1、ZigBee 基础知识一、ZigBee 特点ZigBee 技术是一种新兴的短距离、低功耗、低成本、低数据传输率的无线通信技术。它的主要特点如下：1)低功耗：在低功耗待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用 624 个月。2)低速率：数据传输速率只有 10kb/s 250 kb/s，专注于低速数据传输应用。3)低成本：因为 ZigBee 数据传输速率低，协议简单，降低了对通信控制器的要求，所以大大降低了成本。 4)短距离：传输距离一般介于 10100m 之间，在增加 RF 发射功率后，亦可增加到 13km。这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。5)短时延：
2、 Zigbee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点连接进入网络只需 30ms，进一步节省了电能。6)容量大： Zigbee 可采用星状、簇状和网状网络结构，一个主节点可管理254 个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，这样可组成 65000 多个节点。7)安全： ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用 AES-128 加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。8)工作频段灵活：使用的频段分别为全球的 2.4GHz ISM 频段(16 个信道)、欧洲的 868MHz 频段(1 个信道 )，以及美国的 915MHz 频段(10 个信道)，均为免执照频段。二
3、、ZigBee 工作频率表 1 ZigBee 工作频率表频带 频段类型 使用范围 数据传输速率 信道数2.4GHz ISM 全球 250Kb/s 16915MHz ISM 美国 40Kb/s 10868MHz ISM 欧洲 20Kb/s 1三、ZigBee 的设备类型ZigBee 网络支持两种功能类型的网络节点：全功能器件(Full Function Device, FFD)和精简功能器件(Reduce Function Device ，RFD)。全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器(Coordinator)，路由器(Router)和普通节点 (Device)；而精简功能器件旨
4、在实现最简单的协议功能而设计，只能作为普通节点存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他的全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器件之间不能直接通信。四、ZigBee 网络节点类型ZigBee 网络包含三种节点类型：ZigBee 协调器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee 路由器(ZigBee Router，ZR)和终端设备(ZigBee End Device，ZED)。协调器只能是全功能器件 FFD。一个 PAN 的网络中，至少要有一个全功能器件作为网络的协调器，它可以看作是一个 PAN 的网关节点(SINK 节点)。它是网络建立的起点，负
5、责 PAN 网络的初始化，确定 PAN 的 ID 号和 PAN 操作的物理信道并统筹短地址分配，充当信任中心和储存安全密钥，与其他网络的连接等。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的 64 位 IEEE 长地址，该地址可以在 PAN 中用于直接通信。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间，在这个空间内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配 16 位短地址给节点。因此在设备发起连接时采用的是 64 位 IEEE 长地址，只有连接成功后，系统分配了 PAN 的标志符后，才能采用 16 位的短地址来通信。路由器可以只运行一个存放有路由协议的精简协议栈，负责网络数据的路由，实现数据中转功能。在
6、网络中最基本的节点就是终端节点 ZED，一个终端节点可以是全功能器件 FFD 或者是精简功能器件 RFD。Zigbee 网络拓扑结构比较流行的有三种：星型网络(Star)、簇状型网络(Cluster)、网状型网络(Mesh)。五、ZigBee 协议通信原语在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务接入点(Service Access Point，SAP) 相连接的。每一层都可以通过本层与下一层的 SAP 调用下层所提供的服务，同时通过与上一层的 SAP 为上层提供相应服务。SAP 是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语的形式供上层调用的。在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不
7、需要去了解如何处理原语。这样就做到了数据层与层之间的透明传输。层与层之间的通信原语可分为以下四种，它们之间的关系如图 5-1 所示：5-1 ZigBee 协议通信原语Request：请求原语，用于上层向本层请求指定的服务。Confirm：确认原语，用于本层响应上层发出的请求原语。Indication：指示原语，用于本层向上层指示本层的某一内部事件。Response：响应原语，用于上层响应本层发出的指示原语。本文中原语遵循了“SAP 名称-原语功能.原语类型”的书写规则，如“MLME-ASSOCIATE.request”表示 MLME-SAP 上提供的关联请求原语。六、ZigBee 协议栈框架6
8、.1 PHY 层P D - S A P P L M E - S A PR F - S A P物理层物理层管理实体物理层个域网基本信息库图 6-1 物理层结构模型物理层的作用主要是利用物理介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据传输率并降低数据出错率，以便透明的传送比特流。Zigbee 协议的物理层主要负责以下任务：(1)启动和关闭 RF 收发器。(2)信道能量检测。(3)对接收到的数据包进行链路质量指示 LQI(Link Quality Indication)。(4)为 CSMA/CA 算法提供空闲信道评估 CCA(Clear Channel Assessment)。(5)对通信信道进行选择
9、。(6)数据包的传输和接收6.2 MAC 层M C P S - S A P M L M E - S A PM A C 公共部分子层M A C 层管理实体M A C 层个域网基本信息库P L M E - S A PP D - S A P图 6-2 MAC 层结构模型IEEE 802.15.4 媒体介入控制层沿用了传统无线局域网中的带冲突避免的载波多路侦听访问技术 CSMA/CA 方式，以提高系统的兼容性。这种设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗管理。MAC 层完成的具体任务如下：(1)协调器产生并发送信标帧(Beacon) 。(2)普通设备根据协调器的信标帧与协调
10、器同步。(3)支持 PAN 网络的关联(Association)和取消关联(Disassociation)操作。(4)为设备的安全性提供支持。(5)使用 CSMA-CA 机制共享物理信道。(6)处理和维护时隙保障 GTS(Guaranteed Time Slot)机制。(7)在两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的数据链路。在 IEEE 802.15.4 的 MAC 层中引入了超帧结构和信标帧的概念。这两个概念的引入极大了方便了网络管理，我们可以选用以超帧为周期来组织 LR-WPAN 网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时
11、间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。6.3 NWK 层N L D E - S A P N L M E - S A PM L M E - S A PM C P S - S A P上层实体M A C 层实体网络层数据实体网络层管理实体网络层基本信息库图 6-3 网络层结构模型对于网络层，其完成和提供的主要功能如下：(1)产生网络层的数据包：当网络层接受到来自应用子层的数据包，网络层对数据包进行解析，然后加上适当的网络层包头向 MAC 层传输。(2)网络拓扑的路由功能：网络层提供路由数据包的功能，如果包的目
12、的节点是本节点的话，将该数据包向应用子层发送。如果不是，则将该数据包转发给路由表中下一结点。(3)配置新的器件参数：网络层能够配置合适的协议，比如建立新的协调器并发起建立网络或者加入一个已有的网络。(4)建立 PAN 网络。(5)连入或脱离 PAN 网络：网络层能提供加入或脱离网络的功能，如果节点是协调器或者是路由器，还可以要求子节点脱离网络。(6)分配网络地址：如果本节点是协调器或者是路由器，则接入该节点的子节点的网络地址由网络层控制。(7)邻居节点的发现：网络层能发现维护网络邻居信息。(8)建立路由：网络层提供路由功能。(9)控制接收：网络层能控制接收器的接受时间和状态。6.4 APL 层
13、A P S D E - S A P A P S M E - S A PN L M E - S A PN L D E - S A P上层实体网络层实体应用支持子层数据实体应用支持子层管理实体应用支持子层基本信息库图 6-4 应用支持子层结构模型Zigbee 应用层包括应用支持子层 APS、应用框架 AF、Zigbee 设备对象ZDO。它们共同为各应用开发者提供统一的接口。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
14、是我们常说的 AIB。应用框架(Application Framework，AF)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(Device ID)，事务集群 ID(clus
15、ter ID)，属性 ID(Attribute ID)等。AF 可以通过这些信息来决定服务类型。ZDO 是一个特殊的应用层的端点(Endpoint) 。它是应用层其他端点与应用子层管理实体交互的中间件。它主要提供的功能如下：(1)初始化应用支持子层，网络层。(2)发现节点和节点功能。在无信标的网络中，加入的节点只对其父节点可见。而其他节点可以通过 ZDO 的功能来确定网络的整体拓扑结构。(3)安全加密管理：主要包括安全 key 的建立和发送，已经安全授权。(4)网络的维护功能。(5)绑定管理：绑定的功能由应用支持子层提供，但是绑定功能的管理却是由 ZDO 提供，它确定了绑定表的大小，绑定的发起
16、和绑定的解除等功能。(6)节点管理：对于网络协调器和路由器，ZDO 提供网络监测、获取路由和绑定信息、发起脱离网络过程等一系列节点管理功能。ZDO 实际上是介于应用层端点和应用支持子层中间的端点，其主要功能集中在网络管理和维护上。应用层的端点可以通过 ZDO 提供的功能来获取网络或者是其他节点的信息，包括网络的拓扑结构、其它几点的网络地址和状态以及其他几点的类型和提供的服务等信息。6.5 协议栈框架物理层 （ P H Y ）介质访问控制层 （ M A C ）P D - S A P P L M E - S A P网络层 ( N W K )M L D E - S A P M L M E - S A P应用支持子层 （ A P S ）应用对象 2 4 0 应用对象 1N L D E - S A P N L M E - S A P应用层架构 ( A F )E P 2 4 0A P S D E - S A PE P 1A P S D E - S A P. . .Z i g B e e 设备对象（ Z D O ）ZDOPublicInterfacesE P 0A P S D E - S A PZDO管理层APSME-SAPNLME-SAP应用层 （ A P L ）图 6-5 ZigBee 协议栈框架
