK4040二進制868868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902928*1600ASK250505-bitSPSS868868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902928*1000O-QPSK25062.516-ary正交24002483.52000O-QPSK25062.516-ary正交注：*項為可選項目，系802.15.4-2006

29、新增內(nèi)容IEEE 802.15.4標準Ocets：4 字節(jié)1 字節(jié)1 字節(jié)可變前導碼（preamble）SFD （幀起始分隔符）固定值：OXA7Frame length(7 比特)Reserved(1 比特)PSDU同步頭(SHR)物理幀頭(PHR)PHY 負載物理幀格式IEEE 802.15.4標準物理層功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收物理信道的能量檢測(ED：Energy Detection)射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉空閑信道評估(CCA：clear channel assessment)鏈路質(zhì)量指示(LQI：link quality indication)物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置IEEE 802.

30、15.4標準IEEE 802.15.4標準概述網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧架構(gòu) 功能概述 物理層規(guī)范信道分配及調(diào)制方式 物理層幀格式 物理層功能實現(xiàn) MAC子層規(guī)范MAC子層的信道訪問方式 MAC子層的幀格式 MAC子層的功能實現(xiàn) IEEE 802.15.4標準IEEE 802.15.4標準的MAC子層功能采用CSMA-CA機制來訪問物理信道；協(xié)調(diào)器對網(wǎng)絡(luò)的建立與維護；支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）與取消關(guān)聯(lián)（disassociation）；協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標幀，普通設(shè)備根據(jù)信標幀與協(xié)調(diào)器同步；間接傳輸?shù)膶崿F(xiàn)(Transaction handling)；在兩個MAC實體之間提供數(shù)據(jù)可

31、靠傳輸；可選的GTS支持；支持安全機制；IEEE 802.15.4標準中間協(xié)調(diào)器接收和發(fā)送信標幀IEEE 802.15.4標準MAC層幀結(jié)構(gòu)目標：用最低復(fù)雜度實現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸幀組成地址格式：16位短地址和64位擴展地址幀控制字段的內(nèi)容指示地址類型幀的類型：信標幀，數(shù)據(jù)幀，確認幀，MAC命令幀IEEE 802.15.4標準信標幀格式超幀字段：持續(xù)時間；活躍部分持續(xù)時間；競爭訪問時斷持續(xù)時間GTS分配釋放信息：將無競爭時斷劃分為若干個GTS，并把每個GTS具體分配給某個設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的設(shè)備地址信標幀負載數(shù)據(jù)：為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口IE

32、EE 802.15.4標準數(shù)據(jù)幀格式傳輸上層發(fā)送到MAC子層的數(shù)據(jù)MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)負載傳送至MAC子層MAC幀： MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元+MHR頭信息+MFR尾信息IEEE 802.15.4標準確認幀格式如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀，并且?guī)拇_認請求位設(shè)置為1，設(shè)備需要回應(yīng)一個確認幀。確認幀的序列號應(yīng)該與被確認幀的序列號相同，并且負載長度為0。確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。IEEE 802.15.4標準命令幀格式命令幀用于組建PAN，傳輸同步數(shù)據(jù)等。命令幀有9種類型。命令幀的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到PAN；與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)；分配GTS。命令

33、幀的具體功能由幀的負載數(shù)據(jù)表示。IEEE 802.15.4標準MAC子層功能實現(xiàn)PAN的建立與維護關(guān)聯(lián)請求與取消與信標幀的同步數(shù)據(jù)的間接傳輸方式數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收與重傳GTS的分配與管理MAC子層PIB的維護MAC子層的安全策略11.2.3 ZigBee協(xié)議棧八、ZigBee地址分配 16位的地址意味著可以分配給65536個節(jié)點之多，地址的分配取決于整個網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)由這3個值決定：1.網(wǎng)絡(luò)的最大深度（Lm）；2.每個父親設(shè)備擁有的孩子數(shù)（Cm）；3.第2條的孩子設(shè)備當中有幾個是路由器（Rm）； 有了這3個值就可以根據(jù)下面的公式來算出某父設(shè)備的路由器子設(shè)備之間的地址間隔Cskip(d

34、): 計算終端地址：這個公式是來計算A parent這個父親設(shè)備分配的第n個終端設(shè)備的地址An。11.5 ZigBee應(yīng)用實例實例1：結(jié)合GPRS的無線傳輸一、系統(tǒng)概述 利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)采用星形或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲和需求時喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每個Zigbee傳感器節(jié)點的功耗，減少了傳感器節(jié)點向匯節(jié)點上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸匯節(jié)點的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡(luò)具有非常明顯的優(yōu)勢； 利用Zigbee技術(shù)優(yōu)勢組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，并可

35、以按照區(qū)域布置不同的匯接點，這個匯接點就是Zigbee的中心節(jié)點；遠程管理中心通過GPRS等公共信道與Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程通信，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲得采集到的相關(guān)信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。11.5 ZigBee應(yīng)用實例實例1：結(jié)合GPRS的無線傳輸二、系統(tǒng)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN遠程數(shù)據(jù)采集遠程控制網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)遠程急抄系統(tǒng)11.5 ZigBee應(yīng)用實例實例2：醫(yī)療監(jiān)護一、系統(tǒng)概述 利用Zigbee技術(shù)組成一個網(wǎng)狀路由網(wǎng)絡(luò)，在樓道設(shè)置合適的路由節(jié)點，進行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)；房間內(nèi)的呼叫節(jié)點采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個節(jié)點作為Zigbee路由器，負責與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)； 所有的Zigbee路由器組成一個蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，再與Zigbee中心節(jié)點連接，中心節(jié)點設(shè)置在管理中心，構(gòu)建成一個完整的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，是一個通信非?？煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。二、系統(tǒng)應(yīng)用醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)采集11.5 ZigBee應(yīng)用實例實例3：無線點餐一、系統(tǒng)概述 餐廳Zigbee無線節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的Zigbee