Zigbee入门开发之我见(网上收集)

Zigbee是一种新型的短距离无线通信技术。其特点是低功耗,低成本,组网灵活。Zigbee协议由zigbee联盟指定,包括应用层,和网络层,其下层采用IEEE802.15.4协议。
无论是学习zigbee技术,还是利用zigbee技术开发产品,都需要较好的掌握zigbee协议,并比较深入的了解IEEE802.15.4协议.然而仅zigbee协议就接近400页,而IEEE802.15.4协议多达600页,全部是英文。如果从来没有接触过无线通信的开发,要迅速掌握这么多内容确实有一些难度,笔者考虑到广大急切进入zigbee的同仁者,结合自己开发中总结出的理解协议的特定方法,从开发的角度,阐述协议内容,以达到抛砖引玉的效果,同时和广大同仁交流,共同提高,并希望zigbee技术能够在中国发扬光大。
协议从功能实现来讲,ZigBee协议层共包括物理层(又称实体层)、MAC层、数据链接层、网络层和应用支持层五个主要层次。在标准制定的分工上,ZigBee协议层是由ZigBee联盟和IEEE802.15.4的任务小组共同完成的。其中,物理层(又称实体层)、MAC层、数据链接层,以及传输过程中的资料加密机制等都是由IEEE所主导的。网络层和应用支持层则由ZigBee联盟来完成。IEEE802.15.4小组与ZigBee联盟共同针对ZigBee协议栈的发展进行研究,而未来还能依据系统客户的要求来修正其所需的应用界面。如图1所示:

Zigbee协议整体架构
作为理解协议,从开发者的角度来讲,这样学习协议是比较费时间的,也较难掌握。笔者从自己长期开发的经验来看,对无线通信,最重要的就是在发送端根据用户的要求,把数据能够扔出去,并且是扔到指定的设备,在接收端,能够把发送到该设备的数据捡起来。并根据用户要求的作特定的处理。如果考虑在一个无线网路中的话,就得首先建立网络,其他得设备加入网络。最后是才是一些其他的问题,如设备离开网络,设备重新加入网络,等等。
这样从通信过程去理解协议,将会使得协议的内容非常明了,也可以很好的知道利用协议开发产品,达到事半功倍的效果。
本人将根据这样的思路,分五期具体讲述协议内容:
第一期:设备建立网络过程
第二期:设备加入网络过程
第三期:数据发送过程
第四期:数据接收过程
第五期:其他的问题

zigbee设备建立网络过程
在一个zigbee网络中,只有协调器(coordinator)设备可以建立网络,在建立网络过程中,所有的实现过程都是通过原语实现的(具体在程序中,如用c语言,就是调用一个一个函数,或者是一个一个任务来实现(不要刻意最求这句话的准确性,本来好的协议就是只要达到这样的结果,不管具体实现)),首先协调器设备的应用层调用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语,发出建立网络请求,网络层收到这个原语,就要求MAC层执行信道能量扫描(在IEEEE802.15.4协议中规定,在2.4G频段,共有16个信道,每个信道的带宽为5M,深入理解,可以看协议和通信原理的相关资料)。这调用MLME_SCAN.request,主要找到信道能量低于设定能量值的信道,并且标注这些信道是可用信道,下一步就在可用信道中执行活动情况扫描(active scan),就是在可接受的信道搜寻zigbeee设备,找到一个最好的信道,通过记录的结果,选择一个信道,该信道存在最少的zigbee网络,最好是没有zigbee设备。
如果没有合适的,将发送confirm原语,并告知上层结果;如果找到了合适的信道,将随机选择一个PAN(网络号,就是可以识别一个特定zigbee网络的标识号),不与原来的冲突,如果没有找到,也通过原语告诉上层结果,如果找到了,就通过原语在MAC层注册,这个ID号,然后选择网络地址,并发送MLME_START.request原语,获取PAN ID和信道扫描结果,将通过confirm原语告知上层。
收到PAN 开始的状态,NLME 将告知应用层,它要求的建立网络的状态,这通过NLME_NETWORK_FORMATION.confirm原语实现。

zigbee设备加入网络过程(方式一 关联加入)
在一个zigbee协调器设备建立网络后,路由器设备或者终端设备(end device),可以加入协调器建立的网络,具体加入网络有两种方式,一种是通过关联(association)方式,就是待加入的设备发起加入网络,具体实现方式后面讨论,另一种是直接(direct)方式,就是待加入的设备具体加入到那个设备下,作为该设备的子节点,由以前网络中的设备,想待加入的设备作为其子设备决定。
下面重点讨论第一种方式,也是实际中用的最多的方式
通过关联方式加入一个网络:
加入一个设备,是两个设备的事,即子设备和待定父设备
对于子设备,首先子设备调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原语,设定待扫描的信道,以及每个信道扫描的时间,网络层收到这个原语,将要求MAC层执行被动或主动扫描。
具体发送到设备外的是一个becon request 帧,当在这个信道中的设备收到该帧,将会发送becon帧,这是子设备通过BEACON-NOTIFY.indication 原语,告知该设备的MAC层,该becon帧包含了发送该帧的地址信息,以及是否允许其他设备以其子节点的方式加入。待加入的设备,在网络层,将检查该becon帧 协议 ID是否是zigbee ID 。如果不是,将 忽略;如果是,该设备将复制收到每个becon帧的相关信息到其关联表中(neighbor table)。
一旦MAC层完成了扫描,将发送 MLME-SCAN.confirm 原语,告知网络层,网络层将发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原语,告知应用层。
应用层收到该原语,应用层将根据情况,要么重新要求扫描,或者从关联表中选择所发现的网络加入。调用NLME-JOIN.request 原语,原语中各个参数的设置参看协议(可以在本站下载栏找到)非常容易。如果在关联表中找不到合适的准父节点,将调用原语告知应用层,如果由多个设备可以满足要求,将选择到协调器节点深度最低的设备,如果有几个设备的深度相同,且都是最小深度,将从中随机选择一个。
一旦潜在的父节点确定,网络层将调用MLME-ASSOCIATE.request 原语到MAC层。具体设置参看协议相关部分(213页),连接状态将通过MLME-ASSOCIATE.confirm 原语反馈。
如果试图加入不成功,网络层将收到MAC层通过MLME-ASSOCIATE.confirm告知的加入失败,如果收到的是潜在父节点拒绝该设备加入,这时候,网络层将会在关联表中,把该潜在父节点的相应部分,潜在父节点位(potential parent bit)置为零,确保网络层,不再给这个设备二次发送加入请求。
如果一次加入没成功,将选择另一个潜在的父节点加入,指导找到一个合适的设备加入或者所有的设备都不适合。
如果加入成功,网络层收到的MLME-ASSOCIATE.confirm 原语,将含有该设备可用的16 唯一的逻辑地址,
网络层将在关联表中设置与其父节点的关系,同时,这个父节点也会在其关联表中加入这个新设备。
如果是以路由器(router)形式成功加入网络,该设备的应用层将发送NLME-STAT_ROUTER. request 原语,网络层将发送MLME-STAT.request 原语到MAC层。收到了MLME-START.confirm 原语,网络层 将发送 NLME-START-ROUTER.confirm 原语,含有同样的状态值。
对于父节点设备:
只有协调器或路由器,可以加入设备,进行该操作,首先从MAC层开始,MAC接收到一帧(ASSOCIATE)数据 ,通过MLME_ASSOCIATE.indication原语传到网络层,潜在的父节点收到这帧数据,首先判断该设备是否已经存在其关联表中,如果找到,NLME将获取相应的16位网络地址,并发送 association response 到MAC层,如果没有找到,将分配一个在这个网络中唯一的地址给待加入的设备,如果潜在父节点已经用完了地址分配,NLME将中止,通过MLME-ASSOCIATE.reponse 原语,告知该设备,不能接收子设备了,在多跳网络中,其他的设备还可以接收。
如果设备加入得到许可,这时候,将在关联表中创建一个表项,作为其子节点,并通过MLME-ASSOCIATE.reponse 原语,告知该设备,已经成功加入网络。

zigbee设备加入网络(方式二  直接加入)
直接方式加入网络(directly)
下面讲述如何一个子设备,在其潜在父节点预先指派的情况下加入网络.
以这种方式加入网络的过程中,首先由父节点发起,下面根据建网的过程来讲述
父节点:
首先调用NLME-DIRECT-JOIN.requese 原语,在目的地址部分设置成要求加入网络设备的IEEE地址,当这个过程初始化后,在父节点的网络层要判断该子设备是否已经加入网络,如果在其关联表中找到了这个设备,将终止操作,并通过NLME-DIRECT-JOIN.confirm原语告诉应用层,设备已经加入网络,如果没有找到匹配的,在网络层,如果可能 ,将分配一个在这个 网络中唯一的16位网络地址,将在其关联表中为这个子节点创建一个表项,如果不可以,NLME-DIRECT-JOIN.confirm原语告诉应用层表已满,如果可以,NLME-DIRECT-JOIN.confirm原语告诉应用层创建成功.注意,这个过程父节点设备是没有向空中发射信息,只是在自己设备内处理.但是,在子设备要求加入时,以孤节点方式实现,因为该过程和孤节点方式重新加入实现方式一样.
子节点:
子节点通过孤节点方式加入
首先子设备调用NLME-JOIN.request原语,并在RejoinNetwork项设置为真,然后网络层要求MAC执行孤节点扫描,对设置的信道,该步由MLME-SCAN.request初始化,通过MLME-SCAN.comfirm原语返回结果.
 如果扫描成功,网络层将通过调用NLME-JOIN.confirm 原语告之应用层,加入成功.
 如果扫描没有成功,网络层将终止操作,并告之应用层,没有找到网络,该步通过调用NLME-JOIN.confirm 原语实现.
子节点要求加入后,父节点将做如下处理
在MAC层收到MLME-ORPHAN.indication原语,只有协调器或路由器将做进一步处理.
当这一过程完成后,网络层将首先查找看其子设备是否为孤节点,如果有,将比较IEEE地址,如果匹配,将获取相应的16位网络地址,通过MAC层MLME-ORPHAN.reponse原语告之子设备.

接收发送数据的总体过程
在前面已经讲述了zigbee网络的建立过程,以及设备设备加入网络,现在作为实质的网络通信的平台已经搭建好了,可以进行数据传输了,下面将讲述在zigbee网络中,数据从一个设备发送到另一个设备的整体过程,后面在讲述涉及到数据传输的路由发现以及路由过程。
传输:
只有设备加入到网络中,才可以传输数据,首先,按照协议中规定的帧形式,构建帧数据,该帧数据包括帧头,帧内容,其中帧头包括帧类型,源地址,目的地址,PAN,CLUSTERID,等等信息,详细参考协议,帧构建好后,然后调用MAC层的原语,MCPS-DATA.request,将收到结果通过MCPS-DATA.confirm
接收:
设备可以接收数据,首先必须使能接收,在协调器或路由器中,只要设备不发送数据就可以处于接收状态,对于end device,应用调用NLME-SYNC.request原语,网络层,调用MLME-POLL.request原语,去查看其父节点是否暂存数据,待发送到该节点,如果有,将使能接收。
在MAC层收到数据后,首先帧头控制部分的传输半径内容将减一,然后交到网络层,网络层判断目的地址是否是自己或者该帧是广播数据帧,将把该数据传到应用层,广播帧数据将通过后面(广播传输部分)继续传输,如果目的地址不是自己,该节点是路由器或协调器,将通过后面(路由传输部分)继续传输,否则,该帧数据将被丢弃。如果是路由发现帧,将会用路由回复帧,并继续发送路由发送帧,具体过程后面详细讨论。

zigbee设备收发数据的整体过程
zigbee设备发送数据
只有加入了网络的设备才可以发送数据,首先,应用层将一帧数据打包好,然后调用网络层的原语,并在网络层按照协议的配置,加上帧头,如果考虑安全机制,还要做安全处理。
接收和再发送:
在非信标的网络中,只要设备不发送数据,就可以处于接收的状态,只要在接收使能的情况下,收到一帧数据,将把该帧数据帧头的传输半径减一。如果该值为零,将不会再传输到下一个设备,该帧数据,将被送到应用层,或在网络层做具体的处理。数据帧,如果目的地址是该接收设备,将会发送到应用层,如果是广播数据帧,也会发送到应用层,并且还会继续传播到其他设备,具体的传输方式将在下一讲中介绍。如果正在接收的设备是协调器或路由器设备,并且已经使能了路由,如果接收到的数据目的地址不是该设备,将中继该帧数据到其他设备,如果其他情况,将舍弃该帧数据。如果接收到的数据是路由应答,如果目的地址是该设备,将用后面讲到的方式处理,否则,将舍弃该帧数据,并且将发送路由错误帧。

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