【文章內(nèi)容簡介】 入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。第二節(jié) ZigBee協(xié)議框架1. ZigBee協(xié)議框架簡介ZigBee堆棧是在IEEE ，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。(該標準定義了RF射頻以及與相鄰設備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡層(NWK)、應用層和安全服務提供層。每個ZigBee設備都與一個特定模板有關，可能是公共模板或私有模板。這些模板定義了設備的應用環(huán)境、設備類型以及用于設備間通信的簇。公共模板可以確保不同供應商的設備在相同應用領域中的互操作性。設備是由模板定義的，并以應用對象(ApplicationObjects)的形式實現(xiàn)。每個應用對象通過一個端點連接到ZigBee堆棧的余下部分，它們都是器件中可尋址的組件從應用角度看，通信的本質(zhì)就是端點到端點的連接(例如，一個帶開關組件的設備與帶一個或多個燈組件的遠端設備進行通信，目的是將這些燈點亮)。端點之間的通信是通過稱之為簇的數(shù)據(jù)結(jié)構實現(xiàn)的。這些簇是應用對象之間共享信息所需的全部屬性的容器，在特殊應用中使用的簇在模板中有定義。每個接口都能接收(用于輸入)或發(fā)送(用于輸出)簇格式的數(shù)據(jù)。一共有二個特殊的端點，即端點0和端點255。端點0用于整個ZigBee設備的配置和管理。應用程序可以通過端點0與ZigBee堆棧的其它層通信，從而實現(xiàn)對這些層的初始化和配置。附屬在端點0的對象被稱為ZigBee設備對象(ZD0)。端點255用于向所有端點的廣播。端點241到254是保留端點。所有端點都使用應用支持子層(APS)提供的服務。APS通過網(wǎng)絡層和安全服務提供層與端點相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務，因此能夠適配不同但兼容的設備，比如帶燈的開關。APS使用網(wǎng)絡層(NWK)提供的服務。NWK負責設備到設備的通信，并負責網(wǎng)絡中設備初始化所包含的活動、消息路由和網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)。應用層可以通過ZigBee設備對象(ZDO)網(wǎng)絡層參數(shù)進行配置和訪問。ZigBee協(xié)議棧體系包含一系列的層元件，當然也包括ZigBee組織設計的NWK層和應用層。每個層的元件有其特定的服務功能。ZigBee的體系結(jié)構由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務：即由數(shù)據(jù)服務實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務；管理實體提供所有的其他管理服務。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個接口：數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。每個服務實體通過相應的服務接入點(SAP)為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。原語是層與層之間信息交互的接口，交互的信息就是原語的參數(shù)。原語只有四種類型：請求原語：Request,確認原語：Confirm,指示原語：Indication,響應原語：Response，其中Request和Response是從上層到下層的，Confirm和Indication是從下層到上層的。舉例：假如上層請求下層打開接收機，給下層一個request，下層完成請求的功能后，給上層一個Confirm，告訴上層正確完成了，或者出什么錯了；假如上層請求下層發(fā)送數(shù)據(jù)到Remote端，給下層一個數(shù)據(jù)發(fā)送的request,下層完成數(shù)據(jù)發(fā)送任備后，給上層一個Confirm告訴上層結(jié)果；在對端，對應的下層收到數(shù)據(jù)后，需要通過indication把收到的數(shù)據(jù)傳給上層。假如節(jié)點A要請求節(jié)點B的對等層的一個服務，給自己下層一個請求，下層將信息發(fā)送到節(jié)點B的對等層之后，節(jié)點B的下層用indication告訴上層，上層做出影響后，用Response給到下層，節(jié)點B再發(fā)送到節(jié)點A的對等層，節(jié)點A的下層再用confirm原語要得到的信息返回給上層。第三節(jié) ZigBee網(wǎng)絡層規(guī)范ZigBee網(wǎng)絡設備的類型有三種：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備。（1）協(xié)調(diào)器是啟動或建立ZigBee網(wǎng)絡的設備，它是網(wǎng)絡上的第一個設備，協(xié)調(diào)器首先選擇一個信道和網(wǎng)絡標識(PAN ID)，然后開始這個網(wǎng)絡。這個協(xié)調(diào)器也可以輔助建立安全和應用等級綁定在網(wǎng)絡中。協(xié)調(diào)器的主要角色是建立和配置網(wǎng)絡，一旦建立完成，協(xié)調(diào)器的作用就與同路由器。（2）路由器的功能：i)允許其它設備加入這個網(wǎng)絡。 ii)跳躍路由 iii)輔助它的子樹電池供電終端的通信。（3）終端設備一個終端設備對于維護這個網(wǎng)絡設備沒有具體的責任，只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或者從FFD接收數(shù)據(jù)。2. ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構ZigBee支持包含主從設備的星狀、樹簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲，每個網(wǎng)絡中都會存在一個唯一的協(xié)調(diào)器，它相當于有線局域網(wǎng)中的服務器，對本網(wǎng)絡進行管理。ZigBee以獨立的節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、樹狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡，因此不同的節(jié)點功能可能不同。為了降低成本就出現(xiàn)了全功能設備（FFD）和半功能設備（RFD）之分，F(xiàn)FD支持所有的網(wǎng)絡拓撲在網(wǎng)絡中可以充當任何設備（協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點）而且可以與所有設備進行通信，而RFD則在網(wǎng)絡中只能作為子節(jié)點不能有自己的子節(jié)點（即只能作為終端節(jié)點）而且其只能與自己的父節(jié)點通信，RFD功能是FFD功能的子集。ZigBee設備有兩種地址，一個是唯一的64位的IEEE地址（絕對地址），可以使用這個64位地址在PAN中進行通信，一個是16位的短地址（相對地址），它是在設備與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器建立連接后協(xié)調(diào)器為設備分配的16位的短地址，此短地址可用來在PAN內(nèi)進行通信。（1）星狀拓撲結(jié)構在一個星狀拓撲結(jié)構網(wǎng)絡中存在一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器以及若干個從設備。協(xié)調(diào)器的作用是建立和維護網(wǎng)絡，他必須是FFD，而且一般都會有穩(wěn)定的電源供電，因此不用考慮能耗的問題。從設備可以是FFD也可以是RFD，大部分情況下從設備都是用電池供電的RFD，它只能與協(xié)調(diào)器直接通信，如果要與其他設備進行通信則需要協(xié)調(diào)器進行轉(zhuǎn)發(fā)。星狀網(wǎng)絡的建立：當一個FFD設備上電或復位開始工作時，它會檢測周圍的通信環(huán)境，選擇合適的信道并確定該網(wǎng)絡唯一的PAN標識符，建立一個網(wǎng)絡。PAN標識符用來區(qū)分本網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡，網(wǎng)絡內(nèi)的從設備也是通過PAN標識符確定自己與協(xié)調(diào)器的從屬關系的。網(wǎng)絡建立后，協(xié)調(diào)器就允許其他設備與其建立連接、加入網(wǎng)絡。這樣，ZigBee星狀網(wǎng)絡就建立起來了。星狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構簡單、容易實現(xiàn)而且管理方便，但不適合大規(guī)模的復雜網(wǎng)絡，而且如果網(wǎng)絡中某個節(jié)點斷開就會影響其他節(jié)點的通信，這限制了無線網(wǎng)絡的部署范圍。（2）樹簇狀拓撲結(jié)構樹簇狀網(wǎng)絡拓撲其實是對星狀網(wǎng)絡的擴充，樹簇狀拓撲結(jié)構適合于分布范圍較大的網(wǎng)絡中，如圖22所示。圖中，在網(wǎng)絡最末端的節(jié)點成為“葉”節(jié)點，即終端設備。若干個“葉”節(jié)點與一個FFD設備節(jié)點相連接從而形成一個“簇”，而若干個“簇”連接就形成了“樹”，所以稱這種拓撲結(jié)構為樹簇狀拓撲結(jié)構。樹簇狀拓撲結(jié)構中的大部分設備是FFD，RFD只能作為“葉”節(jié)點（“葉”節(jié)點也可以是FFD）。在樹簇狀網(wǎng)絡中存在一個主協(xié)調(diào)器，主協(xié)調(diào)器擁有更多的資源、穩(wěn)定而且可靠的供電等。樹簇狀網(wǎng)絡的建立：主協(xié)調(diào)器啟動并建立PAN后，先選擇一個PAN標識符，并把自己的短地址設置成0，然后廣播自己的信息，接受其他設備加入網(wǎng)絡，建立第一級樹，協(xié)調(diào)器與這些加入網(wǎng)絡中的設備是父子關系。主協(xié)調(diào)器會給每個與其建立連接的設備分配一個16位的短地址。如果設備是作為終端設備接入網(wǎng)絡的，協(xié)調(diào)器會分配給它一個唯一的16位短地址；而如果設備是作為路由器加入網(wǎng)絡的，協(xié)調(diào)器則會分配給它一個包括若干短地址的地址塊。路由器會把自己的信息廣播出去，并允許其他設備與其建立連接，成為它的子設備。同樣的，這些子設備中也可也存在路由器，這些路由器也可以擁有自己的子設備，這樣下去就可以形成復雜的樹簇狀結(jié)構網(wǎng)絡。從樹狀網(wǎng)絡的形成過程中我們可以看出，樹狀網(wǎng)絡中任何一個節(jié)點的故障都會影響到與其相連的子節(jié)點。（3）網(wǎng)狀拓撲結(jié)構網(wǎng)狀拓撲結(jié)構中也存在著一個協(xié)調(diào)器，通常是第一個啟動并進行通信的節(jié)點。但網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都是FFD，所以網(wǎng)絡中的任何設備都可以與其通信范圍內(nèi)的其他設備進行通信。在網(wǎng)狀拓撲結(jié)構網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)時，可以通過路由器進行轉(zhuǎn)發(fā)，即多條傳輸，這樣可以很大程度的提高網(wǎng)絡的覆蓋范圍。ZigBee聯(lián)盟定義了ZigBee的網(wǎng)絡層。ZigBee網(wǎng)絡層要具備的功能包括加入和離開一個網(wǎng)絡所要用到的機制、應用幀安全機制以及它們的目的地路由幀機制。另外，兩個設備中路由的發(fā)現(xiàn)和維護也被一覺到網(wǎng)絡層。一條鄰居的發(fā)現(xiàn)及存儲相關信息也是在網(wǎng)絡層里完成的。網(wǎng)絡層的主要目的是確保正確地操作IEEE網(wǎng)絡層內(nèi)部在邏輯上由兩部分組成：網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體（NLDE）和網(wǎng)絡層管理實體（NLME）。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體通過連接的SAP（即NLDESAP，網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體服務接口）為數(shù)據(jù)傳輸服務，網(wǎng)絡層管理實體通過相連的SAP（即NLMESAP，網(wǎng)絡層管理實體服務接口）提供管理服務，另外還負責維護網(wǎng)絡層信息庫（NIB）。（1）網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體會提供一個允許一個應用進程在兩個以上的設備間傳輸應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）的數(shù)據(jù)服務，而這些設備必須在同一個網(wǎng)絡中。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體提供的服務：l 產(chǎn)生網(wǎng)絡層PDU：通過為應用子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU增加相應的協(xié)議信息，構造網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元NPDU。l 拓撲制定路由：把NPDU傳輸?shù)揭粋€設備，這個設備可以使通信的最終目的，也可以是最終目的設備的前一個設備。（2）網(wǎng)絡層管理實體網(wǎng)絡層管理實體用該提供允許一個應用進程與堆?；ハ嘧饔玫墓芾矸铡＞W(wǎng)絡層管理實體提供的服務如下：l 配置和初始化設備，保證該設備有能力完成它在網(wǎng)絡中的功能。l 建立網(wǎng)絡：如果設備是協(xié)調(diào)器，那么它必須能初始化并建立一個新的網(wǎng)絡。l 寫地址：若是協(xié)調(diào)器或者是路由器，則需能夠為設備分配網(wǎng)絡地址。l 發(fā)現(xiàn)設備：有能力發(fā)現(xiàn)。記錄和報告有關設備的一跳鄰居信息。l 接收控制：能控制設備在何時接收以及接收事件的長短，使MAC層實現(xiàn)同步或直接接收。 l 發(fā)現(xiàn)路由：具備發(fā)現(xiàn)、記錄通過網(wǎng)絡有效傳遞信息的路由的能力。 l 加入和離開網(wǎng)絡：能加入和離開網(wǎng)絡，也能讓協(xié)調(diào)器或路由器請求設備離開網(wǎng)絡。4. 網(wǎng)絡層幀格式及類型網(wǎng)絡層的幀是由網(wǎng)絡層幀頭和網(wǎng)絡層負載組成。網(wǎng)絡層幀頭，它包括幀控制域、地址域以及序列信息域。網(wǎng)絡層負載，其長度是可變的還包含了指定幀類型的信息。幀控制域長度2字節(jié)，包含了信息定義幀類型、協(xié)議版本、發(fā)現(xiàn)路由、安全子域以及其他控制標記；目的地址域總是存在的，其長度為2字節(jié)，其內(nèi)容為目的設備的16位網(wǎng)絡地址或者是廣播地址（0xFFFF）；源地址域也是不可缺少的，其長度也是2字節(jié)，其內(nèi)容為此幀的源設備網(wǎng)絡地址；半徑域也總是存在，其長度為1字節(jié)表示幀傳輸?shù)陌霃健＞W(wǎng)絡中的設備接收到該幀后，半徑域的直接會被減1；序列號域長1字節(jié)，它存在于任意一個幀中。傳輸時，每一個新的傳輸幀序列值將加1。幀靜載荷域的長度是可變的，它包含有單個幀的幀類型信息。網(wǎng)絡層定義了兩種幀類型：數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡層命令幀。第四節(jié) ZigBee應用層規(guī)范ZigBee 應用層有三個組成部分，包括應用支持子層APS、應用框架AF、ZigBee 設備對象ZDO。它們共同為各應用開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口，規(guī)定了與應用相關的功能，如端點( Endpoint) 的規(guī)定，綁定( Binding) 、服務發(fā)現(xiàn)和設備發(fā)現(xiàn)等等。APS 層主要作用包括: 協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU 的處理，APSDE 提供在同一個網(wǎng)絡中的應用實體之間的數(shù)據(jù)傳輸機制，APSME 提供多種服務給應用對象，并維護管理對象的數(shù)據(jù)庫。在ZigBee應用中，應用框架AF( Application Framework)提供了兩種標準服務類型。一種是鍵值對（key value pair，KVP）服務類型，一種是報文（message，MSG）服務類型。KVP服務用于傳輸規(guī)范所定義的特殊數(shù)據(jù)。 設備對象ZDOZDO 實際上是介于應用層端點和應用支持子層中間的端點，其主要功能集中在網(wǎng)絡管理和維護上。應用層的端點可以通過ZDO 提供的功能來獲取網(wǎng)絡或者是其他節(jié)點的信息，包括網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構、其他節(jié)點的網(wǎng)絡地址和狀態(tài)以及其他節(jié)點的類型和提供的服務等信息。本章思考題1. ZigBee技術具有哪些特點？2. 協(xié)調(diào)器具有哪些功能？3. 路由器具有哪些功能？4. 網(wǎng)絡層具有哪些功能？5. ZigBee網(wǎng)絡有哪幾種拓撲結(jié)構？各結(jié)構具有哪些特點？6. ZigBee應用層可分為哪幾個部分？第四章 ZigBee開發(fā)平臺教學時數(shù)：2學時教學目的與要求：主要讓學生理解ZigBee無線通信技術的硬件開發(fā)平臺、軟件開學環(huán)境，掌握Zigbee硬件開發(fā)平臺的組成，學會開發(fā)環(huán)境IAR安裝、配置和使用。教學重點：Zigbee硬件開發(fā)平臺的組成，開發(fā)環(huán)境IAR安裝、配置和使用。第一節(jié) ZigBee硬件開發(fā)平臺1. CC2530射頻模塊（1）概述本教案所用ZigBee模塊，基于ZigBee2007標準和TI第二代ZigBee SOC CC2530F256芯片，模塊采用SMT工藝批量生產(chǎn)，一致性好，可靠性高；，數(shù)字IO接口全部引出，用處廣泛；模塊免除了客戶射頻開發(fā)的困難；軟件方面支持TIMAC，SimpliciTI，ZStack，RemoTI等軟件包，方便客戶開發(fā)符合IEEE 、ZigBee 200ZigBee Pro和ZigBee RF4CE等標準或其他非標準的產(chǎn)品。模塊體積小巧，采用外置SMA天線設計，增益大，接收靈敏度高，通信距離遠，實測可視距離可達400米。（2）CC2530射頻模塊的優(yōu)點1) CC2530集成單片機、ADC、無線通信模塊于一體，大大提高了單片機與無線通信模塊組合時的可靠性，同時也減小了節(jié)點的體積與質(zhì)量。 2) CC2530支持最新的ZigBee協(xié)議——ZigBee 2007/PRO，而TI之前的SOC射頻芯片CC2430/