ZigBee协议分析.doc

西南科技大学专业方向设计报告课程名称： 通信工程专业方向设计 设计名称： ZigBee协议分析 姓 名： 董旭 学 号: 20074920 班 级： 通信0702 指导教师： 彭保 起止日期： 2010.12.12011.1.4 西南科技大学信息工程学院制2 ZigBee协议分析摘要：过去若干年以来，无线组网技术发展迅速。但迄今为止，无线组网技术的应用主要集中在高速率和相对长距离方面；研究重点始终放在提高数据速率上，高了还要更高。事实上，低速率应用比高速率应用更贴近我们的日常生活。本文所要介绍的802.15.4标准就是IEEE 802.15工作组为低速率应用专门设计的一种无线组网技术。802.15.4（又称ZigBee）与IEEE的其他短距离无线技术，如蓝牙、WiFi、UWB互为补充，预计它低速率、低成本、自配置和拓扑灵活的特点使ZigBee芯片将像微处理器一样无处不在。 本文对ZigBee协议作了简单的阐述和分析，对ZigBee协议结构的应用层(APL)、网络层(NWK)、物理层(PYH)、媒体接入控制层(MAC)作了详细的介绍。同时，对ZigBee网络拓扑结构也作了简单介绍。一、 ZigBee协议概述 ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。 在标准规范制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订媒体存取控制层(MAC)与物理层(PHY)规范， 2003年5月通过802.15.4标准；在ZigBee 联盟方面，ZigBee联盟是在2002年10月由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips与Invensys共同成立，ZigBee联盟负责制订网路层、安全管理、应用界面规范，其次也肩负互通测试，目前ZigBee联盟已推出第1.0版规范(Version 1.0)，成员已达150多个。 ZigBee协议依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/915 MHz的无线技术，它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。 相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术，同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。二、 ZigBee协议主要应用领域 ZigBee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。 通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术：1、设备成本很低，传输的数据量很小2、设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块 3、没有充足的电力支持，只能使用一次性电池 4、频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难5、需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制 ZigBee协议是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。其主要应用在于：1、建筑自动化网络2、住宅安防系统（如：火警的感测和通知系统、门禁系统）3、工业控制网络（如：生产机台之流程控制系统、无线仓库管理系统）4、远程抄表（如：小区水、电、气表的集抄系统）5、PC外设（如：无线网卡、无线鼠标、无线键盘）6、信息家电（如：智能遥控器、智能空调系统）三、 ZigBee协议体系结构ZigBee协议结构在采用OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要而定义而成的。ZigBee协议规范采用了IEEE802154定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC)，由摩托罗拉、飞利浦半导体、三菱电气等国际知名公司组成的ZigBee联盟定义了网络层(NWK)和应用层(APL)。ZigBee支持星形、树状和网状网络拓扑结构，其协议体系结构如图1所示。 （图1）（一）、对于物理层(PHY)，ZigBee采用了868915MHz物理层和24GHz物理层，两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS)技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率不同。物理层数据包由同步包头、物理层包头和物理层净荷3部分组成。物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层到物理层无线信道的接口。Zigbee协议的物理层主要负责以下任务： （1）启动和关闭RF收发器。（2）信道能量检测。（3）对接收到的数据报进行链路质量指示LQI（Link Quality Indication）。 （4）为CSMA/CA算法提供空闲信道评估CCA（Clear Channel Assessment）。（5）对通信信道频率进行选择。（6）数据包的传输和接收IEEE 802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的接口，提供数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。（二）、对于媒体介入控制层(MAC)，IEEE 802.15.4媒体介入控制层的沿用了传统无线局域网中的带冲突避免的载波多路侦听访问技术CSMA/CA方式，以提高系统的兼容性。这种设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗管理。MAC层完成的具体任务如下:（1）协调器产生并发送信标帧（Beacon）。（2）普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步。（3）支持PAN网络的关联（Association）和取消关联（Disassociation）操作。（4）为设备的安全性提供支持。（5）使用CSMA-CA机制共享物理信道。（6）处理和维护时隙保障GTS（Guaranteed Time Slot）机制。（7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的数据链路。在IEEE 802.15.4的MAC层中引入了超帧结构和信标帧的概念。这两个概念的引入极大了方便了网络管理，我们可以选用以超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务（MAC sub-layer management entity，MLME）。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。（三）、对于网络层(NWK)，它主要采用了基于Ad-hoc技术的网络协议，网络层需要在功能上保证与IEEE 802.15.4标准兼容，同时也需要上层提供合适的功能接口。它主要包含以下功能：(1)通用的网络层功能；建立一个新的网络、加入和离开一个已经存在的网络、配置一个新设备、寻址、同步、安全和路由；(2)与IEEE802154标准一样，非常省电；(3)有自组织、自维护功能，最大程度地减少消费者的开支和维护成本；网络层基于IEEE 802.15.4 MAC，支持扩展覆盖区域，另外的群集也能加入进来，同时也支持网络的合并和分裂。网络层通过两种服务接入点提供相应的两种服务，他们分别是网络层数据服务和网络层管理服务。网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。这两种服务通过MCPS-SAP和MLME-SAP接口为MAC层提供接口。除此之外，通过NLDE-SAP和NLME-SAP接口为应用层实体提供接口服务。网络层数据实体服务接入点支持对等应用实体之间的应用协议数据单元的传输。网络层数据实体服务接入点所支持的函数原语为请求、确认和指示原语。（四）、对于应用层(APL)，又包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商定制的应用对象。1、APS责把不同的应用映射到ZigBee网络上,具体而言包括：(1)安全与鉴权；(2)多个业务数据流的汇聚；(3)设备发现，即发现哪个设备正在其自有空间工作；(4)业务发现；2、ZDO是一个特殊的应用层的端点（Endpoint）。它是应用层其他端点与应用子层管理实体交互的中间件。它主要提供的功能如下：（1）初始化应用支持子层，网络层。（2）发现节点和节点功能。在无信标的网络中，加入的节点只对其父节点可见。而其他节点可以通过ZDO的功能来确定网络的整体拓扑结构已经节点所能提供的功能。（3）安全加密管理：主要包括安全key的建立和发送，已经安全授权。（4）网络的维护功能。（5）绑定管理：绑定的功能由应用支持子层提供，但是绑定功能的管理却是由ZDO提供，它确定了绑定表的大小，绑定的发起和绑定的解除等功能。（6）节点管理：对于网络协调器和路由器，ZDO提供网络监测、获取路由和绑定信息、发起脱离网络过程等一系列节点管理功能。ZDO实际上是介于应用层端点和应用支持子层中间的端点，其主要功能集中在网络管理和维护上。应用层的端点可以通过 ZDO提供的功能来获取网络或者是其他节点的信息，包括网络的拓扑结构、其它几点的网络地址和状态以及其他几点的类型和提供的服务等信息。3.厂家定义的应用对象根据ZigBee的应用描述来实现特定的实际应用对象。在ZigBee协议栈中，任何通信数据都是采用帧的格式来组织完成的。协议的每一层都有特定的帧结构。当应用程序需要发送数据时，将通过APS数据实体发送数据请求到APS，下面的每一层都会为数据附加相应的帧头，组成要发送的帧信息，其帧结构之间的关系如图2所示。 （图2）在分层的通信协议中，层与层之间通过服务接入点(SAP)相连接。SAP是层与层之间的唯一接口，其具体的服务是以通信原语的形式供上层调用的。在上层调用下层服务时，只要遵循统一的原语规范，并不需要去了解如何处理原语，这样就做到了数据层与层之间的透明传输。层与层之问的通信原语可以为Requst、Indication、Reponse、Confirm四种，它们之间的关系如图3所示。采用通信原语，简化的程序设计的难度、提高了系统的稳定性。 （ 图3）四、 ZigBee网络拓扑结构Zigbee网络支持多种网络拓扑结构，最典型的网络结构是星型网络的拓扑结构。对于星型网络，由一个协调器和多个终端节点组成。在星型网络中，所有的通信都是通过协调器转发。这样的网络结构有三个缺点：一是会增加协调器的负载，对协调器的性能要求很高；二是协调协作都通过协调器转发的话，会极大的增加系统的延时，使得系统的实时性受到影响；三是单一节点的破坏造成整个网络的瘫痪，降低了网络的稳定性。除了支持星型网络以外，ZigBee还支持树状（Tree）和网状（Mesh）等对等网络。在对等网络中，也存在一个PAN协调器（Coordinator），但是它已经不是网络的主控制器，而是主要起到发起网络和组网的作用。在对等网络中，一个设备在另一设备的通信范围之内，他们就可以互相通信。因此，对等网络拓扑结构统一构成较为复杂的网络结构。对等网络拓扑结构主要在工业检测和控制，无线传感网络，供应物资跟踪，农业智能化以及安全监控方面都有广泛的应用。在网络中，各个设备之间发送消息时，使用了多跳传输，以增大网络的覆盖范围。其中，组网的路由协议是采用了无线自组网按需平面距离矢量AODV路由协议（Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing），无论是星型拓扑还是对等拓扑，每个