（计算机系统结构专业论文）zigbee2006协议栈的研究与应用.pdf

华东师范人学硕士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 摘要 随着无线技术的不断发展，z j i g b e e 在社会信息化、家庭智能化以及工业自动 化领域越来越受到业界的关注，国内外也有众多科研机构正在研究其规范及其相 应实现。目前主要公布的z i g b e e 规范版本有：乃g b e e2 0 0 4 、z i g b e e2 0 0 6 以及 z i g b e ep r o ，但三个版本的z i e , b e e 规范并不能相互兼容。最新的z i g b e e 协议栈 是根据2 0 0 6 版本进行开发设计，其中应用较广的是1 1 发布的z i g b e e2 0 0 6 免费 协议栈。 本实验室已在f r e e s c a l ec o d e w a r r i e r5 0 + m c l 3 2 1 3 平台上实现了z i g b e e2 0 0 4 协议栈的主要功能，但其稳定性需要进一步测试，功能也需要相应的完善，由于 其源码公开比较适合实验研究使用。同时1 r i 针对商业应用发布了z i g b e e2 0 0 6 协议栈。本课题将在比较分析不同版本z i g b e e 规范的基础上，迸一步在f r e e s e a l e c o d e w a r r i e r5 0 + m c l 3 2 1 3 完善z i g b e e2 0 0 4 协议栈，主要为安全层的软件实现等； 同时对1 r i 的协议栈进行应用封装以简化应用过程，并设计实现一套应用层命令 集，以方便开发。 最后测试z i g b e e2 0 0 6 协议栈本身的基本功能实现情况，并针对实际应用设 计实现一个基于z i g b e e 的无线数据采集系统，以验证应用封装的有效性。 关键词：z i g b e e2 0 0 6 ：协议栈；安全层；应用封装；无线数据采集 华东师范大学硕士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s st e c h n o l o g y , z i g b e ei sp a i dm o r ea t t e n t i o n t 0i nt h ea s p e c t so fs o c i a li n f o r m a t i o n , s m a r th o m ea n di n d u s t r i a la u t o m a t i o n a n da l o to fr e s e a r c hi n s t i t u t e sa r ed o i n gt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ez i g b e ep r o t o c o l s t a c ln o w a d a y , t h e r ea l et h r e em a i nz i g b e es p e c i f i c a t i o n s ，t h o s ea r ez i g b e e2 0 0 4 ， z i g b e e2 0 0 6a n dz i g b e ep r os p e c i f i c a t i o n b u tt h e ya r en o tc o m p a t i b l ew i t he a c h o t h e r n er e c e n ts t a c k sa l ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ez i g b e e2 0 0 6s p e c i f i c a t i o n ，a n d t i sz i g e es t a c ki sw i d e l yu s e d n em a i nf u n c t i o n so ft h ez i e , b e e2 0 0 4s p e c i f i c a t i o nh a sb e e nr e a l i z e do n m c l 3 2 1 3u s i n gf r e e s c a l ec o d e w a r r i e r5 0 b u ti t ss t a b i l i t yn e e db et e s t e da n di t s f u n c t i o n sn e e db ei m p r o v e d , w h i c hi ss u i t a b l ef o r t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h m e a n w h i l e ， t ii s s u e st h ez i g a c e2 0 0 6s t a c kf o rc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s i nt h et h e s i s ，z i g b e e 2 0 0 4 p r o t o c o l s t a c kw i l lb ei m p r o v e m0 1 1t h e a n a l y s i s o fd i f f e r e n tz i g b e e s p e c i f i c a t i o n si n c l u d i n gt h er e a l i z a t i o no fi t ss e c u r i t yl a y e r a n dt h ea p p l i c a t i o n e n c a p s u l a t i o no ft i sz i g b e e2 0 0 6p r o t o c o ls t a c ki sn e e d e df o rs i m p l i f y i n gt h e p r o c e s so fa p p l i c a t i o n , a n das e r i e so fa p p l i c a t i o nc o m m a n d sw i l lb ed e s i g n e da n d r e a l i z e d a tl a s tt h eb a s i cf u n c t i o n so fz i g b e e2 0 0 6w i l lb et e s t e d a n dd e s i g naw i r e l e s s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nz i g b e et ot e s tt h ea p p l i c a t i o ne n c a p s u l a t i o n k e y w o r d s ：z i g b e e2 0 0 6 ；p r o t o c o ls t a c k ；s e c u r i t yl a y e r ；a p p l i c a t i o ne n c a p s u l a t i o n ； w i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m l i z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我 所知，除文中巴经注明引用的内客外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成 果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名： 盔童垒日期：递z ：! ：至f 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：咪；瞥 日期：塑：! ! ：堕 华东师范大学硕士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 第1 章绪论 z i g b e e 协议作为无线传感领域中新的协议规范，越来越受到业界的关注。本 文选择z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用作为研究课题，从协议规范至封装应用 介绍研究整个z i g b e e 协议栈的特点，并从应用角度分析封装协议栈，为用户设计 了一套应用层命令集以方便配置和应用，最后通过一个应用实例验证封装的有效 性。 1 1 课题背景 无线通信发展至今已有多种成熬的通信标准，不同标准闻的差异也决定了其 不同的应用领域。现代无线通信主要使用了3 g 、w i f i 、b l u e t o o t h 及u w b 四种通 信标准。早期的无线网络应用主要集中在高速率数据通信领域，并较少考虑功耗 问题。虽然b l u e t o o t h 也可用于低速数据通信应用，但其功耗以及节点接入数却限 制了它在低速领域的进一步发展。i i f i i z i g b e e 技术正是为低速数据传输、低功耗、 低成本应用而产生的一种新型的无线通信技术。z i g b e e 具有低成本、低耗电、双 向传输以及感应网络的特点使其在无线传感器网络领域中有着广泛的应用【埘。 z i g b e e 与其他几种无线通信技术，如w i f i 和b l u e t o o t h 相比，突出的特点是应 用简单，电池寿命长，有自组网能力，可靠性高以及成本低。下面从几个方面分 析z i g b e e 相对于w i f i 和b l u e t o o t h 的优势： 1 ) 功耗控制：z i g b e e 的发送功率仅为3 0 + m a , 而b l u e t o o t h 达至1 4 0 + m a 2 0 l ，w i f i 达n 4 0 0 + m a t 冽；z i g b e e 待机消耗为3 ua ，而b l u e t o o t h 的为2 0 0ua 例， w i ，f i 的为2 0 m a 2 3 1 。 2 ) 唤醒时间：z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5 m s ， 节点连接进入网络只需3 0 m s ，迸一步节省了电能【2 1 1 ；相比较，b l u e t o o t h 需要3 1 0s 、w i f i 则需要3s 。因此，z i g b e e 网络在低耗电待机模式下，2 节5 号于电池可支持1 个节点工作6 2 4 个月，甚至更长。相比较之下，蓝牙 能工作数周、w i f i 只能工作数小时。 3 ) 网络结构：z i g b e e 可采用星状、树状和网状结构，由一个主节点管理若 干子节点，最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点，同时主节点还可由上一 层网络节点管理，最多可组成6 50 0 0 个节点的大网，而b i u e t o o t h 最多只 能组成八个结点的星状网络，w i f i 只能组成星状网络。 4 ) 安全模式：z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控 制清单( a c l ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a r ：s 1 2 8 ) 的对称 华东帅范大学硕士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 密码，灵活的确定其安全属性，可靠性高口1 。 5 1 成本控锘l j 通过大幅简化协议( 不到b l u e t o o t h 的1 1 0 ) ，降低了对通信控 制器的要求，按预测分析，以8 0 5 1 的8 位微控制器测算，全功能的主节 点需要3 2k b 代码，子功能节点最少只需要4k b 代码。b l u e t o o t h 需要 2 5 0 k b ，而w i - e i 需要1 m b 。而且z i g b e e 免协议专利费，采用直接序列 扩频在工业科学医疗( 1 s 旧频段，2 4g m ( 全球) 、9 1 5m h z ( 美国) 和8 6 8 i r a ( 欧洲1 ，免执照频段。 6 ) 传输速率：z i g b e e - r 作在2 0 - 2 5 0k b p s 的较低速率，分别提供2 5 0k b p s ( 2 4 g i n ) 、4 0k b p s ( 9 1 5i r a ) 和2 0k b p s ( 8 6 am m ) 的原始数据吞吐率，满足低 速率传输数据的应用需求。b l u e t o o t h 的最大传输速率为7 5 0 k b s ，w i f i 的最大传输速率为5 4 m b p s 。z i g b e e 的最大包长为1 3 2 个字节，而b l u e t o o t h 达到3 5 9 个字节，w i f i 达到4 0 9 5 个字节。 刀传输距离：z i g b e e 的传输范围一般介于1 0 - 1 0 0m 之间，在增加r f 发射 功率后，亦可增加到l - 3 k m 。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。b l u e t o o t h 一般在l o m 左右， w i f i 在1 0 0 m 左右。 综上所述，z i g , b e e 网络具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、 高容量、省电、可靠、成本低、容量大、高安全及免执照频段的特点，主要应用 于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有 周期性数据、问歇性数据和低反应时间数据f 2 5 】。它的应用目标主要是：工业控制 ( 如自动控制设备、无线传感器网络) ，医护( 如监视和传感) ，家庭智能控制( 如 照明、水电气计量及报警) ，消费类电子设备的遥控装置、p c 外设的无线连接等 领域i 1 8 i 。因此z i g b e e 产品的互操作性、厂商无关、增加产品革新，应用工业标 准、通j h 平台更具经济效益，免去每次为定制方案重新设计。 1 2 囱内外研究现状分析 z i g b e e 是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准，2 0 0 4 年底才由 z i g b e e 联盟发布了1 o 版本规范，z i g b e e 技术和r f i d 技术在2 0 0 4 年就被列为 当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。目前为止( 2 0 0 7 年3 月2 5 日) ，世界上已有1 4 个z i g , b e e 促进组织成员，即e a t o n ，e m b e r , f r e e s c a l e ， h o n e y w e l l ，h u a w e i ，m i t s u b i s h ie l e c t r i c , m o t o r o l a , p h i l i p s ，s a m s u n g , s c h n e i d e r e l e c t r i c ，s i e m e n s ，s t m i c o e l e e t r o n i c s , t e n d r i l ，t e x a si n s t r u m e n t s ，有大约2 0 0 个联 盟企业，并提供超过3 0 个兼容平台，承诺提供z i g b e e 适应的产品和方案蝉j a 联 盟企业包括：i c 供应商、无线口提供商、o e m s 、测试设备制造、最终产品。 2 0 0 6 年1 1 月，z l g s e e 联盟公布了首批z i g b e e 认证产品，有四家公司的产 2 华东师范大学硕士学位论文z i g a 2 0 0 6 协议栈的研究与应用 品入选：m a x s t r e a r a d e 的x b e e ，n e ce n g i n e e r i n g 的z b 2 4 f m ，z ，$ 3 c 的g c 6 3 ， s o f t w a r et c c h n o l o g i e sg r o u p 的s e n s o rn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e ( s n i ) 。所有认证产 品都通过了z i g b e e 联盟制定的测试流程，以保证其健壮性以及可靠性，且它们 运行平台属于上述提及的3 0 多个兼容平台。为了保证测试的准确性，所有测试 步骤都是相互独立的以使其适应家庭、商业或工业上的不问应用i s l 1 9 1 。此举作为 一个开放的全球无线传感器与控制网络方案的一个重要里程碑。 在国内，华为于2 0 0 6 年6 月以“促进者”身份加入了z i g b e e 联盟理事会， 但z i g a e e 在中国还未得到足够的支持。尽管国内已经有不少人开始关注z i g b e e 这门新技术，而且也有不少单位开始涉足z i g b e e 技术的开发工作，然而，由于 z i g b e e 本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频 技术和底层软硬件控制技术结合在一起，因而要深入理解这个来自国外的新技 术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易 的事情。到目前为止，所见的报道有：成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将 z i g b e e 技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题；e m b e r 与中国自动仪表读取( a m r ) 系统方案供应商华立仪表的合作则可看作z i g b e e 在 中国推广和应用的里程碑事件，华立仪表推出了一系列基于e m b e r 平台的电表 和z i g b e e 模块，并于2 0 0 6 年开发燃气及水表。目前主要几个z i g b e e 协议栈有： 1 、f r e e s c a l eb e ek i t ( 3 个月免费，报价2 5 0 0 美元) 2 、m i c r o c h i pz i g b e e2 0 0 4 ( 免费，m j 2 4 4 0 r f ) 3 、j e n n i cl t dz i g b e e 2 0 0 4 ( 内嵌，外加m c u ) 4 、e m b e rz i g b e e 2 0 0 6e m 2 5 0 ( 协议栈报价2 5 0 0 - 1 0 0 0 0 美元) e m 2 6 0 ( 内嵌，需要外加m c u ) 5 、t ic c 2 4 3 0 3 1z i g b e e2 0 0 6 免费全功能协议栈 华东师范大学的e m l a b 实验室经过2 0 0 4 届崔文华同学的努力，已经能够在 f r e e s c a l e 的m c 9 s 0 8 ( 8 位m c u ) + m c l 3 1 9 2 ( 收发芯片) 组成的m c l 3 1 9 2 s a r d 实 现正常收发，但还有部分模块没有实现( 比如安全层，组播等功能) 。整个z i g , b e e 协议栈参照m i c r o c h i pz i g b e e2 0 0 4 ，符合2 0 0 4 年1 1 月1 4 日发布的z i g b e e2 0 0 4 标准，由于该协议栈源码公开，固比较适合于实验室研究使用，但稳定性还需要 进一步的测试。现在1 1 推出了针对c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 的z i g b e e2 0 0 6 免费全功能 协议栈，部分函数以库文件提供，作为商业应用的协议栈，它符合z i g b e e2 0 0 6 标准，其稳定性有保障，比较适合实际应用开发使用。 1 3 论文的研究意义 现在市场上针对z i g b e e 应用主要根据两个版本的z i g , b e e 规范设定，即 3 华东师范大学硕士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 z i g b e e 2 0 0 4 与z i g b e e 2 0 0 6 。同时z i g , b e e 联盟在2 0 0 6 年1 1 月推出了z i g b e ep r o 规范，但这三个z i g b e e 版本间又不相互兼容，因此出现了应用上的不能互通等 问题。本论文将分析z i g b e e2 0 0 4 、z i g b e e2 0 0 6 和z i g b e ep r o 规范间的差异，着 重分析目前市场上研究较多的z i g b e e2 0 0 6 规范，分析其特征，并针对1 r i 提供 的z i g b e e2 0 0 6 协议栈进行应用层的封装以方便z i g b e e 开发或使用者快速配置 z i g b e e 网络及进行应用开发。对于z i e , l k e2 0 0 4 协议，研究人员可以通过本文了 解基本的z i g b e e 协议框架以及更新协议栈还需完成的功能，本课题也将在实验 室原有基础上继续完善z i g b e e2 0 0 4 协议栈，主要为安全层的实现，由于源码公 开比较适合研究使用；而对于相关产品开发人员可以通过本文了解如何使用1 1 提供的协议栈进行简单的开发应用，利用本课题设计的应用层命令接口可以较容 易地配置一个网络，适合商业应用。 4 华东师范大学硕士学位论文 z i g b c e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 第2 章z i g b e e 协议综述 随着无线网络市场对网络的高效性及标准化的需求发展，z i g b e e 作为一种 支持低速率、低功耗，安全可靠的双向无线通信标准应运而生，它是目前远程监 控传感网络应用世界里唯一一种标准化的技术。z i g b c e 技术的前身是 “h o m e r f l i t e ”或“f i r e f l y ”无线技术，主要用于近距离无线连接，其核心协 议由2 0 0 0 年1 2 月成立的i e e e 8 f f 2 1 5 4 工作组制定，高层应用、互联互通测试 和市场推广由2 0 0 2 年8 月组建的z i g b e e 联盟负责i s 。 2 1z i g b e e 技术特点及应用 z i g b e e 作为无线传输领域中的新兴技术标准有其独特之处，下面列出其技 术特点： 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间1 1 9 1 ，当然对 于不同的应用，功耗也是不同的； 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时 隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输机制， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息； 成本低：模块的初始成本估计在6 美元左右，但很快就能降到1 5 美元到2 5 美元之间，且z i g u e e 协议是免专利费的； 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延 都非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值是1 5 m s ，活动设 备信道接入时延为1 5 m s l l 8 l ； 网络容量大：一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多1 0 0 个z i g b c e 网络1 7 ； 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 由于以上技术特点使其在无线领域有着较广的应用前景，其目标市场主要有 p c 外设( 鼠标、键盘、游戏控制杆) 、消费类电子设备( t v 、v c r 、c d 、v c d 、 d v d 等设备的遥控装置) 、家庭内智能控制( 照明、煤气计量和报警等) 、玩具 ( 电子宠物) 、医疗护理( 监视器和传感器) 和工业控制( 监视器、传感器和自 动控制设备) 等领域。 s 华东师范人学硕士学位论文z i g , b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 2 2 z i g b e e 协议模型 z i g a e e 协议标准作为一种新的网络协议其模型与标准o s i 参考模型的对应 关系如图2 - 1 所示。 匿翟圜圈由z i g b e e 或o e m 定义 由z i g b e e 联盟定义 1 习口 由8 0 2 1 5 4 定义 图2 - 1z i g b e e 协议模型与o s i 模型对照分析 z i g b e e 协议各层间相对独立，每层除了负责本层功能外，还需提供处理上 下层传送来的数据包或命令包。各层间具体关系如图2 2 所示。z i g , b e e 协议由物 理层( p h y ) 、介质访问控制层( m a c ) 、网络层( n w k ) ，应用层( a p l ) 及安 全服务提供层( s s p ) 五块内容组成。其中p h y 层和m a c 层标准由i e e e 给出 的8 0 2 1 5 4 标准定义；m a c 层之上的n w k 层，a p l 层及s s p 层，由z i g b e e 联盟给出的z i g a e e 规范定义。a p l 层由应用支持层( a p s ) ，应用框架( a f ) 及z i g a e e 设备对象( z d o ) 及z d o 管理平台组成。 6 华东帅厄人学硕士学位论文 z i g b 2 0 0 6 协议栈的研究与应用 安全隰务 提供厨 t s s p ) 囝数据s p 聱理s 舻 应用屠f p l ) 应用框架a f ) i 蕊卜一? 西 i 稠 应羽支持屡a p s ) 霸路噩眠， 昌姐 菇 图2 2z i g b e e 协议结构 p h y 层定义了无线射频应该具备的特征，提供了8 6 8 9 1 5 m h z 、2 4 g h z 三 种不同的频段，分别支持2 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 的传输速率( i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 新添了l o o k b p s ) ，1 、1 0 及1 6 个不同的信道( i e e e8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 6 提出了“信道页”的概念，扩充了原有信道) 。传输距离一般为1 0 1 0 0 米之间 f 3 】，这与输出功率、环境参数有关。 m a c 层使用c s m a 冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻 设备间的可靠链接，支持关联( a s s o c i a t i o n ) 和退出关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 以及m a c 层安全。 n w k 层提供网络结点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等 功能。 a p s 层负责对等设备间数据传输，绑定表建立与维护等。 a f 为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值 对( k v p ) 服务( z i g b e c2 0 0 4 标准定义，z i 【g b e e 2 0 0 6 与z i g b e e p r o 已取消) 和 报文( m s g ) 服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多2 4 0 个用户 自定义应用对象，分别指定在端点1 至端点2 4 0 上。 z d o 可以看成是指派到端点o 上的一个特殊的应用对象，为所有z i g , b e e 设 备包含，并为所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理， 绑定管理，安全管理等。 s s p 向n w k 层和a p s 层提供了安全服务。 z i g b e e 协议其中一个突出的优点是层与层之间进行信息交换及应答。大多 数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，即图2 - 2 中所示的数据s a p ( s e r v i c ea c c e s s p o i n t ) 和管理s a p 。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 据的机制。 7 华东师范大学顾士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 2 3 z i g b e e 网络拓扑结构 z i g a e e 网络层( n w k ) 支持星状、树状和网状拓扑结构，如图2 - 3 所示。 z i g b c e 网络含三种类型的节点，即协调器( 图2 3 中以“c ”表示的节点) 、路 由器( 图2 - 3 中以“r ”表示的节点) 和终端设备( 图2 3 中以“e ”表示的节点) ， 其中协调器和路由器均为全功能设备( f f d ，支持标准定义的所有功能和特性) ， 而终端设备一般选择精简功能设备( r f d i ) 。一个p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 有且只有一个网络协调器( c o o r d i n a t o r ) ，这个协调器负责启动网络，配置网络成 员地址，维护网络，维护结点的绑定关系表，支持关联等，需要最多的存储空间 和计算能力；网络路由器为全功能设备( f f d ) ，一般不具备绑定表的功能，主 要功能即拓展网络，接受更多的终端设备通过它接入到网络中来，从自己的地址 块中分配网络地址给加入的节点，负责路由网络中的信息，将消息转发到其它设 备，z i g b e e 网状或树状网络可以有多个z i g b e e 路由器；z i g b e e 星状网络不支持 z i g b e e 路由器。精简功能设备( r f d ，r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 具有低功耗及低复 杂度的特性，相较于f e d ，其功能精简了很多，一般都做为网络边缘设备，负责 与实际的监控对象相连，这种设备一般只与自己的双亲通信，不具有成为双亲或 路由器的能力，它的存储器容量要求最少。 圈2 - 3 星状、树状和网状三种网络拓扑结构 星状网络由一个p a n 协调器和多个终端设备组成，只存在p a n 协调器与终 端设备的通讯，终端设备间的通讯都需通过p a n 协调器的转发。 树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，设备除了能与自己 的父节点或孩子进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成消息传输。 网状网络是树状网络基础上实现的，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直接互连( 如图2 1 中虚线所示) ，由路由器中的路由表 配合实现消息的网状路由。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺 点是需要更多的存储空间开销。 8 旭 h 多1警 够默( | 、 誓p、0冀 、，0 钆， ? 扎画 9 哭 一已、0簦 ，j 0 嘎圆i 华东师范大学硕士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 第3 章i e e e 8 0 2 1 5 4 标准分析 i e e e8 0 2 1 5 4 标准是针对低速率无线个人区域网络( l r - w p a n ) 通讯制定 的标准，定义了l r - w p a n 的p h y 层和m a c 层。z i g b e e 协议栈中的p h y 与m a c 层即建立于i e e e8 0 2 1 5 4 基础之上。由于i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了两种节点 类型：协调器和普通节点。z i g b e e 中需要有三种节点类型：协调器、路由器以 及终端节点。因此在z i g b e e 协议栈使用i e e e8 0 2 1 5 4 标准来设计其p h y 和m a c 层时，i e e e8 0 2 1 5 4 中的协调器对应于z i g b e e 协议栈中的协调器( 路由器+ 组 网功能) 和路由器，i e e e8 0 2 1 5 4 中的普通节点对应于z i g b c c 协议栈中的终端 节点。i e e e 在2 0 0 6 年6 月通过i e e e8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 6 的新版规格( 2 0 0 6 0 9 月公布) 。 这项无线标准建构了z i g b e e 规范和众多无线传感器网络的基础。该规范对2 0 0 3 年公布的i e e e8 0 2 1 5 4 ( 2 0 0 3 l o 月公布) 做了特别的改进和修正，明确说明原本 标准中的一些模糊概念，减少了不必要的复杂性，增加了安全密钥使用的灵活性， 并且将一些新的频率分配考虑在i 勾 2 1 。2 0 0 6 的版本在没有使用安全性( 指m a c 层) 的网路中，可兼容i e e e8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 的版本；但是在安全性的网路中，因 2 0 0 6 版本额外定义了辅助安全标头( a u x i l i a r ys e c u r i t yh e a d e r ) ，所以会不相容于旧 有的2 0 0 3 版本。本章主要介绍p h y 层和m a c 层的标准，并对两个版本的不同 之处着重介绍。 3 1p h y 层分析 p h y 层定义了z i g b e e 协议中可用信道、物理层数据包调制方式、能量检测 等。其中主要功能由芯片完成，但了解其原理有助于分析传输过程中的干扰因素， 并针对实际应用采取不同的抗干扰方法。 3 1 1物理层信道 i e e e8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 6 在8 6 8 9 1 5 m h z 的频段上新增了两个可选的具有更高速率的 物理层，如表3 - 1 所示。 表3 - 1 载波信道特性一览表 p h y频段序列扩频参数数据参数 ( ( m h z ) 片速率调制方式比特速率 符号速率 符号 n 【c h i p s )( k b s ) ( k s y m b o l s ) 调制方式 8 6 8 9 1 58 6 & 6 8 63 0 0b p s k 2 0 2 0二进制位 9 0 二- 9 2 8 6 0 0 b p s k 4 0 4 0 二进制位 8 6 8 9 1 58 6 8 _ 8 6 8 64 0 0a s k2 5 01 2 5 2 0 付p s s s 9 华东帅范大学硕士学位论文 z i g b 2 0 0 6 协议栈的研究与应用 ( 町选) 9 0 2 9 2 81 6 0 0a s k2 5 05 0 5 位p s s s 8 6 孕1 58 6 8 _ _ 8 6 8 64 0 0 o - q p s k1 0 0 2 5 1 5 - a r y 正 ( 可选) 交 9 0 2 9 2 81 0 0 0 0 - q p s k2 5 06 2 5 1 6 - a r y 正 交 2 4 5 02 4 0 m - 2 4 8 32 0 o 也p s k2 5 06 2 5 1 6 - a r y 正 5 交 由于新增了可选物理层规范使2 0 0 3 版定义的标准( 最多3 2 个信道号) 不再 能满足要求。为了支持增长的信道，信道分配将由信道号与信道页组合定义。在 3 2 位的物理信道中，最高的5 位作为信道页，剩余的2 7 位作为信道号定义。具 体定义如表3 2 。 表3 - 2 信道页与信道分配 信道页【十进制)信道号码( 十进制)信道描述 o o 8 6 8 m h z 频段上使用b p s k 调制的信道0 l 一1 0 9 1 5 m h z 频段上使用b p s k 调制的信道1 1 0 1 1 2 6 2 4 g h z 频段上使用o - q p s k 调制的信道1 1 2 6 10 8 6 8 m h z 频段上使用a s k 调制的信道0 1 1 0 9 1 5 m h z 频段上使用a s k 调制的信道1 1 0 1 1 2 6 保留 2o 8 6 8 m h z 频段上使用o - q p s k 调制的信道0 1 1 0 9 1 5 m h z 频段上使用o q p s k 调制的信道1 1 0 1 1 2 6 保留 3 3 1 保留 保留 f 8 6 8 3 七- o ，t 2 4 。9 0 6 + + 5 ( 2 七( k 一- 1 1 ) 1 ) ，, 七k - 1 1 , u 2 , 2 ，, 1 0 ，2 6 3 1 2物理层协议数据单元( p p d u ) 结构 p p d u 为实际无线将的发送数据，其帧结构如表3 3 所示，其中同步头( s h r ) 由硬件自动填充完成。 表3 - 3 物理层协议数据单元( p p d u ) 格式 八进制 l可变 l 前导码i 起始分隔符帧长度( 7 位) i 保留( 1 位) 物理层服务数据单元( p s d u ) l 同步头 物理层帧头物理层净荷 1 0 华东师范人学硕上学位论文 z i g b e 22 0 0 6 协议栈的研究与应用 同步头( s h r ) 中前导码( p r e a m b l e ) 不同物理层有不同，具体差异如表3 - 4 所列。收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片( c h i p ) 同步 和符号( s y m b 0 1 ) 同步【1 l 【2 1 。帧起始分隔符( s t a n o f - f r a m ed e l i m i t e r ，s f d ) 标识一 个物理帧的开始，其长度如表3 5 。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同 步，通过搜索s f d 字段的值才能同步到字节上。 表3 4 前导码长度 p h y 层长度时间间隔( u s ) 8 6 8 8 6 8 6 删zb p s k3 2 位( 二进制)3 2 个符码数 1 6 0 0 9 0 2 9 2 8 姗zb p s k3 2 位( 二进制)3 2 个符码数 8 0 8 6 8 8 6 8 6 i d t za s k 4 0 位( 二进制)2 个符码数 1 6 0 9 0 2 9 2 8 m h za s k 3 0 位( 二进制)6 个符码数 1 2 0 8 6 8 8 6 8 6 删zo - q p s k3 2 位( 二进制)8 个符码数 3 2 0 9 0 2 9 2 8 m h zo - o p s k3 2 位( 二进制)8 个符码数 1 2 8 2 4 0 0 2 4 8 3 5 v l t zo - q p s k3 2 位( 二进制)8 个符码数1 2 8 除了a s k 物理层外，其他物理层的前导码由二进制o 组成。 表3 5 起始分隔符长度 p h y 层长度 8 6 8 8 6 8 6 姗zb p s k 8 位( 二进制)、8 个符码数 9 0 2 9 2 8 删zb p s k8 位( 二进制)8 个符码数 8 6 8 8 6 8 6 m t l za s k z 0 倪【一皿市u j1 个符码数 9 0 2 9 2 8 m h za s k5 位( 二迸制) 1 个符码数 8 6 8 8 6 8 6 删z0 - o p s k 8 位( 二进制)2 个符码数 9 0 2 9 2 8 蛐zo - o p s k 8 位( 二进制) 2 个符码数 2 4 0 0 2 4 8 35 m h zo o p s k 8 仃( 二进制) 2 个符码数 s f d 除了a s k 物理层外都以0 x a 7 为值1 2 l 。 j 3 1 3物理层协议数据包调制方式 物理层根据不同频段上不同的调制有不同的数据包调变流程，在i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 标准中定义有四种不同的调变流程，具体流程如图3 1 所示。 来 2 4 5 0 m h zp h y 调变流程 华东师范大学硕士学位论文 z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 来p p d u 的 调制后的 瑚制巫 錾薯号 8 6 8 9 1 5m h z ( b p s k ) p h y 调变流程 来i 刍p p d u 中物 理帧头和 载的二进 p 8 6 8 9 1 5m h z ( a s k ) p h y 调变流程 来p p d u 的二调制后的 进制数据信号 调制后的 信号 8 6 8 9 1 5m h z ( o q p s k )p h y 调变流程 图3 1 四种p h y 调变流程 2 4 5 0 m h z 与8 6 8 9 1 5m h z ( o q p s k ) 两种p h y 调变流程相同，但其中符码至 片码转换时有区别。2 4 5 0 m h z q b 的符码转换时每个数据符码将映射为3 2 位片码进 行o q p s k 调制，而8 6 8 9 1 5m h z ( o q p s k ) 将把每个符码映射为1 6 位片码进行 o q p s k 调制。 3 1 4 物理层功能 i e e e8 0 2 1 5 4 定义的物理层主要功能1 1 】1 2 】有： i 、激活和休眠射频收发器，用于控制收发器的工作状态； 2 、当前信道的能量检测( e d ) ； 3 、接收包链路质量指示( l q l ) 分析； 4 、为具冲突避免的多路载波监听提供( c s m a c a ) 提供空闲信道评估 ( c c a ) ： 5 、信道频率选择： 6 、数据包传输与接收。 华东师范大学硕士学位论文z i g b e e2 0 0 6 协议栈的研究与应用 其中c c a 功能是通过网络中的信号强度来判断信道是否空闲，在进行c c a 检测时必须满足两个先决条件：接收器接收的无线信号，其e d 阀值至少必须大 于1 0 d b ；且c c a 检测信道的时间需花费8 个符码周期( s y m b o lp e r i o d ) 。c c a 提供了三种工作模式： 1 ) c c a 检测期间任何能量大于e 1 ) 阀值就判断信道忙碌； 2 ) 检