Die Struktur des Zigbee-Protokollstapels besteht aus einer Reihe von Protokollblöcken, die als Schichten bezeichnet werden. Jede Schicht stellt der darüber liegenden Schicht einen bestimmten Satz von Diensten zur Verfügung. Das Datenportal bietet Datenübertragungsdienste an, während das Verwaltungsportal alle anderen Dienste bereitstellt. Jede Dienstschnittstelle tauscht über die SAP-Schnittstelle (Service Access Point) Daten mit der oberen Schicht aus, und jeder SAP unterstützt eine Reihe von Dienstprimitiven.
Der Zigbee-Protokollstapel basiert auf dem OSI-Standard (Open Systems Interconnection), definiert aber nur die erforderlichen Schichten. Er besteht hauptsächlich aus der physikalischen Schicht PHY, der Medienzugangsschicht MAC, der Netzwerkschicht und der Anwendungsrahmenschicht. Das Rahmendiagramm ist in der Abbildung dargestellt. Die PHY-Schicht und die MAC-Schicht verwenden den Protokollstandard IEEE802.15.4.
1. Zigbee-Netzwerkschicht
Die Zigbee-Netzwerkschicht wird hauptsächlich für die Netzwerkverbindung, das Datenmanagement und die Netzwerksicherheit des drahtlosen Zigbee-Personal-Area-Networks (WPAN) verwendet. Die Netzwerkschicht muss funktional mit dem IEEE 802.15.4-Standard kompatibel sein, und die obere Schicht muss ebenfalls geeignete funktionale Schnittstellen bereitstellen.
1. Hauptfunktionen der Zigbee-Netzwerkschicht:
Für die Netzwerkschicht sind die wichtigsten Funktionen, die sie ausführt und bereitstellt, folgende:
(1) Erzeugen von Datenpaketen der Netzwerkschicht: Wenn die Netzwerkschicht Datenpakete von der Anwendungsunterschicht empfängt, parst die Netzwerkschicht die Datenpakete und fügt dann den entsprechenden Netzwerkschicht-Header für die Übertragung an den MAC hinzu.
(2) Routing-Funktion der Netzwerktopologie: Die Netzschicht hat die Aufgabe, Datenpakete weiterzuleiten. Wenn der Zielknoten des Pakets dieser Knoten ist, wird das Datenpaket an die Anwendungsunterschicht gesendet. Wenn nicht, wird das Paket an den nächsten Knoten in der Routing-Tabelle weitergeleitet.
(3) Konfigurieren neuer Geräteparameter: Die Netzschicht kann geeignete Protokolle konfigurieren, wie z. B. die Einrichtung eines neuen Koordinators und die Einleitung des Netzaufbaus oder den Beitritt zu einem bestehenden Netz.
(4) Aufbau eines PAN-Netzwerks
(5) Anschluss an das PAN-Netz oder Verlassen des Netzes: Die Netzschicht kann die Funktion des Beitritts zum Netz oder des Austritts aus dem Netz übernehmen. Wenn der Knoten ein Koordinator oder Router ist, kann er auch die untergeordneten Knoten auffordern, das Netz zu verlassen.
(6) Zuweisung der Netzwerkadresse: Handelt es sich bei diesem Knoten um einen Koordinator oder Router, wird die Netzadresse des mit dem Knoten verbundenen Byte-Punktes von der Netzschicht kontrolliert.
(7) Erkennung von Nachbarknoten: Die Netzwerkschicht kann Informationen über Netzwerknachbarn ermitteln und pflegen.
(8) Routing einrichten: Die Netzwerkschicht bietet Routing-Funktionen.
(9) Steuerung des Empfangs: Die Netzwerkschicht kann die Empfangszeit und den Status des Empfängers kontrollieren.
2. die Schichtstruktur des Zigbee-Netzes
Um eine Schnittstelle zur Anwendungsschicht zu schaffen, bietet die Netzschicht zwei funktionale Diensteinheiten, nämlich die Datendiensteinheit NLDE und die Verwaltungsdiensteinheit NLME. NLDE stellt über NLDE-SAP Datenübertragungsdienste für die Anwendungsschicht bereit, und NLME bietet über NLME-SAP Netzverwaltungsdienste für die Anwendungsschicht. Darüber hinaus übernimmt NLME auch die Pflege und Verwaltung der Netzinformationsbasis NIB.
2. Zigbee-Anwendungsschicht
Die Zigbee-Anwendungsrahmenschicht bietet hauptsächlich einige Anwendungsrahmenmodelle für die tatsächliche Anwendung der Zigbee-Technologie, um die Entwicklung und Anwendung der Zigbee-Technologie zu erleichtern. In verschiedenen Anwendungssituationen sind die Entwicklungs- und Anwendungs-Frameworks unterschiedlich. Aus heutiger Sicht sind die von verschiedenen Herstellern bereitgestellten Anwendungsframeworks unterschiedlich. Die Zigbee-Anwendungsschicht besteht aus der Application Support Sublayer APS, dem Application Framework AF und dem Zigbee Device Object ZDO. Zusammen bieten sie eine einheitliche Schnittstelle für Anwendungsentwickler.
1. Anwendungsunterstützende Teilschicht APS
Hauptfunktionen der APS-Schicht:
(1) Verarbeitung der APS-Schichtprotokolldateneinheit APDU.
(2) APSDE bietet einen Datenübertragungsmechanismus zwischen Anwendungseinheiten im selben Netz.
(3) APSME bietet eine Reihe von Diensten für Anwendungsobjekte, einschließlich Sicherheitsdiensten und Bindungsvorrichtungen, und verwaltet eine Datenbank von Verwaltungsobjekten, die wir oft als AIB bezeichnen.
2. Anwendungsrahmen AF
Das Application Framework bietet einen vorlagenartigen Aktivitätsraum für jedes benutzerdefinierte Anwendungsobjekt und stellt jedem Anwendungsobjekt zwei Dienste zur Verfügung: den Schlüssel-Wert-Paar-Dienst KVP und den Nachrichten-Dienst MSG für die Datenübertragung.
Neben der 64-Bit-IEEE-Adresse und der 16-Bit-Netzwerkadresse stellt jeder Knoten auch eine 8-Bit-Eingangsadresse der Anwendungsschicht bereit, die dem Benutzeranwendungsobjekt entspricht. Endpunkt 0 ist die ZDO-Schnittstelle, die Endpunkte 1 bis 240 sind benutzerdefiniert für die Objektnutzung, Endpunkt 255 ist die Broadcast-Adresse, und die Endpunkte 241 - 254 sind für die zukünftige Nutzung reserviert. Jede Anwendung entspricht einem Profil. Die Konfigurationsdatei enthält: Geräte-ID, Transaktions-Cluster-ID (clusterID), Attribut-ID (Attribute-ID), usw. AF kann diese Informationen zur Bestimmung des Diensttyps verwenden.
3.zigbee device object ZDO
ZDO ist ein spezieller Endpunkt der Anwendungsschicht. Es ist die Middleware für andere Endpunkte der Anwendungsschicht zur Interaktion mit den Verwaltungseinheiten der Anwendungsunterschicht. Die wichtigsten Funktionen, die es bietet, sind die folgenden:
(1) Initialisierung der Anwendungsunterstützungsunterschicht, Netzwerkschicht.
(2) Entdeckung von Knoten und Knotenfunktionen. In einem beaconlosen Netz ist ein sich anschließender Knoten nur für seinen übergeordneten Knoten sichtbar. Andere Knoten können die ZDO-Funktion verwenden, um die Gesamttopologie des Netzes und die Funktionen, die der Knoten bereitstellen kann, zu ermitteln.
(3) Verwaltung der Sicherheitsverschlüsselung: umfasst hauptsächlich die Erstellung und Übermittlung von Sicherheitsschlüsseln, die sicher autorisiert wurden.
(4) Netzwartungsfunktion.
(5) Verwaltung der Bindung: Die Bindungsfunktion wird von der Anwendungsunterstützungsschicht bereitgestellt, aber die Verwaltung der Bindungsfunktion wird von ZDO bereitgestellt, das die Größe der Bindungstabelle, die Einleitung der Bindung und die Aufhebung der Bindung usw. bestimmt.
(6) Knotenverwaltung: Für Netzkoordinatoren und Router bietet ZDO eine Reihe von Knotenverwaltungsfunktionen, wie z. B. die Überwachung des Netzes, das Abrufen von Routing- und Bindungsinformationen und das Einleiten des Prozesses zum Verlassen des Netzes.
ZDO ist eigentlich ein Endpunkt zwischen dem Endpunkt der Anwendungsschicht und der Anwendungsunterstützungsunterschicht, und seine Hauptfunktionen konzentrieren sich auf die Netzverwaltung und -wartung. Die Endpunkte der Anwendungsschicht können über die von ZDO bereitgestellten Funktionen Informationen über das Netz oder andere Knoten erhalten, einschließlich der Topologie des Netzes, der Netzadressen und des Status anderer Punkte, der Arten anderer Punkte und der angebotenen Dienste.
Zu den Unternehmen im In- und Ausland, die ZigBee-Lösungen anbieten können, gehören derzeit TI, Jennic, ST, Atmel, Freescale usw. Unter ihnen bietet TI die umfassendsten technischen Lösungen an. Der ZigBee-Protokollstapel bietet einen vollständigen Satz von Funktionsimplementierungen für das ZigBee-Protokoll, von der zugrunde liegenden Hardware-Signalverarbeitung bis hin zum Lesen von Daten auf der Systemebene und der Nachrichtenverarbeitung. Anwendungsentwickler müssen den zugrunde liegenden Hardware-Signalverarbeitungsprozess und die Hardware-Organisationsstruktur nicht verstehen. Der Vorteil ist die Beschleunigung der Entwicklung von Internet-verbundenen Anwendungen, die Produkte schneller auf den Markt bringen. Schlüsselwörter: kostengünstige 4G RTU