Zigbee協(xié)議棧原理基礎(chǔ)

1、1Zigbee協(xié)議棧相關(guān)概念1.1近距離通信技術(shù)比較：近距離無線通信技術(shù)有wifi、藍(lán)牙、紅外、zigbee，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中需求的網(wǎng)絡(luò)通信恰是近距離需求的，故，四者均可用做無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。而，其中（1）紅外（infrared）：能夠包含的信息過少；頻率低波衍射性不好只能視距通信；要求位置固定；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸無法組網(wǎng)。（2）藍(lán)牙（bluetooth）：可移動(dòng)，手機(jī)支持；通信距離10m；芯片價(jià)格貴；高功耗（3）wifi：高帶寬；覆蓋半徑100m；高功耗；不能自組網(wǎng)；（4）zigbee:價(jià)格便宜；低功耗；自組網(wǎng)規(guī)模大。ùùùùðWSN中zigb

2、ee通信技術(shù)是最佳方案，但它連接公網(wǎng)需要有專門的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換à進(jìn)一步學(xué)習(xí)stm32。1.2協(xié)議棧協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議的總和，其形象的反映了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中文件傳輸?shù)倪^程：由上層協(xié)議到底層協(xié)議，再由底層協(xié)議到上層協(xié)議。1.2.1Zigbee協(xié)議規(guī)范與zigbee協(xié)議棧Zigbee各層協(xié)議中物理層（phy）、介質(zhì)控制層（mac）規(guī)范由IEEE802.15.4規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（apl）規(guī)范由zigbee聯(lián)盟推出。Zigbee聯(lián)盟推出的整套zigbee規(guī)范：2005年第一版ZigBeeSpecificationV1.0，zigbee2006，zigbee2007、zigbeeprozi

3、gbee協(xié)議棧：很多公司都有自主研發(fā)的協(xié)議棧，如TI公司的：RemoTI，Z-Stack，SimpliciTI、freakz、msstatePAN等。1.2.2z-stack協(xié)議棧與zigbee協(xié)議棧z-stack協(xié)議棧與zigbee協(xié)議棧的關(guān)系：z-stack是zigbee協(xié)議棧的一種具體實(shí)現(xiàn)，或者說是TI公司讀懂了zigbee協(xié)議棧，自己用C語言編寫了一個(gè)軟件-z-stack，是由全球幾千名工程師共同開發(fā)的。ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0軟件可與TI的SmartRF05平臺(tái)協(xié)同工作，該平臺(tái)包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收發(fā)器以及CC2591

4、距離擴(kuò)展器，通信連接距離可達(dá)數(shù)公里。Z-Stack中的很多關(guān)鍵的代碼是以庫文件的形式給出來，也就是我們只能用它們，而看不到它們的具體的實(shí)現(xiàn)。其中核心部分的代碼都是編譯好的，以庫文件的形式給出的，比如安全模塊，路由模塊，和Mesh自組網(wǎng)模塊。與z-stack相比msstatePAN、freakz協(xié)議棧都是全部真正的開源的，它們的所有源代碼我們都可以看到。但是由于它們沒有大的商業(yè)公司的支持，開發(fā)升級(jí)方面，性能方面和z-stack相比差距很大，并沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，只是作為學(xué)術(shù)研究而已。還可以配備TI的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（RemoTI，Z-Stack，或SimpliciTI）來簡化開發(fā),當(dāng)

5、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求不多在30個(gè)以內(nèi)，通信距離500m-1000m時(shí)用simpliciti。 1.2.3IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述IEEE802.15.4是一個(gè)低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)(LowRateWirelessPersonalAreaNetworks，LR-WPAN)標(biāo)準(zhǔn)。定義了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制層(MAC)。LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)250kb/s，40kb/s，20kb/s三種傳輸速率。支持星型或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具有16位短地址或者64位擴(kuò)展地址。支持沖突避免載波多路偵聽技術(shù)(carriersensemultipleaccesswithcollisionav

6、oidance，CSMA/CA)。（mac層）用于可靠傳輸?shù)娜珣?yīng)答協(xié)議。(RTS-CTS)低功耗。能量檢測(EnergyDetection，ED)。鏈路質(zhì)量指示(LinkQualityIndication，LQI)。在2.45GHz頻帶內(nèi)定義了16個(gè)通道；在915MHz頻帶內(nèi)定義了10個(gè)通道；在868MHz頻帶內(nèi)定義了1個(gè)通道。為了使供應(yīng)商能夠提供最低可能功耗的設(shè)備，IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電氣及電子工程師學(xué)會(huì))定義了兩種不同類型的設(shè)備：一種是完整功能設(shè)備(fullfunctionaldevice，F(xiàn)FD)，另一種是簡

7、化功能設(shè)備(reducedfunctionaldevice，RFD)。1.2.4ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)IEEE802.15.4定義物理層、介質(zhì)訪問控制層ZigBee聯(lián)盟定義網(wǎng)絡(luò)層(networklayer，NWK)、應(yīng)用層(applicationlayer，APL)。應(yīng)用層內(nèi)定義：應(yīng)用支持子層(applicationsupportsublayer，APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)（端點(diǎn)號(hào)0）、應(yīng)用框架中用戶自定義應(yīng)用對(duì)象（端點(diǎn)號(hào)1-240，可以定義0-240個(gè)應(yīng)用）。每一層為其上層提供特定的服務(wù)-數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體à數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體提供

8、à管理服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供一個(gè)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)通過服務(wù)原語來完成所對(duì)應(yīng)的功能。1.2.4.1物理層：物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。具體內(nèi)容：1)ZigBee的激活；2)當(dāng)前信道的能量檢測；3)接收鏈路服務(wù)質(zhì)量信息；4)ZigBee信道接入方式；5)信道頻率選擇；6)數(shù)據(jù)傳輸和接收。1.2.4.2介質(zhì)接入控制子層（MAC）MAC層負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、同步信號(hào)；支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體之間可靠的鏈路。具體功能：1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)；2）與信標(biāo)

9、同步；3）支持PAN(個(gè)域網(wǎng))鏈路的建立和斷開；4）為設(shè)備的安全性提供支持（加密解密功能）；5）信道接入方式采用免沖突載波檢測多址接入(CSMA-CA)機(jī)制；6）處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；7）在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。1.2.4.3網(wǎng)絡(luò)層（NWK）ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。具體功能：1)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)；（路由器、終端）2)網(wǎng)絡(luò)形成；（協(xié)調(diào)器）3)允許設(shè)備連接；4)路由器初始化；5)設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接；6)直接將設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接；7)斷開網(wǎng)絡(luò)連接；8)重新復(fù)位設(shè)備；9)接收機(jī)同步；10

10、)信息庫維護(hù)。1.2.4.4應(yīng)用層（APL）應(yīng)用層包括：應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)、制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象(AF)。（1）APS功能：維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消息。（2）ZDO功能：定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如物理實(shí)體節(jié)點(diǎn)被定義為協(xié)調(diào)器、路由器還是終端設(shè)備)，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制（加解密），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并且決定向他們提供何種應(yīng)用服務(wù)。SZDO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)(entire)0上實(shí)現(xiàn)。S遠(yuǎn)程設(shè)備通過ZDO請(qǐng)求描述符信息，接收到這些請(qǐng)求時(shí)，ZDO會(huì)調(diào)用配置對(duì)象獲

11、取相應(yīng)描述符值（eg設(shè)備什么時(shí)候出廠的、需不需要電池、傳輸距離多少、使用什么規(guī)范）。（3）AF（應(yīng)用程序框架）：用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象，并且遵循規(guī)范（profile）運(yùn)行在端點(diǎn)1240上。在ZigBee應(yīng)用中，提供2種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型：鍵值對(duì)（KVP）或報(bào)文（MSG）。2ZigBee基本概念2.1設(shè)備類型三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器的角色主要涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置。一旦這些都完成后，協(xié)調(diào)器的工作就像一個(gè)路由器(或者消失goaway)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)本身的分布特性，因此接下來整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的操作就不在依賴協(xié)調(diào)器是否存在。路由器一直活躍，須使用主電源供電。但當(dāng)樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，允許其間

12、隔一定的周期操作一次，可使用電池。終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，可以睡眠或者喚醒，可用電池供電。對(duì)存儲(chǔ)空間(特別是RAM的需要)比較小。2.2協(xié)議規(guī)范協(xié)議棧規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟定義指定。在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須符合同一個(gè)協(xié)議棧規(guī)范（同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的協(xié)議棧規(guī)范必須一致）。ZigBee聯(lián)盟為ZigBee協(xié)議棧2007定義了2個(gè)規(guī)范：ZigBee和ZigBeePRO。所有的設(shè)備只要遵循該規(guī)范，即使在不同廠商買的不同設(shè)備同樣可以形成網(wǎng)絡(luò)。如果應(yīng)用開發(fā)者改變了規(guī)范，那么他的產(chǎn)品將不能與遵循ZigBee聯(lián)盟定義規(guī)范的產(chǎn)品組成網(wǎng)絡(luò)，也就是說該開發(fā)者開發(fā)的產(chǎn)品具有特殊性，我們稱之為“關(guān)閉的網(wǎng)絡(luò)

13、”，也就是說它的設(shè)備只有在自己的產(chǎn)品中使用，不能與其他產(chǎn)品通信。更改后的規(guī)范可以稱之為“特定網(wǎng)絡(luò)”規(guī)范。協(xié)議棧規(guī)范的ID號(hào)可以通過查詢?cè)O(shè)備發(fā)送的beacon幀獲得。在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)之前，首先需要確認(rèn)協(xié)議棧規(guī)范的ID?！疤囟ňW(wǎng)絡(luò)”規(guī)范ID號(hào)為0；ZigBee協(xié)議棧規(guī)范的ID號(hào)為1；ZigBeePRO協(xié)議棧規(guī)范的ID號(hào)為2。協(xié)議棧規(guī)范的ID（STACK_PROFILE_ID）在nwk_globals.h中定義：#defineNETWORK_SPECIFIC0#defineHOME_CONTROLS1/zigbee首先應(yīng)用于智能家居，故直接把zigbee協(xié)議棧規(guī)范定義為home_control#def

14、ineZIGBEEPRO_PROFILE2#defineGENERIC_STAR3#defineGENERIC_TREE4#ifdefined(ZIGBEEPRO)#defineSTACK_PROFILE_IDZIGBEEPRO_PROFILE#else#defineSTACK_PROFILE_IDHOME_CONTROLS#endif2.3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型、樹狀、網(wǎng)狀#defineNWK_MODE_STAR0#defineNWK_MODE_TREE1#defineNWK_MODE_MESH2#if(STACK_PROFILE_ID=ZIGBEEPRO_PROFILE)#defineNWK_MOD

15、ENWK_MODE_MESH#elif(STACK_PROFILE_ID=HOME_CONTROLS)#defineNWK_MODENWK_MODE_MESH#elif(STACK_PROFILE_ID=GENERIC_STAR)#defineNWK_MODENWK_MODE_STAR#elif(STACK_PROFILE_ID=NETWORK_SPECIFIC)#defineNWK_MODENWK_MODE_MESH#endif一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)2.4信標(biāo)與非信標(biāo)模式Zigbee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)（Beaeon）和非信標(biāo)（Non-beaeon）兩種模式。信標(biāo)：所有設(shè)備同步工作

16、、休眠。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間（一般在15ms-4mins之間）向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。非信標(biāo)：終端可休眠，路由器、協(xié)調(diào)器一直工作。父節(jié)點(diǎn)為終端緩存數(shù)據(jù)，終端主動(dòng)向父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)，故，終端大多處于休眠狀態(tài)，周期性醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，醒來一般需要15ms。實(shí)際使用中非信標(biāo)模式使用更多，因?yàn)槁酚善?、協(xié)調(diào)器往往還要擔(dān)任一些其他功能，且常常加入功放擴(kuò)大傳輸距離，一般加主電源供電。2.5地址兩種地址：64位IEEE地址，即MAC地址，16位網(wǎng)絡(luò)地址（協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)地址為

17、0x00）。#defineNWK_PAN_COORD_ADDR0x00002.5.1網(wǎng)絡(luò)地址分配l 分布式尋址方案：ZigBee2006、ZigBee2007使用分布式尋址方案來分配網(wǎng)絡(luò)地址，保證唯一。設(shè)備只能從父設(shè)備接受網(wǎng)絡(luò)地址，不需要全網(wǎng)通訊分配，有助于測量。l 隨機(jī)地址分配機(jī)制：ZigBee2007PRO采用。新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，父節(jié)點(diǎn)為其隨機(jī)分配地址，然后產(chǎn)生“設(shè)備聲明”（包含分配到的網(wǎng)絡(luò)地址和IEEE地址）發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。若有沖突，則通過路由器廣播“網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)-地址沖突”至網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。所有發(fā)生沖突的節(jié)點(diǎn)更改自己的網(wǎng)絡(luò)地址，然后再發(fā)起“設(shè)備聲明”直到無沖突。在每個(gè)路由加入網(wǎng)絡(luò)之前，尋址方案需

18、要知道和配置一些參數(shù)：MAX_DEPTH（最大網(wǎng)絡(luò)深度）、MAX_ROUTERS（最多路由數(shù)）和MAX_CHILDREN（最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)）。這些參數(shù)是棧配置的一部分，ZigBee2007協(xié)議棧已經(jīng)規(guī)定了這些參數(shù)的值：如果要改動(dòng)，首先要確保整個(gè)地址空間不能超過216，這就限制了參數(shù)能夠設(shè)置的最大值?？梢允褂胮rojectsZStacktools文件夾下的CSkip.xls文件來確認(rèn)這些值是否合法。當(dāng)在表格中輸入了這些數(shù)據(jù)后，如果你的數(shù)據(jù)不合法的話就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。當(dāng)選擇了合法的數(shù)據(jù)后，開發(fā)人員還要保證不再使用標(biāo)準(zhǔn)的棧配置，取而代之的是網(wǎng)絡(luò)自定義棧配置(例如：在nwk_globals.h文件中將ST

19、ACK_PROFILE_ID改為NETWORK_SPECIFIC)。然后nwk_globals.h文件中的MAX_DEPTH參數(shù)將被設(shè)置為合適的值。此外，還必須設(shè)置nwk_globals.c文件中的Cskipchldrn數(shù)組和CskipRtrs數(shù)組。這些數(shù)組的值由MAX_CHILDREN和MAX_ROUTER構(gòu)成。2.5.2尋址應(yīng)用程序通常使用AF_DataRequest()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，給一個(gè)afAddrType_t(在ZComDef.h中定義)類型的目標(biāo)設(shè)備。目標(biāo)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址目標(biāo)設(shè)備模式數(shù)據(jù)包傳送模式分三種：（1） 單點(diǎn)傳送(Unicast)：發(fā)給已知網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。將afAddrMo

20、de設(shè)置為Addr16Bit并且在數(shù)據(jù)包中攜帶目標(biāo)設(shè)備地址。（2） 間接傳送(Indirect)：應(yīng)用程序不知道目標(biāo)設(shè)備位置時(shí)。將模式設(shè)置為AddrNotPresent，目標(biāo)地址沒有指定，而是從發(fā)送設(shè)備的棧的綁定表中查找目標(biāo)設(shè)備。這種特點(diǎn)稱之為源綁定。數(shù)據(jù)到達(dá)棧中后，從綁定表中查找并使用目標(biāo)設(shè)備地址，這樣，數(shù)據(jù)包將被處理成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包。如果在綁定表中找到多個(gè)設(shè)備，則向每個(gè)設(shè)備都發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的拷貝?！綵igBee2004中有一個(gè)選項(xiàng)可以講綁定表保存在協(xié)調(diào)器(Coordinator)當(dāng)中。發(fā)送設(shè)備將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器查找它棧中的綁定表，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給最終的目標(biāo)設(shè)備。這個(gè)附

21、加的特性叫做協(xié)調(diào)器綁定(CoordinatorBinding)。2004中綁定表只能在協(xié)調(diào)器，2006和2007中可以將綁定表放在任意節(jié)點(diǎn)】（3） 廣播傳送(broadcast)：應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)包發(fā)給每一個(gè)設(shè)備。地址模式設(shè)置為AddrBroadcast。目標(biāo)地址可以設(shè)置為下面廣播地址的一種：NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVALL(0xFFFF)發(fā)給所有設(shè)備，包括睡眠中的設(shè)備。對(duì)于睡眠中的設(shè)備，數(shù)據(jù)包將被保留在其父親節(jié)點(diǎn)直到查詢到它，或者消息超時(shí)(NWK_INDIRECT_MSG_TIMEOUT在f8wConifg.cfg中)。NWK_BROADCAST_SHORTADDR

22、_DEVRXON(0xFFFD)發(fā)給所有除睡眠之外的所有設(shè)備。NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVZCZR(0xFFFC)發(fā)給所有路由器、協(xié)調(diào)器。（4） 組尋址(GroupAddressing)：發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上的一組設(shè)備。地址模式設(shè)置為afAddrGroup并且addr.shortAddr設(shè)置為組ID。使用這個(gè)功能，必須先定義組。(參見Z-stackAPI文檔中的aps_AddGroup()函數(shù))。2.5.3重要設(shè)備地址(ImportantDeviceAddresses)應(yīng)用程序可能需要知道它的設(shè)備地址和父親地址。使用下面的函數(shù)獲取設(shè)備地址(在ZStackAPI中定義)：NLM

23、E_GetShortAddr()返回本設(shè)備的16位網(wǎng)絡(luò)地址NLME_GetExtAddr()返回本設(shè)備的64位擴(kuò)展地址使用下面的函數(shù)獲取該設(shè)備的父親設(shè)備的地址：NLME_GetCoordShortAddr()返回本設(shè)備的父親設(shè)備的16位網(wǎng)絡(luò)地址NLME_GetCoordExtAddr()返回本設(shè)備的父親設(shè)備的64位擴(kuò)展地址2.6zigbee術(shù)語一個(gè)節(jié)點(diǎn)：一個(gè)射頻收發(fā)器、多個(gè)設(shè)備（最常見的為僅一個(gè)），一個(gè)設(shè)備中包含端點(diǎn)0（ZDO），端點(diǎn)1-端點(diǎn)240一個(gè)端點(diǎn)中包含群集（按功能分為輸入群集、輸出群集）一個(gè)群集中包含多個(gè)屬性（1） 屬性Attribute：是一個(gè)反映物理數(shù)量或狀態(tài)的數(shù)據(jù)值，比如開關(guān)值

24、（On/Off）,溫度值、百分比等。（2） 群集Cluster：是包含一個(gè)或多個(gè)屬性（attribute）的集合。每個(gè)群集都被分配一個(gè)唯一的群集ID且每個(gè)群集最多有65536個(gè)屬性。（3） 端點(diǎn)EndPoint：是協(xié)議棧應(yīng)用層的入口，也可以理解應(yīng)用對(duì)象（ApplicationObject）存在的地方，它是為實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備描述而定義的一組群集。每個(gè)ZigBee設(shè)備可以最多支持240這樣的端點(diǎn)，這也意味著在每個(gè)設(shè)備上可以定義240個(gè)應(yīng)用對(duì)象。端點(diǎn)0被保留用于與ZDO接口，這是每個(gè)ZigBee設(shè)備必須使用的端點(diǎn)，而端點(diǎn)255被保留用于廣播，端點(diǎn)241-254則被保留用于將來做擴(kuò)展使用（4） 設(shè)備描述D

25、eviceDescription：是指一個(gè)大型目標(biāo)應(yīng)用的一部分，包括一個(gè)或多個(gè)群集，并且指定群集是輸入還是輸出。描述符有：節(jié)點(diǎn)描述符、電源描述符、簡單描述符、端點(diǎn)描述符。（5）節(jié)點(diǎn)Node：也可以理解為一個(gè)容器，包含一組ZigBee設(shè)備，分享一個(gè)無線信道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)無線信道使用。2.7綁定通過使用 ClusterID為不同節(jié)點(diǎn)上的獨(dú)立端點(diǎn)建立一個(gè)邏輯上的連接。要實(shí)現(xiàn)綁定操作，端點(diǎn)必須向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器在有限的時(shí)間間隔內(nèi)接收到兩個(gè)端點(diǎn)的綁定請(qǐng)求后，便通過建立端點(diǎn)之間的綁定表在這兩個(gè)不同的端點(diǎn)之間形成了一個(gè)邏輯鏈路。因此，在綁定后的兩個(gè)端點(diǎn)之間進(jìn)行消息傳送的過程屬于消息的間接傳

26、送。其中一個(gè)端點(diǎn)首先會(huì)將信息發(fā)送到 ZigBee 協(xié)調(diào)器中，ZigBee 協(xié)調(diào)器在接收到消息后會(huì)通過查找綁定表，將消息發(fā)送到與這個(gè)端點(diǎn)相綁定的所有端點(diǎn)中，從而實(shí)現(xiàn)了綁定端點(diǎn)之間的間接通信。也可以不在協(xié)調(diào)器中建立綁定表，而在任意一個(gè)路由器中建立。2.8路由Zstack協(xié)議棧的路由代碼我們不需要寫，也無法寫（已被封裝）。整個(gè)路由功能如何實(shí)現(xiàn)的需要了解，有助于對(duì)zigbee協(xié)議棧進(jìn)行整體的把握。 zigbee路由還能夠自愈網(wǎng)絡(luò)，如果某個(gè)無線連接斷開了，路由功能又能自動(dòng)尋找一條新的路徑避開那個(gè)斷開的網(wǎng)絡(luò)連接。這就極大的提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時(shí)也是 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵特性。2.8.1 路由協(xié)議

27、(Routing ProtocolZigBee 執(zhí)行基于用于 AODV 專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。簡化后用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 路由議有助于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有能力支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，連接失敗和數(shù)據(jù)包丟失。當(dāng)路由器從他自身的應(yīng)用程序或者別的設(shè)備那里收到一個(gè)單點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則網(wǎng)絡(luò)層NWK Layer)根據(jù)一下程序?qū)⑺^續(xù)傳遞下去。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是它相鄰路由器中的一個(gè)，則數(shù)據(jù)包直接被傳送給目標(biāo)設(shè)備。否則，路由器將要檢索它的路由表中與所要傳送的數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址相符合的記錄。如果存在與目標(biāo)地址相符合的活動(dòng)路由記錄，則數(shù)據(jù)包將被發(fā)送到存儲(chǔ)在記錄中的下一級(jí)地址中去。如果沒有發(fā)現(xiàn)任何相關(guān)的路由記錄，則路由器發(fā)起路徑尋找，數(shù)

28、據(jù)包存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中知道路徑尋找結(jié)束。 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)不執(zhí)行任何路由功能。終端節(jié)點(diǎn)要向任何一個(gè)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包，它只需簡單的將數(shù)據(jù)向上發(fā)送給它的父親設(shè)備，由它的父親設(shè)備以它自己的名義執(zhí)行路由。同樣的，任何一個(gè)設(shè)備要給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)起路由尋找，終端節(jié)的的父親節(jié)點(diǎn)都已它的名義來回應(yīng)。 注意 ZigBee 地址分配方案使得對(duì)于任何一個(gè)目標(biāo)設(shè)備，根據(jù)它的地址都可以得到一條路徑。在 Z-Stack 中，如果萬一正常的路徑尋找過程不能啟動(dòng)的話(通常由于缺少路由表空間)，那么Z-Stack 擁有自動(dòng)回退機(jī)制。 此外，在 Z-Stack 中，執(zhí)行的路由已經(jīng)優(yōu)化了路由表記錄。通常，每一個(gè)目標(biāo)設(shè)備都需要一

29、條路由表記錄。但是，通過把一定父親節(jié)點(diǎn)記錄與其子所有子結(jié)點(diǎn)的記錄合并，這樣既可以優(yōu)化路徑也可以不喪失任何功能。 ZigBee 路由器，包括協(xié)調(diào)器執(zhí)行下面的路由函數(shù)：(i)路徑發(fā)現(xiàn)和選擇；(ii)路徑保持維護(hù)；(iii)路徑期滿。2.8.2 路徑的發(fā)現(xiàn)和選擇(Route Discovery and Selection)路徑發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備憑借網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)作發(fā)現(xiàn)和建立路徑的一個(gè)過程。路由發(fā)現(xiàn)可以由任意一個(gè)路由設(shè)備發(fā)起，并且對(duì)于某個(gè)特定的目標(biāo)設(shè)備一直執(zhí)行。路徑發(fā)現(xiàn)機(jī)制尋找源地址和目標(biāo)地址之間的所有路徑，并且試圖選擇可能的最好的路徑。 路徑選擇就是選擇出可能的最小成本的路徑。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)通常持有跟它所有鄰接

30、點(diǎn)的“連接成本(link costs)”。通常，連接成本的典型函數(shù)是接收到的信號(hào)的強(qiáng)度。沿著路徑，求出所有連接的連接成本總和，便可以得到整個(gè)路徑的“路徑成本”。路由算法試圖尋找到擁有最小路徑成本的路徑。 路徑通過一系列的請(qǐng)求和回復(fù)數(shù)據(jù)包被發(fā)現(xiàn)。源設(shè)備通過向它的所有鄰接節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，來請(qǐng)求一個(gè)目標(biāo)地址的路徑。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到 RREQ 數(shù)據(jù)包，它依次轉(zhuǎn)發(fā)REQ數(shù)據(jù)包。但是在轉(zhuǎn)發(fā)之前，它要加上最新的連接成本，然后更新 RREQ數(shù)據(jù)包中的成本值。這樣，沿著所有它通過的連接，RREQ數(shù)據(jù)包攜帶著連接成本的總和。這個(gè)過程一直持續(xù)到 RREQ 數(shù)據(jù)包到達(dá)目標(biāo)設(shè)備。通過不同的路由器，許多 RR

31、EQ 副本都將到達(dá)目標(biāo)設(shè)備。目標(biāo)設(shè)備選擇最好的RREQ數(shù)據(jù)包，然后發(fā)回一個(gè)路徑答復(fù)數(shù)據(jù)包(a Route Reply)RREP給源設(shè)備.RREP 數(shù)據(jù)包是一個(gè)單點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，它沿著中間節(jié)點(diǎn)的相反路徑傳送直到它到達(dá)原來發(fā)送請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)為止。一旦一條路徑被創(chuàng)建，數(shù)據(jù)包就可以發(fā)送了。當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)與它的下一級(jí)相鄰節(jié)點(diǎn)失去了連接(當(dāng)它發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，沒有收到 MAC ACK)，該節(jié)點(diǎn)向所有等待接收它的 RREQ數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè) RERR數(shù)據(jù)包，將它的路徑設(shè)為無效。各個(gè)結(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包 RREQ、RREP 或者RERR 來更新它的路由表。2.8.3 路徑保持維護(hù)(Route maintenance)網(wǎng)狀網(wǎng)

32、提供路徑維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)自愈功能。中間節(jié)點(diǎn)沿著連接跟蹤傳送失敗，如果一個(gè)連接被認(rèn)定是壞鏈，那么上游節(jié)點(diǎn)將針對(duì)所有使用這條連接的路徑啟動(dòng)路徑修復(fù)。節(jié)點(diǎn)發(fā)起重新發(fā)現(xiàn)直到下一次數(shù)據(jù)包到達(dá)該節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志路徑修復(fù)完成。如果不能夠啟動(dòng)路徑發(fā)現(xiàn)或者由于某種原因失敗了，節(jié)點(diǎn)則向數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)路徑錯(cuò)誤包(RERR)，它將負(fù)責(zé)啟動(dòng)新路徑的發(fā)現(xiàn)。這兩種方法，路徑都自動(dòng)重建。2.8.4 路徑期滿(Route expiry)路由表為已經(jīng)建立連接路徑的節(jié)點(diǎn)維護(hù)路徑記錄。如果在一定的時(shí)間周期內(nèi)，沒有數(shù)據(jù)通過沿著這條路徑發(fā)送，這條路徑將被表示為期滿。期滿的路徑一直保留到它所占用的空間要被使用為止。這樣，路徑在絕對(duì)不使用之前不

33、會(huì)被刪除掉的。在配置文件 f8wConfig.cfg 文件中配置自動(dòng)路徑期滿時(shí)間。設(shè)置 ROUTE_EXPIRY_TIME 為期滿時(shí)間，單位為秒。如果設(shè)置為 0，則表示關(guān)閉自動(dòng)期滿功能。2.9zigbee原語ZigBee協(xié)議按照開放系統(tǒng)互聯(lián)的 7 層模型將協(xié)議分成了一系列的層結(jié)構(gòu)，各層之間通過相應(yīng)的服務(wù)訪問點(diǎn)來提供服務(wù)。這樣使得處于協(xié)議中的不同層能夠根據(jù)各自的功能進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)作，從而使整個(gè)協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)變得清晰明朗。另一方面，由于 ZigBee 協(xié)議棧是一個(gè)有機(jī)的整體，任何 ZigBee 設(shè)備要能夠正確無誤的工作，就要求協(xié)議棧各層之間共同協(xié)作。因此，層與層之問的信息交互就顯得十分重要。ZigBe

34、e協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)層與層之間的關(guān)聯(lián)，采用了稱為服務(wù)“原語"的操作。利用下圖來說明原語操作的概念。服務(wù)由 N 用戶和 N 層之問信息流的描述來指定。這個(gè)信息流由離散瞬時(shí)事件構(gòu)成，以提供服務(wù)的特征。每個(gè)事件由服務(wù)原語組成，它將在一個(gè)用戶的某一 層，通過與該層相關(guān)聯(lián)的層服務(wù)訪問 A(SAP)與建立對(duì)等連接的用戶的相同層之 問傳送。層與層之間的原語一般情況下可以分為 4 種類型： 請(qǐng)求：請(qǐng)求原語從 NI 用戶發(fā)送到它的 N層，請(qǐng)求發(fā)起一個(gè)服務(wù)。 指示：指示原語從 N層到N2 用戶，指示一個(gè)對(duì) N2 用戶有重要意義外部 N 層事件。這個(gè)事件可能與一個(gè)遠(yuǎn)程的服務(wù)請(qǐng)求有關(guān)，或者由內(nèi)部事件產(chǎn)生。 響應(yīng)：

35、響應(yīng)原語由 N2 用戶向它的 N層傳遞，用來響應(yīng)上一個(gè)由指示原語引 起的過程。 確認(rèn)：確認(rèn)原語由 N層向Nl 用戶傳遞，用來傳遞與前面一個(gè)或多個(gè)服務(wù)請(qǐng) 求相關(guān)的執(zhí)行結(jié)果。 3Z-Stack 協(xié)議?？傮w設(shè)計(jì)Chipcon 公司為自己設(shè)計(jì)的 Z-Stack 協(xié)議棧中提供了一個(gè)名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL 的協(xié)議棧調(diào)度程序。對(duì)于用戶來說，除了能夠看到這個(gè)調(diào)度程序外，其它任何協(xié)議棧操作的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都被封裝在庫代碼中。用戶在進(jìn)行具體的應(yīng)用開發(fā)時(shí)只能夠通過調(diào)用 API接口來進(jìn)行，而無權(quán)知道 Zig,Bee 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。(即物理層、mac層、網(wǎng)絡(luò)層封裝到庫函數(shù)中，無法查看；應(yīng)用層的aps、zdo代

36、碼完全開源)Z-Stack 由 main（）函數(shù)開始執(zhí)行， main（）函數(shù)共做了 2 件事：一是系統(tǒng)初始化，一是輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，如下圖所示：Osal初始化完成后，一經(jīng)進(jìn)入操作系統(tǒng)則永遠(yuǎn)無休止執(zhí)行下去，除非板子壞掉。void osalInitTasks( void ) uint8 taskID = 0; tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt); osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt); macTaskInit( ta

37、skID+ ); nwk_init( taskID+ ); Hal_Init( taskID+ );#if defined( MT_TASK )/通過串口調(diào)試的一個(gè)任務(wù) MT_TaskInit( taskID+ );#endif APS_Init( taskID+ );#if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION )/如果定義了數(shù)據(jù)分割的分包，則執(zhí)行分包初始化 APSF_Init( taskID+ );#endif ZDApp_Init( taskID+ );#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) | defined ( ZIGBEE_P

38、ANID_CONFLICT )/如果定義了調(diào)頻初始化，和個(gè)域網(wǎng)id沖突初始化，則執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理層初始化 ZDNwkMgr_Init( taskID+ );#endif SampleApp_Init( taskID );/應(yīng)用對(duì)象初始化3.1osal初始化：3.2任務(wù)調(diào)度ZigBee 協(xié)議棧中的每一層都有很多原語操作要執(zhí)行，因此對(duì)于整個(gè)協(xié)議棧來說，就會(huì)有很多并發(fā)操作要執(zhí)行。協(xié)議棧中的每一層都設(shè)計(jì)了一個(gè)事件處理函數(shù)，用來處理與這一層操作相關(guān)的各種事件。將這些事件處理函數(shù)看成是與協(xié)議棧每一層相對(duì)應(yīng)的任務(wù)，由 ZigBee 協(xié)議棧中調(diào)度程序 OSAL 來進(jìn)行管理。這樣，對(duì)于協(xié)議棧來說，無論何時(shí)發(fā)生了何種

39、事件，我們都可以通過調(diào)度協(xié)議棧相應(yīng)層的任務(wù)，即事件處理函數(shù)來進(jìn)行處理。這樣，整個(gè)協(xié)議棧便會(huì)按照時(shí)間順序有條不紊的運(yùn)行。ZigBee 協(xié)議棧的實(shí)時(shí)性要求并不高，因此在設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度程序時(shí)， OSAL 只采用了輪詢?nèi)蝿?wù)調(diào)度隊(duì)列的方法來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度管理。任務(wù)列表：const pTaskEventHandlerFn tasksArr = macEventLoop, nwk_event_loop, Hal_ProcessEvent,#if defined( MT_TASK ) MT_ProcessEvent,#endif APS_event_loop,#if defined ( ZIGBEE_FRAGME

40、NTATION ) APSF_ProcessEvent,#endif ZDApp_event_loop,#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) | defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLICT ) ZDNwkMgr_event_loop,#endif SampleApp_ProcessEvent;void osal_start_system( void ) for(;) / Forever Loopuint8 idx = 0; osalTimeUpdate(); Hal_ProcessPoll(); / This replaces MT_Ser

41、ialPoll() and osal_check_timer(). do if (tasksEventsidx) / Task is highest priority that is ready. break; while (+idx < tasksCnt); if (idx < tasksCnt) uint16 events; halIntState_t intState; HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState); events = tasksEventsidx; tasksEventsidx = 0; / Clear the Events fo

42、r this task. HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState); events = (tasksArridx)( idx, events ); HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState); tasksEventsidx |= events; / Add back unprocessed events to the current task. HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState); #if defined( POWER_SAVING ) else / Complete pass through all task events with no activity? osal_pwrmgr_powerconserve(); / Put the processor/system into sleep #endif /* Yield in case cooperative scheduling is being used. */#if defined (configUSE_PREEMPTION) && (configUSE_PREEMPTION