ZigBee第2章-ZigBee无线传感器网络通信标准课件

1、目录2.1 IEEE 802.15.4标准12.2 ZigBee规范2ZigBee技术原理与实战12.1 IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战2物理层（PHY）- 工作频率范围频率/MHz扩频参赛数据参数码片速率/(kchip.s-1)调制方式比特速率/(kbps)符号速率/(ksymbol.s-1)符号阶数868/915868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制245024002483.52000O-QPSK25062.5十六进制正交2.1 IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战3

2、物理层（PHY）- 工作频率范围通用射频规范1. 能量检测（ED）2.链路质量指示（LQI）3.空闲信道评估（CCA）2.1 IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战4物理层服务规范2.1 IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战5物理层数据服务原语请求确认指示响应说明PD-DATA发送和接收物理层数据单元原语形式PD-DATA.requestPD-DATA.confirmPD-DATA.indication-PD-DATA.request (psduLength,psdu)PD-DATA.confirm (status)PD-D

3、ATA.indication (psduLength,psdu,ppduLinkQuality)2.1 IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战6物理层管理服务原语请求确认指示响应说明PLME-CCA请求物理层管理实体（PLME）执行空闲信道评估（CCA）PLME-CCA.requestPLME-CCA.confirm-PLME-ED请求物理层管理实体（PLME）执行能量检测（ED）PLME-ED.requestPLME-ED.confirm-Z-Stack协议栈实现：radioComputeED()MAC/LowLevel/mac_radio.cPLME-GE

4、T向物理层管理实体（PLME）请求物理层PIB相关属性的值PLME-GET.requestPLME-GET.confirm-PLME-SET向物理层管理实体（PLME）请求设置物理层PIB相关属性的值PLME-SET.requestPLME-SET.confirm-PLME-SET-TRX-STATE向物理层管理实体（PLME）请求改变收发机内部的工作状态PLME-SET-TRX-STATE.requestPLME-SET-TRX-STATE.confirm-2.1 IEEE 802.15.4标准媒体介质访问层（MAC）ZigBee技术原理与实战7媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 80

5、2.15.4标准媒体介质访问层（MAC）ZigBee技术原理与实战8MAC层功能描述IEEE802.15.4标准MAC层主要完成以下几项功能：使用CSMA-CA的信道访问机制PAN网络的建立和运行PAN网络的关联（association）和解关联（disassociation）网络同步MAC事务处理两个对等MAC实体间的可靠链路保证功耗考虑2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战91. 信道访问机制1）信道接入方式IEEE 802.15.4规范中，MAC层采用载波侦听多址接入/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collisi

6、on Avoidance, CSMA/CA )机制载波侦听：多址接入：冲突避免：媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战101. 信道访问机制2）超帧结构具有GTS的超帧结构媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战111. 信道访问机制2）超帧结构无GTS的超帧结构媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战12PAN的建立和运行1) 信道扫描（1）ED扫描选择合适的通信信道（2）主动扫描（3）被动扫描（4）孤立扫描仅FFD设备支持能量检测（ED）扫描和主

7、动扫描媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战13PAN的建立和运行处理同一个POS范围内的两个PAN具有相同的PAN标识符2) PAN标识符冲突检测（1) 冲突检测（2) 冲突解决3) PAN建立4) 信标产生5) 设备发现媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战14关联和解关联关联：设备在加入网络时，向协调器注册、身份认证短地址的值描述0 x00000 xFFFD设备可以使用的短地址模式0 xFFFE设备关联成功但是没有分配有效的短地址，在网络通信中只能使用64位的扩展地址0 xFFFF设备尚未

8、关联协调器分配短地址解关联：协调器或者关联的设备请求离开PAN媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战15PAN同步机制设备与协调器保持同步1) 支持信标的同步检测任何待处理的消息或跟踪信标，获得信标同步2) 无信标同步终端设备向协调器轮询数据3)孤立设备重排列媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战165. 事务处理设备与协调器间的交互处理方式事务处理通常由设备本身发起，而不是由协调器发起协调器能够存储多个事务，则它将确保同一设备的所有事务按照它们到达MAC层的顺序发出如果事务需要确认但是没有收到

9、确认，设备MAC层将指示状态为NO_ACK。如果事务处理成功，MAC层将指示状态为SUCCESS。媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战176. 可靠性数据传输可靠性保证1）帧确认2）数据验证7. 功耗考量媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战181. MAC层数据服务1. 数据传送模型 -数据传送给协调器信标网络非信标网络媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战191. MAC层数据服务1. 数据传送模型 -协调器传送数据信标网络非信标网络媒体介

10、质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战20MAC层数据服务原语MAC数据服务流程媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战21MAC 管理服务PAN网络启动原语 MLME-START媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战22MAC 管理服务信标通知原语 MLME-BEACON-NOTIFYMLME-BEACON-NOTIFY.indication (BSN,PANDescriptor,PendAddrSpec,AddrList,sduLength,sdu)

11、媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战23MAC 管理服务信道扫描原语 MLME-SCANMLME-SCAN.request (ScanType,ScanChannels,ScanDuration)媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战24MAC 管理服务GTS管理原语 MLME-GTS设备请求分配GTS流程图媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战25MAC 管理服务GTS管理原语 MLME-GTS设备请求撤销GTS （a）和协调器撤销GTS（b

12、）流程图媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战26MAC 管理服务关联原语 MLME-ASSOCIATE关联服务流程媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战27MAC 管理服务解关联原语 MLME-DISASSOCIATE解关联流程媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战28MAC 管理服务同步原语 MLME-SYNC媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战29MAC 管理服务失步原语 MLME-SYN

13、C-LOSSMLME-SYNC-LOSS.indication (LossReason)媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战30MAC 管理服务孤立通知原语 MLME-ORPHAN媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战31MAC 管理服务数据请求原语（轮询原语）MLME-POLL媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战32接收机状态使能原语 MLME-RX-ENABLE2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战33MAC 管

14、理服务通信状态原语 MLME-COMM-STATUSMLME-COMM-STATUS.indication (PANId,SrcAddrMode,SrcAddr,DstAddrMode,DstAddr,status)媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战34MAC 管理服务PIB属性读取原语 MLME-GETMLME-GET.request (PIBAttribute)PIB属性设置原语 MLME-SETMLME-SET.request (PIBAttribute,PIBAttributeValue)MAC子层复位原语 MLME-RESETML

15、ME-RESET.request(SetDefaultPIB)媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战35MAC层帧格式字节数：210/20/2/80/20/2/8可变2帧控制序列号目的PAN ID目的地址源PAN ID源地址帧负载FCS地址信息MHR（MAC头）MAC负载MFR(MAC尾)信标帧媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战36数据帧媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准ZigBee技术原理与实战37确认帧媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4

16、标准ZigBee技术原理与实战38MAC命令帧媒体介质访问层（MAC）2.2 ZigBee规范网络层（NWK）规范ZigBee技术原理与实战39版本ZigBee04ZigBee06ZigBee07发布时间2004年12月2006年12月2007年10月指令集无无ZigBeeZigBee PRO无线射频标准802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配CSKIPCSKIP随机拓扑星状树状、网状树状、网状网状较大网络不支持不支持不支持支持自动跳频支持3个信道否否是PAN ID冲突解决支持否可选支持数据分割重组传输支持否可选可选集中式数据搜集（多对一路由，源路由）否否否支持

17、高安全支持支持，1密钥支持，1密钥支持，多密钥组寻址否支持支持支持簇库否支持支持支持信任中心能否存在于网络任何设备否否否支持应用领域消费电子(少量节点)住宅(300个节点以下)住宅(300个节点以下)商业(1000个节点以上)ZigBee协议版本对比2.2 ZigBee规范网络层（NWK）规范ZigBee技术原理与实战40网络层参考模型2.2 ZigBee规范网络层（NWK）规范ZigBee技术原理与实战41网络信息流2.2 ZigBee规范网络层（NWK）规范ZigBee技术原理与实战42网络信息流2.2 ZigBee规范网络层（NWK）规范ZigBee技术原理与实战43关联方式连接网络子设

18、备加入网络2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战44关联方式连接网络父设备处理流程网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战45直接方式连接网络父设备处理流程父设备将子设备加入网络流程网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战46直接方式连接网络父设备处理流程父设备将子设备加入网络流程网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战47孤立方式加入网络子设备处理流程网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战48孤立方式加入网络父设备处理流程网络层（NWK）规范2.2 ZigBe

19、e规范ZigBee技术原理与实战49孤立方式加入网络父设备处理流程网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战50地址分配机制分布式地址分配方案网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战51地址分配机制分布式地址分配方案网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战52地址分配机制分布式地址分配方案网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战53断开网络子设备请求离开网络网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战54断开网络子设备请求离开网络网络层（NWK）规范2

20、.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战55断开网络父设备将子设备离开网络网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战56网络层路由管理设备收到RREQ处理流程网络层（NWK）规范无线传感器网络的发展和现状ZigBee技术原理与实战57网络层路由管理设备收到RREP处理流程网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战58网络帧格式字节数：2可变可变帧控制路由字段数据负载网络头网络负载数据帧格式网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战59网络帧格式命令帧格式字节数：2可变1可变帧控制路由字段网络命令标识符网络命令负载网络头网络负载命令帧标识符命令名称0 x01路由请求0 x02路由回复0 x03网络状态0 x04离开0 x05路由记录0 x06重新加入请求0 x07重新加入响应0 x08连接状态0 x09网络报告0 x0a网路更新0 x0b0 xff保留网络层（NWK）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战60应用层（APL）规范应用层（APL）规范2.2 ZigBee规范ZigBee技术原理与实战61应用层（APL）规范APS参考模型应用层（APL）规范2.2 ZigBee规范ZigB