ZigBee协议栈的分析与设计.pdf

厦门大学 硕士学位论文 ZigBee协议栈的分析与设计 姓名 闫沫 申请学位级别 硕士 专业 电路与系统 指导教师 卢贵主 周剑扬 20070501 厦门大学硕上学位论文 摘要 Z i g B e e 技术是一种新兴的短距离无线传感器网络标准 它专注于家庭居住 控制 商业建筑自动化和工厂车间管理三大无线传感器网络市场领域 Z i g B e e 技术标准由Z i g B e e 联盟开发 这是一个由半导体厂商 技术供应商和原始设备 制造商加盟的组织 Z i g B e e 技术标准基于I E E E8 0 2 1 5 4 低速率无线个人局域网 支持介质访问控制层和物理层标准 并在此之上包含网络层 安全层和应用层 由于Z i g B e e 技术具有低功耗 低延迟 较长电池寿命等特点 它在低速率 无线传感器网络中扮演着非常重要的角色 2 0 0 6 年 Z i g B e e 工业市场值达到上 亿 其市场前景十分广阔 目前 国外很多大公司纷纷向用户推出Z i g B e e 应用 解决方案 Z i g B e e 协议栈是进行用户应用开发的核心软件 对其进行分析与设计具有 重要的科研意义和工程参考价值 本文在详细分析了I E E E8 0 2 1 5 4 Z i g B e e 协议 标准的基础上 首先介绍了协议栈软件设计的总体架构 然后分章节介绍协议栈 网络层 介质访问控制层和物理层的设计 本文在设计中采用了C h i p c o n 公司提供的C C 2 4 3 0 D B 开发板和I A R 公司的 I A RE m b e d d e dW o r k b e n c hf o rM C S 5 1 软件作为开发环境 关键字 Z i g B e e I E E E8 0 2 1 5 4 协议栈 厦门大学硕士学位论文 A b s t r a c t Z i g B e ei san e ws h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sn e t w o r ks t a n d a r df o rs e n s o rn e t w o r k I t a d d r e s s e sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sr e q u i r e df o rt h r e et a r g e t e dm a r k e ta r e a s r e s i d e n t i a lh o m ec o n t r o l c o m m e r c i a lb u i l d i n gc o n t r o l a n di n d u s t r i a l p l a n t m a n a g e m e n t Z i g B e ei sd e v e l o p e db yt h eZ i g B e eA l l i a n c e I ti s a l lo r g a n i z a t i o no f s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r e r s t e c h n o l o g yp r o v i d e r s a n dO E M S Z i g B e ei sas t a n d a r d b a s e dO i lI E E E8 0 2 1 5 4l o wd a t ar 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 W P A N s t a n d a r d I ts u p p o r t sP H Ya n dM A C l a y e r s Z i g B e ei n c o r p o r a t e st h en e t w o r k s e c u r i t y a n d a p p l i c a t i o nl a y e r st h a tr e s i d eo nt o po fI E E E8 0 2 15 4s t a n d a r d B e c a u s eo ft h ef e a t u r e si n c l u d e l o we n e r g yc o n s u m p t i o n l o wl a t e n c y a n dl o n g b a t t e r yl i v e s Z i g B e ep l a y sas i g n i f i c a n tr o l ea m o n gl o wd a t ar a t eW P A N s I n2 0 0 6 t h eZ i g B e ei n d u s t r ym a r k e tv a l u eC a l lr e a c hh u n d r e do fm i l l i o n s I th a sav a s tr a n g e m a r k e t s N o w m a n yf o r e i g nc o r p o r a t i o n sp r o v i d et h ec o n s u m e r sw i t hal o to f s o l u t i o n sf o ru s e r s a p p l i c a t i o n s Z i g B e ep r o t o c o ls t a c ki s c o r es o f t w a r ef o rU S e ra p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t s A n a l y s i sa n dd e s i g ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g T h i st h e s i s a n a l y z e st h eI E E E8 0 2 15 4p r o t o c o la n dZ i g B e es p e c i f i c a t i o ni nd e t a i l F i r s t i t i n t r o d u c e s t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es o f t w a r es t a c k T h e n i td e s c r i b e st h ed e s i g nO i l n e t w o r k M A C a n dP H Yl a y e r s T h i sd e s i g nU S eC C 2 4 3 0 D Be v a l u a t i o nb o a r da n dI A RE m b e d d e dW o r k b e n c hf o r M C S 一51 T h e ya r ep r o v i d e db yC h i p c o na n dI A R C o r p o r a t i o ns e p a r a t e l y K e y w o r d s Z i g B e e I E E E8 0 2 15 4 P r o t o c o lS t a c k l I 厦门艄位论文原创性声明 兹呈交的学位论文 是本人在导师指导下独立完成的研究成果 本人在论文 写作中参考的其他个人或集体的研究成果 均在文中以明确方式标明 本人依法 享有和承担由此论文产生的权利和责任 声明人 签名 7 I 1 匐弓零 们1 年f 月砸 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留 使用学位论文的规定 厦门大学有权保留 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版 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 本学位论文属于 1 保密 在年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应括号内打 4 7 作者签名 1 自了办 日期 7 7 年 导师签名 月纠物日期 叩年 月订日 月万日 Z i g B e e 协议栈的分析与设计第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的 涉及多学科高度交叉 知识高 度集成的前沿热点研究领域 l 它综合了传感器技术 嵌入式计算技术 分布式 信息处理技术和网络通信技术 是信息技术中的一个新的领域 被认为是对2 l 世纪产生巨大影响力的技术之一 2 1 美国M I T 技术评论 杂志评选出对人类未 来生活产生深远影响的十大新兴技术中 传感器网络被列为第 3 1 商业周刊 预测的未来四大新技术中 无线传感器网络也被列入其中 由于传感器网络的巨大应用价值 它已经引起了世界许多国家的军事部门 工业界和学术界的极大关注 4 在美国自然科学基金委员会 N S F 的推动下 美国加州大学伯克利分校 加州大学洛杉矶分校 麻省理工学院 康奈尔大学等 学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究 5 1 国际上传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期 6 2 0 0 0 年以后 无线 传感器网络技术的研究开始进入蓬勃发展的时期 随着硬件体系结构的逐步稳 定 无线传感器实用节点的硬件开发逐渐从研究所和大学转向了公N t 7 1 国内有 关无线传感器的研究才刚刚起步i s l 但是国家和研究机构投入的力度很大 很多 研究所和大学都做出了相当大的贡献 本文主要研究一种具有近距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的 无线传感器网络新技术 z i g a e e 并给出Z i g B e e 协议栈的设计方法 1 2Z i g B e e 技术 1 2 1Z i g B e e 技术的发展 Z i g B e e 技术是继B l u e t o o t h 之后 新兴的短距离 低功耗 低成本和低复杂 度的应用于家庭 建筑自动化 消费类电子 工业控制和医疗传感器等应用的无 线传感器网络新技术f 9 Z i g a e e i 百 j N 自蜜蜂群在发现花粉位置时 通过跳z i g z a g 形舞蹈来告知同伴 达到交换信息的目的 可以说是一种小的动物通过简捷的方 式实现 无线 的沟通 人们借此称呼一种专注于低功耗 低成本 低复杂度 低 速率的近程无线网络通信技术 也包含此寓意 Z i g B e e 过去又称为 H o m e R F L i t e R F E a s y L i n k 一或 F i r e F l y 无线电技术 目前统一称为Z i g B e e 技术 l 第一章绪论Z i g B 协议栈的分析与设计 Z i g B e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月 2 0 0 2 年下半年 英国I n v e n s y s 公司 日 本三菱电气公司 美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司共同宣布 它们将 加盟 Z i g B e e 联盟 来研发名为 Z i g B e e 的下一代无线通信标准 目前 这个联盟已经吸引了上百家芯片公司 无线设备开发商和制造商的加入 2 0 0 3 年 I E E E 发布了适用于无线个人局域网 W P A N 的I E E E8 0 2 1 5 4 协 议标准 定义了物理层和M A C 层的特性 1 2 1 2 0 0 4 年1 2 月 Z i g B e e 联盟正式发 布了该项技术的标准 Z i g B e e 技术弥补了低成本 低功耗和低速率无线通信市场的空缺 其成功 的关键在于丰富而便捷的应用 而不是技术本身 1 3 1 2 2Z i g B e e 技术的特点 Z i g B e e 采用调频技术和扩频技术 可工作在2 4 G I I z 全球流行 8 6 8 M H z 欧洲流行 和9 1 5 M H z 美国流行 这三个频段上 并且在这三个频段上分别 具有2 S 0 k b p s 2 0 k b p s 和4 0 k b p s 的最高数据传输速斛1 4 1 在使用2 4 G l l z 频段时 Z i g B e e 技术在室内传输距离为l O 米 而在室外传输距离则能达到2 0 0 米 在其 它使用频段时 室内传输距离为3 0 米 而在室外传输距离则能到达1 0 0 0 米 1 5 1 实际的传输距离将根据发射功率的大小而定 Z i g B e e 同其他网络相比它具有以下几个优点 l 哑1 q 低功耗 由于Z i g S e e 的传输速率低 传输数据量很小 并且采用了休 眠模式 因此Z i g B e e 设备非常省电 据估算 z i g D 吧 e 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间 成本低 Z i s B e e 模块的初始成本在6 美元左右 估计很快就能降到1 5 到2 5 美元 并且Z i g B e e 协议是免专利费的 其价格目标仅为几美分 时延短 Z i g B e e 的响应速度较快 通信时延和从休眠状态激活的时延 都非常短 一般从休眠转入工作状态只需要1 5 m s 典型的搜索设备时 延为3 0 m s 活动设备信道接入的时延为1 5 m s 相比较而言 蓝牙需要 3 一1 0 s W i F i 则需要3 s 网络容量大 一个星型结构的Z i g B e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备 和一个主设备 而且网络组成灵活 这个网络最多可以支持超过6 4 0 0 0 个Z i g B e e 网络节点 2 Z i i g a e e 协议栈的分析与设计 第一章绪论 可靠 为了避开发送数据的竞争和冲突 采取了碰撞避免策略 同时为 需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙 M A C 层采用完全确认的数 据传输模式 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 如果传 输过程中出现问题可以进行重发 安全 Z i g B e e 提供了基于循环冗余校验 C R C 的数据包完整性检查 功能 支持鉴权和认证 采用了A E S 1 2 8 高级加密算法来保护数据载 荷和防止攻击者冒充合法设备 1 2 3Z i g B e e 技术的应用前景 在北京举行的2 0 0 6 中国无线技术大会上 Z i g B e e 联盟主席B o bH e i l e 表示 Z i g B e e 将被内嵌到一系列消费 商业 工业和政府的产品和应用当中 使他们 之间真正实现基于标准的无线平台 这个平台可根据远程监控和控制应用的特殊 需求进行优化 具有简单 可靠 低功耗和低成本等优势 1 7 1 除此之外 根据市场调研公司I n S t a t 发表的报告指出 I E E E8 0 2 1 5 4 和 Z i g B e e 规格网络层市场将急剧增长 I n S t a t 表示 2 0 0 4 2 0 0 9 年I E E E8 0 2 1 5 4 节点 芯片组市场的复合年增率将达2 0 0 2 0 0 9 年的出货量将超过1 5 亿个 由 此 我们有理由相信Z i g B e e 技术的未来前景广阔 其优势将会越来越明显 1 3Z i g B e e 技术的国内外研究现状及关键技术 1 3 1 国内外研究现状 目前 Z i g B e e 技术的产业链已经基本成型 芯片达批量生产阶段 C h i p e o n F r e e s c a l e E m b e r R a d i o P u l s e O K I H e l i c o m m J e n n i e M i c r o c h i p 等公司纷纷 推出Z i g B e e 解决方案 其中A t m e l 与C h i p c o n 已开发出Z i g B e e 单芯片 二者都 是选用全球通用的2 4 G H z 频道 其他厂商如E m b e r 搭配A t m e l 及N E C 搭配 C h i p c o n 芯片 已完成开发套件 能够提供系统厂商整合方案 芯片商H e l i c o m m 则是自行推出整合方案I P L i n k2 0 0 0 有2 4 G H z 与9 1 5 M H z 两版本 该方案可 与G P R S C D M A 相连结 F r e e s c a l e O k i 等也表示将推出2 4 G H z 整合R F P H Y 与M A C 的芯片 在系统厂商方面 海尔采用H e l i c o m m 方案研制家庭无线网络 控制系统 中国台湾地区则有厂商开发结合保安功能的家庭网关器 H o m e G a t e w a y 等项目 2 0 0 5 年Z i g B e e 联盟选择德国莱茵n 集团作为唯一的全世界无线实验室 第一章绪论Z i s l k 协议栈的分析与设计 测试Z i g B e e 技术产品的代表 在世界各地提供Z i g B e e 联盟认可的商标认证和一 致性平台测试服务 将新的Z i g B e e 认证项目推向市场 紧接着Z i g B e e 联盟发布 了首批成功完成互操作性测试的四款平台 这些平台将用来测试未来数月内推出 的Z i g B e e 产品 从而为Z i R B e e 标准在工业控制 H V A C 空调系统与家庭自动化 等领域的实际应用铺平道路 目前企业正积极开发四大Z i g B e e 应用市场 分别为家庭与楼宇自动化 消 费电子 自动读表与其他方面 包括工业自动化 监控检测 医疗 幼儿监护 物流管控 低温连锁管理与农业监控等 目前国内众多厂商从事Z i g B e e 家庭网关的开发 也有部分城镇利用Z i g B e e 读取水电表资料 韩国厂商则在手机中加入Z i g B e e 进行客厅家电遥控与家庭 保安功能 预计4 5 年内 每个家庭将会安装大约5 0 个Z i g B e e 设备 最终达到 1 5 0 个Z i g B c e 设备 加州大学伯克利分校开发了T i n y O S 是针对于无线传感网络的开源操作系 统 1 8 J T m y O S 同时兼容I E E E8 0 2 1 5 4 标准和Z i g B e e 协议 我国开展Z i g B e e 研究的科研机构主要有浙江大学 苏州大学 东南大学等 一些高校 目前大都还处于起步阶段 1 3 2 关键技术 Z i g B 从一诞生起就同短距离 低速率 低功耗联系在一起 加之它的应 用领域 因此低功耗 互操作性 网络结构和数据安全都将成为影响Z i g B e e 应 用的关键因素 低功耗 Z i g B e e 的功率超低 这对于无线电系统来说是一大优点 因此必须能够对 整个系统进行低功耗设计 为了充分优化电源的使用和电池寿命 固件 电气和 R F 团队必须投入大量的时间去优化功耗 要定义微控制器的睡眠模式并加以实 现 同时应当对数据反应时间与电池的寿命进行折衷 互操作性 为了验证设备的互操作性 往往需要购买竞争对手的产品 在开发期间利用 另外一台经过认证的Z i g B 系统 能够有助于把产品的性能做最好的优化 网络结构 4 Z i g B e e 协议栈的分析与设计 第一章绪论 Z i g B e e 标准产品应当支持从多种拓扑网络结构中做出选择 包括网状网 星型网和树型网的网络配置 数据安全性 对于需要数据安全性的定制应用 可以选择插入安全性程序的位置 如果应 用需要尽可能高的安全性 就要在应用代码中进行加密 Z i g B e e 协议栈在较低 层定义了可选的安全性 用于验证Z i g B e e 网络上交换的每一个数据包 1 4 课题背景与本文工作 Z i g B e e 技术发展方兴未艾 市场前景广阔 吸引了工业界和学术界的极大 关注 在Z i g B e e 联盟的推动下 Z i g B e e 技术已经逐步向市场化迈进 应用Z i g B e e 技术的解决方案不断推出 目的是使用户能够更好 更容易的进行Z i g B e e 应用 开发 Z i g B e e 协议栈软件是开发Z i g B e e 应用的基础 更是Z i g B e e 实现的核心软 件技术 本文在全面研究I E E E8 0 2 1 5 4 标准和Z i g B e ev 1 1 协议规范的基础上 采用 C h i p c o n 公司的C C 2 4 3 0 D B 开发板和I A R 公司的E m b e d d e dw o r k b e n c hf o r M C S 5 1 开发环境 提出Z i g B e e 协议栈软件设计的开发思路 按照Z i g B e e I E E E 8 0 2 1 5 4 标准设计出一个简化版的Z i g B e e 协议栈软件 1 5 论文结构 本文一共分为七章 第一章 绪论 简要介绍了无线传感器网络的概念 Z i g B e e 技术的发展 优点 国内外研究现状及关键技术并指出了本文的研究方向和内容 第二章 I E E E8 0 2 1 5 4 标准和Z i g B e e 协议 重点介绍I E E E8 0 2 1 5 4 标准和 Z i g B e ev 1 1 协议规范中的基本概念 术语 网络拓扑 协议栈体系结构以及原 语操作等概念 第三章 协议栈软件总体设计 介绍Z i g B e e 协议栈软件的总体结构 包括 各层之间的通信 各层之间的调度 软件测试思路等 第四章 网络层 N W K 设计 重点分析Z i g B e e 网络层路由搜索算法 网 络的建立过程 加入过程 离开网络等相关原语操作的设计 第五章 M A C 层设计 重点介绍Z i g B e e 介质访问控制 M A C 层的相关 第一章绪论7 i g l k e 协议栈的分析与设计 原语操作的设计 第六章 物理层 P H Y 设计 重点介绍Z i g B e e 物理层相关原语操作的设 计 其中对部分原语的操作实现将利用C C 2 4 3 0 射频芯片来完成 第七章 总结与展望 总结全文并对协议栈的研究工作做出展望 6 Z i g B e e 协议栈的分析与设计 第二章I E E E8 0 2 1 5 4 标准和Z i g B e e 协议 第二章I E E E8 0 2 15 4 标准和Z i g B e e 协议 2 1I E E E8 0 2 1 5 4 标准 2 1 1 概述 I E E E8 0 2 15 4 是一个低速率无线个人局域网 L o wR a t eW i r e l e s sP e r s o n a l A r e aN e t w o r k s L R W P A N 标准 该标准定义了物理层 P H Y 和介质访问控 制层 M A C 1 9 这种低速率无线个人局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 低速率无线个人局域网的主要目标是实现安装容 易 数据传输可靠 短距离通信 极低的成本 合理的电池寿命 并且拥有一个 简单而且灵活的通信网络协谢2 0 1 L R W P A N 网络具有如下特点 实现2 5 0 k b s 4 0 k b s 2 0 k b s 三种传输速率 支持星型或者点对点两种网络拓扑结构 具有1 6 位短地址或者6 4 位扩展地址 支持冲突避免载波多路侦听技术 c a r r i e rs e n s em 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 e C S M A C A 用于可靠传输的全应答协议 低功耗 能量检测 E n e r g yD e t e c t i o n E D 链路质量指示 L i n kQ u a l i t yI n d i c a t i o n L Q I 在2 4 5 0 M H z 频带内定义了1 6 个通道 在9 1 5 M H z 频带内定义了l O 个 通道 在8 6 8 M H z 频带内定义了1 个通道 为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备 I E E E I n s t i t u t eo f E l e c t r i c a la n d E l e c t r o n i c sE n g i n e e r s 电气及电子工程师学会 定义了两种不同类型的设备 一 种是完整功能设备 f u l l f u n c t i o n a ld e v i c e F F D 另一种是简化功能设备 r e d u c e d f u n c t i o n a ld e v i c e I 江D 2 1 1 全功能设备 F F D 具有以下几个特点 能够在任何拓扑结构中工作 能够成为网络中的主协调器 7 第二章I E E E8 0 2 15 4 标准和z i o e c 协议Z i O e c 协议栈的分析与设计 能够成为一个协调器 能够同任何其他设备进行通信 简化功能设备 R F D 具有以下几个特点 被限制在星型网络拓扑中 不能够成为网络协调器 只能够同网络中的协调器进行通信 实现起来非常简单 由于R F D 非常简单 就像一个电灯开关或者一个红外线传感器 它们不需 要发送大量的数据 并且一次只能同一个F F D 关联 因此 R F D 能够使用很少 的资源和存储空间 在个人操作空间 p e r s o n a lo p e r a t i n gs p a c e P O S 内 两个或更多的设备可 以构成一个W P A N 然而在一个网络中应当至少包含一个F F D 作为P A N 协调器 2 1 2 网络拓扑结构 I E E E8 0 2 1 5 4 定义的L R W P A N 网络中具有两种拓扑结构 星型网拓扑和对 等网拓扑 这两种网络拓扑结构如图2 1 所示 P A N 协调嚣 o 对等同拓扑 F F D 全功能设备 r e D 简化功能设备 卜一 信息沈 图2 1 星型网拓扑和对等网拓扑 在星型网拓扑结构中 通信建立在设备和一个叫做P A N 协调器的中心控制 设备之间 对于网络通信来说 这些设备可以作为发起设备或者终端设备 P A N Z i g a e e 协议栈的分析与设计 第二章I E E E8 0 21 54 标准和Z i 9 8 e c 协议 协调器则可以作为发起设备 终端设备或路由设备 P A N 协调器是主要的耗能 设各 其他从设备均可采用电池供电 目前星型网络拓扑结构主要用在家庭自动 化 个人计算机 P C 外设 玩具 游戏和个人健康检查等方面 在对等网拓扑结构中 也存在一个P A N 协调器 它不同于星型网络结构的 是网络中的任何一个设备只要在它的通信范围内 就可以和其他设备进行通信 对等网络拓扑结构可以形成更加复杂的网络结构 如网状网 对等网主要应用于 工业控制和检测 无线传感网络 物资跟踪 农业智能化以及安全等领域 对等 网可以是a d h o e 自组织网和自恢复的 它同时允许使用多跳的传输方式将消息 从一个设各路由到另一个设备 2 1 3M A C 层帧结构 介质访问控制层 M A C 帧被称为M A C 协议数据单元 M P D U 其长度 不超过1 2 7 个字节 它具有四种不同的帧形式 即信标帧 数据帧 确认帧和命 令帧 I E E E8 0 2 1 5 4 L R W P A N 标准中允许使用超帧结构 在超帧结构中 网络协 调器在预先规定的时间间隔内发送超帧信标 这个时间问隔可以短至1 5 m s 或者 长至2 4 5 s 超帧被分成1 6 个相等的时隙 与超帧的持续时间无关 超帧结构 图2 2 无G T S 的超帧结构 超帧结构如图2 2 所示 从图中可以看到 它的第一个时隙为信标帧 如果 协调器不希望使用超帧结构 它可以关掉信标帧的传输 信标帧的传输主要用于 使各从设备与协调器进行同步 识别P A N 和描述超帧结构 如果任何设各希望 在两个信标之间的竞争访问期 c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d C A P 进行通信 就需 要使用时隙C S M A C A 机制同其他设备进行竞争通信 超帧结构可以包括活动期 A c t i v eP e r i o d 和睡眠期 I n a c t i v eP e r i o d 在睡 眠期 协调器不会同P A N 发牛信息交换 它会进入一个低功耗模式 里 兰 望 堡堕塑 喳 竺塑堡 璺 堡堡垡塑坌塑 堡生 在一些应用中要求低延迟或要求满足一定的数据带宽 在这些情况下 可以 通过采用超帧中的部分时隙来完成 这部分称为保障时隙 G u a r a n t e e d T i m eS l o t G T S 在超帧结构中 竞争访问期 C A P 之后是免竞争时期 C o n t e n t i o n F r e e P e r i o d C F P 它由保障时隙 G T S 构成 一般情况下 最多为7 个保障时隙 在超帧结构中必须保证有足够的C A P 空间用来向网络中的设备提供竞争接入的 机会 任何设各的信息传输必须在下一个G T S 开始前或者C F P 结束前完成 带 有G T S 的超帧结构如图2 3 所示 图2 3 带有G T S 的超帧结构 信标帧 在信标网络中 协调器通过向网络中的所有从设备发送信标帧 以保证这些 设备能够同协调器进行同步 从而使得网络运行的成本最低 其结构如图2 4 所 io 图2 4 信标帧结构 其中M H R 是M A C 层帧头 M S D U 是M A C 层服务数据单元 表示M A C 层载荷 M F R 是M A C 层帧尾 这三部分共同构成了M A C 层协议数据单元 M P D U M F R 中包含1 6 位帧校验序列 F C S 当M A C 层协议数据单元 M P D U 被发送到物理层 P H Y 时 它便成为 了物理层服务数据单元 P S D U 如果在P S D U 前面加上一个物理层帧头 P H R 便可构成物理层协议数据单元 P P D U 如果再加上一个同步帧头 S H R 则 这个数据包便成为最终在空气中传播的数据包 数据帧 业竺坐主苎塑塑竺塑 垒生里三 堡翌 塑堡塑 堂竺坠堡 在Z i g B e e 设备之问进行数据传输的时候 要传输的数据由应用层生成 经 过逐层数据处理后发送给M A C 层 形成M A C 层服务数据单元 M S D U 通过 添加M A C 层帧头信息和帧尾 便形成了完整的数据帧 其帧结构如图2 5 所示 层 帧酬醺巨醺 嘲 H H R i H S D UH F R 图2 5 数据帧结构 确认帧 为了保证设备之问通信的可靠性 发送设备通常要求接收设各在接收到正确 的帧信息后返回一个确认帧 向发送设备表示已经正确的接收了相应的信息 其 帧结构如图2 6 所示 图2 6 确认帧结构 命令帧 在Z i g B e e 网络中 为了对设备的工作状态进行控制 同网络中的其他设备 进行通信 M A C 层将根据命令类型生成相应的命令帧 其帧结构如图2 7 所示 字节214 到2 0I1 n 2 卧c 层堕壅f 鎏砸豳 豳 M H R o I V l S D U o M F R 图2 7 命令帧结构 2 2Z i g B e e 协议规范 2 2 Iz i g B e e 挤设栈体系结构 Z i g B e e 协议栈建立在I E E E8 0 2 1 54 的P H Y 层和M A C 子层规范之上 它实 现了网络层 n e t w o r k l a y e r N W K 和应用层 a p p l i c a t i o n l a y e r A P L 在应用 层内提供了应用支持子层 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 和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 应用框架中则加入了用户自定义的应用对象 瞄眦 码 i 魏 序R 制 H 2 控帧肯层 p 能H 里三主 望 丝 壹苎塑 堕堡望 堡堕堡堡堡堕坌堑墨墨 其体系结构如图2 所示 z h E 瓣l 圈2 4 盈班 协议校体系结构 从图2 中不难看出 应用层 A F L 是整个协议栈的最高层 包含应用支 持子层 a p p l i c a t i o ns u p p o r t 曲l a y A P S 和Z i g g e e 设备对象 z i g B 鼬D e v i c e O 场c c t Z D O 以及厂商自定义的应用对象 应用支持子层A P S 提供了两个接口 分别是 应用支持子层数据实体服务 访问点 A P S D E S A F 和应用支持子层管理实体服务访问点 A P S M E S A P A P S 主要负责维护设备绑定表 设备绑定表能够根据设备的服务和需求将两 个设备进行匹配 A F S 根据设备绑定表能够在被绑定在一起的设备之间进行 消息传递 A P S 的另一个功能是能够找出在一个设备的个人操作空间内 P O S 其他哪些设备正在进行操作 Z i g B 舶设备对象 Z D O 的功能包括负责定义网络中设备的角色 如 协 调器或者终端设备 还包括对绑定请求的初始化或者响应 在网络设备之间 建立安全联系等 实现这些功能 Z D O 使用A P S 层的A P S D E S A P 和网络 层的N L M E A F Z D O 是特殊的应用对象 它在端点 e n t i r e 0 上实现 厂商自定义的应用对象实际上就是运行在Z i g g 协议栈上的应用程序 这 些应用程序使用Z i g B c c 联盟给出的并且批准的规范 p r o f i l e 进行开发并且运 堡塑堡堡堡堕坌堑兰丝生墨三兰堡坚 丝 墨堡堡型墨 堕堡堡 行在端点1 2 4 0 上 N W K 层是协议栈实现的核心层 它负责网络的建立 设备的加入 路由搜 索 消息传递等相关功能 这些功能将通过网络层数据服务访问点N L D E S A P 和网络层管理服务访问点N L M E S A P 向协议栈的应用层提供相应的服务 在无线通信网络中 设备与设备之间通信数据的安全保密性是十分重要的 I E E E8 0 2 1 54 Z i g B e e 协议使用M A C 层的安全机制来保证M A C 层命令帧 信标 帧 和确认帧的安全性 单跳数据消息一般是通过M A C 层的安全机制来做到的 而多跳消息报文则是通过更上层 如网络层 的安全机制来保证的 z i g B 协 议利用安全服务供应商 S e c u r i t y S e r v i c e P r o v i d e r S S n 向网络层和应用层提供数 据加密服务 2 2 2z j g B 应用的基本概念 2 2 2 1z i 窑B 协诚基本术语 在进行Z i g B e e 应用开发的时候 往往还需要理解下面几个基本术语 节点 N o d e 群集 C l u s t e r 端点 E n d p o i n t 属性 A t t r i b u t e 如果不能很好 的区分这些术语之间的关系就不能够很好的使用Z i g B e e 协议进行应用开发 这些基本术语之间的关系如图2 9 所示 2 q 图2 9 基本术语关系图 从图2 9 中可以看出 在Z i g B e e 网络中节点是最大的集合 一个网络节点 第二章I E E E8 0 2 l5 4 标准和2 I g B 啊蚺议z i e n 挫协议拽的分析与设计 可以包含多个设备 每一个设备可以包含多个端点 设备的端点可以从1 到2 4 0 对应于2 4 0 种不同的网络应用 设备中的每一个端点可以有多个群集 按照群集 的接口方向来划分 可以分为输入群集和输出群集两种 在Z i g B e e 的一个端点 中既可以有输入群集也可以有输出群集 一个端点中的输出群集要能够控制另外 一个端点中的输入群集必须要求这两个群集具有相同的群集标识符 C l u s t c r I D 群集可以看作是属性的集合 一个群集当中可以包含一个或多个属性 例如在家庭照明控制灯规范中 z j g B e e 为遥控开关控制器 开关 定义了 一个必要的输出群集 O n O f f S R C 它也为开关负载控制器 灯 定义了一个必 要的输入群集 O n O f f S R C 这两个群集的C l u s t e d D 都是O n O f f S R C 因此开关 便可以通过这个群集来对灯进行控制 Z i g B e e 在O n O f f S R C 群集中定义了一个 属性O n O f f 为它定义了三种不同的属性值 分别是o x F F 表示O n o x o o 表示 O i f 0 x F 0 表示T o g g l e 当需要打开照明灯时 遥控开关便通过应用层K V P 消 息 发送S e t 命令将照明灯O n O f f S R C 群集中O n O f f 属性设置为O n 同样 如 果需要关闭照明灯时 也可以通过S e t 命令将照明灯O n O f l S R C 群集中O n O f f 设 置为O f f T o g g l e 属性值的意义是 如果电灯在开的状态下 设置这个值将会把 电灯关掉 如果电灯是关闭状态 通过设定这个属性值则又会把电灯打开 2 2 2 2Z i g n e e 绑定 b i n d i n g 操作 在z i g a e e 协议中定义了一种特殊的操作 叫做绑定 b i n d i n g 操作 它能 够通过使用C l u s t e r I D 为不同节点上的独立端点建立一个逻辑上的连接 下面以 图2 1 0 为例来说明绑定操作 图2 1 0Z i g B e e 绑定操作 Z i g B e e 协议栈的分析与设计第二章I E E E8 0 2 1 5 4 标准和Z i g B e e 协议 图2 1 0 中Z i g B e e 网络中的两个节点分别为Z 1 和z 2 其中z l 节点中包含 两个独立端点分别是E P 3 和E P 2 1 它们分别表示开关1 和开关2 Z 2 节点中有 E P 5 E P 7 E P 8 E P l 7 四个端点分别表示从l 到4 这四盏灯 在网络中 通过 建立Z i g B e e 绑定操作 可以将E P 3 和E P 5 E P 7 E P 8 进行绑定 将E P 2 1 和 E P l 7 进行绑定 这样开关I 便可以同时控制电灯l 2 3 开关2 便可以控制 电灯4 利用绑定操作 还可以更改开关和电灯之间的绑定关系 从而形成不同 的控制关系 从这个例子 可以看出绑定操作能够使用户的应用变得更加方便灵 活 要实现绑定操作 端点必须向协调器发送绑定请求 协调器在有限的时间间 隔内接收到两个端点的绑定请求后 便通过建立端点之间的绑定表在这两个不同 的端点之间形成了一个逻辑链路 因此 在绑定后的两个端点之间进行消息传送 的过程属于消息的间接传送 其中一个端点首先会将信息发送到Z i g B e e 协调器 中 Z i g B e e 协调器在接收到消息后会通过查找绑定表 将消息发送到与这个端 点相绑定的所有端点中 从而实现了绑定端点之间的通信 2 2 2 3 应用层消息类型 在Z i g B e e 应用中 应用框架 A F 提供了两种标准服务类型 2 5 1 一种是键 值对 K e yV a l u eP a i r K V P 服务类型 一种是报文 M e s s a g e M S G J J 及务类型 K V P 服务用于传输规范所定义的特殊数据 它定义了属性 A t t r i b u t e 属性 值 V a l u e 以及用于K V P 操作的命令 S e t G e t E v e n t 其中S e t 用于设置一 个属性值 G e t 用于获取一个属性的值 E v e n t 用于通知一个属性已经发生改变 K V P 消息主要用于传输一些较为简单的变量格式 由于Z i g B e e 的很多应用领域中的消息较为复杂并不适用于K V P 格式 因此 Z i g B e e 协议规范定义了M S G 服务类型 M S G 服务对数据格式不作要求 适合 任何格式的数据传输 因此可以用于传送数据量大的消息 K V P 命令帧的格式如图2 1 l 所示 位 4 4 1 6 o 8 可变 命令类型标识符属性数据类型属性标识符错误代码属性数据 图2 1 1K V P 命令帧格式 M S G 命令帧格式如图2 1 2 所示 第二章I E E E8 0 2 1 5 4 标准和z i g 能量均衡 NS2 5 学位论文 马钢 基于ZigBee的井下人员跟踪定位系统设计与实现 2008 煤矿井下环境复杂 存在多种安全隐患 近年来我国煤矿事故频繁发生 造成重大人员伤亡和经济损失 现有的煤矿安全监控系统已经无法满足安 全生产需要 无线传感器网络是集无线通讯 数据采集和信息处理功能于一体的新型分布式自组织数据采集网络 ZigBee技术是一种新兴的最具代表性 的无线传感网络 具有统一技术标准和低成本 低功耗等特点 将ZigBee技术应用于煤矿安全监测 将有效地提高煤矿安全生产监控和管理水平 本文深入研究了ZigBee网络技术和IEEE802 15 4 协议 分析了ZigBee技术的特点并与其它无线通讯技术进行了全面比较 得出了ZigBee应用于井下人员 定位系统的可行性与优势 在此基础上 结合国内外跟踪定位系统的发展状况及定位技术的最新研究成果 设计了以RSSI定位技术为基础的井下