ZigBee無線技術

一、ZigBee技術簡介

家庭和工業(yè)上的很多場景都需要大量使用無線控制和監(jiān)控，這些需求往往需要較低的數(shù)據(jù)傳輸速率、較長的電池壽命以及較低的使用復雜性。為了滿足這些要求，IEEE提出了一種無線標準IEEE802.15.4，這種技術也被稱為ZigBee。ZigBee是一種用于短距離、低數(shù)據(jù)速率的無線通信協(xié)議，它有三個工作頻段，在國內(nèi)主要使用的是2.4GHz頻段。ZigBee有如下特點：(1)低功耗；(2)提供完整的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡；(3)單個網(wǎng)絡最多能將65000多個設備連接起來；(4)易于部署；(5)經(jīng)濟，價格便宜；(6)使用比其他無線技術更小的數(shù)據(jù)包。

二、ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

ZigBee標準規(guī)定了精簡型和全功能型這兩種設備類型。前者功能有限，而后者擁有所有功能，后者也可以配置為任意功能設備。精簡功能型設備在網(wǎng)絡中只能與全功能型設備通信，而全功能型設備能與任意設備通信。精簡功能型設備用于完成比較簡單的工作，例如負責開啟或關閉功能的開關，精簡功能型設備的存儲器大小和處理能力通常不如全功能型設備。

ZigBee標準規(guī)定：在ZigBee網(wǎng)絡中有路由器、協(xié)調(diào)器和終端設備這三種功能設備。作為網(wǎng)絡中的核心設備，協(xié)調(diào)器是一個全功能型設備，它構成了網(wǎng)絡的根，通過它可以連接到其他網(wǎng)絡。每個ZigBee網(wǎng)絡中只有一個協(xié)調(diào)器，ZigBee網(wǎng)絡最初由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建，它存儲有關網(wǎng)絡的信息，并充當安全密鑰的存儲庫。在ZigBee網(wǎng)絡中路由器路由來自其他設備的數(shù)據(jù)，路由是對數(shù)據(jù)被轉發(fā)到目的地設備的路徑的處理。ZigBee終端設備可以與協(xié)調(diào)器或路由器連接以加入網(wǎng)絡，但不能中繼數(shù)據(jù)，這種特性使得終端設備節(jié)點可以在大部分時間里處于非活動狀態(tài)，從而延長電池壽命。

如圖3-1所示，由不同功能設備組成的ZigBee網(wǎng)絡可以有星形、樹型和網(wǎng)狀這三種拓撲結構，其中樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)絡屬于對等網(wǎng)絡。

在樹型網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器充當樹的根，路由器或終端設備可以連接到協(xié)調(diào)器，并且可以像一棵樹一樣進行擴展。終端設備不能擁有子節(jié)點，因其不能中繼信息。這種拓撲結構允許網(wǎng)絡中有多個級別的節(jié)點，終端設備可不用依靠協(xié)調(diào)器而直接通過路由器加入網(wǎng)絡，所有的消息都可以通過路由發(fā)送到其他任意設備。這種類型的拓撲結構是ZigBee設備與網(wǎng)絡中的其他設備通信最可靠的一種。

星型網(wǎng)絡以協(xié)調(diào)器為中心，多個終端設備直接連接到協(xié)調(diào)器，是最簡單的網(wǎng)絡。使用這種結構時，終端設備只能與協(xié)調(diào)器直接通信，兩個終端設備之間的通信需協(xié)調(diào)器轉發(fā)消息，協(xié)調(diào)器充當了路由器的功能。因此，星型網(wǎng)絡中經(jīng)過協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)流量較大，網(wǎng)絡節(jié)點越多，整個網(wǎng)絡的通信效率越低下。

網(wǎng)狀拓撲結構是最為靈活且應用范圍最廣泛的拓撲結構。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，它允許網(wǎng)絡種搜索消息的備用路徑，消息從起點到目的地有多條路徑可以選擇。因此，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中消息傳輸非?？煽坎⑶視r延很低。

無論使用哪種結構，ZigBee網(wǎng)絡都是由唯一的PAN(PersonalAreaNetwork，個域網(wǎng))協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建。該協(xié)調(diào)器管理整個網(wǎng)絡，并負責如下工作：(1)啟動、終止或路由整個網(wǎng)絡的消息；(2)分配16位或64位網(wǎng)絡地址給之后加入網(wǎng)絡中的設備；(3)生成該網(wǎng)絡對應的PAN標識符(PANID)，每個PANID對應一個不同的ZigBee網(wǎng)絡，PANID允許網(wǎng)絡中的設備使用16位短地址與整個網(wǎng)絡中的其他設備通信。PAN協(xié)調(diào)器一般都具有較長的活躍期，因此通常使用市電電源供電，其他設備通常由電池供電。最小的ZigBee網(wǎng)絡只包含一個終端設備和一個PAN協(xié)調(diào)器。

三、ZigBee協(xié)議棧

由圖3-2中可知，ZigBee協(xié)議棧的結構有四層，其中物理層和媒體訪問控制層由IEEE802.15.4標準定義，網(wǎng)絡層以及應用層則由ZigBee聯(lián)盟定義。

3.1應用層

ZigBee的APL層包含三個部分：應用程序支持子層(APS)、應用程序框架(AF)以及ZigBee設備對象(ZDO)。APS提供網(wǎng)絡層與應用層之間的接口，主要功能為：(1)維持綁定表；(2)在綁定設備之間傳送消息；(3)管理組地址。AF是托管應用對象以控制和管理應用層的環(huán)境。應用對象由制造商開發(fā)，可為設備定制應用，具有唯一標識的端點號(端點1到端點240)，單個設備最多擁有240個應用程序?qū)ο蟆igBee設備對象是APS與AF之間的接口。ZDO負責初始化APS、網(wǎng)絡層和安全服務規(guī)范，主要功能為：(1)定義設備在網(wǎng)絡中的角色：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備；(2)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上的設備與應用，啟動或相應綁定請求；(3)執(zhí)行相關安全任務。

3.2網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層負責管理網(wǎng)絡的形成、加入、離開與路由維護。網(wǎng)絡層也支持管理服務和數(shù)據(jù)服務，數(shù)據(jù)由相應的數(shù)據(jù)實體負責傳輸，可通過網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體服務訪問點訪問。管理服務則由相應的管理實體負責，可以通過該層的管理實體服務訪問點為應用層提供網(wǎng)絡層管理服務。

由協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡，并將網(wǎng)絡地址分配給其后加入網(wǎng)絡的設備。每一幀數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)木嚯x(跳數(shù))由網(wǎng)絡層規(guī)定。協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡層可啟用安全功能——使用128位AES加密密鑰對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密，新加入到該協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡的設備只有在分發(fā)到密鑰后才可以在該網(wǎng)絡上與其他設備通信。

總的來說，網(wǎng)絡層負責以下功能：(1)加入或離開網(wǎng)絡；(2)提供AES加密；(3)發(fā)現(xiàn)和維護設備之間的路由；(4)路由功能，終端設備除外；(5)將設備配置為不同功能設備：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備；(6)發(fā)現(xiàn)周圍不需要路由即可通信的鄰居并維護鄰居表；(7)分配地址給新加入網(wǎng)絡的設備，只適用于協(xié)調(diào)器和路由器。

3.3MAC層

在MAC層中由MAC管理對象負責MAC層管理服務，MAC層通過MAC管理對象訪問點給網(wǎng)絡層提供服務接口。MAC層規(guī)定了四種類型的幀：MAC命令幀、應答幀、數(shù)據(jù)幀和信標幀。其中，信標幀為協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標，用于將同一網(wǎng)絡中所有設備同步到信標。數(shù)據(jù)幀被用于發(fā)送有效數(shù)據(jù)，應答幀用于確認數(shù)據(jù)幀的接收，MAC命令幀則專用于發(fā)送MAC命令。

MAC層使用了特殊的信道接入機制以支持多個設備使用同一信道互相通信，即利用沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA-CA)。在CSMA-CA中，設備發(fā)送消息前會在信道上偵聽以確保信道為空閑狀態(tài)。如果信道被占用，它會取消發(fā)送并在一段隨機時間后重試，直到達到最大重試次數(shù)或該信道變?yōu)榭臻e狀態(tài)。

MAC層主要功能為：(1)提供本層安全功能；(2)管理信道接入；(3)采用CSMA-CA信道訪問；(4)將設備與信標同步(在使用信標的網(wǎng)絡)；(5)生成信標(僅適用于協(xié)調(diào)器)；(6)在網(wǎng)絡中提供解除關聯(lián)和關聯(lián)功能；(7)在對等設備之間建立可靠的鏈路。

3.4物理層

物理層為協(xié)議棧最低層，該層與硬件最為接近。物理層的主要功能包括：直接傳輸數(shù)據(jù)；選擇通信頻道；對信道偵聽以判斷是否為空閑狀態(tài)；對信號能量進行檢測；控制無線收發(fā)機的開關；對鏈路質(zhì)量進行檢測；數(shù)據(jù)調(diào)制和解調(diào)。物理層同樣提供管理服務和數(shù)據(jù)服務。管理服務是通過數(shù)據(jù)庫管理該層相關數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)服務是與其他ZigBee設備通信時封裝并發(fā)送數(shù)據(jù)包或接收并解析數(shù)據(jù)包。

四、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方式

ZigBee設備有競爭或無競爭兩種方式使用信道。在競爭方式中，網(wǎng)絡中所有設備都使用CSMA-CA機制發(fā)送消息，第一個找到空閑信道的先傳輸數(shù)據(jù)。而在無競爭方式中，PAN協(xié)調(diào)器為其他設備分配發(fā)送消息的時間，即保證時隙。設備在保證時隙內(nèi)不需要偵聽信道空閑狀態(tài)即可發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器通過信標來保持網(wǎng)絡中設備的同步，從而提供保證時隙。在IEEE802.15.4中數(shù)據(jù)傳輸有三種方式：(1)從對等設備到對等設備；(2)從設備到協(xié)調(diào)器；(3)從協(xié)調(diào)器到設備。

4.1對等設備之間傳輸數(shù)據(jù)

在對等網(wǎng)絡中所有設備通常是同步的，任何設備之間都可以通信。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端有多條可選路線，如果因環(huán)境變化不能使用原先路線，網(wǎng)絡中的設備通過協(xié)作尋找備選路線。這種動態(tài)創(chuàng)建和修改路由的能力增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br/>

4.2數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器

在啟用信標的網(wǎng)絡中，設備通過信標定期同步其時鐘。若不在保證時隙內(nèi)，設備使用CSMA-CA方法將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，該時序圖如圖3-3(a)所示。圖3-3(b)顯示了在未啟用信標的網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)被發(fā)送到協(xié)調(diào)器的過程，設備一旦檢測到信道空閑就會發(fā)送數(shù)據(jù)。只有在設備需要時，協(xié)調(diào)器才會回復確認消息以表示收到數(shù)據(jù)。

4.3從協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)

圖3-4(a)說明了在啟用信標的網(wǎng)絡中將數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)送到接收設備的過程。首先，協(xié)調(diào)器會在信標中提醒接收設備有數(shù)據(jù)需要傳輸，收到信標后接收設備向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，表明準備接收數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)請求消息后回復確認并將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標設備，接收設備收到數(shù)據(jù)時根據(jù)需要回復確認。

在不支持信標的網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器會緩存數(shù)據(jù)等待接收設備主動請求數(shù)據(jù)。如果協(xié)調(diào)器沒有數(shù)據(jù)緩存，則發(fā)送具有特定格式的確認回復或者零長度有效載荷的數(shù)據(jù)消息，表示沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。

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