ZigBee技術(shù)概述

1、ZigBee 技術(shù)概述1ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介 12 ZigBee 結(jié)構(gòu) 22.1物理層 22.2 MAC 層 42.3 網(wǎng)絡(luò)層 62.4 應(yīng)用層 71ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率的具有統(tǒng)一技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，符合 IEEE 802.5.4標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于工業(yè)、家庭自 動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，目的是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制。ZigBee技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層采用了 IEEE 802.15.4(無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng) )協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò) 層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范由

2、ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行了制定。根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的工作頻段分為3個(gè)頻段，這3個(gè)工 作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數(shù)目不同，因而，在該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中， 各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。它們分別為868MHz、915MHz和2.4GHz, 其中2.4GHz頻段上，分為16個(gè)信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(ISM) 頻段，且該頻段為免付款、免申請(qǐng)的無(wú)線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbPs,另外兩個(gè)頻段為8685MHz，其相應(yīng)的信道數(shù)分別為10個(gè)信道和1 個(gè)信道，傳輸速率分別為40kbPs和20kbPso在網(wǎng)絡(luò)性能上， ZigBee 設(shè)備可

3、構(gòu)造星型網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在每一個(gè) ZigBee組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，連續(xù)地址碼分為 16bit短地址或者64bit長(zhǎng)地址，可 容納的最大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備個(gè)數(shù)分別為 216個(gè)和264個(gè)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。在無(wú)線通信技術(shù)上，采用免沖突多載波信道接入 (CSMA/CA) 方式，有效地 避免了無(wú)線電載波之間的沖突， 此外，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?建立了完整的 應(yīng)答通信協(xié)議。ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射功率為 0-3.6dBm，通信距離為30-70m, 具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力， 根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果， 設(shè)備可自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功 率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量。為保證ZigBee設(shè)

4、備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee技術(shù)采用了密鑰長(zhǎng) 度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。ZigBee技術(shù)主要由以下優(yōu)點(diǎn)：1) 低功耗：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通的五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。2）可靠：采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù) 傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。3）成本低：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，且 ZigBee協(xié)議免收 專利費(fèi)，所以大大降低了成本。4）時(shí)延短：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的

5、 時(shí)延都非常短。通常時(shí)延都在 15-30ms之間。5）網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。6）安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-12 8。7）優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰Γ篫igBee設(shè)備具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自愈能力，ZigBee具有 星、樹(shù)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。2 ZigBee 結(jié)構(gòu)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí) 體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則提供所有其它的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò) 服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令 來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。完整的Zigbee協(xié)議由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)

6、層、 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。如圖 1所示，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟制定， IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee應(yīng)用層ZigBee網(wǎng)絡(luò)層IEEE802.15.4MAC45盟聯(lián)aenngzIEEE802.15.4868/915MHZPHYIEEE802.15.4 2.4GHzPHYEE圖1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)框架2.1物理層物理層由射頻收發(fā)單元以及底層的控制模塊構(gòu)成，主要定義了物理信道和 MAC子層之間的接口，提供數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)和信道鏈路的管理。物理層具體的 功能包括以下五個(gè)方面：1）激活和休眠射頻收發(fā)器；2）檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（LQI）;3）信道能量

7、檢測(cè)（ED）；4）空閑信道評(píng)估（CCA）；5）收發(fā)數(shù)據(jù)。物理層提供了兩種服務(wù)即是物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是 通過(guò)PHY數(shù)據(jù)接入點(diǎn)（PD-SAP），PHY管理服務(wù)是通過(guò)物理層管理服務(wù)接入點(diǎn) （PLME-SAP）實(shí)現(xiàn)的。圖2為其結(jié)構(gòu)模型。數(shù)據(jù)接入服務(wù)點(diǎn)物理層實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)物理層管理實(shí)體物理層物理層個(gè)域網(wǎng)絡(luò)基本信息無(wú)線射頻服務(wù)接入占八、圖2物理層結(jié)構(gòu)模型ZigBee工作于2.4GHz, 868MHz/915MHz ISM頻段，都是基于直接序列擴(kuò) 頻技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼 長(zhǎng)度和傳輸速率的不同。2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提

8、供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作 周期，從而更加省電。915MHz是美國(guó)的ISM頻段，868MHz是歐洲的ISM頻 段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速度為20kb/s，9l5MHz的傳輸速度為 40kb/s。由于這兩個(gè)頻段 上的無(wú)線信號(hào)傳播損耗比較小，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn) 的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。通常ZigBee不能同時(shí)兼容這3個(gè)工作頻段，在選擇ZigBee設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù) 當(dāng)?shù)責(zé)o線管理委員會(huì)的規(guī)定，我國(guó)規(guī)定的 ZigBee設(shè)備的使用頻段是2.4

9、GHz。在868MHz和915MHz這兩個(gè)頻段上，雖然數(shù)據(jù)的速率不同，但是信號(hào)處 理過(guò)程相同。2.4G物理層調(diào)制過(guò)程，首先將 PPDU的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中每4位轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，然后將每個(gè)符號(hào)轉(zhuǎn)化成長(zhǎng)度為 32位的片序列。數(shù)據(jù)碼片序列 采用半正弦脈沖波形的偏移四相鍵控技術(shù) （O-QPSK）調(diào)制。對(duì)偶數(shù)序列碼片進(jìn)行相同調(diào)制，對(duì)奇數(shù)序列碼片進(jìn)行正交調(diào)制。如圖3給出的物理層數(shù)據(jù)包的格式。ZigBee物理層數(shù)據(jù)包有同步包頭、物 理層包頭和物理層凈荷3部分組成。同步包頭由前同步碼和數(shù)據(jù)包定界符組成， 用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包 頭指示凈荷部分的長(zhǎng)度；物理層凈荷部分

10、含有 MAC層數(shù)據(jù)包，凈荷部分的最大 長(zhǎng)度是127字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度類(lèi)型為5字節(jié)或者大于8字節(jié)，那么物理層 服務(wù)數(shù)據(jù)單元攜帶的MAC層的幀信息，即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變量前同步碼幀定界符幀長(zhǎng)度（7位）預(yù)定位（1位）PSDU同步包頭物理層包頭物理層凈荷圖3物理層數(shù)據(jù)包格式2.2 MAC 層MAC公共部分子層 - 服務(wù)接入點(diǎn)MAC子層提供兩種服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)（MLME）。數(shù)據(jù)服務(wù)保證MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確的收發(fā)， 后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié) 議相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。其結(jié)構(gòu)和接口如圖 4所示。MAC!管理實(shí)體-服務(wù)接入占八、MAC1管理實(shí)體MAC公共

11、部分子層物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)物理層管理實(shí)體-服務(wù)接入點(diǎn)mac!個(gè)域網(wǎng) 信息庫(kù)圖4 MAC層的參考模型MCPS實(shí)現(xiàn)MAC層的一般概念功能，包括幀的封裝、解封裝；執(zhí)行CSMA-CA 算法；共享物理信道。MLME : MAC層管理實(shí)體，處理除數(shù)據(jù)原語(yǔ)之外的所有 管理原語(yǔ)，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 MAC層功能，如超幀管理（Superframe）信標(biāo)幀同步、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、建立釋放網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)等。MACPIB : MAC層PAN信息數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)MAC層PAN相關(guān)屬性。MCPS-SAP： MCPS單元，為上層提供 MAC服務(wù)接入點(diǎn)，接收上層的協(xié)議 數(shù)據(jù)單元、向上層報(bào)告數(shù)據(jù)服務(wù)，為上層提供MAC數(shù)據(jù)服務(wù)。MLME-SAP:

12、MLME服務(wù)接入點(diǎn)，接收發(fā)送數(shù)據(jù)原語(yǔ)以外的管理服務(wù)原語(yǔ)，為上層提供MAC層管理服務(wù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義，MAC層完成如下六個(gè)方面的功能：1）協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步；2）支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（Association）和取消關(guān)聯(lián)（Disassociaten操作；3）支持無(wú)線信道通信安全；4）使用CSMA-CA機(jī)制共享物理信道；5）支持時(shí)隙保障（GuaranteedTimeslot GTS）機(jī)制；6）為兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體提供可靠的數(shù)據(jù)鏈路。MAC層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間的無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和斷開(kāi)，確認(rèn)模式的幀傳 送和接收，信道接入控制，幀校驗(yàn)和快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā) （AR

13、Q），預(yù)留時(shí)隙管理以 及廣播信息管理等。MAC層數(shù)據(jù)包由MAC層幀頭、MAC層載荷和MAC層幀 尾組成，幀控制指名了 MAC幀的類(lèi)型地址域的格式以及是否需要接收確認(rèn)等控 制信息，幀序號(hào)域包含了發(fā)送方對(duì)幀的順序編號(hào)，用于匹配確認(rèn)幀，實(shí)現(xiàn)MAC層的可靠傳輸。地址域采用的尋址方式可以是 64位的MAC地址或者16位的網(wǎng) 絡(luò)短地址，如圖5所示。2字節(jié)1字節(jié)0/2字節(jié)0/2/8 字節(jié)0/2字節(jié)0/2/8 字節(jié)可變2字節(jié)幀控制序列號(hào)目的PAN標(biāo)識(shí)符目的地址源 PAN標(biāo)識(shí)符源地址幀載荷FCSMHR（ MACg 幀頭）MAC載荷MFR圖5 MAC層數(shù)據(jù)包格式IEEE 802.15.4的MAC層定義了 4種類(lèi)型

14、的數(shù)據(jù)幀：廣播（信標(biāo)）幀、數(shù)據(jù)幀、 確認(rèn)幀和MAC命令幀。廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀 和MAC命令幀則用于ZigBee設(shè)備間與MAC子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。MAC層的幀尾采用16位CRC算法計(jì)算出來(lái)的幀校驗(yàn)序列（FCS），用于接收方判 斷該數(shù)據(jù)包是否正確，從而決定是否采用 ARQ進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)。2.3網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供兩種服務(wù)實(shí)體： 數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)和管理實(shí)體(NLME)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò) NLDE-SAP提供數(shù)據(jù) 傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過(guò) NLM

15、E-SAP提供管理服務(wù)，同時(shí)，NLME利用 NLDE來(lái)完成一些管理任務(wù)，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)層各組成部分和接口如 圖6所示。圖6網(wǎng)絡(luò)層參考模型在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須同在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，NLDE提供以下服務(wù)：1)生成網(wǎng)絡(luò)層PDU，網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用支持子層(APS)PDU，添加協(xié)議頭來(lái)生成 一個(gè) NPDU。2) 特定拓?fù)渎酚?，NLDE要負(fù)責(zé)將NPDU傳送給一個(gè)合適的設(shè)備，該設(shè)備必 須是最終的頭目標(biāo)設(shè)備或者是通向目標(biāo)設(shè)備的通信鏈上的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)負(fù)責(zé)提供允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧交互的管理服務(wù)， NLME提供的

16、服務(wù)如下：1) 配置一個(gè)新的設(shè)備，根據(jù)要求的操作有效配置協(xié)議棧的能力，配置選項(xiàng)包 括作為ZigBee協(xié)調(diào)器的啟動(dòng)操作及設(shè)備加入一個(gè)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)操作。2) 啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)新網(wǎng)絡(luò)的能力。3) 加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的能力，以及ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器要求設(shè)備離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的能力。4) 編址，ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器為正要加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。5) 鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)、儲(chǔ)存和報(bào)告有關(guān)單跳鄰居設(shè)備的信息的能力。6) 路由發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)并儲(chǔ)存可以高效路由信息的路徑的能力。收發(fā)控制，設(shè)備用于控制何時(shí)接收器被激活的，建立 MAC層同步所需的時(shí) 間，以及何時(shí)直接接收。2.4應(yīng)用層ZigBee應(yīng)

17、用層包括APS子層，ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)，和生產(chǎn)商定義的應(yīng) 用對(duì)象。APS子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定列表，在綁定設(shè)備間傳送消息。 ZDO負(fù)責(zé)定義 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備并判斷它們提供怎么樣的應(yīng)用服務(wù)， 初 始化或響應(yīng)綁定要求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全關(guān)系。應(yīng)用支持子層(APS)通過(guò)一系列常規(guī)服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口， 同時(shí)被ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和生產(chǎn)商定義的應(yīng)用對(duì)象使用。這些服務(wù)通過(guò)兩 個(gè)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)體來(lái)提供。APS數(shù)據(jù)實(shí)體(APSDE)通過(guò) APSDE-SAP服務(wù)接入點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。而APS管理實(shí)體(APSME)通過(guò)APSME-SAP來(lái)提供管理服

18、務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)維護(hù) APS信息庫(kù)。圖7為APS子層的圖7應(yīng)用支持子層(APS)的組成部分和接口組成部分和接口。應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實(shí)體(APSDE)要為網(wǎng)絡(luò)層和ZDO及應(yīng)用對(duì)象提供數(shù)據(jù)服 務(wù)，允許應(yīng)用層PDU在通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備間傳輸。APSDE提供 以下服務(wù)：1）生成應(yīng)用層水平的 PDU（APDU） , APSDE要取得應(yīng)用層PDU并加入合適 的協(xié)議頭以生成 APS PDU。2）根據(jù)設(shè)備的需求和提供的服務(wù)將兩個(gè)設(shè)備匹配起來(lái)，一旦兩個(gè)設(shè)備被綁定， APSDE 就可以將收到的消息從一個(gè)綁定設(shè)備傳送給另一個(gè)設(shè)備。 應(yīng)用支持子層管理實(shí)體提供允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧進(jìn)行交互的管理服務(wù)。 APSME 根據(jù)設(shè)備的需求和提供的服務(wù)將匹配兩個(gè)設(shè)備， 該服務(wù)被稱為綁定服務(wù)， APSME 還要建立并維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)該信息的表，被稱為綁定表。另外， APSME 要提供如下服務(wù)：1）從設(shè)備的 AIB 中得到和設(shè)置參數(shù)的能力。2）使用密鑰來(lái)建立與其他設(shè)備的可靠關(guān)系。ZigBee 設(shè)備對(duì)象 ZDO 處在應(yīng)用架構(gòu)和應(yīng)用支持子層之間， 為應(yīng)用架構(gòu)內(nèi)的 應(yīng)用對(duì)象提供了公共接口，供用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象調(diào)用 APS層的服務(wù)及NWK 層的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備角色定義和管理、地址發(fā)