針對ZigBee協(xié)議棧的分析

余凱

【摘要】本文主要分析了Zigbee協(xié)議棧，著重介紹了協(xié)議棧的物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的體系結(jié)構(gòu)，以及服務(wù)原語的傳輸方式，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

【關(guān)鍵詞】Zigbee協(xié)議棧；數(shù)據(jù)報文；服務(wù)原語

1概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們迫切希望發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)能夠帶動生活品質(zhì)和生產(chǎn)效率的提升，目前，在日益發(fā)展和壯大的互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過近距無線通信技術(shù)、射頻技術(shù)和傳感技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)也正快速地發(fā)展起來。物聯(lián)網(wǎng)的具體實現(xiàn)，實際上是通過物體設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸、交換，而后依賴于互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)最終發(fā)送到各個網(wǎng)絡(luò)重點上，從而實現(xiàn)萬物之間的數(shù)據(jù)通信，而在此其間，ZigBee協(xié)議成為實現(xiàn)物體設(shè)備之間傳輸?shù)年P(guān)鍵所在。ZigBee協(xié)議是屬于近距無線通信協(xié)議，其起身具有成本低、耗能小、速率低、可嵌入、靈活等特性，對于構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)是非常方便和快捷。所以對于ZigBee協(xié)議棧的研究與學(xué)習(xí)，對于熟練應(yīng)用ZigBee協(xié)議，從而快速、高效、準(zhǔn)確地構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)來說具有非常重要的實用價值。

2ZigBee的協(xié)議棧

2.1ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信和傳輸?shù)幕緟f(xié)議，從最底層的物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶钌蠈拥腪igBee設(shè)備應(yīng)用層的具體數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)，ZigBee協(xié)議棧都進(jìn)行了具體的詳細(xì)規(guī)定。如圖1所示，為ZigBee協(xié)議棧的從物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層最后到應(yīng)用層的體系架構(gòu)圖。

如圖1所示，ZigBee協(xié)議借鑒了互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)的7層協(xié)議結(jié)構(gòu)圖，自身定義了物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的具體功能、傳輸數(shù)據(jù)的處理和傳送規(guī)則等，從而實現(xiàn)物理設(shè)備與物理設(shè)備之間、物理設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

在物理層，ZigBee協(xié)議規(guī)定了專門的無線信道供ZigBee設(shè)備對象進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)國家對ZigBee協(xié)議的頻段分配，ZigBee數(shù)據(jù)協(xié)議報需要在868MHz/915MHz和2.4GHz兩個頻段內(nèi)工作，通過專門的調(diào)制解調(diào)的技術(shù)手段和擴(kuò)頻技術(shù)，ZigBee技術(shù)在物理層實現(xiàn)了數(shù)字信息信號對高頻傳輸信號的上載與下載、低損耗、低失真、低干擾的數(shù)據(jù)處理與傳輸。ZigBee協(xié)議在物理層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括了數(shù)據(jù)同步頭、物理頭以及物理層凈荷三部分構(gòu)成，而前兩部分主要包括了對物理鏈路信號的定義和控制，物理層凈荷則是涵蓋服務(wù)數(shù)據(jù)的具體單元，包括了物理設(shè)備之間傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)或控制命令。

通過物理層提供的具體服務(wù)，在MAC層中，ZigBee協(xié)議實現(xiàn)了兩個物理設(shè)備之間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)通信鏈路，并且采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問的控制方法，實現(xiàn)了ZigBee信道的訪問沖突問題。同時，ZigBee協(xié)議還設(shè)計了專門的功能從而實現(xiàn)時隙保護(hù)、數(shù)據(jù)發(fā)送、檢測、跟蹤等基本功能，從而有效保障數(shù)據(jù)鏈路層通信。ZigBee協(xié)議在MAC層的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，規(guī)定了MAC頭、尾和MAC凈荷，其中MAC頭定義了數(shù)據(jù)幀的序列號、目標(biāo)地址和PAN標(biāo)識符以及源地址和PAN標(biāo)識符，MAC尾則表示MAC數(shù)據(jù)包結(jié)束，MAC凈荷則是MAC層的主要傳輸部分，是包含了具體的上層數(shù)據(jù)信息。

在ZigBee協(xié)議中，對網(wǎng)絡(luò)層的功能進(jìn)行定義，其主要功能是為上層應(yīng)用層提供服務(wù)，同時保障MAC層工作有效。針對網(wǎng)絡(luò)層的具體功能，ZigBee規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的處理規(guī)則、路由跳轉(zhuǎn)規(guī)則、發(fā)送和接受的規(guī)則，在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層頭規(guī)定了目的地址、源地址以及多點傳送的控制信息，而網(wǎng)絡(luò)層凈荷則是包含了網(wǎng)絡(luò)層的具體傳輸數(shù)據(jù)，在ZigBee針對網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則下進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制指令的傳送。

針對應(yīng)用層，ZigBee定義了APS、ZDO和應(yīng)用對象。其中APS為應(yīng)用支持層，主要是為ZigBee物理設(shè)備之間的綁定信息傳輸，同時為物理設(shè)備對象和應(yīng)用對象相關(guān)的服務(wù)和應(yīng)用提供接口，從而為物理設(shè)備提供服務(wù)。ZDO是ZigBee的設(shè)備對象的專門程序，通過ZigBee的服務(wù)原語來執(zhí)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由器以及各個終端設(shè)備之間的信息數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸報文包含了幀頭和應(yīng)用層凈荷兩部分，枕頭數(shù)據(jù)包括了目的地址、源地址、集團(tuán)地址以及針對數(shù)據(jù)幀控制的信息，應(yīng)用層凈荷則包含了應(yīng)用層的傳輸數(shù)據(jù)。

2.2ZigBee協(xié)議棧的服務(wù)原語

在ZigBee協(xié)議棧中，由不同的層級構(gòu)成了整個體系結(jié)構(gòu)，作為一個有機(jī)整體，ZigBee設(shè)備要求在工作時能夠準(zhǔn)確無誤且有效，這就需要協(xié)議棧中層與層之間的協(xié)作共性和效率較高，在ZigBee協(xié)議棧中，服務(wù)原語作為基本的操作單元來實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧各層之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息關(guān)聯(lián)。如圖2所示，為ZigBee協(xié)議棧中的服務(wù)原語示意圖。

ZigBee協(xié)議中用戶與層之間是以服務(wù)的形式來定義整個信息流的描述，這些信息流則是以隨機(jī)的、離散的服務(wù)原語構(gòu)成的基本事件，在ZigBee協(xié)議棧定義中，層與層之間的服務(wù)原語包含四種類型，分別為請求原語、指示原語、響應(yīng)原語、確認(rèn)原語。其中，請求原語為N1用戶向N層發(fā)送的一個發(fā)起服務(wù)的請求，指示原語則是N層向下級N2用戶發(fā)送服務(wù)，指示N2用戶做出相應(yīng)相應(yīng)的N層事件。響應(yīng)原語則是在N2用戶得到N層指示原語后返回的響應(yīng)事件，是由指示原語接收后一系列的相應(yīng)操作的結(jié)果反饋。確認(rèn)原語則是N層向N1用戶發(fā)送的確認(rèn)原語，是在N1用戶向N層發(fā)送請求原語后，N層包括下級用戶進(jìn)行相應(yīng)操作后的服務(wù)執(zhí)行結(jié)果。

通過ZigBee協(xié)議棧對服務(wù)原語的定義，配合協(xié)議體系之間的傳輸，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的執(zhí)行，從而完成整個物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸和控制指令的發(fā)送，最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中各個物理設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)讀取。

3總結(jié)

ZigBee協(xié)議棧定義了物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層的體系結(jié)構(gòu)，同時采用服務(wù)原語的方式實現(xiàn)各個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的設(shè)備與設(shè)備之間、層與層之間的數(shù)據(jù)流傳輸，最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李戰(zhàn)明，劉寶，駱東松.ZigBee技術(shù)規(guī)范與協(xié)議棧分析[J].信息化縱橫.2009（05）

[2]丁雪蓮.ZigBee協(xié)議棧淺析[J].電腦與信息技術(shù).2013（05）