无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准

第6章传感器网络协议的技术标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第1页。26.1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IEEE802.15.4/ZigBee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。IEEE802.15.4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范，ZigBee则定义了网络互联、传输和应用规范。目前传感器网络标准化工作的两个公认成果是IEEE1451接口标准和IEEE802.15.4低速率无线个域网协议。无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第2页。36.2IEEE1451系列标准1、IEEE1451标准的诞生基于各种现场总线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、千差万别，其内部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。

无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第3页。4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，如I2C，HART，SPI，LonWorks及CAN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、维护等带来不利的影响。6.2IEEE1451系列标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第4页。5

国际电子电气工程师协会(IEEE)面对目前传感器市场上总线接口互不兼容,互操作性差难以统一的难题,专门建立专家组制定IEEE1451协议族,以此来解决传感器接口的标准化问题。

IEEE1451协议族共分五个协议标准,目前,IEEE1451.1、IEEE1451.2、IEEE1451.3、IEEE1451.4已被IEEE组织通过。

这个标准提供了将变送器(传感器和执行器)连接到一个数字系统,尤其是到网络的方式,简化了现场变送器到微处理器以及网络的连接,提供一个适合各种网络的工业标准接口,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,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。6.2IEEE1451系列标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第5页。66.2IEEE1451系列标准IEEE1451协议族定义了一个较为完整的通用模型,在这个模型中采用分层体系结构。IEEE1451.2智能传感器接口模块标准的功能框架:无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第6页。76.2IEEE1451系列标准第一层模块结构为网络适配器NCAP(NetworkCapableApplicationProcessor),用来运行网络协议和应用软件第二层模块为智能变送器模块STIM(SmartTransducerInterfaceModule),其中包括变送器和电子数据表格TEDS(TransducerElectronicDataSheet)。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,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,更加接近实际测量和控制点。其中TEDS的设计是整个协议族的精华所在,使传感器模块同时具有即插即用的兼容性。无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第7页。86.2IEEE1451系列标准电子数据表格(TEDS)存储了变送器自身信息和制造商信息

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：MetaTEDS:STIM的整体描述符ChannelTEDS:包括STIM的量程、单位、启动时间等参数其余六项包括: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无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第8页。96.2IEEE1451系列标准IEEE1451.2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。IEEE1451.3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。IEEE1451.4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与模拟测量相兼容。无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第9页。106.2IEEE1451系列标准IEEE1451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，也可以单独使用。无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第10页。116.2IEEE1451系列标准IEEE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“IEEEP1451.5”，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。IEEE1451.5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。无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第11页。126.2IEEE802.15.4标准6.2.1IEEE802.15标准概述IEEE8.2.15工作组于1998年成立，致力于无线个人区域网络（WPAN）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：802.15.1蓝牙无线个人区域网络标准，中速、近距离，适用于手机、PDA等。802.15.2

是802.15.1的补充，研究802.15.1与802.11WLAN的共存问题。802.15.3

高传输速率无线个人区域网络，多媒体方面的应用。802.15.4

低速无线个人区域网络，低能耗，低速率和低成本，针对个人和家庭范围内不同设备间的低速传输。无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第12页。13WLAN(无线局域网络)基于IEEE

802.11系列标准802.11，1997年，原始标准(2Mb/s工作在2.4GHz)。802.11a，1999年，物理层补充(54Mb/s工作在5GHz)。802.11b，1999年，物理层补充(11Mb/s工作在2.4GHz)。802.11c，符合802.1d的媒体接入控制层(MAC)桥接。802.11d，根据各国无线电规定做的调整。802.11e，对服务等级(QoS)的支持。802.11f，基站的互连性(Interoperability)。802.11g，物理层补充(54Mb/s工作在2.4GHz)。802.11h，无线覆盖半径的调整，室内(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz频段)。802.11i，安全和鉴权(Authentification)方面的补充。802.11n，导入多重输入输出(MIMO)和40Mbit通道宽度技术。6.2IEEE802.15.4标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第13页。14由于IEEE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。IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络特点：在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；支持星型和点对点两种网络拓扑结构；有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)；支持确认机制，保证传输可靠性。6.2IEEE802.15.4标准6.2.1IEEE802.15.4标准概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第14页。15IEEE802.15.4标准规定物理层任务：激活和休眠射频收发器；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；检测接收数据包的链路质量指示(LQI)，得出信噪比指标；空闲信道评估；收发数据。如何评估信道是否空闲？方法1：判断信号的信道能量，低于门限，则为空闲；方法2：判断信号的特征(扩频信号特征和载波频率)；方法3：同时判断信道能量和信号的特征。6.2IEEE802.15.4标准6.2.2物理层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第15页。16IEEE802.15.4标准定义的信道0-26共27个；跨越3个频段，具体包括2.4GHz频段的16个信道、915MHz频段的10个信道、868MHz频段的1个信道。信道的频段中心定义(其中k表示信道编号)：

fc=868.3MHzk=0fc=906+2×(k－1)MHzk=1，2，…，10fc=2405+5×(k－11)MHzk=11，12，…，266.2IEEE802.15.4标准6.2.2物理层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第16页。17

频带

使用范围

数据传输率

信道数2.4GHzISM 全世界250kbps16868MHz 欧洲 20kbps1915MHzISM 北美 40kbps106.2IEEE802.15.4标准6.2.2物理层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第17页。18Z-Stack中对频道的设置6.2IEEE802.15.4标准6.2.2物理层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第18页。19物理层服务规范物理层(PHY)通过射频连接件和硬件提供MAC层和无线物理信道之间的接口。物理层在概念上提供“物理层管理实体(PLME)”，该实体提供了用于调用物理层管理功能的管理服务接口。物理层提供两种服务：通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务；通过PLME的服务接入点提供物理层的管理服务。6.2IEEE802.15.4标准6.2.2物理层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第19页。202、物理层帧结构前导码由32个0组成，用于收发器之间进行同步。帧起始定界符（SFD）域由8位组成，表示同步结束，数据包开始传输。SFD与前导码构成同步头。帧长度由7位组成，表示物理服务数据单元（PSDU）的字节数。帧长度域和1位的保留位构成了物理头。PSDU域是变长的，携带PHY数据包的数据，包含介质访问控制协议数据单元。PSDU域是物理层的载荷。4字节1字节1字节变

长前导码SFD帧长度(7位)保留位(1位)PSDU同步头物理帧头PHY负载6.2IEEE802.15.4标准6.2.2物理层标准0xA7≤127字节承载MAC帧无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第20页。216.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准MAC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：能产生网络信标（如果设备是协调器）与信标保持同步支持PAN（个人局域网）的连接和断开连接支持设备的安全性信道接入采用CSMA-CA接入机制处理和维护GTS(保护时隙)机制在对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路（单跳）无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第21页。22MAC层的帧结构MAC层的通用帧结构由帧头、MAC负载和帧尾构成。帧头的域都以固定的顺序出现寻址域不一定要在所有帧都出现6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准210/20/2/80/20/2/8变长2帧控制序列号目标PAN标识目标地址源PAN标识源地址帧负载FCS地址域MHRMAC负载MFR包含帧类型定义、寻址域和其它控制标志为每个帧提供唯一的序列标识接收方的唯一PAN地址接收方短地址或长地址发送方的唯一PAN地址发送方短地址或长地址长度可变，因不同帧类型其内容各不相同CRC校验码MAC帧头

地址域（0－20字节）无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第22页。23帧控制域指明了MAC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。0-2帧类型3安全允许标志4未处理数据标志5请求确认6PAN内部标记7-9保留10-11目的地址模式12-13保留14-15源地址模式000:信标帧001:数据帧010:确认帧011:命令帧1:加密0:不加密1:除本帧外，还有后续数据0:无后续数据1:需要确认0:无需确认1:该MAC帧在本身所属的PAN内传输，帧地址域中不包含源PAN标识符；O:该帧是传输到另一个PAN，帧中必须包含源节点和目的节点的PAN标识符。00:PAN标识符和地址子域不存在01:保留10:16位短地址11:64位物理地址6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第23页。24序列号域的长度为8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0到0xFF。接收方可以根据此序列号判断接收的帧是否为新帧。地址域长度0到20字节，它有四个子域：目的PAN标识符：长度16位，是接收该帧的设备所在PAN的唯一标识。当标识符为0xFFFF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。目的地址：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16位或64位。源PAN标识符：长度16位，是发送该帧的设备所在PAN的唯一标识符。源地址：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16位或64位。6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第24页。25有效载荷域即帧传送的数据，若帧的安全控制域值为l，则载荷采用AES-128加密方式进行处理。AES内部始终使用16字节的分组长度，加密时，如果明文字节长度不是16的整数倍，要填充到大于该长度的最接近的16的倍数，但是如果刚好等于16的倍数，就额外在添加一个完整的分组，也就是添加16字节。6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第25页。26帧校验子域包含一个16位的CRC校验码。unsignedshortdo_crc(unsignedchar*message,unsignedintlen){inti,j;unsignedshortcrc_reg=0;unsignedshortcurrent;for(i=0;i<len;i++){current=message[i]<<8;for(j=0;j<8;j++){if((short)(crc_reg^current)<0)crc_reg=(crc_reg<<1)^0x1021;elsecrc_reg<<=1;current<<=1;}}returncrc_reg;}

6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准CRC的生成多项式：x16+x12+x5+110001000000100001=0x1021(忽略最高位)16位CRC计算方法

1．预置1个16位的寄存器为十六进制FFFF（即全为1）；称此寄存器为CRC寄存器；2．把第一个8位二进制数据（既通讯信息帧的第一个字节）与16位的CRC寄存器的低8位相异或，把结果放于CRC寄存器；3．把CRC寄存器的内容逻辑右移一位，并检查右移后的移出位；4．如果移出位为0：重复第3步（再次右移一位）；如果移出位为1：CRC寄存器与多项式1021(0001

0000

0010

0001)进行异或;5．重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；6．重复步骤2到步骤5，进行通讯信息帧下一个字节的处理；7．将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，得到的16位CRC。

无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第26页。276.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准MAC层定义了四种帧结构，其长度不超过127字节：信标帧在信标网络中，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（同步工作和同步休眠），以达到网络功耗最低。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。2帧控制1序列号4/10寻址域2超帧规范变长GTS域变长地址域变长信标超载2校验码MHRMAC负载MFR无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第27页。28IEEE802.15.4MAC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，则不发送信标帧。在超帧结构中，活动时间固定不变，CAP和CFP可变。时隙长度、CAP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。在非信标网络中不使用超帧结构，节点采用CSMA/CA算法竞争访问信道，每个竞争时隙为20个符号长度。6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准GTS0123456789101112131415

GTSCFPCAP活动时间非活动时间信标竞争访问时间，使用带时隙的CSMA/CA算法竞争信道非竞争访问时间(可选)使用时隙保护机制(GTS)，留给特定设备使用每个符号长度为4bit时间无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第28页。29数据帧数据帧由应用层发起，在ZigBee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给MAC层，形成MAC层服务数据单元(MSDU)。通过添加MAC层帧头信息和帧尾，便形成了完整的MAC数据帧MPDU。6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准2帧控制1序列号4/10寻址域变长数据负载2校验码MHRMAC负载MFR无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第29页。30确认帧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1，设备需要回复一个确认帧。确认帧紧接着被确认的帧发送，不需要使用CSMA/CA机制竞争信道。6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准2帧控制1序列号2校验码MHRMFR无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第30页。31命令帧MAC命令帧由MAC子层发起。在ZigBee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，MAC层将根据命令类型生成相应的命令帧。6.2IEEE802.15.4标准6.2.3MAC层标准2帧控制1序列号4/10寻址域1命令帧标识变长命令负载2校验码MHRMAC负载MFR无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第31页。32IEEE802.15.4标准包括物理层MAC层学习要求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。理解MAC层的任务，掌握MAC层四种类型的帧结构及作用。6.2IEEE802.15.4标准小结解决信道评估和数据收发问题解决网络接入问题无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第32页。331、ZigBee的由来ZigBee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。在ZigBee方案被提出一段时间后，IEEE802.15.4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Zigbee联盟和IEEE802.15.4工作组决定合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为“ZigBee”。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第33页。34ZigBee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常工作几个月甚至几年。ZigBee无线设备工作在公共频段上(全球2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz)，传输距离为10～75m，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz时为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第34页。352、ZigBee协议框架ZigBee协议栈自上而下由应用层（包括应用子层、应用架构和ZigBee设备对象）、网络层、MAC层和物理层组成。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述应用对象1应用对象240…应用架构AF应用子层APS网络层WNKMAC层物理层PHYZigBee设备对象ZDO应用层IEEE802.15.4ZigBee联盟无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第35页。36特殊应用对象应用对象0：用于整个ZigBee设备的配置和管理，附属于对象0的对象称为ZigBee设备对象(ZDO)。应用对象255：用于对所有对象的广播应用对象241—254：保留6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第36页。37ZigBee协议主要界定了网络、安全和应用框架层。支持三种拓扑结构：星型(Star)结构，可提供很长时间的电池使用寿命。网状(Mesh)结构，有多条传输路径，具有较高的可靠性。簇树型(ClusterTree)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。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述星型网状型簇状型协调器路由器终端设备无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第37页。38按节点在网络中担当的角色协调器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。路由器支撑网络链路结构，完成数据包的转发。终端设备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。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第38页。39按节点的复杂程度全功能设备（FFD）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型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。简化功能设备（RFD）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。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第39页。40星型拓扑结构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FFD也可为RFD。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位长地址（IEEE地址）和一个16位的短地址。短地址是一个相对地址，长地址是一个绝对地址。在ZigBee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，其他从设备均采用电池供电。ZigBee技术的星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第40页。41网状拓扑结构同样也存一个协调器作为主设备，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，就可以和其它设备通信。网状网络能够构成较为复杂的网络结构。一个对等网络的路由协议可以是基于Ad

hoc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。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第41页。42树状拓扑结构由一个协调器，多个路由器和多个终端设备组成，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PAN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。收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的邻近表中，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。树状网络结构的优点在于可以增加网络的覆盖范围，缺点是会增加传输信息的延迟时间。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第42页。433、ZigBee的技术特点(1)数据传输速率低:

(20～250kbps)，专注于低速应用。(2)有效范围小：有效覆盖范围10～75m之间。(3)工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(北美)，均为ISM频段。(4)省电：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，ZigBee可确保两节五号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第43页。44(5)可靠：采用碰撞避免机制，避免发送时的竞争和冲突。(6)成本低：由于数据传输速率低，协议简单，降低了成本，另外使用ZigBee协议可免专利费。(7)时延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。(8)网络容量大：一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。(9)安全：ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求配置。6.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第44页。451、ZigBee网络层（NWK）功能节点加入、离开网络的管理；帧的安全机制管理根据路由发送帧到目的节点发现和维护路由发现邻居节点和维护邻居节点信息ZigBee执行基于用于AODV专用网络的路由协议。6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第45页。462、网络层向应用层提供的服务网络层数据实体(NLDE)提供数据传输服务网络层管理实体(NLME)提供网络管理服务6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第46页。47网络层数据实体提供数据传输服务符合按照应用协议数据单元(APDU)的格式在同一个网络中的单个或多个设备之间传送传送目标可以是终端设备，也可以是中间设备应用协议数据单元(ApplicationProtocolDataUnit

，APDU)6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范APDU头地址信息APDU有效负载4字节16字节可变长度命令信息数据源和目标的IEEE地址有效数据，如测量值等。无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第47页。48网络层管理实体

提供网络管理服务配置一个新的设备:对设备初始化加入或离开网络寻址:协调器和路由器为新入网络设备分配地址邻居发现:发现、记录和汇报一跳邻居设备的信息接收控制:控制接收机的接收状态6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第48页。493、ZigBee网络层的帧结构帧控制域：包括帧种类、寻址等控制标志位目标地址域：存放目标设备的短地址或广播地址(0xffff)源地址域：存放发送设备自己的短地址半径域：传输半径（跳数）序列号域：每次发送帧时加1帧负载域：长度可变6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范2字节帧控制2目标地址2源地址1半径1序列号变长帧负载路由域帧头无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第49页。506.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范4、协调器组网过程扫描信道指定PANID？是否是否有冲突？返回错误信息选择合适的PANID返回成功信息现在网络中有几个节点？如何指定PANID？指定：0—0x3FFF未指定：0xFFFF仅协调器1个节点短地址设为0无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第50页。515、设备加入网络子设备父设备子设备发送信标请求命令帧父设备发送信标帧子设备发送连接请求命令帧父设备发送ACK应答帧，若允许入网，则未处理数据位置1，否则置0.若ACK帧中未处理数据位为1，则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连接响应命令帧子设备从响应命令帧中获取PANID和短地址，并更新父设备信息.6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第51页。526、网络地址分配

每个ZigBee设备加入网络时，从其父设备那里获得一个网络地址（短地址）MAX_DEPTH网络最大深度，协调器深度为0MAX_CHILDREN协调器或路由器的最多子节点数MAX_ROUTER协调器或路由器的子节点中最多路由器数6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范MAX_ROUTER≤MAX_CHILDREN无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第52页。53兄弟节点之间的地址间隔Cskip的计算:

Cm:MAX_CHILDREN

Rm:MAX_ROUTER

Lm:MAX_DEPTH

d:设备深度

6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范dCskip(d)021152130=4=4=3无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第53页。54父节点利用Cskip(d)作为偏移，向子节点分配有效地址。A1=Aparent+1An=An-1+Cskip(d)6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第54页。55Addr=18Cskip位置配置范例最多子节点=4，最多路由节点=3，最大深度=3Addr=0Addr=1Addr=35Addr=2Addr=19Addr=246.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范CRERRRR34569101187121314151617dCskip(d)017152130无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第55页。56Cskip位置配方式优缺点优点是简单，且可用来作为树状路由的依据。缺点是不适合大型网络组网之前，最大深度、子节点数等参数无法确定。Cskip位置配置方法只适合星型和树状拓扑，不支持网状拓扑。ZigBeePro对此作了改进。6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第56页。577、网络报文的发送根据不同的报文类型封装相应的网络报文，其中源地址为本设备网络地址，目的地址为最终的目的设备网络地址；调用MAC层数据帧的封装函数组织MAC数据帧，其中数据帧的源地址为本设备地址，目的地址是通过相应的路由算法计算出来的下一跳节点的地址；帧组织好后，将该数据帧发送给下一跳节点，由下一跳节点来负责接收、转发。6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第57页。588、网络报文的接收MAC层成功接收到数据帧后，去除帧头、帧尾域，剩下数据载荷域作为网络报文传递给网络层。6.3ZigBee协议标准6.3.2网络层规范收到报文是合法报文？否丢弃并报错执行是数据报文命令报文协调器/路由器终端设备是自己报文？否丢弃是自己报文？否根据路由进行转发是是将数据载荷传至上层无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第58页。59ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。ZigBee设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。6.3ZigBee协议标准6.3.3应用层无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第59页。60应用支持子层APS

APS层主要功能:（1）APS层协议数据单元APDU的处理。（2）APSDE提供在同一个网络中的应用实体之间的数据传输机制。（3）APSME提供多种服务给应用对象，这些服务包括安全服务何绑定设备，并维护管理对象的数据库，也就是我们常说的AIB。

无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准全文共67页，当前为第60页。61

应用框架（ApplicationFramework）为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，为每个应用对象提供了键值对KVP服务和报文MSG服务两种服务供数据传输使用。每个节点除了64位的IEEE地址，16位的网络地址，每个节点还提供了8位的应用层入口地址，对应于用户应用对象。端点0为ZDO接口，端点1至240供用户自定义用于对象使用，端点255为广播地址，端点241-254保留将来使用。每一个应用都对应一个配置文件（Profile）。配置文件包括：设备ID（DeviceID），事务集群ID（clusterID），属性ID（AttributeID）等。AF可以通过