無線傳感器網絡-第6章-傳感器網絡協(xié)議的技術標準

1、1第第6章章傳感器網絡協(xié)議的技術標準傳感器網絡協(xié)議的技術標準6.1 技術標準的意義技術標準的意義 無線傳感器網絡的價值就在于它的低成本和可以大量部無線傳感器網絡的價值就在于它的低成本和可以大量部署。為了降低產品成本、擴大市場和實現規(guī)模效益，傳感器署。為了降低產品成本、擴大市場和實現規(guī)模效益，傳感器網絡的某些特征和共性技術必須實現標準化，這樣來自不同網絡的某些特征和共性技術必須實現標準化，這樣來自不同產商的產品才能協(xié)同工作。產商的產品才能協(xié)同工作。 無線傳感器網絡的標準化工作受到了許多國家及國際標無線傳感器網絡的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關注，已經完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的

2、準組織的普遍關注，已經完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其中最出名的就是規(guī)范，它甚至已經被一部分研究及制定。其中最出名的就是規(guī)范，它甚至已經被一部分研究及產業(yè)界人士視為傳感器網絡的標準。定義了短距離無線通信產業(yè)界人士視為傳感器網絡的標準。定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，的物理層及鏈路層規(guī)范，ZigBeeZigBee則定義了網絡互聯(lián)、傳輸和則定義了網絡互聯(lián)、傳輸和應用規(guī)范。應用規(guī)范。 目前傳感器網絡標準化工作的兩個公認成果是目前傳感器網絡標準化工作的兩個公認成果是IEEE IEEE 14511451接口標準和低速率無線個域網協(xié)議。接口標準和低速率無線個域網協(xié)議。6.2 IEEE 14

3、51系列標準系列標準1 1、IEEE 1451IEEE 1451標準的誕生標準的誕生 基于各種基于各種現場總線現場總線標準的分布式測量和控制系統(tǒng)得到了標準的分布式測量和控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用，這些系統(tǒng)所采用的控制總線網絡多種多樣、千廣泛的應用，這些系統(tǒng)所采用的控制總線網絡多種多樣、千差萬別，其內部結構、通訊接口、通訊協(xié)議等各不相同。差萬別，其內部結構、通訊接口、通訊協(xié)議等各不相同。 傳統(tǒng)的分布式測量控制系統(tǒng)結：傳統(tǒng)的分布式測量控制系統(tǒng)結： 由于這種系統(tǒng)的構造和設計是基于各種網絡總線標準而定，由于這種系統(tǒng)的構造和設計是基于各種網絡總線標準而定，如如I I2 2C C，HARTHART，SPIS

4、PI，LonWorksLonWorks及及CANCAN等，每種總線標準都有自等，每種總線標準都有自己規(guī)定的協(xié)議格式，相互不兼容，給系統(tǒng)的擴展、維護等帶己規(guī)定的協(xié)議格式，相互不兼容，給系統(tǒng)的擴展、維護等帶來不利的影響。來不利的影響。6.2 IEEE 1451系列標準系列標準 國際電子電氣工程師協(xié)會國際電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)(IEEE)面對目前傳感器市場上面對目前傳感器市場上總線接口互不兼容總線接口互不兼容, , 互操作性差難以統(tǒng)一的難題互操作性差難以統(tǒng)一的難題, , 專門建立專門建立專家組制定專家組制定IEEE1451IEEE1451協(xié)議族協(xié)議族, , 以此來解決傳感器接口的標準以此來解

5、決傳感器接口的標準化問題?；瘑栴}。 IEEE1451IEEE1451協(xié)議族共分五個協(xié)議標準協(xié)議族共分五個協(xié)議標準, ,目前目前,IEEE1451,IEEE1451. .1 1、IEEE1451.2IEEE1451.2、IEEE1451.3IEEE1451.3、IEEE1451.4IEEE1451.4已被已被IEEEIEEE組織通過。組織通過。 這個標準提供了將變送器這個標準提供了將變送器( (傳感器和執(zhí)行器傳感器和執(zhí)行器) )連接到一個連接到一個數字系統(tǒng)數字系統(tǒng), ,尤其是到網絡的方式尤其是到網絡的方式, , 簡化了現場變送器到微處簡化了現場變送器到微處理器以及網絡的連接理器以及網絡的連接,

6、,提供一個適合各種網絡的工業(yè)標準接提供一個適合各種網絡的工業(yè)標準接口口, ,有效的實現現場各種不同的智能變送器的網絡互連、即有效的實現現場各種不同的智能變送器的網絡互連、即插即用插即用, , 最終實現各個傳感器或執(zhí)行器廠家的產品相互兼容最終實現各個傳感器或執(zhí)行器廠家的產品相互兼容, , 降低了構建網絡化測控系統(tǒng)的總成本。降低了構建網絡化測控系統(tǒng)的總成本。6.2 IEEE 1451系列標準系列標準6.2 IEEE 1451系列標準系列標準nIEEE1451IEEE1451協(xié)議族定義了一個較為完整的通用模型協(xié)議族定義了一個較為完整的通用模型, , 在這個在這個模型中采用分層體系結構。模型中采用分層

7、體系結構。n智能傳感器接口模塊標準的功能框架智能傳感器接口模塊標準的功能框架: :6.2 IEEE 1451系列標準系列標準n第一層模塊結構為網絡適配器第一層模塊結構為網絡適配器NCAP(Network Capable NCAP(Network Capable Application Processor), Application Processor), 用來運行網絡協(xié)議和應用軟件用來運行網絡協(xié)議和應用軟件n第二層模塊為智能變送器模塊第二層模塊為智能變送器模塊 STIM(Smart Transducer STIM(Smart Transducer Interface Module), Inte

8、rface Module), 其中包括變送器和電子數據表格其中包括變送器和電子數據表格TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)。n這種劃分使得在基于各種現場總線的分布式測量控制系統(tǒng)這種劃分使得在基于各種現場總線的分布式測量控制系統(tǒng)中中, , 各種變送器的設計、制造無須考慮系統(tǒng)的網絡結構各種變送器的設計、制造無須考慮系統(tǒng)的網絡結構, , 從而智能化范圍的得以延伸從而智能化范圍的得以延伸, , 更加接近實際測量和控制點更加接近實際測量和控制點。其中。其中TEDSTEDS的設計是整個協(xié)議族

9、的精華所在的設計是整個協(xié)議族的精華所在, ,使傳感器模塊使傳感器模塊同時具有同時具有即插即用即插即用的兼容性。的兼容性。6.2 IEEE 1451系列標準系列標準n電子數據表格電子數據表格(TEDS)(TEDS)存儲了變送器自身信息和制造商信息存儲了變送器自身信息和制造商信息 n有八個可尋址的單元，其中前兩項是必選且只讀的，其余有八個可尋址的單元，其中前兩項是必選且只讀的，其余是可選的：是可選的：nMetaTEDSMetaTEDS:STIM:STIM的整體描述符的整體描述符nChannelTEDSChannelTEDS: :包括包括STIMSTIM的量程、單位、啟動時間等參數的量程、單位、啟動

10、時間等參數n其余六項包括其余六項包括: :最后校準日期、校準周期和校準參數，最后校準日期、校準周期和校準參數，滿足特殊功能的要求，在將來工業(yè)應用中的功能擴展等滿足特殊功能的要求，在將來工業(yè)應用中的功能擴展等6.2 IEEE 1451系列標準系列標準nIEEE 1451.2 IEEE 1451.2 標準稱為變送器與微處理器通信協(xié)議和變送標準稱為變送器與微處理器通信協(xié)議和變送器電子數據表格式。器電子數據表格式。nIEEE 1451.3 IEEE 1451.3 標準稱為分布式多點系統(tǒng)數字通信和變送器標準稱為分布式多點系統(tǒng)數字通信和變送器電子數據表格式。電子數據表格式。nIEEE 1451.4 IEE

11、E 1451.4 標準稱為混合模式通信協(xié)議和變送器電子數標準稱為混合模式通信協(xié)議和變送器電子數據表格式。這是一項實用的技術標準，它使變送器電子數據表格式。這是一項實用的技術標準，它使變送器電子數據表格與模擬測量相兼容。據表格與模擬測量相兼容。6.2 IEEE 1451系列標準系列標準nIEEE 1451IEEE 1451系列標準的組成結構如圖所示，這些標準可以在系列標準的組成結構如圖所示，這些標準可以在一起應用，構成多種網絡類型的智能傳感器系統(tǒng)，也可以一起應用，構成多種網絡類型的智能傳感器系統(tǒng)，也可以單獨使用。單獨使用。6.2 IEEE 1451系列標準系列標準nIEEEIEEE還在著手制定無

12、線連接各種傳感設備的接口標準。該還在著手制定無線連接各種傳感設備的接口標準。該標準的名稱為標準的名稱為“IEEE P1451.5”IEEE P1451.5”，主要用于利用電腦等主，主要用于利用電腦等主機設備綜合管理建筑物內各傳感設備獲得的數據。機設備綜合管理建筑物內各傳感設備獲得的數據。n提議標準主要是為智能傳感器的連接提供無線解決方案，提議標準主要是為智能傳感器的連接提供無線解決方案，盡量減少有線傳輸介質的使用。盡量減少有線傳輸介質的使用。標準標準標準概述標準概述n工作組于工作組于19981998年成立，致力于無線個人區(qū)域網絡（年成立，致力于無線個人區(qū)域網絡（WPANWPAN）物理層和媒體訪

13、問子層的標準化工作。主要分為四個工物理層和媒體訪問子層的標準化工作。主要分為四個工作組，研究不同應用需求下的標準：作組，研究不同應用需求下的標準： l802.15.1 802.15.1 藍牙無線個人區(qū)域網絡標準，中速、近距離，藍牙無線個人區(qū)域網絡標準，中速、近距離，適用于手機、適用于手機、PDAPDA等。等。l 是的補充，研究與是的補充，研究與802.11 WLAN802.11 WLAN的共存問題。的共存問題。l 高傳輸速率無線個人區(qū)域網絡，多媒體方面的應用。高傳輸速率無線個人區(qū)域網絡，多媒體方面的應用。l 低速無線個人區(qū)域網絡，低能耗，低速率和低成本，針低速無線個人區(qū)域網絡，低能耗，低速率和

14、低成本，針對個人和家庭范圍內不同設備間的低速傳輸。對個人和家庭范圍內不同設備間的低速傳輸。nWLAN(WLAN(無線局域網絡無線局域網絡) )基于基于IEEEIEEE 系列標準系列標準l，19971997年，原始標準年，原始標準(2Mb/s (2Mb/s 工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。l，19991999年，物理層補充年，物理層補充(54Mb/s(54Mb/s工作在工作在5GHz)5GHz)。l，19991999年，物理層補充年，物理層補充(11Mb/s(11Mb/s工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。l，符合的媒體接入控制層，符合的媒體接入控制層(MAC)(MAC)橋接。橋

15、接。l，根據各國無線電規(guī)定做的調整。，根據各國無線電規(guī)定做的調整。l，對服務等級，對服務等級(QoS)(QoS)的支持。的支持。l，基站的互連性，基站的互連性(Interoperability)(Interoperability)。l，物理層補充，物理層補充(54Mb/s(54Mb/s工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。l，無線覆蓋半徑的調整，室內，無線覆蓋半徑的調整，室內(indoor)(indoor)和室外和室外(outdoor)(outdoor)信信道道(5GHz(5GHz頻段頻段) )。l，安全和鑒權，安全和鑒權(Authentification)(Authentificatio

16、n)方面的補充。方面的補充。l，導入多重輸入輸出，導入多重輸入輸出(MIMO)(MIMO)和和40Mbit40Mbit通道寬度技術。通道寬度技術。標準標準n由于的網絡特征和傳感器網絡相似，因此科研機構將它作由于的網絡特征和傳感器網絡相似，因此科研機構將它作為傳感器網絡的通信標準。為傳感器網絡的通信標準。n標準定義的標準定義的LR-WPANLR-WPAN網絡特點：網絡特點：l在不同的載波頻率下實現在不同的載波頻率下實現20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三三種不同的傳輸速率；種不同的傳輸速率；l支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構；支持星型和點對點兩種網

17、絡拓撲結構；l有有1616位和位和6464位兩種地址格式，其中位兩種地址格式，其中6464位地址是全球惟位地址是全球惟一的擴展地址；一的擴展地址；l支持沖突避免的載波多路偵聽技術支持沖突避免的載波多路偵聽技術(CSMA-CA)(CSMA-CA)；l支持確認機制，保證傳輸可靠性。支持確認機制，保證傳輸可靠性。標準標準 標準概述標準概述n標準規(guī)定物理層任務：標準規(guī)定物理層任務：l激活和休眠射頻收發(fā)器；激活和休眠射頻收發(fā)器；l信道能量檢測：測量目標信道中接收信號的功率強調，信道能量檢測：測量目標信道中接收信號的功率強調，檢測結果為有效信號和噪聲信號功率之和；檢測結果為有效信號和噪聲信號功率之和；l檢

18、測接收數據包的鏈路質量指示檢測接收數據包的鏈路質量指示(LQI)(LQI)，得出信噪比指，得出信噪比指標；標；l空閑信道評估；空閑信道評估；l收發(fā)數據。收發(fā)數據。n如何評估信道是否空閑？如何評估信道是否空閑？l方法方法1 1：判斷信號的信道能量，低于門限，則為空閑；：判斷信號的信道能量，低于門限，則為空閑；l方法方法2 2：判斷信號的特征：判斷信號的特征( (擴頻信號特征和載波頻率擴頻信號特征和載波頻率) )；l方法方法3 3：同時判斷信道能量和信號的特征。：同時判斷信道能量和信號的特征。標準標準 6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準n標準定義的信道標準定義的信道n0-260-26共共

19、2727個；跨越個；跨越3 3個頻段，具體包括頻段的個頻段，具體包括頻段的1616個信道、個信道、915MHz915MHz頻段的頻段的1010個信道、個信道、868MHz868MHz頻段的頻段的1 1個信道。個信道。n信道的頻段中心定義信道的頻段中心定義 ( (其中其中k k表示信道編號表示信道編號) )： f fc c = 868.3MHz k = 0= 868.3MHz k = 0 f fc c = 906 + 2= 906 + 2(k(k1)MHz k = 11)MHz k = 1，2 2，1010 f fc c = 2405 + 5= 2405 + 5(k(k11)MHz k = 11

20、11)MHz k = 11，1212，2626標準標準 6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準 頻帶頻帶 使用范圍使用范圍 數據傳輸率數據傳輸率 信道數信道數2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM 全世界全世界 250 kbps 16250 kbps 16868 MHz868 MHz 歐洲歐洲 20 kbps 120 kbps 1915 MHz ISM915 MHz ISM 北美北美 40 kbps 1040 kbps 10標準標準 6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準nZ-Stack中對頻道的設置中對頻道的設置標準標準 6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準n物理層

21、服務規(guī)范物理層服務規(guī)范l物理層物理層(PHY)(PHY)通過射頻連接件和硬件提供通過射頻連接件和硬件提供MACMAC層和無線物層和無線物理信道之間的接口。物理層在概念上提供理信道之間的接口。物理層在概念上提供“物理層管理物理層管理實體實體(PLME)”(PLME)”，該實體提供了用于調用物理層管理功能，該實體提供了用于調用物理層管理功能的管理服務接口。的管理服務接口。l物理層提供兩種服務：物理層提供兩種服務：l通過物理層數據服務接入點提供物理層的數據服務；通過物理層數據服務接入點提供物理層的數據服務；l通過通過PLMEPLME的服務接入點提供物理層的管理服務。的服務接入點提供物理層的管理服務。

22、標準標準 6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準2 2、物理層幀結構、物理層幀結構n前導碼由前導碼由3232個個0 0組成，用于收發(fā)器之間進行同步。組成，用于收發(fā)器之間進行同步。n幀起始定界符（幀起始定界符（SFDSFD）域由）域由8 8位組成，表示同步結束，數據位組成，表示同步結束，數據包開始傳輸。包開始傳輸。SFDSFD與前導碼構成同步頭。與前導碼構成同步頭。n幀長度由幀長度由7 7位組成，表示物理服務數據單元（位組成，表示物理服務數據單元（PSDUPSDU）的字）的字節(jié)數。幀長度域和節(jié)數。幀長度域和1 1位的保留位構成了物理頭。位的保留位構成了物理頭。nPSDUPSDU域是變長的，

23、攜帶域是變長的，攜帶PHYPHY數據包的數據，包含介質訪問數據包的數據，包含介質訪問控制協(xié)議數據單元?？刂茀f(xié)議數據單元。PSDUPSDU域是物理層的載荷。域是物理層的載荷。4字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)變變 長長前導碼前導碼SFD幀長度幀長度(7位位) 保留位保留位(1位位)PSDU同步頭同步頭物理幀頭物理幀頭PHY負載負載標準標準 6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準0 xA7 127字節(jié)承載MAC幀標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準nMACMAC層需要處理接入到物理無線信道等事務，并負責下列層需要處理接入到物理無線信道等事務，并負責下列的任務：的任務：l能產

24、生網絡信標（如果設備是協(xié)調器）能產生網絡信標（如果設備是協(xié)調器）l與信標保持同步與信標保持同步l支持支持PANPAN（個人局域網）的連接和斷開連接（個人局域網）的連接和斷開連接l支持設備的安全性支持設備的安全性l信道接入采用信道接入采用CSMA-CACSMA-CA接入機制接入機制l處理和維護處理和維護GTS(GTS(保護時隙保護時隙) )機制機制l在對等的在對等的MACMAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路（單跳）實體之間提供一個可靠的通信鏈路（單跳）nMACMAC層的幀結構層的幀結構lMACMAC層的通用幀結構由幀頭、層的通用幀結構由幀頭、MACMAC負載和幀尾構成。幀頭的負載和幀尾構成。幀頭

25、的域都以固定的順序出現域都以固定的順序出現l尋址域不一定要在所有幀都出現尋址域不一定要在所有幀都出現標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準210/20/2/80/20/2/8變長變長2幀控制幀控制序列號序列號目標目標PAN標識標識目標目標地址地址源源PAN標識標識源地址源地址幀負載幀負載FCS地址域地址域MHRMAC負載負載MFR包含幀包含幀類型定類型定義、尋義、尋址域和址域和其它控其它控制標志制標志為每個為每個幀提供幀提供唯一的唯一的序列標序列標識識接收接收方的方的唯一唯一PAN地址地址接收接收方短方短地址地址或長或長地址地址發(fā)送發(fā)送方的方的唯一唯一PAN地址地址發(fā)送發(fā)送

26、方短方短地址地址或長或長地址地址長度可長度可變，因變，因不同幀不同幀類型其類型其內容各內容各不相同不相同CRC校驗校驗碼碼 MAC幀頭幀頭 地址域（地址域（020字節(jié)）字節(jié)）n幀控制域幀控制域指明了指明了MACMAC幀的類型、地址域的格式以及是否需要幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認等控制信息。接收方確認等控制信息。0-2幀幀類類型型3安全安全允許允許標志標志4未未處理處理數據數據標志標志5請求請求確認確認6PAN內部內部標記標記7-9保保留留10-11目的目的地址地址模式模式12-13保保留留14-15源源地址地址模式模式000:信標幀信標幀001:數據幀數據幀010:確認幀確認幀

27、011:命令幀命令幀1:加密加密0:不加密不加密1:除本除本幀外，幀外，還有后還有后續(xù)數據續(xù)數據0:無后無后續(xù)數據續(xù)數據1:需要需要 確認確認0:無需無需 確認確認1:該該MAC幀在本幀在本身所屬的身所屬的PAN內內傳輸，幀地址域傳輸，幀地址域中不包含源中不包含源PAN標識符；標識符；O:該幀是傳輸到該幀是傳輸到另一個另一個PAN，幀，幀中必須包含源節(jié)中必須包含源節(jié)點和目的節(jié)點的點和目的節(jié)點的PAN標識符。標識符。00:PAN標識符和標識符和 地址子域不存在地址子域不存在01:保留保留10:16位短地址位短地址11:64位物理地址位物理地址標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層

28、標準n序列號域序列號域的長度為的長度為8 8位，它是幀的序列標識，由設備自己的位，它是幀的序列標識，由設備自己的幀序列號發(fā)生器產生，采用循環(huán)計數方式，范圍幀序列號發(fā)生器產生，采用循環(huán)計數方式，范圍0 0到到0 xFF0 xFF。接收方可以根據此序列號判斷接收的幀是否為新幀。接收方可以根據此序列號判斷接收的幀是否為新幀。n地址域地址域長度長度0 0到到2020字節(jié)，它有四個子域：字節(jié)，它有四個子域：n目的目的PANPAN標識符標識符：長度：長度1616位，是接收該幀的設備所在位，是接收該幀的設備所在PANPAN的唯一標識。當標識符為的唯一標識。當標識符為0 xFFFF0 xFFFF時，表示該幀為

29、廣播幀時，表示該幀為廣播幀，在同一信道上的所有設備都可以接收該幀。，在同一信道上的所有設備都可以接收該幀。n目的地址目的地址：是接收幀設備的地址。根據幀地址控制子域：是接收幀設備的地址。根據幀地址控制子域不同的情況，目的地址可以為不同的情況，目的地址可以為1616位或位或6464位。位。n源源PANPAN標識符標識符：長度：長度1616位，是發(fā)送該幀的設備所在位，是發(fā)送該幀的設備所在PANPAN的的唯一標識符。唯一標識符。n源地址源地址：是幀發(fā)送設備的地址。根據幀地址控制子域不：是幀發(fā)送設備的地址。根據幀地址控制子域不同的情況，目的地址為同的情況，目的地址為1616位或位或6464位。位。標準

30、標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準n有效載荷域有效載荷域即幀傳送的數據，若幀的安全控制域值為即幀傳送的數據，若幀的安全控制域值為l l，則，則載荷采用載荷采用AES-128AES-128加密方式進行處理。加密方式進行處理。nAESAES內部始終使用內部始終使用1616字節(jié)的分組長度，加密時，如果明文字字節(jié)的分組長度，加密時，如果明文字節(jié)長度不是節(jié)長度不是1616的整數倍，要填充到大于該長度的最接近的的整數倍，要填充到大于該長度的最接近的1616的倍數，但是如果剛好等于的倍數，但是如果剛好等于1616的倍數，就額外在添加一的倍數，就額外在添加一個完整的分組，也就是添加個完整的

31、分組，也就是添加1616字節(jié)。字節(jié)。 標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準n幀校驗子域幀校驗子域包含一個包含一個1616位的位的CRCCRC校驗碼。校驗碼。unsigned short do_crc(unsigned char *message, unsigned int len) int i, j; unsigned short crc_reg = 0; unsigned short current; for (i = 0; i len; i+) current = messagei 8; for (j = 0; j 8; j+) if (short)(crc_reg

32、current) 0) crc_reg = (crc_reg 1) 0 x1021; else crc_reg = 1; current = 1; return crc_reg; 標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準CRC的生成多項式：的生成多項式：x16 + x12 + x5 + 11 0001 0000 0010 0001= 0 x1021 (忽略最高位忽略最高位) 16位位CRC計算方法計算方法 1預置預置1個個16位的寄存器為十六進制位的寄存器為十六進制FFFF（即（即全為全為1）；稱此寄存器為）；稱此寄存器為CRC寄存器；寄存器；2把第一個把第一個8位二進制數據

33、（既通訊信息幀的位二進制數據（既通訊信息幀的第一個字節(jié)）與第一個字節(jié)）與16位的位的CRC寄存器的低寄存器的低8位位相異或，把結果放于相異或，把結果放于CRC寄存器；寄存器；3把把CRC寄存器的內容邏輯右移一位，并檢查寄存器的內容邏輯右移一位，并檢查右移后的移出位；右移后的移出位；4如果移出位為如果移出位為0：重復第：重復第3步（再次右移一步（再次右移一位）；如果移出位為位）；如果移出位為1：CRC寄存器與多項寄存器與多項式式1021(0001 0000 0010 0001)進行異進行異或或;5重復步驟重復步驟3和和4，直到右移，直到右移8次，這樣整個次，這樣整個8位數據全部進行了處理；位數據

34、全部進行了處理；6重復步驟重復步驟2到步驟到步驟5，進行通訊信息幀下一，進行通訊信息幀下一個字節(jié)的處理；個字節(jié)的處理；7將該通訊信息幀所有字節(jié)按上述步驟計算完將該通訊信息幀所有字節(jié)按上述步驟計算完成后，得到的成后，得到的16位位CRC。 標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準MACMAC層定義了四種幀結構，其長度不超過層定義了四種幀結構，其長度不超過127127字節(jié)：字節(jié)：l信標幀信標幀l在信標網絡中，協(xié)調器通過向網絡中的所有從設備發(fā)送信在信標網絡中，協(xié)調器通過向網絡中的所有從設備發(fā)送信標幀，以保證這些設備能夠同協(xié)調器進行同步（同步工作標幀，以保證這些設備能夠同協(xié)調器進行同

35、步（同步工作和同步休眠），以達到網絡功耗最低。和同步休眠），以達到網絡功耗最低。l非信標模式只允許終端設備進行周期性休眠，協(xié)調器和所非信標模式只允許終端設備進行周期性休眠，協(xié)調器和所有路由器必須長期處于工作狀態(tài)。有路由器必須長期處于工作狀態(tài)。2幀控制幀控制1序列號序列號4/10尋址域尋址域2超幀規(guī)范超幀規(guī)范變長變長GTS域域變長變長地址域地址域變長變長信標超載信標超載2校驗碼校驗碼MHRMAC負載負載MFRnIEEE 802.15.4 MAC協(xié)議規(guī)定，對于信標網絡，在超幀的協(xié)議規(guī)定，對于信標網絡，在超幀的第一個時隙，發(fā)送一個信標幀，如果不需要同步，則不發(fā)第一個時隙，發(fā)送一個信標幀，如果不需要同

36、步，則不發(fā)送信標幀。送信標幀。n在超幀結構中，活動時間固定不變，在超幀結構中，活動時間固定不變，CAP和和CFP可變?？勺?。n時隙長度、時隙長度、CAP時段中時隙個數等參數均由協(xié)調器設定，時段中時隙個數等參數均由協(xié)調器設定，并在信標幀中廣播到整個網絡。并在信標幀中廣播到整個網絡。n在非信標網絡中不使用在非信標網絡中不使用超幀超幀結構結構，節(jié)點節(jié)點采用采用CSMA/CA算算法法競爭訪問信道競爭訪問信道 ，每個競爭時隙為，每個競爭時隙為20個符號長度。個符號長度。標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準GTS0123456789 10 11 12 13 14 15 GTSCFPC

37、AP活動時間活動時間非活動時間非活動時間信標信標競爭訪問時間競爭訪問時間，使用帶時隙的使用帶時隙的CSMA/CA算法算法競爭信道競爭信道非競爭訪問時間非競爭訪問時間(可可選選) 使用時隙保護使用時隙保護機制機制(GTS)，留給，留給特定設備使用特定設備使用每個符號長度為每個符號長度為4bit時間時間l數據幀數據幀l數據幀由應用層發(fā)起，在數據幀由應用層發(fā)起，在ZigBee設備之間進行數據傳輸時設備之間進行數據傳輸時，要傳輸的數據由應用層生成，經過逐層數據處理后發(fā)送，要傳輸的數據由應用層生成，經過逐層數據處理后發(fā)送給給MAC層，形成層，形成MAC層服務數據單元層服務數據單元(MSDU)。通過添加。

38、通過添加MAC層幀頭信息和幀尾，便形成了完整的層幀頭信息和幀尾，便形成了完整的MAC數據幀數據幀MPDU。標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準2幀控制幀控制1序列號序列號4/10尋址域尋址域變長變長數據負載數據負載2校驗碼校驗碼MHRMAC負載負載MFRn確認幀確認幀n如果設備收到目的地址為自身地址的數據幀或命令幀，并如果設備收到目的地址為自身地址的數據幀或命令幀，并且?guī)拇_認請求位為且?guī)拇_認請求位為1，設備需要回復一個確認幀。，設備需要回復一個確認幀。n確認幀緊接著被確認的幀發(fā)送，不需要使用確認幀緊接著被確認的幀發(fā)送，不需要使用CSMA/CA機機制競爭信道。制競爭信道

39、。標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準2幀控制幀控制1序列號序列號2校驗碼校驗碼MHRMFRn命令幀命令幀nMAC命令幀由命令幀由MAC子層發(fā)起。在子層發(fā)起。在ZigBee網絡中，為了對網絡中，為了對設備的工作狀態(tài)進行控制，同網絡中的其他設備進行通信設備的工作狀態(tài)進行控制，同網絡中的其他設備進行通信，MAC層將根據命令類型生成相應的命令幀。層將根據命令類型生成相應的命令幀。標準標準 6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準2幀控制幀控制1序列號序列號4/10尋址域尋址域1命令幀標識命令幀標識變長變長命令負載命令負載2校驗碼校驗碼MHRMAC負載負載MFRn標準包括

40、標準包括n物理層物理層nMAC層層n學習要求學習要求n理解物理層的信道分配方案及任務，掌握物理理解物理層的信道分配方案及任務，掌握物理層的幀結構，各字段的作用。層的幀結構，各字段的作用。n理解理解MAC層的任務，掌握層的任務，掌握MAC層四種類型的幀層四種類型的幀結構及作用。結構及作用。標準標準 小結小結解決信道評估和數據收發(fā)問題解決信道評估和數據收發(fā)問題解決網絡接入問題解決網絡接入問題1、ZigBee的由來的由來nZigBee技術是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功技術是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網絡方案。耗、低價格的無線網絡方案。n在在ZigBee方案被提出

41、一段時間后，工作組也開始了一種低方案被提出一段時間后，工作組也開始了一種低速率無線通信標準的制定工作。最終速率無線通信標準的制定工作。最終Zigbee聯(lián)盟和工作組聯(lián)盟和工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名為為“ZigBee”。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述nZigBee的通信速率要求低于藍牙，由電池供電設備提供無的通信速率要求低于藍牙，由電池供電設備提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的情況下正線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的情況下正常工作幾

42、個月甚至幾年。常工作幾個月甚至幾年。nZigBee無線設備工作在公共頻段上無線設備工作在公共頻段上(全球、美國全球、美國915MHz、歐洲歐洲868MHz)，傳輸距離為，傳輸距離為1075m，具體數值取決于射，具體數值取決于射頻環(huán)境和特定應用條件下的輸出功耗。頻環(huán)境和特定應用條件下的輸出功耗。nZigBee的通信速率在時為的通信速率在時為250kbps，在，在915MHz時為時為40kbps，在，在868MHz時為時為20kbps。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述2、ZigBee協(xié)議框架協(xié)議框架nZigBee協(xié)議棧自上而下由應用層（

43、包括應用子層、應用架協(xié)議棧自上而下由應用層（包括應用子層、應用架構和構和ZigBee設備對象）、網絡層、設備對象）、網絡層、MAC層和物理層組成。層和物理層組成。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述應用應用對象對象1應用應用對象對象240應用架構應用架構AF應用子層應用子層APS網絡層網絡層WNKMAC層層物理層物理層PHYZigBee設備設備對象對象ZDO應用層應用層IEEE802.15.4ZigBee聯(lián)盟聯(lián)盟n特殊應用對象特殊應用對象n應用對象應用對象0：用于整個：用于整個ZigBee設備的配置和管設備的配置和管理，附屬于對象理，附

44、屬于對象0的對象稱為的對象稱為ZigBee設備對象設備對象(ZDO)。n應用對象應用對象255：用于對所有對象的廣播：用于對所有對象的廣播n應用對象應用對象241254：保留：保留6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述nZigBee協(xié)議主要界定了網絡、安全和應用框架層。協(xié)議主要界定了網絡、安全和應用框架層。n支持三種拓撲結構：支持三種拓撲結構：n星型星型(Star)結構，可提供很長時間的電池使用壽命。結構，可提供很長時間的電池使用壽命。n網狀網狀(Mesh)結構，有多條傳輸路徑，具有較高的可靠性。結構，有多條傳輸路徑，具有較高的可靠性。n

45、簇樹型簇樹型(Cluster Tree)結構，結合了星型和網狀型結構，既結構，結合了星型和網狀型結構，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述星型星型網狀型網狀型簇狀型簇狀型協(xié)調器協(xié)調器路由器路由器終端設備終端設備n按節(jié)點在網絡中擔當的角色按節(jié)點在網絡中擔當的角色n協(xié)調器協(xié)調器負責發(fā)起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設負責發(fā)起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設備加入網絡。備加入網絡。n路由器路由器支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發(fā)。支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發(fā)。n終端設

46、備終端設備是網絡的感知者和執(zhí)行者，負責數據采集和可是網絡的感知者和執(zhí)行者，負責數據采集和可執(zhí)行的網絡動作。執(zhí)行的網絡動作。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n按節(jié)點的復雜程度按節(jié)點的復雜程度n全功能設備（全功能設備（FFDFFD）是一種功能完備的設備，可完成是一種功能完備的設備，可完成路由任務，充當網絡協(xié)調器。它可與其它的功能完備路由任務，充當網絡協(xié)調器。它可與其它的功能完備型設備或功能簡化型設備連接通信，一般接有線電源。型設備或功能簡化型設備連接通信，一般接有線電源。n簡化功能設備（簡化功能設備（RFDRFD）是網絡中簡單的發(fā)送接收

47、節(jié)點，是網絡中簡單的發(fā)送接收節(jié)點，它一般由電池供電，只與功能完備型設備連接通信。它一般由電池供電，只與功能完備型設備連接通信。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n星型拓撲結構星型拓撲結構l由一個協(xié)調器和多個從設備組成，主協(xié)調器必須為一個由一個協(xié)調器和多個從設備組成，主協(xié)調器必須為一個FFD，從設備既可為，從設備既可為FFD也可為也可為RFD。l在任何一個拓撲網絡上，所有設備都有唯一的在任何一個拓撲網絡上，所有設備都有唯一的64位長地址位長地址（IEEE地址）和一個地址）和一個16位的短地址。位的短地址。l短地址是一個相對地址，長地址是

48、一個絕對地址。短地址是一個相對地址，長地址是一個絕對地址。l在在ZigBee技術應用中，技術應用中，PAN主協(xié)調器是主要的耗能設備，主協(xié)調器是主要的耗能設備，其他從設備均采用電池供電。其他從設備均采用電池供電。lZigBee技術的星型拓撲結構通常在家庭自動化、技術的星型拓撲結構通常在家庭自動化、PC外圍外圍設備、玩具、游戲以及個人健康檢查等方面得到應用。設備、玩具、游戲以及個人健康檢查等方面得到應用。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n網狀拓撲結構網狀拓撲結構n同樣也存一個協(xié)調器作為主設備，但不同于星型網絡，在同樣也存一個協(xié)調器作為主

49、設備，但不同于星型網絡，在網狀網絡中的任何一個設備，只要是在它的通信范圍內，網狀網絡中的任何一個設備，只要是在它的通信范圍內，就可以和其它設備通信。就可以和其它設備通信。n網狀網絡能夠構成較為復雜的網絡結構。網狀網絡能夠構成較為復雜的網絡結構。n一個對等網絡的路由協(xié)議可以是基于一個對等網絡的路由協(xié)議可以是基于Ad hoc技術的，也可技術的，也可以是自組織式的和自恢復的，并且，在網絡中各個設備之以是自組織式的和自恢復的，并且，在網絡中各個設備之間發(fā)送消息時，可通過多個中間設備中繼的方式進行傳輸間發(fā)送消息時，可通過多個中間設備中繼的方式進行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式，以增大網絡的覆蓋范圍。，即

50、通常稱為多跳的傳輸方式，以增大網絡的覆蓋范圍。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n樹狀拓撲結構樹狀拓撲結構n由一個協(xié)調器，多個路由器和多個終端設備組成，由一個協(xié)調器，多個路由器和多個終端設備組成，n在建立一個網絡時，主協(xié)調器將其自身設置成簇標識符為在建立一個網絡時，主協(xié)調器將其自身設置成簇標識符為0的簇頭，選擇一個沒有使用的的簇頭，選擇一個沒有使用的PAN標識符，并向鄰近設備標識符，并向鄰近設備以廣播的形式發(fā)送信標幀，從而形成第一簇網絡。以廣播的形式發(fā)送信標幀，從而形成第一簇網絡。n收到信標幀的設備在簇頭中請求加入該網絡，如果協(xié)調器收

51、到信標幀的設備在簇頭中請求加入該網絡，如果協(xié)調器允許加入，那么主協(xié)調器會將該設備作為其子節(jié)點加到它允許加入，那么主協(xié)調器會將該設備作為其子節(jié)點加到它的的鄰近表鄰近表中，同時，請求加入的設備將主協(xié)調器作為它的中，同時，請求加入的設備將主協(xié)調器作為它的父節(jié)點加到鄰近列表中，成為該網絡中的一個從設備；同父節(jié)點加到鄰近列表中，成為該網絡中的一個從設備；同樣，其他的所有候選設備都按照同樣的方式，請求加入到樣，其他的所有候選設備都按照同樣的方式，請求加入到該網絡中，作為網絡的從設備。該網絡中，作為網絡的從設備。n樹狀網絡結構的優(yōu)點在于可以增加網絡的覆蓋范圍，缺點樹狀網絡結構的優(yōu)點在于可以增加網絡的覆蓋范圍

52、，缺點是會增加傳輸信息的延遲時間。是會增加傳輸信息的延遲時間。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述3、ZigBee的技術特點的技術特點(1)數據傳輸速率低數據傳輸速率低: (20250kbps)，專注于低速應用。，專注于低速應用。(2)有效范圍?。河行Х秶。河行Ц采w范圍有效覆蓋范圍1075m之間。之間。(3)工作頻段靈活：工作頻段靈活：使用的頻段分別為使用的頻段分別為2.4GHz (全球全球) 、868MHz(歐洲歐洲)及及915MHz(北美北美)，均為，均為ISM頻段。頻段。(4)省電：省電：由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及

53、采由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，用了休眠模式，ZigBee可確保兩節(jié)五號電池支持長達可確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月至個月至2年左右的使用時間。年左右的使用時間。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述(5) 可靠：可靠：采用碰撞避免機制，避免發(fā)送時的競爭和沖突。采用碰撞避免機制，避免發(fā)送時的競爭和沖突。(6) 成本低：成本低：由于數據傳輸速率低，協(xié)議簡單，降低了成本，由于數據傳輸速率低，協(xié)議簡單，降低了成本，另外使用另外使用ZigBee協(xié)議可免專利費。協(xié)議可免專利費。(7) 時延短：時延短：設備搜索時延的典型值為

54、設備搜索時延的典型值為30ms，休眠激活時延，休眠激活時延的典型值是的典型值是15ms，活動設備信道接入時延為，活動設備信道接入時延為15ms。(8) 網絡容量大：網絡容量大：一個一個ZigBee網絡可容納多達網絡可容納多達254個從設備和個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可同時布置多達一個主設備，一個區(qū)域內可同時布置多達100個個ZigBee網絡。網絡。(9) 安全：安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和認證功能，加密提供了數據完整性檢查和認證功能，加密算法采用算法采用AES-128，應用層安全屬性可根據需求配置。，應用層安全屬性可根據需求配置。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.

55、1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述1、ZigBee網絡層（網絡層（NWK）功能）功能n節(jié)點加入、離開網絡的管理；節(jié)點加入、離開網絡的管理；n幀的安全機制管理幀的安全機制管理n根據路由發(fā)送幀到目的節(jié)點根據路由發(fā)送幀到目的節(jié)點n發(fā)現和維護路由發(fā)現和維護路由n發(fā)現鄰居節(jié)點和維護鄰居節(jié)點信息發(fā)現鄰居節(jié)點和維護鄰居節(jié)點信息ZigBee執(zhí)行基于用于執(zhí)行基于用于AODV專用網絡的路由協(xié)議。專用網絡的路由協(xié)議。6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.2 6.3.2 網絡層規(guī)范網絡層規(guī)范2 2、網絡層向應用層提供的服務、網絡層向應用層提供的服務l網絡層數據實體網絡層數據實體(NLDE)(NL

56、DE)提供數據傳輸服務提供數據傳輸服務l網絡層管理實體網絡層管理實體(NLME)(NLME)提供網絡管理服務提供網絡管理服務6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.2 6.3.2 網絡層規(guī)范網絡層規(guī)范l網絡層數據實體網絡層數據實體 提供數據傳輸服務提供數據傳輸服務l符合按照應用協(xié)議數據單元符合按照應用協(xié)議數據單元(APDU)(APDU)的格式的格式l在同一個網絡中的單個或多個設備之間傳送在同一個網絡中的單個或多個設備之間傳送 l傳送目標可以是終端設備，也可以是中間設備傳送目標可以是終端設備，也可以是中間設備l應用協(xié)議數據單元應用協(xié)議數據單元(Application Protocol Da

57、ta Unit ，APDU)6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.2 6.3.2 網絡層規(guī)范網絡層規(guī)范APDU頭頭地址信息地址信息APDU有效負載有效負載4字節(jié)字節(jié)16字節(jié)字節(jié)可變長度可變長度命令信息命令信息數據源和目標數據源和目標的的IEEE地址地址有效數據，如有效數據，如測量值等。測量值等。l網絡層管理實體網絡層管理實體 提供網絡管理服務提供網絡管理服務l配置一個新的設備配置一個新的設備: : 對設備初始化對設備初始化l加入或離開網絡加入或離開網絡 l尋址尋址: : 協(xié)調器和路由器為新入網絡設備分配地址協(xié)調器和路由器為新入網絡設備分配地址l鄰居發(fā)現鄰居發(fā)現: : 發(fā)現、記錄和匯報一

58、跳鄰居設備的信息發(fā)現、記錄和匯報一跳鄰居設備的信息l接收控制接收控制: : 控制接收機的接收狀態(tài)控制接收機的接收狀態(tài)6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.2 6.3.2 網絡層規(guī)范網絡層規(guī)范3 3、ZigBeeZigBee網絡層的幀結構網絡層的幀結構l幀控制域：幀控制域： 包括幀種類、尋址等控制標志位包括幀種類、尋址等控制標志位l目標地址域：目標地址域：存放目標設備的短地址或廣播地址存放目標設備的短地址或廣播地址(0 xffff)(0 xffff)l源地址域：源地址域： 存放發(fā)送設備自己的短地址存放發(fā)送設備自己的短地址l半徑域：半徑域： 傳輸半徑（傳輸半徑（跳數跳數）l序列號域：序列號

59、域： 每次發(fā)送幀時加每次發(fā)送幀時加1 1l幀負載域：幀負載域： 長度可變長度可變6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.2 6.3.2 網絡層規(guī)范網絡層規(guī)范2字節(jié)字節(jié)幀控制幀控制2目標地址目標地址2源地址源地址1半徑半徑1序列號序列號變長變長幀負載幀負載路由域路由域幀頭幀頭6.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 6.3.2 6.3.2 網絡層規(guī)范網絡層規(guī)范4 4、協(xié)調器組網過程、協(xié)調器組網過程掃描信道掃描信道指定指定PANID？是是否否是是否否有沖突？有沖突？返回錯誤信息返回錯誤信息選擇合適的選擇合適的PANID返回成功信息返回成功信息現在網絡中有現在網絡中有幾個節(jié)點？幾個節(jié)點？如何指定如

60、何指定 PANID？指定：指定：0 0 x3FFF未指定：未指定：0 xFFFF僅協(xié)調器僅協(xié)調器1個節(jié)點個節(jié)點短地址設為短地址設為05、設備加入網絡、設備加入網絡子設備子設備父設備父設備子設備發(fā)送信標請求命令幀子設備發(fā)送信標請求命令幀父設備發(fā)送信標幀父設備發(fā)送信標幀子設備發(fā)送連接請求命令幀子設備發(fā)送連接請求命令幀父設備發(fā)送父設備發(fā)送ACK應答幀，若允許入網，則未應答幀，若允許入網，則未處理數據位置處理數據位置1，否則置，否則置0.若若ACK幀中未處理數據位為幀中未處理數據位為1，則，則子設備發(fā)送上位數據請求命令幀子設備發(fā)送上位數據請求命令幀父設備發(fā)送該設備所對應的父設備發(fā)送該設備所對應的連接響