【文章內(nèi)容簡介】 FKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信技術(shù)的原理 ZigBee無線技術(shù) ZigBee的概念 ZigBee 是最近提出的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù) 。 主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。在 網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備 (fullfunction device， FFD)和精簡功能設(shè)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(yīng)用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少。對(duì)傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端 [6]。 FFD 一般需要功能相對(duì)比較強(qiáng)大的 MCU，一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡(luò)控制和管理功能。在 網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)稱為 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者 (PAN coordinator)的 FFD 設(shè)備。是 LRWPAN 的網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者除了直接參與應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。無線通信信道的特性是動(dòng)態(tài)變化的，節(jié)點(diǎn)位置或天線方向 的微小改變、物體移動(dòng)等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路強(qiáng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到無線信道的這個(gè)特點(diǎn)。 在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用星型網(wǎng)絡(luò)，這種星型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對(duì)中心節(jié)點(diǎn) (這里是無線數(shù)字家居服務(wù)器或網(wǎng)關(guān) )的依賴性很大，中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題可能造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的信息傳送主要在無線數(shù)字家居服務(wù)器和其它室內(nèi)終端之間。根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)以及以 上介紹的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文以家庭網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)星型家庭網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 技術(shù)最大傳輸距離 150 米，完全滿足家庭網(wǎng)絡(luò)需要。通過實(shí)用證明，星形家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡單。 ZigBee的協(xié)議棧 ZigBee 與 的聯(lián)系人們常會(huì)把 ZigBee 和 等同起來，其實(shí)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(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)； JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS (2)ZigBee 增加了邏輯 網(wǎng)絡(luò) 和應(yīng)用軟件； (3)ZigBee 基于 射頻標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí) ZigBee 聯(lián)盟通過與 IEEE 緊密工作來確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案； (4) (PHY)和媒體訪問控制 (MAC)層標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。 應(yīng)用層應(yīng)用接口網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問層物理層芯片ZigBeStack應(yīng)用程序用戶ZigBe聯(lián)盟IE 圖 21 ZigBee 的結(jié)構(gòu)和分工 ZigBee Structure and Division of Labor 協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn) 滿足國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)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(shè)備、對(duì)當(dāng)前頻道進(jìn)行能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示、為載波檢測(cè)多址與碰撞避免(CSMACA)進(jìn)行空閑頻道評(píng)估、頻道選擇、數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收等。 定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 868/915MHz物理層。兩個(gè)物理層都基于 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)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(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率。 ISM頻段，有助于 ZigBee 設(shè)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(shí)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(gè)頻段的引入避免了 附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。 868MHz 的傳輸速率為 20kb/s， 916MHz 是40kb/s。由于這兩個(gè)頻段上無線信號(hào)傳播損耗較小，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求。獲得比較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)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(hào) 868MHZ 1 300 BPSK 20 二進(jìn)制 915MHZ 902928 10 600 BPSK 40 二進(jìn)制 16 2020 OQPSK 250 16 狀態(tài)組 在 PHY 層的有關(guān)參數(shù)上，有四個(gè) 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(cuò)率 (PSDU=20bytes)。 d)接收信號(hào)強(qiáng)度指示的測(cè)量 (RSSD)。 (2)調(diào)制及擴(kuò)頻 二 進(jìn) 制符 號(hào) 數(shù)數(shù) 據(jù) 符 號(hào)數(shù) 據(jù) 碼偏 移 四 相移 相 調(diào) 控P P D U 二 進(jìn) 制數(shù) 據(jù)已 調(diào) 制 的數(shù) 據(jù) 圖 22 物理層調(diào)制及擴(kuò)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(hào) (Symbol)，每種數(shù)據(jù)符號(hào)又被映射成 32 位偽隨機(jī)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(shù) (OQPSK)調(diào)制，對(duì)偶數(shù)序列碼片進(jìn)行同相調(diào)制，而對(duì)奇數(shù)序列碼片進(jìn)行正交調(diào)制 ，如圖 22 所示 。 868/915MHZ 物理層先將 PPDU 二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行差分編碼，差分編碼是將當(dāng)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(jī)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(shù) (BPSK)調(diào)制。 (3)PPDU格式 PPDU 報(bào)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(bào)頭(PHR)以及承載有 MAC 幀數(shù)據(jù)的凈荷組成，具體結(jié)構(gòu)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(bào)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(hào)的同步，幀定界符用來標(biāo)識(shí)同步域的結(jié)束及報(bào)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(bào)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(shí)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(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束；確認(rèn)模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗(yàn)；預(yù)留時(shí)隙管理；廣播信息管理。 MACMAC 通用部分分子層（ MCPSSAP） MAC 層管理實(shí)體（ LMESAP） PAN 信息庫 PHY 層管理 實(shí) 體 PHY 層數(shù)據(jù)（ PDSAP） MAC 命令子 層 MAC 層管理實(shí)體（ MLME） JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS 子層提供兩個(gè)服務(wù)與高層聯(lián)系，即通過兩個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn) (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(wù)，用 MAC 層管理實(shí)體 SAP(MLMESAP)訪問MAC 管理服務(wù)。這兩個(gè)服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供 了一個(gè)接口。靈活的 MAC 幀結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男枰?，同時(shí)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(rèn)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(rèn)幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee設(shè)備間 MAC 子層功能實(shí)體問控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，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(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過了 CRC 校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀。若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自 動(dòng)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(hào) 地址信息 凈荷 幀校驗(yàn)系列 圖 25 MAC 層的通用幀格式 General Frame Format of MAC (5) 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層： 標(biāo)準(zhǔn)定義了 LLC，并且通用于諸如 、 及 等系列標(biāo)準(zhǔn)中。而 MAC 子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層實(shí)現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些必須任務(wù)。 NWK 層是位于 MAC 層之上與 APL 層交互的一個(gè)協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 (NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體 (NLME)。 ZigBee 規(guī)范定義的 NWK 層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) (NLDE)和管理服務(wù) (NLME)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，用于將 APL層提供的數(shù)據(jù)打包成應(yīng)用層協(xié) 議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的 NWK 層；或者將接收到的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給 本節(jié)點(diǎn)的 APL 層 。也就是說 NLDESAP 實(shí)現(xiàn)兩個(gè) 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(wù)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(wù)接口， MCPSSAP 是由 MAC 層提供給 NWK 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口， MLMESAP 是 MAC 層提供給 NWK 層的管理服務(wù)接口。 JDFJKDHFKAHGJHLKFHJHAKHFLJKDHFKLJASHDFKJHAKLDFHDLSFHKLDSJ DFSGSJDFKGHERUHJKDHKLSHDKJHKSHKFHLKGHDLSFGHDSKLFHGLDKSFHGLKFGDS a)配置一個(gè)新設(shè)備 b)開始一個(gè)新網(wǎng)絡(luò) c)加入或者離開 網(wǎng)絡(luò) 圖 26 NWK 層模型 Model of NWK (6) 應(yīng)用層 應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層有應(yīng)用支持子層 (APS)， ZigBee設(shè)備對(duì)象 (ZDO)及廠商定義的應(yīng)用對(duì)象