zigbee协议栈详解教学课件

1、ZigBee协议栈详解目标：本章在向学员介绍物联网体系中传输层所使用的相关技术，通过本课的学习，学员应该掌握如下知识： IP协议栈的应用 WLAN无线网络应用学时：4大纲协议栈内部结构IEEE802.15.4 标准和 ZigBee 协议协议栈软件总体设计网络层（NWK）设计应用层MAC 层设计物理层（PHY）设计ZigBee协议套件的基本需求8位处理器协议栈简介紧凑 4K-32k网络主节点容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。协议栈结构图ZigBee协议栈软件ZigBee协议栈软件目录结构各个目录的含义APP: 应用层目录，一般就在此目录中创建项目HA

2、L: 硬件抽象层目录，对硬件的变动需修改该目录的内部文件MAC: MAC层目录，包含MAC层的参数配置文件和MAC的LIB库的接口文件。MT: 监控调试层目录，该目录下的文件实现通过串口调试各层。NWK: 网络层目录，包含NWK层的参数配置文件和NWK层的LIB库的接口文件，及APS层库的函数接口。OSAL: 协议栈的操作系统。Profile: AF层目录，包含AF层处理函数接口文件。Security: 安全层目录，包含安全层处理函数接口文件Services: ZigBee和802.15.4设备的地址处理函数目录，包含地址模式的定义及地址处理函数。Tools: 工程配置目录，包含空间划分及Z-

3、Stack相关配置信息。Zmain: Zmain目录，包含整个项目的入口函数main（）。ZigBee协议栈操作系统C/OS-II操作系统C/OS-II 操作系统是一种性能优良、源码公开且被广泛应用的免费嵌入式操作系统30。2002 年 7 月，C/OS-II 在一个航空项目中得到了美国联邦航空管理局对于商用飞机的、符合 RTCA DO2178B 标准的认证。它是一种结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统，内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能31，具有可移植性、可裁减、可剥夺性、可确定性等特点。ZigBee协议栈操作系统TinyOS 操作系统为了解决

4、缺少系统软件的问题，加州大学的伯利克分校为无线传感器网络专门开发了 TinyOS（Tiny Micro Threading Operating System）。它是一个开源的嵌入式操作系统。目前在全世界的范围内，有超过 500 个研究小组或者公司正在Berkeley/Crossbow的节点上使用TinyOS。它的特点是体积小、结构高度模块化、基于组件的架构方式、低功耗等，这使得它能够突破传感器节点各种苛刻的限制，可快速实现各种应用，非常适合无线传感器网络（WSN）的特点和应用需求，因而被广泛应用于 WSN 中，并成为很多系统的参考设计。目前 TinyOS 系统支持的平台只有 ATMEL 公司的

5、 AVR 系列、TI 公司的MSP430系列。由于TinyOS操作系统还没有对Chipcon公司提供CC2430开发平台提供支持，因此，要在 CC2530 开发平台上使用 TinyOS 系统来开发 ZigBee 协议栈软件，就必须首先对 TinyOS 进行移植。挪威半导体公司 Chipcon（已经被 TI 公司收购）ZigBee协议栈操作系统OSAL Z-Stack 协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层 OSAL 的协议栈调度程序。OSAL(Operating System Abstraction Layer)，翻译为“操作系统抽象层”，OSAL就是以实现多任务为核心的系统资源管理机制。所以O

6、SAL与标准的操作系统还是有很大的区别的。简单而言，OSAL实现了类似操作系统的某些功能，但并不能称之为真正意义上的操作系统。协议栈主要流程见Zmain.c中的main函数初始化后调用函数osal_start_system(); /no return from here开始对任务进行轮询用户开发程序所需修改的文件任务协议栈中的每一层都设计了一个事件处理函数，用来处理与这一层操作相关的各种事件。将这些事件处理函数看成是与协议栈每一层相对应的任务，由 ZigBee 协议栈中调度程序 OSAL 来进行管理。读代码如何添加新任务在z-stack2007中如果想添加新任务，更新数组tasksArr即可，

7、在其中加入新的执行程序函数，数组的下标顺序就是任务的优先级。数组tasksEvents跟tasksArr一一对应，表明某个任务在任务调度中是否应该执行。如果为0表示不执行，当任务执行完时会自动清0。因为各层的处理任务已经添加好了，应用程序只需更新SampleApp_ProcessEvent即可。nwk_event_loop、macEventLoop等是非开源的，用户不需要改。读代码任务调度对于协议栈来说，无论何时发生了何种事件，我们都可以通过调度协议栈相应层的任务，即事件处理函数来进行处理。这样，整个协议栈便会按照时间顺序有条不紊的运行。ZigBee协议栈的实时性要求并不高，因此在设计任务调度

8、程序时，OSAL只采用了轮询任务调度队列的方法来进行任务调度管理。这个轮询就存在于osal_start_system( )函数中重视优先级的调度方式读代码 do if (tasksEventsidx) / Task is highest priority that is ready. break; while (+idx tasksCnt);OSAL的“心跳”在OSAL的死循环中，各个事件只是在某些特定的情况下发生，如果OSAL一刻不停去轮询去处理这些应用程序，迟早会累死（热量，功耗，寿命），这样做是完全没有必要的。所以这里就引入了心跳的概念，也就是OS的时钟节奏。OSAL时钟由定时器来实现，

9、当定时器中断产生时会更新tasksEvents，告诉系统那些任务需要执行。设备初始化：SampleApp_Init初始化函数主要完成，硬件的初始化，表初始化，上电等原形： void SampleApp_Init( uint8 task_id ) 函数中SampleApp_NwkState = DEV_INIT; 表明设备状态，如果是DEV_INIT，那么它就要去检测整个环境，看是否能重新建立或者加入存在的网络。数据发送数据：AF_DataRequest这个函数是AF框架下的数据包发送请求，函数逐步构造一个应用层的数据包，然后调用下APS层函数APSDE_DataReq发送数据包。消息处理函数

10、SampleApp_ProcessEvent在每次轮询时被执行一次调用osal_msg_receive接收消息对接收到的消息分别处理消息由osal_msg_send发出ZigBee回顾ZigBee协议栈建立在IEEE802.15.4的PHY层和MAC子层规范之上。它实现了网络层（networklayer，NWK）和应用层（applicationlayer，APL）。在应用层内提供了应用支持子层（applicationsupportsub-layer，APS）和 ZigBee 设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。ZigBee协议栈

11、的不同层与802.15.4MAC通过服务接入点（SAP）进行通信。SAP是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。协议栈体系结构Zigbee报文格式应用层（APL）APL是整个协议栈的最高层，包含应用支持子层（applicationsupportsub-layer，APS） ZigBee 设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）厂商自定义的应用对象。应用支持子层 APS APS提供了两个接口应用支持子层数据实体服务访问点（APSDE-SAP)应用支持子层管理实体服务访问点（APSME-SAP）APS主要负责维护设备绑定表设备绑定表能够根据设备的服务和需求将两个设备进行匹配APS

12、根据设备绑定表能够在被绑定在一起的设备之间进行消息传递。分裂、重新组装和可靠数据传输地址映射来自于64位IEEE地址和16位网络地址ZigBee 设备对象（ZDO）负责定义网络中设备的角色，如：协调器或者终端设备对绑定请求的初始化或者响应。在网络设备之间建立安全联系在网络中发现设备和决定供给哪个应用服务实现这些功能，ZDO 使用 APS 层的 APSDE-SAP 和网络层的 NLME-SAP。ZDO 是特殊的应用对象，它在端点(endpoint)0 上实现。厂商自定义的应用对象实际上就是运行在 ZigBee 协议栈上的应用程序。这些应用程序使用ZigBee联盟给出的并且批准的规范(profil

13、e)进行开发并且运行在端点 1-240 上。NWK层NWK层是协议栈实现的核心层负责网络的建立设备的加入路由搜索消息传递这些功能将通过网络层数据服务访问点 NLDE-SAP和网络层管理服务访问点 NLME-SAP 向协议栈的应用层提供相应的服务。 ZigBee协议基本术语端点(EndPoint)在ZigBee网络中每个设备都是一个节点，每个节点具有唯一的一个IEEE地址（64位）和一个网络地址（16位）。网络中的其他节点发送数据时必须指定目标节点的短地址，数据才能被接收。每个节点有241个端点，其中端点0由ZDO层使用，它是不可缺少的。端点1240由应用程序分配使用，在ZigBee网络中应用程

14、序必须登记注册一个或多个端点，这样才能发送和接收数据。Profile & ClusterProfile 是对逻辑设备及其接口描述的集合，是面向某个具体应用类别的公约、准则。Profile ID 由ZigBee 联盟管理目前 ZigBee 制定的标准规范只有家庭照明控制灯的规范，其他规范正在完善 ZigBee绑定（binding）操作在 ZigBee 协议中定义了一种特殊的操作，叫做绑定（binding）操作。它能够通过使用 ClusterID 为不同节点上的独立端点建立一个逻辑上的连接。Zigbee绑定操作ZigBee协议栈各层帧结构之间的关系在 ZigBee 协议栈中，任何通信数据都是利用帧

15、的格式来组织的。协议栈的每一层都有特定的帧结构。当应用程序需要发送数据时，它将通过 APS 数据实体发送数据请求到 APS。随后在它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。原语的概念ZigBee 协议按照开放系统互联的 7 层模型将协议分成了一系列的层结构，各层之间通过相应的服务访问点来提供服务。这样使得处于协议中的不同层能够根据各自的功能进行独立的运作，从而使整个协议栈的结构变得清晰明朗。另一方面，由于 ZigBee 协议栈是一个有机的整体，任何 ZigBee 设备要能够正确无误的工作，就要求协议栈各层之间共同协作。因此，层与层之间的信息交互就显得十分重要。ZigBee 协

16、议为了实现层与层之间的关联，采用了称为服务“原语”的操作。原语的概念层与层之间的原语一般情况下可以分为 4 种类型：请求：请求原语从 N1 用户发送到它的 N 层，请求发起一个服务。指示：指示原语从 N 层到 N2 用户，指示一个对 N2 用户有重要意义外部 N层事件。这个事件可能与一个远程的服务请求有关，或者由内部事件产生。响应：响应原语由 N2 用户向它的 N 层传递，用来响应上一个由指示原语引起的过程。确认：确认原语由 N 层向 N1 用户传递，用来传递与前面一个或多个服务请求相关的执行结果。网络层网络层帧结构网络层的帧格式，一般说来，主要由两部分构成。一部分是帧头，另一部分是帧载荷。网

17、络层帧结构帧类型由比特 1 和比特 0 决定，其意义是：00 表示数据帧；01 表示网络层命令帧；10，11：保留。路由搜索域中 1 表示支持路由搜索；0 表示抑制路由搜索。安全子域中 1 表示使用安全操作；0 表示不使用安全操作。网络帧帧头中广播半径域只有在目的地址为广播地址即 0 xFFFF 时才存在。其值限定了帧广播的范围。每接收一次该帧时，其值减少 1。当值为 0 时，不再发送广播包。广播序列号的存在条件与广播半径域相同，要求目的地址为广播地址0 xFFFF。每传送一次新的广播包时，该序列号加1。网络层服务实体网络层包括两个服务实体，分别是网络层数据实体（NLDE）和网络层管理实体（N

18、LME）。NLDE 提供数据传送服务NLME 提供管理服务。NLME 同时负责网络层数据库数据信息基础（networkinformationbase，NIB）NLDE提供的服务生成网络层的协议数据单元（NPDU）：NLDE 从 APS 接收到应用层协议数据单元后，通过添加网络层帧头，可以生成网络层协议数据单元。指定拓扑路由：NLDE 能够将数据发送到适当的设备。这个设备或者是通信的目标设备，或者是朝着最终通信目标路径上的下一跳设备。NLME提供的服务配置一个新的设备：为保证设备正常工作，设备应该能够配置具有足够的堆栈。配置选项包括作为一个 ZigBee 协调器或者加入一个已经存在的网络中。开启

19、一个新的网络：有能力建立一个新的网络。加入或离开网络：能够连接或断开一个网络，以及作为 ZigBee 协调器或ZigBee路由器，具有要求设备同网络断开的能力。寻址：ZigBee 的协调器和路由器有能力为加入网络中的设备分配地址。搜索邻居设备：搜索、记录和报告在一跳范围内一个设备的邻居设备的信息。路由搜索：有能力去搜索和记录有效传送信息的网络路由接收控制：能够控制接收机什么时候使能，保持多长时间，使 MAC 层能够同步或者正常接收等。建立一个新网络流程建立新网络主要函数NLME_NetworkFormationRequest(uint32 ScanChannels,byte ScanDurat

20、ion,byte BeaconOrder,uint16 PanId,byte BatteryLifeExtension );子设备加入网络方式当网络中具有从属关系的设备允许一个新设备加入时，便形成了一个父子关系。新设备将成为子设备。子设备加入网络方法：子设备通过MAC层关联过程加入网络子设备通过先前指派的父设备直接加入网络通过MAC层关联方式加入网络加入网络主要函数extern void NLME_NetworkDiscoveryRequest(uint32 ScanChannels,byte ScanDuration);extern void NLME_JoinRequest(uint16

21、PanId,byte JoinAsRouter,byte RejoinNetwork,uint32 ScanChannel,byte ScanDuration,byte PowerSource,byte RxOnWhenIdle,byte MACSecurity); 通过指定网络地址加入或重新加入网络 设备离开网络设备离开网络有两种方式设备自身离开网络父设备请求子设备离开网络 设备自身离开网络 强制子设备离开网络网络层数据服务功能实现网络层收发数据之前先要进行连接。可以通过下面函数进行数据发送extern void NLDE_DataRequest(uint16 DstAddr,byte ns

22、duLength,byte *nsdu,byte nsduHandle,byte BroadcastRadius,byte DiscoverRoute,byte SecurityEnable );IEEE802.15.4 标准和 ZigBee 协议IEEE 802.15.4标准概述网络组成及拓扑结构 协议栈架构 功能概述 物理层规范信道分配及调制方式 物理层帧格式 物理层功能实现 MAC子层规范MAC子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式 MAC子层的功能实现 IEEE 802.15.4标准目标：为在个人操作空间（POS）内相互连通的无线设备提供通信标准。IEEE 802.15任务组TG1：制

23、定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准。TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线局域网标准）的共存问题TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准的主要特征：实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；支持星型和点到点两种拓扑结构；在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中

24、16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）机制；采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；支持ACK机制以保证可靠传输；低功耗机制；信道能量检测（Energy Detection，ED）；链路质量指示（Link quality indication，LQI）；工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有

25、3个信道；数据安全策略。IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合。全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）协调器：与RFD相关联的FFD设备PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发IEEE 802.15.4标准所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯网络协调器持续供电，其他设备电池供电适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用星型拓扑结构 IEEE 802.15.4标准任何两个设备之间都可以通讯网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能

26、允许多跳路由的方式传输数据适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）点到点拓扑结构 IEEE 802.15.4标准基于开放系统互连模型（OSI）每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务物理层由射频收发器和底层的控制模块组成数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务LLC为应用层提供链路层服务IEEE 802.15.4 协议栈架构IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准功能概述超帧结构数据传输模型MAC层帧结构

27、数据可靠传输机制低功耗策略数据的安全服务 IEEE 802.15.4标准以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分不活跃阶段：设备进入休眠状态活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽CSMA-CA访问机制；IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准概述网络组成及拓扑结构 协议栈架构 功能概述 物理层规范信道分配及调制方式 物理层帧格式 物理层功能实现 MAC子层规范MAC子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式 MAC子层的功能实现 IEEE 802.1

28、5.4标准信道分配和调制方式频段 (MHz)扩频参数数据参数片速率 (kchip/s)调制方式比特速率 (kb/s)符号速率 (ksymbol/s)符号868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制868868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902928*1600ASK250505-bitSPSS868868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902928*1000O-QPSK25062.516-ary正交24002483.52000O-QPSK25062.516-ary正交注：*项为可选项目，系802.15.4-2006

29、新增内容IEEE 802.15.4标准Ocets：4 字节1 字节1 字节可变前导码（preamble）SFD （帧起始分隔符）固定值：OXA7Frame length(7 比特)Reserved(1 比特)PSDU同步头(SHR)物理帧头(PHR)PHY 负载物理帧格式IEEE 802.15.4标准物理层功能实现数据的发送与接收物理信道的能量检测(ED：Energy Detection)射频收发器的激活与关闭空闲信道评估(CCA：clear channel assessment)链路质量指示(LQI：link quality indication)物理层属性参数的获取与设置IEEE 802.

30、15.4标准IEEE 802.15.4标准概述网络组成及拓扑结构 协议栈架构 功能概述 物理层规范信道分配及调制方式 物理层帧格式 物理层功能实现 MAC子层规范MAC子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式 MAC子层的功能实现 IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准的MAC子层功能采用CSMA-CA机制来访问物理信道；协调器对网络的建立与维护；支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；间接传输的实现(Transaction handling)；在两个MAC实体之间提供数据可

31、靠传输；可选的GTS支持；支持安全机制；IEEE 802.15.4标准中间协调器接收和发送信标帧IEEE 802.15.4标准MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输帧组成地址格式：16位短地址和64位扩展地址帧控制字段的内容指示地址类型帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧IEEE 802.15.4标准信标帧格式超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口IE

32、EE 802.15.4标准数据帧格式传输上层发送到MAC子层的数据MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层MAC帧： MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息IEEE 802.15.4标准确认帧格式如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。IEEE 802.15.4标准命令帧格式命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。命令帧有9种类型。命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。命令

33、帧的具体功能由帧的负载数据表示。IEEE 802.15.4标准MAC子层功能实现PAN的建立与维护关联请求与取消与信标帧的同步数据的间接传输方式数据的发送，接收与重传GTS的分配与管理MAC子层PIB的维护MAC子层的安全策略11.2.3 ZigBee协议栈八、ZigBee地址分配 16位的地址意味着可以分配给65536个节点之多，地址的分配取决于整个网络的架构，整个网络的架构由这3个值决定：1.网络的最大深度（Lm）；2.每个父亲设备拥有的孩子数（Cm）；3.第2条的孩子设备当中有几个是路由器（Rm）； 有了这3个值就可以根据下面的公式来算出某父设备的路由器子设备之间的地址间隔Cskip(d

34、): 计算终端地址：这个公式是来计算A parent这个父亲设备分配的第n个终端设备的地址An。11.5 ZigBee应用实例实例1：结合GPRS的无线传输一、系统概述 利用GPRS网络传输基于Zigbee无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计，网络采用星形或MESH网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每个Zigbee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率，并利用GPRS网络传输汇节点的数据，改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制，使网络具有非常明显的优势； 利用Zigbee技术优势组建无线传感器网络数据传输网，并可

35、以按照区域布置不同的汇接点，这个汇接点就是Zigbee的中心节点；远程管理中心通过GPRS等公共信道与Zigbee网络实现远程通信，通过GPRS网络获得采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。11.5 ZigBee应用实例实例1：结合GPRS的无线传输二、系统应用无线传感器网络 WSN远程数据采集远程控制网络远程监测监控系统远程急抄系统11.5 ZigBee应用实例实例2：医疗监护一、系统概述 利用Zigbee技术组成一个网状路由网络，在楼道设置合适的路由节点，进行数据的中转；房间内的呼叫节点采用星型网络连接，由其中一个节点作为Zigbee路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发； 所有的Zigbee路由器组成一个蜂窝网状网络，再与Zigbee中心节点连接，中心节点设置在管理中心，构建成一个完整的Zigbee无线网络，是一个通信非常可靠的网络结构。二、系统应用医院医疗监护医疗仪器数据采集11.5 ZigBee应用实例实例3：无线点餐一、系统概述 餐厅Zigbee无线节点网络，通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、处理中心部署的Zigbee