Фон

Стандарт ZigBee [2] задает сетевой (NET или NWK) и прикладной (APP или APL) слои для низкоскоростных беспроводных персональных сетей. Эти спецификации уровня NET и APP основаны на спецификациях PHY и MAC IEEE ® 802.15.4™ [3]. Устройства ZigBee находят применение в домашней автоматизации и сенсорных сетях и имеют большое значение для тренда Интернета вещей (IoT).

Прикладной слой ZigBee состоит из нескольких подслоев: (i) Подслой поддержки приложений (APS) и (ii) Библиотека кластеров ZigBee (ZCL). Подслой APS соответствует формату, который является общим для всех профилей приложений и кластеров ZigBee (см. пункт 2.2.5 в [2]). Заголовок ZCL соответствует формату, который является общим для всех кластеров (см. пункт 2.4 в [4]). Полезная нагрузка ZCL используется только некоторыми кластерами, и она соответствует специфическому для кластера формату.

Кластеры и захват систем координат

Из всех кластеров, используемых в профиле приложения домашней автоматизации, этот пример декодирует и генерирует системы координат для: (i) кластера включения/выключения (используемого световыми устройствами) и (ii) кластера зоны системы аварийной сигнализации нарушителя (IAS) (используемого датчиками движения) [4]. Кластер On/Off не использует полезную нагрузку ZCL, но кластер IAS Zone использует.

Системы координат этих кластеров были захвачены с коммерческих радиоприемников ZigBee, обеспечивающих автоматизацию дома, с помощью B200-mini радио USRP ® и пакета поддержки Communications Toolbox для радио USRP ®. ZigBee может использовать безопасность как в сети, так и на прикладном слое. Захваченные системы координат использовали безопасность на слое сети, а затем были расшифрованы. Этот пример декодирует прикладной слой дешифрованных полезных нагрузок NET-уровня.

load zigbeeAPPCaptures

Декодирование систем координат домашней автоматизации ZigBee Radios

Зигби. Объект строения APSFrameConfig используется как при генерации, так и при декодировании систем координат APS ZigBee. Такие объекты описывают кадр уровня APS и определяют его тип системы координат и все применимые свойства. Зигби. Функция APSFrameDecoder принимает модуль данных протокола APS (APDU) в байтах и выводит zigbee. Объект APSFrameConfig, описывающий систему координат и, возможно, система координат ZCL в байтах. Пункт 2.2.5.1 в [2] описывает форматы систем координат APS.

Затем декодируют подуровень APS захваченной системы координат зоны IAS:

[apsConfig, apsPayload] = zigbee.APSFrameDecoder(motionDetectedFrame);
apsConfig

apsConfig = 

  APSFrameConfig with properties:

                FrameType: 'Data'
               APSCounter: 230
    AcknowledgmentRequest: 1

   Addressing:
             DeliveryMode: 'Unicast'
      DestinationEndpoint: '01'
                ClusterID: '0500'
                ProfileID: '0104'
           SourceEndpoint: '01'

   Extended header:
           ExtendedHeader: 0

   Security:
                 Security: 0

Декодирование заголовка ZCL домашней автоматизации ZigBee Radios

Зигби. Объект строения ZCLFrameConfig используется как при генерации, так и при декодировании заголовков ZigBee ZCL. Такие объекты описывают кадр ZCL-уровня и определяют его тип системы координат и все применимые свойства.

Зигби. Функция ZCLFrameDecoder принимает систему координат в байтах и выводит zigbee. Объект ZCLFrameConfig, описывающий заголовок и, возможно, полезную нагрузку ZCL в байтах. Пункт 2.4.1 в [4] описывает форматы системы координат заголовка ZCL. Обратите внимание, что заголовок ZCL может задавать тип команды «Library-wide» или «Cluster-specific». В последнем случае - зигби. ZCLFrameDecoder также нужен идентификатор кластера, который присутствует в заголовке APS, в порядок чтобы декодировать идентификатор команды конкретного кластера в тип команды. Например, следующая команда декодирует заголовок ZCL захваченной системы координат зоны IAS.

[zclConfig, zclPayload] = zigbee.ZCLFrameDecoder(apsPayload, apsConfig.ClusterID);
zclConfig

zclConfig = 

  ZCLFrameConfig with properties:

                 FrameType: 'Cluster-specific'
               CommandType: 'Zone Status Change Notification'
            SequenceNumber: 9
       ManufacturerCommand: 0
                 Direction: 'Downlink'
    DisableDefaultResponse: 0

Декодирование полезной нагрузки ZCL для зоны Системы координат IAS с радио ZigBee

В отличие от кластера On/Off, кластер IAS Zone задает полезную нагрузку ZCL в дополнение к заголовку ZCL. Зигби. Объект строения IASZoneFrameConfig используется как при генерации, так и при декодировании полезных нагрузок IAS Zone ZCL. Такие объекты описывают полезную нагрузку зоны IAS и все применимые свойства. Зигби. Функция IASZoneFrameDecoder принимает полезную нагрузку зоны IAS в байтах и выводит zigbee. Объект IASZoneFrameConfig, описывающий полезную нагрузку зоны IAZ.

iasZoneConfig = zigbee.IASZoneFrameDecoder(zclPayload)

iasZoneConfig = 

  IASZoneFrameConfig with properties:

        CommandType: 'Zone Status Change Notification'
             ZoneID: 0
             Alarm1: 'Not alarmed'
             Alarm2: 'Alarmed'
           Tampered: 0
         LowBattery: 0
    PeriodicReports: 0
     RestoreReports: 1
            Trouble: 0
            ACFault: 0
      BatteryDefect: 0
           TestMode: 0
              Delay: 0

Декодирование автоматизации освещения ZigBee Radios, вызванного движением

Установлена система автоматизации подсветки для коммерческих радиостанций ZigBee домашней автоматизации, системы координат которых были захвачены и декодированы. В частности, когда датчик движения обнаруживает движение, он посылает сигнал на ступицу ZigBee, которая, в свою очередь, посылает сигнал на лампочку так, что она включается. Когда датчик движения обнаруживает, что движение остановилось (например, через 10 секунд без движения), он отправляет сигнал в ступицу ZigBee, которая, в свою очередь, беспроводным образом запускает лампочку, чтобы повернуть. Следующее видео иллюстрирует автоматизацию подсветки.

helperPlaybackVideo('LightingAutomation.mp4', 2/5);

Следующий код декодирует фактические системы координат, переданные между радиоприемниками ZigBee. Они были захвачены с помощью устройства USRP ® (также показано на видео).

apsFrames = {motionDetectedFrame; turnOnFrame; motionStoppedFrame; turnOffFrame};
for idx = 1:length(apsFrames)
  % APS decoding:
  [apsConfig, apsPayload] = zigbee.APSFrameDecoder(apsFrames{idx});
  % ZCL header decoding:
  [zclConfig, zclPayload] = zigbee.ZCLFrameDecoder(apsPayload, apsConfig.ClusterID);
  zclConfig

  % On-off cluster (does not have ZCL payload)
  onOffClusterID = '0006';
  if strcmp(apsConfig.ClusterID, onOffClusterID)
    fprintf(['Turn light bulb ' lower(zclConfig.CommandType) '.\n']);
  end

  % Intruder Alarm System (IAS) Zone cluster has ZCL payload:
  iasZoneClusterID = '0500';
  if ~isempty(zclPayload) && strcmp(apsConfig.ClusterID, iasZoneClusterID)
    iasConfig = zigbee.IASZoneFrameDecoder(zclPayload)

    if any(strcmp('Alarmed', {iasConfig.Alarm1, iasConfig.Alarm2}))
      fprintf('Motion detected.\n');
    else
      fprintf('Motion stopped.\n');
    end
  end
end

zclConfig = 

  ZCLFrameConfig with properties:

                 FrameType: 'Cluster-specific'
               CommandType: 'Zone Status Change Notification'
            SequenceNumber: 9
       ManufacturerCommand: 0
                 Direction: 'Downlink'
    DisableDefaultResponse: 0


iasConfig = 

  IASZoneFrameConfig with properties:

        CommandType: 'Zone Status Change Notification'
             ZoneID: 0
             Alarm1: 'Not alarmed'
             Alarm2: 'Alarmed'
           Tampered: 0
         LowBattery: 0
    PeriodicReports: 0
     RestoreReports: 1
            Trouble: 0
            ACFault: 0
      BatteryDefect: 0
           TestMode: 0
              Delay: 0

Motion detected.

zclConfig = 

  ZCLFrameConfig with properties:

                 FrameType: 'Cluster-specific'
               CommandType: 'On'
            SequenceNumber: 64
       ManufacturerCommand: 0
                 Direction: 'Uplink'
    DisableDefaultResponse: 0

Turn light bulb on.

zclConfig = 

  ZCLFrameConfig with properties:

                 FrameType: 'Cluster-specific'
               CommandType: 'Zone Status Change Notification'
            SequenceNumber: 10
       ManufacturerCommand: 0
                 Direction: 'Downlink'
    DisableDefaultResponse: 0


iasConfig = 

  IASZoneFrameConfig with properties:

        CommandType: 'Zone Status Change Notification'
             ZoneID: 0
             Alarm1: 'Not alarmed'
             Alarm2: 'Not alarmed'
           Tampered: 0
         LowBattery: 0
    PeriodicReports: 0
     RestoreReports: 1
            Trouble: 0
            ACFault: 0
      BatteryDefect: 0
           TestMode: 0
              Delay: 0

Motion stopped.

zclConfig = 

  ZCLFrameConfig with properties:

                 FrameType: 'Cluster-specific'
               CommandType: 'Off'
            SequenceNumber: 70
       ManufacturerCommand: 0
                 Direction: 'Uplink'
    DisableDefaultResponse: 0

Turn light bulb off.

Генерация полезных нагрузок ZCL зоны IAS

Зигби. Функция IASZoneFrameGenerator принимает zigbee. Объект IASZoneFrameConfig, описывающий полезную нагрузку зоны IAS и выводит полезную нагрузку в байтах. Следующий код создает две полезные нагрузки ZCL для этого кластера, указывающие, что вторжение было или не было обнаружено.

iasConfigIntrusion = zigbee.IASZoneFrameConfig('Alarm2', 'Alarmed');
zclPayloadIntrusion = zigbee.IASZoneFrameGenerator(iasConfigIntrusion);

iasConfigNoIntrusion = zigbee.IASZoneFrameConfig('Alarm2', 'Not alarmed');
zclPayloadNoIntrusion = zigbee.IASZoneFrameGenerator(iasConfigNoIntrusion);

Генерация систем координат ZCL

Зигби. Функция ZCLFrameGenerator принимает zigbee. Объект ZCLFrameConfig, описывающий систему координат и, опционально, полезную нагрузку ZCL в байтах (двухсимвольных) и выходы система координат ZCL в байтах. Следующий код генерирует системы координат ZCL для кластера On/Off (без полезной нагрузки) и кластера IAS Zone (требуется полезная нагрузка).

% IAS Zone Cluster
zclConfigIntrusion = zigbee.ZCLFrameConfig('FrameType', 'Cluster-specific', ...
                                           'CommandType', 'Zone Status Change Notification', ...
                                           'SequenceNumber', 1, 'Direction', 'Downlink');
zclFrameIntrusion = zigbee.ZCLFrameGenerator(zclConfigIntrusion, zclPayloadIntrusion);

% On/Off Cluster
zclConfigOn = zigbee.ZCLFrameConfig('FrameType', 'Cluster-specific', ...
                                    'CommandType', 'On', ...
                                    'SequenceNumber', 2, 'Direction', 'Uplink');
zclFrameOn = zigbee.ZCLFrameGenerator(zclConfigOn);

Генерация систем координат APS

Зигби. Функция APSFrameGenerator принимает zigbee. Объект APSFrameConfig, описывающий систему координат, и, опционально, полезную нагрузку APS (ZCL-слой системы координат) в байтах (двух символов) и выходах системы координат APS в байтах. Следующий код иллюстрирует, как сгенерировать системы координат APS для систем координат ZCL, созданных в предыдущем разделе.

% IAS Zone Cluster
apsConfigIntrusion = zigbee.APSFrameConfig('FrameType', 'Data', ...
                                           'ClusterID', iasZoneClusterID, ...
                                           'ProfileID', zigbee.profileID('Home Automation'), ...
                                           'APSCounter', 1, ...
                                           'AcknowledgmentRequest', true);
apsFrameIntrusion = zigbee.APSFrameGenerator(apsConfigIntrusion, zclFrameIntrusion);

% On/Off cluster
apsConfigOn = zigbee.APSFrameConfig('FrameType', 'Data', ...
                                    'ClusterID', onOffClusterID, ...
                                    'ProfileID', zigbee.profileID('Home Automation'), ...
                                    'APSCounter', 2, ...
                                    'AcknowledgmentRequest', true);
apsFrameOn = zigbee.APSFrameGenerator(apsConfigOn, zclFrameOn);

Дальнейшие исследования

Можно дополнительно исследовать следующие функции генератора и декодирования, а также объект строения:

Избранная библиография