（系统工程专业论文）与EIB总线兼容的ZigBee无线控制系统的设计.pdf

浙江大学工学硕士学位论文 摘要 近年无线个域网技术得到迅速发展，并体现出了巨大的应用潜力。国际上 出现了多种无线个域网技术，其中z i g b e e 以低成本，低功耗，适中距离，自组 织网络的市场定位受到业界的极大关注。 本文以z i g b e e 技术作为研究对象，系统比较了z i g a e e 技术与i r d a ，蓝牙， u w b 等无线个域网技术的异同，并在深入研究z i g a e e 技术的基础上，创新性的 提出了将z i g b e e 技术应用到欧洲主导的楼宇家庭网络协议一欧洲安装总线 ( e i b ，e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 中的解决方案，解决了e i b 总线技术对无线介 质支持不够的问题，并以无线灯光控制系统为应用实例证明了该方案的可行 性和实用性；在此基础上，论文对z i g a e e 路由算法的优劣性进行了预研，提出 了改进策略。 。 全文共分五章： 第一章介绍t z i g b e e 技术的发展历史和现状，对当前主要的个域网技术进 行了分析与比较，并对z i g a e e 技术的发展趋势进行了预测与评述。 第二章重点研究了z i g b e es p c c i f i c a i t o n l o 中应用层和网络层协议，以及 s s p 服务。对应用层中编址寻址模式，绑定，描述符，设备对象等概念，网络 层中地址分配机制，路由算法，主要网络服务，以及z i g a e e m 络的安全体系进 行了详细分析。 第三章在深入分析了e m 技术和z i g a e e 技术的异同点之后，提出了采用 z i g a 技术作为e i b 在无线方面的补充的研究思路，创新性的设计了一种与e i b 系统兼容的无线射频楼宇控制系统。在该方案的基础上，本章以无线灯光控制 系统作为应用实例，证明了该方案的可行性和实用性。 第四章研究了z i g a 路由算法，指出其优越性，并对其缺点做了深入分 析，提出了解决“繁忙节点”的解决方案，并改进了路径丢失现象的判断方 法，将其应用到无线灯光控制系统中。 第五章总结了本文对z i g b e e 系统的研究开发过程，并对研究的未来方向进 行了展望。 关键宇：z i g b e e ，无线个域网，绑定，e l l 3 ，灯光控制，状态机，路由算 法，自组织 浙江大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) t e c h n o l o g yi ss t a r t i n gt ot a k eo f fi nm a r k e t a n ds h o w sa 孕e a tp o t e n t i a l t h e r ea r cm a n ya r i s i n gw p a ns t a n d a r d s ，i nw h i c h z i 班e et e c h n o l o g ya t t r a c t st h ef o c u so f i n d u s t r yf o ri t sc h a r a c t e r i s t i c so f l o wc o s t ，l o w p o w e r , s h o r tc o v e r a g ea n d s e l f - m a i n t a n c e t h i sp a p e r c o m p a r e ss e v e r a lp o p u l a rw p a n s t a n d a r d si n c l u d i n gh d 九b l u e t o o t ha n d u w bw i t hz i g b e ea n dd o e sad e e pr e s e a r c ho nz i g , b e et e c h n o l o g y b a s e d0 1 1t h e s e w o r k , an e ws c h e m e w h i c hi sa i m e dt os o l v et h ep r o b l e m so fe i bw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , i sp r o p o s e db yu s i n gz i g , b e et e c h n o l o g yi ne m s y s t e m a n d 丘n a n y s o l n ea d v i e e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a e eo f r o u t i n ga l g o r i t h ma r ep u tf o r w a r & t h ep a p e ri sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri n 缸o d u e e st h eh i s t o r yo fz i g b e ea n dg i v e sac o m p a r i s o na m o n g s e v e r a lw p a nt e e l m o l o g i e s a n dt h e nt h ep a p e rp r e d i c t st h ef u t u r ea n dd e v d o p i n g 臼e n d so f z i g l 3 e et e c h n o l o g y t h ed e t a i l e da n a l y s i sa b o u tz i g b e ep r o t o c o li sg i v e ni nt h es e c o n de h a p t e f t h i sp a r t d e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o nl a y e r , n e t w o r kl a y e ra n ds e c u r i t ys e r v i c e sp r o v i d e rb r e i f l y t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ne i ba n dz i g b e e ，a n dp r o p o s e sa z i g b e ew 打e l e s se o n 廿o ls y s t e mc o m p a t i b l ew i t he i bs y s t e m a n d 锄a p p l i c a t i o n e x a m p l ei nw i r e l e s s , g h t i n ge o n 仃o ls y s t e mi sd e s i g n e dt oi m p r o v ei t sf e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y i nt h ef o r t hc h a p t e rl h cr o u t i n ga l g o f i t l a o mi sr e s e a r c h e di n c l u d i n gi t ss 扛e n g t h sa n d w c a l m e s s a n dt h e n8 0 n l er e v i s i o n sl i f ep r o p o s e dt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a e eb y d e a l i n gw i t ht h eb u s yn o d e sa n dt h ed i s c o v e r yo fr o u t i n gl o s t w l a i e l ai sa l s ou s e di n w i r e l e s sl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h el a s tc h a p t e r , a l lt h ew o r ki ss u n l m a r i z c da n da p l a nf o r t h ef i l t 呲r & di sg i v e l k e y w o r d s ：z i g , b e e ，w p a n , b i n d i n g ，e i b ，l i g h t i n gc o n t r o l ，s t a t em a c h i n e ， r o u t i n ga l g o r i t h m , s e l f - o r g a n i z a d o n 浙江大学工学硕士学位论文 致谢 在硕士论文完成之际，我衷心地感谢导师吴明光教授两年来在各个方面给 予我的关心和帮助。在我的科研工作和论文写作过程中，吴老师始终给予了精 心的指导和热心的帮助。同时，吴老师热情的为人、敬业的精神和渊博的知识 使我受益非浅。吴老师在日常的学习生活中给予我中肯的建议和指导，在我两 年的研究生阶段乃至今后的人生道路中都始终是一种激励。 感谢已经毕业的师兄崔家林、陈思国、封宁波、张岳军、吴巍。你们对科 研工作的严谨与勤奋，始终是我学习的榜样。 感谢实验室的杨丕楠、姚帅，感谢师弟安庆敏、傅炜钢。在你们身上我学 到了很多新鲜的知识和技能。在我的科研工作中，你们给予的帮助与意见，使 我能够更好的完成课题。 感谢所有教育过我和帮助过我的老师们，你们的谆谆教导是我一生中最宝 贵的财富。感谢我所有的朋友和同学，一起生活和学习的美好时光里，你们给 予我的真诚的鼓励和无私的帮助是终生难忘的。 感谢父母和家人多年来在物质和精神上的巨大支持，这是我每一项成就背 后最大的动力。 v 浙江大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1z i g b e e 发展简介 继i r d a ( 红外技术) 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 技术之后， e e e 推出了第三代无 线个域网( w p a n ) 标准z i g b e e 。该技术于2 0 0 2 年由美国m o t o r o l a 、日本 m i t s u b i s h i 、荷兰p k l i p 、英国h e 丑s y s 等公司联合成立的z i g b e e 联盟提出1 1 。目 标是设计一种低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率、短距离双向通信技 术，目前已获得超过1 5 0 家公司的支持。 z i g b e e 技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的， 自诞生之日起就被冠为世界发展最快、拥有广阔市场前景的十大最新技术之 一鉴于z i g b e e 具备省电、可靠、成本低、容量大、安全、自组织等诸多技术 优势，以及良好的市场前景。据专家预测，未来几年，z i g b e e 技术将处于飞速 发展时期【2 】。 在各种近距离无线传输技术层出不穷，竞争异常激烈的环境下，z i g b e e 之 所以能够脱颖而出，受到学术界和行业的追捧，根本原因在于其技术特点明确 的市场定位，填补了低功耗、低成本、低速率无线市场的空缺。相对于现有的 各种无线通信技术，z i g b e e 技术是低功耗和低成本的技术，非常适合于低速率 的无线传输应用。它面向的是细分的市场，注重技术在目标市场的有效性，而 舍弃追求价值不大的高技术指标，如高带宽，高速率等。 1 2 无线个域网技术简介 1 2 1i r d a 技术 k d a 是成立于1 9 9 3 年的i n t l - a x e dd a t aa s s o c i a t i o n ( 红外线数据标准协会) 的英 文缩写【3 】。红外线是波长在7 5 0 n m - l m m 之间的电磁波，为了保证不同厂商的红 外产品能获得最佳的通信效果，i r d a 限定所用红外波长在8 5 0 n m , - , 9 0 0 n m 。i r d a 还制定了一系列红外通讯协议，例如i r d a l 0 ，i r d a l 1 ，v f i r 等，以满足不同 速率的应用需求。i r d a l 0 协议简称s i r ( s e r i a li n f r a r e d ) ，基于异步收发器 u a r t ，最高通信速率为1 1 5 2 k b p s ，采用3 1 6e n d e c 编解码机制。i r d a i 1 协 议简称f i r ( f a s t 瑚a r c d ) ，将通信速率提高到4 m b p s ，采用4 p p m ( p u l s e 第一章绪论 p o s i t i o nm o d u l a t i o n ，脉冲相位调制) 编译码机制，同时兼容低速的1 0 协议规 定。v f i r ( v e r yf a s ti n f r a r e d ) 支持最高1 6 m b p s 的通信速率。 i r d a 采用点到点通信，传输距离在几锄到几十m ，发射角度通常在 o 1 5 0 。i r d a 的软硬件技术均比较成熟，耗电量低，无需申请特定频率的使用执 照，其传输速率非常适合在家庭、办公室等个域网内使用。但是，i r d a 的缺点 也十分明显。由于i r d a 是一种视距传输技术，两个i r d a 设备通讯时，中间不能 有障碍物。当若干个设备需要交互通讯时，i r d a 更是难以满足要求。目前， i r d a 主要应用在工业传感器，家电遥控器，p c 机，笔记本电脑外设接口等对距 离和方向要求不高的环境下。 - 1 2 2 蓝牙技术 蓝牙技术标准最早是e r i c s s o n ，m m ，n o k i a ，i n t e l ，t o s h i b a 等公司于 1 9 9 8 年组建的b l u c t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ( s i g ) 提出，其目标是提供一种 短距离、低成本的无线传输应用技术，并使其成为未来的无线通信标准嘲。 1 9 9 9 年下半年，m i c o r s o r 、m o t o r o l a 、3 c o m 等业内巨头与s i g 的五家公司共同 发起成立了蓝牙技术推广组织，并促使i e e e 组织在2 0 0 2 年推出了8 0 2 1 5 1 协议， 从而在全世界掀起了蓝牙技术的热潮。 蓝牙技术是一种短距离、低成本的无线传输技术，工作频率为2 4 g h z ，通 信速率为1 m b s ，通信距离一般是1 0 m 之内。蓝牙技术支持语音和数据传输；传 输范围大，没有方向的限制；采用跳频展频技术，抗干扰性强，不易窃听；能 在包括无线耳机、手机、p d a 、笔记本电脑等众多设备之间进行无线通讯。最 近几年蓝牙技术在耳机，手机方面得到了广泛的应用。 由蓝牙技术构成的点对多点连接称为微微网，在一个网络中可连接8 个设 备。这样，蓝牙技术可以将移动电话、耳机、p d a 、计算机、打印机、投影机 等电子设备，连接到一个个域网中，从而将其从电缆连接中解放出来，实现设 备的可移动性。 2 浙江大学工学硕士学位论文 1 2 3u w b 技术 超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 是现在正在被广泛研究的一种高速、低 成本和低功耗新兴无线通信技术。u w b 是指信号带宽大于5 0 0 m h z 或者是信号 带宽与中心频率之比大于2 5 t v j 。与其它无线通信技术有很大不同的是其脉冲长 度通常在亚纳秒量级，信号带宽可达数千兆赫兹，比任何现有的无线通信技术 的带宽都大得多。目前u w b 出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带( i r - u w b ) 系统、基于直扩码分多址( d s - c d m a ) 的u w b 系统、基于多带正交频 分复用( o f d m ) 的u w b 系统等多种技术方案。 u w b 技术解决了困扰传统无线技术多年的窄带无线传输导致干扰的重大 难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低，安全性高，系统复杂 度低，抗多径干扰能力强，定位精确的优点。 u w b 在短距离范围内提供高速无线数据传输方面具有强大的优势，特别 符合家庭无线消费市场的需求，例如基于u w b 构建的个域网，可以将数字相 机、扫描仪、打印机、摄录像机、电视机以及m p 3 播放器等与p c 建立无线连 接。此外u w b 的高定位精度的优点使其在军事和科学领域也有着重大的应用价 值。 目前，u w b 技术标准主要有两种，f r e e s t , a l e 的d s - u w b ，以及英特尔、德 州仪器( 1 1 ) 主导的m b o a 。这样一种局面使得l r w b 面临不同版本标准的内部 博弈，即对标准主导权和话语权的争夺，而其本质上则是企业间利益之争，这 导致u w b 技术的推广受到很大阻碍。 1 2 az i g b e e 技术 表1 1 给出t h d a 署l j b l u e t o o t h ，u w b 和z i g b 四种无线个域网技术的性能 比较。 3 第一章绪论 表1 1 四种无线个域网技术特性比较i $ 1 争， b l u e t o o t h1 m z i g b e e 。：嘉 f。h d a 。 发起时间 1 9 9 3 焦1 9 9 8 焦 2 0 0 3 焦2 0 0 2 矩 工作频段红外线2 4 g h z3 1 - 1 0 6 g h z2 4 g h z ，8 6 8 和9 1 5 m z 有效范围l m1 0 m 1 0 i n 1 0 m 7 5 m 最大传输速率 3 m b p s1 m b p s l g b p s2 5 0 k b p s 方向性 其中，口j 为绑定连接的源设备地址，巴为源设备端点号，c l 为簇标识符， ( 。，。) ，( 嘞2 ，岛：) ，( ，) 为绑定连接中目标设备的地址和端点号集合 z i g b 在应用层使用绑定表来进行寻址，设备通过查询绑定表来获取源设 备和目标设备的网络地址与m e e 地址，并将其与物理层帧在网络层打包，交给 网路层处理。 2 2 2 应用支持子层 应用支持子层由数据服务实体( a p sd a t ae n t i t y ，简称a p s d e ) 和管理服 务实体组成( a p sm a n a g e m 跚te n t i t y ，简称a p s m e ) 。它通过z i g b e e 设备对象 和其他制造商定义的对象，在网络层和应用层间提供了接口。 一 第三章与e i b 总线兼容的z i g b e e 无线控制系统 图2 3 应用支持子层参考模型0 1 明 图2 3 给出了a p s 的参考模型。a p s d e 和a p s m e 均通过相应的服务访问点 ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，简称s a p ) 提供相应的数据、管理服务，从而实现网络 层和应用层之间的互访。同时，a p s d e 和a p s m e 之间也有一个内部接口，使得 a p s m e 能够访问a p s d e 。 a p s d e 提供了三条原语； a p s d e - d a t a r e q u e s t 0 。本地应用层请求向远程应用层发送应用支持 子层数据单元( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b - l a y e rp r o t o l d a t au n i t ， a s d u ) 。a p s 实体接收到该原语后，根据参数d s t a d d r m o d e 确定采用 间接寻址，直接寻址或者广播寻址。 a p s d e - d a t a c o n f i r m 0 。该原语报告本地应用层发送a s d u 的执行结 果。参数s t a t u s 表明具体结果，s u c c e s s 表示发送成功； n ob o u n dd e v i c e ，s e c i 瓜r r yf a i l 或其它值为错误代码。 a p s d e - d a t a i n d i c a t i o n o 。该原语表示应用层从a p s 接收到的 a s d u 。参数a s d u l g t h 表明参数a s d u 的长度；a s d u 表明了a s 叫的具 体数据内容；参数w a s b r o a d c a s t ：指示是否为广播发送。 ，a p s m e 提供了四条原语： a p s m e - b i n d r e q u e s t ( ) 和a p s m e - b i n d e o n 五i ：m 0 。该两条原语用于向 a p s 子层发送绑定a p s m e - b i n d r e q u e s t 0 中指定的源地址设备和目标 1 4 浙江大学工学硕士学位论文 设备的请求及对绑定结果的确认。当z i g b e e 协调器或者源地址设备接 收到绑定请求后，会在绑定表( b a n d i n gt a b l e ) 里创建一个相应的绑 定条目。如果创建成功，则返回s u c c e s s 确认。 a p s m e - u n b i n d r e q u e s t ( ) 和a p s m e - u n b i n d c o n c e r n 0 。解绑定原语 用于解除两个设备的绑定关系。z i g b e e 协调器或者源地址设备接收到 解绑定请求后，首先在绑定表里搜索相应的条目，如果找到，则删除 该条目，并返回s u c c e s s 确认。如果找不到，返回 州a i db 玳d 玳g 。如果设备本身并不存在，则直接返回 n l e g a l d e v i c e 状态。 a p s m e - g e t r e q u e s t 0 和a p s m e - g e t c o n f a r m 0 。当接收到a m 属性读 取请求时，a p s m e 向数据库读取相应的a i b 属性值。如果读取成功则 返回s u c c e s s 状态，否则返回u n s u p p o r t e d _ a t i r i b u t e 。 a p s m e - s e t r e q u e s t 0 和a p s m e - s e t c o n 五m l o 。当接收到a i b 属性设置 请求时，a p s m e 向数据库写入相应的a p s 信息库( a p si n f o r m a t i o n b a s e ，简称a i b ) 属性值。如果设置成功则返回s u c c e s s 状态，否则 返回u n s u p p o r t e d _ a i w r i b u t e 或i n v a l i d _ p a r a m e t e r 。 2 2 3 应用层协议数据单元帧格式 帧控制域 8 位 目的设备端点i 簇标识符i 配置文件标l 源设备端点i 8 位 l 8 位 li i 符1 6 位l 8 位 l 帧负荷 地址域 a p s 包头ia p s e 荷 图2 4 a p s 帧的一般格式 应用层协议数据单元帧( a p p l i c a t i o np r o t o c o ld a t au n i t ，简称a p d u ) 由 a p s 包头和a p s 负荷组成，图2 4 给出了a p s 帧的一般格式。a p s 帧位于n w k 数 据帧包头后面的n 磺噬数据负荷内，n 哌帧定义见2 2 3 节。 帧控制域包含帧类型，发送模式，编址模式，安全子域，以及请求确认选 择等信息。地址域包括目标端点，簇标识，配置文件标识，源端点等地址相关 信息。目标端点由8 位二进制数表示，其中0 x 0 0 标示设备内的所有z d o ， 第三章与e i b 总线兼容的z i g b e e 无线控制系统 0 x 0 1 , - o x f o 表示设备内的相应端点号，其余号码保留。a p s 帧根据其负荷分为 a p s 数据帧，a p s 命令帧和a p s 确认帧，如图2 5 ，2 6 ，2 7 所示。其中命令帧退 化成图2 6 的格式，其内容根据命令的类型而定，例如绑定，解绑定等命令，其 地址信息与命令内容打包在命令负荷内，交给网络层处理。 帧控制域 8 位 目的设备端点l 簇标识符i 配置文件标l 源设备端点l 8 位 i 8 位 l 识符1 6 位i 里i 数据负荷 地址域 a p s 包头a p s 负荷 图2 5 a p s 数据帧格式 l 帧控私域a p s 命令 i 8 位 p s 命令标识符 负荷 i l a p s 包头 a p s 负荷 图2 6a p s 命令帧格式 图2 7 a p s 确认帧格式 2 2 4z i g b e e 描述符 z i g b e e 采用5 种描述符数据结构来定义z i g b e e 设备：节点描述符，节点电 源描述符，简单描述符，复杂描述符，以及用户自定义描述符。其中，节点描 述符定义节点的类型和功能，节点电源描述符定义节点的电源特性，简单描述 符定义了节点内的端点设备，复杂描述符定义了端点设备的更多信息。 表2 2 和2 3 给出了节点描述符和节点电源描述符的具体内容，这两者的信 息用于构成一个完整的节点。 1 6 浙江大学工学硕士学位论文 表2 2 节点描述符内容 域名称长度( 位) 逻辑类型 3 保留5 a p s 标志位 3 频带 5 m a c 容量标志位8 制造商代码1 6 最大缓存大小8 最小传送大小1 6 表2 3 节点电源描述符内容 爹。域名称 “。 ”长度( 位) 一 7 。一 + j i 劳 当前电压模式 4 可用电源 4 当前电源 4 当前电源等级 4 简单描述符包含了节点中每个端点的具体信息，格式如表2 4 所示。 表2 4 简单描述符内容 墨“j 。| “域名称 “7” 长度( 位)。篓 。+ 如：，|鼍 端点号 8 应用程序配置文件标识号 1 6 应用程序设备标识号 1 6 应用程序标志位 4 应用程序输入簇数量 8 应用程序输入簇列表8 应用程序输入簇数量 应用程序输出簇数量8 应用程序输出簇列表8 应用程序输出簇数量 1 7 第三章与e i b 总线兼容的z i g b e e 无线控制系统 复杂描述符以x m l 的格式存贮，是对简单描述符的补充，应用中可选，由 语言及字符集，制造商名称，模型名称，序列号，设备u r l ，图标，图标u r l 等域构成。 2 2 5 应用层框架 应用层为应用程序提供了两种标准服务类型：k v p 和m s g 。两种服务使用 不同的帧格式 2 0 l 。 k v p 采用扩展标志语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 压缩方式， 支持对远程设备属性值的g e t ，s e t ，e v e n t 服务。k v p 的缺点在于要求远程设备 的变量为标准类型，否则无法识别。k v p 帧格式如图2 8 所示。 匝工至三卫习至丑至口亘瑁 图2 8 k v p 帧格式 m s g 使用簇d 作为报文的编号。报文的结构由应用程序按照需要自由设 计。m s g 的帧格式如图2 9 所示。与k v p 不同，m s g 要求开发者自定义响应报文 的结构。 图2 9 m s g 帧格式 2 2 6 应用层设备配置文件 。 应用层设备配置文件定义了z i g b e e 设备的一般特性，例如绑定，解绑定， 设备发现，服务发现，以及网络管理等。 用户可以通过按键等对绑定表进行操作，删除或添加绑定表条目，从而实 现绑定或解绑定的目的。 设备发现是指一个设备对p a n 中其他设备的定位能力。设备发现服务支持 i e e e 地址和网络地址，以广播寻址或唯一寻址的方式寻找网络中的其他设备。 如果是广播寻址，则网络内的所有设备均要根据逻辑设备的类型和匹配标准发 送响应。对于协调器和路由器，响应内容不但要包括其地址，还包括符合匹配 1 b 浙江大学工学硕士学位论文 标准的关联设备的地址，而对于终端设备，只需响应其自身地址即可。如果是 唯一寻址，则只需指定的设备响应，其响应内容根据设备类型而不同。 服务发现是指一个设各确定p a n 中其他设备的服务的能力。考虑到服务发 现响应的信息量会非常庞大，因此只有符合匹配标准的协调器和路由器才会进 行响应。路由器事先将相关联终端设备的服务信息缓存起来，代替其关联终端 设备进行响应。服务发现的响应内容可以有活动端点号，描述符等。 网络管理包括获取设备管理信息，例如网络发现结果，相连节点通讯质 量，路由表，绑定表等，以及相关的管理信息控制操作，如断开网络连接。 2 2 6 1c l i e n t ( 客户端) s e r v e r ( 服务器) 模型 设备配置文件通过一个c l i e n t s e r v e r 模型来描述设备的角色。客户端是通 过设备配置文件报文发送请求，接受相应的设备，而服务器是负责处理这些请 求，并发送响应的设备。 客户端向服务器发送设备及服务发现请求，绑定及解绑定请求，网络管理 请求等报文，服务器接受到请求报文后，进行处理，返回相应的响应报文。通 过这样一种方式实现设备之间的通讯，图2 1 0 给出了c l i e n t ( 客户端) s e r v e ( 服务器) 模型示意图。 图2 1 0c l i e n t ( 客户端) s e r v e r ( 服务器) 模型示意图 第三章与e i b 总线兼容的z i g b e e 无线控制系统 2 2 6 2 应用层设备对象 z i g b 设备对象是位于a p s 上层，应用层内的一种应用程序。其功能包 括。 初始化a p s ，网络层，安全服务层等。 从端点应用程序中采集配置信息，以实现相应的服务。 z d o 包括5 种对象： 设备及服务发现。处理设备及服务发现。 网络管理器。处理网络发现，离开加入网络，重置网络以及创建网络 等网络活动。 绑定管理器。处理端点绑定，设备绑定，解绑定等活动。 安全管理器。处理密钥下载，生成，传输，验证等活动。 节点管理器。处理节点相关的管理功能。 2 3 网络层协议 图2 1 1 网络层参考模型t 2 1 1 如图2 1 l 所示，网络层位于i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层和应用层之间，由数据服 务实体( n e t w o r kl a y e rd a t ae n t i t y ，简称n l d e ) 和管理服务实体组成 浙江大学工学硕士学位论文 ( n e t w o r kl a y e rm a n a g c a n e n te n t i t y ，简称n l m e ) ，分别通过相应的s a p 接口 与上下两层通讯。 n l d e 的主要作用是产生n p d u ( n e t w o r kp d u ，简称n p d u ) 数据报文， 并将n p d u 发送到通向目标设备的下一个设备。n l m e 的主要功能包括：新设备 的设置，网络的启动，设备的加入删除，编址，路由发现，接收控制等。 n l d e 提供了三条原语： n l d e - d a t a r e q u e s t ( ) 。本地a p s 子层请求向远程a p s 子层发送p d u 。 n l d e 接收到该原语后，将传输的p d u ，目标地址，传输半径，路由 发现标志位等信息打包，构建成一个新的n p d u 。 n l d e - d a t a c o n f i r m 0 。该原语报告本地a p s 子层发送p d u 的执行结 果。 n l d e - d a t a i n d i c a t i o n 0 。该原语表示本地a p s 子层从远程a p s 子层接 收到的p d u 。参数m d u i 肋g t h 表明参数p d u 的长度；p d u 表明t n s d u 的具体数据内容；参数l i n k q u a l i t y 指示传输线路的通信质量。 n l m e 提供了十九条原语，分别实现网络发现与初始化，设备加入离开网 络，路由器初始化，设备重启等服务。下面分别进行简单的介绍。 2 3 1 网络参数初始化及设定服务 n l m e - n e t w o r k - f o r m a t i o n r e q u e s t 和n i m n e t w o r k f o r m a t i o n c o n f a t x n 原语实现网络的发现功能。n i m e n 聃o l u 艮 d i s c o v e r y r e q u e s t 原语设定希望扫描的信道以及扫描时间，n l m e - n 】b t w o r k - d i s c o v e r y o o n f l r n l 返回扫描到的网络数，并将每个网络的信息以 网络描述符的形式给出。网络描述符的内容包括：p a ni d ，当前逻辑信道， z i g b e c 协议栈配置文件，协议版本，b e a c o n 指令，超帧指令，是否允许路由器 加入等。 n i m 小m t w o r k - d i s c o 、，e r y r e q u e s t 和n l m e - n e t w o r k - d i s c o v e r y c o n f i r m 原语实现网络初始化功能。n l m f n e t w o r k - d i s c o v e r y r e q u e s t 设置了可扫描的信道号，扫描时间，b e a c o n 指令，p a n 2 1 第三章与e i b 总线兼容的z i g b e e 无线控制系统 d ，电池扩展模式等网络初始化参数。 伍4 m 刑0 r k - d i s c o 、倒w c o n f i r m 则返回网络初始化的结果。 n l m b p e r m i t - j o i n i n g r e q u e s t 原语设定允许设备加入网络的时间长度， n im e p e l 岍j o 玳矾g c o n f i r m 原语则返回设置的结果。 n l m e - s t a r t - r o u t e i l r e q u e s t 原语允许z i g b e e 路由器初始化或设置其超 帧参数，如b e a c o n 指令，超帧指令，电池扩展模式等。n l m e - s t a r t - r o ir r e rc o n 丘皿返回设置结果。 2 3 2z i g b e e 网络设备服务 2 3 2 1 加入离开网络 z i g b e e 设备加入网络有两种形式：设备主动加入网络，路由器或协调器请 求设备直接加入自身网络。其中设备主动加入网络有三种情况：通过关联加 入，直接加入网络，离开后重新加入网络。 n l m e - j o i n r e q u e s t ，n l m e j o i n c o n f i r m ，n l m e - j o i n i n d i c a t i o n 原语实 现设备加入网络的功能。n l m e - j o i n r e q u e s t 原语中的参数p a n i d 指明了要加入 网络d ，标志位j o i n a s r o u t c r 指明加入网络后是否为路由器，标志位 r e j o i n n c t w o r k 表明是否启用孤点网络加入程序。如果r e j o i n n e t w o r k 值为 f a l s e ，则调用m im e a s s o c n t e r e q u e s t 原语，并将其地址设置为满足如下 条件的路由器地址：路由器属于p a n i d 指定的网络，并允许设备加入，同时路 由器与该设备之间的通信成本不大于3 。如果满足该条件的路由器有多个，则选 择逻辑距离最近的路由器。如果r e j o i n n e t w o r k 值为t r u e ，则调用孤立节点加 入程序。 n im e ，o 玳i n d i c a t i o n 原语向路由器或协调器发出设备成功加入的信息， 包括新设备地址等。n 删o 烈n 丘m 则返回设备加入请求的执行结果。 n l m e - d i r e c t - j o i n r e q u e s t 和n i 湿c t j o c o n 丘皿原语实现路由 器或协调器请求设备直接加入的功能。n l m e - d i r e c t - j o i n r e q u e s t 原语中指明 了要加入的设备地址，该过程不需要向其他设备发送报文，直接在路由器或协 调器中完成。n im e d 瓜e c t - j 0 c o n 矗姗返回设备加入的结果。 浙江大学工学硕士学位论文 设备可以请求将自己或者另一个设备断离网络，并将设备离开网络的事件 通知协调器。n l m e - l e a v e r e q u e s t ，n l m e l e a v e i n d i c a t i o n 和n l m e - l e a v e c o n f i r m 原语实现设备离开网络的功能。n l m e l e a v e r e q u e s t 原语中 d e v i c e a d d r e s s 指明请求离开的设备地址，如果为n u l l 贝i i 是设备自身，标志位 r e m o v e c h i l d r e n 表明是否将该设备的子设备也断离网络。n l m e - l e a v e i n d i c a t i o n 向设备指明是否已经离开网络，或者向路由器和协调器表明是 否有子设备被移除。n l m e l e a v e c o n f i n l l 原语返回请求执行的结果。 2 3 2 2 其他网络层管理服务 其他的网络层服务包括以下几种： 网络层服务重启。 网络层信息库维护。网络层通过n l m e - g e t r e q u e s t 和n l m e - g e t c o n f i r m 来获得信息库属性值，通过n l m e - g e t r e q u e s t 和n l m e - g e t c , o n 伍l l l 来修改指定的属性值。 同步服务。网络中的设备通过该服务实现与协调器或路由器的同步。 对于q b e a c o n 网络，a p l 层发出n 】m m s y n c r e q u e s t 原语后，网络层 调用m l m e p o l l r e q u e s t 原语，同步结果通过m l m e s y n c c o n 丘i m 返 回。对于b e a c o n 网络，网络层首先调用m l m e - s e t r e q u e s t 将 m a c a u t o r e q u e s t 设置为t r u e ，返回结果为成功后，再调用m l m e - s y n c r e q u e s t 原语。 2 3 3 网路层帧格式 2 3 ，3 1 网络层协议数据单元( n e t w o r kp r o t o c o ld a t au n i t ，简称n p d u ) 帧格式 网络层帧由n w k 包头和n w k 负荷组成，图2 1 2 给出了网络层帧的一般格 式。 犊控制域i ! ! 兰兰l 源地兰i 竺兰兰兰l 竺i 帧负荷 路由域 n k 包头n w k 负荷 图2 1 2n w k 帧的一般格式 2 3 第三章与e i b 总线兼容的z i g b e e 无线控制系统 帧控制域包含帧类型，协议版本，路由发现域，安全子域等信息。地址域 包括目标地址，源地址，传输半径，序列号相关信息。n w k 帧根据其负荷分为 n w k 数据帧和n w k 命令帧，如图2 1 3 ，2 1 4 所示。 l l 帧控制域路由域数据负葡 l l n w k 危, 头n w k 负荷 图2 1 3n w k 数据帧格式 图2 1 4n w k 命令帧格式 数据帧由帧控制域，传输半径和数据负荷组成。其中传输半径是一个8 位 数组表明传输的范围，每经过一个设备，该值减l 。 命令帧数据帧由帧控制域，传输半径，n w k 命令标识符和命令负荷组 成。其中n w k 命令标识符表明n w k 命令的类型，包括路由请求，路由应答， 路由错误，离开等类型。n w k 命令负荷的内容根据命令类型的不同而不同。 2 3 4 邻居表 邻居表( n e i g h o rt a b l e ) 包含一个设备在传输范围内的相邻设备的信息： p a n i d m e 地址 网络地址 设备类型 设备逻辑关系 此外，还可以根据应用要求加入一些附加信息，如表2 5 所示。 浙江大学工学硕士学位论文 表2 5 邻居表结构说明吲 域名称 有效范围 描述 p a n i do x 0 0 0 0 一o x 3 f i tp a n 标示号 e x t e n d e da d d r e s s6 4 位i e e e 地址设备i e e e 地址 n e t w o r ka d d r e s