ZigBee第2章-ZigBee无线传感器网络通信标准课件.pptx

1、目录目录2.1 IEEE 802.15.4标准标准12.2 ZigBee规范规范2ZigBee技术原理与实战12.1 IEEE 802.15.4标准标准物理层（物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战21.物理层（物理层（PHY）-工作频率范围工作频率范围频率/MHz扩频参赛数据参数码片速率/(kchip.s-1)调制方式比特速率/(kbps)符号速率/(ksymbol.s-1)符号阶数868/915868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制245024002483.52000O-QPSK25062.5十六进制正交2.1 IEEE 802.15.4标

2、准标准物理层（物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战31.物理层（物理层（PHY）-工作频率范围工作频率范围通用射频规范通用射频规范1.能量检测（能量检测（ED）2.链路质量指示（链路质量指示（LQI）3.空闲信道评估（空闲信道评估（CCA）2.1 IEEE 802.15.4标准标准物理层（物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战4物理层服务规范物理层服务规范2.1 IEEE 802.15.4标准标准物理层（物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战5物理层数据服务物理层数据服务原语请求确认指示响应说明PD-DATA发送和接收物理层数据单元原语形式PD-DATA.requestPD-DA

3、TA.confirmPD-DATA.indication-PD-DATA.request(psduLength,psdu)PD-DATA.confirm(status)PD-DATA.indication(psduLength,psdu,ppduLinkQuality)2.1 IEEE 802.15.4标准标准物理层（物理层（PHY）ZigBee技术原理与实战6物理层管理服务物理层管理服务原语请求确认指示响应说明PLME-CCA请求物理层管理实体（PLME）执行空闲信道评估（CCA）PLME-CCA.requestPLME-CCA.confirm-PLME-ED请求物理层管理实体（PLME）执

4、行能量检测（ED）PLME-ED.requestPLME-ED.confirm-Z-Stack协议栈实现：radioComputeED()MAC/LowLevel/mac_radio.cPLME-GET向物理层管理实体（PLME）请求物理层PIB相关属性的值PLME-GET.requestPLME-GET.confirm-PLME-SET向物理层管理实体（PLME）请求设置物理层PIB相关属性的值PLME-SET.requestPLME-SET.confirm-PLME-SET-TRX-STATE向物理层管理实体（PLME）请求改变收发机内部的工作状态PLME-SET-TRX-STATE.re

5、questPLME-SET-TRX-STATE.confirm-2.1 IEEE 802.15.4标准标准媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）ZigBee技术原理与实战7媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）ZigBee技术原理与实战8MAC层功能描述层功能描述IEEE802.15.4标准标准MAC层主要完成以下几项功能：层主要完成以下几项功能：使用使用CSMA-CA的信道访问机制的信道访问机制 PAN网络的建立和运行网络的建立和运行 PAN网络的关联（网络的关联（association）和解关联（）和解关

6、联（disassociation）网络同步网络同步 MAC事务处理事务处理 两个对等两个对等MAC实体间的可靠链路保证实体间的可靠链路保证 功耗考虑功耗考虑2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战91.信道访问机制信道访问机制1）信道接入方式）信道接入方式IEEE 802.15.4规范中，规范中，MAC层采用载波侦听多址接入层采用载波侦听多址接入/冲突避免冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)机制机制载波侦听：载波侦听：多址接入：多址接入：冲突避免：冲突避免：媒体介质访

7、问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战101.信道访问机制信道访问机制2）超帧结构）超帧结构具有具有GTS的超帧结构的超帧结构媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战111.信道访问机制信道访问机制2）超帧结构）超帧结构无无GTS的超帧结构的超帧结构媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战12PAN的建立和运行的建立和运行1)信道扫描信道扫描（1）ED扫描扫描选择合适的通信信道选择合适的通信信道（2）

8、主动扫描）主动扫描（3）被动扫描）被动扫描（4）孤立扫描）孤立扫描仅仅FFD设备支持能量检测（设备支持能量检测（ED）扫描和主动扫描）扫描和主动扫描媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战13PAN的建立和运行的建立和运行处理处理同一个同一个POS范围内的两个范围内的两个PAN具有相同的具有相同的PAN标识符标识符2)PAN标识符冲突检测标识符冲突检测（1)冲突检测冲突检测（2)冲突解决冲突解决3)PAN建立建立4)信标产生信标产生5)设备发现设备发现媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标

9、准标准ZigBee技术原理与实战14关联和解关联关联和解关联关联关联：设备在加入网络时，向协调器注册设备在加入网络时，向协调器注册、身份认证身份认证短地址的值描述0 x00000 xFFFD设备可以使用的短地址模式0 xFFFE设备关联成功但是没有分配有效的短地址，在网络通信中只能使用64位的扩展地址0 xFFFF设备尚未关联协调器分配协调器分配短地址短地址解关联：解关联：协调器协调器或者关联的或者关联的设备设备请求请求离开离开PAN媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战15PAN同步机制同步机制设备与协调器保持同步设备与协

10、调器保持同步1)支持信标的同步支持信标的同步检测任何待处理的消息或跟踪信标，获得信标同步检测任何待处理的消息或跟踪信标，获得信标同步2)无信标同步无信标同步终端设备向终端设备向协调器协调器轮询轮询数据数据3)孤立设备重排列孤立设备重排列媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战165.事务处理事务处理设备与协调器设备与协调器间的交互处理方式间的交互处理方式事务处理通常由设备本身发起，而不是由协调器发起事务处理通常由设备本身发起，而不是由协调器发起协调器能够存储多个事务，则它将确保同一设备的所协调器能够存储多个事务，则它将确保同一

11、设备的所有事务按照它们到达有事务按照它们到达MAC层的顺序发出层的顺序发出如果事务需要确认但是没有收到确认，如果事务需要确认但是没有收到确认，设备设备MAC层层将指示状态为将指示状态为NO_ACK。如果事务处理成功，。如果事务处理成功，MAC层将指示状态为层将指示状态为SUCCESS。媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战176.可靠性可靠性数据传输可靠性保证数据传输可靠性保证1）帧确认）帧确认2）数据验证）数据验证7.功耗考量功耗考量媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigB

12、ee技术原理与实战181.MAC层数据服务层数据服务1.数据传送模型数据传送模型 -数据传送给协调器数据传送给协调器信标网络信标网络非非信标网络信标网络媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战191.MAC层数据服务层数据服务1.数据传送模型数据传送模型 -协调器传送数据协调器传送数据信标网络信标网络非非信标网络信标网络媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战20MAC层数据服务原语层数据服务原语MAC数据服务流程数据服务流程媒体介质访问层（媒体介质访问层（M

13、AC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战21MAC 管理服务管理服务PAN网络启动原语网络启动原语 MLME-START媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战22MAC 管理服务管理服务信标通知原语信标通知原语 MLME-BEACON-NOTIFYMLME-BEACON-NOTIFY.indication(BSN,PANDescriptor,PendAddrSpec,AddrList,sduLength,sdu)媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标

14、准ZigBee技术原理与实战23MAC 管理服务管理服务信道扫描原语信道扫描原语 MLME-SCANMLME-SCAN.request(ScanType,ScanChannels,ScanDuration)媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战24MAC 管理服务管理服务GTS管理原语管理原语 MLME-GTS设备请求分配设备请求分配GTS流程图流程图媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战25MAC 管理服务管理服务GTS管理原语管理原语 MLME-GTS

15、设备请求撤销设备请求撤销GTS（a）和协调器撤销）和协调器撤销GTS（b）流程图）流程图媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战26MAC 管理服务管理服务关联原语关联原语 MLME-ASSOCIATE关联服务流程关联服务流程媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战27MAC 管理服务管理服务解关联原语解关联原语 MLME-DISASSOCIATE解关联流程解关联流程媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee

16、技术原理与实战28MAC 管理服务管理服务同步原语同步原语 MLME-SYNC媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战29MAC 管理服务管理服务失步原语失步原语 MLME-SYNC-LOSSMLME-SYNC-LOSS.indication(LossReason)媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战30MAC 管理服务管理服务孤立通知原语孤立通知原语 MLME-ORPHAN媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准

17、ZigBee技术原理与实战31MAC 管理服务管理服务数据请求原语（轮询原语）数据请求原语（轮询原语）MLME-POLL媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战32接收机状态接收机状态使能原语使能原语 MLME-RX-ENABLE2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战33MAC 管理服务管理服务通信状态原语通信状态原语 MLME-COMM-STATUSMLME-COMM-STATUS.indication(PANId,SrcAddrMode,SrcAddr,DstAddrMode,DstAddr,

18、status)媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战34MAC 管理服务管理服务PIB属性读取原语属性读取原语 MLME-GETMLME-GET.request(PIBAttribute)PIB属性设置原语属性设置原语 MLME-SETMLME-SET.request(PIBAttribute,PIBAttributeValue)MAC子层复位原语子层复位原语 MLME-RESETMLME-RESET.request(SetDefaultPIB)媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标

19、准ZigBee技术原理与实战35MAC层帧格式层帧格式字节数：字节数：210/20/2/80/20/2/8可变可变2帧控制帧控制序列号目的PANID目的地址源PANID源地址帧负载FCS地址信息MHR（MAC头）头）MAC负载负载MFR(MAC尾尾)信标帧信标帧媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战36数据帧数据帧媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigBee技术原理与实战37确认帧确认帧媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.1 IEEE 802.15.4标准标准ZigB

20、ee技术原理与实战38MAC命令帧命令帧媒体介质访问层（媒体介质访问层（MAC）2.2 ZigBee规范规范网络层（网络层（NWK）规范）规范ZigBee技术原理与实战39版本ZigBee04ZigBee06ZigBee07发布时间2004年12月2006年12月2007年10月指令集无无ZigBeeZigBeePRO无线射频标准802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配CSKIPCSKIP随机拓扑星状树状、网状树状、网状网状较大网络不支持不支持不支持支持自动跳频支持3个信道否否是PANID冲突解决支持否可选支持数据分割重组传输支持否可选可选集中式数据搜集（多对一

21、路由，源路由）否否否支持高安全支持支持，1密钥支持，1密钥支持，多密钥组寻址否支持支持支持簇库否支持支持支持信任中心能否存在于网络任何设备否否否支持应用领域消费电子(少量节点)住宅(300个节点以下)住宅(300个节点以下)商业(1000个节点以上)ZigBee协议版本对比协议版本对比2.2 ZigBee规范规范网络层（网络层（NWK）规范）规范ZigBee技术原理与实战40网络层参考模型网络层参考模型2.2 ZigBee规范规范网络层（网络层（NWK）规范）规范ZigBee技术原理与实战41网络信息流网络信息流2.2 ZigBee规范规范网络层（网络层（NWK）规范）规范ZigBee技术原理

22、与实战42网络信息流网络信息流2.2 ZigBee规范规范网络层（网络层（NWK）规范）规范ZigBee技术原理与实战43关联方式连接网络关联方式连接网络子设备加入网络子设备加入网络2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战44关联方式连接网络关联方式连接网络父设备处理流程父设备处理流程网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战45直接方式连接网络直接方式连接网络父设备处理流程父设备处理流程父设备将子设备父设备将子设备加入加入网络流程网络流程网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战46直接

23、方式连接网络直接方式连接网络父设备处理流程父设备处理流程父设备将子设备父设备将子设备加入加入网络流程网络流程网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战47孤立方式加入网络孤立方式加入网络子设备处理流程子设备处理流程网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战48孤立方式加入网络孤立方式加入网络父设备处理流程父设备处理流程网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战49孤立方式加入网络孤立方式加入网络父设备处理流程父设备处理流程网络层（网络层（NWK）规范）规范2

24、.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战50地址分配机制地址分配机制分布式地址分配方案分布式地址分配方案网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战51地址分配机制地址分配机制分布式地址分配方案分布式地址分配方案网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战52地址分配机制地址分配机制分布式地址分配方案分布式地址分配方案网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战53断开网络断开网络子设备请求离开网络子设备请求离开网络网络层（网络层（NWK）规范）规范2

25、.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战54断开网络断开网络子设备请求离开网络子设备请求离开网络网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战55断开网络断开网络父设备将子设备离开网络父设备将子设备离开网络网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战56网络层路由管理网络层路由管理设备收到设备收到RREQ处理流程处理流程网络层（网络层（NWK）规范）规范无线传感器网络的发展和现状无线传感器网络的发展和现状ZigBee技术原理与实战57网络层路由管理网络层路由管理设备收到设备收到RREP处理流程处理

26、流程网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战58网络帧格式网络帧格式字节数：2可变可变帧控制路由字段数据负载网络头网络负载数据帧格式数据帧格式网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战59网络帧格式网络帧格式命令帧命令帧格式格式字节数：2可变1可变帧控制路由字段网络命令标识符网络命令负载网络头网络负载命令帧标识符命令名称0 x01路由请求0 x02路由回复0 x03网络状态0 x04离开0 x05路由记录0 x06重新加入请求0 x07重新加入响应0 x08连接状态0 x09网络报告0 x0a网路更新

27、0 x0b0 xff保留网络层（网络层（NWK）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战60应用层（应用层（APL）规范）规范应用层（应用层（APL）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战61应用层（应用层（APL）规范）规范APS参考模型参考模型应用层（应用层（APL）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战62应用层（应用层（APL）规范）规范（1）绑定服务）绑定服务APS管理服务管理服务(as,es,cs)=(ad1|,ed1|),(ad2|,ed2|)(adn|,edn|)APSME-BIND.requestAP

28、SME-BIND.confirmAPSME-UNBIND.request APSME-UNBIND.confirm 应用层（应用层（APL）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战63应用层（应用层（APL）规范）规范（2）组表管理组表管理APS管理服务管理服务APSME-ADD-GROUP.request本原语允许上层为某个特定端点请求往某个特定的组增加组成员。APSME-ADD-GROUP.confirm本原语允许上层被通知其请求给一个端点增加一个组的结果。APSME-REMOVE-GROUP.request本原语允许上层请求移除某个特定端点的某个组中的组成员。AP

29、SME-REMOVE-GROUP.confirm本原语允许上层被通知其请求从一个端点移除一个组的结果。应用层（应用层（APL）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战64应用层（应用层（APL）规范）规范通用的通用的APDU帧格式帧格式APS层帧格式层帧格式字节：10/10/20/20/20/110/可变可变帧控制目标端点组地址Cluster标识符Profile标识符源端点APS计数器扩展头帧负载寻址字段APS头APS负载位:0-12-34567帧类型传送模式确认.格式安全确认.请求扩展头存在应用层（应用层（APL）规范）规范2.2 ZigBee规范规范ZigBee技术原理与实战65应用层（应用层（APL）规范）规范数据帧数据帧APS层帧格式层帧格式确认帧确认帧应用层（应用层（APL）规范）规范