【正文】 這是協(xié)議棧的核心。 ZigBee 協(xié)調(diào)器具有建立一個新網(wǎng)絡(luò)的功能，路由器和終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中提供輕便支持。 請求 (Request)、響應(yīng) (Response)原語分別由協(xié)議棧中處于較高位置的層向較低層發(fā)起；確認(rèn) (Confirm)、指 示 (Indication)原語則從較低層向較高層返回結(jié)果或信response indication confirm Request 服務(wù)使用者 （上層） 服務(wù)提供者 （ 本層） 服務(wù)使用者 （上層） 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 23 頁 息。 （ 3） Indication:指示原語由本層發(fā)給上層用來指示本層的某一內(nèi)部事件。 層與層之間的通信原語可分為四種，關(guān)系如下圖 ： 圖 層與層之間的原語通信 （ 1） Request：請求原語用于上層向本層請求指定的服務(wù)。這些服務(wù)原語是個抽象的概念，它的定義與其它的任何接口無關(guān)。各項(xiàng)服務(wù)通過服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)。廣播半徑限 定了傳輸半徑的范圍。廣播半徑的長度為 1 個字節(jié)。 （ 2） .目的地址，源地址在網(wǎng)絡(luò)層幀中是必須有的，其字節(jié)長度為 2。 網(wǎng)絡(luò)層功能： 1)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)； 2)網(wǎng)絡(luò)形成； 3)允許設(shè)備連接； 4)路由器初始化； 5)設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接； 6)直接將設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接； 7)斷開網(wǎng)絡(luò)連接； 8)重新復(fù)位設(shè)備； 9)接收機(jī)同步； 10)信息庫維護(hù)。 ZigBee 協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。應(yīng)用框架包括了應(yīng)用支持子層（ APS）， ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO）及由制造商制訂的應(yīng)用對象。其中 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層和介質(zhì)訪問控制子層。所有的服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接入點(diǎn)（ SAP）為上層提供接口，每個 SAP 都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)所需的功能。它的用法在下文中會詳細(xì)介紹。 綁定（ binding） 綁定是控制信息從一個應(yīng)用層到另一個應(yīng)用層流動的一種機(jī)制。配置文件內(nèi)容包括：設(shè)備 ID(Device ID)， 簇 ID(Cluster ID)，屬性 ID(Attribute ID)，及 AF 使用何種服務(wù)類型等信息。 屬性（ attribute） 屬性（ attribute）：設(shè)備之間通信的每一種數(shù)據(jù)像開關(guān)的狀態(tài)或溫度計(jì)值等皆可稱為屬性．每個屬性可得到唯一的ＩＤ值． 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 19 頁 簇（ cluster） 簇（ cluster）：多個屬性的匯集形成了簇，每個簇也擁有一個唯一的ＩＤ．雖然個體之間傳輸?shù)耐ǔＪ菍傩孕畔?，但所謂的邏輯組件的接口指的卻是簇一級的操作，而非屬性一級． 配置文件 (profile) 配置文件 (profile)： Zigbee 協(xié)議的配置文件是對邏輯組件及其相關(guān)接口的描述，是面向某個應(yīng)用類別的公約、準(zhǔn)則．通常沒有程序代碼與配置文件相關(guān)聯(lián)．配置文件定義了 屬性ＩＤ與簇ＩＤ，使之看起來就像設(shè)備的某種特性。每個物理設(shè)備節(jié)點(diǎn)內(nèi)部含有 256 個可編址的邏輯終端（ endpoint），其中終端 0 就是ZDO，終端 255 是個廣播地址， 241254 保留為以后使用。 第三類 Zigbee 地址是終端（ endpoint）地址。這是一個 16 位的地址，其中有幾個特殊的地址： 0xFFFF 這個一個對全網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備進(jìn)行廣播的廣播地址 0xFFFD 如果在命令中將目標(biāo)地址設(shè)為這個地址的話那么只對打開了接收的設(shè)備進(jìn)行廣播 0xFFFC 廣播到協(xié)調(diào)器和路由器 0xFFFE 如果目的地址為這個地址的話，那么 應(yīng)用層將不指定目標(biāo)設(shè)備，而是通過協(xié)議棧讀取綁定表來獲得相應(yīng)目標(biāo)設(shè)備的短地址 此外的 0x0000 到 0xFFF8 都是有效的目的地址?？梢杂?Ti 的 flash 編程軟件燒寫一個 IEEE 地址。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的三類地址 第一類是 Zigbee IEEE 地址，也叫做擴(kuò)展地址。端點(diǎn) 0xff 用來尋址所有的活動的端點(diǎn)，而 0xf1~0xfe 暫時預(yù)留。每一個 ZigBee節(jié)點(diǎn)可以包含多個端點(diǎn)。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ： ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 分別依次是星狀網(wǎng)絡(luò)，樹（簇）狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。通常，終端設(shè)備對存儲空間 (特別是 RAM 的需要 )比較小。路由器也屬于全功能設(shè)備。 通常，路由器希望是一直處于活動狀態(tài)，因此它必須 使用主電源供電。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)成員的身份管理，鏈路狀態(tài)信息的管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功能。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，而不能和其他的 RFD 通信。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定 (bindings)。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。其中黑色節(jié) 點(diǎn)為 Coordinator，紅色節(jié)點(diǎn)為 Router，白色節(jié)點(diǎn)為 EndDevice。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由一個 Coordinator 以及多個 Router 和多個 EndDevice 組成。主要完成三方面的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到 PAN 網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，分配 GTS。 表 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 字節(jié)： 2 1 4 或 10 n 2 MAC 層 幀控制 序列碼 尋址信息 數(shù)據(jù)載荷 FCS MHR MSDU MFR 如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或 MAC 命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請求被置 成 1，設(shè)備需要回應(yīng)一個確認(rèn)幀。 表 信標(biāo)幀結(jié)構(gòu) 字節(jié)： 2 1 4 或 10 2 k m n 2 MAC 層 幀控制 序列碼 尋 址信息 超幀 GTS 未處理事務(wù)地址 信標(biāo)載荷 FCS MHR MSDU MFR 數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)到 MAC 層的數(shù)據(jù)，它的負(fù)載字段包含上層需要傳輸江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 15 頁 的數(shù)據(jù)。 一個數(shù)據(jù)幀使用哪種地址類型由幀控制字段的內(nèi)容來決定：幀控制中的幀類型用三位二進(jìn)制表示為： 000 信標(biāo)幀， 001 數(shù)據(jù)幀， 010 應(yīng)答幀， 011 MAC 命令幀， 100~111 保留。 MAC 層通用幀格式 MAC 幀格式主要是指 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU）的格式，主要包括 MAC 幀頭（ MHR）， MAC 負(fù)載和 MAC 幀尾（ MFR）。流程圖如下圖 ： 圖 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 在對 等的 PAN 中，任一器件可同其射頻范圍內(nèi)的其它器件通信。而終端器件則是周期性的監(jiān)聽信標(biāo)，如果自己是協(xié)調(diào)器傳送對象，則該器件利用開槽CSMA/CA 將 MAC 命令請求控制信息傳給協(xié)調(diào)器。 在信標(biāo)和非信標(biāo)模式下，主要區(qū)別是器件是否先要從協(xié)調(diào)器獲得信標(biāo)，再通過 CSMA/CA 來傳送資料。 數(shù)據(jù)傳送模式 在 IEEE 的數(shù)據(jù)傳送模式里，存在有三種方式。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 12 頁 圖 無 GTS 的超幀結(jié)構(gòu) 非信標(biāo)模式下， ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，終端設(shè)備主動向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的周期性（周期可設(shè)置）休眠。 超幀結(jié)構(gòu)還包含了另一部分叫做無競爭周期，在這部分我們叫做保證時隙（ GTS），采用預(yù)先請求的方式， 讓在 CFP 中配置到 GTS 的設(shè)備可以不用競爭就可以直接傳送。該超幀結(jié)構(gòu)的格式是由網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器來定義，而超幀結(jié)構(gòu)的大小邊界是由網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)所設(shè)定，一個超幀結(jié)構(gòu)包含了 16 個相同大小的時隙。 信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許終端設(shè)備進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器 和所有路由器 設(shè)備必須長期處于工作狀態(tài)。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 11 頁 MAC 層的主要功能包括如下 7 個方面： （ beacon）； ； RAN 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作； 備的安全性提供支持； （ CSMACA）； （ GTS）； MAC 實(shí)體之間提供一個可靠的通信鏈路。 介質(zhì)訪問控制層規(guī)范（ MAC） MAC 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)。接收信號強(qiáng)度指標(biāo)（ RSSI）和相關(guān)值添加到幀中。下列兩個事件使該觸發(fā)有效： ●當(dāng)?shù)谝粋€數(shù)據(jù)存入 RXFIFO，即當(dāng) RXFIFO 從空狀態(tài)變成非空狀態(tài)時； ●當(dāng)數(shù)據(jù)通過 SFR 寄存器的 RFD，從 RXFIFO 中讀出時。 注：在絕大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，推薦使用存儲器直接存取 (DMA)在存儲器和無線模塊之間傳送數(shù)據(jù)。使用先進(jìn)先出讀取數(shù)據(jù)需要通過特殊功能寄存器接口。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)出去。接收數(shù)據(jù)存放在一個接收先進(jìn)先出（區(qū)別于發(fā)送先進(jìn)先出）的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。在中頻 2MHz 中，當(dāng) ADC 模塊轉(zhuǎn)換時，輸入正交調(diào)相信號被過濾和放大。 CC2430 的無線接收器是一個低中頻的接收器。如果數(shù)據(jù)包 的長度類型為 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（即 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。 同步包頭由前同步碼和數(shù)據(jù)包（幀）定界符組成，用于獲取符號同步，擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整。每個信道占用半個片碼偏移周期。數(shù)據(jù)碼片采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移技術(shù)（ OQPSK）調(diào)制。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 8 頁 圖 物理層結(jié)構(gòu)模型 由 圖所示，其中 無線射頻服務(wù)接入點(diǎn)是由驅(qū)動程序提供的接口，而數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)是物理層提供給上層即 MAC 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口 ，物理層實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)式物理層給 MAC 層提供的管理服務(wù)接口。 空閑信道評估評判信道是否空閑。該檢測本身不進(jìn)行解碼操作，檢測結(jié)果為有效信號功率和噪聲信號功率之和。 物理層主要完成：激活 /休眠無線收發(fā)設(shè)備，對當(dāng)前頻道進(jìn)行能量檢測，鏈接質(zhì)量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（ CSMA— CA）進(jìn)行空閑頻道評估，頻道選擇，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。 物理層的主要功能 物理層功能相對簡單，主要是在硬件驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理信道的管理。 IEEE 規(guī)范定義了 27 個物理信道，信道編號從 0 到 26，每個具體的信道對應(yīng)著一個中心頻率，這 27 個物理信道覆蓋了以上 3 個不同的頻段。由于這兩個頻段上無線信號的傳播損耗和所受到的無線電干擾均小，因此可以降低對接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較大的有效通信距離，從而使用較少的設(shè)備即可覆蓋整個區(qū)域。 通常， ZigBee 硬件設(shè)備不能同時兼容兩個工作頻率，由于 868~頻段，能夠提供 20Kb/s 的傳輸速率，主要用于歐洲。因此， IEEE 定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 物理層和 868/915 MHz物理層。 ZigBee 對于不同的國家和地區(qū)提供不同的工作頻率范圍。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個與物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。下面我們具體介紹下這兩層的結(jié)構(gòu)和它們是如何工作的。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 6 頁 第二章 IEEE 通信層 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義 了協(xié)議棧的最下面兩層：物理層（ PHY）和介質(zhì)接入控制子層（ MAC）。 在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面， 采用 CC2430RF 芯片，完成符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式平臺的設(shè)計(jì)，包括原理圖設(shè)計(jì)、 PCB 布線、焊接和調(diào)試。 本文的工作內(nèi)容 在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，本文首先深入地研究了 ZigBee 協(xié)議棧 (zigbee 2021)的整體框架和各層的功能再根據(jù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備構(gòu)成分別分析了協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧。好的路由器的設(shè)計(jì)，不僅能擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸距離，還可以可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，大大提高通信速度。為解決這個問題，必須使用 ZigBee 路由器。 （ 6） .安全： ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES128. （ 7） .高保密性： 64 位出廠編號和支持 AES128 加密。 （ 4） .時延短：針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。 （ 3）路由技術(shù)：路由技術(shù)是移動節(jié)點(diǎn)通信的基礎(chǔ)，也是移動自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。工作模式下， ZigBee 技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號的收發(fā)時間很短；在非工作狀態(tài)下， ZigBee 節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。 國內(nèi)各所大學(xué)出版的圖書教材有， 北京航空航天大學(xué)出版社出版 無線網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)戰(zhàn) ； 無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn) ；ZigBee2021/ PRO 協(xié)議棧實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐 ； ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù) ZigBee 是一種無線連接 ,可工作在 (全球流行 )、 868MHz(歐洲流行 )和915 MHz(美國流行 )3 個頻段上 ,分別具有最高 250kbit/s、 20kbit/s 和 40kbi