第三章-ZigBee技术及应用

第三章ZigBee技术及应用3.1ZigBee技术概述短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本、短距离的双向无线通信技术。ZigBee建立在IEEE802.15.4的无线通信协议标准之上。主要由IEEE802.15.4小组和ZigBee联盟两个组织负责标准规范的制定。ZigBee标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。IEEE802.15.4只定义了物理层和媒体访问控制层，无法保证不同设备之间可以对话。ZigBee联盟确定了可在不同制造商之间共享的技术标准。ZigBee的技术优势主要表现在以下几个方面：1．功耗低;2．成本低3．时延短4．网络容量大5．可靠性高6．安全性高短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用特性取值状态频段868/915MHz和2.4GHz数据数率868MHz:20kbps915MHz:42kbps2.4GHz:250kbps调制方式868/915MHz:BPSK2.4GHz:O-QPSK扩频方式直接序列扩频通信范围10-100m通信延时15-30ms信道数目868MHz:1915MHz:102.4GHz:16寻址方式64bitIEEE地址，16bit网络地址信道接入CSMA/CA和时隙化的CSMA/CA网络拓扑星形、树状、网状功耗极低状态模式激活、休眠ZigBee主要的技术特征:3.1ZigBee技术概述-----续3.2ZigBee协议体系短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用ZigBee协议栈基于标准的OSI七层模型，但只是在相关的范围定义一些相应层来完成特定的任务。ZigBee协议详细的体系结构如图3.1所示:短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用l、物理层（PHY）物理层是由半双工的无线收发器和其接口组成。物理层主要负责以下任务：1）控制无线收发器的激活与关闭；2）选择信道频率；3）提供链路质量指示（LQI）；4）对当前信道进行能量检测（ED）；5）为CSMA-CA提供信道空闲评估；6）发送和接收数据。媒体访问控制层在相邻节点之间建立一条可靠的数据传输链路，共享传输煤质，负责控制对物理信道的访问。主要实现以功能：1）协调器的MAC层负责产生信标（beacon）；2）与信标帧同步；3）在两个对等的MAC实体间提供一条可靠的链路；4）实现对个域网的关联与解除关联；5）采用CSMA-CA机制控制信道访问；6）维护设备安全；7）维护时隙保障（GTS）机制；8）负责维护PIB中与MAC层相关的信息，存储与MAC层相关的常量和属性。2、媒体访问控制层（MAC）3.2ZigBee协议体系-----续短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用3、网络层（NWK）网络层主要负责以下服务：1）开始一个新网段，即发起一个新网络；2）配置新设备：例如一个新的设备可以配置为ZigBee协调器或是加入现有网络；3）通过接收器控制功能控制节点加入/离开网络；4）使用网络层安全服务；5）将帧路由至其目的地。只有ZigBee协调器和路由器可以转发消息；6）发现和维护设备间的路由。这个能力是为了更有效的路由消息；7）发现单跳邻居。邻居间可以直接通信而不需要经过任何其它设备的中继服务；8）储存单跳邻居的信息；9）为加入网络的设备分配地址。只有ZigBee协调器和路由器可以分配地址。4、应用层应用层是协议栈的最高层，由三部分组成：应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）.3.2ZigBee协议体系-----续第三章ZigBee技术及应用短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用3.2.1物理层(PHY)1、物理层概述1）IEEE802.15.4定义了两个物理层标准：2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS（直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率不同。2）2.4GHz频段为全球统一的、开放的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。3）ZigBee物理层的三个频段，总共划分出了27个信道。第一个频段是868MHz频段，数据传输速率为20kbps，信道数目为1，该频段被欧洲等地区所使用；第二个频段是915MHz频段，数据传输速率为40kbps，信道数目为10，该频段被北美等地区所使用；这两个频段的引人避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。第三个频段是2.4GHz频段，数据传输速率为250kbps，信道数目为16，该频段为全球通用的频段。1、物理层概述———续4）通常情况下，一个ZigBee设备不能同时兼容这三个频段。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，我国使用的是2.4GHz频段。5）2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术，能提供250kbit/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。6）由于前两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。第三章ZigBee技术及应用2、物理层调制及扩频方式ZigBee技术在不同工作频段的物理层调制及扩频方式有不小的差异。2.4G频段物理层调制及扩频功能如图3.2所示。物理层将数据(PPDU)每字节的高四位与低四位分别映射成数据符号，接着每种数据符号被映射成32位伪随机噪声数据码片(chip)。数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控(O-QPSK)技术调制。奇数序列码片采用正交调试，偶数序列码片则采用同相调制。二进制数据符号数据符号数据码片偏移四相位（O-QPSK）PPDU二进制数据已调制的信号图3.22.4G频段物理层调制及扩频示意图2、物理层调制及扩频方式-----续短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用868MHz/915MHz频段物理层调制及扩频方式如图3.3所示。物理层先对二进制数据PPDU进行差分编码，之后将编码的数据位映射成15位伪随机噪声数据码片(chip)，再对数据码片序列进行二相的相移键控技术(BPSK)调制。差分编码二进制位↓数据码片二相相移键控调制（O-QPSK）PPDU二进制数据已调制信号图3.3868MHz/915MHz频段物理层调制及扩频示意图2、物理层调制及扩频方式-----续短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用由于ZigBee技术不在不同工作频段的物理层调制及扩频方式不同，其所表现出来的性能特性也不相同。ZigBee物理层三个频段性能特性如表3.2所示。工作频段868MHZ915MHZ2.4GHz信道数（个）11016调试方式差分编码的二进制相移键控调制16进制正交调制扩频方式码片长度为15的M序列直接扩频码片长度为8的M序列直接扩频码元率20kBaud40kBaud60.5kBaud速率20kbit/s40kbit/s250kbit/s表3.2ZigBee物理层三个频段性能特性对比3、物理层帧格式短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用物理层帧（PPDU）格式如表3.3所示。由同步头、物理帧头及一长度可变的物理帧负荷域组成。其中，同步头第1个字段为4个字节的前导码。收发器接收帧时，根据前导码实现片同步和符号同步，前导码由32位二进制0组成。同步头的第2个字段为帧起始分隔符（SFD），标志同步域的结束和数据包的开始。物理帧头低7位有效，表示帧长度。故物理层的帧负荷域（PHYServiceDataUnit，PSDU）长度不超过127字节，用于承载通用的MAC帧。物理层帧格式同步头物理帧头物理层帧负荷4字节1字节1字节长度可变前导码（Preamble）SFD帧长度（7bit）保留位（1bit）PSDU表3.3物理层帧格式4、物理层模型结构短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用各功能实体和SAP的具体描述如下：1．PLME：PHY层管理实体，处理与物理层管理相关的原语。2．PHYPIB：PHY层PAN信息数据库，存储物理层PAN相关属性。3．PD-SAP：PHY数据服务访问点，物理层与MAC层的数据接口。接收将要发送的MAC帧、向MAC层报告收到的MAC帧，为MAC层提供PHY数据服务。4．PLME-SAP：PLME服务访问点，物理层与MAC层的管理接口。接收MAC层的管理请求原语，向MAC层报告管理指示原语和确认原语，为上层MAC层提供PHY管理服务。5．RF-SAP：射频服务访问点，为PHY层提供射频收发服务。PD-SAPPD-SAPPLME-SAPPLME-SAPRF-SAPRF-SAPPHYPIBPHYPIB物理层（PHY）物理层（PHY）物理层管理体系（PLME）物理层管理体系（PLME）图3.4物理层逻辑结构示意图5、根据802.15.4协标准，物理层主要完成功能IEEE802.15.4协议栈物理层主要完成功能1.无线比特数据的收发2.对收到的数据包进行链路质量检测3.信道能量检测4.空闲信道评估(CCA)3.2.2媒体接入控制层（MAC）短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用1、MAC层提供的服务MAC层数据服务和MAC层管理服务（MACSublayermanagemententity，MLME）。数据服务保证MAC层协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，管理服务维护一个存储MAC层协议状态相关信息的数据库。图3.5MAC层逻辑结构示意图2、MAC层逻辑结构MCPS-SAPMLME-SAPPD-SAPMACPIBMAC通用部分分子层（MLME）MAC层管理实体（MLME）PLME-SAP（MCPS）分子层MCPS-SAPMLME-SAPPD-SAPMACPIBMAC通用部分分子层（MLME）MAC层管理实体（MLME）PLME-SAP（MCPS）分子层2、MAC层逻辑结构-----续短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用1）MACCommonPartSublayer：MAC通用部分子层（MCPS），实现MAC层一般功能。包括MAC帧的封装、解封装；执行CSMA-CA算法共享物理信道。2）MLME：MAC层管理实体，处理除数据原语之外的所有管理原语，以实现标准规定的MAC层功能，如超帧管理（Superframe）、信标帧同步、创建网络、建立释放网络关联等等。3）MACPIB：MAC层PAN信息数据库，存储MAC层PAN相关属性。4）MCPS-SAP：MCPS服务访问点，MAC层与网络层的数据接口。接收上层的协议数据单元、向上层报告MAC层服务数据单元，为上层提供MAC数据服务。5）MLME-SAP：MLME服务访问点，MAC层与网络层的管理接口。接收发送数据原语以外的管理服务原语，为上层提供MAC管理服务。MCPS-SAPMLME-SAPPD-SAPMACPIBMAC通用部分分子层（MLME）MAC层管理实体（MLME）PLME-SAP（MCPS）分子层3、MAC帧结构短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用字节：210/21/2/80/20/2/8可变2帧控制序列号目的PAN标识符目的地址源PAN标识符源地址净荷帧校验地址域MAC帧头MAC帧负载MAC帧尾表3.4MAC帧结构MAC帧各个位域的功能如下：1）帧控制域：定义帧的类型、地址域及其他控制标志，长度为16比特，具体结构如表3.5所示。位：0~234567~910~1112~1314~15帧类型加密位后续帧控制位应答请求同一PAN指示保留目的地址模式保留源地址模式表3.5MAC帧控制域结构1）帧控制域------续短距离无线通信技术及应用第3章ZigBee技术及应用⑴帧类型子域：长度为3比特，具体子域值所代表的帧类型如表3.6所示。帧类型值（m2m1m0