（电路与系统专业论文）基于ZigBee技术的星型网的实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于z i g b e e 技术的星型网的实现 电路与系统 硕士生：陈镇利 指导老师：黄晓副教授 摘要 z i g b e e 技术是一种具有统技术标准的短距离无线通信技术，具有成本低、 体积小、功耗小、低速率及组网灵活等特点，主要是用在低速无线个域网( l o w r a t e - w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，l r - w p a n ) ，比如智能家居、建筑自动化 和工业监控等领域。 z i g b e e 技术是在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础上建立的，它的p h y 层和m a c 层 是i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的，它的网络层、应用支持子层由z i 翊e e 技术联盟制 定，而具体的应用层则是根据用户自己的需要而开发的。 作为- - f 7 新兴的技术，z i r ；b e e 技术已经在国内外引起了不少人的关注， z i g , b e e 联盟目前已经拥有2 2 0 多个成员。本课题正是看到了z i g b e e 技术的蓬勃 发展，开始对z i g b e e 技术进行研究。由于本实验室初次涉及z i 幽技术的研究， 本课题从z i g b e e 的协议栈开始，深入理解z i g b e e 技术的整个工作流程以及各个 层的功熊；采用p i c l 8 l f 4 6 2 0 单片机和c c 2 4 2 0 无线收发模块作为硬件平台，在 m i r c o c h i p 的精简z i g b e e 协议栈上着手组建个包含多个节点的z i g b e e 无线星 型网络；本课题的最后部分还提出了一种不完全符合z i g b e e 协议规范的树型网 络的设计思路。 通信测试表明，本课题所设计组建的无线星型网络工作稳定，能够用于一些 小型的任务中( 比如小型的无线传感网络) 。为了完善和提高网络的性能，未来还 将做进一步的改进。 关键词：i e e e 8 0 2 1 5 4 ，z i g b e e ，p i c l 8 l f 4 6 2 0 ，c c 2 4 2 0 ，星型网 h i m p l e m e n t a t i o n o f z i g b e es t a rn e t w o r k c i r c l i i ta n ds y s t e m n a m e ：z h e n l ic h e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i a oh u a n g a b s t r a e t z i g b e ei s as h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i l hu n i f o r m s t a n d a r d i ti sc h a r a c t e r i z e db yi t sl o wc o s t , l o wp o w e fc o n s u m p t i o n , l o wd a t ar a t ea n d n e t w o r kf l e x i b i l i t y w i t ht h e s ec h a r a c t e r si nm i n d , t h i ss t a n d a r di sm a i n l yu s e di n l r - w p a n ( l o wr a t e - w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) s u c ha sh o m ec o n t r o l , b u i l d i n ga u t o m a t i o n , m d 璐t r i a la u t o m a t i o na n d s oo i l t h ez i g b e es t a n d a r di sb a s e do ni e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r d i e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r d 刚d e st h ed e f i n i t i o nf o rp h y s i c a ll a y e r ( p r y ) a n dm e d i u ma 渊l a y e r ( m a c ) u p o nt h ep h y a n dm a c , t h ez i g e e ea l l i a n c es d 嚏t h es t a n d a r d sf o rn e t w o r kl a y e r 讲w k ) a n da p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ( a p s ) u s e r s 啪d 吖d o p t h e i ro w n a p p l i c a t i o n l a y e rt os a t i s f yd i f f e r e n tn e e d s a san 删t e c h n o l o g y , z i g b e eg e t se n o u g ha t t e n t i o nf r o mm a n yc o m p a n i e sa n d i n s t i t u t e sa th o m ea n da b r o a d t h ez i g s e ca l l i a n c eh a sm o r et h a n2 2 0m e m b e r sn o w b e c a u s ew es t h eb r i g h tf u t u r eo fz i g b t e c h n o l o g y , w es t a r to u rr e s e a r c ho ni t l a c ko fe x p e r i e n c e , w e 蛐o u rr e s e a r c hw i t ht h ez i g b s p e c i f i c a t i o n w ef i r s t a n a l y z et h es p e c i f i c a t i o nd e e p l y , m d e r s t a n dh o wi tw o d ( s t h e nw ei m p l e m e n ta z i g b e es t a rn e t w o r k t h en e t w o r ki sb a s e do nar e d u c e dz i g b e ep r o t o c o ld e v e l o p e d b ym i c r o c h i pc o m p a n y a n dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mw eu s ei s p i c l 8 l f 4 6 2 0 c o n t r o l l e rp l u sc c 2 4 2 0 乜a n s c e i v 既w ea l s op r e s e n tam e t h o do fb u i l d i n gat r e e n e t w o r kw h i c hi sn o tc o m p l e t e l yc o m p a t i b l ew i t ht h ez i g b e es p e c i f i c a t i o ni nt h el a s t m p a r to f o u rt h e s i s t h ec o m m u n i c a t i o nt e s tw e ) d os h o w st h a to u rs t a rn e t w o r kw o r k sn o r m a l l ya n d c a nb eu s e di n8 0 m es m a l lt a s k s ( s u c ha sas m a l lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) t h e n e t w o r kw i l lb ef u r t h e l i m p r o v e di nt h ef u t u r et oe 1 3 h a n c ea n di m p r o v et h en e t w o r k p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 1 5 4 ，z i g b ，p i c l 8 l f 4 6 2 0 ，c c 2 4 2 0 ，s t a rn e t w o r k i v 第1 章绪论 第1 章绪论 无线个人区域网络( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，w p a n ) 被认为是2 l 世 纪最重要的技术之一目前用于设计无线个人网络的主要技术有蓝牙 ( b l u e t o o t h ) ，h o m e r f 、红外( i r d a ) 和z i g s e e ，在设计w p a n 时，要根据实际应 用场合的特点，选择合适的技术。z i g b e e 技术主要是用在智能家居、家庭护理、 建筑自动化和工业监控等领域。本论文主要研究z i g b e e 协议，并给出无线网络 的具体设计及实现方案 1 1 z i g b e e 技术产生背景及其应用范围 1 1 1 z i g b e e 技术产生的背景 随着科学技术的发展，无线技术逐渐取代有线技术，仅支持静态固定拓扑的 无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络取代。在短距离的无线控制、监 测、数据传输领域，通用的技术有i r d a 、蓝牙、h o m e r f 等，它们各有自己的 优势，但同时也存在着许多缺陷。 比如i r d a 主要缺陷 4 1 有两点：一、i r d a 是一种视距传输技术；二、i r d a 设备中的核心部件一红外线l e d 不是一种十分耐用的器件。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 对于工业，家庭自动化控制和遥测遥控等领域的应用而言， 则表现出太复杂，功耗大，组网规模太小等缺点【7 】。 h o m e r f 则是主要针对家庭网络而言，而且h o m e r f 也存在着组网规模小及 技术不公开等缺陷。 为了弥补上述协议的不足，由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国 摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司组成的z i g b e e 联盟( z i g b 联盟目前拥有 2 2 0 多个成员) 于2 0 0 4 年1 2 月中旬推出基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 协议栈。 z i g s e e 短距离低速无线个域网( l o wr a t e - w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ， 第l 章绪论 l r - w p a n ) 不仅具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点；而且具有可 靠性高，组网简单，灵活等优势。 1 1 2 z i g b e e 的技术特点 z i g s e e 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其p h y 层和 m a c 层协议为i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层由z i g b e e 技术联盟制定，应用 层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此z i g s e e 技术 能够最大限度的为用户提供机动的、灵活的组网方式 z i g s e e 技术的主要特点： 1 z i g b c e 的工作频段灵活。z i g n e e 有三个工作频段，这三个工作频段组 距较大，而且在各频段上的信道的数目也不同。这三个频道分别是 8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中8 6 8 m i - i z 使用1 个信道，其最大的 传输速率为2 0 k b p s ；9 1 5 i v i i - i z 使用l o 个信道，最大的传输速率为4 0 k b p s ； 2 4 g h z 使用1 6 个信道。最大的传输速率可以达到2 5 0 k p b s 。 2 z i g b e e 的功耗低。作为z i g e e e 的终端设备，其功耗在通信状态下为几 十个m w ，面在省电的状态下可以达到几十个u w 。 3 组网性能优越z i g s e e 设备可构造为星型网络、树型网络和网状网络。 在每一个z i g s e e 组成的无线网络内，连接地址码分为1 6 b i t 短地址或者 6 4 b i t 长地址，可容纳的最大设备个数分别为2 撕个和2 斟个，具有较大 的网络容量。 4 高抗干扰性和高保密性。z i g b e e 采用免冲突多载波信道接入( c s m a - c a ) 方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的 可靠性，建立了完整的应答通信协议。在保密性方向，z i g b e e 技术采用 了密钥长度为1 2 8 位的加密算法，对所传输的数据进行加密处理。 5 低成本。z i g e e e 芯片目前的成本是在3 美元左右，它的最终目标是将成 本控制在1 美元以下。 2 第1 章绪论 利用z i g , b e e 技术组成的无线个人局域网( w r a n ) 是一种低速率的无线个人 区域网络( l r - w p a n ) ，这种低速率无线个人区域网络的结构简单、成本低廉， 具有有限的功率和灵活的吞量。z i g b e e 网络的主要目标就是实现安装容易、数 据传输可靠、短距离通信、低成本以及低功耗。 在一个z i g b e e 网络中，根据用户的需要，可以同时存在两种不同的类型的 设备隅】：一种是具有完整功能的设备( f f o ) ，其功能较强，相对的，所需要的资 源也比较；另一种是简化功能的设备( r f o ) ，它的应用非常简单、容易实现，有 时只一个开关，r f d 通常只需要较小的资源和空间。在网络中，f f d 主要是作 为协调器或者是路由器；而r f d 则是作为终端设备一个f f d 可以同时和多个 f f d 或r f d 通信，而对于一个r f d 来说，它只能和一个f f d 通信。 根据应用的需求，z i g , b e e 技术网络有三种网络拓扑：星型网络、树型网络 和网状网络。在任何一种拓扑网络中，所有设备都有一个唯一的“位的长地址， 该地址可以在p a n 中用于直接通信；当设备加入到网络中时，协调器会分配给 每一个设备一个1 6 位的短地址( 协调器的短地址默认为0 x 0 0 0 0 ) ，因此，短地址 是一个相对地址，长地址是一个绝对地址。 三种网络的拓扑结构如图1 1 ： 图1 1 三种网络的拓扑结构 星型网络由一个叫做p a n 协调器的中央控制器和多个从设备组成，协调器 必须是一个f f d 设备，从设备既可以是一个f f d ，也可以是一个r f d 。在实际 的应用中，可以根据具体的应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网 络。所有数据的转发都必须是协调器为中转，端设备之问不能直接通信。 第1 章绪论 树型网络的特点是：以网络协调器为中心，存在多个路由器，其中协调器和 路由器必须是f f d 设备，而端设备可以f f d ，也可以r f d 。在树型网络中，虽 然存在着路由功能，但是路由一般只沿着树结构进行，即数据的传送只沿着树结 构进行。 最后一种网络是网状网络。网状网络的最大特点就是：在该网络中的任何一 个路由器只要是在它的通信范围之内，就可以和其他的设备进行通信。网状网络 能够构成较为复杂性的网络结构，其路由协议可以是基于a dh o e 技术的，也可 以是自组织式的和自恢复式的，并且，在网络中的各个设备之间发送消息时，可 通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，以增大网络的覆盖范围。 z i g b e * 应用领域主要有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医 疗照护等，可搭配之应用产品则有家电产品、消费性电子、p c 周边产品与感测 器等，提供家电感测、无线p c 周边控制、家电遥控等功能。 在家庭自动化领域，涵盖项目有照明、温度、安全、控制等。z i g b e 圯模组 可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏枫、门禁系统、空调系统和其它 家电产品等，例如在灯泡中装置z i g b 模组，则人们要开灯，就不需要走到墙 壁开关处，直接透过遥控便可开灯。藉由z i g b 可以收集家庭各种资讯，传送 到中央控制设备，或是藉由遥控达到远端控制之目的，提供家居生活更朝向自动 化、网路化与智慧化，以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。 在工业领域，透过z i g b 网路自动收集各种资讯，并将资讯回馈到系统进 行资料处理与分析，以利工厂整体资讯之掌握，例如火警的感铡和通知，照明系 统之感测，生产机台之流程控制等，都可藉由z i g b e 网路提供相关资讯，以达 到工业与环境控制之目的。 总之，只要符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用z i g b e e 技术做无线 传输： ( 1 )需要数据采集或监控的网点多； ( 2 )要求传输的数据量不大，而要求设备成本低； 4 第l 章绪论 ( 3 )要求数据传输可性高，安全性高； ( 4 )设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； ( 5 ) 电池供电： ( 6 )地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖； ( 7 ) 现有移动网络的覆盖盲区； ( 8 )使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。 ( 9 )使用6 p s 效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。 1 2z i g b e e 技术的研究现状和课题的提出 作为- f - j 新兴的技术，z i g b 技术已经在国内外引起了不少人的关注，世 界上各大公司和组织普遍看好z i g b 技术及其未来的应用潜力和价值，并且涉 足到z i g b 技术的研究开发。到目前为止，许多公司和生产商也已经陆续推出 了自己的产品和开发系统，如飞思卡尔的m c l 3 1 9 2 、c h i p c o n 公司的 c c 2 4 2 0 2 4 3 0 ，a t m e l 公司的a t 8 6 r f 2 1 0 等，其发展速度之快，远远超出了人们 的想象。 然而，尽管在芯片的开发上，z i g b e e 技术的发展已经有了超乎想象的发展， 但在实际的z i g b e e 无线网络的设计和组建方面却存在着相对滞后的现象目前 关于z i g b e e 无线网络组建的研究大多都只是停留在应用方案以及组网方案的提 出，并未有真正的涉及到具体网络的搭建方面，而真正成熟的、可以应用到实际 的工业现场的z i g , b e e 网络是很有限的。再者，由于z i 班e e 本身是一种新的系 统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术 结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都 有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止， z i g b e e 无线网络还处于发展的状态。 尽管如此，由于z i g b 技术本身的技术特点，我们还是对z i g , b e e 技术充满 信心z i g b e e 技术和r f i d 技术2 0 0 4 年就被列为当今世界发展最快，市场前景 最广阔的十大最新技术中的两个。从2 0 0 4 年底z i g b e e 联盟发布了1 0 版本规范 开始，到2 0 0 5 年全球z i g b e e 芯片出货已达1 0 0 万片，预测2 0 0 7 年z i g s e e 设备 第l 章绪论 市场与配件收益计算的增长将达8 0 亿美元 也正因为我们看到了z i g b 技术的蓬勃发展以及它在无线网络组建方面的 相对滞后，本课题在黄晓老师的指导下，开始了对z i g b 无线网络的研究及组 建。本课题的研究策略是先易后难，逐步深入从深入研究z i g b 的协议栈开 始，先实现最基本的星型网络，再在星型网络的基础之上，进一步研究树型网络， 最终的目标是实现最复杂的网状网络。 本课题的主要研究内容包括以下三个方面： ( 1 )通过对z i 曲技术的学习研究，深刻理解z i g b e e 协议的整个工作流 程以及各个层的功能这一部分的学习研究结果，可以作为实验室的 资源，作为实验室继续深入学习研究z i g b 网络的参考资料。 ( 2 )通过深刻理解z i 曲协议，最终实现z i g b 无线网络的组建。如前 所述，z i g ；b 技术有三种拓扑结构，其中以星型网络最为简单。由于 我们实验室是初次涉及z i g b 技术的研究，一下子实现树型网络和网 状网络对于本课题而言显然有困难，因此，本课题研究重点会放在一 个多节点的星型网络的组建上面。 ( 3 )在星型网络的组建成功的基础上，对网络的各方面性能进行测试并完 善网络，使之成为一个相对成熟的、性能优越的无线网络。 ( 4 )在星型网络的组建成功的基础上，提出树型网络的设计思路，并尝试 实现树型网络的部分功能，为后续的工作打下基础。 1 3 论文结构 在结构上本文共分为下面的五个章节，各个章节的内容组织如下： 第一章介绍了z i g b e e 的技术背景和当前的研究现状，提出本课题的主要研 究内容。 第二章简单介绍了z i g b 技术的规范，分析了z i g b e e 协议的架构以及各个 层的主要功能并对一些概念进行了介绍。 第三章讨论了系统的硬件设计，包括m c u 、板的各个功能模块以及射频芯 片。 6 第l 章绪论 第四章详细介绍了星型网络的软件实现流程包括网络如何建立、设备如何 加入、如何进行绑定操作以及设备如何进行发送，接收，并且给出了网络通信测 试的结果。 第五章提出一种不完全符合z i g b e e 协议的，比较简单的树型网络的设计思 路。 论文的最后一章对全文进行了总结，并叙述了论文需要进行的下一步工作。 7 第2 章z l g a e e 技术规范俺奔 第2 章z i g b e e 技术规范简介 z i g b e e 技术的标准规范的制订，是由i e e e8 0 2 1 5 4 小组与z i g b e ea l l i a n c e 两个组织完成的。两者分别制订硬体与软体标准。在i e e e8 0 2 1 5 4 方面，2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了8 0 2 1 5 4 小组，负责制订媒体存取控制层( m a c ) 与物理层 ( p h v ) 规范，2 0 0 3 年5 月通过8 0 2 1 5 4 标准；在z i g a e e 联盟方面，z i g a e e 联盟 是在2 0 0 2 年1 0 月由h o n e y w e l l 、m i t s u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 与i n v e n s y s 共同 成立，z i g a e e 联盟负责制订网路层、安全管理、应用界面规范，其次也肩负互 通测试，目前z i g a e e 联盟已推出第1 0 版规范( v e r s i o n1 o ) ，成员己达2 2 0 多个。 完整的z i g b e e 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和 物理层组成。z i g a e e 协议构架图2 1 所示： 图2 - 1z i g a e e 协议构架图 下面就z i g s c e 规范的各层以及一些概念进行简单的介绍。 2 1 物理层协议规范 2 1 1 z i g b e e 的工作频率 如前所述，z i g b e 技术有三个不同的工作频率，不同的工作频率在不同的 国家和地区使用，而对于不同的应用频率，其调制方式、传输速率均有不同。各 个具体频段的频率范围如表2 1 所示。 表2 - 1z i 9 8 e e 工作频率： 数据参数 频率姗z地区调制方式 比特速率, ，l 【b p s符号速率k b s _ 1 符号 8 6 8 一 6 8 6欧洲 b p s k2 0 2 0二进制 9 0 2 一母2 8北美 b p s k4 04 0 二进制 2 4 0 0 2 4 8 3 5全球o - q p s k2 5 06 2 5 1 6 相正交 2 1 2 信道分配和信道编码 z i g b c e 使用了三个工作频段，每一频段的宽度不同，其分配的信道个数也 不同，i e e e 8 0 2 1 5 4 规范标准总共定义了2 7 个编号从0 到2 6 的信道。其中，2 4 4 3 频段定义了1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段定义了l o 个信道，8 6 8 m h z 频段定义了l 、 个信道。这些信道的中心频率定义如下： f 铲= 8 6 8 m h z f b ：9 0 6 m h z + 2 0 【- 1 ) m h z( 2 一1 ) f o = 2 4 0 5 m i i z + 5 ( k - i1 ) m h z 其中，k 为信道编号 通常来说，z i g b e e 设备不能同时兼容这3 个工作频段，在选购z i g b 设备 时，应根据实际情况以及需求选择合适的z i g b 设备。 9 第2 章z i e , a 技术规范簿奔 2 i 3 发射功率及接收灵敏度 z i g a e e 技术的发射功率有严格的限制，其最大发射功率应遵守不同国家所 制定的规范，通常，z i g a e e 的发射功率范围为o - - + 1 0 d b m ，通信距离范围通常为 1 0 , - - 7 5 m ，可扩大到3 0 0 m ，发射功率可根据需要，利用相应的设置进行控制。 接收灵敏度是在给定接收误码率的条件下，接收设备的最低接收门限值，通 常用d b m 表示；z i g b e e 的接收灵敏度的测量条件为在无干扰条件下，传送长度 为2 0 个字节的物理层数据包，其误码率小于l 的条件下，在接收天线端所测量 的接收功率为z i g , b e e 的接收灵敏度，通常要求为8 5 d b m 2 1 4 物理层服务 物理层服务包括以下五个方面： ( 1 ) 激活和休眠射频收发器； ( 2 ) 信道能量检测( e d ) ； ( 3 ) 检测接收数据包的链路质量指示( l q i ) ； ( 4 ) 空闲信道评估( c c a ) ； ( 5 ) 收发数据 信道能量检测为网络层提供信道选择依据，主要测量目标信道中接收信号的 功率强度，该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功 率之和。 链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量 信息，它要对信号进行解码，生成一个信噪比指标。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e s 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估模 式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信道空 闲：第二种通过判断无线信号的特征，该特征包含两个方面，即扩频信号特征和 载波频率；第三种是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信 道是否空闲的判断。 1 0 第2 章z i $ 1 k 技术规范简介 2 1 5 物理层数据单元结构 在z i # e e 物理层协议数据单元( p p d u ) 数据包中，最左边的字段优先发送和 接收。在多个字节的字段中，优先发送或接收最低有效字节，而在每一个字节中 则优先发送最低有效位( l s b ) 。同样，在物理层与m a c 层之问数据字段的传送 也遵循这一规则 物理层数据包的第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期 间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符 ( s t a r t - o f - f r a m ed e l i m i t e r , s f d ) 字段长度为一个字节，其值固定为0 x a 7 ，标识 一个物理层数据包的开始。收发器接收完前导码后只能傲到数据的位同步，通过 搜索s f d 字段的值0 x a 7 才能同步到字节上。帧长度( f r a m el e n g t h ) 由一个字 节的低7 位表示，其值就是物理层负载的长度，因此物理层负载的长度不会超过 1 2 7 个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元( p h ys e r v i c ed a t a u n i t , p s d u ) ，一般用来承载m a c 帧。 p p d u 数据包的格式如图2 - 1 所示： 4 字节1 字节1 字节变量 前同步码帧定界符 帧长度( 7 b 的i 预留位( 1 b 的 p s d u 同步包头物理层包头负载 图2 - 2 p p d u 数据包格式 2 2l i a c 层协议规范 m a c 子层主要功能包括下面六个方面： ( 1 ) 协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步； ( 2 ) 支持p a n 网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作； ( 3 ) 支持无线信道通信安全： ( 4 ) 使用c s m a - c a 机制访问信道； ( 5 ) 支持时槽保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t , g t s ) 机制； 第2 章z i g b 技术规范简弁 ( 6 ) 支持不同设备的m a c 层间可靠传输。 2 2 im a c 层的服务规范 m a c 层包括一个管理实体，称为m a c 层管理实体( m l m e ) ，该实体提供一 个服务接口，通过此接口可调用m a c 层管理功能同时，该管理实体还负责维 护m a c 层固有的管理对象的数据库该数据库包含了m a c 层的个域网信息数 据库( p r o ) 信息。图2 - 3 描述了m a c 层的结构和接d ： 图2 - 3 m a c 层结构模型 m a c 层通过它的两个不同的服务接入口为它提供两种不同的m a c 层服务， 即m a c 通过它的公共部分子层服务接入点为它提供数据服务；通过它的管理实 体服务接入点为它提供管理服务。 这两种服务为服务协议汇聚层和物理层之阐提供了一个接口，这个接口通过 物理层中的数据服务接入点& d - s a p ) 和管理实体服务接入点( p l m e - s a p ) 来实 现。除了这些外部接口之外，在m a c 层管理实体和公共服务之问还存在一个隐 含的接口，m a c 层管理实体通过此接口使用m a c 的数据服务。 m a c 层公共子层服务接入点( m c i s - s a p ) 支持在对等的服务协议汇聚层 ( s s c s ) 实体之间传输服务协议汇聚层的协议数据单元( s p d u ) 。 m a c 层管理实体的服务接入点( m l m e s a p ) 允许上层与m a c 管理实体 ( m l m e ) 之间传输管理指令。m l m e - s a p 接口原语的功能分别为设备通信链路的 连接与断开管理、信标管理、个域网信息库管理、孤点管理、复位管理、接收管 1 2 第2 章z i g t k e 技术规范简介 理、信道扫描管理、通信状态管理、设备的状态设置、启动、网络同步、轮询管 理等 在z i # e e 协议中，只有协调器有能力新建网络。所以如果设备不是协调器， 则终止网络建立过程；如果是，便可以进行下一步的能量扫描。能量扫描由m a c 完成。能量扫描，是对所有信道进行扫描，选择能量损耗低一些的作为建立网络 的备用信道能量损耗是指某信道通信量的多少，也就是信道的繁忙程度。如果 没有发现可用信道，终止网络建立；如果发现，则继续进行激活扫描。激活扫描 对能量发现扫描中发现的信道进行扫描，目的是检测此信道是否已被激活，只有 激活的信道才可用。在激活扫描中，如果没有发现合适的信道，则终止网络建立； 如果找到合适的信道，报告给网络层，有网络层在合适的信道中选定使用的信道， 并随机选择一个p a ni d 分配给这个新建的网络。p a ni d 是一个1 6 位的地址， 是唯一的再由网络层随机分配一个1 6 位的网络地址。网络层发给m a c 层p a n d 启动请求，收到m a c 层的确认后，网络便可以向应用层报告，新的网络建立 成功 2 2 3 设备连接和断开网络 非协调器设备在可以执行任何数据传输之前总是搜索网络并尝试连接到网 络中。非协调器设备通过与协调路或者路由建立关联关系来连接到网络。为了连 接到网络，终端设备可能执行关联过程来加入一个新网络或者执行孤立通知过程 来查找先前与之关联的网络。 网络关联操作，关联操作是指当设备加入到特定网络中时，向协调者注册以 及身份验证的过程。图2 - 3 给出了一个设备要成功与网络关联的信息流程图。 1 3 第2 章z i 班技术规范篱奔 图2 4 关联的信息流程图 孤立通知过程是设备在与之前的网络失去通信后，设备启动这个过程来请求 重新加入网络。协调器收到孤立设备的孤立于通知命令时，则判断设备是否是已 经连接的设备，如果是，则发送响应给孤立设备，并将之前已经分配给设备的短 地址号一并返回给孤立设备；如果不是，则在返回的响应的a s s o d a t e d m a m b e r 参数为f a l s e ，表明设备之前并没有加入网络。 一旦关联到网络，设备就可选择通过执行取消关联过程与该网络断开连接。 取消关联是设备与网络断开连接的注销过程。 一个设备与网络取消关联的信息流程图如图2 - 4 所示： 图2 - 5 取消关联的信息流程图 1 4 第2 章z i g l k e 技术规范简介 2 2 4m a c 层帧结构 m a c 层帧结构由m a c 层帧头、m a c 载荷和m a c 层帧尾组成。m a c 层 的帧结构如图2 - 6 所示： 2 字节1 字节0 2 字节 q 埕搀字节 0 2 字节 蚍，8 字节 可变2 字节 目的 溽p a n p a n 标目的地址源地址 帧控制序列号标识符 帧载荷 f c s 识符 地址域 鱼龇 m l ( m a c 层帧头) 邙r p a y l o a d 图2 - 6m a c 层帧结构 m a c 层帧结构的帧控制子域为1 6 b i t ，包括帧类型的定义、地址子域和其他 的控制标志。控制子域格式如图2 7 所示： b i t s ：，5l “ul 二4 ，1 _ s f l a m e s e c 却 e 咖世a c kl e e m -g e u ，v e ( td 随 r e * e 帆d s e m c e t y p e t c a b l e d f 啦n 譬味 e n 翻击石轴嗥到融r s 鞋昭 m o d em o d e 图2 - 7 控制子域格式 帧类型子域位长为3 b i t ，标志了m a c 层的四种帧类型：信标帧，数据帧， 确认帧和m a c 命令帧四种类型的帧的主要功能如下： 1 ) 信标帧：主节点用信标帧传递信标： 2 ) 数据帧，用于传递数据； 3 ) 应答帧，在正确接收数据后，用应答帧进行确认； 4 ) m a c 命令帧，m a c 对象用命令帧控制数据的传递。 安全允许位为1 b i t ，表示是否对m a c 层进行加密保护；帧未处理标志1 b i t ， 表示发送方在当前帧传输后是否还有数据要发往接收方：请求确认标志1 b i t ，表 示接收方是否需要发确认信息：内部p a n 标志表示m a c 层是在内部网传输还 是传输到另一个网。地址模式子域表示地址是1 6 位短地址还是6 4 位长地址。 第2 章z i g l k e 技术规范简介 2 3 n w k 层协议规范 所有的z i g s e e 设备的网络层都具备以下功能： 连接网络。 o 断开网络。 z i g s e e 协调器和路由器还应该具备以下功能： 允许设备用以下方式与网络连接： o - m a c 层的连接命令。 夺应用层的连接请求命令。 0 允许设备以如下方式断开网络： m a c 层的断开命令。 应用层的断开命令。 o 对逻辑网络地址进行分配。 维护邻居设备表。 2 3 1 网络层服务协议 z i g s e e 的网络层被要求来提供功能以确保i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3m a c 予层的 正确操作并为应用层提供一个合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口， 网络层包括了两个服务实体来提供必需的功能，这两个服务实体就是数据服务和 管理服务。网络层数据实体( n l d e ) 通过相关的服务接入点( s a p ) 来提供数据传输 服务，即n l d e s a p 。网络层管理实敝n l m e ) 通过相关的服务接入点( s a p ) 来提 供管理服务，即n l m e s a p 。n l m e 利用n l d e 来完成一些管理任务和维护管 理对象的数据库，通常称作网络信息库( n e t w o r ki n f o r m a t i o nb a s e , n i b1 。 图2 - 8 给出了网络各组成部分和接口。 1 6 第2 章z i g b 技术规范简介 图2 - 8 网络层参考模型 n l d e 会提供数据服务以允许一个应用在两个或多个设备之间来传输应用 协议数据( a p p l i c a t i o n p r o t o c o l d a t a u n i t s , a p d u ) ，这些设备必须在同一个网络中。 n l d e 会提供以下服务类型： 通用的网络层协议数据单元( n p d u ) 。n l d e 可以通过一个附加的适当的 协议头从应用支持子层p d u 中产生n p d u 。 特定的拓扑路由。n l d e 能够传输n p d u 给一个适当的设备。这个设备 可以是最终的传输目的地，也可以是交流链中通往最终目的地的下一个 设备。 n l m e 提供一个管理服务来允许一个应用和栈相连接。n l m e 提供以下服 务： 配置一个新设备。n l m e 可以完全的配置栈依据应用操作的要求。设备 配置包括开始设备作为z i g b e e 协调者或加入一个存在的网络。 开始一个网络。n l m e 可以建立一个新的网络。 加入或离开一个网络。n l m e 可以加入或离开一个网络，使z i g b 的 协调者和路由器能够让终端设备离开网络。 分配地址。使z i g b 的协调者和路由器可以分配地址给加入网络的设 备。 临近表( n e i g h b o r ) 发现去发现、记录和报告设备的一跳临近表的相关 信息。 路由的发现。可以通过网络来发现及记录传输路径，而信息也可被有效 1 7 第2 章z i g b 技术规范篱介 的路由。 接收控制。当接收者活跃时。n l m e 可以控制接收时间的长短并使能 m a c 予层同步或直接接收 2 3 2 网络地址分配机制 z i g b e e 设备有两种地址模式，一种是6 4 位的长地址( i e e e 地址) ，一种是1 6 位的短地址( 网络地址) 。长地址在设备进入网络之前就分配好了的。应该在全球 是唯一的。而网络地址是在网络建立后，设备加入网络时，它的父节点给它分配 的，在设备通信时，首先由i e e e 地址找到设备的网络地址，然后根据网络地址 实现设备之间的通信，这样可以减少帧头长度，多传有效数据。 在z i g b 网络层中，采用分布式地址分配方案来分配网络地址，即该方案 为每一个支持路由的父设备分配一个有限的网络地址段。这些地址在一个网络中 是唯一的，并且由父设备分配给它的子设备。z i g b e c 协调器决定了网络的最大 子设备数、最大路由器数据、网络最大深度等信息。协调器的网络地址为0 x 0 0 0 0 ， 它自身深度为0 ，而它的子设备深度为1 。 假定父设备拥有子设备数量的最大值为矾衄出x 伽l d 硼c o 。网络最大的 深度为n w k m a x d e p t h ( l m ) ，父设备将路由器作为它的子设备的最大数为 n w k m a x r o u t e r ) ，则可根据下面公式计算出c s l c i p ( d ) ，也即是父设备所能分 配的子区段地址数为： f l + c ，l a 知一蠢一1 ) ，f fr m - l o 姒d ) 。缸盥灶基丝= 盟麴竺竺，o t h 鲫妇 il - r m”一一 如果一个设备的c s k i p ( d ) 值为0 ，则表明它没有接收子设备连接的能力，这 样的设备将会作为个z i g b e e 网络的终端设备。利用c s k i p ( d ) 作为偏移，向具 有路由能力的子设备分配网络地址，父设备为它的第一个路由子设备分配一个比 它自己更大的地址，随后所分配给路由器子设备的地址将以c s l c i p ( d ) 作为间隔， 依此类推为所有的路由器分配地址。 第n 个终端设备的网络地址将按照如下公式进行分配： 第2 章z i g l k e 技术规范简介 其中l 珂( c _ 一m ) ，a p 孤e n t 为父设备地址。 图2 - 9 给出了一个具有最大子设备数( n w k m a x c h i l d r e n ( c m ) ) 为4 ，最大路由 器数( n w k m 砒伽t 蹦 。) ) 为4 ，网络最大深度( n w l 【m 缸d 枷( k _ ) ) 为4 的z i g b e e 网络的地址分配： 图2 - 9 网络地址分配图 由于设备间不能共享一个地址段，