ZigBee基礎(chǔ)知識(shí)講解

1、1、ZigBee技術(shù)概述1.1網(wǎng)絡(luò)層（NWK）規(guī)范1.2應(yīng)用層(APL)規(guī)范1.3ZigBee協(xié)議棧各層幀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系1.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置1.5ZigBee協(xié)議術(shù)語(yǔ)2、小實(shí)驗(yàn)1、ZigBee技術(shù)概述ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu) 圖1-1 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE 802.15.4的PHY層和MAC子層規(guī)范之上。它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層(network layer, NWK)和應(yīng)用層(application layer, APL)。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層(application support sub-layer, APS)和ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBe

2、e Device Object, ZDO)。應(yīng)用框架中則加入了用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象其體系結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。從圖1-1中不難看出，應(yīng)用層(APL)是整個(gè)協(xié)議棧的最高層，包含應(yīng)用支持子層(applicationsupport sub-layer, APS)和ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBee DeviceObiect, ZDO)以及廠商自定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層APS提供了兩個(gè)接口，分別是:應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)(APSDE-SAP)和應(yīng)用支持子層管理實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)(APSME-SAP ) 。APS主要負(fù)責(zé)維護(hù)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(gè)設(shè)備進(jìn)行匹配。APS根

3、據(jù)設(shè)備綁定表能夠在被綁定在一起的設(shè)備之間進(jìn)行消息傳遞。APS的另一個(gè)功能是能夠找出在一個(gè)設(shè)備的個(gè)人操作空間內(nèi)(POS)其他哪些設(shè)備正在進(jìn)行操作。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)的功能包括負(fù)責(zé)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。還包括對(duì)綁定請(qǐng)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)系等。實(shí)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(duì)象，它在端點(diǎn)(endpoint) 上實(shí)現(xiàn)。廠商自定義的應(yīng)用對(duì)象實(shí)際上就是運(yùn)行在ZigBee協(xié)議棧上的應(yīng)用程序。這些應(yīng)用程序使用ZiBee聯(lián)盟給出的并目批準(zhǔn)的規(guī)范（profile）講行開發(fā)并運(yùn)行在端點(diǎn)1

4、-240上。 NWK層是協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的核心層，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，設(shè)備的加入，路由搜索，消息傳遞等相關(guān)功能。這些功能將通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)NLDE-SAP和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)訪問點(diǎn)NLME-SAP向協(xié)議棧的應(yīng)用層提供相應(yīng)的服務(wù)。 1.1 網(wǎng)絡(luò)層(NWK)規(guī)范 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備的鏈接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過程中所采取的安全機(jī)制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)發(fā)。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)一跳（one-hop）鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)成還提供一些必要的函

5、數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。 網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好的完成在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中MAC子層所定義的功能，同時(shí)，又要求 為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進(jìn)行更好的通信，網(wǎng)絡(luò)層中定義了兩種服務(wù)實(shí)體來實(shí)現(xiàn)必要的功能。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體（NLDE）和管理服務(wù)實(shí)體（NLME）。網(wǎng)絡(luò)層的NLDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體訪問點(diǎn)（NLDE-SAP）來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過管理實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)(NLME-SAP)來提供管理服務(wù)。NLME可以利用NLDE 來激活它的管理工作，它還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(kù)（NIB）進(jìn)行維護(hù)的功能。網(wǎng)絡(luò)層參考模型如圖1-

6、2所示，在這個(gè)圖中直觀的給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實(shí)體和服務(wù)接口等。 NLDE提供數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）。NLDE提供 的服務(wù)有：產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）和選擇通信路由。選擇通信路由時(shí)，在通信中，NLDE要發(fā)送一個(gè)NPDU到一個(gè)合適的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可能是通信的終點(diǎn)也可能只是通信鏈路中的一個(gè)點(diǎn)。NLME需要提供一個(gè)管理服務(wù) 以允許應(yīng)用來與協(xié)議棧操作進(jìn)行交互。NLME需要提供以下服務(wù)：（1）配置一個(gè)新的設(shè)備（configuring a new device）。具有充分配置所需要操作棧的能力。配置選包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，

7、加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。（2）開始一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)（starting a new network）。具有建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的能力。（3）加入和離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（joining and leaving a netwok）。同由ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器申請(qǐng)離開網(wǎng)絡(luò)的能力一樣，據(jù)喲加入或離開的能力。（4）尋址（addressing）。具有由ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器來給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。（5）鄰近設(shè)備發(fā)現(xiàn)（neighbor discovery）。具有發(fā)現(xiàn)、記錄并報(bào)告一跳范圍內(nèi)設(shè)備的能力。（6）路由發(fā)現(xiàn)（route discover）。具有發(fā)現(xiàn)并記錄路徑的能力，并在這條路徑上信

8、息可能被有效地傳輸。（7）接受控制（reception control）。具有控制接收器何時(shí)處于激活狀態(tài)機(jī)器持續(xù)時(shí)間的能力，使得MAC子層同步或直接接受。1.2應(yīng)用層（APL）規(guī)范 在ZigBee協(xié)議中應(yīng)用層是有應(yīng)用支持子層、ZigBee設(shè)備配置層和用戶應(yīng)用程序來組成的。應(yīng)用層提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能，用戶應(yīng)用程序由各個(gè)制造商自己來規(guī)定，它使用應(yīng)用層來管理協(xié)議棧。1.2.1應(yīng)用支持子層（APS） APS子層的參考模型如圖1-2-1所示。APS子層通過ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZOD）和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象所用到的一系列服務(wù)來為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接口。APS子層所提供的服務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）和管理

9、服務(wù)實(shí)體（APSME）來實(shí)現(xiàn)。APSDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體訪問點(diǎn)(APSDE-SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APSME通過管理服務(wù)實(shí)體訪問點(diǎn)（APME-SAP）來提供管理服務(wù)，它還負(fù)責(zé)對(duì)APS信息數(shù)據(jù)庫(kù)（AIB）的維護(hù)工作。 APSDE為網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，也為在同一網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)ZDO和其他應(yīng)用對(duì)象設(shè)備之間提供傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)服務(wù)。 APS提供以下服務(wù)（1）產(chǎn)生應(yīng)用數(shù)據(jù)單元：APSDE通過在捕獲的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元上加一個(gè)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議來產(chǎn)生應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)單元（APS PDU）（2）綁定：當(dāng)兩個(gè)設(shè)備的服務(wù)和需求相匹配的情況下才可以使用綁定。一旦兩個(gè)設(shè)備綁定后，APSDE具有把從一個(gè)綁定設(shè)備接收

10、到的消息發(fā)送給另一個(gè)設(shè)備的能力。APSDEME提供的管理服務(wù)允許一個(gè)應(yīng)用連接到ZigBee系統(tǒng)。他提供吧基于服務(wù)的需求相匹配的兩個(gè)設(shè)備作為一個(gè)整體來進(jìn)行管理的綁定服務(wù)，并為綁定服務(wù)構(gòu)建 和保留綁定表，除這些外，APSDE 還提供以下服務(wù)（1）AIB 管理：APSME具有能從設(shè)備的AIB中獲得屬性或進(jìn)行屬性設(shè)置的能力。（2）安全管理:APSME通過利用密鑰能夠與其他設(shè)備監(jiān)理可靠的關(guān)聯(lián)。APS子層主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)并且讀取后或傳送數(shù)據(jù)，而且APS子層為鍵值對(duì)（key value pair,KVP）和報(bào)文（MGS）數(shù)據(jù)傳輸提供了原語(yǔ)。APS子層也

11、有綁定表，綁定表提供了端點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的簇ID對(duì)之間的邏輯鏈路。當(dāng)首次對(duì)主設(shè)備編程時(shí)綁定表為空，主應(yīng)用程序必須調(diào)用正確的綁定API來創(chuàng)建新的綁定項(xiàng)。 APS子層還有一個(gè)“間接發(fā)送緩沖器”RAM，來存儲(chǔ)間接幀。直到目的接受者請(qǐng)求這些數(shù)據(jù)幀為止。根據(jù)ZigBee規(guī)范，在星形網(wǎng)絡(luò)中，從設(shè)備總會(huì)將這些數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到主設(shè)備中。從設(shè)備可能不知道該數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)接受者，而且數(shù)據(jù)幀的實(shí)際接受者由綁定表決定，這樣，如果主設(shè)備一旦接收到數(shù)據(jù)幀，它就會(huì)查找綁定表以確定目標(biāo)接受者。如果該數(shù)據(jù)幀由接受者，就會(huì)將該數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)在間接發(fā)送幀緩沖器里，直到目標(biāo)接受者明確請(qǐng)求該數(shù)據(jù)幀為止。根據(jù)請(qǐng)求的頻率，主設(shè)備必須將數(shù)據(jù)幀保存

12、在間接幀緩沖器內(nèi)。在此需要注意的是：節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)包需要保存在間接發(fā)送幀緩沖器里的時(shí)間也越長(zhǎng)，因此所需要的間接緩沖空間也就越大。間接幀緩沖器包含一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)分配的固定大小的RAM堆，可通過動(dòng)態(tài)分配間接發(fā)送幀緩沖器的RAM來添加新的數(shù)據(jù)幀，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理可充分利用間接發(fā)送幀緩沖空間。1.2.2應(yīng)用層消息類型 在ZigBee應(yīng)用中，應(yīng)用框架(AF)提供了兩種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型。一種是鍵值對(duì)(Key Value Pair, KVP)服務(wù)類型，一種是報(bào)文(Message, MSG)服務(wù)類型。 KVP服務(wù)用于傳輸規(guī)范所定義的特殊數(shù)據(jù)。它定義了屬性(Attribute)、屬性值(Value)以及用于KVP操

13、作的命令:Set, Get, Event。其中Set用于設(shè)置一個(gè)屬性值，Get用于獲取一個(gè)屬性的值，Event用于通知一個(gè)屬性已經(jīng)發(fā)生改變。kVP消息主要用于傳輸一些較為簡(jiǎn)單的變量格式。 由于ZigBee的很多應(yīng)用領(lǐng)域中的消息較為復(fù)雜并不適用于KVP格式，因此ZigBee協(xié)議規(guī)范定義了MSG服務(wù)類型。MSG服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)格式不作要求，適合任何格式的數(shù)據(jù)傳輸。因此可以用于傳送數(shù)據(jù)量大的消息。KVP命令幀的格式如圖1-2-2。MSG命令幀格式如圖1-2-3所示：1.2.3ZigBee設(shè)備配置層 ZigBee設(shè)備配置層提供標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee配置服務(wù)，它定義和處理描述符請(qǐng)求。在ZigBee設(shè)備配置層中定義

14、了稱為ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBee device object，ZDO)的特殊軟件對(duì)象，它在其他服務(wù)中提供綁定服務(wù)。遠(yuǎn)程設(shè)備可以通過ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）接口請(qǐng)求任何標(biāo)準(zhǔn)的描述符信息。當(dāng)接受到這些請(qǐng)求時(shí)，ZDO會(huì)調(diào)用配置對(duì)象以獲取相應(yīng)的描述符值。子目前的ZigBee協(xié)議棧版本中，還沒有完全實(shí)現(xiàn)設(shè)備配置層。ZDO是特殊的應(yīng)用對(duì)象，它在端點(diǎn)（end-point）0上實(shí)現(xiàn)。1.2.4用戶程序運(yùn)行在ZigBee協(xié)議棧上的應(yīng)用程序?qū)嶋H上就是廠商自定義的應(yīng)用對(duì)象。這些應(yīng)用程序使用ZigBee聯(lián)盟給出的并且批準(zhǔn)的規(guī)范（profile）進(jìn)行開發(fā)并且運(yùn)行在端點(diǎn)1-240上。1.3 ZigBee協(xié)議

15、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(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它將通過APS數(shù)據(jù)實(shí)體發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求到APS。隨后在它下面的每一層都會(huì)為數(shù)據(jù)附加相應(yīng)的幀頭，組成要發(fā)送的幀信息，其幀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如圖1-3-1所示。圖1-3-1各層幀結(jié)構(gòu)的構(gòu)成1-4ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置 ZigBee設(shè)備類型分為三類：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置；路由器主要負(fù)責(zé)找尋、建立、以及修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由信息，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文；網(wǎng)絡(luò)終端具有加入、退出網(wǎng)絡(luò)得功能，并可以接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)

16、文，但終端設(shè)備不允許路由轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。同常協(xié)調(diào)者和路由器節(jié)點(diǎn)一般由FFD功能設(shè)備構(gòu)成，終端設(shè)備由RFD設(shè)備構(gòu)成。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的要求可以組織成星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖1-4-1所示。在星形結(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者通信，實(shí)際上在這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器是沒有路由作用的。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者一般使用電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星形網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用；與星形網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（mesh）只要彼此在對(duì)方的無限輻射范圍內(nèi)，任何兩個(gè)FFD設(shè)備之間都能直接通信，在Mesh中每一個(gè)FFD設(shè)

17、備之間都可以認(rèn)為是路由器，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，Mesh在構(gòu)建時(shí)比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所要維護(hù)的信息較多；對(duì)于簇狀網(wǎng)路實(shí)際上可以看做是一個(gè)復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)擴(kuò)展的星型拓?fù)浠蚴怯卸鄠€(gè)簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在簇狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者、路由器還和終端設(shè)備的功能清晰，相對(duì)于Mesh,構(gòu)建簇狀網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所需的資源相對(duì)較少，并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。1.5ZigBee協(xié)議術(shù)語(yǔ) 在進(jìn)行ZigBee應(yīng)用開發(fā)的時(shí)候，往往還需要理解下面幾個(gè)基本術(shù)語(yǔ):節(jié)點(diǎn)（Node）、群集（CluBtel)、端點(diǎn)(Endpoint)、屬性(Attribute)。 如果不能很好的區(qū)

18、分這些術(shù)語(yǔ)之間的關(guān)系就不能夠很好的使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。 這些基本術(shù)語(yǔ)之間的關(guān)系如圖1-5-1所示。從圖1-5-1中可以看出，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是最大的集合。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以包含多個(gè)設(shè)備，每一個(gè)設(shè)備可以包含多個(gè)端點(diǎn)。設(shè)備的端點(diǎn)可以從1到240,對(duì)應(yīng)于240種不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。設(shè)備中的每一個(gè)端點(diǎn)可以有多個(gè)群集，按照群集的接口方向來劃分，可以分為輸入群集和輸出群集兩種。在ZigBee的一個(gè)端點(diǎn)中既可以有輸入群集也可以有輸出群集。一個(gè)端點(diǎn)中的輸出群集要能夠控制另外一個(gè)端點(diǎn)中的輸入群集必須要求這兩個(gè)群集具有相同的群集標(biāo)識(shí)符(Clusters ) 。群集可以看作是屬性的集合，一個(gè)群集當(dāng)中

19、可以包含一個(gè)或多個(gè)屬性。 例如在家庭照明控制燈規(guī)范中，ZigBee為遙控開關(guān)控制器(開關(guān))定義了一個(gè)必要的輸出群集:OnOffSRC。它也為開關(guān)負(fù)載控制器(燈)定義了一個(gè)必要的輸入群集:OnOffSRC。這兩個(gè)群集的ClusterID都是OnOffSRC，因此開關(guān)便可以通過這個(gè)群集來對(duì)燈進(jìn)行控制。ZigBee在OnOffSRC群集中定義了一個(gè)屬性O(shè)nOff。為它定義了三種不同的屬性值，分別是OxFF表示On, 0 x00表示Off, OxFO表示Toggle。當(dāng)需要打開照明燈時(shí)，遙控開關(guān)便通過應(yīng)用層KVP消息，發(fā)送Set命令將照明燈OnOffSRC群集中OnOff屬性設(shè)置為On。同樣，如果需要關(guān)閉照明燈時(shí)，也可以通過Set命令將照明燈OnOffSRC群集中OnOff設(shè)置為Offo Toggle屬性值的意義是，如果電燈在開的狀態(tài)下，設(shè)置這個(gè)值將會(huì)把電燈關(guān)掉;如果電燈是關(guān)閉狀態(tài)，通過設(shè)定這個(gè)屬性值則又會(huì)把電燈打開。 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Cluster為不同節(jié)點(diǎn)上的獨(dú)立端點(diǎn)建立一個(gè)邏