第四讲Zigbee

1、第四讲 IEEE 802.15.4无线传感器网络通信标准主讲人：贾倩 班 级：13物联网应用技术相关知识点回顾ZigBee技术无线传感器网络ZigBee技术 ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。4无线传感器网络 无线传感器网络WSN，是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的

2、方式形成一个多跳的自组织的网络系统。 无线传感器网络是由数目众多且具有特殊功能的传感器节点通过无线自组织通信方式，互相传输信息，协同地完成特定功能的智能无线专用网络。本章内容简介 IEEE802.15.4标准概述 网络组成和拓扑结构 协议栈架构 物理层规范 MAC层规范 MAC/PHY信息交互流程 基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络IEEE802.15.4标准概述 传感器网络中的应用一般并不需要很高的信道带宽，却要求具有较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能在有限的电池寿命内完成任务。IEEE 802.15.4/ZigBee标准把低功耗、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了一

3、种互联互通的平台，各个射频芯片厂商也陆续推出支持该标准的无线收发芯片。 本章主要介绍了当前工业界已有的或正在制定的与无线传感器网络协议想过的通信标准。包括IEEE 802.15.4/ZigBee协议标准。2.1 IEEE802.15.4标准概述 IEEE802.15.4通信协议是短距离无线通信的IEEE标准，它是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的一个具体实现。 IEEE 802.15.4标准，即IEEE用于低速无线个人局域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范。该协议支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。LR-WPAN中的器件既可以使用在关联过程

4、中指配的16位短地址，也可以使用64位IEEE地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。 WPAN 是一种与无线广域网、无线城域网、无线局域网并列但覆盖范围相对较小的无线网络。它位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端间的连接，如连接手机跟蓝牙耳机等，覆盖范围一般在10米半径内，价格便宜，体积小，易操作，功耗低。 802.15系列标准 802.15.1：蓝牙无线个人区域网络标准，中速，用于手机、PAD 802.15.2：研究802.15.1以及802.11的共存问题 802.15.3：研究高速传输速率无线个人区域网络标准 802.15.4：针对低速无线个人区域网络标准，把低传输速

5、率、低能量消耗、低成本作为重点目标。 2.1 IEEE802.15.4标准概述IEEE 802.15.4标准具有如下特点： （1）支持简单器件。 （2）工作频段和数据速率。 2.4GHZ ISM频段物理层和868、915MHZ频段，250kbps,20kbps. （3）数据传输和低功耗。 （4）信标方式和超帧结构。 （5）自配置。 在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，来支持自配置功。自配置不仅能建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。 （6）安全性。2.2 网络组成和拓扑结构 IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：星型网络拓扑结构和点对点网络拓扑。 在

6、星型结构中，整个网络的形成以及数据的传输由中心的网络协调者集中控制，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。各个终端设备（FFD或RFD）直接与网络协调者进行关联和数据传输。2.2 网络组成和拓扑结构 IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：星型网络拓扑结构和点对点网络拓扑。 点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。但与星型网络不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可以直接通信。2.3 协议栈架构 IEEE 802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并向高

7、层提供服务。 IEEE 802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。 2.3 协议栈架构 MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（Service Specific Convergence Sublayer， SSCS），链路控制子层（logical link control，LLC）等，只是IEEE 802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。 SSCS为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的

8、LLC子层提供聚合服务。LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE 802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。 2.3 协议栈架构2.3 协议栈架构2.4.物理层PHY规范 在OSI参考模型中，物理层处于最底层，是保障信号传输的功能层，因此物理层涉及与信号传输有关的各个方面，包括信号发生、发送与接收电路，数据信号的传输编码、同步与异步传输等。物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。它为链路层提供服务包括：物理连接的建立、维持与释放、物理服务数据单元的传输、物理层管理、数据编码。 2.4.物理层PHY规范 物理层数据服务包括以下五方面的功

9、能： （1）激活和休眠射频收发器。 （2）信道能量检测（energy detect）。 （3）检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication，LQI）。 （4）空闲信道评估（clear channel assessment，CCA）。 （5）收发数据。2.5.MAC规范 MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。MAC 子层的参考模型如图所示。2.5.MAC规范 MAC子层主要功能包括下面八个方面： （1）如果设备是协调器，那么就需要产生网

10、络信标； （2）信标的同步； （3）支持个域网络（PAN）的关联（association）和取消关联（disassociation）操作； （4）支持无线信道通信安全；（5）使用CSMA-CA机制访问物理信道；（6）支持时槽保障（guaranteed time slot， GTS）机制；（7）支持不同设备的MAC层间可靠传输。 （8）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；2.6 MAC/PHY信息交互流程 无线网关的通信模型如图所示。2.6 MAC/PHY信息交互流程 模型主要包括以下3个方面： 无线通信机制。现场设备与无线网关之间数据通信采用了ZigBee无线通信技

11、术。ZigBee无线通信技术采用CSMACA接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突，保证了数据传输的可靠性。其MAC层和物理层由IEEE802.15.4工作小组制定，NWK和APS则由ZigBee联盟来制定，其他部分ZDO（ZigBee设备对象）和ZAO（ZigBee应用对象），由用户根据不同应用来完成。2.6 MAC/PHY信息交互流程 以太网协议转换。无线网关的接入功能主要体现在协议转换，即将ZigBee无线通信协议转换为以太网有线协议，通过以太网接入控制网络。IEEE802.3PHY和IEEE802.3 MAC为标准的以太网物理层和介质访问层，IEEE802.2 LLC提供以太网帧与I

12、P层接口，传输层为标准TCP/UDP协议。2.6 MAC/PHY信息交互流程 上层服务接口（high layer service interface）。针对工业应用，无线网关要求提供上层服务及接口，使用户可以通过无线网关对现场设备进行组态、调校。上层服务接口位于ZigBee APS层与TCP/IP层之间，为系统实现各种服务提供通用接口。2.7 基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络 1.组网类型 本实例中，无线传感器网络采用星形拓扑结构，由一个与计算机相连的无线模块作为中心节点，可以跟任何一个普通节点通信。普通节点可以由一组传感器节点组成，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，它们对周围环境中的各个参数进行测量和采样，并将采集到的数据发往中心节点，由中心节点对发来的数据和命令进行分析处理，完成相应操作。普通节点只能接