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ZigBee 紫蜂 技术 ZigBee技术特点ZigBee网络组成ZigBee网络的协议的框架结构ZigBee ZigBee技术是一种近距离 低复杂度 低功耗 低速率 低成本的双向无线通讯技术 主要用于距离短 功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据 间歇性数据和低反应时间数据传输的应用 ZigBee采用DSSS技术调制发射 用于多个无线传感器组成网状网络 是一种短距离 低速率低功耗的无线网络传输技术 采用DSSS技术调制发射 用于多个无线传感器组成网状网络 新一代的无线传感器网络将采用802 15 4 ZigBee 协议 802 15 4仅仅定义了物理层和MAC层 并不足以保证不同的设备之间可以对话 于是便有了ZigBee 1 紫蜂技术 ZigBee 简介ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式 蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息 以便共享食物源的方向 位置和距离等信息 借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名 紫蜂是一种高可靠的无线数传网络 类似于CDMA和GSM网络 ZigBee数传模块类似于移动网络基站 通讯距离从标准的75m到几百米 几公里 并且支持无限扩展 ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线网络平台 在整个网络范围内 每一个网络模块之间可以相互通信 每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是 紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立 因而 它必须具有简单 使用方便 工作可靠 价格低的特点 而移动通信网主要是为语音通信而建立 每个基站价值一般都在百万元人民币以上 而每个紫蜂网络 基站 却不到1000元人民币 ZigBee技术特点 紫蜂是一种无线连接 可工作在2 4GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和915MHz 美国流行 3个频段上 分别具有最高250kbit s 20kbit s和40kbit s的传输速率 ZigBee是一种开放的协议 物理层 PHY 和MAC层则采用了IEEE802 15 4标准 而其他上层则由ZigBee联盟自己定义 其主要特点如下 ZigBee技术特点 1 低功耗 ZigBee网络结点设备工作周期较短 收发信息功率低 降低帧开销以及实行严格的功率管理机制来降低设备的功耗 并且采用了休眠模式 2 传输可靠 抗干扰强 采用DSSS直接序列扩频技术 以化整为零的方式将一个信号分为多个信号 抗干扰性强 ZigBee采用了载波侦听多址 冲突避免 CSMA CA 的信道接入方式和完全握手协议 MAC层采用了回复确认的数据传输机制 提高了可靠性 3 低成本 由于ZigBee协议栈设计简练 因此 它的研发成本相对较低 通信模块在2美元左右 蓝牙模块在8美元左右 4 安全 ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能 加密算法采用AES 128 64 32 并且各应用可以灵活地确定其安全属性 使网络安全能够得到更有效的保障 5 速度快 距离远 ZigBee工作在20 250kbps的速率 分别提供250kbps 2 4GHz 40kbps 915MHz 和20kbps 868MHz 的原始数据吞吐率 满足低速率传输数据的应用需求 传输范围一般介于10 100m之间 在增加发射功率后 亦可增加到1 3km 6 工作频段灵活 使用的频段分别为2 4GHz 868MHz 欧洲 及915MHz 美国 均为免执照频段 ZigBee的网络组成和网络拓扑 ZigBee网络的设备类型 ZigBee网络中的设备按照性能分为两类 全功能设备和精简功能设备 全功能设备 FullFunctionDevice FFD 具有完整功能的全功能设备 支持协议标准定义的所有的功能和特性 精简功能设备 ReducedFunctionDevice RFD 只具有部分功能的精简功能设备 RFD的功能非常简单 存储容量要求很少 可以用最低端的微控制器实现 在网络里只能作为终端设备 ZigBee的网络组成和网络拓扑 ZigBee网络的设备类型 按照功能分为三类 协调器 路由器和终端设备 协调器 ZigBeeCoordinator ZC 必须是FFD 一个ZigBee网络有且仅有一个协调器 它的任务包括网络启动 信道选择 16位网络设备地址分配 发送时间信标 维护网络 具有最多的存储空间和计算能力 路由器 ZigBeeRouter ZR 必须是FFD 任务包括数据存储转发 邻居发现 路由发现和维护 终端设备 ZigBeeEndDevice ZE 可以是FFD也可以是RFD 只能发送接收数据 网络拓扑 ZigBee支持3种拓扑结构 包括星形 网状形和簇树形结构 在星形拓扑结构中 整个网络由一个网络协调器来控制 在网状形和簇树形拓扑结构中 ZigBee协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数 星形拓扑结构 1 星形拓扑结构星形拓扑结构的网络由一个协调器节点和若干从设备节点组成 协调器负责网络的建立维护和数据转发 从设备只能和协调器进行直接数据传输 而与其他终端设备之间数据传输必须经过网络协调器转发 从设备可以是FFD也可以是RFD 星形结构通常用于小范围的场合 星形拓扑结构 例如图所示 0节点作为网络协调器 负责建立网络 1到8节点作为从设备节点接入网络 这些节点都可以与0节点直接传输数据 而它们之间的数据传输必须由0节点转发 树形拓扑结构 树形拓扑结构的网络由一个根节点和若干子节点构成 这些子节点可以有自己的子节点 树的根节点是网络的协调器 因此必须是FFD 既有子节点又有父节点的节点作为路由器 也必须是FFD 只有父节点而没有子节点的节点叫做叶节点 既可以是FFD也可以是RFD 显然 树形结构是由星形网络扩展而来 树形网络中只有父子节点之间可以进行数据传输 数据沿树形结构向上或向下传输 从一个节点传输到相邻的节点称为 一跳 如图所示 网状拓扑结构 在网形拓扑结构的网络中有一个网络协调器 通信范围内的全功能节点之间可以相互通信 每个全功能节点都具有路由功能 如下图所示 在这种网络结构中设备之间传输数据时 可以通过路由器转发 即多跳的传输方式 以增大网络的覆盖范围 网形拓扑结构具有强人功能 网状拓扑 网络拓扑 ZigBee网络的拓扑结构 ZigBee的协议架构1 zigbee网络协议栈概述 2 物理层协议规范 物理层不仅规定了信号的工作频率范围 调制方式和传输速率 而且还规定了物理层的功能和为上层提供的服务 物理层的主要任务是通过无线信道进行安全有效的数据通信 为MAC层提供服务 它具备以下功能 1 信道选择 channelselect 2 信道能量监测 energydetect 3 空闲信道评估 clearchannelassessment 4 无线信道收发数据 PHYProtocolDataUnit 5 接收包链路质量检测 2 物理层协议规范 ZigBee采用了扩频通信技术 在2 4GHZ频带上使用偏移正交相移键控调制法 OffsetQuadraturePhaseShiftKeying OQPSK 而在868 915MHZ频带使用二进制移相键控调制法 BinaryPhaseShiftKeying BPSK 2 物理层协议规范 物理层协议数据单元结构 PPDU 又称物理层数据包 是由附加的同步包头 物理层包头和物理层有效载荷 PSDU 组成 结构如图 物理层协议数据单元结构 物理层协议数据单元各字段 1 前同步码由32个0组成 接收设备根据接收到的同步码获取同步信息识别每一位 从而进一步区分出 字符 2 帧定界符 SFD 为 一个字节 用来标示同步码的结束和数据包的开始 3 物理层帧首部由一个字节组成 最高位保留 后七位用来表示有效载荷的数据长度 4 PSDU域是物理层携带的有效载荷 长度为0到127字节 长度为5字节时为MPDU 确认帧 长度大于7字节时为MAC层的有效帧 其余长度的作为保留 2 物理层协议规范 频段 物理层协议规范 频段 Zigbee频率和信道分布 3 MAC层协议规范 ZigBee的MAC层的任务是为两个ZigBee设备的MAC层实体之间提供可靠的数据链路 处理所有物理层无线信道的接入 它通过公共部分子层服务接入点提供数据服务 通过管理实体服务接入点提供管理服务 MAC层的主要功能包括 MAC层功能 1 网络协调器产生网络信标 2 与信标同步 3 支持个域网链路的建立和断开 4 为设备的安全提供支持 5 信道接入当时采用免冲突载波检测多址接入 CSMA CA 机制 6 处理和维护保护时隙 GTS 机制 7 在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路 帧结构 一个完整的MAC帧 MPDU 由帧首部 帧载荷和帧尾三部分构成 其通用格式如图 图4 12MAC子层数据帧格式 帧首部 控制域 1 帧控制域帧控制域的长度为16位 其结构如图 帧控制域结构 1 帧类型子域定义了四种帧类型 信标帧 000 数据帧 001 确认帧 010 命令帧 011 2 安全允许控制子域为1位 该位置1 则对该帧进行加密处理后再传送到物理层 该位置0 则直接传送到物理层 不进行加密 帧首部 控制域 3 未处理数据标记子域长度为1位 该位置1 则表示除该帧数据外 本设备还有应发送给对方的数据 因此 接收该帧的设备应向本设备再次发送请求数据命令 直到所有的数据传送完毕 如果发送设备中已经没有要发送给接收方的数据了 就把该位置0 帧控制域结构 帧首部 控制域 4 请求确认子域的长度为1位 该位置l时 接收方接收到有效帧后应向发送方发送确认帧 该位置0时接收方不需要发送确认帧 5 PAN内部标记子域的长度为l位 该位置1时 表示该MAC帧在本身所属的PAN内传输 这时帧的地址域中不包含源PAN标识符 为0时 表示该帧是传输到另一个PAN 帧中必须包含源节点和目的节点的PAN标识符 帧控制域结构 帧首部 控制域 6 目的地址模式子域的长度2位 它表示的意义如下 00 PAN标识符和地址子域不存在01 保留10 表示16位短地址11 表示64位物理地址 帧控制域结构 帧首部 控制域 7 源地址模式子域的长度2位 它表示的意义如下 00 PAN标识符和地址子域不存在01 保留10 表示16位短地址11 表示64位物理地址 帧控制域结构 帧首部 序列号域 MAC层协议数据单元结构 序列号域的长度为8位 它是帧的序列标识 由设备自己的帧序列号发生器产生 采用循环计数方式 范围0到0 xFF 接收方可以根据此序列号判断接收的帧是否为新帧 帧首部 地址域 地址域长度0到20字节 它有四个子域 目的PAN标识符子域 目的地址子域 源PAN标识符子域和源地址子域 1 目的PAN标识符子域目的PAN标识符子域的长度为16位 它是接收该帧的设备所在PAN的唯一标识符 当标识符值为0 xFFFF时 表示该帧为广播帧 即在同一信道上的所有设备都可以接收该帧 仅在帧控制子域的目的地址模式为非00时 该子域才存在 MAC层协议数据单元结构 帧首部 地址域 2 目的地址子域该地址是接收帧设备的地址 根据帧地址控制子域不同的情况 目的地址为16位或64位 地址0 xFFFF是广播地址 同样 仅在帧控制子域的目的地址模式为非00时 该子域才存在 3 源PAN标识符子域源PAN标识符子域的长度为16位 它是发送该帧的设备所在PAN的唯一标识符 仅在帧控制子域的源地址模式为非00且内部PAN标记位为0时 该子域才存在 MAC层协议数据单元结构 帧首部 地址域 4 源地址子域该地址是帧发送设备的地址 根据帧地址控制子域不同的情况 目的地址为16位或64位 同样 仅在帧控制子域的源地址模式为非00时 该子域才存在 MAC层协议数据单元结构 帧首部 载荷域 帧有效载荷即帧传送的数据 若帧的安全控制域值为1 则载荷采用相应的加密方式进行处理 MAC层协议数据单元结构 帧首部 校验域 帧校验子域包含一个16位的ITU TCRC校验码 MAC层协议数据单元结构 MAC层信道接入方式 IEEE802 15 4MAC层定义了两种的信道接入方法 在星型网络中 中心设备承担网络的形成与维护 时隙的划分 信道接入控制以及专用带宽分配等功能 其余设备则根据中心设备的广播信息来决定如何接入和使用信道 这是一种时隙化得载波监听和冲突避免CSMA CA信道接入算法 在对等的网络中 没有中心设备控制 也没有广播信道和广播信息 而是使用标准的CSMA CA信道接入算法接入网络 4 网络层协议规范 功能 保证网络内点到点的数据传输 网络层数据实体为数据提供服务 在两个或多个设备之间传送数据时 应用协议数据单元的格式进行传送 并且这些设备必须在同一个网络中 即在同一个内部个域网中 网络层数据实体可提供如下服务 1 生成网络层协议数据单元 NPDU 网络层数据实体通过增加一个适当的协议头 从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元 2 指定拓扑传输路由 网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备 该设备可能是最终目的通信设备 也可能是在通信链路中的一个中间通信设备 安全层 功能 确保通信的真实性和机密性 实现方法 访问控制 数据加密 帧完整性和序列更新等 ZigBee中