【正文】 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個網(wǎng)絡(luò)中，即在同一個內(nèi)部個域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體提供如下服務(wù)：生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)；指定拓撲傳輸路由。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)即網(wǎng)絡(luò)層幀的結(jié)構(gòu)，如表 所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)( 幀結(jié)構(gòu) )的基本組成部分是：網(wǎng)絡(luò)層幀報頭，包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有效載荷，包含幀類型所指定的信息。下圖表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域。有的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中也定義了數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。表 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式2 字節(jié)2 字節(jié)2 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 0/8 0/8 0/1 變長 變長幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號目的地址源地址多點傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡(luò)層幀報頭 網(wǎng)絡(luò)層有效 載荷 ZigBee 應(yīng)用層(API)ZigBee 應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送信息。ZigBee 設(shè)備對象的功能包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機制，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定它們提供何種應(yīng)用服務(wù)。ZigBee 應(yīng)用層除了提供一些必要的函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個重要的功能就是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對象。1．應(yīng)用支持子層(APS)APS 負責(zé)如下工作：表格綁定；綁定設(shè)備間信息發(fā)送；組地址的定義與管理；64 位長地址映射到 16 位網(wǎng)絡(luò)地址；包的分組與組裝；數(shù)據(jù)可靠傳輸。需求水平和服務(wù)水平接口的關(guān)鍵是設(shè)備的綁定。綁定表保存在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器中。綁定表能把源地址和源端點映射到一個或多個目標(biāo)地址和目標(biāo)端點。一組綁定設(shè)備的簇 ID 號相同。2．應(yīng)用框架應(yīng)用框架是應(yīng)用對象發(fā)包和收包的執(zhí)行環(huán)境。應(yīng)用對象由 ZigBee 設(shè)備制造商定義。應(yīng)用對象處于應(yīng)用層的頂部，由設(shè)備制造商所決定。應(yīng)用對象執(zhí)行具體應(yīng)用。應(yīng)用對象可以是燈泡、燈開關(guān)、LED、I/O 線等。應(yīng)用層面由應(yīng)用對象運行。每個應(yīng)西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）9用對象通過相應(yīng)的端點尋址，端點號范圍從 1 號到 240 號。0 號端點是 ZigBee 設(shè)備對象的地址，255 號端點是廣播地址，信息能發(fā)送到特定節(jié)點的所有端點。241 號—254 號端點預(yù)留作未來使用。3．ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)ZDO 負責(zé)所有設(shè)備的管理。具體來說，ZDO 負責(zé)開啟應(yīng)用支持子層和網(wǎng)絡(luò)層；定義設(shè)備的工作模式，如：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備；發(fā)現(xiàn)設(shè)備和確定設(shè)備提供什么應(yīng)用服務(wù)；發(fā)起和響應(yīng)綁定請求；安全管理。設(shè)備發(fā)現(xiàn)只能由協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)起。終端設(shè)備響應(yīng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)查詢后，根據(jù)請求發(fā)送自己的 IEEE 地址或網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送自己的 IEEE 地址或發(fā)送附加上關(guān)聯(lián)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)地址。(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點，設(shè)備就會關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)器或路由器。)設(shè)備發(fā)現(xiàn)允許 adhoc 網(wǎng)絡(luò)和自愈網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)發(fā)現(xiàn)是每個節(jié)點找出服務(wù)適合什么應(yīng)用的過程。這條信息然后用在綁定表中關(guān)聯(lián)提供服務(wù)的設(shè)備和需要服務(wù)的設(shè)備。4．ZigBee 配置文件ZigBee 配置文件，也稱為層面，是不同設(shè)備上應(yīng)用之間信息處理的協(xié)定，是應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域接口所需要的設(shè)備描述。配置文件描述了邏輯組件和接口，為不同制造商提供了互用性。例如，家庭燈光配置文件方便了一家制造商生產(chǎn)的無線開關(guān)去控制另一家制造商生產(chǎn)的照明設(shè)備。配置文件分為三種：公共層面(或標(biāo)準層面)、私立層面和出版層面。公共層面由 ZigBee 聯(lián)盟管理，私立層面由 ZigBee 產(chǎn)品賣主定義，進行使用的限制。如果層面的所有者出版了層面，那么私立層面就轉(zhuǎn)變成出版層面 [6]。 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)ZigBee 協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務(wù)接入點 SAP 相連接的。每一層都可以通過本層和下一層的 SAP 調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時通過與上層的SAP 通信，為上層提供相應(yīng)服務(wù)。SAP 是層與層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)是以通信原語的形式供層與層之間調(diào)用。在調(diào)用下層服務(wù)時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。層與層之間的通信原語分為以下四種，它們之間的關(guān)系如圖 所示 [12]。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）10圖 服務(wù)原語Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務(wù)。Confirm：確認原語，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。Indication：指示原語，本層發(fā)給上層，用來指示本層的某一內(nèi)部事件。Response：響應(yīng)原語，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。ZigBee 標(biāo)準提供了兩個必須的功能服務(wù)實體，它們分別為管理服務(wù)實體和數(shù)據(jù)服務(wù)實體。管理服務(wù)實體通過網(wǎng)絡(luò)管理實體服務(wù)接入點(NLMESAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，并允許應(yīng)用和堆棧相互作用。數(shù)據(jù)服務(wù)實體生成協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，并通過數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(NLDESAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù) (1)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立建立一個新網(wǎng)絡(luò)的過程從 原語的使用開始。只有那些可以成為 ZigBee 協(xié)調(diào)器并且當(dāng)前沒有加入任何網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備才能建立新網(wǎng)絡(luò)。如果該程序已經(jīng)在其他設(shè)備中開始運行，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)就必須結(jié)束該程序，并通知上一層屬于非法請求。這一過程通過發(fā)送 原語，并設(shè)置其狀態(tài)參數(shù)為 來實現(xiàn)。過程啟動以后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體首先要求 MAC 層對任意指定的一系列信道，缺省條件對所有有效的信道進行能量掃描，尋找可能存在的網(wǎng)絡(luò)。信道掃描通過發(fā)送 原語到 MAC 層，將 ScanType 參數(shù)設(shè)置為能量掃描。MAC層將結(jié)果有 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。網(wǎng)絡(luò)層管理實體根據(jù)能量檢測來對這些信道進行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。然后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體發(fā)送 原語進行主動掃描，需要將ScanType 參數(shù)設(shè)置成主動掃描并把 ChannelList 設(shè)置成可接受信道，用以尋找其他的 ZigBee 設(shè)備。為了選取建立新網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實體需要尋找現(xiàn)有網(wǎng)西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11絡(luò)數(shù)量最少的第一個信道。如果沒有發(fā)現(xiàn)合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要結(jié)束該程序并通知上一層網(wǎng)絡(luò)建立失敗。如果發(fā)現(xiàn)了合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個 PAN 標(biāo)識符。首先要檢查可選的 PANID 參數(shù)是否在指定的 原語中被指定。如果存在并且沒有與現(xiàn)有的 PANID 沖突，這個值就成為新網(wǎng)絡(luò)的PANID。否則設(shè)備會選擇一個隨機的 PAN 標(biāo)識符。一旦網(wǎng)絡(luò)層管理實體做出選擇，它就要通過發(fā)送 原語把 MAC 層的 macPANID 屬性設(shè)置為該值。PAN 標(biāo)識符被選定后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要選擇一個 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址并設(shè)置 MAC層的 maeShortAddress 屬性與該網(wǎng)絡(luò)地址一致。如果該網(wǎng)絡(luò)地址被選定，網(wǎng)絡(luò)層管理實體發(fā)送 原語給 MAC 層以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)幀格式。按照 NLME 原語、信道掃描結(jié)果和選定的 PAN 標(biāo)識符提供的信息設(shè)置 原語的參數(shù)。PAN 狀態(tài)通過 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層。一旦接收到 PAN 啟動的狀態(tài)值，網(wǎng)絡(luò)層管理實體通知上層網(wǎng)絡(luò)實體初始化ZigBee 協(xié)調(diào)器的要求，發(fā)送 原語(狀態(tài)參量設(shè)成 原語從 MAC 層返回的值)。 (2)允許設(shè)備 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過程由 原語開始。只有ZigBee 協(xié)調(diào)器和 ZigBee 路由器才能允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。如果該程序己經(jīng)在其他任意設(shè)備上被運行，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)就要終止該程序。如果程序初始化時設(shè)置 PennitDuration 參數(shù)為 0x00,網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)就要通過發(fā)送 原語設(shè)置 MAC 層 macAssociationPemit 屬性為FALSE。如果程序初始化時 PemritDuration 參數(shù)在 0x01 到 Oxfe 之間，網(wǎng)絡(luò)層管理實體通過 設(shè)置 MAC 層 macAssociationPermit 屬性為 TRUE。然后啟動一個時鐘計時，如果指定的持續(xù)時間到，則網(wǎng)絡(luò)層管理實體再把 MAC 層macAssociationPermit 屬性設(shè)置成 FALSE。如果程序初始化時設(shè)置 PermitDuration 屬性為參數(shù)為 ox0f,網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要設(shè)置 MAC 層 tnacAssociationPernit 屬性為 TRUE，直到另一個 NLMEPermit 原語發(fā)送時才改變狀態(tài)。 (3)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)進程任意設(shè)備都能夠發(fā)送關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)請求，但是只有 ZigBee 協(xié)調(diào)器/ 路由器且有可用的網(wǎng)絡(luò)地址空間才可以接收處理設(shè)備加入請求。子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過程要從發(fā)送 原語開始，設(shè)置 ScanCbannels 參數(shù)( 需要掃描哪些信道) 和 ScaiiDuration 參數(shù) (掃描每個信道所需的時間)。一旦收到該原語，網(wǎng)絡(luò)層就會發(fā)送 原語要求 MAC 層進行一次掃描。掃描過程中每接收到一個有效數(shù)據(jù)非零的信息幀，掃描設(shè)備就從 MAC 層發(fā)送一個 MLMEBeacon西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）12 原語給它的網(wǎng)絡(luò)層管理實體。該原語包括信息設(shè)備的尋址信息，是否允許關(guān)聯(lián)以及信標(biāo)有效載荷。網(wǎng)絡(luò)層管理實體需要檢查信標(biāo)有效載荷中的協(xié)議標(biāo)識并確認其是否符合 ZigBee 協(xié)議標(biāo)識符。如果 MAC 層發(fā)送 到 NLME，NWK 層就發(fā)送 ,其中包括掃描到的網(wǎng)絡(luò)的描述。網(wǎng)絡(luò)描述包括 ZigBee 版本、協(xié)議棧概要、PANID，以及該網(wǎng)絡(luò)是否允許設(shè)備加入的信息。接收到 原語后，上一層網(wǎng)絡(luò)實體得到了當(dāng)前鄰近地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)情況，就可以選擇從己發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個網(wǎng)絡(luò)加入。然后，上一層網(wǎng)絡(luò)實體將發(fā)送 原語(PANID 參數(shù)設(shè)置成選定網(wǎng)絡(luò)的 PAN 標(biāo)識符； 參數(shù)設(shè)置成 FALSE；設(shè)置 JoinAsRouter 參數(shù)，表明該設(shè)備是否作為路由器加入)。對于未加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備， 原語會引起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層查找其鄰居設(shè)備表，選擇合適的設(shè)備。合適的設(shè)備應(yīng)具備要求的PANID 允許關(guān)聯(lián)。如果鄰居設(shè)備表中沒有合適的父設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要返問。父設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體首先要判斷需要加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備是否己在網(wǎng)絡(luò)中存在，具體是通過搜索鄰居設(shè)備表判斷是否存在相匹配的 64 位擴展地址。如果存在匹配的地址，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要將其相對應(yīng)的 16 位網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給 MAC 層。如果未能找到匹配地址，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要給新設(shè)備分配一個在該網(wǎng)絡(luò)中唯一的 16 位網(wǎng)絡(luò)地址( 每個現(xiàn)在父節(jié)點都被分配了有限的地址空間，一旦該空間溢出，設(shè)備就會拒絕加入請求) 。如果父設(shè)備用盡所分配的地址空間，NLME 則終止程序并在隨后的 MLME 原語中說明情況，狀態(tài)參數(shù)設(shè)置為 PAN 飽和。如果加入請求成功，父設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體即在鄰居設(shè)備表中按照子節(jié)點的設(shè)備信息為該子節(jié)點開辟一個新的條目，還要在隨后發(fā)送給 MAC 層的 原語表明關(guān)聯(lián)成功。需要發(fā)送給子節(jié)點的響應(yīng)傳輸狀態(tài)通過 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層，再通過 通知上層網(wǎng)絡(luò)實體子節(jié)點已加入網(wǎng)絡(luò)。如果傳輸失敗，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(MLME)就要終止程序 [6]。 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)ZigBee 的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)有兩種方式：直接數(shù)據(jù)傳輸和間接數(shù)據(jù)傳輸 [12]。直接數(shù)據(jù)傳輸是指被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中含有源設(shè)備地址和日標(biāo)設(shè)備地址，數(shù)據(jù)在傳輸過程中是根據(jù)目標(biāo)設(shè)備地址傳輸數(shù)據(jù)的，一直到數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備為止。間接數(shù)據(jù)傳輸是指被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中只包含源設(shè)備地址和 Cluster 標(biāo)識，不包括目標(biāo)設(shè)備地址。數(shù)據(jù)先被傳輸?shù)?ZigBee 協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)源設(shè)備地址和西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）13Cluster 標(biāo)識在綁定表中搜尋相匹配的記載。如果沒找到，則數(shù)據(jù)傳輸失??；如果找到匹配的記載，則根據(jù)記載中的目標(biāo)地址傳輸?shù)较鄳?yīng)的綁定設(shè)備。只有 ZigBee 協(xié)調(diào)器能有綁定表，并執(zhí)行綁定操作。如果由別的設(shè)備發(fā)起綁定操作，該進程就會被終止。綁定操作是由協(xié)調(diào)器應(yīng)用層發(fā)出 原語開始的。當(dāng)協(xié)調(diào)器的應(yīng)用支持子層管理單元(APSME)接收到該原語后，首先先檢查 APS 層是否有足夠的容量。如果無足夠的容量，APSME 發(fā)送 APSME(狀態(tài)參數(shù)設(shè)置為 TableFull)來告知上層實體該綁定操作失敗。如果有足夠的容量，APSME 再根據(jù)源設(shè)備地址和 Cluster 標(biāo)識來檢查綁定表中是否有相關(guān)記載。如果綁定表中有相關(guān)記載，則放棄此次綁定操作；如果沒有記載，創(chuàng)建相關(guān)綁定表記載，并發(fā)送 (狀態(tài)參數(shù)設(shè)置為 Success)來告知上層實體該操作成功。具體的綁定消息操作序列如圖 所示。Z i g B e e 協(xié)調(diào)器應(yīng)用層Z i g B e e 協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層Z i g B e e 協(xié)調(diào)器 M A C層A P S M E — B I N D . c o n f i r mA P S M E — B I N D . r e q u e s t在綁定表中創(chuàng)建新的記載圖 Zigbee 協(xié)調(diào)器綁定操作綁定表中相關(guān)記載包括以下信息：(as ,cs ,es)={(ad1,ed1)(ad2,ed2)…(adn,edn)} 公式（）as 綁定鏈接中源設(shè)備地址；es 綁定鏈接中源設(shè)備端點標(biāo)識；cs 綁定設(shè)備中 Cluster 標(biāo)識；