（通信与信息系统专业论文）zigbee网络组网研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 z i g b e e 网络是基于z i g b e e 技术而构建的一种短距离低速无线个域网络( l o w r a t e w i r c l c 蹒p e r s o n a la r e an e 晰o a ，l r - w p a n ) ，这种低速率无线个人区域网的网络结构简单、 成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。l r - w p a n 主要目标是实现安装容易、数 据传输可靠、短距离通信、非常低的成本以及功耗，并拥有一个简单而灵活的通信网络 协议。它可以作为工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制等低速网 络的基础框架网络网络协议底层采用的是砸e e 8 0 2 1 5 4 标准。 本文中，提出了一种基于z i g b c e 技术的无线通信网络架构，即z i 驴c c 网络。设计 了网络系统的总体结构包括系统节点硬件平台、节点应用软件平台。采用最新的片上型 系统0 0 2 4 3 0 芯片作为节点硬件设计的核心。为扩充绑定表实现绑定表无限量存储以及 实时观察网络和节点信息，设计了协调器节点与p c 机硬件通信接口和协调器节点上位 机软件平台。该网络系统采用m s s t a t el r w p a n 协议栈作为网络通信协议，该协议 栈源码完全公开，易移植、易维护、易扩展、代码空间小( 约为3 2 k ) 。从硬件测试结 果来看，节点硬件具有很高的接收灵敏度，较为理想的通信距离；从网络测试结果来看， 在该协议基础上网络构建速度快，网络通信时延低，网络数据传输效率高，网络自组织 自修复能力强以及具有良好的网络延展性 本论文主要研究内容有： 结合最新的z i g b e e 通信规范深入研究了m s s t a t el r w p a n 协议栈实现机制，提 出了z i g b c e 网络组网方案，实现了z i g b e e 树型网络组网；采用最新的z i g b c e 标准芯片 c c 2 4 3 0 作为网络节点的核心器件，设计和实现了低成本的无线通信模块；实现了p c 机与协调器节点的接口设计及接口通信协议设计；设计并实现了远程无线监测与数据传 输网络软件平台即协调器节点上位机软件，在该平台上实现了网络及节点信息汇聚，节 点动态绑定、节点数据收发。 关键词：z i g b e e 网络；c c 2 4 3 0 ；无线单片机；m s s t a t e l r l y p a n 协议栈 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f z i g b e en e t w o r k a b s t r a c t z ：i g h e en e t w o r ki s as h o r t r a n g el o w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( l o w - r a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , t h el r w p a n ) c o n s t r u c t e db a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y ， s u c hal o wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，j t sn e t w o r ks t r u c t u r ej ss i m p i e ，1 0 wc o s t ，w i t h l i m i t e dp o w e ra n df l e x i b i l et h r o u g h p u t l r - w p a n p d n c i p a lg o a li st oa c h i e v et h ei n s t a l l a t i o n e a s y ，a n dr e l i a b l ed a mt r a n s f e r , s h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，av e r yl o wc o s ta n dp o w e r c o n s u m p t i o n , a n dh a sas i m p l ea n df l e x i b l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kp r o t o c 0 1 i tc a nb eu s e d a sm d u s 啊a lc o n t r o l ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , b u s i n e s sm o n i t o r i n g , a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s , h o m ed i g i h a lc o n t r o l ，a n do t h e rf a m i l i e so ft h el o w s p e e dn e t w o r kb a s e dt h ef r a m e w o r k n e t w o r k t h eu n d e r l y i n gn e t w o r kp r o t o c o lu s e di s 艇跚2 1 5 4s t a n d a r d t h i sp a p e rp r e s e n t saz i g b e et e c h n o l o g yb a s e d0 1 1t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k a r c h i t e c t u r e t h a ti sz i g b e en e t w o r k 皿en e t w o r ks y s t e md e s i g n e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f s y s t e mn o d ei n c l u d i n gh a r d w a r ep l a t f o r m s ，n o d ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m u s i n gt h e l a t e s ts y s t e m - o n - c h i pc c 2 4 3 0 c h i pa st h eh a r d w a r ed e s i g nc o r e t oa c h i e v et h ee x p a n s i o no f b i n d i n gt a b l et or e a l i z eb i n d i n gt a b l eu n l i m i t e ds t o r a g ea sw e l la sr e a l t i m eo b s e r v a t i n e t w o r ka n dn o d e i n f o r m a t i o n , d e s i g n e d t h ec o o r d i n a t o rn o d ea n dp ch a r d w a r e c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ea n dc o o r d i n a t o rn o d eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r ep l a f f o 皿t h c n e t w o r ks y s t e mu s e sm s s t a t e _ l r w p a np r o t o c o ls t a c ka san e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，t h ep r o t o c o ls t a c ks o u r c ec o m p l e t e l yo p e na n de a s yt ot r a n s p l a n le a s yt om a i n t a i n , e a s ye x p a n s i o n , s m a l lc o d es p a c e ( a b o u t3 2 酌t e s tr e s u l t sf r o mt h eh a r d w a r e ，h a r d w a r e n o d e sh a v eh i g hr e c e i v e rs e n s i t i v i t y , i d e a lc o m m u n c a t i o nd i s t a n c e ；t e s tr e s u l t sf r o mt h e n e t w o r k , o nt h e b a s i so ft h ea g r e e m e n ti nc o n s t r u c t i n gt h en e t w o r ks p e e d ，l o wl a t e n c y n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，h i g hn e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y ，g o o dn e t w o r k s s e l f - o r g a n i z i n ga n ds e l f - r e p a i rc a p a b i l i t ya n dh a sag o o dn e t w o r ks c a l a b i l i t y m a i nc o n t e n t so ft h sp a p e ra r e l u c u b r a t e di nt h ei m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s mo fm s s t a t el r w p a np r o t o c o l sb a s e d o nt h en e w e s t z j i g b e e c o m a n i c a t i o n ss t a n d a r d ，p r o p o s e d z i g b e cn e t w o r ko r g a n i z i n g p r o g r a m s ，r e a l i z e dz i g b e et r e en e t w o r k ；u s i n gt h en e w e s tz i g b e es t a n d a r dc h i pc c 2 4 3 0a st h e k e r n e lp a r to fn e t w o r kn o d e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fj o w c o s tw i r e l e s sc o m u n i c a t i o n m o d u l e ；a c h i e v e dt h ed e s i g no fc o m u n i c a t i o ni n t e f f a c ea n dc o m u n i c a t i o na g r e e m e n tb e t w e e n c o o r d i n a t o ra n dp c ；d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fal o n g - r a n g ew i r e l e s sm o n i t o ra n dd a t a t r a n s m i t i o nn e t w o r ks o f t w a r ep l a t f o r mn a m e dc o o r d i n a t o ru p p e rc o m p u t e rs o f t o nt h e i i i z 叻网络组网研究与实现 p l a t f o r m ，i m p l e m e n tn e t w o r ka n dn o d ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n , n o d e sd y n a m i c l yb i n d i n g , n o d e d a t at r a n s c e i v i n g k e yw o r d s ：z i g , b e en e t w o r k ；c c 2 4 3 0 ；w i r e l e s s - s i n g l e c h i p ：m s s t a t e _ l r w p a np r o t o c o l s t a c k i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使) 1 1 过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：乓幽虹魄缉! 三 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者妣国垃斌 导师魏鑫垫盈医z 避年旦月当日 ， ， 大连理工大学硕士学位论文 引言 近十几年来，随着半导体技术和无线通信技术的的不断发展，陆续出现了多种新的 短矩离无线通信技术，仅仅从i e e e s 0 2 1 1 就产生出许多新的协议标准，如8 0 2 1 l b 、 8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 l h 以及高性能无线局域网( i - i i p e r l a n ) 技术等，其传输速率和 传输距离等都得到了很大的提高。此外，其他已经应用的短距离无线通信技术还有很多， 如红外( i r d a ) 技术、数字增强无绳电话( d e c t ) 技术、家庭无线电射频( h o m e r f ) 技术、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术以及超宽带( u w b ) 无线通信技术等，这些短距离无线通 信技术的性能参数和应用对象相差很大。 对于多数的无线网络来说，无线通信技术应用的目标旨在提高所传输数据的速率和 传输距离，而在诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等 应用中，系统所传输的数据量小，传输速率低，系统所使用的终端设备通常为采用电池 供电的嵌入式设备，如无线传感器网络中因此，这些系统必须要求传输设备具有成本 低、功耗小的特点，针对这些特点和需求，由英国i n v c n s y s 公司、日本三菱电气公司、 美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2 0 0 2 年共同宣布组成z i g b e e 技术联盟，共 同研究开发z i g b e c 技术。 世界上各大公司和组织普遍看好z i g b e e 技术及其未来的应用潜力和价值，在2 0 0 3 年1 1 月，i e e e 正式发布了该项技术物理层和m a c 层所采用的标准协议，即 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准。作为z i g b e e 技术的物理层和媒体接入层的标准协议，2 0 0 4 年 1 2 月，z i g b e e 联盟正式发布了该项技术标准。标准的正式发布，加速了z i g b e e 技术的 研制开发工作，许多公司和生产商已经陆续地推出了自己的产品和开发系统。如飞思卡 尔的m c l 3 1 9 2 、c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 与c c 2 4 3 0 ，a t m e i 公司的a t 8 6 r f 2 1 0 等，其 发展速度之快，远远超出了人们的想象。 目前，短距离无线通信技术已成为无线通信技术的一个重要分支，这是因为在现实 生活中，存在着许多这样的应用情况，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数 据特征为数据量小，要求进行实时传送，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求， 但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大等问题，针对这样的应用场合，人们希 望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。 z i g b 网络组网研究与实现 1 绪论 1 1 z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的，有关组网、安 全和应用软件方面的技术标准。i e e e 仅处理低级m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对 其网络层协议和a p i 进行了标准化。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而由此形成的 z i g b e e 网络对路由传输的数目没有限制。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种便携 设备不会意外泄漏其标识。完整的z i g b e e 协议套件由高层应用规范、应用层、网络层、 数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由z i g b e e 联盟制定，i e e e s 0 2 1 5 4 负责物理 层和链路层标准。应用层将主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包 括：( 1 ) 安全与鉴权；( 2 ) 多个业务数据流的会聚；( 3 ) 设备发现；( 4 ) 业务发现。 网络层将主要考虑采用基于a dh o c 技术的网络协议，包含以下功能：( 1 ) 通用的网络 层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全：( 2 ) 同i e e e s 0 2 1 5 4 标准一样，非常省电；( 3 ) 有自组织、自维护功能，以最大程度减少 消费者的开支和维护成本。相对于常见的无线通信标准，z i g b e e 协议套件紧凑而简单， 其具体实现的要求很低，以下是z i g b e e 协议套件的需求估计：( 1 ) 8 位处理器，如8 0 5 1 ； ( 2 ) 协议套件软件需要3 2 k 1 l y t e s 的r a m ；( 3 ) 最小协议套件软件大约4 k b y t c s 的r a m ； ( 4 ) 网络主节点需要更多的r a m ，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、 设备关联表、与安全有关的密钥存储等。 z i g b e e 技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线 网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连 接。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相 对于现有的各种无线通信技术，z i g b 技术将是最低功耗和最低成本的技术。同时由于 z i g b e e 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了z i g b e e 技术适合于承载数 据流量较小的业务。所以z i g b e e 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设 备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 1 2 课题背景及国内外研究概况 1 2 1 课题背景 随着计算机网络技术及无线移动通信技术的迅速发展，各种新的无线网络通信技术 不断涌现。对g s m 、3 g 等无线移动通信技术1 1 j 以及蓝牙、w i f i 、a dh o e 等无线局域网 大连理工大学顼士学位论文 技术1 2 l 越来越被人们所熟悉和应用，但使用这些技术的设备系统非常复杂，且功耗较大、 成本很高，不便使用在一些低数据速率和通信范围较小的场合，例如传感器网络、家庭 自动化以及玩具等应用领域。z i g b e e 技术作为一种低复杂度、低功耗和低成本的低速率 无线连接技术越来越被人们所重视，开发应用z i g b e c 技术的无线设备己成为业界的一个 热点1 3 i 。 z i g b e e 网络在通信过程中只需一个网络协调者用以建立网络并管理和协调整个网 络的数据传输，而无需成本高昂、体积庞大的基站。该网络协调者即是网络中的主节点， 还可以作为网络与其它有线或无线网络互连的网关节点。网络功能是z i g b e e 技术最重要 的特点，也是与其他无线个域两( w p a n ) 标准【4 j 不同的地方。在网络层方面，其主要 工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组网与自我修复功能。在网络层中， z i g b e e 定义了3 种角色：第一个是网络协调者，负责网络的建立，以及网络地址的分配； 第二个是路由器，主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转发信息包； 第三个是末端装置，只能选择加入已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息， 不具备路由功能。在同一个w i a n 上，可以存在6 5 5 3 6 个z i g b e e 装置，彼此可以通过 多跳的方式传递信息。 从8 0 2 1 5 4 标准1 5 l 到z i g , b e e 规范1 6 1 的制定不难发现。这些标准制定的目的就是希望 以低价切入产业自动化控制、能源监控、机电控制、照明系统管控、家庭安全和r f 遥 控等领域。由此可见，z i g b e e 技术的提出主要是瞄准低数据率、低功耗及低成本的应用 场合，相对于蓝牙、w i f i 、a dh o c 等短矩离高速无线通信技术来说，它的提出弥补了短 矩离无线通信技术应用研究的空白。 z i g b e e 的低成本、低功耗、较远的覆盖范围及它在全球范围内的通用，使其成为无 线接入领域的又一颗璀璨的新星，它必将给现代信息社会中人们的工作和生活方式带来 一场新的革命。在不久的未来，基于z i g b e e 技术的产品将会形成一个新的浪潮，势不可 挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落， 给人们的生活带来方便和快捷。 1 2 2 国内外研究概况 z i g b e e 技术是一种新的短距离无线通信技术，是由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电 气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2 0 0 2 年1 0 月共同提出设计研究开 发具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。在此项新技术推出 的同时，上述几家公司宣布组成z i g b e e 技术联盟。目前，该技术联盟已发展到1 5 0 多 家公司和标准化组织，涵盖了芯片制造商、软件开发商、系统集成商等，2 0 0 6 年1 0 ， 国内华为公司也申请成为了其中的一员。2 0 0 3 年1 1 月，i e e e 正式发布了该项技术物理 层和m a c 层所采用的标准协议，即i e e e s 0 2 1 5 4 协议标准，该协议标准作为z i g b e e 技术的物理层和媒体接入层的标准协议。2 0 0 4 年1 2 月，z i 0 地e 联盟正式发布了该项技 术标准。标准的正式发布，进一步推进和加速了z i # 陀e 技术的实际应用，许多公司和生 产商陆续推出了自己的芯片产品和开发系统，如飞思卡尔的m c l 3 1 9 2 。c h i p c o n 公司的 c c 2 4 2 0 、c c 2 4 3 0 ，a t m e l 公司的a t 8 6 r f 2 1 0 等。目前国际上已获得z i g b e c 技术联盟认 证的公司共有1 3 家，其中亚州有2 家包括台湾资策会网络多媒体研究所的z c p 以及韩 国的r a d i o p u l s e 平台。然而对z i g b e e 技术的研究在国内仍处于起步和发展阶段，到目 前为止国内还没有哪家公司或研究机构的z i g b e e 产品得到了z i g b e e 联盟的技术认证。 1 3 本论文主要工作 本论文在深入研究z i g b e e 规范2 0 0 6 版的基础上，提出z i g b e e 网络组网方案，采用 标准z i g b e e 芯片c c 2 4 3 0 设计和制作通用型z i g b e e 无线通信模块，根据实验需要还设 计和制作了基于该无线模块的无线测试模块，由此两部分构成了系统节点硬件平台。在 深入分析和研究m s s t a t e 协议栈源码实现的基础上，设计并实现了_lrwpanz i g b e c 网络节点应用软件平台，其功能实现节点建( 入) 网过程，节点链路中断检测及重入网过 程，节点简单信息数据的无线收发以及r s 2 3 2 串行接口数据或指令读取与解析。在v i s u a l s t u d i o2 0 0 5 开发环境下实现协调器节点上位机程序设计即协调器节点上位机软件平台， 其功能实现节点信息汇聚，节点数据或指令发送以及节点端点动态单双向绑定。在既定 的电磁环境与实验室条件下，对节点硬件性能和网络性能部分参数进行了测试并组网实 现了网络数据多跳传输。 论文结构安排如下； 第一章绪论部分介绍了z i g b e e 技术概况，课题背景和目前国内外研究概况； 第二章简要介绍了论文中涉及到的z i g b e e 术语概念，z i g b e e 原语概念，z i g b e e 协 议栈架构，z i g b c e 技术应用前景等； 第三章提出了网络组网方案，详细论述了组网实现的网络拓扑类型，组网流程，组 网路由算法； 第四章提出了节点硬件设计思想，介绍了c c 2 4 3 0 芯片功能结构及特点，无线模块 设计原理。天线部分采用了1 1 公司的微带天线参考设计及巴伦设计，总结出无线模块 p c b 设计要点并给出了硬件设计实物图； 第五章详细阐述了m s s t a t el r w p a n 协议栈源码实现机制，组网路由算法实现， 节点应用程序设计，上位机软件设计和p c 机通信接口协议设计与实现，最后给出了节 点硬件性能及网络性能测试结果，组网实现数据多跳传输结果。 大连理工大学硕士学位论文 2 z i g b e e 标准与z i g b e e 技术应用前景 2 1z i g b e e 标准概述 2 1 1 i e e e 2 1 5 4 z i g b e e 标准简介 随着无线网络技术的快速发展，许多本来存在的网络服务逐渐走向成熟。近几年 来，m e e 8 0 2 1 1 无线局域网络的普遍应用以及正e e8 0 2 1 6 无线宽带网络的商业标准化 都使得无线网络技术越来越重要，也有越来越多的相关应用和产品出现。目前，基于 匝e e 8 0 2 1 5 4 标准的z i g b c e 短距离低速无线个域网( l r w p a n ) ，开始被广泛讨论和 研究。 m e f _ 3 0 2 1 5 4 是一个新兴的无线通讯协议，是m e e 确定的低速个人区域网络 ( l o w - r a t ep c r s 彻a la r e an c 咖r k l r w p a n ) 标准。这个标准定义了物理层( p h y s i c a l l a y 盯，p r y ) 和介质访问层( m e d i u ma c c e s sh y 盯，m a c ) 。物理层规范确定无线网 络的工作频段以及该频段上传输数据的基准传输速率介质访问层规范定义了在同一区 域工作的多个8 0 2 1 5 4 无线信号如何共享空中频段。但是，仅仅定义物理层和介质访问 层并不能完全解决问题。因为没有统一的使用规范，不同厂家生产出的设备存在兼容性 闯题。于是z i g b c c 联盟应运而生，众多设备生产厂家联合在一起，推出一套标准化z i g b c c 平台。z i g b c e 从i e e e 8 0 2 1 5 4 标准开始着手，定义了允许不同厂商制造的设备相互兼 容的应用纲要。 z i g b c c 规范i7 j 使用皿e e8 0 2 1 5 4 标准作为介质访问层( m a c ) 和物理层( p h y ) ， 并在此基础上定义了应用层( a p l ) 、网络层( n w k ) 以及用户应用框架( a f ) 。m e e 8 0 2 1 5 4 标准总共定义了3 个工作频带：2 4g h 2 ，9 1 5m h z 和8 6 8 m h z 每个频带提供 固定数量的信道。例如，2 4g h z 频带总共提供1 6 个信道( 信道1 1 2 6 ) ，9 1 5m h z 频 带提供1 0 个信道( 信道1 - l o ) ，而8 6 8 m h z 频带提供1 个信道( 信道0 ) 。协议的比 特率由所选择的工作频率决定，2 4g h z 频带提供的数据速率为2 5 0k b 盼9 1 5m h z 频 带提供的数据速率为4 0k b p s ，而8 6 8m h z 频带提供的数据速率为2 0 妨p s 。由于数据包 开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。 2 1 2 z i g b e e 标准中关键概念描述 网络关联一z i g b c e 网络可以是a d 抽0 c 网络，即可以根据需要组建或不组建新的网 络。在星形网络配置中，终端设备在可以执行任何数据传输之前总是搜索网络。新的网 络首先由协调器建立。启动时，协调器会搜索附近的其他协调器，如果没有找到协调器， z 坦b e e 网络组网研究与实现 它就会建立一个自己的网络并选择一个唯一的1 6 位p a ni d 。一旦新网络建立，就会允 许一个或多个终端设备与此网络相关联。具体是允许还是不允许新关联由协调器决定。 一旦组建了网络，就可能由于物理更改而发生多个网络重叠和p a ni d 冲突。在这 种情况下，协调器会启动p a ni d 冲突解决过程并且会有一个协调器将更改其p a ni d 和( 或) 信道。受到影响的协调器会指示它所有的终端设备进行必要的更改。根据系统 需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为邻居表。为了连接到网络， 终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络或者执行关联过程来加入 一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下，协调器将通过查找其邻居表来识别先前与 之关联的终端设备。 一旦关联到网络，终端设备就可选择通过执行解除关联过程与该网络解除关联。如 果需要的话，协调器本身也会启动解除关联过程来强制节点离开网络。 端点( e n d p o i n t ，e p ) 典型的7 _ , i g b e e 节点可支持多种特性和功能。例如，加 节点可能有多种数字和模拟输入输出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点用到， 而其他数字输入可能被另一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式 控制网络。为了便于在i ，0 节点和两个控制器节点之间进行数据传输，所有节点中的应 用程序必须保存多个数据链路。为了减少成本，z i 【g b e e 节点仅使用一个无线信道与多个 端点，接口来创建多条虚拟链路或信道。一个z i g b e e 节点支持3 2 个端点f 编号为0 3 1 ) 和8 个接口( 编号为o 7 ) 。端点0 被保留用于设备配置而端点3 1 被保留仅用于广播。 剩下的总共3 0 个端点保留给用户使用。每个端点总共有8 个接口因此，实际上，应 用在一个物理信道中最多可能有2 4 0 条用户虚拟信道。 端点绑定前面提到过，星形网络中的终端设备总是只与协调器通信。协调器负 责将端点输入的数据包从一个节点转发到接收终端设备的相应端点。当建立一个新的网 络时，必须告知协调器如何创建源端点和目标端点之间的链路。z i g b e e 协议定义了一个 称为端点绑定的特殊过程。作为绑定过程的一部分，一个远程网络或一个类似于设备管 理器的节点会请求协调器修改其绑定表。协调器节点维护一个基本上包含两个或多个端 点之间的逻辑链路的绑定表。每条链路根据其源端点和群集i d 来惟一定义。 例如，如果需要将来自我们的加节点的数字输入1 的数据发送到控制器节点的控 制信道1 ，我们就必须请求协调器创建一个绑定表项，此绑定表项将加节点的数字输 入1 端点作为源端点，将控制器节点的控制信道1 作为目标端点。一旦创建了绑定表项， 任何时候加节点从数字输入1 端点发送数据时，协调器节点就会查找它的绑定表，并 将数据包转发到控制器节点的控制信道1 端点。数字输入1 和控制信道1 将共享同一个 大连理工大学硕士学位论文 群集根据绑定表的创建方法，可能将数据从一个端点组播到多个节点上的多个端 点。 z i g b e e 协议定义了称为z i g b e e 设备对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t , z d o ) 的特殊软件 对象，它在其他服务中提供绑定服务。只有在协调器上运行的z d o 才会提供绑定服务。 远程网络设备管理器将直接将特殊绑定请求发送给z d o ( 端点o ) 以创建或修改绑定 表项。根据z i g b c e 规范，运行特殊z i g b e e 节点软件的p c 或其他高端控制器可以作为网 络管理器。如果不想创建或使用特殊网络管理器节点，可以编写自定义的绑定服务来简 化绑定过程。 属性( p r o p e r t y ) 与群集( c l u s t e r ) 一个典型的z i g b e e 节点也将有很多属性。 例如，加节点包含称为数字输入1 、数字输入2 、模拟输入1 等的属性。每个属性都有 自己的值。例如，数字输入1 属性可能有值1 或0 。属性的集合被称为群集。在整个网 络中，每个群集都被分配了一个惟一的群集。每个群集最多有6 5 ，5 3 6 个属性。 应用配置( p r o f i l e ) 蜀咖c 协议还定义了一个称为配置文件( p r o f i l e ) 的术语。 配置文件就是指对分布式应用的描述。它根据应用必须处理的数据包和必须执行的操作 来描述分布式应用。使用描述符对配置文件进行描述，描述符仅仅是各种值的复杂结构。 此配置文件使z i g b e e 设备可以互操作。z i g b e e 联盟己经定义了很多标准的配置文件； 比如远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等任何遵循某一标准配置文件的节点 都可以与其他实现相同配置文件的节点进行互操作。在实际的应用中，如果需要的话， 可以编写一个实现所需要的配置文件的协同任务函数。也可以创建自己的自定义配置文 件( 或分布式应用程序) 仅与专有节点配合工作。每个配置文件可以定义最多2 5 6 个群 集，而且和我们在前面所看到的一样，每个群集可以最多有6 5 ，5 3 6 个属性。此灵活性 允许节点有大量的属性( 或i o 点) 2 2 z i g b e e 协议栈架构 2 2 1 z i g b e e 协议栈架构 z i g b e e 协议栈基本按照o s i 网络七层模型来定义的，在i e e e s f f 2 1 5 4 定义的物理 层( p h y ) 和m a c 子层规范1 8 】基础上，z i g b e e 协议栈继续定义了网络层( n w k ) 和应 用层( a p l ) ，在应用层中规范了应用支持子层( a p s ) 及z i g b c c 设备对象( z d o ) 。并 且在应用层框架中添加了用户自定义对象。z i g b e e 标准协议栈架构如图2 1 所示。 应用层( a p l ) 应用层协议代码中加载了单独的用户应用代码。根据z i g b e e 规范，这些将写入z i g b e e 设备的用户代码指定了设备的各自功能，也即定义设备是f f d 还是r f d ，是否具有安全功能以及对系统事件的响应和行为等。 图2 1z i g b e e 标准协议栈架构 t r i g 2 1 撕s t a n d a r dp r o t o c o ls t a c ka r c h i l e c t u 应用支持子层( a p s ) 为应用层的最低层结构。在该层处理邻居设备的发现和 绑定操作。同时应用支持子层还负责那些不能直接进行消息传递设备间的消息转发以及 m e s h 网络的功能定义 9 1 等。a p s 层主要提供z i g b c e 端点接口。应用程序将使用该层打 开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。它还为键值对( k e yv a l u ep a i r ，k v p ) 和报文( m s g ) 数据传输提供了原语。a p s 层同样也有绑定表。绑定表提供了端点和 网络中两个节点间的群集d 对之间的逻辑链路。当首次对协调器编程时绑定表为空。 主应用程序必须调用正确的绑定a p i 来创建新的绑定项。a p s 还有一个“间接发送缓 冲器”r a m ，用来存储间接帧。根据z i g b 规范，在星型网络中，r f d 设备总会将这 些数据帧转发到协调器中。r f d 设备可能不知道该数据帧的目标接收者。数据帧的实 际接收者由绑定表项决定。协调器一旦接收到数据帧，它就会查找绑定表以确定目标接 收者。如果该数据帧有接收者，就会将该帧存储在间接发送帧缓冲器里，直到目标接收 者明确请求该帧为止。根据请求的频率，协调器必须将数据帧保存在间接发送帧缓冲器 内。节点请求数据时问越长，数据包需要保存在问接发送缓冲器里的时间也越长。数据 请求时间越长需要的间接缓冲空间越大。 大连理工大学硕士学位论文 z d o 负责接收和处理远程设备的不同请求，打开和处理e p0 接口。不同于其他的 端点，e p0 总是在启动时就被打开并假设绑定到任何发往e p0 的输入数据帧。z d o 对 象允许远程设备管理服务。远程设备管理器会向e p0 发出请求，z d o 负责处理这些 请求。应用支持子层帧结构如图2 2 所示。 il 竹k0 锄m 0 癌，卿舛0 a ，蛐孵0 ，五m o ，l b y t e岍 可空长 i 删 目的端点 组d 群熏d配i d碌蛐点 a p s 地址信息 帧计数量 帧负载 p s 幢头6 p $ 负t 图2 2a p s 帧结构 f i g 2 2 a p sf r a m es t l l l g t u f e 网络层( n w k ) 负责处理网络层级的通信，包括网络拓扑结构的管理。数据 路由以及被转发消息的安全性。z i g b e e 网络是一种动态的网络，因而网络层需要不断维 护网络中的节点信息。在实际应用中，网络层协议的配置需指定网络的性能及参数。例 如网络拓扑类型、节点数量以及数据安全性等。 具体来说，7 , i g b e e 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层( i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 ) 正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层 提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理 服务实体。网络层数据实体( m 正 e ) 通过网络层数据服务实体服务接入点( n l d e - s a p ) 提供数据传输服务，网络层管理实体( n 】 皿) 通过网络层管理实体服务接入点 ( n i m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络 的管理工作。并且，网络层管理实体完成对网络信息库( n m ) 的维护和管理。 砷i2 时bi 蛐il b y t e sli h 扯l m 帅l 们竹蛔10 l b ，t e 删i 蔬j 黝i 妊一i 蚋l 面一i 蕊l 葫l 磊一i 赖就 n w x t e 映 i 溢 图2 3 n w k 帧结构 f i g 2 3 n w kf r a m es t r u c t u r e 网络层数据实体为数据提供服务，在两个或者更多的设备之间传送数据时，将按照 应用协议数据单元( a p d u ) 的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中，即 在同一个内部个域网中。网络层帧结构如图2 3 所示。 z _ 砂e e 网络组网研究与实现 m a cj 暑广负责控制共享无线信道的接入，产生和识别节点网络地址以及验证帧 校验系列。m a c 层中有4 种类型的帧，数据帧、标志帧、命令帧及确认帧。其帧结构 如图2 4 所示。为了提高传输数据的可靠性，z i g b e e 采用了载波侦听多址，冲突避免 ( c s m a c a ) 的信道接入方式和完全握手协议，数据传递过程如图2 5 所示 m a c 层 p h y 层 抽y b1 竹t e 0 2 0 t 珂t an 啪蛐 帧控制帧序号地址信息 帧负载帧校验 m a c 幢头m a t ；负戢m a c 帆尾 帅归 l h y l e l b y t e m a c 层阱议藏鼍a l t o ( d u ) 前导幢起始幢 序列分行长度p h y 层量务重据单元( p s d u j p h y 幢头 p h y 层咖议致据单元( p p d u ) 图2 4m a c 层与p h y 层帧结构 f i g 2 4m a ca n dp h yl a y c r 血a l n es t r u c t u r e 图2 - 5m a c 层数据传递过程 f 唔2 5 m a cl a y e rd a mt r a s m i s s i o np r o c e s s 在非信标使能的模式下，m a c 层采用c s m a c a 机制还负责帧传输的时间分配。 在c s i v l 4 3 c a 机制中，每个节点在启动数据传输前进行信道侦听( 也即进行空闲信道评 估) 以减少数据同时传