zigbee与局域网通信的网关设计.pdf

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1、成都理工大学硕士学位论文ZigBee与局域网通信的网关设计姓名：张于峰申请学位级别：硕士专业：计算机软件与理论指导教师：洪志全20070501Zig B e e 与局域网通信的网关设计作者简介：张于峰，男，1 9 7 1 年1 2 月出生，2 0 0 4 年9 N 师从成都理工大学洪志全教授，于2 0 0 7 年7 月获硕二匕学位。摘要近年来，随着无线通信网络和嵌入式系统等技术的飞速发展，各种新技术高度交叉融合，出现了许多新的信息获取和处理模式。作为新兴的无线通讯协议，I E E E 8 0 2 1 5 4 确定了低速个人区域网络标准，定义了物理层(P H Y)和介质访问层f M A C)，Z

2、 i g b e e 协议在P H Y 层和M A C 层的基础上对网络层(N W K)进行了具体定义，为应用层提供A P I 函数。Z i g B e e 无线网络利用嵌入式系统和通信网络技术，将各种家用设施(如照明、安防、家电等)通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更为便利舒适的生活。本文介绍了Z i g B e e 无线网络与互联网相互通信的网关设计方法。网关以L i n u x 和P I c 单片机为平台，通过串口编程、网络编程和进程间通信等方法，实现了网关的功能。结果表明，Z i g B e e 无线网络与互联网相互通信是可行的，这种模式将会广泛应用于工业控制、家庭监护等领域。文章

3、最后对全文进行了概括性的总结，并指出了下一步的研究方向。关键词：网关；Z i g B e e；T C P I PD e s i g no fG a t e w a yb e t w e e nZ i g B e ea n dT C P I PA B S T R C TI nt h er e c e n ty e a r s，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k，e m b e d d e ds y s t e ma n dt h ei

4、n t e r a c t i o no fa l lk i n d so f n e wt e c h n o l o g i e s，m a n yn e wm o d e so fi n f o r m a t i o no b t a i n e da n dp r o c e s s e dc o m ei n t ob e i n g I E E E 8 0 2 1 5 4i sf ln e wp r o m o t i n gw i r e l e s sp r o t o c o l，w h i c hd e f m e st h es t a n d a r df o rw

5、i r e l e s sl o w r a t eP e r s o n a lA r e aN e t w o r k I tp r o v i d e st h ed e f i n i t i o nf o rp h y s i c a ll a y e r(P H Y)a n dm e d i u ma c c e s sl a y e r(M A C)U p o nt h eP H Ya n dM A C t h e r ec o n s t r u c t sZ i g h e ep r o t o c o lp r o v i d i n ga p p l i c a t i

6、o nf u n c t i o ni n t e r f a c ef o rt h ea p p l i c a t i o nl a y e rZ i g B e et h ew i r e l e s sn e t w o r k，w i t he m b e d d e ds y s t e ma n dI n t e r n e t，c o n n e c t st h ef a c i l i t i e sa n dd e v i c e ss u c ha sl i g h t i n gs y s t e m，s a f e g u a r ds y s t e ma n

7、de l e c t r i c a le q u i p m e n t se t c t oaf o r mah o m en e t w o r k，w h i c hp r o v i d e sp e o p l em o r ec o m f o r t a b l ea n dc o n v e n i e n t1 i r e T h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do fg a t e w a yb e t w e e nZ i g B e ea n dT C P I PB a s e do nL

8、 i n u xa n dA t L M 9，g a t e w a yi si m p l e m e n t e db ys e r i a lp o r t sp r o g r a m m i n g，s o c k e tp r o g r a m m i n ga n dp r o c e s s e sc o m m u n i c a t i o n T h er e s u l td e m o n s t r a t e st h eZ i g B e ew i r e l e s sn e t w o r kc a nb ec o n n e c t e dw i mI

9、n t e m e tb yg a t e w a ya n dt h i sk i n do fm e t h o dw i l lb ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha si n d u s t r i a lc o n t r o la n dh o m em o n i t o r F i n a l l y,ac o n c l u s i o ni sm a d e，a n dt h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ep r o p o s e d K

10、e y w o r d s：g a t e w a y；Z i g B e e；T C P I P独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作剩币繇l 毵让学位敝作者签名：袭亏啤。年f 月2。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盛整理王太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送

11、交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盛壑理=E 盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：张亏库2 口0 7年手月2 0日第1 章引言第1 章引言1 1 论文背景与主要研究内容1 9 9 9 年，蓝牙技术开始走向应用，但因芯片价格高，厂商支持力度不够，传输距离限制以及抗干扰能力差等问题而发展缓慢。2 0 0 0 年1 2 月，I E E E(美国电子和电气工程师协会)成立了I E E E8 0 2 1 5 4 工作组，低功耗、低成本的无线网络需求使Z i

12、 g B e e 应运而生。1 1 1 论文背景Z i g B e e 是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。它采取了I E E E8 0 2 1 5 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本低的特点，又增加了网络层、安全层和应用层。Z i g B e e 应用场合如下：(1)无线传感器网络W S N；(2)带负载管理功能的自动抄表(h t R)系统；(3)智能交通、油气生产遥测遥控通信系统；(4)监控照明、H v A C 和写字楼安全；(5)农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信；(6)工业制造、过程控制遥测遥控；(7)对病患、设备及设施进行医

13、疗和健康监控；(8)家庭监控、H V A C、安防报警系统运用；(9)有源R F I D 应用，用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理；(1 0)军事应用，包括战场监视和机器人控制；(1 1)汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。在家电控制领域，Z i g B e e 技术通过无线方式，将各种电子和电器产品连接起来。用户只需使用一个遥控器，在规定范围内就可以操控各种家用电器，而且遥控模块可嵌入在如手机之类的便携式电子器件中。用户只需在手机上设定相应的操作，家电就会按照规定自动完成这些指令，同时每个操作都会有反馈信息说明操作已完成。Z i g B e e 技术还有一些高端应用，

14、如当房主在超市购物时，可以发一条指令，以了解冰箱中的牛奶、肉类和蔬菜的数量，以确定是否需要购买。在生产领域和其他领域，Z i g B e e 技术也有广阔的应用前景。在矿井中，安装了Z i g b e e 收发模块的工作服可以告诉控制中心矿工的准确位置、井下的空气成都理工大学硕士学位论文质量等数据；同样的系统也可以应用在小区车辆管理中。以上这些只是Z i g B e e技术应用的一小部分，Z i g b e e 技术的目标是实现工业、家庭、汽车、农业和医疗护理等领域的无线自动化。Z i g B e e 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控

15、制等。它的应用条件如下：(1)低功耗；(2)低成本；(3)较低的报文吞吐率；(4)需要支持大型网络接点的数量级；(5)对通信服务质量O o S 要求不高(甚至无Q o S)；(6)需要可选择的安全等级(采用A E S 一1 2 8)；(7)加密；(8)发送鉴别；(9)报文的完整性；(1 0)需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用；(1 1)要求高的网络自组织、自恢复能力。1 1 2 国内外研究现状2 0 0 1 年8 月，美国H O N E Y W E L L 等公司发起成立了Z i g B e e 联盟，他们提出的Z i g B e e 技术被确认为I E E E8 0 2 1 5 4 标准。

16、2 0 0 2 年，摩托罗拉、飞利浦和三菱等企业加盟Z i g B e e 联盟，2 0 0 6 年中国的华为公司也加入了该联盟。现联盟内有2 0 0 多家成员企业，包括软件供应商、系统集成商和终端产品商。2 0 0 3 年，I E E E8 0 2 1 5 4 标准获得通过，2 0 0 4 年1 2 月推出了Z i g B e e 技术规范1 0 版本。J e n n i c、M i c r o c h i p 和F r e e s c a l e 等公司是全球主要的Z i g B e e 芯片供应商，现己推出多款全集成Z i g B e e 芯片，大大降低了Z i g B e e 设备的成

17、本。目前，Z i g B e e芯片的价格己降至2 美元以下。日前，美国C o m p X s 公司成功开发出了可在电脑外设上使用无线通信规格Z i g B e e 的U S B 适配器；M i c r o c h i p 推出三项用于I E E E8 0 2 1 5 4 无线网络的新产品；华宝通讯选择飞思卡尔半导体为其下代无线通信模块提供Z i g B e e 技术。国内也有多家企业投入大量人力财力，开展Z i g B e e 产品的研发工作。据权威机构预测，到2 0 0 9 年，I E E E8 0 2 1 5 4 无线个人局域网市场有望增长2 0 0，年交付量有望突破1 5 亿个。未来Z

18、 i g B e e 应用将向灯光控制、便携式设备领域拓展。在两三年内，Z i g B e e 芯片将更多地与一些终端产品的芯片进行集成，一些手持式设备将会采用Z i g B e e 芯片进行家电控制、小额付款等。第1 章引言1 1 3 本论文的研究方法和结果本论文介绍了z i g B e e 无线网络与互联网相互通信的网关设计方法。网关以L i n u x 和P I C 单片机为平台，通过串口编程、网络编程和进程间通信等方法，实现了网关的功能。结果表明，Z i g B e e 无线网络与互联网相互通信是可行的，这种模式将会广泛应用于工业控制、家庭监护等领域。1 2 论文的组织结构第l 章为引

19、言，介绍了课题的研究背景、国内外研究现状以及本论文研究方法和结果。第2 章深入分析了z i g B e e 技术各层协议的基本原理、技术及主要特点，对目前主要的几种无线通信技术及其性能作了比较。第3 章介绍了硬件平台功能模块的设计及实现，包括选用的微控制器P I C l 8 L F 4 6 2 0 单元的特点和功能介绍，微控制器单元和无线模块单元的连接等。第4 章对嵌入式操作系统u C L i n u x 内核裁减技术进行了研究，并阐述了软件系统的移植过程。第5 章介绍了嵌入式L i n u x 系统的无线网关开发模式，实现了网关的基本功能。最后为结论，总结全文，对课题的研究情况和存在的不足作

20、总结，并指出课题的进一步研究方向。成都理工大学硕士学位论文第2 章Z i g B e e 技术综述2 1Z i g B e e 技术概要Z i g B e e 是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。它既有I E E E8 0 2 1 5 4 省电、简单、成本低的优点，又增加了网络层、安全层和应用层，应用前景广阔。2 1 1Z i g B e e 联盟Z i g B e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2 年下半年，英国I n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Z

21、 i g B e e 联盟”，以研发名为“Z i g B e e”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。到目前为止，除了I n v e n s y s、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有几百家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、I P 服务提供商、消费类电子厂商及O E M 商等，例如H o n e y w e l l、E a t o n和I n v e n s y sM e t e r i n gS y s t e m s 等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像M a t t e l之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开

22、发Z i g B e e 物理和媒体控制层技术标准的I E E E8 0 2 1 5 4 工作组。2 1 2 几种无线协议的比较Z i g B e e 与蓝牙技术的比较：B l u e t o o t h：中等的任务周期，次要的电池能耗考虑(电池持续时间和控制单元相同)，半静态星型网络(接近7 个节点)，主要针对需要中等数据传输率，高服务质量(Q o S)，以及低反应时间的无线网络。Z i g B e e：非常低的任务周期，很长的电池寿命，静态及动态的星型及网状结构，可以有非常多的节点单元(6 5 5 3 4 个)，在没有网络间通信时能够保持长时间静止状态。总而言之，蓝牙主要应用于高Q o S

23、，多样的任务周期，中等数据传输率的平等静态的具有有限活跃节点的无线网络中；而Z i g B e e 则主要是应用在非常低的任务周期，低能耗，低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。Z i g B e e 与其他几种无线协议的比较见表2 1。第2 章Z i g B e e 技术综述表2-IZ i g B e e 与其它几种无线协议技术标准的比较名称Z i g B e e T MG P R S G S MW i F i T MB l u e t O O t h T M标准8 0 2 1 5 41 R T T C m n8 0 2 1 l b8 0 2 1 5 18 8 8、9 1 5 M

24、 H z，频段0，8-1 G H z2，4 G H z2 4 G H z2 4 G I t z系统资源需求4 K B 一3 2 K B1 6 船+1 M B+2 5 0 K B+电池寿命(天)1 0 0-1 0 0 0+I-70，5-5l 一7网络规模接近无限(2“)13 27带宽(K B S)2 0 2 5 06 4-1 2 8+1 1 0 0 0+7 2 0传输距离(米)1 一1 0 0+1 0 0 0+1-5 01-1 0+距离、数据率拨号连接，只能距离短、耗电、距离短、复杂、缺点点对点通信，数软件复杂、有限有限有限点组网据率低点组网价位低、功耗低、可有限点组网，可有限点组网，优点即插即

25、用，容量网络覆盖数据率高即插即用大、保密性高2 2Z i g B e e 技术探秘Z i g B e e 是短距离、低速率的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。Z i g B e e 的基础是I E E E 无线个人区域网(P e r s o n a lA r e aN e t w o r k，P A N)工作组的一项标准，被称作I E E E 8 0 2 1 5 4 技术标准。但I E E E 仅处理低级M A C 层和物理层协议，因此，Z i g B e e 联盟扩展了I E E E，对其网络层协议和A P I 进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层。Z i g

26、 B e e 联盟还开发了安全层，保证便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输也不会被其它节点获得。Z i g B e e 协议的整体框架如表2 2：表2-2Z ig B e e 协议的整体框架用户应用层A P IZ i g B e e安全层(3 2 6 4 1 2 8 位加密)联盟网络层(星犁结构网状结构(M e s h)簇状结构)M A CI E E E8 0 2 1 5 4P I P(8 6 8 M H z 9 1 5 删z 2 4 G H z)成都理T 大学硕士学位论文2 2 1Z i g B e e 协议的技术特点z i g a e e 协议的主要技术特点如下：(1)

27、数据传输速率低：只有1 0 kb i t s 2 5 0 kb i t s，专注于低传输应用。(2)低功耗：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。(3)成本低：Z i g a 协议简单，且免收专利费，所以大大降低了成本。(4)网络容量大：每个Z i g B e e 网络最多可支持2 5 5 个设备。(5)低时延：通常的时延在1 5 m s-3 0 m s 之间。(6)安全：Z i g B e e 提供安全协议，采用A E S 1 2 8 加密算法，并可灵活确定其安全属性。(7)有效范围小：有效覆盖范围1 0 7 5 米之间，具体依据实

28、际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。(8)工作频段灵活：使用频段分别为2 4 G H z、8 6 8 M H z(欧洲)及9 1 5 M H z(美国)，均为免执照频段。2 2 2Z i g B e e 网络配置和任何网络一样，Z i g B e e 网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。有两种类型的多点接入机制：在没有使能信标的网络中，只要信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送；在使能信标网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标识为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中所有节点与此帧同步

29、。这个超级帧为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。Z i g B e e 协议栈的当前版本仅支持无信标的星形网络配置。2 2 2 1 网络关联Z i g B e e 网络可以是a d h o e 网络，即可以根据需要组建或不组建新的网络。在星形网络配置中，终端设备在可以执行任何数据传输之前将总是搜索网络。新的网络首先由协调器建立。启动时，协调器会搜索附近的其他协调器，如果没有找到协调器，它就会建立一个自己的网络并选择一个唯一的1 6 位P A NI D。一旦新网络建立，就会允许一个或多个终端设备与此网络相

30、关联。具体是允许还是不允许新关联由协调器决定。一旦组建了网络，就可能由于物理位置的更改而发生多个网络重叠和P A NI D 冲突。在这种情况下，协调器会启动Nl D 冲突解决策略，并有一个协调器将更改其P A NI D 和或信道。受到影响的协调器会指示它所有的终端设备进行必第2 章Z i g B e e 技术综述要的更改。z i g B 协议栈的当前版本不支持P A NI D 冲突解决。根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有的网络关联，称为邻接表。为了连接到网络，终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下，协调器将

31、通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。一旦关联到网络，终端设备就可选择通过执行解除关联过程与该网络解除关联。如果需要的话，协调器本身也会启动解除关联过程来强制节点离开网络。2 2 2 2 端点，接口、群集属性和配置文件典型的Z i g B e e 节点可支持多种特性和功能。例如，I O 节点可能有多种数字和模拟输入输出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点用到，而其他数字输入可能被另一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式控制网络。为了便于在I O 节点和两个控制器节点之间进行数据传输，所有节点中的应用程序必须保存多个数据链路。为了减少成本，Z i g B e e 节点仅

32、使用一个无线信道来和多个端点接口创建多条虚拟链路或信道。一个Z i g B e e 节点支持3 1 个端点(E n dD e v i c e，编号为0-3 1)和8 个接口(I n t e r f a c e，编号为O 7)。端点0 被保留用于设备配置，端点3 l 被保留用于广播，剩下3 0 个端点用于应用。每个端点共有8 个接口，因此，应用在一个物理信道中最多可能有2 4 0 条虚拟信道。一个典型的Z i g B e e 节点也将有很多属性(A t t r i b u t e)。例如，i l o 节点包含称为数字输入l、数字输入2、模拟输入1 等的属性。每个属性都有自己的值。例如，数字输入1

33、 属性可能有值1 或0。属性的集合被称为群集(C l u s t e r)。在整个网络中，每个群集都被分配了一个唯一的群集I D。每个群集最多有6 5，5 3 5 个属性。Z i g B e e 协议还定义了一个称为配置文件(P r o f i l e)的术语。配置文件就是指对分布式应用的描述，它根据应用必须处理的数据包和必须执行的操作来描述分布式应用。使用描述符对配置文件进行描述，描述符仅仅是各种值的复杂结构，此配置文件使Z i g B e e 设备可以互操作。Z i g B e e 联盟已经定义了很多标准的配置文件，比如远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节

34、点都可以与其他实现相同配置文件的节点进行互操作。每个配置文件可以定义最多2 5 6 个群集，每个群集可以最多有6 5，5 3 5 个属性。2 2 2 3 端点绑定当建立一个新的网络时，必须告知协调器如何创建源端点和目标端点之间的链路，z i g B e e 协议定义了一个称为端点绑定的特殊过程。作为绑定过程的一部分，一个远程网络或一个类似于设备管理器的节点会请求协调器修改其绑定表。成都理工大学硕士学位论文协调器节点维护一个基本上包含两个或多个端点之间的逻辑链路的绑定表，每个链路根据其源端点和群集I D 来唯一定义。Z i g B e e 协议定义了称为Z i g B e e 设备对象(Z i

35、g B e eD e v i c eO b j e c t，Z D 0)的特殊软件对象，它在其他服务中提供绑定服务，只有在协调器上运行的Z D 0 不会提供绑定服务。远程网络设备管理器直接将特殊绑定请求发送给Z D 0(端点O)以创建或修改绑定表项。根据Z i g B e e 规范，运行特殊Z i g B e e 节点软件的P C 或其他高端控制器可以作为网络管理器。如果不想创建或使用特殊网络管理器节点，可以编写自定义的绑定服务来简化绑定过程。2 2 2 4 数据传输机制传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的机制随网络类型的不同而不同。在无信标的星形网络中，当终端设备想要发送数据帧时，它只需

36、等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将帧发送到协调器。如果协调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询该数据为止。此方法确保终端设备的接收器是被开启的，而且可从协调器接收数据。在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收。终端设备必须查询协调器以获取其数据，而不是保持接收器开启，从而允许终端设备降低其功耗要求。根据应用的要求，在绝大部分时间内终端设备都处于休眠状态，仅定期地唤醒来发送或接收数据。此方法的一个缺点就是协调器必须将所有数

37、据帧保存在内部缓冲器中，直到目标终端设备唤醒并查询数据。如果网络包含很多体眠时间很长的终端设备，协调器就必须将数据帧保存很长时间。根据节点的数量和交换数据帧的速率，这将大幅增加协调器对R A M 的需求。协调器可以根据终端设备的设备描述符有选择地决定将一个特定的帧保持多长时间。2 2 3Z i g B e e 网络的构成Z i g B e e 网络具有自组织、自愈能力强的特点。自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。自愈功能：增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干

38、预，保证整个系统仍然能正常工作。第2 章Z i g B e e 技术综述2 2 3 1 设备分类及功能在Z i g B e e 网络中，支持两种类型的物理设备：全功能设备和精简功能设备。(1)全功能设备(F u l lF u n c t i o nD e v i c e，F F D)：支持任何拓扑结构，可以成为网络协调器，能和任何设备通信。(2)精简功能设备(R e d u c e dF u n c t i o nD e v i c e，R F D)：只能和网络协调器通信，不能成为网络协调器，实现非常简单。Z i g B e e 网络要求至少一个全功能设备作为网络协调器，以存储以下基本信息：节

39、点设备数据、数据转发表、设备关联表。网络协调器的作用是：建立网络，传输网络信标，管理网络节点，存储网络节点信息和在关联节点之间路由信息。终端设备可以是精简设备，用来降低系统成本。2 2 3 2Z i g B e e 拓扑分类Z i g B e e 协议支持多种拓扑结构，包括星型(s t 砌、簇状型(C l u s t e r)和网状型(M e s h)。可以根据不同的应用方案灵活选择合适的拓扑结构。如图2 1 为Z i g B e e网络拓扑结构。星型(S t a r)簇状型(C l u s t e r)网状型(M e s h)囝图例：网络协调器。全功能设备(F F D)o精简功能设备(R F

40、 D)图2 1z i g B e e 网络拓扑结构网络协调器：包含所有的网络消息，是3 种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。它的作用为发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点问的路由消息、不断地接收信息。全功能设备f f V D)：可以担任网络协调者，形成网络，让其他F D 或精简功能装置(R F D)连结，F F D 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。它同时具有如下特征：西餐泓成都理工大学硕士学位论文(1)附带由标准指定的全部8 0 2 1 5 4 功能和所有特征。(2)更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用(3)也能用作终

41、端设备。精简功能设备(R F D)：R F D 只能传送信息给F F D 或从F F D 接收信息。它同时具有如下特征：(1)附带有限的功能来控制成本和复杂性。(2)在网络中通常用作终端设备。(3)B e e 相对简单的实现节省了费用。R F D 由于省掉了内存和其他电路，降低了 Z i g B e e 部件的成本，而简单的8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本。2 2 3 3 地址分配模式所有Z i g B e e 设备均有一个6 4 b i t 的I E E E 地址，这是一个全球唯一的设各地址。在子网内部，可以分配一个1 6 b i t 的地址，作为网内通信地址，以减小数据报的大小。地址

42、模式有以下两种：(1)星型拓扑；网络号+设备标识。(2)点对点拓拓扑：直接使用源目的地址。这种地址分配模式，决定了每个Z i g B e e 网络协调器可以支持多于6 4，0 0 0 个设备，而多个协调器可以互连从而构成更大规模的网络。2 3Z i g B e e 协议栈z i 邸e c 协议栈结构由一些层构成，每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接。数据实体(d a t ae n t i t y)提供数据的传输服务，而管理实体(m a n a g e n m e n te n t i t y)提供所有的服务类型。每个层的服务实体通过服务接入点(S e r v i c eA c c e s

43、sP o i n t S A P)和上一层相接，每个S A P 提供大量服务方法来完成相应的操作。Z i g B e e 协议栈基于标准的O S I 七层模型，但只是在相关的范围来定义一些相应层来完成特定的任务。I E E E8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了下面的两个层：物理层(P H Y 层)和媒介层(M A C 层)。Z i g B e e 联盟在此基础上建立了网络层(N W K 层)以及应用层(A P L 层)的框架(f r a m e w o r k)。A P L 层又包括应用支持子层(A p p l i c a t i o nS u p p o r tS u b l

44、 a y e r，A P S)、Z i g B e e 的设备对象(Z i g B e eD e v i c e0 b j e c t s。Z D 0)以及制造商定义的应用对象。Z i g B e e 完整的协议栈结构如图2 2 所示：第2 章Z i g B e e 技术综述2 3 1 物理层(P l r Y)图2 2Z i g B e e 协议栈结构I E E E 8 0 2 1 5 4 协议的物理层是协议的最底层，承担着和外界直接作用的任务。它采用扩频通信的调制方式，控制R F 收发器工作，信号传输距离约为5 0 m(室内)或1 5 0 m(室外)。皿E 8 0 2 1 5 4 2 0 0

45、 3 有两个P H Y 层，提供两个独立的频率段：8 6 8 9 1 5 M H z和2 4 G H z。8 6 8 9 1 5 M H z 频段包括欧洲使用的8 6 8 M H z 频段以及美国和澳大利亚使用的9 1 5 M H z 频段，2 4 G H z 频段世界通用。2 3 2 媒体访问控制层(M A C)M A C 层遵循I E E E 8 0 2 1 5 4 协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为1 6 位地址寻址。它可完成对无线物理信道的接入过程管理，包括以下几方面：网络协调器(c

46、 o o r d i n a t o r)产生网络信标、网络中设备与网络信标同步、完成P A N 的入网和脱离网络过程、网络安全控制、利用C S M A C A 机制进行信道接入控制、处理和维成都理工大学硕士学位论文持G T S(G u a r a n t e e dT i m eS l o t)机制、在两个对等的M A C 实体间提供可靠的链路连接。数据传输模型：M A C 规范定义了三种数据传输模型：数据从设备到网络协调器、从网络协调器到设备、点对点对等传输模型。对于每一种传输模型，又分为信标同步模型和无信标同步模型两种情况。在数据传输过程中，Z i g B e e 采用了C S 姒C A

47、 碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制，保证了数据的可靠传输。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。帧结构定义：M A C 规范定义了四种帧结构：信标帧、数据帧、确认帧和M A C 命令帧。2 3 3 网络层(N W K 层1网络层的作用是：建立新的网络、处理节点的进入和离开网络、根据网络类型设置节点的协议堆栈、使网络协调器对节点分配地址、保证节点之间的同步、提供网络的路由。网络层确保M A C 子层的正确操作，并为应用层提供合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层用数据服务和管理服务这两个服务实体来提供必需的功能。网络层数据实体(N L D E)

48、通过相关的服务接入点(S A P)来提供数据传输服务，即N L D E S A P；网络层管理实体(N L M E)通过相关的服务接入点(S A P)来提供管理服务，即N L M E S A P。N L M E 利用N L D E 来完成一些管理任务和维护管理对象的数据库，通常称作网络信息库(N e t w o r kI n f o r m a t i o nB a s e,N I B)。2 3 3 1 网络层数据实体(N L D E lN L D E 提供数据服务，以允许一个应用在两个或多个设备之间传输应用协议数据(A p p l i c a t i o nP r o t o c o lD

49、a t aU n i t s，A P D U)。N L D E 提供以下服务类型：通用的网络层协议数据单元(N P D U)：N L D E 可以通过一个附加的协议头从应用支持子层P D U 中产生N P D U。特定的拓扑路由：N L D E 能够传输N P D U 给一个适当的设备。这个设备可以是最终的传输目的地，也可以是路由路径中通往目的地的下一个设备。2 3 3 2 网络层管理实体(N L M E)N L M E 提供一个管理服务来允许一个应用和栈相连接。N L M E 提供以下服务：(1)配置一个新设备：N L M E 可以依据应用操作的要求配置栈。设备配置包括开始设备作为z i g

50、 B e e 协调者，或者加入一个存在的网络。第2 章z i g a e e 技术综述(2)开始一个网络：N L M E 可以建立一个新的网络。(3)加入或离开一个网络：N L M E 可以加入或离开一个网络，使Z i g B e e的协调器和路由器能够让终端设备离开网络。(4)分配地址：使Z i g B e e 的协调者和路由器可以分配地址给加入网络的设备。(5)邻接表(N e i g h b o r)发现：发现、记录和报告设备的邻接表下一跳的相关信息。(6)路由的发现：可以通过网络来发现及记录传输路径，而信息也可被有效的路由。(7)接收控制：当接收者活跃时，N L M E 可以控制接收时间