基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究

摘要：為了驗證ZigBee協(xié)議的有效性，敘述了新型無(wú)線(xiàn)ZigBee通信技術(shù)，介紹ZigBee協(xié)議的結構和特點(diǎn)，基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備以及網(wǎng)絡(luò )拓撲結構；ZigBee標準協(xié)議棧結構及數據在協(xié)議棧內部的傳輸機制。以?xún)蓚€(gè)網(wǎng)絡(luò )設備成網(wǎng)為例，詳細給出了ZigBee設備形成網(wǎng)絡(luò )時(shí)，各個(gè)設備的工作狀態(tài)、設備之間網(wǎng)絡(luò )連接過(guò)程以及數據幀的發(fā)送過(guò)程。最后，通過(guò)Microchip公司的ZigBee實(shí)驗平臺驗證了ZigBee無(wú)線(xiàn)星型組網(wǎng)，實(shí)驗證明，ZigBee技術(shù)是有效的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；協(xié)議棧；無(wú)線(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò )

0 引言
ZigBee是一種新興的短距離、低功率、低速率的無(wú)線(xiàn)接人技術(shù)，工作于無(wú)須注冊的2．4 GHz ISM頻段，傳輸速率為10～250 Kb／s，傳輸距離為10～75 m。該項技術(shù)自2002年起由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟研究開(kāi)發(fā)，采用IEEE 802．15．4標準作為其物理層和媒體接入子層標準、網(wǎng)絡(luò )層及上層標準，即ZigBee技術(shù)標準。
以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò )為代表的無(wú)線(xiàn)應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗。因此，迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應用簡(jiǎn)單的專(zhuān)用標準，ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)使它與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )完美地結合在一起。本文以ZigBee技術(shù)為背景，研究基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò )設備及網(wǎng)絡(luò )拓撲
ZigBee網(wǎng)絡(luò )中可同時(shí)存在兩種不同類(lèi)型的設備，一種是具有完整功能的設備(FFD)，一種是簡(jiǎn)化功能的設備(RFD)。在網(wǎng)絡(luò )中，FFD通常有3種工作狀態(tài)：作為個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器(PAN)；作為路由器；作為一個(gè)終端設備。一個(gè)FFD可以同時(shí)和多個(gè)RFD或多個(gè)其他的FFD通信，而對于RFD，它只能和一個(gè)FFD進(jìn)行通信，故只能作為終端設備。
ZigBee協(xié)調器，即ZigBee的個(gè)域網(wǎng)協(xié)調器，是網(wǎng)絡(luò )建立的起點(diǎn)，負責網(wǎng)絡(luò )的初始化，確定個(gè)域網(wǎng)標識符和網(wǎng)絡(luò )工作的物理信道，并統籌短地址的分配。ZigBee協(xié)調器必須是全功能設備，并且一個(gè)網(wǎng)絡(luò )只有一個(gè)協(xié)調器。ZigBee路由器是一個(gè)全功能設備，類(lèi)似于定義的協(xié)調器，在接入網(wǎng)路后，它能獲得一定的16位短地址空間。在其通信范圍內，它能允許其他節點(diǎn)加入或者離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，分配及收回短地址，路由和轉發(fā)數據。ZigBee終端設備，既可以是全功能設備，也可以是簡(jiǎn)化功能設備，它只能與其父節點(diǎn)通信，從其父節點(diǎn)處獲得網(wǎng)絡(luò )標識符、短地址等相關(guān)信息。
ZigBee網(wǎng)絡(luò )由FFD和RFD組成，網(wǎng)絡(luò )有兩種拓撲結構：星型拓撲結構和對等拓撲結構。具體拓撲結構如圖1所示。星型拓撲網(wǎng)絡(luò )是由一個(gè)PAN協(xié)調器的中央控制器和多個(gè)從設備組成，主協(xié)調器必須是一個(gè)FFD設備，從設備既可以是FFD也可以RFD；對等網(wǎng)絡(luò )拓撲結構也存在協(xié)調器，該網(wǎng)絡(luò )不同于星型拓撲結構，在該拓撲結構中任何設備只要在其通信范圍之內，就可以和其他設備進(jìn)行通信。

2 ZigBee協(xié)議棧
根據ZigBee聯(lián)盟公布的ZigBee技術(shù)標準，各個(gè)芯片生產(chǎn)廠(chǎng)家都公布了基于自己產(chǎn)品的ZigBee協(xié)議棧。有TI公司、AVR公司、Microchip公司等，其中TI公司及Microchip公司開(kāi)發(fā)了源代碼開(kāi)放的ZigBee協(xié)議棧。本文介紹Microchip公司基于ZigBee 2006標準的ZigBee協(xié)議棧。