ZigBee基础知识样稿

ZigBee基础知识
一、ZigBee特点
ZigBee技术是一个新兴短距离、低功耗、低成本、低数据传输率无线通信技术。它关键特点以下：
1)低功耗：在低功耗待机模式下，两节一般5号干电池可使用6~24个月。

2)低速率：数据传输速率只有10kb/s~250 kb/s，专注于低速数据传输应用。

3)低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，降低了对通信控制器要求，所以大大降低了成本。

4)短距离：传输距离通常介于10~100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3km。这指是相邻节点间距离，假如经过路由和节点间通信接力，传输

距离将能够更远。

5)短时延：Zigbee响应速度较快，通常从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，深入节省了电能。

6)容量大：Zigbee可采取星状、簇状和网状网络结构，一个主节点可管理2个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，这么可组成65000多个节点。

7)安全：ZigBee提供了数据完整性检验和鉴权功效，采取AES-128加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。

8)工作频段灵活：使用频段分别为全球2.4GHzISM频段(16个信道)、欧洲868MHz频段(1个信道)，和美国915MHz频段(10个信道)，均为免执照频段。

二、ZigBee工作频率
表1ZigBee工作频率表

频带	频段类型	使用范围	数据传输速率	信道数
2.4GHz	ISM	全球	250Kb/s	16
915MHz	ISM	美国	40Kb/s	10
868MHz	ISM	欧洲	20Kb/s	1

三、ZigBee设备类型

ZigBee网络支持两种功效类型网络节点：全功效器件(FullFunction Device, FFD)和精简功效器件(ReduceFunction Device，RFD)。

全功效器件拥有完整协议功效，在网络中能够作为协调器(Coordinator)，路由器(Router)和一般节点(Device)；而精简功效器件意在实现最简单协议功效而设

计，只能作为一般节点存在于网络中。全功效器件能够和精简功效器件或其它全

功效器件通信，而精简功效器件只能和全功效器件通信，精简功效器件之间不能

直接通信。

四、ZigBee网络节点类型
ZigBee网络包含三种节点类型：ZigBee协调器(ZigBeeCoordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBeeRouter，ZR)和终端设备(ZigBeeEnd Device，ZED)。

协调器只能是全功效器件FFD。一个PAN网络中，最少要有一个全功效器件作为网络协调器，它能够看作是一个PAN网关节点(SINK节点)。它是网络建立起点，负责PAN网络初始化，确定PANID号和PAN操作物理信道并统筹短地址分配，充当信任中心和储存安全密钥，和其它网络连接等。

在任何一个拓扑网络上，全部设备全部有一个唯一位IEEE长地址，该地址能够在PAN中用于直接通信。协调器在加入网络以后取得一定短地址空间，在这个空间内，她有能力许可其它节点加入网络，并分配16位短地址给节点。所以在设备提议连接时采取是位IEEE长地址，只有连接成功后，系统分配了PAN标志符后，才能采取16位短地址来通信。

路由器能够只运行一个存放有路由协议精简协议栈，负责网络数据路由，实现数据中转功效。在网络中最基础节点就是终端节点ZED，一个终端节点能够是全功效器件FFD或是精简功效器件RFD。

Zigbee网络拓扑结构比较流行有三种：星型网络(Star)、簇状型网络(Cluster)、网状型网络(Mesh)。

五、ZigBee协议通信原语

在分层通信协议中，层和层之间是经过服务接入点(ServiceAccess Point，SAP)相连接。每一层全部能够经过本层和下一层SAP调用下层所提供服务，同时经过和上一层SAP为上层提供对应服务。SAP是层和层之间唯一接口，而具体服务是以通信原语形式供上层调用。在调用下层服务时，只需要遵照统一原语规范，

并不需要去了解怎样处理原语。这么就做到了数据层和层之间透明传输。层和层之间通信原语可分为以下四种，它们之间关系图5-1所表示：

5-1ZigBee协议通信原语Request：请求原语，用于上层向本层请求指定服务。

Confirm：确定原语，用于本层响应上层发出请求原语。

Indication：指示原语，用于本层向上层指示本层某一内部事件。

Response：响应原语，用于上层响应本层发出指示原语。

本文中原语遵照了“SAP名称-原语功效.原语类型”书写规则，如"MLME-ASSOCIATE.request”表示MLME-SAP上提供关联请求原语。

六、ZigBee协议栈框架
6.1PHY层

PD-SAPPLME-SAP

物理层管理实体

物理层 物理层个域网
基本信息库

RF-SAP

图6-1物理层结构模型

物理层作用关键是利用物理介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据

传输率并降低数据犯错率，方便透明传送比特流。Zigbee协议物理层关键负责以下任务：
(1)开启和关闭RF收发器。

(2)信道能量检测。 (3)对接收到数据包进行链路质量指示LQI(LinkQuality Indication)。
(6)数据包传输和接收
6.2MAC 层

MCPS-SAP MAC公共部分 子层

MLME-SAP MAC层管理实体 MAC层个域网

基本信息库

PD-SAP

PLME-SAP

IEEE802.15.4媒体介入控制层沿用了传统无线局域网中带冲突避免载波多路侦听访问技术CSMA/CA方法，以提升系统兼容性。这种设计，不仅使多个拓扑结构网络应用变得简单，还能够实现很有效功耗管理。

MAC层完成具体任务以下：
(1)协调器产生并发送信标帧(Beacon)。

(2)一般设备依据协调器信标帧和协调器同时。

(3)支持PAN网络关联(Association)和取消关联(Disassociation)操作。

(4)为设备安全性提供支持。

(5)使用CSMA-CA机制共享物理信道。

(6)处理和维护时隙保障GTS(GuaranteedTime Slot)机制。

(7)在两个对等MAC实体之间提供一个可靠数据链路。

极大了方便了网络管理，我们能够选择以超帧为周期来组织LR-WPAN网络内设
在IEEE802.15.4MAC 层中引入了超帧结构和信标帧概念。这两个概念引入

备间通信。

标帧后，就能够依据其中内容安排自己任务，比如进入休眠状态直到这个超帧结

束。

6.3NWK层

上层实体
NLDE-SAP NLME-SAP

网络层管理
网络层数据 实体
实体网络层基本
信息库

MCPS-SAP MLME-SAP
MAC层实体

图6-3网络层结构模型
对于网络层，其完成和提供关键功效以下：
(1)产生网络层数据包：当网络层接收到来自应用子层数据包，网络层对数据包进行解析，然后加上合适网络层包头向MAC层传输。

下一结点。 (3)配置新器件参数：网络层能够配置适宜协议，比如建立新协调器并提议
建立网络或加入一个已经有网络。

(4)建立PAN网络。

(5)连入或脱离PAN网络：网络层能提供加入或脱离网络功效，假如节点是协调器或是路由器，还能够要求子节点脱离网络。

(6)分配网络地址：假如本节点是协调器或是路由器，则接入该节点子节点网络地址由网络层控制。

(7)邻居节点发觉：网络层能发觉维护网络邻居信息。

6.4APL层

上层实体

APSDE-SAP APSME-SAP

应用支持子
应用支持子 层管理实体
层数据实体 应用支持子层
基本信息库

NLDE-SAP NLME-SAP

网络层实体

图6-4应用支持子层结构模型
Zigbee应用层包含应用支持子层APS、应用框架AF、Zigbee设备对象

APS 层关键功效： ZDO。它们共同为各应用开发者提供统一接口。

(3)APSME 提供多个服务给应用对象，这些服务包含安全服务何绑定设备，
并维护管理对象数据库，也就是我们常说AIB。

应用框架(ApplicationFramework，AF)为各个用户自定义应用对象提供了模板式活动空间，为每个应用对象提供了键值对KVP服务和报文MSG服务两种服务供数据传输使用。每个节点除了位IEEE 地址，16位网络地址，每个节点还提供了8位应用层入口地址，对应于用户应用对象。端点0为ZDO 接口，端点1至240 供用户自定义用于对象使用，端点255为广播地址，端点241 -2保留未来使用。每一个应用全部对应一个配置文件(Profile)。配置文件包含：设备ID(DeviceID)，事务集群ID(clusterID)，属性ID(Attribute ID)等。AF能够 经过这些信息来决定服务类型。

ZDO是一个特殊应用层端点(Endpoint)。它是应用层其它端点和应用子层管理实体交互中间件。它关键提供功效以下：
(1)初始化应用支持子层，网络层。

(2)发觉节点和节点功效。在无信标网络中，加入节点只对其父节点可见。而其它节点能够经过ZDO功效来确定网络整体拓扑结构。

(3)安全加密管理：关键包含安全key建立和发送，已经安全授权。

(4)网络维护功效。

：绑定功效由应用支持子层提供，不过绑定功效管理却是由ZDO(5)绑定管理
提供，它确定了绑定表大小，绑定提议和绑定解除等功效。

(6)节点管理：对于网络协调器和路由器，ZDO提供网络监测、获取路由和绑定信息、提议脱离网络过程等一系列节点管理功效。

在网络管理和维护上。应用层端点能够经过ZDO 提供功效来获取网络或是其它
ZDO 实际上是介于应用层端点和应用支持子层中间端点，其关键功效集中

服务等信息。节点信息，

6.5协议栈框架

应用层（APL） 应 用 层 架 构(AF) 应 用对象240 ... 应用对象1 APSDE-SAP APSDE-SAP EP0 APSDE-SAP 应用支 P ） NLDE-SAP NLME-SAP 网络层(NWK) MLDE-SAP MLME-SAP 访问控制层（M PD-SAP PLME-SAP