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ZigBee快速入门 主要内容 1 ZigBee是什么 2 ZigBee协议栈3 ZigBee网络4 应用规范 簇和端点5 ZigBee安全 1 ZigBee是什么 ZigBee和IEEE802 15 4是基于标准的协议 它们为无线传感器网络应用提供所需要的网络基础设施 802 15 4定义了物理层 PHY 和媒体访问控制 MAC 层 ZigBee定义了网络 NWK 层和应用层 APL 对于传感器网络应用 关键的设计要求围绕着电池寿命长 成本低 占地面积小和网状网络等问题 以支持在一个互操作多应用环境中大量设备之间的通信 1 1典型应用 ZigBee无线网状网络的冗余 自配置和自愈能力对许多应用来说是非常理想的 主要包括 能源管理和提高效率 提供更多的信息和控制能源使用 为用户提供更好的服务和更多的选择机会 更好地管理资源 帮助减少对环境的冲击 家居自动化 提供对照明 采暖 制冷 安全和家庭娱乐系统更灵活的管理 楼宇自动化 整合并集中管理照明 采暖 制冷和安全 工业自动化 扩大现有的生产和过程控制系统可靠性 ZigBee的互用性意味着这些应用可以一起工作 提供更大的好处 1 2ZigBee目标 ZigBee标准被开发以解决以下需求 低成本安全可靠和自愈灵活可扩展低功耗容易且不昂贵的部署使用全球无限制无线电频段智能化的网络建立和信息路由 1 3关于ZigBee联盟 ZigBee联盟是一个由285家公司一起工作的联合体 以实现基于一个开放的全球标准的 可靠的 具有成本效益 低功耗 无线网络的 检测和控制产品 其重点是以下方面 定义网络 安全及应用软件层提供互操作性和一致性测试规范全球性地促进ZigBee品牌以建立市场意识管理该技术的发展 1 ZigBee是什么 2 ZigBee协议栈3 ZigBee网络4 应用规范 簇和端点5 ZigBee安全 2 ZigBee协议栈 ZigBee位于IEEE802 15 4物理层 PHY 和媒体访问控制 MAC 层的上面 ZigBee协议栈 见下页图每一层为它的上层提供一套特定的服务 每一个服务实体通过一个服务访问点 SAP 为上层提供服务 2 1ZigBee IEEE802 15 4 2 1ZigBee ZigBee协议栈的顶层由应用框架 ZigBee设备对象ZDO和应用支持APS子层组成 应用框架AF为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间 为每个应用对象提供了键值对 KVP 服务和报文 MSG 服务两种服务供数据传输使用 提供了一个如何在ZigBee协议栈上建立一个规范 以帮助确保该规范可以产生一种前后一致的方式 的描述 它也规定了规范的一系列的标准数据类型 协助服务发现的描述符 传输数据的帧格式 和一个键值对结构以快速开发基于属性的简单规范 应用对象在一个端点上的软件 它控制ZigBee设备 一个单一的ZigBee节点可支持多达240个应用对象 每一个应用对象支持的端点编号为1 240 ZigBee设备对象ZDO可以看成是一种公共的应用 提供了一个公共的功能集 供用户自定义的应用对象调用APS子层的服务及NWK层的服务 相关提供的功能包括网络角色管理 绑定管理 安全管理等 负责初始化APS子层及网络层 定义一个设备在网络中的角色 协调器 路由器或终端设备 发起和 或回应绑定和发现请求 并在网络设备间建立一个安全关系 它也提供定义在ZigBee设备规范 用于ZigBee试运转 里的一套丰富的管理指令 ZigBee设备对象总是为端点0ZigBee设备对象管理面板使用ZigBee设备对象促进应用支持子层和网络层之间的联系 允许ZigBee设备对象处理为网络访问和安全的来自应用的请求 使用ZDP ZigBee设备规范 信息 应用支持 APS 子层负责提供一个数据服务给应用和ZigBee设备规范 它也提供一个管理服务以维护绑定链接和它自己绑定表的存储 数据服务负责设备间APDU传输 管理服务负责维护绑定表 实现绑定 设备发现等功能 安全服务提供者 SSP 为使用加密的层 网络层和应用支持子层 提供安全机制 通过ZDO来初始化和配置 网络层 NWK 通过在MAC层的调用行动来处理网络地址和路由 它的任务包括启动网络 协调器 分配网络地址 添加和删除网络设备 路由信息 请求安全和执行路由发现 处理NPDU 组网管理 网络建立 地址分配 节点入网 节点离网信息路由 路径发现 路径维护 信息单播 信息广播 2 2IEEE802 15 4 MAC 媒体访问控制层 MAC 负责为一个节点和它的直接近邻之间提供可靠通讯 帮助避免碰撞和提高效率 MAC层也负责组装和分解数据包和帧 处理MPDU 提供MAC层数据传输机制 CSMA CA 应答机制三种扫描机制 ED ACTIVE PASSIVE ORPHAN 关联与退出关联 ED 信道能量检测ACTIVE 检索周边双亲信息non beacon enabledPASSIVE 监听周边双亲信息beacon enabledORPHAN 孤儿重新检索原关联双亲CSMA CA 载波检测机制和随机退避规则 2 2IEEE802 15 4 PHY 物理层 PHY 提供接口给物理传输介质 物理层由两个层组成 它们运行在不同的频率范围 868MHz 915MHz 2 4GHz 主要功能 信道选择 信道能量检测 energydetect ED 空闲信道评估 clearchannelassessment CCA 无线信道收发数据 PHYProtocolDataUnit PPDU 接收包链路质量的检测 linkqualityindication LQI 1 ZigBee是什么 2 ZigBee协议栈3 ZigBee网络4 应用规范 簇和端点5 ZigBee安全 3 ZigBee网络3 1设备类型3 2网状网络拓扑结构3 3加入一个Zigbee网路3 4路由功能 3 1设备类型 ZigBee网络包含以下设备类型 协调器 ZC 该设备启动和控制网络 协调器存储关于网络的信息 包括作为认证中心和作为安全密钥的贮藏所 ZigBee网络内节点地址的分配 生成网络路由表 动态地与网络路由节点通讯 完成本无线监控系统的ZigBee无线网络协调 维护功能 转换通讯协议的网关作用 即把采集终端节点由路由节点传来的数据 ZigBee格式 转换后传输给上位监控软件 完成监控的数据采集功能 路由器 ZR 这些设备扩展网络覆盖面 在障碍周围动态路由 并且提供备份路由以防网络拥挤和设备失败 它们可以联系到协调器和其它路由器 并且支持子设备 完成网络路由功能 将由终端节点采集来的数据通过Mesh网络接力传输发送给网络协调器 终端设备 ZE 这些设备可以发送或接收一个信息 但是不能执行任何路由操作 它们必须被连接到协调器或者一个路由器 并且不支持子设备 主要作用 1将测量的现场信号变换成数字信号 保存在寄存器内 2终端节点将数据处理为ZigBee的数据包格式 通过ZigBee无线网络最终传到上位监控机 3终端节点由3部分构成 传感器 终端设备 电源 3 2网状网络拓扑结构 网状拓扑结构 也被称为点到点 是由互联的路由器和终端设备组成的一个网状结构 每个路由器通常至少通过两个路径来连接 并且可以为它的邻居转发信息 如右图所示 一个网状网络包含一个单一的协调器 以及多个路由器和终端设备 网状拓扑结构支持 多跳 通讯 这些数据通过跳跃从一个设备到另一个设备 使用最可靠的通讯联系和最符合成本效益的路径 直到到达它的目的地 这种多跳能力也帮助提供容错功能 如果一台设备失败或经历冲突 该网络可以使用剩下的设备重新路由它自己 3 3加入一个ZigBee网络 当网络中的设备允许一个新设备加入网络时 这两个设备就构成了父子关系 新加入的设备是子设备 而第一个设备是父设备 一个子设备可以通过下面两种方式加入网络 1 通过MAC层关联过程加入网络2 由先前指定的父设备直接加入网络 只有ZigBee协调器或ZigBee路由器能允许设备加入网络 而ZigBee终端设备则不能 3 3 1MAC层关联 1 初始化请求原语中ScanChannels参数指定要扫描的信道列表 Scanduration参数指定扫描每个信道花费的时间 2 NWK请求MAC层执行被动或主动扫描 3 在扫描过程中 每接收到一个有效负载长度非零的信标帧 扫描设备的MAC层就向NLME发送一个MLME BEACON NOTIFY indication指示原语 该指示原语中包含的信息由信标设备地址信息 是否允许关联以及信标有效负载等 扫描设备的NLME将检查信标有效负载中的协议ID字段 看它是否与自身的ZigBee协议标识匹配 如果不匹配 该信标就被忽略 如果匹配 扫描设备就把接收信标中的相关信息拷贝到近邻表中 4 扫描完成后向NLME发送MLME SCAN confirm原语后 NWK层就向其上层发送NLME NETWORK DISCOVERY confirm原语 把侦听到的每个网络的描述信息传递给应用层 每个网络描述信息包括ZigBee版本 协议栈配置文件 PANID 逻辑信道以及是否允许加入网络等 5 应用层就获知了设备邻近区域内存在网络的信息 选择适合的PAN进行关联6 从中选择一个网络加入 设备应用层就向NLME发送NLME JOIN request原语 原语中PANId参数设置为选定网络的PAN标识 RejoinNetwork参数设置为FALSE JoinAsRouter参数则根据加入网络的设备是否是路由设备来设置 7 一个尚未加入网络的设备NWK层收到NLME JOIN request原语后 将从近邻表中搜索合适的父设备 然后向MAC层发送关联原语 8 MAC通过证实原语反馈关联状态给NLME NWK层将重复尝试关联设备 直到成功加入到PAN或尝试了所有合适的父设备 9 失败中止加入网络的过程 设备得不到有效的逻辑地址 不能在网络中发送数据 成功返回一个16位的逻辑地址 子设备以后就可以使用该逻辑地址来通信 同时该子设备NWK层还要设置相应近邻表记录中的Relationship字段 指示该近邻设备是它的父设备 认证过程10 如果设备试图加入一个安全网络中成为路由器 那么它在发送信标之前需要等待父设备的认证 如果设备成功加入网络 APL向NWK发送NLME START ROUTER request原语 11 设备NWK层向MAC层发送MLME START request原语 设置超帧配置并在要求的时候开始发送信标帧 只有BeaconOrder参数不等于15时 路由器才发送信标帧 PANId LogicalChannel BeaconOrder和SuperframeOrder参数都应设置为其近邻表中父设备对应记录的值 PANCoordinator和CoorRealignment参数都应设为FALSE 12 NWK接收到MLME START confirm原语后 NWK也向上层发送一个同样状态的NLME START ROUTER confirm证实原语 13 APL收到NLME START ROUTER confirm 认证完成 ZigBee协调器或路由器通过MAC层关联把一个设备加入到网络的过程是由MAC层指示原语MLME ASSOCIATE indication来初始化的 收到该指示原语后 潜在父设备的NLME首先判断想加入的设备是否已经存在于网络中 即NLME搜索近邻表看是否有有匹配的64位扩展地址 1有获得对应的16位网络地址并向MAC层发送关联响应 2找不到分配一个唯一的16位地址 3地址空间用尽 NLME将中止设备加入网络原语中反映这一事实 如果潜在的父设备接受了新设备的入网请求 NLME将在近邻表中为新加入的子设备增加一条记录 记录设备信息 并向MAC层发送MLME ASSOCIATE response响应原语 指示关联成功 MLME ASSOCIATE response响应原语传输到子设备的状态通过MLME COMM STATUS indication指示原语反馈给网络层 如果响应命令传输到子设备不成功 即MLME COMM STATUS indication原语的状态不是SUCCESS 则NLME将中止设备加入网络的过程 如果响应命令传输成功 NLME将向上层发送NLME JOIN indication原语 告知一个新设备已经加入到网络中 父设备接收入网请求 3 3 2直接加入 父设备初始化直接加入过程 原语中DeviceAddress参数设为将被加入到网络的设备地址 NLME首先判断指定的设备是否已经存在于网络中 这是通过搜索近邻表判断是否有匹配的64位扩展地址来实现的 并根据结果向上层发送证实原语NLME DIRECT JOIN confirm 1 找到匹配地址 中止 Status参数为ALREADY PRESENT 2 找不到匹配的地址 分配地址失败 Status参数为TABLE FULL3 找不到匹配的地址 分配地址成功 近邻表中增加新纪录 Status参数为SUCCESS3 子设备通过孤立申明加入 重新加入网络 3 3 2直接加入 续 子设备通过孤立申明加入网络的过程是通过NLME JOIN request原语来启动的 原语中RejoinNewwork参数设为TRUE NLME向MAC层发送MLME SCAN request原语启动孤立扫描 扫描结果通过MLME SCAN confirm原语反馈给NLME 根据扫描结果 NLME将向上层发送证实原语NLME JOIN request成功 即设备找到其父设备 Status参数为SUCCESS失败 NLME将中止请求入网过程 Status参数为NO NETWORKS 3 3 2直接加入 续 设备的MAC层向上层发送MLME ORPHAN indication原语告知一个孤立设备的存在 协调器或路由器收到MLME ORPHAN indication原语后 首先判断孤立设备是否是它的子设备 是 NLME将获取该子设备的16位网络地址并通过孤立响应发送给MAC子层 不是 情况反映给MAC层 孤立响应时通过向MAC层发送MLME ORPHAN response原语来实现的 孤立响应命令向子设备传送的结果状态通过MLME COMM STATUS indication原语反馈给NLME 注 设备的近邻表 设备的近邻表包含了传输范围内每个设备的信息 近邻表中存储的信息有多种用途 但并不是每个ZigBee设备运行时都要求下面提到的全部字段