zigbee技术原理

第2章Zigbee技术原理2.1概述2.2Zigbee网络结构2.3IEEE802.15.4通信层2.4Zigbee网络层2.5Zigbee应用层理解Zigbee网络结构。掌握IEEE802.15.4通信层。掌握MAC层和网络层帧结构。掌握Zigbee网络层服务规范。掌握Zigbee应用层规范。本章目标学习导航本章主要介绍Zigbee技术原理，这是更深入了解Zigbee协议的应用以及后续开发的基础。2.1概述Zigbee技术是一种低数据传输速率的无线个域网，网络的基本成员称为设备。网络中的设备按照各自作用的不同可以分为协调器节点、路由器节点和终端节点。2.2Zigbee网络结构Zigbee网络协调器是整个网络的中心，它的功能包括建立、维持和管理网络，分配网络地址等。所以可以将Zigbee网络协调器认为是整个Zigbee网络的“大脑”。Zigbee网络路由器主要负责路由发现、消息传输、允许其他节点通过它接入到网络。Zigbee终端节点通过Zigbee协调器或者Zigbee路由器接入到网络中，Zigbee终端节点主要负责数据采集或控制功能，但不允许其他节点通过它加入到网络中。本节将重点介绍Zigbee网络体系、Zigbee网络拓扑结构和Zigbee协议架构。2.2.1网络体系按照OSI模型，Zigbee网络分为4层，从下向上分别为物理层、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)和应用层。其中物理层和MAC层由IEEE802.15.4标准定义，合称IEEE802.15.4通信层；网络层和应用层由Zigbee联盟定义。图2-1所示为Zigbee网络协议架构分层，每一层向它的上层提供数据和管理服务。图2-1Zigbee网络体系架构2.2.2拓扑结构Zigbee网络支持三种拓扑结构：星型、树型和网状型结构，如图2-2所示。其中：在星型拓扑结构中，所有的终端设备只和协调器之间进行通信。树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点互相通信外，其他只能通过网络中的树型路由完成通信。图2-2Zigbee网络拓扑结构网状型网络是在树型网络的基础上实现的。与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点互相通信，由路由器中的路由表完成路由查寻过程。（1）.星型网络的形成过程在星型网络中，协调器作为发起设备，协调器一旦被激活，它就建立一个自己的网络，并作为PAN协调器。路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络。不同PAN标识符的星型网络中的设备之间不能进行通信。（2）.树型网络的形成过程在树型网络中，由协调器发起网络，路由器和终端设备加入网络。设备加入网络后由协调器为其分配16位短地址，具有路由功能的设备可以拥有自己的子设备。但是在树型网络中，子设备只能和自己的父设备进行通信，如果某终端设备要与非自己父设备的其他设备通信，必须经过树型路由进行通信。（3）.网状型网络的形成过程在网状型网络中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。理论上任何一个设备都可定义为PAN主协调器，设备之间通过竞争的关系竞争PAN主协调器。但是在实际应用中，用户往往通过软件定义协调器，并建立网络，路由器和终端设备加入此网络。当协调器建立起网络之后，其功能和网络中的路由器功能是一样的，在此网络中的设备之间都可以相互进行通信。2.2.3协议架构（重点、难点）Zigbee网络协议体系结构如图2-3所示，协议栈的层与层之间通过服务接入点(SAP)进行通信。SAP是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。大多数层有两个接口：数据服务接口和管理服务接口。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务；管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据服务。Zigbee协议体系架构是在IEEE802.15.4标准的基础上建立的，IEEE802.15.4标准定义了Zigbee协议的物理层和MAC层。因此Zigbee设备应该包括IEEE802.15.4的物理层和MAC层以及Zigbee堆栈层，其中Zigbee堆栈层包括Zigbee联盟定义的网络层和应用层以及安全服务商提供的安全服务层。1.物理层和MAC层IEEE802.15.4标准为低速率无线个人域网定义了OSI模型最底层的两层，即物理层和MAC层，也是Zigbee协议底部的两层，因此这两层也称为IEEE802.15.4通信层。其详细内容见2.3节。图2-3Zigbee协议体系架构2.网络层网络层提供保证IEEE802.15.4MAC层正确工作的能力，并为应用层提供合适的服务接口，包括数据服务接口(MCPS)和管理服务接口(MLME)。数据服务接口的作用主要有两点：一是为应用支持子层的数据添加适当的协议头以便产生网络协议数据单元。二是根据路由拓扑结构，把网络数据单元发送到通信链路的目的地址设备或通信链路的下一跳地址。管理服务接口的作用有以下两点：提供的服务包括配置新设备、创建新网络、设备请求加入或者离开网络。允许Zigbee协调器或路由器请求设备离开网络、寻址、路由发现等功能。3.应用层应用层包括三部分：应用支持子层(APS)、Zigbee设备对象（ZDO）和厂商定义的应用对象。应用支持子层提供了网络层和应用层之间的接口，包括数据服务接口和管理服务接口。其中管理服务接口提供设备发现服务和绑定服务，并在绑定的设备之间传送消息。Zigbee设备对象功能包括：定义设备在网络中的角色(比如协调器、路由器或终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。另外，还负责发现网络中的设备，并且向他们提供应用服务。厂商定义的应用对象功能包括：提供一些必要函数，为网络层提供合适的服务接口。另外一个重要的功能是应用者可以在这层定义自己的应用对象。IEEE802.15.4规范满足国际标准组织(ISO)开放系统互联(OSI)参考模式，它定义了Zigbee的物理层和MAC层。2.3IEEE802.15.4通信层2.3.1物理层物理层负责的主要功能包括：工作频段的分配，信道的分配以及为MAC层服务提供数据服务和管理服务。1.工作频段的分配IEEE802.15.4定义了两个物理标准，分别是2450 MHz(一般称为2.4 GHz)的物理层和868/915 MHz的物理层。它们基于直接序列扩频，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频段、调制技术和传输速率的不同。2.4 GHz是全球统一的无需申请的ISM频段，有助于Zigbee设备的推广和生产成本的降低。此频段的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250 kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信延时和更短的周期，达到节约能源的目的。另外此频段提供16个数据速率为250 kb/s的信道。868 MHz是欧洲的ISM频段，915 MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868 MHz的传输速率为20 kb/s，915 MHz的传输速率是40 kb/s。这两个频段上无线信号传播损耗较小，可以降低对接收灵敏度的要求，获得较远的通信距离。在868/915 MHz频段中，868 MHz支持1个数据速率为20 kb/s的信道，915 MHz支持10个数据速率为40 kb/s的信道。2.信道的分配IEEE802.15.4物理层在三个频段上划分了27个信道，信道编号k为0～26。2.4 GHz频段上划分了16个信道，915 MHz频段上有10个信道，868 MHz频段只有1个信道。27个信道的中心频率和对应的信道编号定义如下：3.物理层服务规范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比特流。它提供的主要服务包括：物理层连接的建立、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。物理层功能涉及“服务原语”和“服务访问接口”两个概念，它们的意义如下所述。服务原语：Zigbee协议栈是一种分层结构，从下至上第N层向第N + 1层或者第N + 1层向第N层提供一组操作(也叫服务)，这种“操作”叫做服务原语。它一般通过一段不可分割的或不可中断的程序实现其功能。服务原语用以实现层和层之间的信息交流。服务访问接口：服务访问接口(ServiceAccessPoint，SAP)是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。这里所说的“接口”是指不同功能层的“通信规则”。例如，物理层服务访问接口是通过射频固件和硬件提供给MAC层与无线信道之间的通信规则。服务访问接口是通过服务原语实现的，其功能是为其他层提供具体服务。注意：这里要区分“服务原语”和“协议”的区别：“协议”是两个需要通信的设备之间的同一层之间如何发送数据、如何交换帧的规则，是“横向”的；而“服务原语”是“纵向”的层和层之间的一组操作。IEEE802.15.4标准的物理层所实现的功能包括数据的发送与接收、物理信道的能量检测、射频收发器的激活与关闭、空闲信道评估、链路质量指示、物理层属性参数的获取与设置。这些功能是通过物理层服务访问接口来实现的，物理层主要有两种服务接口(SAP)：物理层管理服务访问接口(PhysicalLayerManagementEntity，简称PLME-SAP)，PLME-SAP除了负责在物理层和MAC层之间传输管理服务之外，还负责维护物理层PAN信息库(PHYPIB)。物理层数据服务访问接口(PhysicalDataSAP，简称PD-SAP)，PD-SAP负责为物理层和MAC层之间提供数据服务。PLME-SAP和PD-SAP通过物理层服务原语实现物理层的各种功能，如图2-4所示。图2-4物理层参考模型4.数据的发送与接收数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA原语完成的，它可以实现两个MAC子层的MAC协议数据单元(MACProtocolDataUnit，MPDU)传输。IEEE802.15.4标准专门定义了三个与数据相关的原语：数据请求原语(PD-DATA.Request)，数据确认原语(PD-DATA.comfirm)数据指示原语(PD-DATA.Indication)。语法见P18内容5.物理能量信道的检测协调器在构建一个新的网络时，需要扫描所有信道(在MAC层这种扫描称作ED_SCAN)，然后为网络选择一个空闲的信道，这个过程在底层是借助物理信道能量检测来完成的。如果一个信道被别的网络占用，体现在信道能量上的值是不一样的。IEEE802.15.4标准定义了与之相关的两个原语：能量检测请求原语(PLME_ED.request)能量检测确认原语(PLED-ED.confirm)。能量检测请求原语由MAC子层产生。能量检测请求原语为一个无参的原语，语法如下：PLME-ED.request()。收到该原语后，如果设备处于接收使能状态，PLME就指示物理层进行能量检测(ED)。能量检测确认原语由物理层产生，物理层在接收到能量检测原语后把当前信道状态以及当前信道的能量值返回给MAC子层。语法如下：PLME-ED.confirm(status,EnergyLevel )其中状态参数status将指示能量检测失败的原因(TRX_OFF或TX_ON)，如果设备处于收发关闭状态(TRX_OFF)或发送使能状态(TX_ON)时，则无法进行能量检测。在具体实现中，一般射频芯片会使用特定的寄存器存放当前的信道状态以及信道的能量值。注意：在Zstack协议栈中，用户往往会提前指定信道的使用，以便于Zigbee网络的管理和维护。6.射频收发器的激活与关闭为了满足低功耗要求，在不需要无线数据收发时，可以选择关闭底层射频收发器。802.15.4标准定义了两个相关的原语：收发器状态设置请求原语(PLME-SET-TRX-STATE.request)收发器状态设置确认原语(PLME-SET-TRX-STATE.confirm)收发器状态设置请求原语由MAC子层产生。语法如下：PLME-SET-TRX-STATE.request(status)其中参数为需要设置的目标状态，包括：射频接