Zigbee无线通信技术及其组网研究方案解析.ppt

Zigbee无线通信技术及其组网研究方案,Zigbee由来,在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业、家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等，而工业业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。,什么是Zigbee(1),ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，不仅要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。,什么是Zigbee(2),由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来描述这种无线信息传输技术。,Zigbee的技术特点(1),低功耗:在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙只可以工作数周、WiFi却只能可以工作数小时；,Zigbee的技术特点(2),低成本:通过大幅简化协议使成本很低(不足蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费；,Zigbee的技术特点(3),低速率:ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求,Zigbee的技术特点(4),近距离:传输范围一般在10100m之间，在增加RF(RadioFrequency)发射功率后，也可增加到1-3km。这指的是相邻竹点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远；,Zigbee的技术特点(5),短时延:ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s；,Zigbee的技术特点(6),高容量:ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的人网；,Zigbee的技术特点(7),高安全:ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL），防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性；,Zigbee的技术特点(8),免执照频段:采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球)频段。,Zigbee协议栈简介,应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。,Zigbee协议栈简介,数据链路层又可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。IEEE802.15.4的LLC子层与IEEE802.2的相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE802.15.4MAC子层通过SSCS（Service-SpecificConvergenceSublayer）协议能支持多种LLC标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。,Zigbee协议栈简介,物理层采用DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频）技术，定义了3种流量等级：当频率采用2.4GHz时，使用16信道，能够提供250kbit/s的传输速率；当采用915MHz时，使用10信道，能够提供40kbit/s的传输速率；当采用868MHz时，使用单信道，能够提供20kbit/s的传输速率。,Zigbee组网方案,ZigBee网络常见的有两种拓扑结构,即星形拓扑结构和对等拓扑结构,一种星形网络的实现方案(1),首先，要进行硬件的和MAC（媒体接入控制子层）初始化，之后进行星形网络的组建。,一种星形网络的实现方案(2),任何一个FFD设备都可以作为一个协调器来使用。当FFD被激活后，它就建立一个自己的网络，并作为PAN的协调器。一个星形网络和其他网络是各自独立运行的，是通过选择一个PAN标识符（PANID）来实现唯一性，即在某个网络的覆盖范围内，这个标识符不能被其他网络所使用。当选定PAN标识符以后，PAN协调器就允许其他设备加入该网络，,一种星形网络的实现方案(3),ZigBee安全体系结构,ZigBee安全体系结构,ZigBee设备之间的通信使用IEEE802154无线标准，该标准指定两层：物理层(PHY)和媒介存取控制层(MAC)。而ZigBee负责构建网络层(NWK)和应用层(APL)。PHY层提供基本的物理无线通信能力MAC层提供设备间的可靠性授权和一跳通信连接服务。NWK层提供用于构建不同网络拓扑结构的路由和多跳功能。APL层包括一个应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和应用。ZDO负责所有设备的管理。APS提供一个用于ZDO和ZigBee应用的基础。该体系结构包括协议栈三层安全机制。MAC、NWK和APS负责各自帧的安全传输。而且，APS子层提供建立和保持安全关系的服务。ZDO管理安全性策略和设备的安全性结构,MAC层安全,MAC层负责来源于本联的帧的安全性处理，但由上层决定ZigBee使用哪个安全级别，需要安全性处理的MAC层帧会通过处理安全材料。由上层设置参数使之与活动的网络密钥和NWK层计数器相对应，设置参数使之与APS层中与相邻设备共享的任意连接密钥相对应，上层设置的安全级别与NIB中属性相对应。对于ZigBee，MAC层连接密钥是首选的密钥，但若无MAC层连接密钥，就使用默认密钥。,MAC层帧的结构,NWK层安全,当来自NWK层的帧需要保护，或者在某个来自更高层的帧且网络信息库（NIB）中属性为TRUE时，ZigBee使用帧保护机制。NIB中的属性给出应用于NWK帧的安全级别。上部的层通过建立活动及预备网络密钥，以及决定使用哪个安全级别来管理NWK层,通过多跳连接传送信息是NWK层的一个职责，NWK层会广播路由请求信息并处理收到的路由回复消息。同时，路由请求消息会广播到其他设备，邻近没备则回复路由应答消息。若连接密钥使用适当，NWK层将使用连接密钥保护输出NWK帧的安全，若没有适当的连接密钥，为了保护信息，NWK将使用活动的网络密钥保护输出NWK帧，井使用活动密钥或预备密钥保护输入NWK帧。在这一环节，帧的格式明确给出了保护帧的密钥，因此，接受方可以推断出处理输入帧的