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物联网工程:物联网标准化体系中的ZigBee技术标准

2022-3-23 13:28| 发布者: JimmyScall| 查看: 67| 评论: 0

摘要: 作者:弱电学习之家# 点击蓝字 关注我们 #ZigBee是由可多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,类比GSM网,每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互 ...
作者:弱电学习之家
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ZigBee是由可多达65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,类比GSM网,每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75m扩展到几百米,甚至几千米;另外整个ZigBee网络还可以与现有的其他的各种网络连接。

ZigBee网络主要是为自动化控制数据传输而建立,而移动通信网主要是为语音通信而建立;每个移动基站价值一般都在几十万到一百万元以上,而每个ZigBee"基站”却不到1000元;每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据;每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

每个ZigBee网络节点(FFD和RFD)可以支持多达31个传感器和受控设备,每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。



ZigBee协议框架


ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。与其他无线标准如802.11或802.16不同,ZigBee以250kb/s的最大传输速率承载有限的数据流量。ZigBeev1.0版本的网络标准于2004年年底推出,如图1所示。



图1 ZigBee协议框架

在标准规范的制订方面,主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织,两者分别制订硬件与软件标准,两者的角色分工就如同IEEE 802.11小组与WiFi的关系。在IEEE 802.15.4方面,2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订MAC与PHY(物理层)规范,在2003年5月通过802.15.4标准,2006年,IEEE 802.15.4小组发布TIEEE 802.15.4b标准,此标准主要是加强802.15.4标准,ZigBee建立在802.15.4标准之上,确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层,不足以保证不同的设备之间可以对话,于是便有了ZigBee联盟。



物理层


物理层(PHY)主要负责电磁波收发设备的管理、频道选择、能量和信号侦听及利用。同时,物理层也规定了可使用的频率范围,802.15.4协议主要使用了三个频段:868.0~868.6MHz,主要为欧洲采用,单信道;902~928MHz,北美采用,10个信道,支持扩展到30;2.4~2.4835GHz,世界范围内通用,16个信道。后来根据各个地区的不同需求和应用背景,也有一些新的频段加入。协议采取的这三个频段都是国际电信联盟电信标准化组(ITU Telecommunication Standardization Sector,ITU-T)定义的用于科研和医疗的ISM开放频段,被各种无线通信系统广泛使用。在这三个不同频段,都采用相位调制技术,2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术以达到250kb/s的速率,并降低工作时间,以减少功率消耗。在915MHz和868MHz,采用BPSK的调制技术。相比较2.4GHz频段,900MHz频率更低,绕射能力较好。802.15.4因为采用直接序列扩频技术,具备一定的抗干扰能力,同时在其他条件相同的情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为OdBm的情况下,Bluetooth能有10m的作用范围,而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30~50m的作用距离。如果室外障碍物较少,甚至可以达到100m的作用距离。



介质接入控制子层


IEEE 802.15.4/ZigBee的MAC层(数据链路层、介质接入控制层或媒体控制层)的主要功能是为两个ZigBee设备的MAC层实体之间提供可靠的数据链路,其主要功能包括以下部分:

(1)通过CSMA-CA机制解决信道访问时的冲突。

(2)发送信标或检测、跟踪信标。

(3)处理和维护保护时隙(GTS)。

(4)连接的建立和断开。

(5)安全机制。

IEEE 802系列标准把数据链路层分成逻辑链路层控制(Logical Link Control,LLC)和MAC两个子层。LLC子层在IEEE 802.6标准中定义为802标准系列所共用;而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。IEEE 802.15.4的MAC子层支持多种LLC标准,通过业务相关汇聚子层协议承载IEEE 802.2协议中第一种类型的LLC标准,同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE 802.15.4MAC子层的服务。LLC子层主要功能是进行数据包分段与重组以及确保数据包按顺序传输。

如图2所示,IEEE 802.15.4MAC子层实现包括设备间无线链路的建立、维护与断开,确认模式的帧传送与接收,信道接入与控制,帧校验与快速自动请求重发(ARQ),预留时隙管理以及广播信息管理等。



图2 MAC子层参考模型

MAC子层处理所有物理层无线信道接入。主要功能如下:

(1)网络协调器产生网络信标。

(2)与信标同步。

(3)支持个域网链路的建立和断开。

(4)为设备的安全提供支持。

(5)信道接入时采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制。

(6)处理和维护保护时隙(GTS)机制。

(7)在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

MAC子层与LLC子层的接口中用于管理目的的原语仅有26条。相对于Bluetooth技术的131条和32个事件而言,IEEE 802.15.4MAC子层的复杂度很低,不需要高速处理器,因此降低了成本。

IEEE 802.15.4MAC层定义了两种信道接入方法,分别用于两种ZigBee网络拓扑结构中:基于中心控制的星形网络和基于对等操作的网状网络。在星型网络中,中心设备承担网络的形成与维护、时隙的划分、信道接入控制以及专用带宽分配等功能,其余设备则根据中心设备的广播信息来决定如何接入和使用信道,这是一种时隙化的载波监听和冲突避免CSMA/CA信道接入算法。在对等的网络中,没有中心设备控制,也没有广播信道和广播信息,而是使用标准的CSMA/CA信道接入算法接入网络。

总线型局域网在MAC层的标准是CSMA/CD,即载波监听多点接入/冲突检测。由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突,因此802.15定义了一种新的协议,即载波监听多点接入/冲突避免。一方面,载波侦听,即可查看介质是否空闲;另一方面避免冲突,通过随机的时间等待,使信号冲突发生的概率最小,当介质被侦听到空闲时,优先发送。



网络层


ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准的基础上建立的,而IEEE 802.15.4仅定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE 802.15.4的PHY和MAC层、ZigBee堆栈层、网络层、应用层及安全服务管理。每个ZigBee设备都与一个模板有关。模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的串(簇)。设备是以模板定义的,并以应用对象的形式实现。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分。从应用角度上看,通信的本质是端点到端点的连接,它们之间的通信叫作串,串就是端点间信息共享所需的全部属性的容器。

所有端点都使用应用支持子层提供的服务,APS通过网络层(NWK)和安全服务提供层与端点连接,并为数据传送、安全和绑定提供服务。APS使用NWK提供服务。NWK负责设备到设备的通信,并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。

网络层(NWK)提供的功能是保证IEEE 802.15.4/ZigBee的MAC子层的正确操作,并为应用层提供一个合适的服务接口。如图4所示,这些服务实体是数据服务和管理服务。



图4 网络层参考模型

NWK层数据实体(NLDE)通过其相关的SAP、NLDE-SAP,提供了数据传输服务,而NLME-SAP提供了管理服务。NLME使用NLDE来获得它的一些管理任务,且它还维护一个管理对象的网络信息库(NIB)。

网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点提供数据传输服务。网络层管理实体通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作,并且完成对网络信息库的维护和管理。网络层通过MCPS-SAP和MLME-SAP接口,为MAC层提供接口,通过NLDE-SAP与NLME-SAP接口为应用层提供接口服务。

 网络管理实体提供网络管理服务,允许应用与堆栈相互作用。其所提供的服务如下:

(1)配置一个新的设备。为保证设备正常工作的需要,设备应具有足够的堆栈,以满足配置的需要。配置选项包括对一个ZigBee协调器或者连接一个现有网络设备的初始化的操作。

(2)初始化一个网络。使之具有建立一个新网络的能力。

(3)连接和断开网络。具有连接或者断开一个网络的能力,以及为建立一个ZigBee协调器或者路由器,具有要求设备同网络断开的能力。

(4)寻址。ZigBee协调器和路由器具有为新加入网络设备分配地址能力。

(5)邻居设备发现。具有发现、记录和汇报有关一跳邻居设备信息的能力。

(6)路由发现。具有发现和记录有效的传送信息的网络路由的能力。

(7)接收控制。具有控制设备接收状态的能力,即控制接收机什么时间接收、接收时间的长短,以保证MAC层的同步或正常接收等。

网络层数据实体为数据提供服务,在两个或多个设备之间传送数据时,应用协议数据单元的格式进行传送,并且这些设备必须在同一个网络中,即在同一个内部个域网中。网络层数据实体可提供如下服务:

(2)生成网络层协议数据单元(NPDU),网络层数据实体通过增加一个适当的协议头,从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。

(2)指定拓扑传输路由,网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备,该设备可能是最终目的通信设备,也可能是在通信链路中的一个中间通信设备。

(3)确保通信的真实性和机密性安全。



应用层


ZigBee应用层框架包括应用支持子层(APS)。ZigBee设备对象和制造商所定义的应用对象。应用支持子层的功能包括维持绑定表、在绑定的设备之间传送信息。

ZigBee设备对象的功能包括:定义设备在网络中的角色,发起和响应请求,在网络设备之间建立安全机制,ZigBee设备对象还负责发现网络的设备,并且决定向它们提供何种应用服务。

ZigBee应用除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

通常符合下列条件之一的应用,就可以考虑采用ZigBee技术:

(1)设备间距较小。

(2)设备成本很低,传输的数据量很小。

(3)设备体积很小,不容许放置较大的充电电池或者电源模块。

(4)只能使用一次性电池,没有充足的电力支持。

(5)无法做到频繁更换电池或反复充电。

(6)需要覆盖的范围较大,网络内需要容纳的设备较多,网络主要用于监测或控制。












物联网工程:物联网标准化体系中的RFID标准(上)



物联网工程:物联网标准化体系中的RFID标准(下)



物联网工程:物联网标准化体系里中国的RFID技术标准


END



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