【文章內(nèi)容簡介】 FKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 2 物聯(lián)網(wǎng)相關通信技術的原理 ZigBee無線技術 ZigBee的概念 ZigBee 是最近提出的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術 。 主要適用于自動控制和遠程控制領域，是為了滿足小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。在 網(wǎng)絡中，根據(jù)設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備 (fullfunction device， FFD)和精簡功能設備 (reducedfunction device， RFD)。 FFD 之間以及 FFD 和 RFD 之間都可以相互通信；但 RFD 只能與 FFD 通信，而不能與其他 RFD 通信。 RFD 主要用于簡單的控制應用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少。對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價的實現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡結構中一般作為通信終端 [6]。 FFD 一般需要功能相對比較強大的 MCU，一般在網(wǎng)絡結構中用作于網(wǎng)絡控制和管理功能。在 網(wǎng)絡中，有一個稱為 PAN 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者 (PAN coordinator)的 FFD 設備。是 LRWPAN 的網(wǎng)絡中的主控制器。 PAN 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉發(fā)等任務。無線通信信道的特性是動態(tài)變化的，節(jié)點位置或天線方向 的微小改變、物體移動等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路強度和質(zhì)量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍是不確定的，在進行網(wǎng)絡協(xié)議的設計時必須要考慮到無線信道的這個特點。 在智能家居系統(tǒng)設計中，采用星型網(wǎng)絡，這種星型結構的特點是對中心節(jié)點 (這里是無線數(shù)字家居服務器或網(wǎng)關 )的依賴性很大，中心節(jié)點出現(xiàn)問題可能造成整個網(wǎng)絡的癱瘓。家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡連接距離較短，一般在 l00 米以內(nèi)，家用電器位置容易改變，家庭電器等的數(shù)量也容易變化，網(wǎng)絡中的信息傳送主要在無線數(shù)字家居服務器和其它室內(nèi)終端之間。根據(jù)家庭網(wǎng)絡的這些特點以及以 上介紹的無線網(wǎng)絡拓撲結構，本文以家庭網(wǎng)關為中心節(jié)點組建一個星型家庭網(wǎng)絡。 ZigBee 技術最大傳輸距離 150 米，完全滿足家庭網(wǎng)絡需要。通過實用證明，星形家庭網(wǎng)絡組網(wǎng)簡單。 ZigBee的協(xié)議棧 ZigBee 與 的聯(lián)系人們常會把 ZigBee 和 等同起來，其實兩者之間還是有所區(qū)別的如圖 21 所示 [6]。 (1)ZigBee 完整、充分地利用了 定義的功能強大的物理特性的優(yōu)點； JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS (2)ZigBee 增加了邏輯 網(wǎng)絡 和應用軟件； (3)ZigBee 基于 射頻標準，同時 ZigBee 聯(lián)盟通過與 IEEE 緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案； (4) (PHY)和媒體訪問控制 (MAC)層標準，而 ZigBee負責網(wǎng)絡層和應用層的開發(fā)。 應用層應用接口網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問層物理層芯片ZigBeStack應用程序用戶ZigBe聯(lián)盟IE 圖 21 ZigBee 的結構和分工 ZigBee Structure and Division of Labor 協(xié)議架構及其技術特點 滿足國際標準組織 (ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式，定義了單一的 MAC 層和多樣的物理層。 ZigBee 聯(lián)盟制定了 MAC 層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用匯聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 (1) 物理層 物理層提供了媒體訪問控制層與無線物理通道之間的接口，主要完成功能：激活，休眠無線收發(fā)設備、對當前頻道進行能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、為載波檢測多址與碰撞避免(CSMACA)進行空閑頻道評估、頻道選擇、數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收等。 定義了兩個物理層標準，分別是 868/915MHz物理層。兩個物理層都基于 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻 )，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。 ISM頻段，有助于 ZigBee 設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。 250kbps 的傳輸速率，有助于JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。 868MHz是歐洲的 ISM 頻段， 915MHz是美國的 ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了 附近各種無線通信設備的相互干擾。 868MHz 的傳輸速率為 20kb/s， 916MHz 是40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求。獲得比較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。 工作頻段和頻率如表 21 所示： 表 21 工作頻段和頻率 Frequency and Frequency Range of Labor 物理層 工作頻率 (MHZ) 頻道數(shù) 碼片率 調(diào)制方 式 傳輸率 數(shù)據(jù)符號 868MHZ 1 300 BPSK 20 二進制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二進制 16 2020 OQPSK 250 16 狀態(tài)組 在 PHY 層的有關參數(shù)上，有四個 重要的參數(shù)： a)傳輸能量 (power)：約 lmW的能量。 b)傳輸中心頻率的兼容性：約 177。40 pm。 c)接收器之感度： 85dBm92dBm(86 915 ram)， 1%分組差錯率 (PSDU=20bytes)。 d)接收信號強度指示的測量 (RSSD)。 (2)調(diào)制及擴頻 二 進 制符 號 數(shù)數(shù) 據(jù) 符 號數(shù) 據(jù) 碼偏 移 四 相移 相 調(diào) 控P P D U 二 進 制數(shù) 據(jù)已 調(diào) 制 的數(shù) 據(jù) 圖 22 物理層調(diào)制及擴頻功能模塊 the Physical Layer Modulation and Spread Frequency Functional Modules 物理層將數(shù)據(jù) (PPDU)每字節(jié)的低四位與高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號 (Symbol)，每種數(shù)據(jù)符號又被映射成 32 位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片 (Chip)。數(shù)據(jù)碼片序列采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控技術 (OQPSK)調(diào)制，對偶數(shù)序列碼片進行同相調(diào)制，而對奇數(shù)序列碼片進行正交調(diào)制 ，如圖 22 所示 。 868/915MHZ 物理層先將 PPDU 二進制數(shù)據(jù)進行差分編碼，差分編碼是將當前數(shù)據(jù)位與前一編碼位以模為 2 異或而成。經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)位又被映射成 15 位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS (Chip)，數(shù)據(jù)碼片序列采用二相的相移鍵控技術 (BPSK)調(diào)制。 (3)PPDU格式 PPDU 報文數(shù)據(jù)由用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭 (SHR)、含有幀長度信息的物理層報頭(PHR)以及承載有 MAC 幀數(shù)據(jù)的凈荷組成，具體結構如圖 23 所示。 字節(jié) 4 1 1 可變 前同步碼（ Preamble） 幀定界符（ SFD） 幀長度 (7bits) 保留（ 1bit） 物理層數(shù)據(jù)（ PSDU） 同步頭（ SHR） 物理層報頭（ PHR） 物理層凈荷 圖 23 PPDU 格式 of PPDU 前同步碼域用來為后續(xù)數(shù)據(jù) 的收發(fā)提供碼片或數(shù)據(jù)符號的同步，幀定界符用來標識同步域的結束及報文數(shù)據(jù)的開始。物理層數(shù)據(jù)域長度根據(jù)情況可變 (長度為 5 字節(jié)或大于 7 字節(jié) )，承載了物理層報文數(shù)據(jù)，包含有 MAC 層數(shù)據(jù)幀。 (4)MAC 層 為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性， ZigBee 的 MAC 采用了時隙化的載波偵聽和沖突避免的信道接入 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)算法。 MAC 子層的組成及接口模型如圖 24 所示。 圖 24 MAC 子層組成及接口模型 MAC Form and Interface Model 的 MAC 協(xié)議包括以下功能：設備間無線鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預留時隙管理；廣播信息管理。 MACMAC 通用部分分子層（ MCPSSAP） MAC 層管理實體（ LMESAP） PAN 信息庫 PHY 層管理 實 體 PHY 層數(shù)據(jù)（ PDSAP） MAC 命令子 層 MAC 層管理實體（ MLME） JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 子層提供兩個服務與高層聯(lián)系，即通過兩個服務訪問點 (SAP)訪問高層。通過 MAC 通用部分子層 SAP(MCPSSAP)訪問 MAC 數(shù)據(jù)服務，用 MAC 層管理實體 SAP(MLMESAP)訪問MAC 管理服務。這兩個服務為網(wǎng)絡層和物理層提供 了一個接口。靈活的 MAC 幀結構適應了不同的應用及網(wǎng)絡拓撲的需要，同時也保證了協(xié)議的簡潔。 MAC 子層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和 MAC 命令幀等 4 種幀類型。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee設備間 MAC 子層功能實體問控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認，而數(shù)據(jù)幀和 MAC 命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認，如果需要確認，并且已經(jīng)通過了 CRC 校驗，接收方將立即發(fā)送確認幀。若發(fā)送方在一定時間內(nèi)收不到確認幀，將自 動重傳該幀。這就是 MAC 子層可靠傳輸?shù)幕具^程。 MAC 層的幀格式如圖25 所示： 2 1 020 變量 2 幀控制 序列號 地址信息 凈荷 幀校驗系列 圖 25 MAC 層的通用幀格式 General Frame Format of MAC (5) 網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層包括邏輯鏈路控制子層： 標準定義了 LLC，并且通用于諸如 、 及 等系列標準中。而 MAC 子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層實現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些必須任務。 NWK 層是位于 MAC 層之上與 APL 層交互的一個協(xié)議層。網(wǎng)絡層的任務是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應用層提供合適的服務接口。為了與應用層交互，網(wǎng)絡層邏輯上包含兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體 (NLDE)和管理服務實體 (NLME)。 ZigBee 規(guī)范定義的 NWK 層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務 (NLDE)和管理服務 (NLME)的數(shù)據(jù)服務接口，用于將 APL層提供的數(shù)據(jù)打包成應用層協(xié) 議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應的節(jié)點的 NWK 層；或者將接收到的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給 本節(jié)點的 APL 層 。也就是說 NLDESAP 實現(xiàn)兩個 APL 層之間的數(shù)據(jù)傳輸。NLMESAP 是 NWK 層給 APL層提供的管理服務接口，其邏輯模型如圖 26 所示。 NLDESAP 是 NWK 層提供給 APL層的數(shù)據(jù)服務接口， MCPSSAP 是由 MAC 層提供給 NWK 層的數(shù)據(jù)服務接口， MLMESAP 是 MAC 層提供給 NWK 層的管理服務接口。 JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS a)配置一個新設備 b)開始一個新網(wǎng)絡 c)加入或者離開 網(wǎng)絡 圖 26 NWK 層模型 Model of NWK (6) 應用層 應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡上，具體而言包括：安全與鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚、設備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務發(fā)現(xiàn)。應用層有應用支持子層 (APS)， ZigBee設備對象 (ZDO)及廠商定義的應用對象