Zigbee組網(wǎng)原理詳解

　　1.組網(wǎng)概述

　　組建一個(gè)完整的zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )包括兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò )初始化、節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )。其中節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )又包括兩個(gè)步驟：通過(guò)與協(xié)調器連接入網(wǎng)和通過(guò)已有父節點(diǎn)入網(wǎng)。

　　2. 網(wǎng)絡(luò )初始化預備

　　Zigbee網(wǎng)絡(luò )的建立是由網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)起的，任何一個(gè)zigbee節點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò )必須要滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求：

　?。?）節點(diǎn)是FFD節點(diǎn)，具備zigbee協(xié)調器的能力；

　?。?）節點(diǎn)還沒(méi)有與其他網(wǎng)絡(luò )連接，當節點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò )連接時(shí)，此節點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò )的子節點(diǎn)，因為一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò )中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。

　　FFD：Full FuncTIon Device 全功能節點(diǎn)

　　RFD：Reduced FuncTIonDevice 半功能節點(diǎn)

　　3.網(wǎng)絡(luò )初始化流程

　　3.1 確定網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器：

　　首先判斷節點(diǎn)是否是FFD節點(diǎn)，接著(zhù)判斷此FFD節點(diǎn)是否在其他網(wǎng)絡(luò )里或者網(wǎng)絡(luò )里是否已經(jīng)存在協(xié)調器。通過(guò)主動(dòng)掃描，發(fā)送一個(gè)信標請求命令（Beaconrequest command），然后設置一個(gè)掃描期限（T_scan_duraTIon），如果在掃描期限內都沒(méi)有檢測到信標，那么就認為FFD在其pos內沒(méi)有協(xié)調器，那么此時(shí)就可以建立自己的zigbee網(wǎng)絡(luò )，并且作為這個(gè)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器不斷地產(chǎn)生信標并廣播出去。

　　注意：一個(gè)網(wǎng)絡(luò )里，有且只能有一個(gè)協(xié)調器（coordinator）。

　　3.2 進(jìn)行信道掃描過(guò)程。

　　包括能量掃描和主動(dòng)掃描兩個(gè)過(guò)程：首先對指定的信道或者默認的信道進(jìn)行能量檢測，以避免可能的干擾。以遞增的方式對所測量的能量值進(jìn)行信道排序，拋棄那么些能量值超出了可允許能量水平的信道，選擇可允許能量水平的信道并標注這些信道是可用信道。接著(zhù)進(jìn)行主動(dòng)掃描，搜索節點(diǎn)通信半徑內的網(wǎng)絡(luò )信息。這些信息以信標幀的形式在網(wǎng)絡(luò )中廣播，節點(diǎn)通過(guò)主動(dòng)信道掃描方式獲得這些信標幀，然后根據這些信息，找到一個(gè)最好的、相對安靜的信道，通過(guò)記錄的結果，選擇一個(gè)信道，該信道應存在最少的zigbee網(wǎng)絡(luò )，最好是沒(méi)有zigbee設備。在主動(dòng)掃描期間，MAC層將丟棄PHY層數據服務(wù)接收到的除信標以外的所有幀。

　　3.3 設置網(wǎng)絡(luò )ID。

　　找到合適的信道后，協(xié)調器將為網(wǎng)絡(luò )選定一個(gè)網(wǎng)絡(luò )標識符（PAN ID，取值《=0x3FFF），這個(gè)ID在所使用的信道中必須是唯一的，也不能和其他zigbee網(wǎng)絡(luò )沖突，而且不能為廣播地址0xFFFF（此地址為保留地址，不能使用）。PAN ID可以通過(guò)偵聽(tīng)其他網(wǎng)絡(luò )的ID然后選擇一個(gè)不會(huì )沖突的ID的方式來(lái)獲取，也可以人為的指定掃描的信道后，來(lái)確定不和其他網(wǎng)絡(luò )沖突的PAN ID。

　　在zigbee網(wǎng)絡(luò )中有兩種地址模式：擴展地址（64位）和短地址（16位），其中擴展地址由IEEE組織分配，用于唯一的設備標識；短地址用于本地網(wǎng)絡(luò )中設備標識，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)設備的短地址必須唯一，當節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)由其父節點(diǎn)分配并通過(guò)使用短地址來(lái)通信。對于協(xié)調器來(lái)說(shuō)，短地址通常設定為0x0000。

　　上面步驟完成后，就成功初始化了zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，之后就等待其他節點(diǎn)的加入。節點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)將選擇范圍內信號最強的父節點(diǎn)（包括協(xié)調器）加入網(wǎng)絡(luò )，成功后將得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò )短地址并通過(guò)這個(gè)地址進(jìn)行數據的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò )拓撲關(guān)系和地址就會(huì )保存在各自的flash中。

　　4.節點(diǎn)通過(guò)協(xié)調器加入網(wǎng)絡(luò )

　　當節點(diǎn)協(xié)調器確定之后，節點(diǎn)首先需要和協(xié)調器建立連接加入網(wǎng)絡(luò )。

　　為了建立連接，FFD節點(diǎn)需要向協(xié)調器提出請求，協(xié)調器接收到節點(diǎn)的連接請求后根據情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的節點(diǎn)做出響應，節點(diǎn)與協(xié)調器建立連接后，才能實(shí)現數據的收發(fā)。節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的具體流程可以分為下面的步驟：

　　4.1 查找網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。

　　首先會(huì )主動(dòng)掃描查找周?chē)W(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，如果在掃描期限內檢測到信 標，那么將獲得了協(xié)調器的有關(guān)信息，這時(shí)就向協(xié)調器發(fā)出連接請求。在選擇合適的網(wǎng)絡(luò )之后，上層將請求MAC層對物理層PHY和MAC層的phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進(jìn)行相應的設置。如果沒(méi)有檢測到，間隔一段時(shí)間后，節點(diǎn)重新發(fā)起掃描。

　　4.2 發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令（Associaterequest command）。

　　節點(diǎn)將關(guān)聯(lián)請求命令發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器收到后立即回復一個(gè)確認幀（ACK），同時(shí)向它的上層發(fā)送連接指示原語(yǔ)，表示已經(jīng)收到節點(diǎn)的連接請求。但是這并不意味著(zhù)已經(jīng)建立連接，只表示協(xié)調器已經(jīng)收到節點(diǎn)的連接請求。當協(xié)調器的mac層的上層接收到連接指示原語(yǔ)后，將根據自己的資源情況（存儲空間和能量）決定是否同意此節點(diǎn)的加入請求，然后給節點(diǎn)的mac層發(fā)送響應。

　　4.3 等待協(xié)調器處理。

　　當節點(diǎn)收到協(xié)調器加入關(guān)聯(lián)請求命令的ACK后，節點(diǎn)mac將等待一段時(shí)間，接受協(xié)調器的連接響應。在預定的時(shí)間內，如果接收到連接響應，它將這個(gè)響應向它的上層通告。而協(xié)調器給節點(diǎn)的mac層發(fā)送響應時(shí)會(huì )設置一個(gè)等待響應時(shí)間（T_ResponseWaitTIme）來(lái)等待協(xié)調器對其加入請求命令的處理，若協(xié)調器的資源足夠，協(xié)調器會(huì )給節點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應命令，則此節點(diǎn)將成功的和協(xié)調器建立連接并可以開(kāi)始通信。若協(xié)調器資源不夠，待加入的節點(diǎn)將重新發(fā)送請求信息，直接入網(wǎng)成功。

　　4.4 發(fā)送數據請求命令。

　　如果協(xié)調器在響應時(shí)間內同意節點(diǎn)加入，那么將產(chǎn)生關(guān)聯(lián)響應命令（Associateresponse command）并存儲這個(gè)命令。當響應時(shí)間過(guò)后，節點(diǎn)發(fā)送數據請求命令（Datarequest command）給協(xié)調器，協(xié)調器收到后立即回復ACK，然后將存儲的關(guān)聯(lián)響應命令發(fā)給節點(diǎn)。如果在響應時(shí)間到后，協(xié)調器還沒(méi)有決定是否同意節點(diǎn)加入，那么節點(diǎn)將試圖從協(xié)調器的信標幀中提取關(guān)聯(lián)響應命令，成功的話(huà)就可以入網(wǎng)成功，否則重新發(fā)送請求信息直到入網(wǎng)成功。

　　4.5 回復。

　　節點(diǎn)收到關(guān)聯(lián)響應命令后，立即向協(xié)調器回復一個(gè)確認幀（ACK），以確認接收到連接響應命令，此時(shí)節點(diǎn)將保存協(xié)調器的短地址和擴展地址，并且節點(diǎn)的MLME向上層發(fā)送連接確認原語(yǔ)，通告關(guān)聯(lián)加入成功的信息。

　　5.節點(diǎn)通過(guò)已有節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )

　　當靠近協(xié)調器的FFD節點(diǎn)和協(xié)調器關(guān)聯(lián)成功后，處于這個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內的其他節點(diǎn)就以這些FFD節點(diǎn)作為父節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )了，具體加入網(wǎng)絡(luò )有兩種方式，一種是通過(guò)關(guān)聯(lián)（associate）方式，就是待加入的節點(diǎn)發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò )；另一種是直接（direct）方式，就是待加入的節點(diǎn)具體加入到那個(gè)節點(diǎn)下，作為該節點(diǎn)的子節點(diǎn)。其中關(guān)聯(lián)方式是zigbee網(wǎng)絡(luò )中新節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的主要途徑。

　　對于一個(gè)節點(diǎn)來(lái)說(shuō)只有沒(méi)有加入過(guò)網(wǎng)絡(luò )的才能進(jìn)行加入網(wǎng)絡(luò )。在這些節點(diǎn)中，有些是曾經(jīng)加入過(guò)網(wǎng)絡(luò )中，但是卻與它的父節點(diǎn)失去聯(lián)系（這樣的被稱(chēng)為孤兒節點(diǎn)），而有些則是新節點(diǎn)。當是孤兒節點(diǎn)時(shí)，在它的相鄰表中存有原父節點(diǎn)的信息，于是它可以直接給原父節點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò )的請求信息。如果父節點(diǎn)有能力同意它加入，于是直接告訴它的以前被分配的網(wǎng)絡(luò )地址，它便入網(wǎng)成功；如果此時(shí)它原來(lái)的父節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )中，子節點(diǎn)數已達到最大值，也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò )地址已經(jīng)分配滿(mǎn)，父節點(diǎn)便無(wú)法批準它加入，它只能以新節點(diǎn)身份重新尋找并加入網(wǎng)絡(luò )。

　　而對于新節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，他首先會(huì )在預先設定的一個(gè)或多個(gè)信道上通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)掃描周?chē)梢哉业降木W(wǎng)絡(luò )，尋找有能力批準自己加入網(wǎng)絡(luò )的父節點(diǎn)，并把可以找到的父節點(diǎn)的資料存入自己的相鄰表。存入相鄰表的父節點(diǎn)的資料包括zigbee協(xié)議的版本、協(xié)議棧的規范、PAN ID和可以加入的信息。在相鄰表中所有的父節點(diǎn)中選擇一個(gè)深度最小的，并對其發(fā)出請求信息，如果出現相同最小深度的兩個(gè)以上的父節點(diǎn)，那么隨機選取一個(gè)發(fā)送請求。如果相鄰表中沒(méi)有合適的父節點(diǎn)的信息，那么表示入網(wǎng)失敗，終止過(guò)程。如果發(fā)出的請求被批準，那么父節點(diǎn)同時(shí)會(huì )分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò )地址，此時(shí)入網(wǎng)成功，子節點(diǎn)可以開(kāi)始通信。如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò )。