zigbee快速入门PPT

1、ZigBee快速入门,主要内容： 1.ZigBee是什么？ 2.ZigBee协议栈 3.ZigBee网络 4.应用规范，簇和端点 5.ZigBee安全,2,2020/8/2,1.ZigBee是什么？,ZigBee和IEEE802.15.4是基于标准的协议，它们为无线传感器网络应用提供所需要的网络基础设施。 802.15.4定义了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层，ZigBee定义了网络（NWK）层和应用层（APL）。 对于传感器网络应用，关键的设计要求围绕着电池寿命长，成本低，占地面积小和网状网络等问题，以支持在一个互操作多应用环境中大量设备之间的通信。,3,2020/8/2,1.1典

2、型应用,ZigBee无线网状网络的冗余、自配置和自愈能力对许多应用来说是非常理想的，主要 包括： 能源管理和提高效率提供更多的信息和控制能源使用，为用户提供更好的服务 和更多的选择机会，更好地管理资源，帮助减少对环境的冲击。 家居自动化提供对照明、采暖、制冷、安全和家庭娱乐系统更灵活的管理。 楼宇自动化整合并集中管理照明、采暖、制冷和安全。 工业自动化扩大现有的生产和过程控制系统可靠性。 ZigBee的互用性意味着这些应用可以一起工作，提供更大的好处。,4,2020/8/2,5,2020/8/2,1.2 ZigBee目标,ZigBee标准被开发以解决以下需求： 低成本 安全 可靠和自愈 灵活可

3、扩展 低功耗 容易且不昂贵的部署 使用全球无限制无线电频段 智能化的网络建立和信息路由,6,2020/8/2,1.3 关于ZigBee联盟,ZigBee联盟是一个由285家公司一起工作的联合体，以实现基于一个开放的全球标准 的、可靠的、具有成本效益、低功耗、无线网络的、检测和控制产品。其重点是以下方面： 定义网络、安全及应用软件层 提供互操作性和一致性测试规范 全球性地促进ZigBee品牌以建立市场意识 管理该技术的发展,7,2020/8/2,1.ZigBee是什么？ 2.ZigBee协议栈 3.ZigBee网络 4.应用规范，簇和端点 5.ZigBee安全,8,2020/8/2,2.ZigB

4、ee协议栈,ZigBee位于IEEE802.15.4物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层的上面： ZigBee协议栈 ：见下页图 每一层为它的上层提供一套特定的服务。每一个服务实体通过一个服务访问点（SAP）为上层提供服务。,9,2020/8/2,10,2020/8/2,11,2020/8/2,2.1 ZigBee,IEEE802.15.4,12,2020/8/2,2.1 ZigBee,ZigBee协议栈的顶层由应用框架、ZigBee设备对象ZDO和应用支持APS子层组成。 应用框架 AF 为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，为每个应用对象提供了键值对（KVP）服务和报文（

5、MSG）服务两种服务供数据传输使用。 提供了一个如何在ZigBee协议栈上建立一个规范（以帮助确保该规范可以产生一种前 后一致的方式）的描述。 它也规定了规范的一系列的标准数据类型，协助服务发现的描述符， 传输数据的帧格式，和一个键值对结构以快速开发基于属性的简单规范。 应用对象 在一个端点上的软件，它控制ZigBee设备。 一个单一的ZigBee节点可支持多达240个 应用对象。 每一个应用对象支持的端点编号为1240 。,13,2020/8/2,ZigBee设备对象 ZDO 可以看成是一种公共的应用，提供了一个公共的功能集，供用户自定义的应用对象调用APS子层的服务及NWK层的服务，相关提

6、供的功能包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等，负责初始化APS子层及网络层。 定义一个设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发起和/或回应绑定和发 现请求，并在网络设备间建立一个安全关系。 它也提供定义在ZigBee设备规范（用于ZigBee 试运转）里的一套丰富的管理指令。 ZigBee设备对象总是为端点0 ZigBee设备对象管理面板 使用ZigBee设备对象促进应用支持子层和网络层之间的联系。 允许ZigBee设备对象处 理为网络访问和安全的来自应用的请求，使用ZDP（ZigBee设备规范）信息。,14,2020/8/2,应用支持（APS）子层 负责提供一个数据服务给应用和Z

7、igBee设备规范。它也提供一个管理服务以维护绑定链接和它自己绑定表的存储。 数据服务负责设备间APDU传输； 管理服务负责维护绑定表、实现绑定、设备发现等功能。 安全服务提供者（SSP） 为使用加密的层（网络层和应用支持子层）提供安全机制。通过ZDO来初始化和配置。,15,2020/8/2,网络层（NWK） 通过在MAC层的调用行动来处理网络地址和路由。它的任务包括启动网络（协调器）、 分配网络地址、添加和删除网络设备、路由信息、请求安全和执行路由发现。 处理NPDU； 组网管理： 网络建立、地址分配、节点入网、节点离网 信息路由： 路径发现、路径维护、信息单播、信息广播,16,2020/8

8、/2,2.2 IEEE 802.15.4 （MAC）,媒体访问控制层（MAC） 负责为一个节点和它的直接近邻之间提供可靠通讯，帮助避免碰撞和提高效率。MAC 层也负责组装和分解数据包和帧。 处理MPDU； 提供MAC层数据传输机制:CSMA-CA、应答机制 三种扫描机制(ED、ACTIVE/PASSIVE、ORPHAN) 关联与退出关联；,ED:信道能量检测 ACTIVE: 检索周边双亲信息 non-beacon-enabled PASSIVE:监听周边双亲信息 beacon-enabled ORPHAN：孤儿重新检索原关联双亲 CSMA-CA:载波检测机制和随机退避规则,17,2020/8/

9、2,2.2 IEEE 802.15.4 （PHY）,物理层（PHY） 提供接口给物理传输介质，物理层由两个层组成，它们运行在不同 的频率范围。868MHz /915MHz、2.4GHz。 主要功能： 信道选择； 信道能量检测（energy detect, ED）； 空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）； 无线信道收发数据（PHY Protocol Data Unit, PPDU）； 接收包链路质量的检测（link quality indication, LQI）；,18,2020/8/2,19,2020/8/2,20,2020/8/2,1.ZigBee是什

10、么？ 2.ZigBee协议栈 3.ZigBee网络 4.应用规范，簇和端点 5.ZigBee安全,21,2020/8/2,3.ZigBee网络 3.1 设备类型 3.2 网状网络拓扑结构 3.3 加入一个Zigbee网路 3.4 路由功能,22,2020/8/2,3.1设备类型,ZigBee网络包含以下设备类型： 协调器（ZC）该设备启动和控制网络。协调器存储关于网络的信息，包括作为认证中心和作为安 全密钥的贮藏所。ZigBee网络内节点地址的分配；生成网络路由表，动态地与网络路由节点通讯，完成本无线监控系统的ZigBee无线网络协调、维护功能；转换通讯协议的网关作用，即把采集终端节点由路由节

11、点传来的数据（ZigBee 格式）转换后传输给上位监控软件，完成监控的数据采集功能。 路由器（ZR）这些设备扩展网络覆盖面，在障碍周围动态路由，并且提供备份路由以防网络拥挤和设备失败。它们可以联系到协调器和其它路由器，并且支持子设备。完成网络路由功能，将由终端节点采集来的数据通过Mesh网络接力传输发送给网络协调器。 终端设备（ZE） 这些设备可以发送或接收一个信息，但是不能执行任何路由操作。它们必须被连接到协调器或者一个路由器，并且不支持子设备。 主要作用：1 将测量的现场信号变换成数字信号，保存在寄存器内。2 终端节点将数据处理为ZigBee的数据包格式，通过ZigBee无线网络最终传到上

12、位监控机。3终端节点由3部分构成:传感器、终端设备、电源。,23,2020/8/2,3.2 网状网络拓扑结构,网状拓扑结构，也被称为点到点，是由互联的路由器和终端设备组成的一个网状结构。 每个路由器通常至少通过两个路径来连接，并且可以为它的邻居转发信息。,如右图所示，一个网状网络包含一个单一的协调器，以及多个路由器和终端设备。 网状拓扑结构支持“多跳”通讯，这些数据通过跳跃从一个设备到另一个设备，使用最 可靠的通讯联系和最符合成本效益的路径，直到到达它的目的地。,这种多跳能力也帮助提供容错功能，如果一台设备失败或经历冲突，该网络可以使用剩 下的设备重新路由它自己。,24,2020/8/2,3.

13、3 加入一个ZigBee网络,当网络中的设备允许一个新设备加入网络时，这两个设备就构成了父子关系。新加入的 设备是子设备，而第一个设备是父设备。 一个子设备可以通过下面两种方式加入网络： 1.通过 MAC层关联过程加入网络 2.由先前指定的父设备直接加入网络。 只有ZigBee协调器或 ZigBee路由器能允许设备加入网络，而ZigBee终端设备则不能。,25,2020/8/2,3.3.1MAC层关联,26,2020/8/2,1.初始化请求原语中ScanChannels参数指定要扫描的信道列表，Scanduration参数指定扫描每个信道花费的时间。 2.NWK请求MAC层执行被动或主动扫描。

14、 3.在扫描过程中，每接收到一个有效负载长度非零的信标帧，扫描设备 的MAC层就向NLME发送一个MLME-BEACON-NOTIFY.indication指示原语。该指示原语中包含的信息由信标设备地址信息、是否允许关联以及信标有效负载等。扫描设备的 NLME将检查信标有效负载中的协议ID字段，看它是否与自身的ZigBee协议标识匹配。 如果不匹配，该信标就被忽略；如果匹配，扫描设备就把接收信标中的相关信息拷贝到近邻表中。 4.扫描完成后向NLME发送MLME-SCAN.confirm原语后，NWK层就向其上层发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm原语，把侦听到的每个

15、网络的描述信息传递给应用层。每个网络描述信息包括ZigBee版本、协议栈配置文件、PANID、逻辑信道以及是否允许加入网络等。 5.应用层就获知了设备邻近区域内存在网络的信息。,27,2020/8/2,选择适合的PAN进行关联 6.从中选择一个网络加入，设备应用层就向NLME发送NLME-JOIN.request原语，原语中PANId参数设置为选定网络的PAN标识，RejoinNetwork参数设置为FALSE，JoinAsRouter参数则根据加入网络的设备是否是路由设备来设置。 7.一个尚未加入网络的设备NWK层收到NLME-JOIN.request原语后，将从近邻表中搜索合适的父设备。然

16、后向MAC层发送关联原语。 8. MAC通过证实原语反馈关联状态给NLME。 NWK层将重复尝试关联设备，直到成功加入到PAN或尝试了所有合适的父设备。 9.失败 中止加入网络的过程，设备得不到有效的逻辑地址，不能在网络中发送数据。 成功 返回一个16位的逻辑地址，子设备以后就可以使用该逻辑地址来通信。同时该子设备NWK层还要设置相应近邻表记录中的Relationship字段，指示该近邻设备是它的父设备。,28,2020/8/2,认证过程 10.如果设备试图加入一个安全网络中成为路由器，那么它在发送信标之前需要等待父设备的认证。如果设备成功加入网络，APL向NWK发送NLME-START-RO

17、UTER.request原语。 11. 设备NWK层向MAC层发送MLME-START.request原语，设置超帧配置并在要求的时候开始发送信标帧。只有BeaconOrder参数不等于15时，路由器才发送信标帧。PANId、LogicalChannel、BeaconOrder和SuperframeOrder参数都应设置为其近邻表中父设备对应记录的值。PANCoordinator和CoorRealignment参数都应设为FALSE。 12.NWK接收到MLME-START.confirm原语后，NWK也向上层发送一个同样状态的NLME-START-ROUTER.confirm证实原语。 13

18、.APL收到NLME-START-ROUTER.confirm，认证完成。,29,2020/8/2,ZigBee协调器或路由器通过MAC层关联把一个设备加入到网络的过程是由MAC层指示原语MLME-ASSOCIATE.indication来初始化的。收到该指示原语后，潜在父设备的NLME首先判断想加入的设备是否已经存在于网络中，即NLME搜索近邻表看是否有有匹配的64位扩展地址。1有获得对应的16位网络地址并向MAC层发送关联响应；2找不到分配一个唯一的16位地址。3地址空间用尽，NLME将中止设备加入网络原语中反映这一事实。 如果潜在的父设备接受了新设备的入网请求，NLME将在近邻表中为新加

19、入的子设备增加一条记录，记录设备信息，并向MAC层发送MLME-ASSOCIATE.response响应原语，指示关联成功。,30,2020/8/2,MLME-ASSOCIATE.response响应原语传输到子设备的状态通过MLME-COMM-STATUS.indication指示原语反馈给网络层。 如果响应命令传输到子设备不成功，即MLME-COMM-STATUS.indication原语的状态不是SUCCESS，则NLME将中止设备加入网络的过程； 如果响应命令传输成功，NLME将向上层发送NLME-JOIN.indication原语，告知一个新设备已经加入到网络中。父设备接收入网请求。

20、,31,2020/8/2,3.3.2直接加入,父设备初始化直接加入过程，原语中DeviceAddress参数设为将被加入到网络的设备地址。 NLME首先判断指定的设备是否已经存在于网络中，这是通过搜索近邻表判断是否有匹配的64位扩展地址来实现的。并根据结果向上层发送证实原语NLME-DIRECT-JOIN.confirm； 1)找到匹配地址，中止，Status参数为ALREADY_PRESENT； 2)找不到匹配的地址 ，分配地址失败，Status参数为TABLE_FULL 3)找不到匹配的地址 ，分配地址成功，近邻表中增加新纪录，Status参数为SUCCESS 3.子设备通过孤立申明加入/

21、重新加入网络,32,2020/8/2,3.3.2直接加入（续）,子设备通过孤立申明加入网络的过程是通过NLME-JOIN.request原语来启动的，原语中RejoinNewwork参数设为TRUE。 NLME向MAC层发送MLME-SCAN.request原语启动孤立扫描,扫描结果通过MLME-SCAN.confirm原语反馈给NLME。 根据扫描结果，NLME将向上层发送证实原语NLME-JOIN.request 成功（即设备找到其父设备），Status参数为SUCCESS 失败，NLME将中止请求入网过程 ，Status参数为NO_NETWORKS,33,2020/8/2,3.3.2直接

22、加入（续）,设备的MAC层向上层发送MLME-ORPHAN.indication原语告知一个孤立设备的存在。 协调器或路由器收到MLME-ORPHAN.indication原语后，首先判断孤立设备是否是它的子设备。是：NLME将获取该子设备的16位网络地址并通过孤立响应发送给MAC子层。不是： 情况反映给MAC层。 孤立响应时通过向MAC层发送MLME-ORPHAN.response原语来实现的，孤立响应命令向子设备传送的结果状态通过MLME-COMM-STATUS.indication原语反馈给NLME。,34,2020/8/2,注：设备的近邻表,设备的近邻表包含了传输范围内每个设备的信息。近邻表中存储的信息有多种用途，但并不是每个ZigBee设备运行时都要求下面提到的全部字段。近邻表中每个记录应包含近邻设备的下列信息：PAN标识、