三 实现原理
3.1zigbee协议介绍
ZigBee协议标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务；管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接人点SAP为上层提供接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。ZigBee标准的分层架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的。其中IEEE 802．15．4—2003标准定义了底层协议：物理层(physical layer，PHY)和媒体访问控制层(medium access control sub—layer，MAC)。ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层(network layer,NWK)，应用层(application layer，APL)架构。在应用层内提供了应用支持子层(application support sub—layer，APS)和 ZigBee设备对象(ZigBee device object，ZDO)。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。 ZigBee的网络层采用基于Ad Hoc的路由协议，除了具有通用的网络层功能外，还应该与底层的IEEE 802．15．4标准一样功耗小，同时要实现网络的自组织和自维护，以最大限度方便消费者使用，降低网络的维护成本。应用支持子层把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全属性设置、业务发现、设备发现和多个业务数据流的汇聚等功能。 ZigBee无线测温系统的组成及原理基于ZigBee技术的无线测温系统主要由基于ZigBee技术的底层无线传感器网络、远程数据传输网络以及功能完善的上位监控系统3部分组成,,该系统是由大量的传感器点、汇节点以及远程传输模块组成的分布式系统。基于簇的分层结构具有天然的分布式处理能力,簇头就是分布式处理中心,即无线传感器网络的一个汇节点。每个簇成员(传感器节点)都把数据传给簇头,数据融合后直接传给远程传输网络,中央控制中心通过远程传输网络与多个汇节点连接,汇节点和传感器节点之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换。带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给汇节点;通过远程传输网络获取采集到的相关信息,实现对现场的有效控制和管理。
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3.2ZigBee技术的应用领域
ZigBee技术的目标就是针对工业、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制、传感器的无线数据采集和监控、油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输：数据采集或监控的网点多；传输的数据量不大，但要设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。
3.3zigbee协议栈结构
ZigBee协议栈定义了四层，分别是物理层、媒体访问控制层、网络层、应用层。物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4-2003定义，上层的网络层和应用层由Zigbee联盟定义。应用层分别包括ZDO（Zigbee设备对象），APS（应用支持子层）和AF（应用框架）组成。Zigbee协议栈每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。 ZigBee协议栈结构如 图2 ZigBee协议栈结构图所示。
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图2 ZigBee协议栈结构图
1. 物理层
物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，主要作用是激活和关闭射频收发器；检测信道的能量；显示收到数据包的链路质量；空闲信道评估；选择信道频率；数据的接受和发送。
2. 媒体访问控制层
媒体访问控制（MAC）层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路，共享传输媒体，提高通信效率。在协调器的MAC层，可以产生网络信标，同步网络信标；支持ZigBee设备的关联和取消关联；支持设备加密；在信道访问方面，采用CSMA/CA信道退避算法，减少了碰撞概率；确保时隙分配（GTS）；支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式，为两个对等的MAC实体提供可靠连接。
3. 网络层
网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开
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网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。并且，网络层完成对一跳(one—hop)邻居设备的发现和相关结点信息的存储。一个ZigBee协调器创建一个新网络，为新加入的设备分配短地址等。并且，网络层还提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。
网络层要求能够很好地完成在IEEE 802．15．4标准中MAC子层所定义的功能，同时，又要为应用层提供适当的服务接口。为了与应用层进行更好的通信，网络层中定义了两种服务实体来实现必要的功能。这两个服务实体是数据服务实体(NLDE)和管理服务实体(NLME)。网络层的NLDE通过数据服务实体服务访问点(NLDE—SAP)来提供数据传输服务，NLME通过管理服务实体服务访问点(NLME—SAP)来提供管理服务。NLME可以利用NLDE来激活它的管理工作，它还具有对网络层信息数据库(NIB)进行维护的功能。 在这个图中直观地给出了网络层所提供的实体和服务接口等。
NLDE提供的数据服务允许在处于同一应用网络中的两个或多个设备之间传输应用协议数据单元(APDU)。NLDE提供的服务有：产生网络协议数据单元(NPDU)和选择通信路由。选择通信路由，在通信中，NLDE要发送一个NPDU到一个合适的设备，这个设备可能是通信的终点也可能只是通信链路中的一个点。NLME需提供一个管理服务以允许一个应用来与协议栈操作进行交互。 NLME需要提供以下服务：①配置一个新的设备(configuring a new device)。具有充分配置所需操作栈的能力。配置选项包括：ZigBee协调器的开始操作，加入一个现有的网络等。
4. 应用层
应用层包括三部分：应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）。应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。应用支持子层维护了一个绑定表，可以定义、增加或移除组信息；完成64位长地址（IEEE地址）与16位短地址（网络地址）一对一映射；实现传输数据的分割与重组；应用支持子层连接网络层和应用层，是它们之间的接口。这个接口由两个服务实体提供：APS数据实体（APSDE）和APS管理实体（APSME）。APS数据实体为网络中的节点提供数据传输服务，它会拆分和重组大于最大荷载量的数据包。APS管理实体提供安全服务，节点绑定，建立和移除组地址，负责64位IEEE地址与16位网络地址的地址映射[4]。
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ZigBee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。用户在开发ZigBee产品时，需要在ZigBee协议栈的AF上附加应用端点，调用ZDO功能以发现网络上的其他设备和服务，管理绑定、安全和其他网络设置。ZDO是一个特殊的应用对象，它驻留在每一个ZigBee节点上，其端点编号固定为0。
AF应用框架是应用层与APS层的接口。它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。
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