ZigBee技术概述

1ZigBee技术概述董大城2ZigBee的概念ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。314.1.1802.15.4和ZigBee区别802.15.4是IEEE组织制定的低速率、无线个人局域网标准，定义了物理层和节制访问控制层，目标是为在个人操作空间内相互通信的无线通信设备提供标准，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。ZigBee标准是在IEEE802.15.4标准的基础上发展而来的，旨在确定不同应用制造商之间共享一套标准。4ZigBee协议国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MediaAccessControlLayer；MACLayer）。ZigBee依靠7层OSI开放系统互连参考模型来建立。该标准的协议框架结构如右图所示；在802.15.4基础上还定义了网络层和应用层。5ZigBee协议1、物理层定义了无线信道和MAC子层之间的接口，提供了物理层数据服务和管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层能实现如下功能:（1）激活和休眠射频收发器（2）对当前信道进行能量检测（3）对收发的包进行链路质量指示（4）收发数据和空闲信道评估6ZigBee的工作频段ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。7ZigBee协议2、介质访问控制层（MAC）MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC层数据协议单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关的数据库。8ZigBee协议３、网络层需要提供保证IEEE802.15.4MAC子层正确的操作函数，并为应用层提供服务接口。４、应用层应用层是ZigBee协议栈的最高层。应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络。应用层包括应用支持层、ZigBee设备对象和应用对象。9ZigBee协议栈中的术语（1）配置文件(Profile)Profile可以理解为共同促成交互式应用的多个设备描述项的集合。ZigBee联盟已经定义了部分标准的配置文件，比如远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。用户也可以创建自己的配置文件然后递交ZigBee联盟测试、审核批准。10ZigBee协议栈中的术语属性(Attribute)Attribute是一个反映物理数量或状态的数据实体，比如开关值（On/Off）,温度值、百分比等，通过命令可以传递给其他设备。簇(Cluster)Cluster是使用属性的命令结构体中的一个或多个属性的容器。终端(EndPoint)EndPoint是协议栈应用层的入口，它是为实现一个设备描述而定义的一组群集。每个ZigBee设备可以最多支持240这样的端点，这也意味着在每个设备上可以定义240个应用对象。端点0被保留用于与ZDO接口而端点255被保留用于广播，端点241-254则被保留用于将来做扩展使用。11ZigBee协议栈中的术语绑定(Binding)ZigBee定义了一个称为端点绑定的特殊过程。绑定即在源节点的某个端点（EndPoint）和目标节点的某个端点之间创建一条逻辑链路。绑定允许应用程序发送一个数据包而不需要知道目标地址。APS层从它的绑定表中确定目标地址，然后将数据继续向目标应用或者目标组发送。12ZigBee的网络拓扑结构13网络设备类型ZigBee网络中有三种设备类型：协调器、路由器以及终端设备。•终端设备•路由器•协调器14ZigBee基本概念设备类型:Coordinator(协调器)协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PANID，即PersonalAreaNetworkID)，随后启动整个网络。Router(路由器)路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的儿子终端设备的通讯。End-Device(终端设备)终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。15网络拓扑结构ZigBee网络中有三种类型的拓扑结构：星型、簇树形以及网状。•星型结构•树型结构•网型结构•路由器•终端设备•协调器16ZigBee基本概念这三种类型都包含一个协调器节点和一系列终端设备节点。星形：星形拓扑结构是最简单的一种拓扑形式，每个终端设备节点只能和协调器节点进行通信。缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径，使协调器有可能成为整个网络的瓶颈。簇树：该拓扑结构协调器的子节点也能连接一系列的路由器和终端设备（兄弟节点与堂兄弟节点）。缺点是信息只有唯一的路由通道。网状：结构与簇树状相似，但是具有更加灵活的信息路由规则，路由节点之间有可能可以直接通信。而且一旦一条路由路径出现问题，信息可自动沿着其他路径传输。17ZigBee数据传输机制数据传输的确切机制随网络类型的不同而有所不同。终端设备必须查询协调器以获取其数据，而不是保持接收器开启，从而降低功耗。所以终端设备大部分时间处于休眠状态，则协调器将会保存大量的数据帧到内部缓存中，大幅增加协调器RAM的需求。18ZigBee网络路由的实现1、ZigBee路由基本算法ZigBee网络的协调器与路由器通常支持以下路由操作。（1）在路由查找及修补时，使用ZigBee路径损耗度量。（2）维护路由表以记录最佳的可利用路径。（3）为应用层初始化路由查找。（4）为其他路由器初始化路由查找。（5）初始化端到端路由修补。（6）为其他路由器初始化本地路由修补。19ZigBee网络路由的实现2、路由方式路由的设定通常有以下3种模式。（1）禁止路由发现（Suppress）。是，数据包指向该路由器。网络路由器存在否｛否，数据包沿着树形推进。（2）使能路由发现（Enable）。是，数据包指向该路由器。当不能确定路由器，启动路由发现过程网络路由器存在否｛否，数据包沿着树形推进。（3）强制路由发现（Force）。小心使用，产生网络冗余，用于修复。路由器如有路由发现功能，则启动路由发现过程，发现完成后，数据沿着计算出来的路由前进。20ZigBee网络路由的实现3、路由过程路由的过程主要包括以下4个步骤。（1）一设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程。（2）对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧。（3）对潜在的各条路径花费进行评估比较。（4）最佳路由记录添加到此路径上各个设备的路由表。21ZigBee网络的自适应机制1、网络负载问题假如终端设备节点加入网络路由过程无约束和无组织，会导致不同路由设备所加入的终端设备数量差距巨大，进而使需处理的数据和时间差距也巨大，会出现严重的网络负载不均衡现象。22ZigBee网络的自适应机制ZigBee网络的自适应机制是为了解决网络的负载平衡。①网络形成时的网络负载均衡｛②网络形成后的网络自我调节负载23ZigBee网络的自适应机制2、均衡过程最小值建立网络过程时，中心设备封闭所有主设备的终端设备加入信号，计算路由设备的数据总量并存储。每次让终端设备加入其数据量最小的路由设备。在网络建立后，通信过程中设置定时器，定期反复扫描搜索通信数据值，决定终端设备的加入与脱离。2425