无线传感器网络-第6章-传感器网络协议的技术标准ppt课件

1、1第第6章章传感器网络协议的技术标准传感器网络协议的技术标准6.1 技术标准的意义技术标准的意义 无线传感器网络的价值就在于它的低成本和可以大量部无线传感器网络的价值就在于它的低成本和可以大量部署。为了降低产品成本、扩大市场和实现规模效益，传感器署。为了降低产品成本、扩大市场和实现规模效益，传感器网络的某些特征和共性技术必须实现标准化，这样来自不同网络的某些特征和共性技术必须实现标准化，这样来自不同产商的产品才能协同工作。产商的产品才能协同工作。 无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准组织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的

2、准组织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的制定。其中最出名的就是制定。其中最出名的就是IEEE 802.15.4/ZigBeeIEEE 802.15.4/ZigBee规范，它甚规范，它甚至已经被一部分研究及产业界人士视为传感器网络的标准。至已经被一部分研究及产业界人士视为传感器网络的标准。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范，范，ZigBeeZigBee则定义了网络互联、传输和应用规范。则定义了网络互联、传输和应用规范。 目前传感器网络标准化工作的两个公认成果是目前传感器网络标准化工作的两个

3、公认成果是IEEE IEEE 14511451接口标准和接口标准和IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4低速率无线个域网协议。低速率无线个域网协议。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准1 1、IEEE 1451IEEE 1451标准的诞生标准的诞生 基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用，这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千广泛的应用，这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千差万别，其内部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。差万别，其内部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。 传统的分布式测量控制系统结：

4、传统的分布式测量控制系统结： 由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定，由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定，如如I2CI2C，HARTHART，SPISPI，LonWorksLonWorks及及CANCAN等，每种总线标准都有等，每种总线标准都有自己规定的协议格式，相互不兼容，给系统的扩展、维护等自己规定的协议格式，相互不兼容，给系统的扩展、维护等带来不利的影响。带来不利的影响。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准 国际电子电气工程师协会国际电子电气工程师协会(IEEE)(IEEE)面对目前传感器市场上面对目前传感器市场上总线接口互不兼容总线接口互不兼容, ,

5、互操作性差难以统一的难题互操作性差难以统一的难题, , 专门建立专门建立专家组制定专家组制定IEEE1451IEEE1451协议族协议族, , 以此来解决传感器接口的标准以此来解决传感器接口的标准化问题。化问题。 IEEE1451 IEEE1451协议族共分五个协议标准协议族共分五个协议标准, ,目前目前,IEEE1451.1,IEEE1451.1、IEEE1451.2IEEE1451.2、IEEE1451.3IEEE1451.3、IEEE1451.4IEEE1451.4已被已被IEEEIEEE组织通过。组织通过。 这个标准提供了将变送器这个标准提供了将变送器( (传感器和执行器传感器和执行器

6、) )连接到一个连接到一个数字系统数字系统, ,尤其是到网络的方式尤其是到网络的方式, , 简化了现场变送器到微处简化了现场变送器到微处理器以及网络的连接理器以及网络的连接, ,提供一个适合各种网络的工业标准接提供一个适合各种网络的工业标准接口口, ,有效的实现现场各种不同的智能变送器的网络互连、即有效的实现现场各种不同的智能变送器的网络互连、即插即用插即用, , 最终实现各个传感器或执行器厂家的产品相互兼容最终实现各个传感器或执行器厂家的产品相互兼容, , 降低了构建网络化测控系统的总成本。降低了构建网络化测控系统的总成本。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准6.2 IEEE 1451

7、系列标准系列标准nIEEE1451IEEE1451协议族定义了一个较为完整的通用模型协议族定义了一个较为完整的通用模型, , 在这个在这个模型中采用分层体系结构。模型中采用分层体系结构。nIEEE1451.2IEEE1451.2智能传感器接口模块标准的功能框架智能传感器接口模块标准的功能框架: :6.2 IEEE 1451系列标准系列标准n第一层模块结构为网络适配器第一层模块结构为网络适配器NCAP(Network Capable NCAP(Network Capable Application Processor), Application Processor), 用来运行网络协议和应用软件

8、用来运行网络协议和应用软件n第二层模块为智能变送器模块第二层模块为智能变送器模块 STIM(Smart Transducer STIM(Smart Transducer Interface Module), Interface Module), 其中包括变送器和电子数据表格其中包括变送器和电子数据表格TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)。n这种划分使得在基于各种现场总线的分布式测量控制系统这种划分使得在基于各种现场总线的分布式测量控制系统中中, , 各种变送器的设计、制造无须考虑

9、系统的网络结构各种变送器的设计、制造无须考虑系统的网络结构, , 从而智能化范围的得以延伸从而智能化范围的得以延伸, , 更加接近实际测量和控制点更加接近实际测量和控制点。其中。其中TEDSTEDS的设计是整个协议族的精华所在的设计是整个协议族的精华所在, ,使传感器模块使传感器模块同时具有即插即用的兼容性。同时具有即插即用的兼容性。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准n电子数据表格电子数据表格(TEDS)(TEDS)存储了变送器自身信息和制造商信息存储了变送器自身信息和制造商信息 n有八个可寻址的单元，其中前两项是必选且只读的，其余有八个可寻址的单元，其中前两项是必选且只读的，其余是可

10、选的：是可选的：nMetaTEDS:STIMMetaTEDS:STIM的整体描述符的整体描述符nChannelTEDS:ChannelTEDS:包括包括STIMSTIM的量程、单位、启动时间等参数的量程、单位、启动时间等参数n其余六项包括其余六项包括: :最后校准日期、校准周期和校准参数，满足最后校准日期、校准周期和校准参数，满足特殊功能的要求，在将来工业应用中的功能扩展等特殊功能的要求，在将来工业应用中的功能扩展等6.2 IEEE 1451系列标准系列标准nIEEE 1451.2 IEEE 1451.2 标准称为变送器与微处理器通信协议和变送标准称为变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据表

11、格式。器电子数据表格式。nIEEE 1451.3 IEEE 1451.3 标准称为分布式多点系统数字通信和变送器标准称为分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式。电子数据表格式。nIEEE 1451.4 IEEE 1451.4 标准称为混合模式通信协议和变送器电子数标准称为混合模式通信协议和变送器电子数据表格式。这是一项实用的技术标准，它使变送器电子数据表格式。这是一项实用的技术标准，它使变送器电子数据表格与模拟测量相兼容。据表格与模拟测量相兼容。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准nIEEE 1451IEEE 1451系列标准的组成结构如图所示，这些标准可以在系列标准的组成结构如图

12、所示，这些标准可以在一起应用，构成多种网络类型的智能传感器系统，也可以一起应用，构成多种网络类型的智能传感器系统，也可以单独使用。单独使用。6.2 IEEE 1451系列标准系列标准nIEEEIEEE还在着手制定无线连接各种传感设备的接口标准。该还在着手制定无线连接各种传感设备的接口标准。该标准的名称为标准的名称为“IEEE P1451.5”“IEEE P1451.5”，主要用于利用电脑等主，主要用于利用电脑等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据。机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据。nIEEE 1451.5IEEE 1451.5提议标准主要是为智能传感器的连接提供无线提议标准主

13、要是为智能传感器的连接提供无线解决方案，尽量减少有线传输介质的使用。解决方案，尽量减少有线传输介质的使用。6.2 IEEE 802.15.4标准标准6.2.1 IEEE 802.156.2.1 IEEE 802.15标准概述标准概述IEEE 8.2.15IEEE 8.2.15工作组于工作组于20192019年成立，致力于无线个人区域网年成立，致力于无线个人区域网络络WPANWPAN物理层和媒体访问子层的标准化工作。主要物理层和媒体访问子层的标准化工作。主要分为四个工作组，研究不同应用需求下的标准：分为四个工作组，研究不同应用需求下的标准： 802.15.1 802.15.1 蓝牙无线个人区域网

14、络标准，中速、近距离，适蓝牙无线个人区域网络标准，中速、近距离，适用于手机、用于手机、PDAPDA等。等。802.15.2 802.15.2 是是802.15.1802.15.1的补充，研究的补充，研究802.15.1802.15.1与与802.11 WLAN802.11 WLAN的共存问题。的共存问题。802.15.3 802.15.3 高传输速率无线个人区域网络，多媒体方面的应高传输速率无线个人区域网络，多媒体方面的应用。用。802.15.4 802.15.4 低速无线个人区域网络，低能耗，低速率和低成低速无线个人区域网络，低能耗，低速率和低成本，针对个人和家庭范围内不同设备间的低速传输。

15、本，针对个人和家庭范围内不同设备间的低速传输。nWLAN(WLAN(无线局域网络无线局域网络) )基于基于IEEE 802.11IEEE 802.11系列标准系列标准n802.11802.11，20192019年，原始标准年，原始标准(2Mb/s (2Mb/s 工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。n802.11a802.11a，20192019年，物理层补充年，物理层补充(54Mb/s(54Mb/s工作在工作在5GHz)5GHz)。n802.11b802.11b，20192019年，物理层补充年，物理层补充(11Mb/s(11Mb/s工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。n802.1

16、1c802.11c，符合，符合802.1d802.1d的媒体接入控制层的媒体接入控制层(MAC)(MAC)桥接。桥接。n802.11d802.11d，根据各国无线电规定做的调整。，根据各国无线电规定做的调整。n802.11e802.11e，对服务等级，对服务等级(QoS)(QoS)的支持。的支持。n802.11f802.11f，基站的互连性，基站的互连性(Interoperability)(Interoperability)。n802.11g802.11g，物理层补充，物理层补充(54Mb/s(54Mb/s工作在工作在2.4GHz)2.4GHz)。n802.11h802.11h，无线覆盖半径的

17、调整，室内，无线覆盖半径的调整，室内(indoor)(indoor)和室外和室外(outdoor)(outdoor)信道信道(5GHz(5GHz频段频段) )。n802.11i802.11i，安全和鉴权，安全和鉴权(Authentification)(Authentification)方面的补充。方面的补充。n802.11n802.11n，导入多重输入输出，导入多重输入输出(MIMO)(MIMO)和和40Mbit40Mbit通道宽度技术通道宽度技术。6.2 IEEE 802.15.4标准标准n由于由于IEEE 8.2.15.4IEEE 8.2.15.4的网络特征和传感器网络相似，因此的网络特征

18、和传感器网络相似，因此科研机构将它作为传感器网络的通信标准。科研机构将它作为传感器网络的通信标准。nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准定义的标准定义的LR-WPANLR-WPAN网络特点：网络特点：n在不同的载波频率下实现在不同的载波频率下实现20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三种三种不同的传输速率；不同的传输速率；n支持星型和点对点两种网络拓扑结构；支持星型和点对点两种网络拓扑结构；n有有1616位和位和6464位两种地址格式，其中位两种地址格式，其中6464位地址是全球惟一的位地址是全球惟一的扩展地址；扩展地址；n支持冲

19、突避免的载波多路侦听技术支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)(CSMA-CA)；n支持确认机制，保证传输可靠性。支持确认机制，保证传输可靠性。6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.1 IEEE 802.15.4标准标准概述概述nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准规定物理层任务：标准规定物理层任务：n激活和休眠射频收发器；激活和休眠射频收发器；n信道能量检测：测量目标信道中接收信号的功率强调，检信道能量检测：测量目标信道中接收信号的功率强调，检测结果为有效信号和噪声信号功率之和；测结果为有效信号和噪声信号功率之和；n检测接收数据包的链路质量指示检测

20、接收数据包的链路质量指示(LQI)(LQI)，得出信噪比指标；，得出信噪比指标；n空闲信道评估；空闲信道评估；n收发数据。收发数据。n如何评估信道是否空闲？如何评估信道是否空闲？n方法方法1 1：判断信号的信道能量，低于门限，则为空闲；：判断信号的信道能量，低于门限，则为空闲；n方法方法2 2：判断信号的特征：判断信号的特征( (扩频信号特征和载波频率扩频信号特征和载波频率) )；n方法方法3 3：同时判断信道能量和信号的特征。：同时判断信道能量和信号的特征。6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.2 物理层标准物理层标准nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准定

21、义的信道标准定义的信道n0-260-26共共2727个；跨越个；跨越3 3个频段，具体包括个频段，具体包括2.4GHz2.4GHz频段的频段的1616个个信道、信道、915MHz915MHz频段的频段的1010个信道、个信道、868MHz868MHz频段的频段的1 1个信道。个信道。n信道的频段中心定义信道的频段中心定义 ( (其中其中k k表示信道编号表示信道编号) )：n fc = 868.3MHz k = 0 fc = 868.3MHz k = 0n fc = 906 + 2 fc = 906 + 2(k(k1)MHz k = 11)MHz k = 1，2 2，1010n fc = 24

22、05 + 5 fc = 2405 + 5(k(k11)MHz k = 1111)MHz k = 11，1212，26266.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.2 物理层标准物理层标准 频带 使用范围 数据传输率 信道数2.4 GHz ISM 全世界 250 kbps 16868 MHz 欧洲 20 kbps 1915 MHz ISM 北美 40 kbps 106.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.2 物理层标准物理层标准nZ-Stack中对频道的设置中对频道的设置6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.2 物理层标准物理层标准n物理层服务规范物理层服务规

23、范n物理层物理层(PHY)(PHY)通过射频连接件和硬件提供通过射频连接件和硬件提供MACMAC层和无线物理层和无线物理信道之间的接口。物理层在概念上提供信道之间的接口。物理层在概念上提供“物理层管理实体物理层管理实体(PLME)”(PLME)”，该实体提供了用于调用物理层管理功能的管理，该实体提供了用于调用物理层管理功能的管理服务接口。服务接口。n物理层提供两种服务：物理层提供两种服务：n通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务；通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务；n通过通过PLMEPLME的服务接入点提供物理层的管理服务。的服务接入点提供物理层的管理服务。6.2 IEEE 8

24、02.15.4标准标准 6.2.2 物理层标准物理层标准2 2、物理层帧结构、物理层帧结构前导码由前导码由3232个个0 0组成，用于收发器之间进行同步。组成，用于收发器之间进行同步。帧起始定界符帧起始定界符SFDSFD域由域由8 8位组成，表示同步结束，数据包位组成，表示同步结束，数据包开始传输。开始传输。SFDSFD与前导码构成同步头。与前导码构成同步头。帧长度由帧长度由7 7位组成，表示物理服务数据单元位组成，表示物理服务数据单元PSDUPSDU的字节的字节数。帧长度域和数。帧长度域和1 1位的保留位构成了物理头。位的保留位构成了物理头。PSDUPSDU域是变长的，携带域是变长的，携带P

25、HYPHY数据包的数据，包含介质访问控数据包的数据，包含介质访问控制协议数据单元。制协议数据单元。PSDUPSDU域是物理层的载荷。域是物理层的载荷。4字节字节1字节字节1字节字节变变 长长前导码前导码SFD帧长度帧长度(7位位) 保留位保留位(1位位)PSDU同步头同步头物理帧头物理帧头PHY负载负载6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.2 物理层标准物理层标准0 xA7 127字节承载MAC帧6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准nMACMAC层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责下列层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责下列的任务

26、：的任务：n能产生网络信标如果设备是协调器）能产生网络信标如果设备是协调器）n与信标保持同步与信标保持同步n支持支持PANPAN个人局域网的连接和断开连接个人局域网的连接和断开连接n支持设备的安全性支持设备的安全性n信道接入采用信道接入采用CSMA-CACSMA-CA接入机制接入机制n处理和维护处理和维护GTS(GTS(保护时隙保护时隙) )机制机制n在对等的在对等的MACMAC实体之间提供一个可靠的通信链路单跳）实体之间提供一个可靠的通信链路单跳）nMACMAC层的帧结构层的帧结构nMACMAC层的通用帧结构由帧头、层的通用帧结构由帧头、MACMAC负载和帧尾构成。帧头的负载和帧尾构成。帧头

27、的域都以固定的顺序出现域都以固定的顺序出现n寻址域不一定要在所有帧都出现寻址域不一定要在所有帧都出现6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准210/20/2/80/20/2/8变长变长2帧控制帧控制序列号序列号目标目标PAN标识标识目标目标地址地址源源PAN标识标识源地址源地址帧负载帧负载FCS地址域地址域MHRMAC负载负载MFR包含帧包含帧类型定类型定义、寻义、寻址域和址域和其它控其它控制标志制标志为每个为每个帧提供帧提供唯一的唯一的序列标序列标识识接收接收方的方的唯一唯一PAN地址地址接收接收方短方短地址地址或长或长地址地址发送发送方的方的唯一唯一PAN

28、地址地址发送发送方短方短地址地址或长或长地址地址长度可长度可变，因变，因不同帧不同帧类型其类型其内容各内容各不相同不相同CRC校验码 MAC帧头帧头 地址域地址域020字节）字节）n帧控制域指明了帧控制域指明了MACMAC帧的类型、地址域的格式以及是否需要帧的类型、地址域的格式以及是否需要接收方确认等控制信息。接收方确认等控制信息。0-2帧帧类类型型3平安平安允许允许标志标志4未未处置处置数据数据标志标志5恳求恳求确认确认6PAN内部内部标志标志7-9保保留留10-11目的目的地址地址方式方式12-13保保留留14-15源源地址地址方式方式000:信标帧信标帧001:数据帧数据帧010:确认帧

29、确认帧011:命令帧命令帧1:加密加密0:不加密不加密1:除本除本帧外，帧外，还有后还有后续数据续数据0:无后无后续数据续数据1:需求需求 确认确认0:无需无需 确认确认1:该该MAC帧在本帧在本身所属的身所属的PAN内内传输，帧地址域传输，帧地址域中不包含源中不包含源PAN标识符；标识符；O:该帧是传输到该帧是传输到另一个另一个PAN，帧，帧中必须包含源节中必须包含源节点和目的节点的点和目的节点的PAN标识符。标识符。00:PAN标识符和标识符和 地址子域不存地址子域不存在在01:保管保管10:16位短地址位短地址11:64位物理地位物理地址址6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.

30、2.3 MAC层标准层标准n序列号域的长度为序列号域的长度为8 8位，它是帧的序列标识，由设备自己的位，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，范围帧序列号发生器产生，采用循环计数方式，范围0 0到到0 xFF0 xFF。接收方可以根据此序列号判断接收的帧是否为新帧。接收方可以根据此序列号判断接收的帧是否为新帧。n地址域长度地址域长度0 0到到2020字节，它有四个子域：字节，它有四个子域：n目的目的PANPAN标识符：长度标识符：长度1616位，是接收该帧的设备所在位，是接收该帧的设备所在PANPAN的的唯一标识。当标识符为唯一标识。当标识符为0 xFFFF0 x

31、FFFF时，表示该帧为广播帧，在时，表示该帧为广播帧，在同一信道上的所有设备都可以接收该帧。同一信道上的所有设备都可以接收该帧。n目的地址：是接收帧设备的地址。根据帧地址控制子域不目的地址：是接收帧设备的地址。根据帧地址控制子域不同的情况，目的地址可以为同的情况，目的地址可以为1616位或位或6464位。位。n源源PANPAN标识符：长度标识符：长度1616位，是发送该帧的设备所在位，是发送该帧的设备所在PANPAN的唯的唯一标识符。一标识符。n源地址：是帧发送设备的地址。根据帧地址控制子域不同源地址：是帧发送设备的地址。根据帧地址控制子域不同的情况，目的地址为的情况，目的地址为1616位或位

32、或6464位。位。6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准n有效载荷域即帧传送的数据，若帧的安全控制域值为有效载荷域即帧传送的数据，若帧的安全控制域值为l l，则，则载荷采用载荷采用AES-128AES-128加密方式进行处理。加密方式进行处理。nAESAES内部始终使用内部始终使用1616字节的分组长度，加密时，如果明文字字节的分组长度，加密时，如果明文字节长度不是节长度不是1616的整数倍，要填充到大于该长度的最接近的的整数倍，要填充到大于该长度的最接近的1616的倍数，但是如果刚好等于的倍数，但是如果刚好等于1616的倍数，就额外在添加一的倍数，就额外在

33、添加一个完整的分组，也就是添加个完整的分组，也就是添加1616字节。字节。 6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准n帧校验子域包含一个帧校验子域包含一个1616位的位的CRCCRC校验码。校验码。nunsigned short do_crc(unsigned char unsigned short do_crc(unsigned char * *message, message, unsigned int len) unsigned int len) n int i, j; int i, j;n unsigned short crc_reg = 0; uns

34、igned short crc_reg = 0;n unsigned short current; unsigned short current;n for (i = 0; i len; i+) for (i = 0; i len; i+) n current = messagei 8; current = messagei 8;n for (j = 0; j 8; j+) for (j = 0; j 8; j+) n if (short)(crc_reg current) 0) if (short)(crc_reg current) 0)n crc_reg = (crc_reg 1) crc

35、_reg = (crc_reg 1) 0 x1021;0 x1021;n else elsen crc_reg = 1; crc_reg = 1;n current = 1; current = 1; n n n return crc_reg; return crc_reg; n 6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准CRC的生成多项式：的生成多项式：x16 + x12 + x5 + 11 0001 0000 0010 0001= 0 x1021 (忽略最高位忽略最高位) 16位位CRC计算方法计算方法 1预置预置1个个16位的寄存器为十六进制位的寄存器为十

36、六进制FFFF即全为即全为1）；称此寄存器为）；称此寄存器为CRC寄存器；寄存器；2把第一个把第一个8位二进制数据既通讯信息帧的位二进制数据既通讯信息帧的第一个字节与第一个字节与16位的位的CRC寄存器的低寄存器的低8位位相异或，把结果放于相异或，把结果放于CRC寄存器；寄存器；3把把CRC寄存器的内容逻辑右移一位，并检查寄存器的内容逻辑右移一位，并检查右移后的移出位；右移后的移出位；4如果移出位为如果移出位为0：重复第：重复第3步再次右移一步再次右移一位）；如果移出位为位）；如果移出位为1：CRC寄存器与多项寄存器与多项式式1021(0001 0000 0010 0001)进行异进行异或或;

37、5重复步骤重复步骤3和和4，直到右移，直到右移8次，这样整个次，这样整个8位数据全部进行了处理；位数据全部进行了处理；6重复步骤重复步骤2到步骤到步骤5，进行通讯信息帧下一，进行通讯信息帧下一个字节的处理；个字节的处理；7将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，得到的成后，得到的16位位CRC。 6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准MACMAC层定义了四种帧结构，其长度不超过层定义了四种帧结构，其长度不超过127127字节：字节：信标帧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在信标网络中，协调器通

38、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同步工作和帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步同步工作和同步休眠），以达到网络功耗最低。同步休眠），以达到网络功耗最低。非信标模式只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有非信标模式只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由器必须长期处于工作状态。路由器必须长期处于工作状态。2帧控制帧控制1序列号序列号4/10寻址域寻址域2超帧规范超帧规范变长变长GTS域域变长变长地址域地址域变长变长信标超载信标超载2校验码校验码MHRMAC负载负载MFRnIEEE 802.15.4 MAC协议规定，对于信标网络，在超帧的协议规定，对于

39、信标网络，在超帧的第一个时隙，发送一个信标帧，如果不需要同步，则不发第一个时隙，发送一个信标帧，如果不需要同步，则不发送信标帧。送信标帧。n在超帧结构中，活动时间固定不变，在超帧结构中，活动时间固定不变，CAP和和CFP可变。可变。n时隙长度、时隙长度、CAP时段中时隙个数等参数均由协调器设定，时段中时隙个数等参数均由协调器设定，并在信标帧中广播到整个网络。并在信标帧中广播到整个网络。n在非信标网络中不使用超帧结构，节点采用在非信标网络中不使用超帧结构，节点采用CSMA/CA算算法竞争访问信道法竞争访问信道 ，每个竞争时隙为，每个竞争时隙为20个符号长度。个符号长度。6.2 IEEE 802.

40、15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准GTS0123456789 10 11 12 13 14 15 GTSCFPCAP活动时间活动时间非活动时间非活动时间信标信标竞争访问时间，竞争访问时间，使用带时隙的使用带时隙的CSMA/CA算法算法竞争信道竞争信道非竞争访问时间非竞争访问时间(可可选选) 使用时隙保护使用时隙保护机制机制(GTS)，留给，留给特定设备使用特定设备使用每个符号长度为每个符号长度为4bit时间时间l数据帧数据帧l数据帧由应用层发起，在数据帧由应用层发起，在ZigBee设备之间进行数据传输时设备之间进行数据传输时，要传输的数据由应用层生成，经过逐层数据处理后发送，要传

41、输的数据由应用层生成，经过逐层数据处理后发送给给MAC层，形成层，形成MAC层服务数据单元层服务数据单元(MSDU)。通过添加。通过添加MAC层帧头信息和帧尾，便形成了完整的层帧头信息和帧尾，便形成了完整的MAC数据帧数据帧MPDU。6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准2帧控制帧控制1序列号序列号4/10寻址域寻址域变长变长数据负载数据负载2校验码校验码MHRMAC负载负载MFRn确认帧确认帧n如果设备收到目的地址为自身地址的数据帧或命令帧，并如果设备收到目的地址为自身地址的数据帧或命令帧，并且帧的确认请求位为且帧的确认请求位为1，设备需要回复一个确认帧。

42、，设备需要回复一个确认帧。n确认帧紧接着被确认的帧发送，不需要使用确认帧紧接着被确认的帧发送，不需要使用CSMA/CA机机制竞争信道。制竞争信道。6.2 IEEE 802.15.4标准标准 6.2.3 MAC层标准层标准2帧控制帧控制1序列号序列号2校验码校验码MHRMFRn命令帧命令帧nMAC命令帧由命令帧由MAC子层发起。在子层发起。在ZigBee网络中，为了对网络中，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设备的工作状态进行控制，同网络中的其他设备进行通信，MAC层将根据命令类型生成相应的命令帧。层将根据命令类型生成相应的命令帧。6.2 IEEE 802.15.4标准标准

43、 6.2.3 MAC层标准层标准2帧控制帧控制1序列号序列号4/10寻址域寻址域1命令帧标识命令帧标识变长变长命令负载命令负载2校验码校验码MHRMAC负载负载MFRnIEEE 802.15.4标准包括标准包括n物理层物理层nMAC层层n学习要求学习要求n理解物理层的信道分配方案及任务，掌握物理解物理层的信道分配方案及任务，掌握物理层的帧结构，各字段的作用。理层的帧结构，各字段的作用。n理解理解MAC层的任务，掌握层的任务，掌握MAC层四种类型层四种类型的帧结构及作用。的帧结构及作用。6.2 IEEE 802.15.4标准标准 小结小结解决信道评估和数据收发问题解决信道评估和数据收发问题解决网

44、络接入问题解决网络接入问题1、ZigBee的由来的由来ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。低价格的无线网络方案。在在ZigBee方案被提出一段时间后，方案被提出一段时间后，IEEE 802.15.4工作组也工作组也开始了一种低速率无线通信标准的制定工作。最终开始了一种低速率无线通信标准的制定工作。最终Zigbee联盟和联盟和IEEE 802.15.4工作组决定合作共同制定一种通信工作组决定合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为协议标准，该协议标准被命名为“ZigBee”。6.3 ZigBee

45、协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述nZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下正线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下正常工作几个月甚至几年。常工作几个月甚至几年。nZigBee无线设备工作在公共频段上无线设备工作在公共频段上(全球全球2.4GHz、美国、美国915MHz、欧洲、欧洲868MHz)，传输距离为，传输距离为1075m，具体数，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。nZigBee的通信速率在的通信

46、速率在2.4GHz时为时为250kbps，在，在915MHz时为时为40kbps，在，在868MHz时为时为20kbps。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述2、ZigBee协议框架协议框架ZigBee协议栈自上而下由应用层包括应用子层、应用架构协议栈自上而下由应用层包括应用子层、应用架构和和ZigBee设备对象）、网络层、设备对象）、网络层、MAC层和物理层组成。层和物理层组成。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述运用运用对象对象1运用运用对象对象240应用架构应用架构AF应用子层应用子层APS网络层网络层WNKMAC层层物

47、理层物理层PHYZigBee设备设备对象对象ZDO应用层应用层IEEE802.15.4ZigBee联盟联盟n特殊应用对象特殊应用对象n应用对象应用对象0：用于整个：用于整个ZigBee设备的配置和设备的配置和管理，附属于对象管理，附属于对象0的对象称为的对象称为ZigBee设备设备对象对象(ZDO)。n应用对象应用对象255：用于对所有对象的广播：用于对所有对象的广播n应用对象应用对象241254：保管：保管6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述nZigBee协议主要界定了网络、安全和应用框架层。协议主要界定了网络、安全和应用框架层。n支持三种拓扑结构：支持三种

48、拓扑结构：n星型星型(Star)构造，可提供很长时间的电池使用寿命。构造，可提供很长时间的电池使用寿命。n网状网状(Mesh)构造，有多条传输路径，具有较高的可靠性。构造，有多条传输路径，具有较高的可靠性。n簇树型簇树型(Cluster Tree)构造，结合了星型和网状型结构，既构造，结合了星型和网状型结构，既有较高的可靠性，又节省电池能量。有较高的可靠性，又节省电池能量。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述星型星型网状型网状型簇状型簇状型协调器协调器路由器路由器终端设备终端设备n按节点在网络中担当的角色按节点在网络中担当的角色n协调器负责发起并维护一个无线网

49、络，识别协调器负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络。网络中的设备加入网络。n路由器支撑网络链路结构，完成数据包的转路由器支撑网络链路结构，完成数据包的转发。发。n终端设备是网络的感知者和执行者，负责数终端设备是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。据采集和可执行的网络动作。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述n按节点的复杂程度按节点的复杂程度n全功能设备全功能设备FFD是一种功能完备的设备，可是一种功能完备的设备，可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其它的完成路由任务，充当网络协调器。它可与其它的功能完备型设备或功能简化型设备

50、连接通信，一功能完备型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。般接有线电源。n简化功能设备简化功能设备RFD是网络中简单的发送接收是网络中简单的发送接收节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设备节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。连接通信。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述n星型拓扑结构星型拓扑结构n由一个协调器和多个从设备组成，主协调器由一个协调器和多个从设备组成，主协调器必须为一个必须为一个FFD，从设备既可为，从设备既可为FFD也可为也可为RFD。n在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的的6

51、4位长地址位长地址IEEE地址和一个地址和一个16位的位的短地址。短地址。n短地址是一个相对地址，长地址是一个绝对短地址是一个相对地址，长地址是一个绝对地址。地址。n在在ZigBee技术应用中，技术应用中，PAN主协调器是主主协调器是主要的耗能设备，其他从设备均采用电池供电要的耗能设备，其他从设备均采用电池供电。nZigBee技术的星型拓扑结构通常在家庭自技术的星型拓扑结构通常在家庭自动化、动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。健康检查等方面得到应用。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述n网状拓扑结构网状拓扑

52、结构n同样也存一个协调器作为主设备，但不同于同样也存一个协调器作为主设备，但不同于星型网络，在网状网络中的任何一个设备，星型网络，在网状网络中的任何一个设备，只要是在它的通信范围内，就可以和其它设只要是在它的通信范围内，就可以和其它设备通信。备通信。n网状网络能够构成较为复杂的网络结构。网状网络能够构成较为复杂的网络结构。n一个对等网络的路由协议可以是基于一个对等网络的路由协议可以是基于Ad hoc技术的，也可以是自组织式的和自技术的，也可以是自组织式的和自恢复的，并且，在网络中各个设备之间发送恢复的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进消息时，可通过多个中间设

53、备中继的方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。大网络的覆盖范围。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述n树状拓扑结构树状拓扑结构n由一个协调器，多个路由器和多个终端设备由一个协调器，多个路由器和多个终端设备组成，组成，n在建立一个网络时，主协调器将其自身设置在建立一个网络时，主协调器将其自身设置成簇标识符为成簇标识符为0的簇头，选择一个没有使用的簇头，选择一个没有使用的的PAN标识符，并向邻近设备以广播的形式标识符，并向邻近设备以广播的形式发送信标帧，从而形成第一簇网络。发送信标帧，从而形成第一簇网络

54、。n收到信标帧的设备在簇头中请求加入该网络收到信标帧的设备在簇头中请求加入该网络，如果协调器允许加入，那么主协调器会将，如果协调器允许加入，那么主协调器会将该设备作为其子节点加到它的邻近表中，同该设备作为其子节点加到它的邻近表中，同时，请求加入的设备将主协调器作为它的父时，请求加入的设备将主协调器作为它的父节点加到邻近列表中，成为该网络中的一个节点加到邻近列表中，成为该网络中的一个从设备；同样，其他的所有候选设备都按照从设备；同样，其他的所有候选设备都按照同样的方式，请求加入到该网络中，作为网同样的方式，请求加入到该网络中，作为网络的从设备。络的从设备。n树状网络结构的优点在于可以增加网络的覆

55、树状网络结构的优点在于可以增加网络的覆盖范围，缺点是会增加传输信息的延迟时间盖范围，缺点是会增加传输信息的延迟时间。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述3、ZigBee的技术特点的技术特点(1)数据传输速率低数据传输速率低: (20250kbps)，专注于低速应用。，专注于低速应用。(2)有效范围小：有效覆盖范围有效范围小：有效覆盖范围1075m之间。之间。(3)工作频段灵活：使用的频段分别为工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz (全球全球) 、868MHz(欧洲欧洲)及及915MHz(北美北美)，均为，均为ISM频段。频段。(4)省电：由于工作周期很短

56、，收发信息功耗较低，以及采省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，用了休眠模式，ZigBee可确保两节五号电池支持长达可确保两节五号电池支持长达6个月至个月至2年左右的使用时间。年左右的使用时间。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.1 ZigBee概述概述(5) 可靠：采用碰撞避免机制，避免发送时的竞争和冲突。可靠：采用碰撞避免机制，避免发送时的竞争和冲突。(6) 成本低：由于数据传输速率低，协议简单，降低了成本，成本低：由于数据传输速率低，协议简单，降低了成本，另外使用另外使用ZigBee协议可免专利费。协议可免专利费。(7) 时延短：设备搜索时延的典型值为时

57、延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延，休眠激活时延的典型值是的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为，活动设备信道接入时延为15ms。(8) 网络容量大：一个网络容量大：一个ZigBee网络可容纳多达网络可容纳多达254个从设备个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个个ZigBee网络。网络。(9) 平安：平安：ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求配置。，应用层安全属性可根据需求配置。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6

58、.3.1 ZigBee概述概述1、ZigBee网络层网络层NWK功能功能节点加入、离开网络的管理；节点加入、离开网络的管理；帧的安全机制管理帧的安全机制管理根据路由发送帧到目的节点根据路由发送帧到目的节点发现和维护路由发现和维护路由发现邻居节点和维护邻居节点信息发现邻居节点和维护邻居节点信息ZigBee执行基于用于执行基于用于AODV专用网络的路由协议。专用网络的路由协议。6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 网络层规范网络层规范2 2、网络层向应用层提供的服务、网络层向应用层提供的服务网络层数据实体网络层数据实体(NLDE)(NLDE)提供数据传输服务提供数据传输服务网络层管理实

59、体网络层管理实体(NLME)(NLME)提供网络管理服务提供网络管理服务6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2 网络层规范网络层规范l网络层数据实体网络层数据实体 提供数据传输服务提供数据传输服务l符合按照应用协议数据单元符合按照应用协议数据单元(APDU)的格式的格式l在同一个网络中的单个或多个设备之间传送在同一个网络中的单个或多个设备之间传送 l传送目标可以是终端设备，也可以是中间设传送目标可以是终端设备，也可以是中间设备备l应用协议数据单元应用协议数据单元(Application Protocol Data Unit ，APDU)6.3 ZigBee协议标准协议标准 6.3.2

60、 网络层规范网络层规范APDU头头地址信息地址信息APDU有效负载有效负载4字节字节16字节字节可变长度可变长度命令信息命令信息数据源和目标数据源和目标的的IEEE地址地址有效数据，如有效数据，如测量值等。测量值等。l网络层管理实体网络层管理实体 提供网络管理服务提供网络管理服务l配置一个新的设备配置一个新的设备: 对设备初始化对设备初始化l加入或离开网络加入或离开网络 l寻址寻址: 协调器和路由器为新入网络设备分配协调器和路由器为新入网络设备分配地址地址l邻居发现邻居发现: 发现、记录和汇报一跳邻居设备发现、记录和汇报一跳邻居设备的信息的信息l接收控制接收控制: 控制接收机的接收状态控制接收