无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准

1、1第第6章章传感器网络协议的技术标准传感器网络协议的技术标准6.1 技术标准的意义技术标准的意义 无线传感器网络的价值就在于它的低成本和可以大量部无线传感器网络的价值就在于它的低成本和可以大量部署。为了降低产品成本、扩大市场和实现规模效益，传感器署。为了降低产品成本、扩大市场和实现规模效益，传感器网络的某些特征和共性技术必须实现标准化，这样来自不同网络的某些特征和共性技术必须实现标准化，这样来自不同产商的产品才能协同工作。产商的产品才能协同工作。 无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准组织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的

2、准组织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的制定。其中最出名的就是规范，它甚至已经被一部分研究及制定。其中最出名的就是规范，它甚至已经被一部分研究及产业界人士视为传感器网络的标准。定义了短距离无线通信产业界人士视为传感器网络的标准。定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范，的物理层及链路层规范，ZigBeeZigBee则定义了网络互联、传输和则定义了网络互联、传输和应用规范。应用规范。 目前传感器网络标准化工作的两个公认成果是目前传感器网络标准化工作的两个公认成果是IEEE IEEE 14511451接口标准和低速率无线个域网协议。接口标准和低速率无线个域网协议。6.2 IEEE 14

3、51系列标准系列标准1 1、IEEE 1451IEEE 1451标准的诞生标准的诞生 基于各种基于各种现场总线现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用，这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千广泛的应用，这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千差万别，其内部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。差万别，其内部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。 传统的分布式测量控制系统结：传统的分布式测量控制系统结： 由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定，由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定，如如I I2 2C C，HARTHART，SPIS

4、PI，LonWorksLonWorks及及CANCAN等，每种总线标准都有自等，每种总线标准都有自己规定的协议格式，相互不兼容，给系统的扩展、维护等带己规定的协议格式，相互不兼容，给系统的扩展、维护等带来不利的影响。来不利的影响。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准 国际电子电气工程师协会国际电子电气工程师协会(IEEE)(IEEE)面对目前传感器市场上面对目前传感器市场上总线接口互不兼容总线接口互不兼容, , 互操作性差难以统一的难题互操作性差难以统一的难题, , 专门建立专门建立专家组制定专家组制定IEEE1451IEEE1451协议族协议族, , 以此来解决传感器接口的标准以此来解

5、决传感器接口的标准化问题。化问题。 IEEE1451IEEE1451协议族共分五个协议标准协议族共分五个协议标准, ,目前目前,IEEE1451,IEEE1451. .1 1、IEEE1451.2IEEE1451.2、IEEE1451.3IEEE1451.3、IEEE1451.4IEEE1451.4已被已被IEEEIEEE组织通过。组织通过。 这个标准提供了将变送器这个标准提供了将变送器( (传感器和执行器传感器和执行器) )连接到一个连接到一个数字系统数字系统, ,尤其是到网络的方式尤其是到网络的方式, , 简化了现场变送器到微处简化了现场变送器到微处理器以及网络的连接理器以及网络的连接,

6、,提供一个适合各种网络的工业标准接提供一个适合各种网络的工业标准接口口, ,有效的实现现场各种不同的智能变送器的网络互连、即有效的实现现场各种不同的智能变送器的网络互连、即插即用插即用, , 最终实现各个传感器或执行器厂家的产品相互兼容最终实现各个传感器或执行器厂家的产品相互兼容, , 降低了构建网络化测控系统的总成本。降低了构建网络化测控系统的总成本。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准6.2 IEEE 1451系列标准系列标准nIEEE1451IEEE1451协议族定义了一个较为完整的通用模型协议族定义了一个较为完整的通用模型, , 在这个在这个模型中采用分层体系结构。模型中采用分层

7、体系结构。n智能传感器接口模块标准的功能框架智能传感器接口模块标准的功能框架: :6.2 IEEE 1451系列标准系列标准n第一层模块结构为网络适配器第一层模块结构为网络适配器NCAP(Network Capable NCAP(Network Capable Application Processor), Application Processor), 用来运行网络协议和应用软件用来运行网络协议和应用软件n第二层模块为智能变送器模块第二层模块为智能变送器模块 STIM(Smart Transducer STIM(Smart Transducer Interface Module), Inte

8、rface Module), 其中包括变送器和电子数据表格其中包括变送器和电子数据表格TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)。n这种划分使得在基于各种现场总线的分布式测量控制系统这种划分使得在基于各种现场总线的分布式测量控制系统中中, , 各种变送器的设计、制造无须考虑系统的网络结构各种变送器的设计、制造无须考虑系统的网络结构, , 从而智能化范围的得以延伸从而智能化范围的得以延伸, , 更加接近实际测量和控制点更加接近实际测量和控制点。其中。其中TEDSTEDS的设计是整个协议族

9、的精华所在的设计是整个协议族的精华所在, ,使传感器模块使传感器模块同时具有同时具有即插即用即插即用的兼容性。的兼容性。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准n电子数据表格电子数据表格(TEDS)(TEDS)存储了变送器自身信息和制造商信息存储了变送器自身信息和制造商信息 n有八个可寻址的单元，其中前两项是必选且只读的，其余有八个可寻址的单元，其中前两项是必选且只读的，其余是可选的：是可选的：nMetaTEDSMetaTEDS:STIM:STIM的整体描述符的整体描述符nChannelTEDSChannelTEDS: :包括包括STIMSTIM的量程、单位、启动时间等参数的量程、单位、启动

10、时间等参数n其余六项包括其余六项包括: :最后校准日期、校准周期和校准参数，最后校准日期、校准周期和校准参数，满足特殊功能的要求，在将来工业应用中的功能扩展等满足特殊功能的要求，在将来工业应用中的功能扩展等6.2 IEEE 1451系列标准系列标准nIEEE 1451.2 IEEE 1451.2 标准称为变送器与微处理器通信协议和变送标准称为变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据表格式。器电子数据表格式。nIEEE 1451.3 IEEE 1451.3 标准称为分布式多点系统数字通信和变送器标准称为分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式。电子数据表格式。nIEEE 1451.4 IEE

11、E 1451.4 标准称为混合模式通信协议和变送器电子数标准称为混合模式通信协议和变送器电子数据表格式。这是一项实用的技术标准，它使变送器电子数据表格式。这是一项实用的技术标准，它使变送器电子数据表格与模拟测量相兼容。据表格与模拟测量相兼容。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准nIEEE 1451IEEE 1451系列标准的组成结构如图所示，这些标准可以在系列标准的组成结构如图所示，这些标准可以在一起应用，构成多种网络类型的智能传感器系统，也可以一起应用，构成多种网络类型的智能传感器系统，也可以单独使用。单独使用。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准nIEEEIEEE还在着手制定无

12、线连接各种传感设备的接口标准。该还在着手制定无线连接各种传感设备的接口标准。该标准的名称为标准的名称为“IEEE P1451.5”IEEE P1451.5”，主要用于利用电脑等主，主要用于利用电脑等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据。机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据。n提议标准主要是为智能传感器的连接提供无线解决方案，提议标准主要是为智能传感器的连接提供无线解决方案，尽量减少有线传输介质的使用。尽量减少有线传输介质的使用。标准标准标准概述标准概述n工作组于工作组于19981998年成立，致力于无线个人区域网络（年成立，致力于无线个人区域网络（WPANWPAN）物理层和媒体访

13、问子层的标准化工作。主要分为四个工物理层和媒体访问子层的标准化工作。主要分为四个工作组，研究不同应用需求下的标准：作组，研究不同应用需求下的标准： l802.15.1 802.15.1 蓝牙无线个人区域网络标准，中速、近距离，蓝牙无线个人区域网络标准，中速、近距离，适用于手机、适用于手机、PDAPDA等。等。l 是的补充，研究与是的补充，研究与802.11 WLAN802.11 WLAN的共存问题。的共存问题。l 高传输速率无线个人区域网络，多媒体方面的应用。高传输速率无线个人区域网络，多媒体方面的应用。l 低速无线个人区域网络，低能耗，低速率和低成本，针低速无线个人区域网络，低能耗，低速率和

14、低成本，针对个人和家庭范围内不同设备间的低速传输。对个人和家庭范围内不同设备间的低速传输。nWLAN(WLAN(无线局域网络无线局域网络) )基于基于IEEEIEEE 系列标准系列标准l，19971997年，原始标准年，原始标准(2Mb/s (2Mb/s 工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。l，19991999年，物理层补充年，物理层补充(54Mb/s(54Mb/s工作在工作在5GHz)5GHz)。l，19991999年，物理层补充年，物理层补充(11Mb/s(11Mb/s工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。l，符合的媒体接入控制层，符合的媒体接入控制层(MAC)(MAC)桥接。桥

15、接。l，根据各国无线电规定做的调整。，根据各国无线电规定做的调整。l，对服务等级，对服务等级(QoS)(QoS)的支持。的支持。l，基站的互连性，基站的互连性(Interoperability)(Interoperability)。l，物理层补充，物理层补充(54Mb/s(54Mb/s工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。l，无线覆盖半径的调整，室内，无线覆盖半径的调整，室内(indoor)(indoor)和室外和室外(outdoor)(outdoor)信信道道(5GHz(5GHz频段频段) )。l，安全和鉴权，安全和鉴权(Authentification)(Authentificatio

16、n)方面的补充。方面的补充。l，导入多重输入输出，导入多重输入输出(MIMO)(MIMO)和和40Mbit40Mbit通道宽度技术。通道宽度技术。标准标准n由于的网络特征和传感器网络相似，因此科研机构将它作由于的网络特征和传感器网络相似，因此科研机构将它作为传感器网络的通信标准。为传感器网络的通信标准。n标准定义的标准定义的LR-WPANLR-WPAN网络特点：网络特点：l在不同的载波频率下实现在不同的载波频率下实现20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三三种不同的传输速率；种不同的传输速率；l支持星型和点对点两种网络拓扑结构；支持星型和点对点两种网

17、络拓扑结构；l有有1616位和位和6464位两种地址格式，其中位两种地址格式，其中6464位地址是全球惟位地址是全球惟一的扩展地址；一的扩展地址；l支持冲突避免的载波多路侦听技术支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)(CSMA-CA)；l支持确认机制，保证传输可靠性。支持确认机制，保证传输可靠性。标准标准 标准概述标准概述n标准规定物理层任务：标准规定物理层任务：l激活和休眠射频收发器；激活和休眠射频收发器；l信道能量检测：测量目标信道中接收信号的功率强调，信道能量检测：测量目标信道中接收信号的功率强调，检测结果为有效信号和噪声信号功率之和；检测结果为有效信号和噪声信号功率之和；l检

18、测接收数据包的链路质量指示检测接收数据包的链路质量指示(LQI)(LQI)，得出信噪比指，得出信噪比指标；标；l空闲信道评估；空闲信道评估；l收发数据。收发数据。n如何评估信道是否空闲？如何评估信道是否空闲？l方法方法1 1：判断信号的信道能量，低于门限，则为空闲；：判断信号的信道能量，低于门限，则为空闲；l方法方法2 2：判断信号的特征：判断信号的特征( (扩频信号特征和载波频率扩频信号特征和载波频率) )；l方法方法3 3：同时判断信道能量和信号的特征。：同时判断信道能量和信号的特征。标准标准 6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准n标准定义的信道标准定义的信道n0-260-26共共

19、2727个；跨越个；跨越3 3个频段，具体包括频段的个频段，具体包括频段的1616个信道、个信道、915MHz915MHz频段的频段的1010个信道、个信道、868MHz868MHz频段的频段的1 1个信道。个信道。n信道的频段中心定义信道的频段中心定义 ( (其中其中k k表示信道编号表示信道编号) )： 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标准标准 6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准 频带频带 使用范围使用范围 数据传输率数据传输率 信道数信道数2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM 全世界全世界 250 kbps 16250 kbps 16868 MHz868 MHz 欧洲欧洲 20 kbps 120 kbps 1915 MHz ISM915 MHz ISM 北美北美 40 kbps 1040 kbps 10标准标准 6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准nZ-Stack中对频道的设置中对频道的设置标准标准 6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准n物理层

21、服务规范物理层服务规范l物理层物理层(PHY)(PHY)通过射频连接件和硬件提供通过射频连接件和硬件提供MACMAC层和无线物层和无线物理信道之间的接口。物理层在概念上提供理信道之间的接口。物理层在概念上提供“物理层管理物理层管理实体实体(PLME)”(PLME)”，该实体提供了用于调用物理层管理功能，该实体提供了用于调用物理层管理功能的管理服务接口。的管理服务接口。l物理层提供两种服务：物理层提供两种服务：l通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务；通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务；l通过通过PLMEPLME的服务接入点提供物理层的管理服务。的服务接入点提供物理层的管理服务。

22、标准标准 6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准2 2、物理层帧结构、物理层帧结构n前导码由前导码由3232个个0 0组成，用于收发器之间进行同步。组成，用于收发器之间进行同步。n帧起始定界符（帧起始定界符（SFDSFD）域由）域由8 8位组成，表示同步结束，数据位组成，表示同步结束，数据包开始传输。包开始传输。SFDSFD与前导码构成同步头。与前导码构成同步头。n帧长度由帧长度由7 7位组成，表示物理服务数据单元（位组成，表示物理服务数据单元（PSDUPSDU）的字）的字节数。帧长度域和节数。帧长度域和1 1位的保留位构成了物理头。位的保留位构成了物理头。nPSDUPSDU域是变长的，

23、携带域是变长的，携带PHYPHY数据包的数据，包含介质访问数据包的数据，包含介质访问控制协议数据单元。控制协议数据单元。PSDUPSDU域是物理层的载荷。域是物理层的载荷。4字节字节1字节字节1字节字节变变 长长前导码前导码SFD帧长度帧长度(7位位) 保留位保留位(1位位)PSDU同步头同步头物理帧头物理帧头PHY负载负载标准标准 6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准0 xA7 127字节承载MAC帧标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准nMACMAC层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责下列层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责下列的任务：的任务：l能产

24、生网络信标（如果设备是协调器）能产生网络信标（如果设备是协调器）l与信标保持同步与信标保持同步l支持支持PANPAN（个人局域网）的连接和断开连接（个人局域网）的连接和断开连接l支持设备的安全性支持设备的安全性l信道接入采用信道接入采用CSMA-CACSMA-CA接入机制接入机制l处理和维护处理和维护GTS(GTS(保护时隙保护时隙) )机制机制l在对等的在对等的MACMAC实体之间提供一个可靠的通信链路（单跳）实体之间提供一个可靠的通信链路（单跳）nMACMAC层的帧结构层的帧结构lMACMAC层的通用帧结构由帧头、层的通用帧结构由帧头、MACMAC负载和帧尾构成。帧头的负载和帧尾构成。帧头

25、的域都以固定的顺序出现域都以固定的顺序出现l寻址域不一定要在所有帧都出现寻址域不一定要在所有帧都出现标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准210/20/2/80/20/2/8变长变长2帧控制帧控制序列号序列号目标目标PAN标识标识目标目标地址地址源源PAN标识标识源地址源地址帧负载帧负载FCS地址域地址域MHRMAC负载负载MFR包含帧包含帧类型定类型定义、寻义、寻址域和址域和其它控其它控制标志制标志为每个为每个帧提供帧提供唯一的唯一的序列标序列标识识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长或长地址地址发送发送方的方的唯一唯一PAN地址地址发送发送

26、方短方短地址地址或长或长地址地址长度可长度可变，因变，因不同帧不同帧类型其类型其内容各内容各不相同不相同CRC校验校验码码 MAC帧头帧头 地址域（地址域（020字节）字节）n帧控制域帧控制域指明了指明了MACMAC帧的类型、地址域的格式以及是否需要帧的类型、地址域的格式以及是否需要接收方确认等控制信息。接收方确认等控制信息。0-2帧帧类类型型3安全安全允许允许标志标志4未未处理处理数据数据标志标志5请求请求确认确认6PAN内部内部标记标记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:信标帧信标帧001:数据帧数据帧010:确认帧确认帧

27、011:命令帧命令帧1:加密加密0:不加密不加密1:除本除本帧外，帧外，还有后还有后续数据续数据0:无后无后续数据续数据1:需要需要 确认确认0:无需无需 确认确认1:该该MAC帧在本帧在本身所属的身所属的PAN内内传输，帧地址域传输，帧地址域中不包含源中不包含源PAN标识符；标识符；O:该帧是传输到该帧是传输到另一个另一个PAN，帧，帧中必须包含源节中必须包含源节点和目的节点的点和目的节点的PAN标识符。标识符。00:PAN标识符和标识符和 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标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层

28、标准n序列号域序列号域的长度为的长度为8 8位，它是帧的序列标识，由设备自己的位，它是帧的序列标识，由设备自己的帧序列号发生器产生，采用循环计数方式，范围帧序列号发生器产生，采用循环计数方式，范围0 0到到0 xFF0 xFF。接收方可以根据此序列号判断接收的帧是否为新帧。接收方可以根据此序列号判断接收的帧是否为新帧。n地址域地址域长度长度0 0到到2020字节，它有四个子域：字节，它有四个子域：n目的目的PANPAN标识符标识符：长度：长度1616位，是接收该帧的设备所在位，是接收该帧的设备所在PANPAN的唯一标识。当标识符为的唯一标识。当标识符为0 xFFFF0 xFFFF时，表示该帧为

29、广播帧时，表示该帧为广播帧，在同一信道上的所有设备都可以接收该帧。，在同一信道上的所有设备都可以接收该帧。n目的地址目的地址：是接收帧设备的地址。根据帧地址控制子域：是接收帧设备的地址。根据帧地址控制子域不同的情况，目的地址可以为不同的情况，目的地址可以为1616位或位或6464位。位。n源源PANPAN标识符标识符：长度：长度1616位，是发送该帧的设备所在位，是发送该帧的设备所在PANPAN的的唯一标识符。唯一标识符。n源地址源地址：是帧发送设备的地址。根据帧地址控制子域不：是帧发送设备的地址。根据帧地址控制子域不同的情况，目的地址为同的情况，目的地址为1616位或位或6464位。位。标准

30、标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准n有效载荷域有效载荷域即帧传送的数据，若帧的安全控制域值为即帧传送的数据，若帧的安全控制域值为l l，则，则载荷采用载荷采用AES-128AES-128加密方式进行处理。加密方式进行处理。nAESAES内部始终使用内部始终使用1616字节的分组长度，加密时，如果明文字字节的分组长度，加密时，如果明文字节长度不是节长度不是1616的整数倍，要填充到大于该长度的最接近的的整数倍，要填充到大于该长度的最接近的1616的倍数，但是如果刚好等于的倍数，但是如果刚好等于1616的倍数，就额外在添加一的倍数，就额外在添加一个完整的分组，也就是添加个完整的

31、分组，也就是添加1616字节。字节。 标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准n帧校验子域帧校验子域包含一个包含一个1616位的位的CRCCRC校验码。校验码。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; 标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准CRC的生成多项式：的生成多项式：x16 + x12 + x5 + 11 0001 0000 0010 0001= 0 x1021 (忽略最高位忽略最高位) 16位位CRC计算方法计算方法 1预置预置1个个16位的寄存器为十六进制位的寄存器为十六进制FFFF（即（即全为全为1）；称此寄存器为）；称此寄存器为CRC寄存器；寄存器；2把第一个把第一个8位二进制数据

33、（既通讯信息帧的位二进制数据（既通讯信息帧的第一个字节）与第一个字节）与16位的位的CRC寄存器的低寄存器的低8位位相异或，把结果放于相异或，把结果放于CRC寄存器；寄存器；3把把CRC寄存器的内容逻辑右移一位，并检查寄存器的内容逻辑右移一位，并检查右移后的移出位；右移后的移出位；4如果移出位为如果移出位为0：重复第：重复第3步（再次右移一步（再次右移一位）；如果移出位为位）；如果移出位为1：CRC寄存器与多项寄存器与多项式式1021(0001 0000 0010 0001)进行异进行异或或;5重复步骤重复步骤3和和4，直到右移，直到右移8次，这样整个次，这样整个8位数据全部进行了处理；位数据

34、全部进行了处理；6重复步骤重复步骤2到步骤到步骤5，进行通讯信息帧下一，进行通讯信息帧下一个字节的处理；个字节的处理；7将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，得到的成后，得到的16位位CRC。 标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准MACMAC层定义了四种帧结构，其长度不超过层定义了四种帧结构，其长度不超过127127字节：字节：l信标帧信标帧l在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送信在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送信标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步（同步工作标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同

35、步（同步工作和同步休眠），以达到网络功耗最低。和同步休眠），以达到网络功耗最低。l非信标模式只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所非信标模式只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由器必须长期处于工作状态。有路由器必须长期处于工作状态。2帧控制帧控制1序列号序列号4/10寻址域寻址域2超帧规范超帧规范变长变长GTS域域变长变长地址域地址域变长变长信标超载信标超载2校验码校验码MHRMAC负载负载MFRnIEEE 802.15.4 MAC协议规定，对于信标网络，在超帧的协议规定，对于信标网络，在超帧的第一个时隙，发送一个信标帧，如果不需要同步，则不发第一个时隙，发送一个信标帧，如果不需要同

36、步，则不发送信标帧。送信标帧。n在超帧结构中，活动时间固定不变，在超帧结构中，活动时间固定不变，CAP和和CFP可变。可变。n时隙长度、时隙长度、CAP时段中时隙个数等参数均由协调器设定，时段中时隙个数等参数均由协调器设定，并在信标帧中广播到整个网络。并在信标帧中广播到整个网络。n在非信标网络中不使用在非信标网络中不使用超帧超帧结构结构，节点节点采用采用CSMA/CA算算法法竞争访问信道竞争访问信道 ，每个竞争时隙为，每个竞争时隙为20个符号长度。个符号长度。标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准GTS0123456789 10 11 12 13 14 15 GTSCFPC

37、AP活动时间活动时间非活动时间非活动时间信标信标竞争访问时间竞争访问时间，使用带时隙的使用带时隙的CSMA/CA算法算法竞争信道竞争信道非竞争访问时间非竞争访问时间(可可选选) 使用时隙保护使用时隙保护机制机制(GTS)，留给，留给特定设备使用特定设备使用每个符号长度为每个符号长度为4bit时间时间l数据帧数据帧l数据帧由应用层发起，在数据帧由应用层发起，在ZigBee设备之间进行数据传输时设备之间进行数据传输时，要传输的数据由应用层生成，经过逐层数据处理后发送，要传输的数据由应用层生成，经过逐层数据处理后发送给给MAC层，形成层，形成MAC层服务数据单元层服务数据单元(MSDU)。通过添加。

38、通过添加MAC层帧头信息和帧尾，便形成了完整的层帧头信息和帧尾，便形成了完整的MAC数据帧数据帧MPDU。标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准2帧控制帧控制1序列号序列号4/10寻址域寻址域变长变长数据负载数据负载2校验码校验码MHRMAC负载负载MFRn确认帧确认帧n如果设备收到目的地址为自身地址的数据帧或命令帧，并如果设备收到目的地址为自身地址的数据帧或命令帧，并且帧的确认请求位为且帧的确认请求位为1，设备需要回复一个确认帧。，设备需要回复一个确认帧。n确认帧紧接着被确认的帧发送，不需要使用确认帧紧接着被确认的帧发送，不需要使用CSMA/CA机机制竞争信道。制竞争信道

39、。标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准2帧控制帧控制1序列号序列号2校验码校验码MHRMFRn命令帧命令帧nMAC命令帧由命令帧由MAC子层发起。在子层发起。在ZigBee网络中，为了对网络中，为了对设备的工作状态进行控制，同网络中的其他设备进行通信设备的工作状态进行控制，同网络中的其他设备进行通信，MAC层将根据命令类型生成相应的命令帧。层将根据命令类型生成相应的命令帧。标准标准 6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准2帧控制帧控制1序列号序列号4/10寻址域寻址域1命令帧标识命令帧标识变长变长命令负载命令负载2校验码校验码MHRMAC负载负载MFRn标准包括

40、标准包括n物理层物理层nMAC层层n学习要求学习要求n理解物理层的信道分配方案及任务，掌握物理理解物理层的信道分配方案及任务，掌握物理层的帧结构，各字段的作用。层的帧结构，各字段的作用。n理解理解MAC层的任务，掌握层的任务，掌握MAC层四种类型的帧层四种类型的帧结构及作用。结构及作用。标准标准 小结小结解决信道评估和数据收发问题解决信道评估和数据收发问题解决网络接入问题解决网络接入问题1、ZigBee的由来的由来nZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。耗、低价格的无线网络方案。n在在ZigBee方案被提出

41、一段时间后，工作组也开始了一种低方案被提出一段时间后，工作组也开始了一种低速率无线通信标准的制定工作。最终速率无线通信标准的制定工作。最终Zigbee联盟和工作组联盟和工作组决定合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名决定合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为为“ZigBee”。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述nZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下正线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下正常工作几

42、个月甚至几年。常工作几个月甚至几年。nZigBee无线设备工作在公共频段上无线设备工作在公共频段上(全球、美国全球、美国915MHz、欧洲欧洲868MHz)，传输距离为，传输距离为1075m，具体数值取决于射，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。频环境和特定应用条件下的输出功耗。nZigBee的通信速率在时为的通信速率在时为250kbps，在，在915MHz时为时为40kbps，在，在868MHz时为时为20kbps。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述2、ZigBee协议框架协议框架nZigBee协议栈自上而下由应用层（

43、包括应用子层、应用架协议栈自上而下由应用层（包括应用子层、应用架构和构和ZigBee设备对象）、网络层、设备对象）、网络层、MAC层和物理层组成。层和物理层组成。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述应用应用对象对象1应用应用对象对象240应用架构应用架构AF应用子层应用子层APS网络层网络层WNKMAC层层物理层物理层PHYZigBee设备设备对象对象ZDO应用层应用层IEEE802.15.4ZigBee联盟联盟n特殊应用对象特殊应用对象n应用对象应用对象0：用于整个：用于整个ZigBee设备的配置和管设备的配置和管理，附属于对象理，附

44、属于对象0的对象称为的对象称为ZigBee设备对象设备对象(ZDO)。n应用对象应用对象255：用于对所有对象的广播：用于对所有对象的广播n应用对象应用对象241254：保留：保留6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述nZigBee协议主要界定了网络、安全和应用框架层。协议主要界定了网络、安全和应用框架层。n支持三种拓扑结构：支持三种拓扑结构：n星型星型(Star)结构，可提供很长时间的电池使用寿命。结构，可提供很长时间的电池使用寿命。n网状网状(Mesh)结构，有多条传输路径，具有较高的可靠性。结构，有多条传输路径，具有较高的可靠性。n

45、簇树型簇树型(Cluster Tree)结构，结合了星型和网状型结构，既结构，结合了星型和网状型结构，既有较高的可靠性，又节省电池能量。有较高的可靠性，又节省电池能量。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述星型星型网状型网状型簇状型簇状型协调器协调器路由器路由器终端设备终端设备n按节点在网络中担当的角色按节点在网络中担当的角色n协调器协调器负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络。备加入网络。n路由器路由器支撑网络链路结构，完成数据包的转发。支撑网络链路结构，完成数据包的转发。n终端设

46、备终端设备是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。执行的网络动作。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n按节点的复杂程度按节点的复杂程度n全功能设备（全功能设备（FFDFFD）是一种功能完备的设备，可完成是一种功能完备的设备，可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其它的功能完备路由任务，充当网络协调器。它可与其它的功能完备型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。n简化功能设备（简化功能设备（RFDRFD）是网络中简单的发送接收

47、节点，是网络中简单的发送接收节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n星型拓扑结构星型拓扑结构l由一个协调器和多个从设备组成，主协调器必须为一个由一个协调器和多个从设备组成，主协调器必须为一个FFD，从设备既可为，从设备既可为FFD也可为也可为RFD。l在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位长地址位长地址（IEEE地址）和一个地址）和一个16位的短地址。位的短地址。l短地址是一个相对地址，长地址是

48、一个绝对地址。短地址是一个相对地址，长地址是一个绝对地址。l在在ZigBee技术应用中，技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，主协调器是主要的耗能设备，其他从设备均采用电池供电。其他从设备均采用电池供电。lZigBee技术的星型拓扑结构通常在家庭自动化、技术的星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC外围外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n网状拓扑结构网状拓扑结构n同样也存一个协调器作为主设备，但不同于星型网络，在同样也存一个协调器作为主

49、设备，但不同于星型网络，在网状网络中的任何一个设备，只要是在它的通信范围内，网状网络中的任何一个设备，只要是在它的通信范围内，就可以和其它设备通信。就可以和其它设备通信。n网状网络能够构成较为复杂的网络结构。网状网络能够构成较为复杂的网络结构。n一个对等网络的路由协议可以是基于一个对等网络的路由协议可以是基于Ad hoc技术的，也可技术的，也可以是自组织式的和自恢复的，并且，在网络中各个设备之以是自组织式的和自恢复的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进行传输间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。，即

50、通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述n树状拓扑结构树状拓扑结构n由一个协调器，多个路由器和多个终端设备组成，由一个协调器，多个路由器和多个终端设备组成，n在建立一个网络时，主协调器将其自身设置成簇标识符为在建立一个网络时，主协调器将其自身设置成簇标识符为0的簇头，选择一个没有使用的的簇头，选择一个没有使用的PAN标识符，并向邻近设备标识符，并向邻近设备以广播的形式发送信标帧，从而形成第一簇网络。以广播的形式发送信标帧，从而形成第一簇网络。n收到信标帧的设备在簇头中请求加入该网络，如果协调器收

51、到信标帧的设备在簇头中请求加入该网络，如果协调器允许加入，那么主协调器会将该设备作为其子节点加到它允许加入，那么主协调器会将该设备作为其子节点加到它的的邻近表邻近表中，同时，请求加入的设备将主协调器作为它的中，同时，请求加入的设备将主协调器作为它的父节点加到邻近列表中，成为该网络中的一个从设备；同父节点加到邻近列表中，成为该网络中的一个从设备；同样，其他的所有候选设备都按照同样的方式，请求加入到样，其他的所有候选设备都按照同样的方式，请求加入到该网络中，作为网络的从设备。该网络中，作为网络的从设备。n树状网络结构的优点在于可以增加网络的覆盖范围，缺点树状网络结构的优点在于可以增加网络的覆盖范围

52、，缺点是会增加传输信息的延迟时间。是会增加传输信息的延迟时间。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述3、ZigBee的技术特点的技术特点(1)数据传输速率低数据传输速率低: (20250kbps)，专注于低速应用。，专注于低速应用。(2)有效范围小：有效范围小：有效覆盖范围有效覆盖范围1075m之间。之间。(3)工作频段灵活：工作频段灵活：使用的频段分别为使用的频段分别为2.4GHz (全球全球) 、868MHz(欧洲欧洲)及及915MHz(北美北美)，均为，均为ISM频段。频段。(4)省电：省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及

53、采由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，用了休眠模式，ZigBee可确保两节五号电池支持长达可确保两节五号电池支持长达6个月至个月至2年左右的使用时间。年左右的使用时间。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述(5) 可靠：可靠：采用碰撞避免机制，避免发送时的竞争和冲突。采用碰撞避免机制，避免发送时的竞争和冲突。(6) 成本低：成本低：由于数据传输速率低，协议简单，降低了成本，由于数据传输速率低，协议简单，降低了成本，另外使用另外使用ZigBee协议可免专利费。协议可免专利费。(7) 时延短：时延短：设备搜索时延的典型值为

54、设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延，休眠激活时延的典型值是的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为，活动设备信道接入时延为15ms。(8) 网络容量大：网络容量大：一个一个ZigBee网络可容纳多达网络可容纳多达254个从设备和个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个个ZigBee网络。网络。(9) 安全：安全：ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求配置。，应用层安全属性可根据需求配置。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.

55、1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述1、ZigBee网络层（网络层（NWK）功能）功能n节点加入、离开网络的管理；节点加入、离开网络的管理；n帧的安全机制管理帧的安全机制管理n根据路由发送帧到目的节点根据路由发送帧到目的节点n发现和维护路由发现和维护路由n发现邻居节点和维护邻居节点信息发现邻居节点和维护邻居节点信息ZigBee执行基于用于执行基于用于AODV专用网络的路由协议。专用网络的路由协议。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 6.3.2 网络层规范网络层规范2 2、网络层向应用层提供的服务、网络层向应用层提供的服务l网络层数据实体网络层数据实体(NLDE)(NL

56、DE)提供数据传输服务提供数据传输服务l网络层管理实体网络层管理实体(NLME)(NLME)提供网络管理服务提供网络管理服务6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 6.3.2 网络层规范网络层规范l网络层数据实体网络层数据实体 提供数据传输服务提供数据传输服务l符合按照应用协议数据单元符合按照应用协议数据单元(APDU)(APDU)的格式的格式l在同一个网络中的单个或多个设备之间传送在同一个网络中的单个或多个设备之间传送 l传送目标可以是终端设备，也可以是中间设备传送目标可以是终端设备，也可以是中间设备l应用协议数据单元应用协议数据单元(Application Protocol Da

57、ta Unit ，APDU)6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 6.3.2 网络层规范网络层规范APDU头头地址信息地址信息APDU有效负载有效负载4字节字节16字节字节可变长度可变长度命令信息命令信息数据源和目标数据源和目标的的IEEE地址地址有效数据，如有效数据，如测量值等。测量值等。l网络层管理实体网络层管理实体 提供网络管理服务提供网络管理服务l配置一个新的设备配置一个新的设备: : 对设备初始化对设备初始化l加入或离开网络加入或离开网络 l寻址寻址: : 协调器和路由器为新入网络设备分配地址协调器和路由器为新入网络设备分配地址l邻居发现邻居发现: : 发现、记录和汇报一

58、跳邻居设备的信息发现、记录和汇报一跳邻居设备的信息l接收控制接收控制: : 控制接收机的接收状态控制接收机的接收状态6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 6.3.2 网络层规范网络层规范3 3、ZigBeeZigBee网络层的帧结构网络层的帧结构l帧控制域：帧控制域： 包括帧种类、寻址等控制标志位包括帧种类、寻址等控制标志位l目标地址域：目标地址域：存放目标设备的短地址或广播地址存放目标设备的短地址或广播地址(0 xffff)(0 xffff)l源地址域：源地址域： 存放发送设备自己的短地址存放发送设备自己的短地址l半径域：半径域： 传输半径（传输半径（跳数跳数）l序列号域：序列号

59、域： 每次发送帧时加每次发送帧时加1 1l帧负载域：帧负载域： 长度可变长度可变6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 6.3.2 网络层规范网络层规范2字节字节帧控制帧控制2目标地址目标地址2源地址源地址1半径半径1序列号序列号变长变长帧负载帧负载路由域路由域帧头帧头6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 6.3.2 网络层规范网络层规范4 4、协调器组网过程、协调器组网过程扫描信道扫描信道指定指定PANID？是是否否是是否否有冲突？有冲突？返回错误信息返回错误信息选择合适的选择合适的PANID返回成功信息返回成功信息现在网络中有现在网络中有几个节点？几个节点？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仅协调器仅协调器1个节点个节点短地址设为短地址设为05、设备加入网络、设备加入网络子设备子设备父设备父设备子设备发送信标请求命令帧子设备发送信标请求命令帧父设备发送信标帧父设备发送信标帧子设备发送连接请求命令帧子设备发送连接请求命令帧父设备发送父设备发送ACK应答帧，若允许入网，则未应答帧，若允许入网，则未处理数据位置处理数据位置1，否则置，否则置0.若若ACK帧中未处理数据位为帧中未处理数据位为1，则，则子设备发送上位数据请求命令帧子设备发送上位数据请求命令帧父设备发送该设备所对应的父设备发送该设备所对应的连接响