ZigBee的工作原理

1、ZigB ee得工作原理_ZigBee組網(wǎng)技術(shù)ZigBee就是一種高可靠得無(wú)線(xiàn)數(shù)傳網(wǎng)絡(luò) ，類(lèi)似于CDMAf GS網(wǎng)絡(luò)。Zi g Bee數(shù)傳模塊 類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)得75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。Z i gb ee技術(shù)特點(diǎn)主要有低功耗、低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、低速率、安全得數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。其中低功耗就是Zigbee技術(shù)最重要得特點(diǎn)。由于Zigbee得傳輸速率相對(duì)較低發(fā)射功率較小，使得Zi g be e設(shè)備很省電，這就是Zigbee技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用得基石。Zi得基礎(chǔ)就是聯(lián)盟擴(kuò)展了gB ee協(xié)議適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳感器得低花費(fèi)、低能量、高容錯(cuò)性等得要求。Zig be

2、eI E EE 80 2 . 1 5。4、但I(xiàn)E EE僅處理低級(jí) MAC層與物理層協(xié)議，因此Zigbe e IEEE,對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議與 API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee就是一種新興得短距離、低速率得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。它有自己得協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小得傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。ZigBe e組網(wǎng)概述組建一個(gè)完整得zigb e e網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò) 。其 中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟：通過(guò)與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)與通過(guò)已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。Z igB e e網(wǎng)絡(luò)初始化預(yù)備Zig b ee網(wǎng)絡(luò)得建立就是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起得，任何一個(gè)zi g bee節(jié)點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)

3、必須要滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求： 節(jié)點(diǎn)就是FFD節(jié)點(diǎn)，具備Z i g bee協(xié)調(diào)器得能力；(2)節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有與其她網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其她網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)得子節(jié)點(diǎn),因?yàn)橐粋€(gè)zig b ee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。FF D :Full Func TIon D evic e 全功能節(jié)點(diǎn)RFD:Red uce d F unc TIonDevic e半功能節(jié)點(diǎn)Z igBee網(wǎng)絡(luò)初始化流程首先判斷節(jié)點(diǎn)就是否就是FFD節(jié)點(diǎn)，接著判斷此FFD節(jié)點(diǎn)就是否在其她網(wǎng)絡(luò)里或者網(wǎng)絡(luò)里就是否已經(jīng)存在協(xié)調(diào)器。通過(guò)主動(dòng)掃描，發(fā)送一個(gè)信標(biāo)請(qǐng)求命令(Beaconreque s t command)，然后設(shè)置一個(gè)掃

4、描期限(T_scan_dur a TI on)，如果在掃描期限內(nèi)都沒(méi)有檢測(cè)到信 標(biāo)，那么就認(rèn)為FF D在其pos內(nèi)沒(méi)有協(xié)調(diào)器，那么此時(shí)就可以建立自己得zi g bee網(wǎng)絡(luò)，并且作為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)得協(xié)調(diào)器不斷地產(chǎn)生信標(biāo)并廣播出去。注意：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，有且只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器(co 0 rdina t or)。2、進(jìn)行信道掃描過(guò)程包括能量掃描與主動(dòng)掃描兩個(gè)過(guò)程：首先對(duì)指定得信道或者默認(rèn)得信道進(jìn)行能量檢測(cè)，以避免可能得干擾。以遞增得方式對(duì)所測(cè)量得能量值進(jìn)行信道排序，拋棄那么些能量值超出了可允許能量水平得信道，選擇可允許能量水平得信道并標(biāo)注這些信道就是可用信道。接著進(jìn)行主動(dòng)掃描，搜索節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)得網(wǎng)絡(luò)信息。這些

5、信息以信標(biāo)幀得形式在網(wǎng)絡(luò)中廣播節(jié)點(diǎn)通過(guò)主動(dòng)信道掃描方式獲得這些信標(biāo)幀，然后根據(jù)這些信息，找到一個(gè)最好得、相對(duì)安靜得信道，通過(guò)記錄得結(jié)果，選擇一個(gè)信道，該信道應(yīng)存在最少得Z igbee網(wǎng)絡(luò),最好就是沒(méi)有Zig be e設(shè)備。在主動(dòng)掃描期間，MAC層將丟棄PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)接收到得除信標(biāo)以外得所 有幀。3、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)I D找到合適得信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡(luò)選定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PA N I D，取值=0 x3F FF ），這個(gè)I D在所使用得信道中必須就是唯一得，也不能與其她z i gbe e網(wǎng)絡(luò)沖突，而且不能為廣播地址 0xFFFF（此地址為保留地址，不能使用）、PAN ID可以通過(guò)偵聽(tīng)其她網(wǎng)絡(luò) 得I

6、D然后選擇一個(gè)不會(huì)沖突得I D得方式來(lái)獲取，也可以人為得指定掃描得信道后，來(lái)確定不與其她網(wǎng)絡(luò)沖突得 PAN ID。在zi gb ee網(wǎng)絡(luò)中有兩種地址模式：擴(kuò)展地址（6 4位）與短地址（16位），其中擴(kuò)展 地址由IEEE組織分配，用于唯一得設(shè)備標(biāo)識(shí)；短地址用于本地網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備標(biāo)識(shí)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)設(shè)備得短地址必須唯一，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由其父節(jié)點(diǎn)分配并通過(guò)使用短地址來(lái)通0000。信。對(duì)于協(xié)調(diào)器來(lái)說(shuō)，短地址通常設(shè)定為0x上面步驟完成后，就成功初始化了 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)將選擇范圍內(nèi)信號(hào)最強(qiáng)得父節(jié)點(diǎn) 短地址并通過(guò)這個(gè)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)得發(fā)送與接收 ash 中、z i gbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，之后就等待其她節(jié)點(diǎn)得加入。（包

7、括協(xié)調(diào)器）加入網(wǎng)絡(luò)，成功后將得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系與地址就會(huì)保存在各自得fl乙g Bee節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)當(dāng)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器確定之后，節(jié)點(diǎn)首先需要與協(xié)調(diào)器建立連接加入網(wǎng)絡(luò)、為了建立連接，F(xiàn) FD節(jié)點(diǎn)需要向協(xié)調(diào)器提出請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)得連接請(qǐng)求后 根據(jù)情況決定就是否允許其連接，然后對(duì)請(qǐng)求連接得節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器建立連接 后,才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)得收發(fā)。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)得具體流程可以分為下面得步驟 ：1、查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先會(huì)主動(dòng)掃描查找周?chē)W(wǎng)絡(luò)得協(xié)調(diào)器，如果在掃描期限內(nèi)檢測(cè)到信 標(biāo),那么將獲 得了協(xié)調(diào)器得有關(guān)信息，這時(shí)就向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請(qǐng)求。 在選擇合適得網(wǎng)絡(luò)之后，上層將請(qǐng)求 MAC層對(duì)物理層

8、PH丫與MAC層得p hy Curren t Channel、macPANID等 PIB屬性進(jìn)行相 應(yīng)得設(shè)置。如果沒(méi)有檢測(cè)到，間隔一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起掃描。2、發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令 (A ss oc i a t e r equest m an d )節(jié)點(diǎn)將關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器收到后立即回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀(ACK),同時(shí)向它得上層發(fā)送連接指示原語(yǔ)，表示已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)得連接請(qǐng)求。但就是這并不意味著已經(jīng) 建立連接，只表示協(xié)調(diào)器已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)得連接請(qǐng)求。當(dāng)協(xié)調(diào)器得ma c層得上層接收到連接指示原語(yǔ)后，將根據(jù)自己得資源情況(存儲(chǔ)空間與能量)決定就是否同意此節(jié)點(diǎn)得加入請(qǐng)求，然后給節(jié)點(diǎn)得m ac層發(fā)送響

9、應(yīng)、3、等待協(xié)調(diào)器處理當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器加入關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令得ACK后,節(jié)點(diǎn)mac將等待一段時(shí)間，接受協(xié)調(diào)器得連接響應(yīng)。在預(yù)定得時(shí)間內(nèi)，如果接收到連接響應(yīng)，它將這個(gè)響應(yīng)向它得上層通告。而協(xié) 調(diào)器給節(jié)點(diǎn)得 mac層發(fā)送響應(yīng)時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)等待響應(yīng)時(shí)間(T Resp onseWa it TI me )來(lái)等待協(xié)調(diào)器對(duì)其加入請(qǐng)求命令得處理，若協(xié)調(diào)器得資源足夠，協(xié)調(diào)器會(huì)給節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位得短地址，并產(chǎn)生包含新地址與連接成功狀態(tài)得連接響應(yīng)命令，則此節(jié)點(diǎn)將成功得與協(xié)調(diào)器建立連接并可以開(kāi)始通信。若協(xié)調(diào)器資源不夠，待加入得節(jié)點(diǎn)將重新發(fā)送請(qǐng)求信息，直接入網(wǎng) 成功。4、發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令如果協(xié)調(diào)器在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)同意節(jié)點(diǎn)加入，那

10、么將產(chǎn)生關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令(As SOC i a te restar ep o n se c om mand)并存儲(chǔ)這個(gè)命令、當(dāng)響應(yīng)時(shí)間過(guò)后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令(D aq uest c o mna nd)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復(fù) ACK,然后將存儲(chǔ)得關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)給節(jié)點(diǎn)。如果在響應(yīng)時(shí)間到后，協(xié)調(diào)器還沒(méi)有決定就是否同意節(jié)點(diǎn)加入，那么節(jié)點(diǎn)將試圖從協(xié)調(diào)器得信標(biāo)幀中提取關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令,成功得話(huà)就可以入網(wǎng)成功，否則重新發(fā)送請(qǐng)求信息直 到入網(wǎng)成功。5、回復(fù)節(jié)點(diǎn)收到關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后，立即向協(xié)調(diào)器回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀（ACK ），以確認(rèn)接收到連接響應(yīng)命令，此時(shí)節(jié)點(diǎn)將保存協(xié)調(diào)器得短地址與擴(kuò)展地址，并且節(jié)點(diǎn)得MLME向上

11、層發(fā)送連接確認(rèn)原語(yǔ)，通告關(guān)聯(lián)加入成功得信息。Z i gBee節(jié)點(diǎn)通過(guò)已有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)歌據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)處理模塊射頻模塊傳感器II模數(shù)轉(zhuǎn)換PPC18F462Q單片機(jī)I存儲(chǔ)器ICC2420天線(xiàn)圖1 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能仝圖當(dāng)靠近協(xié)調(diào)器得FF D節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)成功后，處于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)得其她節(jié)點(diǎn)就 以這些FFD節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)了，具體加入網(wǎng)絡(luò)有兩種方式，一種就是通過(guò)關(guān)聯(lián)（assoc ia t e ）方式，就就是待加入得節(jié)點(diǎn)發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)；另一種就是直接（di rec t）方式，就就是待加入得節(jié)點(diǎn)具體加入到那個(gè)節(jié)點(diǎn)下，作為該節(jié)點(diǎn)得子節(jié)點(diǎn)。其中關(guān)聯(lián)方式就是zigbee網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)得主

12、要途徑。對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)只有沒(méi)有加入過(guò)網(wǎng)絡(luò)得才能進(jìn)行加入網(wǎng)絡(luò)。在這些節(jié)點(diǎn)中，有些 就是曾經(jīng)加入過(guò)網(wǎng)絡(luò)中，但就是卻與它得父節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系（這樣得被稱(chēng)為孤兒節(jié)點(diǎn)）,而有些 則就是新節(jié)點(diǎn)。當(dāng)就是孤兒節(jié)點(diǎn)時(shí)，在它得相鄰表中存有原父節(jié)點(diǎn)得信息，于就是它可以直接給原父節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)得請(qǐng)求信息。如果父節(jié)點(diǎn)有能力同意它加入，于就是直接告訴它得以前被分配得網(wǎng)絡(luò)地址，它便入網(wǎng)成功；如果此時(shí)它原來(lái)得父節(jié)點(diǎn)得網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點(diǎn)數(shù)已達(dá)到最大值，也就就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)分配滿(mǎn)，父節(jié)點(diǎn)便無(wú)法批準(zhǔn)它加入，它只能以新節(jié)點(diǎn)身份重新尋找并加入網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)于新節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，她首先會(huì)在預(yù)先設(shè)定得一個(gè)或多個(gè)信道上通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)掃描 周?chē)梢哉业降镁W(wǎng)絡(luò)，尋找有能力批準(zhǔn)自己加入網(wǎng)絡(luò)得父節(jié)點(diǎn)，并把可以找到得父節(jié)點(diǎn)得資料存入自己得相鄰表。存入相鄰表得父節(jié)點(diǎn)得資料包括zigbe e協(xié)議得版本、協(xié)議棧得規(guī)范、PAN D與可