無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準

第6章傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第1頁。26.1技術標準的意義無線傳感器網(wǎng)絡的價值就在于它的低成本和可以大量部署。為了降低產(chǎn)品成本、擴大市場和實現(xiàn)規(guī)模效益，傳感器網(wǎng)絡的某些特征和共性技術必須實現(xiàn)標準化，這樣來自不同產(chǎn)商的產(chǎn)品才能協(xié)同工作。無線傳感器網(wǎng)絡的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE802.15.4/ZigBee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為傳感器網(wǎng)絡的標準。IEEE802.15.4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，ZigBee則定義了網(wǎng)絡互聯(lián)、傳輸和應用規(guī)范。目前傳感器網(wǎng)絡標準化工作的兩個公認成果是IEEE1451接口標準和IEEE802.15.4低速率無線個域網(wǎng)協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第2頁。36.2IEEE1451系列標準1、IEEE1451標準的誕生基于各種現(xiàn)場總線標準的分布式測量和控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用，這些系統(tǒng)所采用的控制總線網(wǎng)絡多種多樣、千差萬別，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通訊接口、通訊協(xié)議等各不相同。

無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第3頁。4傳統(tǒng)的分布式測量控制系統(tǒng)結(jié)：由于這種系統(tǒng)的構(gòu)造和設計是基于各種網(wǎng)絡總線標準而定，如I2C，HART，SPI，LonWorks及CAN等，每種總線標準都有自己規(guī)定的協(xié)議格式，相互不兼容，給系統(tǒng)的擴展、維護等帶來不利的影響。6.2IEEE1451系列標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第4頁。5

國際電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)面對目前傳感器市場上總線接口互不兼容,互操作性差難以統(tǒng)一的難題,專門建立專家組制定IEEE1451協(xié)議族,以此來解決傳感器接口的標準化問題。

IEEE1451協(xié)議族共分五個協(xié)議標準,目前,IEEE1451.1、IEEE1451.2、IEEE1451.3、IEEE1451.4已被IEEE組織通過。

這個標準提供了將變送器(傳感器和執(zhí)行器)連接到一個數(shù)字系統(tǒng),尤其是到網(wǎng)絡的方式,簡化了現(xiàn)場變送器到微處理器以及網(wǎng)絡的連接,提供一個適合各種網(wǎng)絡的工業(yè)標準接口,有效的實現(xiàn)現(xiàn)場各種不同的智能變送器的網(wǎng)絡互連、即插即用,最終實現(xiàn)各個傳感器或執(zhí)行器廠家的產(chǎn)品相互兼容,降低了構(gòu)建網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)的總成本。6.2IEEE1451系列標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第5頁。66.2IEEE1451系列標準IEEE1451協(xié)議族定義了一個較為完整的通用模型,在這個模型中采用分層體系結(jié)構(gòu)。IEEE1451.2智能傳感器接口模塊標準的功能框架:無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第6頁。76.2IEEE1451系列標準第一層模塊結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡適配器NCAP(NetworkCapableApplicationProcessor),用來運行網(wǎng)絡協(xié)議和應用軟件第二層模塊為智能變送器模塊STIM(SmartTransducerInterfaceModule),其中包括變送器和電子數(shù)據(jù)表格TEDS(TransducerElectronicDataSheet)。這種劃分使得在基于各種現(xiàn)場總線的分布式測量控制系統(tǒng)中,各種變送器的設計、制造無須考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),從而智能化范圍的得以延伸,更加接近實際測量和控制點。其中TEDS的設計是整個協(xié)議族的精華所在,使傳感器模塊同時具有即插即用的兼容性。無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第7頁。86.2IEEE1451系列標準電子數(shù)據(jù)表格(TEDS)存儲了變送器自身信息和制造商信息

有八個可尋址的單元，其中前兩項是必選且只讀的，其余是可選的：MetaTEDS:STIM的整體描述符ChannelTEDS:包括STIM的量程、單位、啟動時間等參數(shù)其余六項包括:最后校準日期、校準周期和校準參數(shù)，滿足特殊功能的要求，在將來工業(yè)應用中的功能擴展等無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第8頁。96.2IEEE1451系列標準IEEE1451.2標準稱為變送器與微處理器通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式。IEEE1451.3標準稱為分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通信和變送器電子數(shù)據(jù)表格式。IEEE1451.4標準稱為混合模式通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式。這是一項實用的技術標準，它使變送器電子數(shù)據(jù)表格與模擬測量相兼容。無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第9頁。106.2IEEE1451系列標準IEEE1451系列標準的組成結(jié)構(gòu)如圖所示，這些標準可以在一起應用，構(gòu)成多種網(wǎng)絡類型的智能傳感器系統(tǒng)，也可以單獨使用。無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第10頁。116.2IEEE1451系列標準IEEE還在著手制定無線連接各種傳感設備的接口標準。該標準的名稱為“IEEEP1451.5”，主要用于利用電腦等主機設備綜合管理建筑物內(nèi)各傳感設備獲得的數(shù)據(jù)。IEEE1451.5提議標準主要是為智能傳感器的連接提供無線解決方案，盡量減少有線傳輸介質(zhì)的使用。無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第11頁。126.2IEEE802.15.4標準6.2.1IEEE802.15標準概述IEEE8.2.15工作組于1998年成立，致力于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（WPAN）物理層和媒體訪問子層的標準化工作。主要分為四個工作組，研究不同應用需求下的標準：802.15.1藍牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡標準，中速、近距離，適用于手機、PDA等。802.15.2

是802.15.1的補充，研究802.15.1與802.11WLAN的共存問題。802.15.3

高傳輸速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡，多媒體方面的應用。802.15.4

低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡，低能耗，低速率和低成本，針對個人和家庭范圍內(nèi)不同設備間的低速傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第12頁。13WLAN(無線局域網(wǎng)絡)基于IEEE

802.11系列標準802.11，1997年，原始標準(2Mb/s工作在2.4GHz)。802.11a，1999年，物理層補充(54Mb/s工作在5GHz)。802.11b，1999年，物理層補充(11Mb/s工作在2.4GHz)。802.11c，符合802.1d的媒體接入控制層(MAC)橋接。802.11d，根據(jù)各國無線電規(guī)定做的調(diào)整。802.11e，對服務等級(QoS)的支持。802.11f，基站的互連性(Interoperability)。802.11g，物理層補充(54Mb/s工作在2.4GHz)。802.11h，無線覆蓋半徑的調(diào)整，室內(nèi)(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz頻段)。802.11i，安全和鑒權(Authentification)方面的補充。802.11n，導入多重輸入輸出(MIMO)和40Mbit通道寬度技術。6.2IEEE802.15.4標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第13頁。14由于IEEE的網(wǎng)絡特征和傳感器網(wǎng)絡相似，因此科研機構(gòu)將它作為傳感器網(wǎng)絡的通信標準。IEEE802.15.4標準定義的LR-WPAN網(wǎng)絡特點：在不同的載波頻率下實現(xiàn)20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率；支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)；有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址；支持沖突避免的載波多路偵聽技術(CSMA-CA)；支持確認機制，保證傳輸可靠性。6.2IEEE802.15.4標準6.2.1IEEE802.15.4標準概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第14頁。15IEEE802.15.4標準規(guī)定物理層任務：激活和休眠射頻收發(fā)器；信道能量檢測：測量目標信道中接收信號的功率強調(diào)，檢測結(jié)果為有效信號和噪聲信號功率之和；檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(LQI)，得出信噪比指標；空閑信道評估；收發(fā)數(shù)據(jù)。如何評估信道是否空閑？方法1：判斷信號的信道能量，低于門限，則為空閑；方法2：判斷信號的特征(擴頻信號特征和載波頻率)；方法3：同時判斷信道能量和信號的特征。6.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第15頁。16IEEE802.15.4標準定義的信道0-26共27個；跨越3個頻段，具體包括2.4GHz頻段的16個信道、915MHz頻段的10個信道、868MHz頻段的1個信道。信道的頻段中心定義(其中k表示信道編號)：

fc=868.3MHzk=0fc=906+2×(k－1)MHzk=1，2，…，10fc=2405+5×(k－11)MHzk=11，12，…，266.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第16頁。17

頻帶

使用范圍

數(shù)據(jù)傳輸率

信道數(shù)2.4GHzISM 全世界250kbps16868MHz 歐洲 20kbps1915MHzISM 北美 40kbps106.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第17頁。18Z-Stack中對頻道的設置6.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第18頁。19物理層服務規(guī)范物理層(PHY)通過射頻連接件和硬件提供MAC層和無線物理信道之間的接口。物理層在概念上提供“物理層管理實體(PLME)”，該實體提供了用于調(diào)用物理層管理功能的管理服務接口。物理層提供兩種服務：通過物理層數(shù)據(jù)服務接入點提供物理層的數(shù)據(jù)服務；通過PLME的服務接入點提供物理層的管理服務。6.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第19頁。202、物理層幀結(jié)構(gòu)前導碼由32個0組成，用于收發(fā)器之間進行同步。幀起始定界符（SFD）域由8位組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。SFD與前導碼構(gòu)成同步頭。幀長度由7位組成，表示物理服務數(shù)據(jù)單元（PSDU）的字節(jié)數(shù)。幀長度域和1位的保留位構(gòu)成了物理頭。PSDU域是變長的，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元。PSDU域是物理層的載荷。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變

長前導碼SFD幀長度(7位)保留位(1位)PSDU同步頭物理幀頭PHY負載6.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準0xA7≤127字節(jié)承載MAC幀無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第20頁。216.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準MAC層需要處理接入到物理無線信道等事務，并負責下列的任務：能產(chǎn)生網(wǎng)絡信標（如果設備是協(xié)調(diào)器）與信標保持同步支持PAN（個人局域網(wǎng)）的連接和斷開連接支持設備的安全性信道接入采用CSMA-CA接入機制處理和維護GTS(保護時隙)機制在對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路（單跳）無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第21頁。22MAC層的幀結(jié)構(gòu)MAC層的通用幀結(jié)構(gòu)由幀頭、MAC負載和幀尾構(gòu)成。幀頭的域都以固定的順序出現(xiàn)尋址域不一定要在所有幀都出現(xiàn)6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準210/20/2/80/20/2/8變長2幀控制序列號目標PAN標識目標地址源PAN標識源地址幀負載FCS地址域MHRMAC負載MFR包含幀類型定義、尋址域和其它控制標志為每個幀提供唯一的序列標識接收方的唯一PAN地址接收方短地址或長地址發(fā)送方的唯一PAN地址發(fā)送方短地址或長地址長度可變，因不同幀類型其內(nèi)容各不相同CRC校驗碼MAC幀頭

地址域（0－20字節(jié)）無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第22頁。23幀控制域指明了MAC幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認等控制信息。0-2幀類型3安全允許標志4未處理數(shù)據(jù)標志5請求確認6PAN內(nèi)部標記7-9保留10-11目的地址模式12-13保留14-15源地址模式000:信標幀001:數(shù)據(jù)幀010:確認幀011:命令幀1:加密0:不加密1:除本幀外，還有后續(xù)數(shù)據(jù)0:無后續(xù)數(shù)據(jù)1:需要確認0:無需確認1:該MAC幀在本身所屬的PAN內(nèi)傳輸，幀地址域中不包含源PAN標識符；O:該幀是傳輸?shù)搅硪粋€PAN，幀中必須包含源節(jié)點和目的節(jié)點的PAN標識符。00:PAN標識符和地址子域不存在01:保留10:16位短地址11:64位物理地址6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第23頁。24序列號域的長度為8位，它是幀的序列標識，由設備自己的幀序列號發(fā)生器產(chǎn)生，采用循環(huán)計數(shù)方式，范圍0到0xFF。接收方可以根據(jù)此序列號判斷接收的幀是否為新幀。地址域長度0到20字節(jié)，它有四個子域：目的PAN標識符：長度16位，是接收該幀的設備所在PAN的唯一標識。當標識符為0xFFFF時，表示該幀為廣播幀，在同一信道上的所有設備都可以接收該幀。目的地址：是接收幀設備的地址。根據(jù)幀地址控制子域不同的情況，目的地址可以為16位或64位。源PAN標識符：長度16位，是發(fā)送該幀的設備所在PAN的唯一標識符。源地址：是幀發(fā)送設備的地址。根據(jù)幀地址控制子域不同的情況，目的地址為16位或64位。6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第24頁。25有效載荷域即幀傳送的數(shù)據(jù)，若幀的安全控制域值為l，則載荷采用AES-128加密方式進行處理。AES內(nèi)部始終使用16字節(jié)的分組長度，加密時，如果明文字節(jié)長度不是16的整數(shù)倍，要填充到大于該長度的最接近的16的倍數(shù)，但是如果剛好等于16的倍數(shù)，就額外在添加一個完整的分組，也就是添加16字節(jié)。6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第25頁。26幀校驗子域包含一個16位的CRC校驗碼。unsignedshortdo_crc(unsignedchar*message,unsignedintlen){inti,j;unsignedshortcrc_reg=0;unsignedshortcurrent;for(i=0;i<len;i++){current=message[i]<<8;for(j=0;j<8;j++){if((short)(crc_reg^current)<0)crc_reg=(crc_reg<<1)^0x1021;elsecrc_reg<<=1;current<<=1;}}returncrc_reg;}

6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準CRC的生成多項式：x16+x12+x5+110001000000100001=0x1021(忽略最高位)16位CRC計算方法

1．預置1個16位的寄存器為十六進制FFFF（即全為1）；稱此寄存器為CRC寄存器；2．把第一個8位二進制數(shù)據(jù)（既通訊信息幀的第一個字節(jié)）與16位的CRC寄存器的低8位相異或，把結(jié)果放于CRC寄存器；3．把CRC寄存器的內(nèi)容邏輯右移一位，并檢查右移后的移出位；4．如果移出位為0：重復第3步（再次右移一位）；如果移出位為1：CRC寄存器與多項式1021(0001

0000

0010

0001)進行異或;5．重復步驟3和4，直到右移8次，這樣整個8位數(shù)據(jù)全部進行了處理；6．重復步驟2到步驟5，進行通訊信息幀下一個字節(jié)的處理；7．將該通訊信息幀所有字節(jié)按上述步驟計算完成后，得到的16位CRC。

無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第26頁。276.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準MAC層定義了四種幀結(jié)構(gòu)，其長度不超過127字節(jié)：信標幀在信標網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡中的所有從設備發(fā)送信標幀，以保證這些設備能夠同協(xié)調(diào)器進行同步（同步工作和同步休眠），以達到網(wǎng)絡功耗最低。非信標模式只允許終端設備進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器必須長期處于工作狀態(tài)。2幀控制1序列號4/10尋址域2超幀規(guī)范變長GTS域變長地址域變長信標超載2校驗碼MHRMAC負載MFR無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第27頁。28IEEE802.15.4MAC協(xié)議規(guī)定，對于信標網(wǎng)絡，在超幀的第一個時隙，發(fā)送一個信標幀，如果不需要同步，則不發(fā)送信標幀。在超幀結(jié)構(gòu)中，活動時間固定不變，CAP和CFP可變。時隙長度、CAP時段中時隙個數(shù)等參數(shù)均由協(xié)調(diào)器設定，并在信標幀中廣播到整個網(wǎng)絡。在非信標網(wǎng)絡中不使用超幀結(jié)構(gòu)，節(jié)點采用CSMA/CA算法競爭訪問信道，每個競爭時隙為20個符號長度。6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準GTS0123456789101112131415

GTSCFPCAP活動時間非活動時間信標競爭訪問時間，使用帶時隙的CSMA/CA算法競爭信道非競爭訪問時間(可選)使用時隙保護機制(GTS)，留給特定設備使用每個符號長度為4bit時間無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第28頁。29數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由應用層發(fā)起，在ZigBee設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸時，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由應用層生成，經(jīng)過逐層數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給MAC層，形成MAC層服務數(shù)據(jù)單元(MSDU)。通過添加MAC層幀頭信息和幀尾，便形成了完整的MAC數(shù)據(jù)幀MPDU。6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準2幀控制1序列號4/10尋址域變長數(shù)據(jù)負載2校驗碼MHRMAC負載MFR無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第29頁。30確認幀如果設備收到目的地址為自身地址的數(shù)據(jù)幀或命令幀，并且?guī)拇_認請求位為1，設備需要回復一個確認幀。確認幀緊接著被確認的幀發(fā)送，不需要使用CSMA/CA機制競爭信道。6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準2幀控制1序列號2校驗碼MHRMFR無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第30頁。31命令幀MAC命令幀由MAC子層發(fā)起。在ZigBee網(wǎng)絡中，為了對設備的工作狀態(tài)進行控制，同網(wǎng)絡中的其他設備進行通信，MAC層將根據(jù)命令類型生成相應的命令幀。6.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準2幀控制1序列號4/10尋址域1命令幀標識變長命令負載2校驗碼MHRMAC負載MFR無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第31頁。32IEEE802.15.4標準包括物理層MAC層學習要求理解物理層的信道分配方案及任務，掌握物理層的幀結(jié)構(gòu)，各字段的作用。理解MAC層的任務，掌握MAC層四種類型的幀結(jié)構(gòu)及作用。6.2IEEE802.15.4標準小結(jié)解決信道評估和數(shù)據(jù)收發(fā)問題解決網(wǎng)絡接入問題無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第32頁。331、ZigBee的由來ZigBee技術是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡方案。在ZigBee方案被提出一段時間后，IEEE802.15.4工作組也開始了一種低速率無線通信標準的制定工作。最終Zigbee聯(lián)盟和IEEE802.15.4工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名為“ZigBee”。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第33頁。34ZigBee的通信速率要求低于藍牙，由電池供電設備提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的情況下正常工作幾個月甚至幾年。ZigBee無線設備工作在公共頻段上(全球2.4GHz、美國915MHz、歐洲868MHz)，傳輸距離為10～75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境和特定應用條件下的輸出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz時為250kbps，在915MHz時為40kbps，在868MHz時為20kbps。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第34頁。352、ZigBee協(xié)議框架ZigBee協(xié)議棧自上而下由應用層（包括應用子層、應用架構(gòu)和ZigBee設備對象）、網(wǎng)絡層、MAC層和物理層組成。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述應用對象1應用對象240…應用架構(gòu)AF應用子層APS網(wǎng)絡層WNKMAC層物理層PHYZigBee設備對象ZDO應用層IEEE802.15.4ZigBee聯(lián)盟無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第35頁。36特殊應用對象應用對象0：用于整個ZigBee設備的配置和管理，附屬于對象0的對象稱為ZigBee設備對象(ZDO)。應用對象255：用于對所有對象的廣播應用對象241—254：保留6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第36頁。37ZigBee協(xié)議主要界定了網(wǎng)絡、安全和應用框架層。支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型(Star)結(jié)構(gòu)，可提供很長時間的電池使用壽命。網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)，有多條傳輸路徑，具有較高的可靠性。簇樹型(ClusterTree)結(jié)構(gòu)，結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述星型網(wǎng)狀型簇狀型協(xié)調(diào)器路由器終端設備無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第37頁。38按節(jié)點在網(wǎng)絡中擔當?shù)慕巧珔f(xié)調(diào)器負責發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡，識別網(wǎng)絡中的設備加入網(wǎng)絡。路由器支撐網(wǎng)絡鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端設備是網(wǎng)絡的感知者和執(zhí)行者，負責數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡動作。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第38頁。39按節(jié)點的復雜程度全功能設備（FFD）是一種功能完備的設備，可完成路由任務，充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。它可與其它的功能完備型設備或功能簡化型設備連接通信，一般接有線電源。簡化功能設備（RFD）是網(wǎng)絡中簡單的發(fā)送接收節(jié)點，它一般由電池供電，只與功能完備型設備連接通信。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第39頁。40星型拓撲結(jié)構(gòu)由一個協(xié)調(diào)器和多個從設備組成，主協(xié)調(diào)器必須為一個FFD，從設備既可為FFD也可為RFD。在任何一個拓撲網(wǎng)絡上，所有設備都有唯一的64位長地址（IEEE地址）和一個16位的短地址。短地址是一個相對地址，長地址是一個絕對地址。在ZigBee技術應用中，PAN主協(xié)調(diào)器是主要的耗能設備，其他從設備均采用電池供電。ZigBee技術的星型拓撲結(jié)構(gòu)通常在家庭自動化、PC外圍設備、玩具、游戲以及個人健康檢查等方面得到應用。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第40頁。41網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)同樣也存一個協(xié)調(diào)器作為主設備，但不同于星型網(wǎng)絡，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的任何一個設備，只要是在它的通信范圍內(nèi)，就可以和其它設備通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡能夠構(gòu)成較為復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。一個對等網(wǎng)絡的路由協(xié)議可以是基于Ad

hoc技術的，也可以是自組織式的和自恢復的，并且，在網(wǎng)絡中各個設備之間發(fā)送消息時，可通過多個中間設備中繼的方式進行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式，以增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第41頁。42樹狀拓撲結(jié)構(gòu)由一個協(xié)調(diào)器，多個路由器和多個終端設備組成，在建立一個網(wǎng)絡時，主協(xié)調(diào)器將其自身設置成簇標識符為0的簇頭，選擇一個沒有使用的PAN標識符，并向鄰近設備以廣播的形式發(fā)送信標幀，從而形成第一簇網(wǎng)絡。收到信標幀的設備在簇頭中請求加入該網(wǎng)絡，如果協(xié)調(diào)器允許加入，那么主協(xié)調(diào)器會將該設備作為其子節(jié)點加到它的鄰近表中，同時，請求加入的設備將主協(xié)調(diào)器作為它的父節(jié)點加到鄰近列表中，成為該網(wǎng)絡中的一個從設備；同樣，其他的所有候選設備都按照同樣的方式，請求加入到該網(wǎng)絡中，作為網(wǎng)絡的從設備。樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可以增加網(wǎng)絡的覆蓋范圍，缺點是會增加傳輸信息的延遲時間。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第42頁。433、ZigBee的技術特點(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低:

(20～250kbps)，專注于低速應用。(2)有效范圍?。河行Ц采w范圍10～75m之間。(3)工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(北美)，均為ISM頻段。(4)省電：由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月至2年左右的使用時間。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第43頁。44(5)可靠：采用碰撞避免機制，避免發(fā)送時的競爭和沖突。(6)成本低：由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，降低了成本，另外使用ZigBee協(xié)議可免專利費。(7)時延短：設備搜索時延的典型值為30ms，休眠激活時延的典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms。(8)網(wǎng)絡容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡可容納多達254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可同時布置多達100個ZigBee網(wǎng)絡。(9)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認證功能，加密算法采用AES-128，應用層安全屬性可根據(jù)需求配置。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第44頁。451、ZigBee網(wǎng)絡層（NWK）功能節(jié)點加入、離開網(wǎng)絡的管理；幀的安全機制管理根據(jù)路由發(fā)送幀到目的節(jié)點發(fā)現(xiàn)和維護路由發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點和維護鄰居節(jié)點信息ZigBee執(zhí)行基于用于AODV專用網(wǎng)絡的路由協(xié)議。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第45頁。462、網(wǎng)絡層向應用層提供的服務網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體(NLDE)提供數(shù)據(jù)傳輸服務網(wǎng)絡層管理實體(NLME)提供網(wǎng)絡管理服務6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第46頁。47網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務符合按照應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式在同一個網(wǎng)絡中的單個或多個設備之間傳送傳送目標可以是終端設備，也可以是中間設備應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ApplicationProtocolDataUnit

，APDU)6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范APDU頭地址信息APDU有效負載4字節(jié)16字節(jié)可變長度命令信息數(shù)據(jù)源和目標的IEEE地址有效數(shù)據(jù)，如測量值等。無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第47頁。48網(wǎng)絡層管理實體

提供網(wǎng)絡管理服務配置一個新的設備:對設備初始化加入或離開網(wǎng)絡尋址:協(xié)調(diào)器和路由器為新入網(wǎng)絡設備分配地址鄰居發(fā)現(xiàn):發(fā)現(xiàn)、記錄和匯報一跳鄰居設備的信息接收控制:控制接收機的接收狀態(tài)6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第48頁。493、ZigBee網(wǎng)絡層的幀結(jié)構(gòu)幀控制域：包括幀種類、尋址等控制標志位目標地址域：存放目標設備的短地址或廣播地址(0xffff)源地址域：存放發(fā)送設備自己的短地址半徑域：傳輸半徑（跳數(shù)）序列號域：每次發(fā)送幀時加1幀負載域：長度可變6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范2字節(jié)幀控制2目標地址2源地址1半徑1序列號變長幀負載路由域幀頭無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第49頁。506.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范4、協(xié)調(diào)器組網(wǎng)過程掃描信道指定PANID？是否是否有沖突？返回錯誤信息選擇合適的PANID返回成功信息現(xiàn)在網(wǎng)絡中有幾個節(jié)點？如何指定PANID？指定：0—0x3FFF未指定：0xFFFF僅協(xié)調(diào)器1個節(jié)點短地址設為0無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第50頁。515、設備加入網(wǎng)絡子設備父設備子設備發(fā)送信標請求命令幀父設備發(fā)送信標幀子設備發(fā)送連接請求命令幀父設備發(fā)送ACK應答幀，若允許入網(wǎng)，則未處理數(shù)據(jù)位置1，否則置0.若ACK幀中未處理數(shù)據(jù)位為1，則子設備發(fā)送上位數(shù)據(jù)請求命令幀父設備發(fā)送該設備所對應的連接響應命令幀子設備從響應命令幀中獲取PANID和短地址，并更新父設備信息.6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第51頁。526、網(wǎng)絡地址分配

每個ZigBee設備加入網(wǎng)絡時，從其父設備那里獲得一個網(wǎng)絡地址（短地址）MAX_DEPTH網(wǎng)絡最大深度，協(xié)調(diào)器深度為0MAX_CHILDREN協(xié)調(diào)器或路由器的最多子節(jié)點數(shù)MAX_ROUTER協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點中最多路由器數(shù)6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范MAX_ROUTER≤MAX_CHILDREN無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第52頁。53兄弟節(jié)點之間的地址間隔Cskip的計算:

Cm:MAX_CHILDREN

Rm:MAX_ROUTER

Lm:MAX_DEPTH

d:設備深度

6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范dCskip(d)021152130=4=4=3無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第53頁。54父節(jié)點利用Cskip(d)作為偏移，向子節(jié)點分配有效地址。A1=Aparent+1An=An-1+Cskip(d)6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第54頁。55Addr=18Cskip位置配置范例最多子節(jié)點=4，最多路由節(jié)點=3，最大深度=3Addr=0Addr=1Addr=35Addr=2Addr=19Addr=246.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范CRERRRR34569101187121314151617dCskip(d)017152130無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第55頁。56Cskip位置配方式優(yōu)缺點優(yōu)點是簡單，且可用來作為樹狀路由的依據(jù)。缺點是不適合大型網(wǎng)絡組網(wǎng)之前，最大深度、子節(jié)點數(shù)等參數(shù)無法確定。Cskip位置配置方法只適合星型和樹狀拓撲，不支持網(wǎng)狀拓撲。ZigBeePro對此作了改進。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第56頁。577、網(wǎng)絡報文的發(fā)送根據(jù)不同的報文類型封裝相應的網(wǎng)絡報文，其中源地址為本設備網(wǎng)絡地址，目的地址為最終的目的設備網(wǎng)絡地址；調(diào)用MAC層數(shù)據(jù)幀的封裝函數(shù)組織MAC數(shù)據(jù)幀，其中數(shù)據(jù)幀的源地址為本設備地址，目的地址是通過相應的路由算法計算出來的下一跳節(jié)點的地址；幀組織好后，將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給下一跳節(jié)點，由下一跳節(jié)點來負責接收、轉(zhuǎn)發(fā)。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第57頁。588、網(wǎng)絡報文的接收MAC層成功接收到數(shù)據(jù)幀后，去除幀頭、幀尾域，剩下數(shù)據(jù)載荷域作為網(wǎng)絡報文傳遞給網(wǎng)絡層。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡層規(guī)范收到報文是合法報文？否丟棄并報錯執(zhí)行是數(shù)據(jù)報文命令報文協(xié)調(diào)器/路由器終端設備是自己報文？否丟棄是自己報文？否根據(jù)路由進行轉(zhuǎn)發(fā)是是將數(shù)據(jù)載荷傳至上層無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第58頁。59ZigBee應用層框架包括應用支持層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和制造商定義的應用對象。應用支持層的功能包括：維持綁定表、在綁定的設備之間傳送消息。ZigBee設備對象的功能包括：定義設備在網(wǎng)絡中的角色(如ZigBee協(xié)調(diào)器和終端設備)，發(fā)起和響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立安全機制。ZigBee設備對象還負責發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備，并且決定向他們提供何種應用服務。ZigBee應用層除了提供一些必要函數(shù)以及為網(wǎng)絡層提供合適的服務接口外，一個重要的功能是應用者可在這層定義自己的應用對象。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.3應用層無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第59頁。60應用支持子層APS

APS層主要功能:（1）APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理。（2）APSDE提供在同一個網(wǎng)絡中的應用實體之間的數(shù)據(jù)傳輸機制。（3）APSME提供多種服務給應用對象，這些服務包括安全服務何綁定設備，并維護管理對象的數(shù)據(jù)庫，也就是我們常說的AIB。

無線傳感器網(wǎng)絡-第6章-傳感器網(wǎng)絡協(xié)議的技術標準全文共67頁，當前為第60頁。61

應用框架（ApplicationFramework）為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，為每個應用對象提供了鍵值對KVP服務和報文MSG服務兩種服務供數(shù)據(jù)傳輸使用。每個節(jié)點除了64位的IEEE地址，16位的網(wǎng)絡地址，每個節(jié)點還提供了8位的應用層入口地址，對應于用戶應用對象。端點0為ZDO接口，端點1至240供用戶自定義用于對象使用，端點255為廣播地址，端點241-254保留將來使用。每一個應用都對應一個配置文件（Profile）。配置文件包括：設備ID（DeviceID），事務集群ID（clusterID），屬性ID（AttributeID）等。AF可以通過