ZigBee的工作原理

1、ZigBee的工作原理 ZigBee組網(wǎng)技術ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。Zigbee技術特點主要 有低功耗、低成本、時延短、網(wǎng)絡容量大、工作頻段靈活、低速率、安全的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｆ渲械凸氖?Zigbee技術最重要的特點。由于Zigbee的傳輸速率相對較低發(fā) 射功率較小，使得Zig bee設備很省電， 這是Zigbee技術能夠廣泛應用的基石。ZigBee協(xié)議適應無線傳感器的低花費、低能量、高容錯性等的要求。Zigbee的基礎是IEEE802.15.4 o但IE

2、EE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了 IEEE,對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡技 術。主要用于近距離無線連接。它 有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。ZigBee組網(wǎng)概述組建一個完整的zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡包括兩個步驟：網(wǎng)絡初始化、節(jié)點加入網(wǎng)絡。其中節(jié)點加入 網(wǎng)絡又包括兩個步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已有父節(jié)點入網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡初始化預備Zigbee網(wǎng)絡的建立是由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個zigbee節(jié)點要組建一個網(wǎng)絡 必須要滿足 以下兩點要求：(D節(jié)點是FFD節(jié)點，具備zigbee協(xié)

3、調(diào)器的能力；(2)節(jié)點還沒有與其他網(wǎng)絡連接，當節(jié)點已經(jīng)與其他網(wǎng)絡連接時，此節(jié)點只能作為該網(wǎng)絡的子節(jié) 點,因為一個zigbee網(wǎng)絡中有且只有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。FFD： Fu I I Func TI on Dev i ce 全功能節(jié)點RFD： Reduced Func TI onDev i ce 半功能節(jié)點z i gBee網(wǎng)絡初始化流程點是 昭|網(wǎng)常？ ifr/tZigBee 網(wǎng)地戍刖近IX用星設曲購絡ID仁逍婦棉 選擇信誼打作為路血器邊廳人1、確定網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器首先判斷節(jié)點是否是FFD節(jié)點，接著判斷此FFD節(jié)點是否在其他網(wǎng)絡里或者網(wǎng)絡里是否已經(jīng)存在 協(xié)調(diào)器。通過主動掃描，發(fā)送一個信標請求命令(Beac

4、onrequest command),然后設置一個掃描期限 (T_scan_dura Tl on),如果在掃描期限內(nèi)都沒有檢測到信標，那么就認為FFD在其pos內(nèi)沒有協(xié)調(diào)器， 那么此時就可以建立自己的zigbee網(wǎng)絡，并且作為這個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器不斷地產(chǎn)生信標并廣播出去。注意：一個網(wǎng)絡里，有且只能有一個協(xié)調(diào)器(coordinator )。2、進行信道掃描過程包括能量掃描和主動掃描兩個過程：首先對指定的信道或者默認的信道進行能量檢測，以避免可 能的干擾。以遞增的方式對所測量的能量值進行信道排序，拋棄那么些能量值超岀了可允許能量水平的信道，選擇可允許能量水平的信道并標注這些信道是可用信道。接著進行主動

5、掃 描，搜索節(jié)點通信半徑內(nèi)的網(wǎng)絡信息。這些信息以信標幀的形式在網(wǎng)絡中廣播，節(jié)點通過主動信道掃描方式 獲得這些信標幀，然后根據(jù)這些信息，找到一個最好的、相對安靜的信道，通過記錄的結果，選擇一個信 道，該信道應存在最少的zigbee網(wǎng)絡，最好是沒有zigbee設備。在主動掃描期間，MAC層將丟棄PHY 層數(shù)據(jù)服務接收到的除信標以外的所有幀。3、設置網(wǎng)絡ID找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡選定一個網(wǎng)絡標識符（PANI D,取值二0x3FFF）,這個 ID在所使用的信道中必須是唯一的，也不能和其他zigbee網(wǎng)絡沖突，而且不能為廣播地址OxFFFF （此 地址為保留地址，不能使用）。PANI D可以通

6、過偵聽其他網(wǎng)絡的ID然后選擇一個不會沖突的ID的方式 來獲取，也可以人為的指定掃描的信道后，來確定不和其他網(wǎng)絡沖突的PAN ID o在zigbee網(wǎng)絡中有兩種地址模式：擴展地址（64位）和短地址（16位）,其中 擴展地址由 IEEE組織分配，用于唯一的設備標識；短地址用于本地網(wǎng)絡中設備標識，在一個網(wǎng)絡中，每個設備的短 地址必須唯一，當節(jié)點加入網(wǎng)絡時由其父節(jié)點分配并通過使用短地址來通信。對于協(xié)調(diào)器來說，短地址通常 設定為0x0000。上面步驟完成后，就成功初始化了 zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡，之后就等待其他節(jié)點的加入。節(jié)點入網(wǎng) 時將選擇范圍內(nèi)信號最強的父節(jié)點（包括協(xié)調(diào)器）加入網(wǎng)絡，成功后將得到一個網(wǎng)絡

7、短地址并通過這個地 址進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡拓撲關系和地址就會保存在各自的flash中。乙gBee節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡當節(jié)點協(xié)調(diào)器確定之后，節(jié)點首先需要和協(xié)調(diào)器建立連接加入網(wǎng)絡。為了建立連接，F(xiàn)FD節(jié)點需要向協(xié)調(diào)器提出請求，協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點的連接請求后根據(jù)情況決定 是否允許其連接，然后對請求連接的節(jié)點做出響應，節(jié)點與協(xié)調(diào)器建立連接后，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。節(jié)點 加入網(wǎng)絡的具體流程可以分為下面的步驟：1、查找網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器首先會主動掃描查找周圍網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，如果在掃描期限內(nèi)檢測到信標，那么將獲得了協(xié)調(diào)器的 有關信息，這時就向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請求。在選擇合適的網(wǎng)絡之后，上層將請求MAC層對物理層PH

8、Y和 MAC層的phyCurrentChannel macPANID等PIB屬性進行相應的 設置。如果沒有檢測到，間隔一段時間 后，節(jié)點重新發(fā)起掃描。2、發(fā)送關聯(lián)請求命令(Assoc i aterequest command )節(jié)點將關聯(lián)請求命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復一個確認幀(ACK),同時向它的上層發(fā)送連接指示原語，表示已經(jīng)收到節(jié)點的連接請求。但是這并不意味著已經(jīng)建立連接，只 表示協(xié)調(diào)器已經(jīng)收到節(jié)點的連接請求。當協(xié)調(diào)器的mac層的上層接收到連接指示原語后，將根據(jù)自己的資 源情況(存儲空間和能量)決定是否同意此節(jié)點的加入請求，然后給節(jié)點的mac層發(fā)送響應。3、等待協(xié)調(diào)器處理當節(jié)點

9、收到協(xié)調(diào)器加入關聯(lián)請求命令的ACK后，節(jié)點mac將等待一段時間，接受協(xié)調(diào)器的連接響應。在預定的時間內(nèi)，如果接收到連接響應，它將這個響應向它的上層通告。而協(xié)調(diào)器給 節(jié)點的mac層發(fā)送響應時會設置一個等待響應時間(T_ResponseWai t Tl me)來等 待協(xié)調(diào)器對其加入請求命 令的處理，若協(xié)調(diào)器的資源足夠，協(xié)調(diào)器會給節(jié)點分配一個16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應命令，則此節(jié)點將成功的和協(xié)調(diào)器建立連接并可以 開始通信。若協(xié)調(diào)器資源不夠，待加入的節(jié)點將重新發(fā)送請求信息，直接入網(wǎng)成功。4、發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令如果協(xié)調(diào)器在響應時間內(nèi)同意節(jié)點加入，那么將產(chǎn)生關聯(lián)響應命令(Asso

10、ciateresponse command )并存儲這個命令。當響應時間過后，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求命 令(Datarequest command )給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復ACK,然后將存儲的關聯(lián)響應命令發(fā)給節(jié)點。如果在響應時間到后，協(xié)調(diào)器還沒有決定是否同意節(jié)點加入，那么節(jié)點將試圖從協(xié)調(diào)器 的信標幀中提取關聯(lián)響應命令，成功的話就可以入網(wǎng)成功，否則重新發(fā)送請求信息直到入網(wǎng)成功。5、回復節(jié)點收到關聯(lián)響應命令后，立即向協(xié)調(diào)器回復一個確認幀(連接響 ACK),以確認接收到應命令，此時節(jié)點將保存協(xié)調(diào)器的短地址和擴展地址，并且節(jié)點的連接確認原MLME向上層發(fā)送語，通告關聯(lián)加入成功的信息。ZigBee節(jié)點

11、通過已有節(jié)點加入網(wǎng)絡當靠近協(xié)調(diào)器的FFD節(jié)點和協(xié)調(diào)器關聯(lián)成功后，處于這個網(wǎng)絡范圍內(nèi)的其他節(jié)點就以這些FFD節(jié) 點作為父節(jié)點加入網(wǎng)絡了，具體加入網(wǎng)絡有兩種方式，一種是通過關聯(lián)(associate )方式，就是待加入的 節(jié)點發(fā)起加入網(wǎng)絡；另一種是直接（direct ）方式，就是待加入的節(jié)點具體加入到那個節(jié)點下，作為該節(jié) 點的子節(jié)點。其中關聯(lián)方式是zigbee網(wǎng)絡中新節(jié)點加入網(wǎng)絡的主要途徑。對于一個節(jié)點來說只有沒有加入過網(wǎng)絡的才能進行加入網(wǎng)絡。在這些節(jié)點中，有些是曾經(jīng)加入過 網(wǎng)絡中，但是卻與它的父節(jié)點失去聯(lián)系（這樣的被稱為孤兒節(jié)點），而有些則是新節(jié)點。當是孤兒節(jié)點 時，在它的相鄰表中存有原父節(jié)點的信息，于是它可以直接給原父節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡的請求信息。如果父 節(jié)點有能力同意它加入，于是直接告訴它的以前被分配的網(wǎng)絡地址，它便入網(wǎng)成功；如果此時它原來的父節(jié) 點的網(wǎng)絡中，子節(jié)點數(shù)已達到最大值，也就是說網(wǎng)絡地址已經(jīng)分配滿，父節(jié)點便無法批準它加入，它只能以 新節(jié)點身份重新尋找并加入網(wǎng)絡。而對于新節(jié)點來說，他首先會在預先設定的一個或多個信道上通過主動或被動掃描周圍它可以找 到的網(wǎng)絡，尋找有能力批準自己加入網(wǎng)絡的父節(jié)點，并把可以找到的父節(jié)點的資料存入自己的相鄰表。存入 相鄰表的父節(jié)點的資料包括zigbee協(xié)議的版本、協(xié)議棧的規(guī)范、PAN ID和可以加