（电力系统及其自动化专业论文）zigbee在电力信息管理系统中的应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e t b e c o m i n gan e wa n dm o r ec o n c e m e ds u b j e c t t o i n f o r m a t i o np l a t f o r mt oa c h i e v ei n f o r m a t i o n a l t h a tc u s t o md e m a n d s a n dn e wd e m a n do fc u s t o m ，i ti s b u i l dag o o dc o r p o r a t i o nm a n a g e m e n t a n dr e f i n e dm a n a g e m e n ta n ds e r v i c e z i g b e e ，a san e wt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi ss i m p l e o f p r o t o c o l ，l o wc o s t ，l o wp o w e ra n de a s yo fb u i l d i n gn e t w o r k ，h a sw i d e nm a r k e t i n i n t e l l i g e n th o m em a c h i n e ，b u i l d i n g a u t o m a t i o na n di n d u s t r ym o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n ga r e a i n t h i sa r t i c l e ，i ti si n t r o d u c e dt h a tu s i n gz i g b e e t ob u i l dw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o np l a t f o r mo fc o n s u m e ra m m e t e ri nc o r p o r a t i o np o w e ri n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，i no r d e rt o r e a l i z et h es a m p l i n ga n dm o n i t o r i n ga m m e t e ro f s u b s t a t i o na n dc o n s u m e lu s et s z c c 2 4 3 0 ，ac o p yo fc c 2 4 3 0o ft i ，t ob u i l dr a d i a l a n dt r e en e t w o r k c c 2 4 3 0 ，s y s t e mo nc h i p ，w h i c hi sd e s i g n e df o re m b e dz i g b e e ，i sc h o s e nt oa p p l y i nt h ed e s i g no fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o np l a t f o r m c c 2 4 3 0m e e t sd e m a n do fl o w c o s ta n dp o w e rf o r2 4 gh zi s mb a s e do nz i g b e e i t sf u n c t i o n a lm o d u l ei n t e g r a t e s d s s sr a d i o w a v et r a n s c e i v e rc o r ec c 2 4 2 0a n de n h a n c e di n d u s t r i a ls t a n d a r d8 0 5 1 c o r e n e tl a y e ra n da p p l y i n gl a y e ro fz i g b e ep r o t o c o li si m p r o v e db yu s i n gp h y a n d m a c l a y e ro ft r a n s p l a n t i n gs i m p l i f i e dz i g b e ep r o t o c o ls t a c ko fm i s s i s s i p p ic o l l e g e t h ea d v a n t a g eo fs i m p l i f i e dp r o t o c o li st h a ti ti sd e s i g nf o rs t u d e n t s l e a r na n d r e s e a r c h i t sf u n c t i o ni se a s yt ol e a r n ，w h i c hh a sg o o de x p a n s i o n t h ep r o t o c o ls u p p o r t c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 0 ，d e s i g n e da c c o r d i n gt om i c r o c h i pz i g b e ep r o t o c o ls t a c k ，i so fh i g h r e l i a b l e k e yw o r d s ：z i g b e e ，d a t a t r a n s m i s s i o np l a t f o r m ，r a d i a ln e t w o r k ，t r e en e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：力错年j - 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 压嘶导师签名：多狻叱两由 ，。 签字日期：孝年r 月待e l 签字日期：_ 口口盼f 7 月侈同 第一章绪论 第一章绪论 在电力工业快速发展的同时，电力体制改革也逐步深入，而在这改革过程中 各级电力企业均面临着新的挑战。企业的工作重点己由原来的单一安全生产转变 为以经济效益为中心的全方位的综合发展。现阶段，电力信息化建设的重要性己 越来越深入人心，电力系统内的各家企业纷纷建设起了自己的具有各自特色的管 理信息系统。其中，远程抄表系统就是最典型的信息系统应用。 1 1 电力信息化管理的必要性与发展历史 电力信息化是指电子信息技术在电力工业应用中全过程的统称。该过程包括 生产过程自动化和管理信息化两部分。 首先，企业生产过程自动化，通过硬件进行在线生产信息采集，并对其进行 自动控制与处理，可以显著地提高生产效率，减少人为失误，并提高工作效率和 产品质量，典型应用如电力企业的调度自动化系统与远程自动抄表系统等。 其次是企业管理信息化，将在线信息采集系统中的数据进行分析和处理，并 实现共享信息查询，办公自动化，为领导的决策提供辅助功能等，随着企业的发 展与竞争的激化，谁能从积累的数据中获得最大的信息量，谁就能在瞬息万变的 市场上处于领先。 其中生产过程自动化是基础，只有准确的采集到现场数据并且及时发送到信 息管理中心才能使企业管理信息化得以实现。 从电力行业信息技术应用的过程来看，可分为三个阶段【lj ： 第一阶段是6 0 7 0 年代，电力工业的信息技术应用从生产过程自动化起步， 最早是应用在发电厂自动监n 监制和变电站自动监测监控方面。 第二阶段是8 0 9 0 年代的业务应用阶段，即电网调度自动化、电力负荷控制、 计算机辅助设计、仿真系统等应用开始广泛开展，其中某些应用达到了较高的水 平。 第三阶段是9 0 年代以后，即信息技术应用进一步发展到综合应用，由操作 层向管理层延伸，实现管理信息化，建立了各级企业的管理信息系统；同时其他 专项应用系统也进一步发展到更高的水平。 从以上的发展过程我们可以看出，高科技的信息技术，特别是像客户服务系 统及负荷监控、预测与管理系统等这样的新技术在电力企业的应用，将有效地促 第一章绪论 进企业对外服务和管理水平的提高，从而提高企业的经济效益，必定使更多的企 业积极投入到信息化建设中来，使得信息化整体水平得到提高。 1 2 电力信息管理中数据无线传输的方式 目前，各种无线传输技术林立，应用广泛。每个技术都有其立足的特点，或 基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些 单一应用的特别要求，各种短距离无线通信技术都在争取成为市场标准。 1 2 1g s m g p r s g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在 g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的 数据业务。 g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、 同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构。g p r s 允许用户在端到端分组转移 模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一 种高效、低成本的无线分组数据业务。 g s m 终端设备之间能够通过s m s 进行数据传输。利用该功能，将s m s 服 务功能加入到每一只表具终端中，即可以实现无线抄表。该方法技术成熟，利用 现有的g s m 网，不需要昂贵的系统设备，抄表不受距离和空间的限制。 由于单个模块成本较高，目前g s m g r p s 技术还不能用于民用用户，主要 用于对总表的抄收或用户室内表具以其它低成本的方式集中采集后，管理单位以 此方式与小区集中器间交换信息。 1 2 2 蓝牙技术 蓝牙技术【3 】由爱立信、东芝、i b m 和英特尔五家公司于1 9 9 8 年提出。主要 用来打破以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，2 0 0 0 年做到使移动电 话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需 连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。 蓝牙技术是实现话音和数据无线传输的开放性规范，是l 种低成本、短距 离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信技术，它具有以下特点： ( 1 ) 蓝牙系统使用2 4 g h zi s m 频段，无需申请频率许可证。 ( 2 ) 采用跳频扩谱技术抗干扰和哀落，并采用快跳频( 跳频速率达l6 0 0 跳秒) 、 短分组及快速等方法进一步抗几扰和哀落，提高传输的可靠性。 2 第一章绪论 ( 3 ) 低功率、短距离。蓝牙额定输出功率o d b m ，传输距离1 0 c m l o m ，增 大功率可达1 0 0 m 。 ( 4 ) 信息分组传输，同时支持话音和数据。 ( 5 ) 采用t d d 全双工方式，基带协议采用电路交换和分组交换混合方式，组 网方便灵活。 ( 6 ) 采用f m 调制方式，降低设备的复杂性和成本。 ( 7 ) 采用i 3 f e c 、2 3 f e c 和a r q 等纠错方式改善误码性能。从物理层、 链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好。 ( 8 ) 支持点到点及点到多点连接。 蓝牙技术具有强大数据通讯优势，用于抄表领域在技术上是完全可行的。目 前市场上早己有蓝牙技术的抄表模块。但由于蓝牙技术主要针对的是数据交换及 语音信号传输，同其它专有的抄表技术相比，有协议过于复杂、芯片成本较高的 缺点 1 2 3z i g b e e 技术 z i g b e e 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 双向无线通信技术，支持地理定位功能。主要用于近距离无线连接，通过它的接 力式传递信息的方式可以实现远距离数据传送。 z i g b e e 是一个可多到6 5 5 3 6 个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十 分类似现有的移动通信的c d m a 网或g s m 网，每一个z i g b e e 网络数传模块类 似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个 网络节点间的距离可以从标准的7 5 米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外 整个z i g b e e 网络还可以与现有的其它的各种网络连接。z i g b e e 的安全层可以保 证这种便携设备不会意外泄漏其标识，且这种利用网络的远距离传输不会被其它 节点获得。 z i g b e e 技术的主要特点包括以下几个部分： ( 1 ) 数据传输速率低只有l o k b p s - - 2 5 0 k b p s ，专注于低传输应用。 ( 2 ) 功耗低，在低耗待机模式下，电流可低至l 衅。 ( 3 ) 成本低，因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 ( 4 ) 网络容量大，每个z i g b e e 网络最多可容纳6 5 5 3 6 个设备。 ( 5 ) 有效范围小，有效覆盖范围1 0 7 5 m 之间，具体依据实际发射功率的大 小和各种不同的应用模式而定。 ( 6 ) 工作频段灵活使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 15 m h z ( 美 国) ，均为免执照频段。 3 第一章绪论 z i g b e e 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备 之间。 1 2 4 几种无线通信标准的性能比较 考虑到电力系统信息管理无线网络数据流量小、对适时性要求不高的特征， 选用任何无线通信技术必须考虑以下几点： 低成本，户用计量仪表是低成本的，因此这些用来联网的元件也必须是低成 本的。低功耗，内置锂离子电池或镍镉电池正常使用时间，不低于六年。性能可 靠，无须大量维护，这些应用可以在无人照料的情况下运转。伸缩性能好，需要 联网几百至几千个设备。 表1 1 几种主要无线通信技术性能的比较 z i g b e e b i u e t o o t hg p r s ，g s m 应用范围监视与控制 短距离有线的代替 w a n 声音与数据 系统资源 4 k b 3 2 k b 2 5 0 k b 1 6 m b 网络节点数2 5 5 6 5 0 0 071 0 0 0 带宽( k b p s ) 2 0 2 51 0 0 06 4 - 1 2 8 通信距离ml - 7 5l - 1 01 0 0 0 优点可靠、低成本、低功耗低成本、易操作传输质量好、分布地域广 通过表1 1 中对几种主要无线通信技术的比较，可以得出： z i g b e e 是目前最适合用于现代化的电力市场信息管理系统中的短距离无线 通信技术。因此本文在现场数据采集模块中采用z i g b e e 技术实现采集终端之间 近距离的通信，而在网关和远方信息管理中心采用g p r s 通信技术。 1 3 本文的主要工作 由以上分析可知，现代电力系统管理信息化的实现与否在于现场数据采集系 统能否准确地采集到现场数据并且通过无线传输网络及时传送到信息管理中心， 因此本文的目标就在于建立一个低成本、低功耗、高速率的数据采集系统，以实 现管理的信息化。 本文的主要工作有两个：一是利用z i g b e e 无线通信技术完成无线数据传输 平台的硬件设计，二是对z i g b e e 网络进行星型网络和簇树型网络的组建方案的 设计和实现。 4 第二章z i g b e e 协议 第二章z i g b e e 协议 z i g b e e 协议栈采用分层结构。每一层都为其上一层提供一套明确的服务： 数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供其他所有的服务。每个服务卖体都 通过服务接入点为上层提供一个接口，每个服务接入点都支持一定数量的服务原 语来实现所需功能。 2 1z i g b e e 协议栈构架 z i g b e e 协议栈框架【4 】【5 】【l l 】【1 2 】是在标准的开放式系统互i i 关( o p e ns y s t e m s i n t e r c o n n e c t i o n o s i ) 七层参考模型的基础上，根据市场和应用的实际需要定义的， 如图2 1 所示。 图2 - 1z i g b e e 协议栈框架 第二章z i g b e e 协议 i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了两个底层协议：物理层( p h y s i c a ll a y e r p h y ) 和媒体 接入控制子层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b l a y e r m a c ) 。在此基础上，z i g b e e 联盟 定义了网络层( n e t w o r kl a y e r n w k ) 和应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r a p l ) 架构。应用 层包含应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r a p s ) 、应用架构( a p p l i c a t i o n f r a m e w o r k a f ) 、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 s z d o ) 和厂商定义的应 用对象。 2 2 物理层 i e e e8 0 2 1 5 4 定义的物理层参考模型如图2 2 所示。通过射频固件和射频硬 件，物理层定义了m a c 子层和物理信道间的接口，并提供两种服务：物理层数 据服务和物理层管理服务。物理层数据服务实现了物理层协议数据单元( p h y p r o t o c o ld a t au n i t p p d u ) 在物理信道上的发送和接收。在概念上，物理层含有一 个管理实体，叫做物理层管理实体( p h yl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y p l m e ) 。这个 实体提供了物理层管理功能得以执行的一些接口，同时，还负责维护物理层的个 域网信息库( p a ni n f o r m a t i o nb a s e p i b ) 。 图2 - 2 物理层参考模型 物理层的两种服务分别通过两个接入点来实现：物理层数据服务接入点 ( p h yd a t as a e d s a p ) 和物理层管理实体服务接入点( p l m e s a p ) 。p d s a p 实 现了通信双方m a c 子层实体间媒体接入控制协议数据单元( m a cp r o t o c o ld a t a u n i t m p d u ) 的传输。p l m e s a p 则实现了媒体接入控制子层管理实体( m a c l a y e rm a n a g e m e n te n t i t ) ，m l m e ) 和p l m e 间管理命令的传输。 根据i e e e8 0 2 1 5 4 定义，物理层主要实现如下功能： ( 1 ) 激活和关闭射频收发器； ( 2 ) 当前信道能量检狈l j ( e n e r g yd e t e c te d ) ； 6 第二章z i g b e e 协议 ( 3 ) 为接收数据包提供链路质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o nl q i ) ； ( 4 ) 为载波侦听多路访问免冲撞机$ 1 j ( c a r r i e rs e n s o rm u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o na v o i d a n c ec s m a c a ) 和提供空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t c c a ) ； ( 5 ) 选择工作信道； ( 6 ) 发送和接收数据。 信道能量检测为网络层的信道选择算法提供依据，其取值范围0 x 0 0 0 x f f 。 它是信道中接收信号功率强度的一个评估，并没有对信号进行鉴别和解码的能 力。 链路质量指示的测量为接收数据包提供了其信号强度和质量信息，取值范围 也是0 x 0 0 0 x f f 。当进行信道能量检测或信噪比评估时，这一测量也会被执行， 其测量结果会交给m a c 子层。 i e e e 8 0 2 1 5 4 规定了三种空闲信道评估的方法：第一种，以信道能量检测为 依据，在设定了信道能量检测门限值的基础上，将当前检测值与门限值进行比较， 若检测值高于门限值，则认为信道处于被占用状态；第二种，载波侦听，只要侦 听到信道上有符合i e e e8 0 2 15 4 的信号在传输就认为信道处于被占用状态。第 三种则是前两种方法的综合。 2 2 1 工作频段和数据速率 如表2 1 所示。8 0 2 1 5 4 总共定义了3 个工作频带：2 4 g h z ，9 1 5 m h z 和 8 6 8 m h z 。每个频带提供固定的信道数量。2 4 g h z 提供了1 6 个信道( 信道l l 到 2 6 ) ，9 1 5 m h z 频带提供了1 0 个信道( 信道l 到1 0 ) ，8 6 8 m h z 频带提供了一个信 道( 信道o ) 【6 1 【7 】f 8 】【9 】【1 0 1 。 表2 1 工作频段和数据速率 信道扩频参数传输数据参数 物理层频段 数 码片率调制方式比特率符号 8 6 8 m h z8 6 8 8 6 8 6l 3 0 0 k c h i p s二相的相移键控调制( b p s k ) 2 0二进制 9 1 5 m h z 9 0 2 9 2 8 l o 6 0 0 k e h i p s b p s k4 0二进制 2 4 g h z 2 4 0 0 - 2 4 8 3 51 6 2 0 0 0 k c h i p l s 偏移四相移相监控键控( o q p s k ) 2 5 01 6 迸制 其中2 4 g h z 的频带的物理层采用高阶调制技术，能够提供最大2 5 0 k b s 的 传输速率，相对于其它频带来说，它有着更高的吞吐量，更小的工作时延和更短 的工作周期，功耗也是最小。 7 第二章z i g b e e 协议 9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，这两个频段的引入 避免了2 4 g 附近各种无线通讯设备的相互干扰，8 6 8 m h z 的传输速率是2 0 k b s ， 9 1 5 m h z 的传输速率是4 0 k b s ，由于这两个频段上无线信号的传播损耗较小，因 此可以降低接收机灵敏度的要求，获得较远的通讯距离，因而可以用较少的设备 覆盖指定的区圳引。 2 4 g h z 波段为全球统一的无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推广 和生产成本的降低。 2 2 2 物理层帧( p p d u ) 格式 所有的工作频段都是用的相同p p d u 格式，p p d u 报文数据由用于数据流同 步的同步头( s h r ) ，含有帧长度信息的物理层报头( p h r ) ，以及承载有m a c 帧数 据的净荷组成。具体结构如表2 2 。 表2 2p p d u 帧格式 4 字节l 字节l 字节可变 前同步码帧定界符帧长度保留物理层数据 p r e a m b l e ( s f d )( t b i t ) ( 1 b i t )( p s d u ) 同步头( s h r )物理层报头( p h r )物理层净荷( p h yp a y l o a d ) 同步头( s h r ) 的第一个字段是四个字节的前同步码，收发器在接收前同步码 期间，会根据前同步码的特征完成片同步和符号同步。帧界定符来标识同步域的 结束以及报文数据的开始，其值固定为0 x a 7 ，下一个字节的低7 位来表示该帧 的帧长度，该值得大小就是该帧除了帧头和帧尾实际能够传输的物理层负载的长 度，保留位之后就是物理层的实际负载( p s d u ) 。 2 2 3 调制及扩频 图2 3 描述了2 4 g 物理层调制及扩频功能模块。 2 4 g 物理层将数据( p p d u ) 每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号 ( s y m b 0 1 ) ，每种数据符号又被映射成3 2 位伪随机噪声数据码片( c h i p ) 。数据码片 序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术( o q p s k ) 调制。对偶数序列 码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制。 8 第二章z i g b e e 协议 删二进 u 数据 二进制数据符号 偏移四相移 d 数黯片 相键控调制 数据符号 口q p s k 图2 32 4 g 物理层调制及扩频功能模块 2 3 媒介接入控制层( m a c 层) 2 3 1m a c 层概述 图2 4 给出了i e e e8 0 2 1 5 4 定义的m a c 子层参考模型。m a c 子层定义了 特定服务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r s s c s ) 和物理层之间的 接口，同样提供两种服务：m a c 子层数据服务和m a c 子层管理服务。m a c 层 数据服务实现了媒体接入控制协议数据单元( m a cp r o t o c o ld a t au n i t ，m p d u ) 在物理层数据服务上的发送和接收。m a c 子层同样在概念上包含一个管理实体， 叫做m l m e 。这个实体提供了m a c 子层管理功能得以执行的一些接口，同时， 还负责维护m a c 子层的i b 。 图2 - 4 m a c 子层参考模型 m a c 子层的两种服务也分别通过两个接入点实现：媒体接入控制公共部分 子层数据服务接入点( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e rd a t as a p m c p s - s a p ) 和媒体 接入控制子层管理实体服务接入点( m l m e s a p ) 。m c p s s a p 实现了通信双方 s s c s 实体间特定服务汇聚子层协议数据单元( s s c sp r o t o c o ld a t au n i t s p d u ) 的 传输。m l m e s a p 则实现了m l m e 与上一层间的管理命令的传输。 根据i e e e8 0 2 1 5 4 标准，m a c 子层具有如下功能： ( 1 ) 让协调器产生网络信标； 9 第二章z i g b e e 协议 ( 2 ) 与信标同步； ( 3 ) 支持晔州网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和解除关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作； ( 4 ) 支持设备安全机制； ( 5 ) 使用c s m a c a 机制共享物理信道； ( 6 ) 处理和维持保证时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制； ( 7 ) 为两个对等的m a c 实体提供可靠的链路。 关联操作是设备加入z i g b e e 网络的途径之一。在这一过程中，设备从协调 器或路由器处获取网络基本参数和网内1 6 位短地址。而当设备离开网络或进行 网络切换时，就执行解除关联操作。 2 3 2m a c 层帧结构 每个m a c 层的帧都由帧头、帧尾和负载三部分组成。帧头由帧控制信息、 帧序列号和地址信息组成。m a c 层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。 帧尾是帧头和负载数据的1 6 位c r c 校验序列。如表2 3 所示 表2 - 3m a c 层通用帧格式 m a c 帧头m a c 载荷帧尾 帧控制帧序 地址域 帧数据 c r c 目标设备目标源设备 域列号 源地址 单元校验码 p a n 标识符地址p a n 标识符 2 字节lo 20 2 8o 2o 2 8可变2 在m a c 层中，节点地址有两种格式：1 6 位( 两个字节) 的短地址和6 4 位( 8 个字节) 的扩展地址。1 6 位短地址是节点与网络协调者关联时，由协调者分配的 网内局部地址；6 4 位扩展地址是全球唯一地址，在节点进入网络之前就分配好 了。1 6 位短地址只能保证在一个局部网络内部是惟一的，所以在使用1 6 位短地 址通信时需要结合16 位的网络标识符才有意义。两种地址类型的地址信息的长 度是不同的，从而导致m a c 帧头的长度也是可变的。一个数据帧使用哪种地址 类型由帧控制字段的内容指示。在帧结构中没有表示帧长度的字段，这是因为在 物理层的帧里面有表示m a c 帧长度的字段，m a c 负载长度可以通过物理层帧 长和m a c 帧头的长度计算出来。 i e e e8 0 2 1 5 4 网络共定义了四种类型的帧：信标帧、数据帧、确认帧和m a c 命令帧。 ( 1 ) 信标帧 信标帧的负载数据单元由部分组成：超帧描述字段、g t s 分配字段、待转 1 0 第二章z i g b e e 协议 发数据目标地址字段和信标帧负载数据。如表2 - 4 所示 表2 4m a c 层信标帧格式 帧头m h r m a c 载荷m s d u帧尾m f r 帧控制帧序 地址域 超帧描g t s 分未处理地信标帧载c r c 校验 域列号述域配域址描述域荷码 2 l o 4 l o 2 可变可变可变2 超帧描述字段：它规定了这个超帧的持续时间，活跃部分持续时间以及竞争 访问时段持续时间等信息。 g t s 分配字段：将无竞争时段划分为若干个g t s ，并把每个g t s 具体分配 给了某个节点。 待转发数据目标地址字段：列出了与协调者保存的数据相对应的节点地址。 一个节点如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则意味着 协调者存有属于它的数据，所以它就会向协调者发出请求传送数据的m a c 命令 帧信标帧负载数据，上层协议提供数据传输接口。通常情况下，这个字段可以忽 略。在信标不使能网络里，协调者在其他节点的请求下也会发送信标帧。此时信 标帧的功能是辅助协调者向节点传输数据，整个帧只有待转发数据目标地址字段 有意义。 ( 2 ) 数据帧 数据帧用来传输上层发到m a c 层的数据，它的负载字段包含了上层需要传 送的数据。数据负载传送至m a c 层时，被称为m a c 服务数据单元。它的首尾 被分别附加了m h r 头信息和m f r 尾信息后，就构成了m a c 帧。如表2 5 所示。 表2 5m a c 层数据帧格式 帧头m h rm a c 载荷m s d u帧尾m f r 帧控制域帧序列号地址域数据帧载荷c r c 校验码 2l0 4 l o 可变 2 m a c 帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载p s d u 。p s d u 在物理层 被“包装”，其首部增加了同步信息s h r 和帧长度字段p h r 字段。同步信息s h r 包括用于同步的前导码和s f d 字段，它们都是固定值。帧长度字段的p h r 标识 了m a c 帧的长度，为一个字节长而且只有其中的低7 位有效位，所以m a c 帧 的长度不会超过1 2 7 个字节。 ( 3 ) 确认帧 如果节点收到目的地址为其自身的数据帧或m a c 命令帧，并且帧的控制信 第二章z i g b e e 协议 息字段的确认请求位被置l ，节点需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与 被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧紧接着被确认帧发送， 不需要使用c s m a c a 机制竞争信道。如表2 - 6 所示。 表2 - 6m a c 层确认帧格式 帧头m h r帧尾m f r 帧控制域帧序列号c r c 校验码 2l2 ( 4 ) 命令帧 m a c 命令帧用于组建p a n 网络，传输同步数据等。目前定义好的命令帧主 要完成三方面的功能：把节点关联到p a n 网络、与协调者交换数据、分配g t s 。 命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有 所不同。帧头的帧控制字段的帧类型为0 1 1 b ( b 表示二进制数据) 表示这是一 个命令帧。命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构， 所有命令帧负载的第一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型 有不同的含义。如表2 7 所示。 表2 7m a c 层命令帧格式 帧头m h rm a c 载荷m s d u帧尾m f r 帧控制域 帧序列号 地址域 命令类型l 命令帧载荷c r c 校验码 2l0 4 l o1 i可变 2 2 4 网络层 1 、网络层结构及功能 图2 5 是z i g b e e 协议提供的网络层参考模型。网络层为i e e e8 0 2 ，1 5 ，4m a c 子层的正确操作提供保障，同时也为z i g b e e 协议应用层提供合适的服务接口。 网络层提供了两个概念上的实体来作为应用层的接口：网络层数据实体( n w k l a y e rd a t ae n t i t y n l d e ) 和网络层管理实体( n w kl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y n l m e ) 。n l d e 通过其服务接入点，即n l d e s a p ，提供数据传输服务。n l m e 则通过其服务接入点，即n l m e s a p ，提供管理服务。这两个实体间还存在一 个隐藏的接口，使n l m e 能使用n l d e 的数据传输服务来实现它的一些管理任 务。此外，n l m e 还负责维护网络信息库( n e t w o r ki n f o r m a t i o nb a s e n i b ) 。 1 2 第二章z i g b e e 协议 图2 5 网络层参考模型 z i g b e e 协议网络层通过必要的机制实现如下功能： ( 1 ) 加入和离开网络 ( 2 ) 对帧信息采取安全机制 ( 3 ) 路由帧信息到它们的目标地址 ( 4 ) 发现和维护设备间的路由 ( 5 ) 发现单跳邻居 ( 6 ) 存储相关的邻居信息 此外，z i g b e e 协调器的网络层还必须具有发起一个新的z i g b e e 网络和为新 加入的设备分配1 6 位短地址的功能。表2 8 为网络层通用帧格式 n w k 帧头n w k 载荷 路由域 帧控制域帧数据单元 目的地址源地址广播半径域广播序列号 2220 10 1 可变 2 、网络层数据实体 n l d e 需要提供一种服务来允许应用程序在两个或多个设备间传输应用协 议数据单元，这些设备必须属于同一个网络。 n l d e 提供如下服务： ( 1 ) 生成网络层协议数据单元( n w kl a y e rp r o t o c o ld a t au n i t n p d u ) ： n l d e 必须有能力在应用支持子层协议数据单元( a p sp r o t o c o ld a t au n i t a p d u ) 的基础上，添加适当协议头来生成n p d u 。 ( 2 ) 拓扑结构的特定路由 第二章z i g b e e 协议 n l d e 必须有能力将n p d u 传送给一个合适的设备，该设备是通信的最终 目标设备或者是通向最终目标设备的通信链上的下一个节点。 ( 3 ) 安全 有能力保证传输的真实性和保密性。 3 、网络层管理实体 n l m e 负责提供允许应用程序与协议栈互相作用的管理服务，具体如下： ( 1 ) 配置一个新的设备 有能力根据所要求的操作有效配置协议栈。配置选项包括成为z i g b e e 协调 器的操作和加入现存网络的操作。 ( 2 ) 启动网络 具有建立新网络的能力。 ( 3 ) 加入和离开网络 具有加入或离开网络的能力，以及在作为z i g b e e 协调器或路由器时要求设 备离开网络的能力。 ( 4 ) 地址分配 使z i g b e e 协调器和路由器具有为加入网络的设备分配地址的能力。 ( 5 ) 邻居发现 具有发现、记录和报告设备单跳邻居信息的能力。 ( 6 ) 路由发现 具有发现和记录信息传输有效路径的能力。 ( 7 ) 接收控制 使设备具有激活接收器及其工作时间长度的能力和使能m a c 子层同步和直 接接收的能力。 2 5 应用层 根据图2 一lz i g b e e 协议栈框架，应用层由四部分组成：应用支持子层( a p s ) 、 应用架构( a f ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和厂商定义的应用对象。 l 、应用支持子层结构及功能 应用支持子层的参考模型如图2 - 6 所示。 应用支持子层通过一系列常规服务提供了网络层和应用层之间的接口。这些 服务是通过应用支持子层数据实体( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e rd a t ae n t i t y a p s d e ) 和应用支持子层管理实体( a p p l i c a t i o n s u p p o r ts u b l a y e rm a n a g e m e n t e n t i t y a p s m e ) 来提供的，它们同时也被z i g b e e 设备对象和生产商定义的应用对 1 4 第二章z i g b e e 协议 象使用。 a p s d e 通过其服务接入点，即a p s d e s a p ，提供数据传输服务。这一服务 实现了两个或多个网内设备间应用层协议数据单元的传输，包括群寻址信息的过 滤。a p s d e 同时也支持对超长数据包的拆分和重组，从而实现可靠的数据传输。 a p s m e 也通过其服务接入点，即a p s m e s a p ，来提供安全、设备绑定、建立 和移除群地址等服务，同时负责维护应用支持子层信息库( a p p l i c a t i o ns u p p o r t s u b l a y e ri n f o r m a t i o nb a s ea i b ) 。a i b 支持6 4 位i e e e 地址与网络层1 6 位地址间 映射。 图2 - 6 应用支持子层的参考模型 应用支持子层的功能如下： ( 1 ) 维护绑定表，绑定是指根据服务需求将两个设备匹配工作的能力； ( 2 ) 在绑定设备间传送信息； ( 3 ) 群地址定义，移除和过滤群寻址信息； ( 4 ) 6 4 位s e e 地址与网络层1 6 位地址间的映射； ( 5 ) 拆分、重组数据包，确保可靠的数据传输。 表2 - 9 为应用支持子层通用帧格式。 a p s 帧头 a p s 载荷 地址域帧数据 帧控制域 目的端点群集标识符配置标识符源端点单元 lo l0 lo 2o l 可变 2 、应用架构 z i g b e e 应用架构是z i g b e e 设备应用对象的工作环境。在应用架构内，应用 第二章z i g b e e 协议 对象间通过a p s d e s a p 发送和接收数据。应用对象通过z i g b e e 设备对象公共 接口来实现如下功能： ( 1 ) 控制和管理z i g b e e 设备的协议层； ( 2 ) 初始化标准的网络功能。 由a p s d e s a p 提供的数据服务包括用于数据传输的请求、确认、响应和指 示原语。请求原语支持在对等应用对象实体间的数据传输。确认原语报告请求原 语所产生的结果。指示原语则用于指示从应用支持子层到目标应用对象实体的数 据传输。 在一个z i g b e e 设备中最多可以定义2 4 0 个不同的应用对象，它们分别对应 终端1 终端2 4 0 。此外，为了便于a p s d e s a p 使用，还定义了两个终端：终端 0 ，作为与z i g b e e 设备对象间的数据接口；终端2 5 5 ，作为对所有应用对象的数 据广播接口。终端2 4 1 2 5 4 则是预留给将来使用的。 3 、z i g b e e 设备对象 z i g b e e 设备对象代表了一个基础功能类。这一功能类提供了应用对象、设 备描述和应用支持子层间的接口。z i g b e e 设备对象处在应用架构和应用支持子 层之间，为应用架构内的应用对象提供了公共接口，这一公共接口在z i g b e e 协 议栈应用架构内提供了设备地址管理、发现、绑定和安全等功能。在终端0 上， z i g b e e 设备对象是z i g b e e 协议栈低层部分的接口，通过a p s d e s a p 和 a p s m e s a p 实现数据和控制信息的传输。 z i g b e e 设备对象的主要功能如下： ( 1 ) 初始化应用支持子层，网络层和安全服务提供者； ( 2 ) 从终端应用收集各种配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理， 和绑定管理： ( 3 ) 定义设备在网内的角色( 如z i g b e e 协调器、路由或终端设备) ； ( 4 ) 在网内发现设备并确定其提供的应用服务种类； ( 5 ) 初始化或响应绑定请求； ( 6 ) 在网内设