藍(lán)牙技術(shù)
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ZigBee無線技術(shù)
一、ZigBee技術(shù)簡介
家庭和工業(yè)上的很多場景都需要大量使用無線控制和監(jiān)控，這些需求往往需要較低的數(shù)據(jù)傳輸速率、較長的電池壽命以及較低的使用復(fù)雜性。為了滿足這些要求，IEEE提出了一種無線標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4，這種技術(shù)也被稱為ZigBee。ZigBee是一種用于短距離、低數(shù)據(jù)速率的無線通信協(xié)議，它有三個(gè)工作頻段，在國內(nèi)主要使用的是2.4GHz頻段。ZigBee有如下特點(diǎn)：(1)低功耗；(2)提供完整的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；(3)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多能將65000多個(gè)設(shè)備連接起來；(4)易于部署；(5)經(jīng)濟(jì)，價(jià)格便宜；(6)使用比其他無線技術(shù)更小的數(shù)據(jù)包。
二、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了精簡型和全功能型這兩種設(shè)備類型。前者功能有限，而后者擁有所有功能，后者也可以配置為任意功能設(shè)備。精簡功能型設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中只能與全功能型設(shè)備通信，而全功能型設(shè)備能與任意設(shè)備通信。精簡功能型設(shè)備用于完成比較簡單的工作，例如負(fù)責(zé)開啟或關(guān)閉功能的開關(guān)，精簡功能型設(shè)備的存儲器大小和處理能力通常不如全功能型設(shè)備。
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有路由器、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備這三種功能設(shè)備。作為網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備，協(xié)調(diào)器是一個(gè)全功能型設(shè)備，它構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的根，通過它可以連接到其他網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，ZigBee網(wǎng)絡(luò)最初由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建，它存儲有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息，并充當(dāng)安全密鑰的存儲庫。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中路由器路由來自其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，路由是對數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到目的地設(shè)備的路徑的處理。ZigBee終端設(shè)備可以與協(xié)調(diào)器或路由器連接以加入網(wǎng)絡(luò)，但不能中繼數(shù)據(jù)，這種特性使得終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以在大部分時(shí)間里處于非活動狀態(tài)，從而延長電池壽命。
如圖3-1所示，由不同功能設(shè)備組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以有星形、樹型和網(wǎng)狀這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)屬于對等網(wǎng)絡(luò)。
在樹型網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器充當(dāng)樹的根，路由器或終端設(shè)備可以連接到協(xié)調(diào)器，并且可以像一棵樹一樣進(jìn)行擴(kuò)展。終端設(shè)備不能擁有子節(jié)點(diǎn)，因其不能中繼信息。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)級別的節(jié)點(diǎn)，終端設(shè)備可不用依靠協(xié)調(diào)器而直接通過路由器加入網(wǎng)絡(luò)，所有的消息都可以通過路由發(fā)送到其他任意設(shè)備。這種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是ZigBee設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通信最可靠的一種。
星型網(wǎng)絡(luò)以協(xié)調(diào)器為中心，多個(gè)終端設(shè)備直接連接到協(xié)調(diào)器，是最簡單的網(wǎng)絡(luò)。使用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，終端設(shè)備只能與協(xié)調(diào)器直接通信，兩個(gè)終端設(shè)備之間的通信需協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)消息，協(xié)調(diào)器充當(dāng)了路由器的功能。因此，星型網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)流量較大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越多，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率越低下。
網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最為靈活且應(yīng)用范圍最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，它允許網(wǎng)絡(luò)種搜索消息的備用路徑，消息從起點(diǎn)到目的地有多條路徑可以選擇。因此，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中消息傳輸非常可靠并且時(shí)延很低。
無論使用哪種結(jié)構(gòu)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)都是由唯一的PAN(PersonalAreaNetwork，個(gè)域網(wǎng))協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建。該協(xié)調(diào)器管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)如下工作：(1)啟動、終止或路由整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的消息；(2)分配16位或64位網(wǎng)絡(luò)地址給之后加入網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備；(3)生成該網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的PAN標(biāo)識符(PANID)，每個(gè)PANID對應(yīng)一個(gè)不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，PANID允許網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備使用16位短地址與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通信。PAN協(xié)調(diào)器一般都具有較長的活躍期，因此通常使用市電電源供電，其他設(shè)備通常由電池供電。最小的ZigBee網(wǎng)絡(luò)只包含一個(gè)終端設(shè)備和一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器。
三、ZigBee協(xié)議棧
由圖3-2中可知，ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)有四層，其中物理層和媒體訪問控制層由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義，網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層則由ZigBee聯(lián)盟定義。
3.1應(yīng)用層
ZigBee的APL層包含三個(gè)部分：應(yīng)用程序支持子層(APS)、應(yīng)用程序框架(AF)以及ZigBee設(shè)備對象(ZDO)。APS提供網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的接口，主要功能為：(1)維持綁定表；(2)在綁定設(shè)備之間傳送消息；(3)管理組地址。AF是托管應(yīng)用對象以控制和管理應(yīng)用層的環(huán)境。應(yīng)用對象由制造商開發(fā)，可為設(shè)備定制應(yīng)用，具有唯一標(biāo)識的端點(diǎn)號(端點(diǎn)1到端點(diǎn)240)，單個(gè)設(shè)備最多擁有240個(gè)應(yīng)用程序?qū)ο?。ZigBee設(shè)備對象是APS與AF之間的接口。ZDO負(fù)責(zé)初始化APS、網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)規(guī)范，主要功能為：(1)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備；(2)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備與應(yīng)用，啟動或相應(yīng)綁定請求；(3)執(zhí)行相關(guān)安全任務(wù)。
3.2網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)的形成、加入、離開與路由維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)層也支持管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)由相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)體負(fù)責(zé)傳輸，可通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)訪問。管理服務(wù)則由相應(yīng)的管理實(shí)體負(fù)責(zé)，可以通過該層的管理實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)為應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)。
由協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并將網(wǎng)絡(luò)地址分配給其后加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。每一幀數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)木嚯x(跳數(shù))由網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定。協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)層可啟用安全功能——使用128位AES加密密鑰對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密，新加入到該協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備只有在分發(fā)到密鑰后才可以在該網(wǎng)絡(luò)上與其他設(shè)備通信。
總的來說，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)以下功能：(1)加入或離開網(wǎng)絡(luò)；(2)提供AES加密；(3)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)設(shè)備之間的路由；(4)路由功能，終端設(shè)備除外；(5)將設(shè)備配置為不同功能設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備；(6)發(fā)現(xiàn)周圍不需要路由即可通信的鄰居并維護(hù)鄰居表；(7)分配地址給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，只適用于協(xié)調(diào)器和路由器。
3.3MAC層
在MAC層中由MAC管理對象負(fù)責(zé)MAC層管理服務(wù)，MAC層通過MAC管理對象訪問點(diǎn)給網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)接口。MAC層規(guī)定了四種類型的幀：MAC命令幀、應(yīng)答幀、數(shù)據(jù)幀和信標(biāo)幀。其中，信標(biāo)幀為協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)，用于將同一網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備同步到信標(biāo)。數(shù)據(jù)幀被用于發(fā)送有效數(shù)據(jù)，應(yīng)答幀用于確認(rèn)數(shù)據(jù)幀的接收，MAC命令幀則專用于發(fā)送MAC命令。
MAC層使用了特殊的信道接入機(jī)制以支持多個(gè)設(shè)備使用同一信道互相通信，即利用沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA-CA)。在CSMA-CA中，設(shè)備發(fā)送消息前會在信道上偵聽以確保信道為空閑狀態(tài)。如果信道被占用，它會取消發(fā)送并在一段隨機(jī)時(shí)間后重試，直到達(dá)到最大重試次數(shù)或該信道變?yōu)榭臻e狀態(tài)。
MAC層主要功能為：(1)提供本層安全功能；(2)管理信道接入；(3)采用CSMA-CA信道訪問；(4)將設(shè)備與信標(biāo)同步(在使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò))；(5)生成信標(biāo)(僅適用于協(xié)調(diào)器)；(6)在網(wǎng)絡(luò)中提供解除關(guān)聯(lián)和關(guān)聯(lián)功能；(7)在對等設(shè)備之間建立可靠的鏈路。
3.4物理層
物理層為協(xié)議棧最低層，該層與硬件最為接近。物理層的主要功能包括：直接傳輸數(shù)據(jù)；選擇通信頻道；對信道偵聽以判斷是否為空閑狀態(tài)；對信號能量進(jìn)行檢測；控制無線收發(fā)機(jī)的開關(guān)；對鏈路質(zhì)量進(jìn)行檢測；數(shù)據(jù)調(diào)制和解調(diào)。物理層同樣提供管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。管理服務(wù)是通過數(shù)據(jù)庫管理該層相關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)服務(wù)是與其他ZigBee設(shè)備通信時(shí)封裝并發(fā)送數(shù)據(jù)包或接收并解析數(shù)據(jù)包。
四、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方式
ZigBee設(shè)備有競爭或無競爭兩種方式使用信道。在競爭方式中，網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都使用CSMA-CA機(jī)制發(fā)送消息，第一個(gè)找到空閑信道的先傳輸數(shù)據(jù)。而在無競爭方式中，PAN協(xié)調(diào)器為其他設(shè)備分配發(fā)送消息的時(shí)間，即保證時(shí)隙。設(shè)備在保證時(shí)隙內(nèi)不需要偵聽信道空閑狀態(tài)即可發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器通過信標(biāo)來保持網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的同步，從而提供保證時(shí)隙。在IEEE802.15.4中數(shù)據(jù)傳輸有三種方式：(1)從對等設(shè)備到對等設(shè)備；(2)從設(shè)備到協(xié)調(diào)器；(3)從協(xié)調(diào)器到設(shè)備。
4.1對等設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)
在對等網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備通常是同步的，任何設(shè)備之間都可以通信。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端有多條可選路線，如果因環(huán)境變化不能使用原先路線，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通過協(xié)作尋找備選路線。這種動態(tài)創(chuàng)建和修改路由的能力增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br/>
4.2數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器
在啟用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備通過信標(biāo)定期同步其時(shí)鐘。若不在保證時(shí)隙內(nèi)，設(shè)備使用CSMA-CA方法將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，該時(shí)序圖如圖3-3(a)所示。圖3-3(b)顯示了在未啟用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)被發(fā)送到協(xié)調(diào)器的過程，設(shè)備一旦檢測到信道空閑就會發(fā)送數(shù)據(jù)。只有在設(shè)備需要時(shí)，協(xié)調(diào)器才會回復(fù)確認(rèn)消息以表示收到數(shù)據(jù)。
4.3從協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)
圖3-4(a)說明了在啟用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中將數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)送到接收設(shè)備的過程。首先，協(xié)調(diào)器會在信標(biāo)中提醒接收設(shè)備有數(shù)據(jù)需要傳輸，收到信標(biāo)后接收設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，表明準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)請求消息后回復(fù)確認(rèn)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備，接收設(shè)備收到數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)需要回復(fù)確認(rèn)。
在不支持信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器會緩存數(shù)據(jù)等待接收設(shè)備主動請求數(shù)據(jù)。如果協(xié)調(diào)器沒有數(shù)據(jù)緩存，則發(fā)送具有特定格式的確認(rèn)回復(fù)或者零長度有效載荷的數(shù)據(jù)消息，表示沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。
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