【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 868/915MHz 頻段物理層使用簡(jiǎn)單的直接序列擴(kuò)頻（ DSSS）方法，每個(gè) PPDU 數(shù)據(jù)傳輸位被最大長(zhǎng)度為 15 的 CHIP 序列所擴(kuò)展（即被多組 + 1 構(gòu)成的 m序列編碼），然后使用二進(jìn)制相移鍵控技術(shù)調(diào)制這個(gè)擴(kuò)展的位元序列。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適合于不同的場(chǎng)合。 層提供兩種服務(wù)： MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過 MAC 層管理實(shí)體（ MLME）服務(wù)接入點(diǎn)（ SAP）訪問高層。 MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU）的收發(fā)可以通過物理層 數(shù)據(jù)服務(wù)。 層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機(jī)制、保證時(shí)隙（ GTS）管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸以及節(jié)點(diǎn)接入與分離。 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層主要用于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等。而應(yīng)用層主要為 ZigBee 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便于對(duì) ZigBee 技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。在不同場(chǎng)合，其開發(fā)應(yīng)用框架不同。 低速率的無線個(gè)域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義。超幀被分為 16 個(gè)大小相等的時(shí)隙，由協(xié)調(diào)器發(fā)送， 如圖 所示。每個(gè)超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)間 隔。信標(biāo)幀在超幀的第一個(gè)時(shí)隙被傳輸。如果協(xié)調(diào)器不想使用超幀結(jié)構(gòu)，它將會(huì)停止信標(biāo)的傳輸。信標(biāo)可用來使接入的設(shè)備同步，區(qū)分個(gè)域網(wǎng)，描述超幀結(jié)構(gòu)。任何想要在競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段（ CAP）通信的設(shè)備都要使用有時(shí)隙的載波聽多址接入 沖突避免（ CSMACA）。所有的傳輸要在下一個(gè)信標(biāo)到來之前結(jié)束。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 無 GTS 的超幀結(jié)構(gòu) Fig. No GTS super structure 超幀結(jié)構(gòu)有活躍和非活躍兩部分。在非活躍部分，協(xié)調(diào)器將不和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，進(jìn)入低能模式。 對(duì)于低延遲應(yīng)用或需要特殊寬帶的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器將為它貢獻(xiàn)出超幀的活躍部分。這部分叫做 GTS。 GTS 由無競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段（ CFP）組成，它總是緊跟著 CAP，在活躍的超幀尾部，如 圖 所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以分配 7 個(gè) GTS，每個(gè) GTS 可以占用 1 個(gè)以上的時(shí)隙。而 CAP 有充足的時(shí)間留給基于競(jìng)爭(zhēng)的接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或想加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。所有基于競(jìng)爭(zhēng)的傳輸都要在 CFP 開始前結(jié)束，同樣 GTS 的傳輸也要確保在下一個(gè) GTS 開始前結(jié)束。 圖 有 GTS 的超幀結(jié)構(gòu) Fig. Have GTS super structure 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面兩層：物理層（ PHY）和介質(zhì)接入控制子層（ MAC）。而 ZigBee 直接使用了 所定義的物理層和介質(zhì)接入控制子層。 物理層 PHY ZigBee 的通信頻率由物理層來規(guī)范。 ZigBee 對(duì)不同國(guó)家地區(qū)提供不同的工作頻率范圍。它所用的頻率范圍分別為 和 868/915MHz。因此， 定義了戀歌物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 物理層和 868/915MHz 物理層。兩個(gè)物理層都基于直接吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 序列擴(kuò)頻（ DSSS）技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，其 區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率不同。 波段為全球統(tǒng)一、無須申請(qǐng)的 ISM 頻段，有助于 ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。 的物理層采用 16 相調(diào)制技術(shù)，能夠提供 250Kb/s 的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐量，減小了通信時(shí)延，縮短了數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，因此更加省電。 ZigBee 使用的無線信道由 表 確定?？梢钥闯?， ZigBee 使用的 3 個(gè)頻段定義了27 個(gè)物理信道，其中： 868MHz 頻段定義了 1 個(gè)信道； 915MHz 頻段附近定義了 10 個(gè)信道，信道間隔為 2MHz； 頻 段定義了 16 個(gè)信道，信道間隔為 5MHz，較大的信道間隔有助于簡(jiǎn)化收發(fā)濾波器的設(shè)計(jì)。 表 ZigBee 無線通信的組成 Table ZigBee wireless correspond by letter 信道編號(hào) 中 心頻率／ MHz 信道間隔 /MHz 頻率上限 / MHz 頻率下限 / MHz k=0 k=1,2,…,10 k=11,12,…,26 906+2(k1) 2405+5(k1) 2 5 ZigBee 技術(shù)發(fā)射功率也有一定的限制，其最大的發(fā)射功率應(yīng)該符合不同國(guó)家所制定的規(guī)范，通常 ZigBee發(fā)射功率范圍為 0~+10dBm,通信距離范圍為 10m,可擴(kuò)大到約 300m。但現(xiàn)在由于技術(shù)發(fā)展要求，一般都突破了上述限制?，F(xiàn)在 ZigBee 模塊加上放大電路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離可達(dá) 4km 以上， ZigBee 發(fā)射功率達(dá) +20dBm。 同時(shí)， IEEE 還規(guī)范了以下技術(shù)要求（同時(shí)使用于 和 868/915MHz）；接收信號(hào)中心頻率誤差最大為 177。40ppm。發(fā)射機(jī)的最小功率為 3dBm，接收機(jī)最大輸入電平≥20dBm。 物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從 MAC 層到物理層無線信道的接口。從 圖 可以看到，在物理層中存在有數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)。這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)可提供如下服務(wù)：通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（ PDSAP）為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；通過物理層管理實(shí)體（ PLME）服務(wù)的接入點(diǎn)（ PLMESAP）為物理層管理提供服務(wù)。 ZigBee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。同步包頭由前同步碼和數(shù)據(jù)包定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整。物理層包頭 指示凈荷部分的長(zhǎng)度，凈荷部分含有 MAC 層數(shù)據(jù)包，最大長(zhǎng)度是 127 字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度類型為 5 字節(jié)或大于 8 字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU）攜帶 MAC 層的幀信息。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 物理層結(jié)構(gòu)模型 Fig. PHY stratification modelling 介質(zhì)接入控制子層 MAC IEEE802 系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制子層 LLC 和介質(zhì)接入控制子層MAC 兩個(gè)子層。 LLC 子層在 標(biāo)準(zhǔn)中定義，為 802 標(biāo)準(zhǔn)系列所共用；而 MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。 的 MAC 子層能支持多種 LLC 標(biāo)準(zhǔn)，通過業(yè)務(wù)相關(guān)匯聚子層 SSCS 協(xié)議承載 協(xié)議中第一種類型的 LLC 標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他 LLC 標(biāo)準(zhǔn)直接使用 子層的服務(wù)。 LLC 子層的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)包的分段與重組，以及確保數(shù)據(jù)包按順序傳輸。 子層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)與斷開，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀效驗(yàn)與快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（ ARQ） ,預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信道管理等。 MAC 子層處理所有物理層無線通信的接入。主要功能 有： 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)； 同步信標(biāo)； 支持個(gè)域網(wǎng)鏈路的建立和斷開； 為設(shè)備的安全提供支持； 信道接入方式采用免沖動(dòng)載波檢測(cè)多址接入機(jī)制； 處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙機(jī)制； 在兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。 MAC 子層與 LLC 子層的接口中用于管理目的的原語僅有 26 條。相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)的131 條原語和 32 個(gè)事件而言， 子層的復(fù)雜度很低，不需要高速處理器，因此降低了功耗和成本。 MAC 層在服務(wù)協(xié)議匯聚層（ SSCS）和物理層之間提供了一個(gè)接口。 MAC 層包括了一 個(gè)管理實(shí)體。該實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接口可調(diào)用 MAC 層管理功能，它還負(fù)責(zé)維護(hù) MAC固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。從 圖 可以看到， MAC 層兩個(gè)不同的接入點(diǎn)提供不同的服務(wù)：通過公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)為它提供數(shù)據(jù)服務(wù)；通過管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為它提供管理服務(wù)。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 MAC 層參考模型 Fig. MAC reference modle ZigBee網(wǎng)絡(luò)層 ZigBee 堆棧是在 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立的，而 僅定義了協(xié)議的 MAC 和 PHY 層。 ZigBee 設(shè)備應(yīng)該包括 與 MAC 層， ZigBee 堆棧層、網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）、應(yīng)用層以及安全服務(wù)管理。 每個(gè) ZigBee 設(shè)備都與一個(gè)特定模版有關(guān)，可能是公共摸版或私有摸版。這些模版定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型以及用于設(shè)備間通信的串。公共模版可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中互操作性。 設(shè)備是由模版定義的，并以應(yīng)用對(duì)象的形式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過一個(gè)端點(diǎn)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(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接。端點(diǎn)之間的通信是通過稱之為串的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)的。這些串是應(yīng)用對(duì)象之間共享信息所需的全部屬性的容器。在特殊應(yīng)用中使用的串在摸版中定義。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC 層正常工作，并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體， 如圖 所示。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 網(wǎng)絡(luò)層參考模型 Fig. NWK reference mode 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ NLDESAP）提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)和維護(hù)和管理。 網(wǎng)絡(luò)層通過 MCPSSAP 和 MLMESAP 接口，為 MAC 提供接口，通過 NLDESAP與 NLMESAP 接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與堆棧相互作用。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)。在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，它將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，即同一個(gè)內(nèi)部個(gè)域網(wǎng)中。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU）結(jié) 構(gòu)（幀結(jié)構(gòu)）有一下兩個(gè)基本組成部分：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭，包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長(zhǎng)有效載荷，包含幀類型所指定的信息。 圖 所示為網(wǎng)絡(luò)層通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域，但網(wǎng)絡(luò)層的幀的報(bào)頭域還是按照固定的序列出現(xiàn)。然而，只有多播標(biāo)志值是 1 時(shí)才存在多播（多點(diǎn)傳送）控制域。 有 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中定義了兩種類型的網(wǎng)絡(luò)幀，它們分別是數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。 字節(jié)： 2 2 2 1 1 0/8 0/8 0/1 變 長(zhǎng) 變 長(zhǎng) 幀控制 目的 地址 源地 址 廣播半 徑域 廣播序列號(hào) IEEE 目的地址 IEEE 源地址 多點(diǎn)傳送 控制 源路 由幀 幀的有效載荷 網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭 網(wǎng)絡(luò)層的有效載荷 圖 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包（幀）格式 Fig. NWK data wrap format 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 ZigBee應(yīng)用層 應(yīng)用層概述 ZigBee 棧體系包括一系列的層元件，包括 2021 標(biāo)準(zhǔn)的 MAC 層和 PHY層。當(dāng)然也包括 ZigBee 的 NWK 層。每個(gè)層的元件提供相關(guān)的服務(wù)功能。 APS 提供了這樣的接口：在 NWK 層和 APL 層之間，從 ZDO 到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這 服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn)： APS 數(shù)據(jù)實(shí)體（ APSDE）和 APS 管理實(shí)體(APSME)。 APSED 提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或者更多的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)通信。 APSME 提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象。這些服務(wù)包含安全服務(wù)和綁定設(shè)備，并維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們常說的 AIB。 ZigBee 中的應(yīng)用框架是為了駐扎在 ZigBee 設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境。 最多可以定義 240 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο螅魏我粋€(gè)對(duì)象的端點(diǎn)編號(hào)都是1~240。還有兩個(gè)附加的終端節(jié)點(diǎn)為了 APSEDSAP 的使用：端點(diǎn)號(hào) 0 固定于 ZDO 數(shù)據(jù)接口 ；另外一個(gè)端點(diǎn) 255 固定用于所有應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口功能；端點(diǎn) 241~254保留。 應(yīng)用模式是一組統(tǒng)一的消息。消息格式和處理方法允許開發(fā)者建立一個(gè)可以共同使用的，分布式應(yīng)用程序，這些應(yīng)用是使用駐扎在獨(dú)立設(shè)備中的應(yīng)用實(shí)體。這些應(yīng)用模式允許應(yīng)用程序發(fā)送命令、請(qǐng)求數(shù)據(jù)和處理命令與請(qǐng)求。 串標(biāo)識(shí)符可用來區(qū)分不同的串，串標(biāo)識(shí)聯(lián)系著數(shù)據(jù)從設(shè)備流出和向設(shè)備流入。在特殊的應(yīng)用范圍內(nèi)，串標(biāo)識(shí)符是唯一的。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）描述了一個(gè)基本的功能函數(shù)。這個(gè)功能在應(yīng)用對(duì)象、設(shè)備模式和 APS 之間提供了一個(gè)接口。 ZDO 位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它滿足所有在 ZigBee 協(xié)議中應(yīng)用操作的一般需要。 ZDO 還有一下作用：初始化應(yīng)用支持子層（ APS）、網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）、安全服務(wù)規(guī)范（ SSS）；從終端應(yīng)用中集合配置信息來確定和執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理以及綁定管理。 ZDO 描述了應(yīng)用框架層的應(yīng)用對(duì)象和公用接口，以控制設(shè)備和應(yīng)用對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)功能。在終端節(jié)點(diǎn) 0， ZDO 提供了與協(xié)議棧中低一層相接的接口。如果是數(shù)據(jù)，則通過APSEDSAP；如果是控制信息，則通過 APSMESAP。在 ZigBee 協(xié)議棧的應(yīng)用框架中，ZDO 公用接口提 供設(shè)備、發(fā)現(xiàn)、綁定以及安全等功能的地址管理。 設(shè)備發(fā)現(xiàn)是 ZigBee 設(shè)備發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備過程。這