ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)課件

1、第3章 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)第1頁(yè)，共36頁(yè)。本章內(nèi)容簡(jiǎn)介ZigBee標(biāo)準(zhǔn)概述ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee協(xié)議框架ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范ZigBee應(yīng)用層規(guī)范ZigBee安全服務(wù)規(guī)范 2第2頁(yè)，共36頁(yè)。3.1 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)概述ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是一種新興的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它是基于IEEE 802.15.4協(xié)議棧，主要針對(duì)低速率的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。它功耗低，是最具有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無線方式。它和2.4GHz頻帶提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps，915MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為40 kbps，而868 MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kbps。3第3頁(yè)，

2、共36頁(yè)。3.1 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)概述ZigBee體系結(jié)構(gòu)如圖所示。4第4頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國(guó)流行)3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在1075m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。第5頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：第6頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（1）功耗低。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短、收發(fā)數(shù)據(jù)信息功

3、耗低，且使用了休眠模式（當(dāng)不需接收數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)由“協(xié)調(diào)器”喚醒它們），因此，ZigBee技術(shù)特別省電，據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其他無線設(shè)備望塵莫及的避免了頻繁更換電池或充電，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)負(fù)擔(dān)。第7頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（2）成本低。由于ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)練，所以其研發(fā)和生產(chǎn)成本較低。普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件只需8位微處理器，4-32KB的ROM，且軟件實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單。隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，ZigBee通信模塊價(jià)格預(yù)計(jì)能降到10元RMB，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBe

4、e也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。第8頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（3）可靠高。由于采用了碰撞避免機(jī)制并且為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，且MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，所以從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。第9頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（4）容量大。1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，1個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。第10頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（5）時(shí)延小。ZigBee技術(shù)

5、與藍(lán)牙技術(shù)的時(shí)延相比，其各項(xiàng)指標(biāo)值都非常小。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，而藍(lán)牙為3-10s。休眠激活的時(shí)延是15ms， 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。第11頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（6）安全性好。ZigBee技術(shù)提高了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法使用AES-128，且各應(yīng)用可以靈活地確定安全屬性，從而使網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到有效的保障。第12頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（7）有效范圍小。有效覆蓋范圍10 m75 m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大

6、小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。第13頁(yè)，共36頁(yè)。3.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)（8）兼容性。ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽沖突檢測(cè)(CSMACA)方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。第14頁(yè)，共36頁(yè)。3.3 ZigBee協(xié)議框架ZigBee堆棧是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE802.15.4(該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全

7、服務(wù)提供層。如圖所示為組件的概況。第15頁(yè)，共36頁(yè)。3.3 ZigBee協(xié)議框架ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口等由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層和MAC 層由IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)定義。802. 15. 4 定義的是PHY和MAC 層。在MAC 子層上面提供與上層的接口，可以直接與網(wǎng)絡(luò)層連接，或者通過中間子層SSCS 和LLC 實(shí)現(xiàn)連接。第16頁(yè)，共36頁(yè)。3.3 ZigBee協(xié)議框架ZigBee聯(lián)盟在802. 15. 4 基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層.其中安全層（Security）主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應(yīng)用程序接口負(fù)責(zé)向用戶提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口（API

8、），包括應(yīng)用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZigBee Device Object，ZDO）等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理。第17頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層參考模型及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入、離開、路由查找和傳送數(shù)據(jù)等功能。目前ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層主要支持兩種路由算法即樹路由(Cluster-Tree) 和網(wǎng)狀網(wǎng)路由。支持星形(Star) 、樹形( Cluster-Tree) 、網(wǎng)格( Mesh) 等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示。第18頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一般包括三

9、種設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器和末端節(jié)點(diǎn)。第19頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范概述ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由、傳送數(shù)據(jù)及安全這些不可或缺的任務(wù)，支持星形(Star) 、樹形(Cluster- Tree) 、網(wǎng)格(Mesh) 等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).MAC子層的參考模型。第20頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范為了滿足應(yīng)用層的要求，ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層劃分為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE) 和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NlME)，NLDE 提供相關(guān)的SAP 的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而NLME 則提供經(jīng)由相關(guān)的SAP

10、的管理服務(wù)。 第21頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層提供了兩種服務(wù)，可以通過兩個(gè)服務(wù)存取點(diǎn)（SAP）分別進(jìn)行訪問。這個(gè)兩個(gè)服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)。第22頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范前者可以通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)存取點(diǎn)（NLDE-SAP）進(jìn)行訪問，后者則可以通過網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)存取點(diǎn)（NLME-SAP）進(jìn)行訪問。這兩個(gè)服務(wù)與MCPS-SAP和MLME-SAP一起組成了應(yīng)用層和MAC子層間的接口。除了這些外部接口，在網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部，NLME和NLDE之間也存在一個(gè)接口。NLME可以通過它訪問網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)。第23頁(yè)，共36頁(yè)。3.4

11、 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)層的幀是由網(wǎng)絡(luò)層幀頭和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載組成。幀頭部分域的順序是固定的，但是根據(jù)具體情況，其他所有域不一定必須包含，如表所示。第24頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層功能網(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)備連接和斷開網(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用的安全性機(jī)制。第25頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。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)結(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè)ZigBee協(xié)議器創(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)層還提供

12、一些必要的函數(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。第26頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括以下八個(gè)方面：通過添加恰當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭能夠從應(yīng)用層生成網(wǎng)絡(luò)層的PDU ，即NPDU。確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。配置一個(gè)新的設(shè)備，可以是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也可以向存在的網(wǎng)絡(luò)中加入設(shè)備。 建立并啟動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)。第27頁(yè)，共36頁(yè)。3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范加入或離開網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 的協(xié)調(diào)器和路由能為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址。發(fā)現(xiàn)并記錄鄰居表、路由表.信息的接收控制，同步MAC 子層或直接接受信息。第28頁(yè)，共36頁(yè)。3.5 ZigBee應(yīng)用層規(guī)范ZigBee

13、協(xié)議棧的層結(jié)構(gòu)包括IEEE802.15.4媒體接入控制層（MAC）和物理層（PHY），以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)層。每一層通過提供特定的服務(wù)完成相應(yīng)的功能。其中，ZigBee應(yīng)用層包括APS子層、ZDO（包括ZDO管理層）以及用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象。APS子層的任務(wù)包括維護(hù)綁定表和綁定設(shè)備間消息傳輸。所謂的綁定指的是根據(jù)兩個(gè)設(shè)備所提供的服務(wù)和它們的需求而將兩個(gè)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。第29頁(yè)，共36頁(yè)。3.5 ZigBee應(yīng)用層規(guī)范ZigBee 應(yīng)用層有三個(gè)組成部分，包括應(yīng)用支持子層APS、應(yīng)用框架AF、ZigBee 設(shè)備對(duì)象ZDO。它們共同為各應(yīng)用開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口，規(guī)定了與應(yīng)用相關(guān)的功能，如端點(diǎn)( End

14、point) 的規(guī)定，綁定( Binding) 、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和設(shè)備發(fā)現(xiàn)等等。第30頁(yè)，共36頁(yè)。3.5 ZigBee應(yīng)用層規(guī)范( 1) 應(yīng)用支持子層APS。APS 層主要作用包括: 協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU 的處理，APSDE 提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，APSME 提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，并維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。第31頁(yè)，共36頁(yè)。3.5 ZigBee應(yīng)用層規(guī)范( 2) 應(yīng)用框架AF。在ZigBee應(yīng)用中，應(yīng)用框架AF( Application Framework)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，

15、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)。第32頁(yè)，共36頁(yè)。3.5 ZigBee應(yīng)用層規(guī)范( 3) ZigBee 設(shè)備對(duì)象ZDO。ZDO 實(shí)際上是介于應(yīng)用層端點(diǎn)和應(yīng)用支持子層中間的端點(diǎn)，其主要功能集中在網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)上。應(yīng)用層的端點(diǎn)可以通過ZDO 提供的功能來獲取網(wǎng)絡(luò)或者是其他節(jié)點(diǎn)的信息，包括網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和狀態(tài)以及其他節(jié)點(diǎn)的類型和提供的服務(wù)等信息。第33頁(yè)，共36頁(yè)。3.6 ZigBee安全服務(wù)規(guī)范ZigBee 設(shè)備之間的通信使用IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)指定物理層(PHY)和媒介存取控制層(MAC)兩層規(guī)范。而ZigBee規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)標(biāo)準(zhǔn)。各層規(guī)范功能分別為：第34頁(yè)，共36頁(yè)。3.6 ZigBee安全服務(wù)規(guī)范