【文章內(nèi)容簡介】 定義的功能強大的物理特性的優(yōu)點； 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設計 6 (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(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 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(shù)、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，有助于遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 7 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 2021 OQPSK 250 16 狀態(tài)組 在 PHY 層的有關(guān)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(shù) (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)碼片詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設計 8 (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(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(jié)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(jié)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） 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 9 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設計 10 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(quán)、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。應用支持子層 (APS)的作用是維護設備綁定表，它具有根據(jù)服務及需求匹配兩設備的能力，且通過邊界的設備轉(zhuǎn)發(fā)信息。應用支持子層 (APS)的另一作用是設備發(fā)現(xiàn)，它能 發(fā)現(xiàn)在工作范圍內(nèi)操作的其它設備。 ZDO 的職責是定義網(wǎng)絡內(nèi)其它設備的角色。如 ZigBee 協(xié)調(diào)器或末端設備、發(fā)起或回應綁定請求、在網(wǎng)絡設備間建立安全機制 (如選擇公共密鑰、對稱密鑰等 )等。廠商定義的應用對象根據(jù) ZigBee 定義的應用描述執(zhí)行具體的應用。在本系統(tǒng)中附加了一層應用層協(xié)議完成數(shù)據(jù)的通訊和控制的業(yè)務。 ZigBee的應用領(lǐng)域和應用前景 ZigBee 技術(shù)將主要嵌入在消費性電子設備、家庭和建筑物自動化設備、工業(yè)控制裝置、電腦外設、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機等設備中。應用于小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領(lǐng)域中。 ZigBee 聯(lián)盟預測的主要應用領(lǐng)域包括：工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。通常，符合如下條件之一的應用 ]7[ 。均可以考慮采用 ZigBee 技術(shù)作無線傳輸： ? 設備成本較低．傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小。 ? 設備體積較小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊。 ? 沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池。 NLDESAP NLMESAP MCPSSAP MLMESAP NLDE NWK PIB 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 11 ? 頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難。 ZigBee應用于家庭網(wǎng)絡中的關(guān)鍵問題 ZigBee 實現(xiàn)家庭組網(wǎng)的目標是：在消費 類電子設備中嵌入 ZigBee 芯片聯(lián)網(wǎng)后，實現(xiàn)家電等設備的無線互連和家庭自動化。利用 ZigBee 技術(shù)可較容易實現(xiàn)相機或者攝像機的自拍、窗戶遠距離開關(guān)、室內(nèi)照明系統(tǒng)的遙控以及窗簾的自動調(diào)整等功能。特別是在手機或者 PDA 中加入 ZigBee 芯片后就可以被用來控制電視開關(guān)、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度及開啟微波爐等?；?ZigBee 技術(shù)個人身份卡能夠代替家居和辦公室的門禁卡?？梢杂涗浰羞M出大門的個人的信息。 GPRS網(wǎng)絡技術(shù) (1)GPRS 網(wǎng)絡總體結(jié)構(gòu) GPRS網(wǎng)絡是在現(xiàn)有 GSM網(wǎng)絡中增加 GGSN(OPRS網(wǎng)關(guān)支持 節(jié)點 1和 SGSN(GPRS服務支持節(jié)點 )來實現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù) [8]。 GPRS 無線通信系統(tǒng)基本原理 ： GPRS(通用無線分組業(yè)務 )是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線連接網(wǎng)絡。 GPRS 網(wǎng)絡是在原有的 GSM 網(wǎng)絡上，增加 SGSN(GPRS服務支持節(jié)點 )以及 GGSN(網(wǎng)關(guān) GPRS支持節(jié)點 )兩種數(shù)據(jù)交換結(jié)點設備，使得用戶在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時兼容電路型數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)。 (2)GPRS 協(xié)議 移 動臺 (Ms)和 SGSN 之間的 GPRS 分層協(xié)議模型如圖 27 所示： 網(wǎng) 絡 協(xié) 議S N D CL L CM A C物 理 鏈 路R F 接 口M S物 理 鏈 路R F 接 口物 理 鏈 路M A CL L RL A P DL A P DL L CS D N C網(wǎng) 絡 協(xié) 議R S SU mG bU m 圖 27 GPRS 協(xié)議 Agreement of GPRS 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設計 12 Um 接口是 GSM 的空中接口。 Um 接口上的通信協(xié)議有 5 層，自下而上依次為物理層、MAC