ZigBee技術概述

1、ZigBee 技術概述1ZigBee 技術簡介 12 ZigBee 結構 22.1物理層 22.2 MAC 層 42.3 網絡層 62.4 應用層 71ZigBee 技術簡介ZigBee 技術是一種近距離、低功耗、低成本、低傳輸速率的具有統(tǒng)一技術 標準的短距離無線通信技術，符合 IEEE 802.5.4標準，主要適用于工業(yè)、家庭自 動控制以及遠程控制領域，目的是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制。ZigBee技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層采用了 IEEE 802.15.4(無線個人區(qū)域網 )協(xié)議標準，并在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡 層、應用會聚層和高層應用規(guī)范由

2、ZigBee聯盟進行了制定。根據IEEE 802.15.4協(xié)議標準，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個工 作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數目不同，因而，在該項技術標準中， 各頻段上的調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個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學(ISM) 頻段，且該頻段為免付款、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數據傳輸速率為 250kbPs,另外兩個頻段為8685MHz，其相應的信道數分別為10個信道和1 個信道，傳輸速率分別為40kbPs和20kbPso在網絡性能上， ZigBee 設備可

3、構造星型網絡或者點對點網絡，在每一個 ZigBee組成的無線網絡內，連續(xù)地址碼分為 16bit短地址或者64bit長地址，可 容納的最大網絡設備個數分別為 216個和264個，具有較大的網絡容量。在無線通信技術上，采用免沖突多載波信道接入 (CSMA/CA) 方式，有效地 避免了無線電載波之間的沖突， 此外，為保證數據傳輸的可靠性， 建立了完整的 應答通信協(xié)議。ZigBee設備為低功耗設備，其發(fā)射功率為 0-3.6dBm，通信距離為30-70m, 具有能量檢測和鏈路質量指示能力， 根據這些檢測結果， 設備可自動調整發(fā)射功 率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量。為保證ZigBee設

4、備之間通信數據的安全保密性，ZigBee技術采用了密鑰長 度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理。ZigBee技術主要由以下優(yōu)點：1) 低功耗：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通的五號電池支持長達 6 個月到2年左右的使用時間。2）可靠：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據 傳輸機制，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。3）成本低：因為ZigBee數據傳輸速率低，協(xié)議簡單，且 ZigBee協(xié)議免收 專利費，所以大大降低了成本。4）時延短：針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的

5、 時延都非常短。通常時延都在 15-30ms之間。5）網絡容量大：可支持達65000個節(jié)點。6）安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-12 8。7）優(yōu)良的網絡拓撲能力：ZigBee設備具有無線網絡自愈能力，ZigBee具有 星、樹和網狀網絡結構的能力。2 ZigBee 結構ZigBee標準采用分層結構。每一層為上層提供一系列特殊的服務：數據實 體提供數據傳輸服務，管理實體則提供所有其它的服務。所有的服務實體都通過 服務接入點（SAP）為上層提供一個接口，每個SAP提供了一系列的基本服務指令 來實現相應的功能。完整的Zigbee協(xié)議由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡

6、層、 數據鏈路層和物理層組成。如圖 1所示，網絡層以上協(xié)議由Zigbee聯盟制定， IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。ZigBee應用層ZigBee網絡層IEEE802.15.4MAC45盟聯aenngzIEEE802.15.4868/915MHZPHYIEEE802.15.4 2.4GHzPHYEE圖1 ZigBee協(xié)議結構框架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成，主要定義了物理信道和 MAC子層之間的接口，提供數據的無線收發(fā)和信道鏈路的管理。物理層具體的 功能包括以下五個方面：1）激活和休眠射頻收發(fā)器；2）檢測接收數據包的鏈路質量指示（LQI）;3）信道能量

7、檢測（ED）；4）空閑信道評估（CCA）；5）收發(fā)數據。物理層提供了兩種服務即是物理層數據服務和管理服務。物理層數據服務是 通過PHY數據接入點（PD-SAP），PHY管理服務是通過物理層管理服務接入點 （PLME-SAP）實現的。圖2為其結構模型。數據接入服務點物理層實體服務接入點物理層管理實體物理層物理層個域網絡基本信息無線射頻服務接入占八、圖2物理層結構模型ZigBee工作于2.4GHz, 868MHz/915MHz ISM頻段，都是基于直接序列擴 頻技術，使用相同的物理層數據包格式，區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼 長度和傳輸速率的不同。2.4GHz的物理層通過采用高階調制技術能夠提

8、供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作 周期，從而更加省電。915MHz是美國的ISM頻段，868MHz是歐洲的ISM頻 段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868MHz的傳輸速度為20kb/s，9l5MHz的傳輸速度為 40kb/s。由于這兩個頻段 上的無線信號傳播損耗比較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠 的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。通常ZigBee不能同時兼容這3個工作頻段，在選擇ZigBee設備時，應根據 當地無線管理委員會的規(guī)定，我國規(guī)定的 ZigBee設備的使用頻段是2.4

9、GHz。在868MHz和915MHz這兩個頻段上，雖然數據的速率不同，但是信號處 理過程相同。2.4G物理層調制過程，首先將 PPDU的二進制數據中每4位轉換為一個數據符號，然后將每個符號轉化成長度為 32位的片序列。數據碼片序列 采用半正弦脈沖波形的偏移四相鍵控技術 （O-QPSK）調制。對偶數序列碼片進行相同調制，對奇數序列碼片進行正交調制。如圖3給出的物理層數據包的格式。ZigBee物理層數據包有同步包頭、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據包定界符組成， 用于獲取符號同步、擴頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調整；物理層包 頭指示凈荷部分的長度；物理層凈荷部分

10、含有 MAC層數據包，凈荷部分的最大 長度是127字節(jié)。如果數據包的長度類型為5字節(jié)或者大于8字節(jié)，那么物理層 服務數據單元攜帶的MAC層的幀信息，即MAC層協(xié)議數據單元。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變量前同步碼幀定界符幀長度（7位）預定位（1位）PSDU同步包頭物理層包頭物理層凈荷圖3物理層數據包格式2.2 MAC 層MAC公共部分子層 - 服務接入點MAC子層提供兩種服務：數據服務和管理服務（MLME）。數據服務保證MAC 協(xié)議數據單元在物理層數據服務中正確的收發(fā)， 后者維護一個存儲MAC子層協(xié) 議相關信息的數據庫。其結構和接口如圖 4所示。MAC!管理實體-服務接入占八、MAC1管理實體MAC公共

11、部分子層物理層數據服務接入點物理層管理實體-服務接入點mac!個域網 信息庫圖4 MAC層的參考模型MCPS實現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層管理實體，處理除數據原語之外的所有 管理原語，以實現標準規(guī)定的 MAC層功能，如超幀管理（Superframe）信標幀同步、創(chuàng)建網絡、建立釋放網絡關聯等。MACPIB : MAC層PAN信息數據庫，存儲MAC層PAN相關屬性。MCPS-SAP： MCPS單元，為上層提供 MAC服務接入點，接收上層的協(xié)議 數據單元、向上層報告數據服務，為上層提供MAC數據服務。MLME-SAP:

12、MLME服務接入點，接收發(fā)送數據原語以外的管理服務原語，為上層提供MAC層管理服務。根據標準的定義，MAC層完成如下六個方面的功能：1）協(xié)調器產生并發(fā)送信標幀，普通設備根據協(xié)調器的信標幀與協(xié)調器同步；2）支持PAN網絡的關聯（Association）和取消關聯（Disassociaten操作；3）支持無線信道通信安全；4）使用CSMA-CA機制共享物理信道；5）支持時隙保障（GuaranteedTimeslot GTS）機制；6）為兩個對等的MAC實體提供可靠的數據鏈路。MAC層實現包括設備間的無線鏈路的建立、維護和斷開，確認模式的幀傳 送和接收，信道接入控制，幀校驗和快速自動請求重發(fā) （AR

13、Q），預留時隙管理以 及廣播信息管理等。MAC層數據包由MAC層幀頭、MAC層載荷和MAC層幀 尾組成，幀控制指名了 MAC幀的類型地址域的格式以及是否需要接收確認等控 制信息，幀序號域包含了發(fā)送方對幀的順序編號，用于匹配確認幀，實現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 絡短地址，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)幀控制序列號目的PAN標識符目的地址源 PAN標識符源地址幀載荷FCSMHR（ MACg 幀頭）MAC載荷MFR圖5 MAC層數據包格式IEEE 802.15.4的MAC層定義了 4種類型

14、的數據幀：廣播（信標）幀、數據幀、 確認幀和MAC命令幀。廣播幀和數據幀包含了高層控制命令或者數據，確認幀 和MAC命令幀則用于ZigBee設備間與MAC子層功能實體間控制信息的收發(fā)。MAC層的幀尾采用16位CRC算法計算出來的幀校驗序列（FCS），用于接收方判 斷該數據包是否正確，從而決定是否采用 ARQ進行差錯恢復。2.3網絡層網絡層的主要功能就是提供一些必要的函數，確保ZigBee的MAC層正常工作，并為應用層提供合適的服務接口。網絡層為應用層提供兩種服務實體： 數據實體(NLDE)和管理實體(NLME)。網絡層數據實體通過 NLDE-SAP提供數據 傳輸服務，網絡層管理實體通過 NLM

15、E-SAP提供管理服務，同時，NLME利用 NLDE來完成一些管理任務，負責維護網絡數據庫。網絡層各組成部分和接口如 圖6所示。圖6網絡層參考模型在兩個或多個設備之間傳送數據時，將按照應用協(xié)議數據單元(APDU)的格式進行傳送，并且這些設備必須同在一個網絡中，NLDE提供以下服務：1)生成網絡層PDU，網絡層為應用支持子層(APS)PDU，添加協(xié)議頭來生成 一個 NPDU。2) 特定拓撲路由，NLDE要負責將NPDU傳送給一個合適的設備，該設備必 須是最終的頭目標設備或者是通向目標設備的通信鏈上的下一個節(jié)點。網絡層管理實體(NLME)負責提供允許應用程序與協(xié)議棧交互的管理服務， NLME提供的

16、服務如下：1) 配置一個新的設備，根據要求的操作有效配置協(xié)議棧的能力，配置選項包 括作為ZigBee協(xié)調器的啟動操作及設備加入一個現存網絡的啟動操作。2) 啟動網絡，協(xié)調器啟動新網絡的能力。3) 加入和離開網絡，設備加入或離開網絡的能力，以及ZigBee協(xié)調器或路由器要求設備離開網絡的能力。4) 編址，ZigBee協(xié)調器和路由器為正要加入網絡的設備分配地址的能力。5) 鄰居設備發(fā)現、儲存和報告有關單跳鄰居設備的信息的能力。6) 路由發(fā)現，發(fā)現并儲存可以高效路由信息的路徑的能力。收發(fā)控制，設備用于控制何時接收器被激活的，建立 MAC層同步所需的時 間，以及何時直接接收。2.4應用層ZigBee應

17、用層包括APS子層，ZigBee設備對象(ZDO)，和生產商定義的應 用對象。APS子層負責維護綁定列表，在綁定設備間傳送消息。 ZDO負責定義 設備在網絡中的角色，在網絡中發(fā)現設備并判斷它們提供怎么樣的應用服務， 初 始化或響應綁定要求，在網絡設備間建立安全關系。應用支持子層(APS)通過一系列常規(guī)服務提供網絡層和應用層之間的接口， 同時被ZigBee設備對象(ZDO)和生產商定義的應用對象使用。這些服務通過兩 個實體：數據服務和網絡服務實體來提供。APS數據實體(APSDE)通過 APSDE-SAP服務接入點提供數據傳輸服務。而APS管理實體(APSME)通過APSME-SAP來提供管理服

18、務，同時負責維護 APS信息庫。圖7為APS子層的圖7應用支持子層(APS)的組成部分和接口組成部分和接口。應用支持子層數據實體(APSDE)要為網絡層和ZDO及應用對象提供數據服 務，允許應用層PDU在通過一個網絡內的兩個或多個設備間傳輸。APSDE提供 以下服務：1）生成應用層水平的 PDU（APDU） , APSDE要取得應用層PDU并加入合適 的協(xié)議頭以生成 APS PDU。2）根據設備的需求和提供的服務將兩個設備匹配起來，一旦兩個設備被綁定， APSDE 就可以將收到的消息從一個綁定設備傳送給另一個設備。 應用支持子層管理實體提供允許應用程序與協(xié)議棧進行交互的管理服務。 APSME 根據設備的需求和提供的服務將匹配兩個設備， 該服務被稱為綁定服務， APSME 還要建立并維護一個存儲該信息的表，被稱為綁定表。另外， APSME 要提供如下服務：1）從設備的 AIB 中得到和設置參數的能力。2）使用密鑰來建立與其他設備的可靠關系。ZigBee 設備對象 ZDO 處在應用架構和應用支持子層之間， 為應用架構內的 應用對象提供了公共接口，供用戶自定義的應用對象調用 APS層的服務及NWK 層的服務，實現設備角色定義和管理、地址發(fā)