zigbee技术原理PPT幻灯片课件

第二章紫蜂技术原理，2.1概述2.2紫蜂网络结构2.3紫蜂802.15.4通信层2.4紫蜂网络层2.5紫蜂应用层，了解紫蜂网络结构。主IEEE802.15.4通信层。掌握媒体接入控制层和网络层的帧结构。主Zigbee网络层服务规范。主Zigbee应用层规范。本章主要介绍了Zigbee技术的原理，这是进一步了解Zigbee协议的应用和后续发展的基础。2.1概述，Zigbee技术是一种低数据传输速率的无线个人区域网，网络的基本成员称为设备。网络中的设备可以根据各自的角色分为协调器节点、路由器节点和终端节点。Zigbee网络结构ZigBee网络协调器是整个网络的中心，其功能包括建立、维护和管理网络，分配网络地址等。因此，紫蜂网络协调器可以被视为整个紫蜂网络的“大脑”。Zigbee网络路由器主要负责路由发现、消息传输以及允许其他节点通过它访问网络。紫蜂终端节点通过紫蜂协调器或紫蜂路由器连接到网络。Zigbee终端节点主要负责数据采集或控制功能，但其他节点不允许通过它加入网络。本节将重点介绍紫蜂网络体系结构、紫蜂网络拓扑和紫蜂协议体系结构。根据OSI模型，Zigbee网络自下而上分为4层，包括物理层、媒体访问控制层、网络层(NWK)和应用层。物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4标准定义，统称为IEEE802.15.4通信层。网络层和应用层由Zigbee联盟定义。图2-1示出了Zigbee网络协议体系结构，每一层向其上层提供数据和管理服务。图2-1紫蜂网络架构，2.2.2拓扑紫蜂网络支持三种拓扑：星型、树状和网状，如图2-2所示。在星型拓扑中，所有终端设备只与协调器通信。树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，除了它们的父节点或子节点之外，设备只能通过网络中的树型路由相互通信。图2-2紫蜂网络拓扑。网状网络是在树形网络的基础上实现的。与树形网络不同，它允许网络中所有具有路由功能的节点相互通信，路由器中的路由表完成路由查找过程。(1)星型网络的形成在星型网络中，协调者充当发起者。一旦协调器被激活，它就建立自己的网络，并充当PAN协调器。路由设备和终端设备可以选择PAN标识符来加入网络。具有不同PAN标识符的星形网络中的设备不能相互通信。树形网络的形成过程在树形网络中，协调器发起网络，路由器和终端设备加入网络。设备加入网络后，协调器为其分配一个16位的短url，具有路由功能的设备可以拥有自己的子设备。但是，在树形网络中，子设备只能与其父设备通信。如果终端设备想要与除其父设备之外的其他设备通信，它必须通过树路由进行通信。(3)网状网络的形成在网状网络中，每个设备可以与无线通信范围内的任何其他设备通信。理论上，任何设备都可以被定义为PAN主协调器，并且这些设备通过竞争关系来竞争PAN主协调器。然而，在实际应用中，用户经常通过软件定义协调者，并建立网络、路由器和终端设备来加入网络。协调器建立网络后，其功能与网络中的路由器相同，并且网络中的设备可以相互通信。Zigbee网络协议架构如图2-3所示。协议栈的各层通过服务接入点相互通信。SAP是特定层和上层提供的服务之间的接口。大多数层有两个接口：数据服务接口和管理服务接口。数据服务接口的目标是为上层提供所需的传统数据服务。管理服务接口的目标是为上层提供对内部层参数、配置和管理数据服务的访问。Zigbee协议体系结构建立在IEEE802.15.4标准的基础上，定义了Zigbee协议的物理层和媒体访问控制层。因此，Zigbee设备应包括IEEE802.15.4物理层、媒体访问控制层和Zigbee协议栈，其中Zigbee协议栈包括由Zigbee联盟定义的网络层和应用层，以及由安全服务提供商提供的安全服务层。1.物理层和媒体访问控制层的IEEE802.15.4标准定义了低速率无线个人区域网的两个最低层OSI模型，即物理层和媒体访问控制层，这两层也是Zigbee协议的底层，因此这两层也称为IEEE802.15.4通信层。详见第2.3节。图2-3紫蜂协议体系结构。2.网络层提供确保IEEE802.15.4MAC层正确运行的能力，并为应用层提供适当的服务接口，包括数据服务接口(MCPS)和管理服务接口(MLME)。数据服务接口的功能主要有两点：一是为应用支持子层的数据添加合适的协议头，生成网络协议数据单元。二是根据路由拓扑将网络数据单元发送到通信链路的目的地址设备或通信链路的下一跳地址。管理服务接口的作用如下：提供的服务包括配置新设备、创建新网络以及请求加入或离开网络的设备。允许紫蜂协调器或路由器请求设备离开网络、地址、路由发现和其他功能。应用层由三部分组成：应用支持子层(APS)、紫蜂设备对象(ZDO)和供应商定义的应用对象。应用支持子层提供网络层和应用层之间的接口，包括数据服务接口和管理服务接口。其中管理服务接口提供设备发现服务和绑定服务，并在绑定设备之间传输消息。Zigbee设备对象功能包括定义设备在网络中的角色(如协调器、路由器或终端设备)，发起和响应绑定请求，以及在网络设备之间建立安全机制。此外，它还负责发现网络中的设备，并为它们提供应用服务。制造商定义的应用程序对象的功能包括提供一些必要的功能来为网络层提供适当的服务接口。另一个重要的功能是用户可以在这个层上定义他们自己的应用程序对象。IEEE802.15.4规范符合国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，该模型定义了Zigbee的物理层和MAC层。2.3以太网802.15.4通信层和2.3.1物理层负责以下主要功能：工作频带的分配、信道的分配以及为媒体接入控制层服务提供数据服务和管理服务。1.工作频带的分配IEEE802.15.4定义了两个物理标准，即2450兆赫(通常称为2.4兆赫)的物理层和868/915兆赫的物理层。它们基于直接序列扩频，并且使用相同的物理层分组格式。区别在于工作频带、调制技术和传输速率的不同。2.4千兆赫是全球统一的ISM频段，无需应用，有利于紫蜂设备的推广和生产成本的降低。该频段的物理层采用高阶调制技术可以提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信延迟和更短的周期，从而达到节能的目的。此外，该频段还提供16个通道，数据速率为250 kb/s。在欧洲，868兆赫是ISM频段，在美国，915兆赫是ISM频段。这两个频段的引入避免了2.4千兆赫左右各种无线通信设备的相互干扰，868兆赫的传输速率为20kb/s，915兆赫的传输速率为40 kb/s，这两个频段的无线信号传输损耗小，可以降低对接收灵敏度的要求，获得较长的通信距离。在868/27个频道的中心频率和相应的频道号定义如下：3。物理层服务规范物理层的主要功能是在物理传输介质上的数据链路实体之间透明地传输各种数据比特流。它提供的主要服务包括：物理层连接的建立、维护和释放、物理服务数据单元的传输、物理层管理和数据编码。物理层功能涉及“服务原语”和“服务访问接口”的概念，它们的含义如下。服务原语：紫蜂协议栈是一个分层结构，提供一组从底层到第n层到第n-1层或从第n-1层到第n层的操作(也称为服务)。这个“操作”被称为服务原语。它通常通过一个不可分割或不间断的程序来实现其功能。服务原语用于实现层之间的信息交换。服务访问接口：服务访问点是特定层和上层提供的服务之间的接口。这里的“接口”是指不同功能层的“通信规则”。例如，物理层服务接入接口是通过射频固件和硬件在媒体访问控制层和无线信道之间提供的通信规则。服务访问接口通过服务原语实现，其功能是为其他层提供特定的服务。注意：“服务原语”和“协议”之间的区别应该在这里加以区分：“协议”是指如何发送数据以及如何在需要在同一层通信的两个设备之间交换帧的规则，即“水平”。“服务原语”是“垂直”层之间的一组操作。IEEE802.15.4标准的物理层实现的功能包括数据发送和接收、物理信道的能量检测、射频收发器的激活和关闭、空闲信道评估、链路质量指示、物理层属性参数的获取和设置。这些功能是通过物理层服务访问接口实现的。物理层主要有两个服务接口：物理层管理服务访问接口(PLME-SAP)。PLME-思爱普不仅负责在物理层和媒体访问控制层之间传输管理服务，还负责维护物理层网络信息库。物理层数据服务访问接口负责在物理层和媒体访问控制层之间提供数据服务。PLME-思爱普和PD-思爱普通过物理层服务原语实现物理层的各种功能，如图2-4所示。图2-4物理层参考模型4。数据的发送和接收数据的发送和接收是通过数据处理系统提供的数据原语来完成的，它可以实现两个媒体访问控制子层的媒体访问控制协议数据单元(MPDU)的传输。IEEE802.15.4标准专门定义了三个与数据相关的原语：数据请求原语(PD-DATA)。请求)和数据确认原语数据指示原语数据。指示)。语法见P18。5.构建新网络时，物理能量信道检测协调器需要扫描所有信道(这种扫描在媒体访问控制层称为ED_SCAN)，然后为网络选择一个空闲信道。这个过程是通过物理信道能量检测在底层完成的。如果一个信道被其他网络占用，则信道能量中反映的值是不同的。IEEE802.15.4标准定义了与之相关的两个原语：能量检测请求原语(PLME请求)和能量检测确认原语(PLED-ED确认)。能量检测请求原语由媒体访问控制子层生成。能量检测请求原语是具有以下语法的无参数原语：PLME请求()。收到原语后，如果设备处于接收使能状态，PLME指示物理层执行能量检测。物理层生成能量检测确认原语，物理层在接收到能量检测原语后，向媒体访问控制子层返回当前信道状态和当前信道的能量值。语法如下：PLME-埃德。确认(状态，能量水平)，其中状态参数状态将指示能量检测失败的原因(TX _关闭或发射_开启)。如果设备处于收发器关闭状态(TX _关闭)或发射使能状态(发射_开启)，则无法执行能量检测。在特定的实现中，通用射频芯片将使用特定的寄存器来存储当前的通道状态注意：在Zstack协议栈中，用户经常预先指定信道的使用，以方便对Zigbee网络的管理和维护。6。射频收发器的激活和关闭为了满足低功耗的要求，当不需要无线数据传输和接收时，可以选择性地关闭底部的射频收发器。802.15.4标准定义了两个相关的原语：收发器状态设置请求原语(PLME-设置-TRX-状态请求)收发器状态设置确认原语(PLME-设置-TRX-状态确认)，由媒体访问控制子层生成。语法如下：PLME-集合-TRX-状态。请求(状态)，其中参数是需要设置的目标状态，包括：射频接收开启(接收_开启)、发射开启(发射_开启)、发射-接收关闭(TRX _关闭)和强制发射-接收关闭(强制TRX _关闭)。在接收到收发器状态设置确认原语之后，物理层将射频设置为相应的状态，并通过设置确认原语返回结果。语法如下：plme-set-trx-state.confirm(状态)，其中参数状态的值为succerx _ ontrx _ offtx _ oncobusi _ rx或BUSY_TX。由于802.15.4标准的媒体访问控制子层使用CSMA/卡机制来访问信道，因此有必要检测当前物理信道是否空闲。物理层提供的CCA检测功能是专门为此目的而定义的。该函数定义的两个相关原语是：共同国家评估请求原语(PLME-共同国家评估请求)共同国家评估确认原语(PLME-共同国家评估确认)。CCA请求原语由媒体访问控制子层生成。它的语法是PLME-CCA.request()，这是一个没有参数的请求原语，用于查询物理层的当前信道条件。物理层接收原语后，如果当前射频收发器状态设置为接收状态，将执行CCA操作(读取物理芯片中的相关寄存器状态)。CCA确认原语由物理层生成，语法如下：PLME-CCA确认(状态)通过CCA确认原语返回信道空闲或忙碌状态。如果当前射频收发器处于关闭状态或发射状态，则CCA确认原语将相应地返回TRX关闭或发射开启。链路质量表明高级协议通常需要根据底层的链路质量来选择路由。当接收到消