ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究與實(shí)驗

　　引言

　　有人將ZigBee翻譯成「紫蜂」，為無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò )(Wireless Personal Area Networks, WPAN)的標準之一，已于 2005年6月27日 公布。除了邏輯鏈路控制(Logic Link Control, LLC)層、媒介存取控制層（MAC），與物理層使用2003年10月公布的IEEE 802.15.4標準外，ZigBee標準協(xié)議制定了應用層與網(wǎng)絡(luò )層，及MAC、應用層與網(wǎng)絡(luò )層的安全加密服務(wù)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，使用戶(hù)能擁有較長(cháng)的電池壽命和較多的器件陣列。目前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，而Zigbee的出現正好解決了這一問(wèn)題。Zigbee有著(zhù)高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得Zigbee和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )完美地結合在一起。目前，基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究和開(kāi)發(fā)已得到越來(lái)越多的關(guān)注。

　?。薄igbee協(xié)議術(shù)語(yǔ)

　　配置文件(profile)：Zigbee協(xié)議的配置文件是對邏輯組件及其相關(guān)接口的描述，是面向某個(gè)應用類(lèi)別的公約、準則．通常沒(méi)有程序代碼與配置文件相關(guān)聯(lián)．

　　屬性（attribute）：設備之間通信的每一種數據像開(kāi)關(guān)的狀態(tài)或溫度計值等皆可稱(chēng)為屬性．每個(gè)屬性可得到唯一的ID值．

　　簇（cluster）：多個(gè)屬性的匯集形成了簇，每個(gè)簇也擁有一個(gè)唯一的ID。雖然個(gè)體之間傳輸的通常是屬性信息，但所謂的邏輯組件的接口指的卻是簇一級的操作，而非屬性一級．

　　終端（endpoint）：每個(gè)支持一個(gè)或多個(gè)簇的代碼功能塊稱(chēng)為終端。不同的設備通過(guò)它們的終端及所支持的簇來(lái)進(jìn)行通信。

　　配置文件定義了屬性ID與簇ID，使之看起來(lái)就像設備的某種特性．以家庭智能控制系統為例，燈配置文件設定了遠程控制設備的簇OnOffDRC含有一種屬性ＯnOff，且該屬性為無(wú)符號８位值，值０ＸＦＦ意味著(zhù)＂開(kāi)＂，０Ｘ００為關(guān)，０ＸＦ０則為無(wú)效。通常，配置文件也為設備定義了，哪些簇是強制托管的，哪些簇是可選擇的。另外，配置文件還定義了一些可選擇的Ｚigbee協(xié)議托管服務(wù)．

　　基于簇及配置所定義的服務(wù)，用戶(hù)可使用配置文件中定義的屬性編寫(xiě)所需的函數．改寫(xiě)自己的程序代碼．因此，配置文件使得ZigBee 設備可以互操作。任何遵循某一標準配置文件的節點(diǎn)都可以與其他實(shí)現相同配置文件的節點(diǎn)進(jìn)行互操作。也就是說(shuō)，在使用同一標準配置文件進(jìn)行設計的基礎上，即使生產(chǎn)開(kāi)關(guān)的廠(chǎng)家與生產(chǎn)控制器的廠(chǎng)家不同，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品仍可實(shí)現協(xié)同操作．

　　以家庭智能系統中的燈光控制為例，燈配置文件定義了６個(gè)設備，協(xié)議棧通過(guò)帶有以下信息的報頭文件對此配置提供支持：配置（profile）ID,設備ＩＤ及版本，簇ＩＤ，屬性ＩＤ，屬性數據類(lèi)型．

　　下圖（1）顯示了不同術(shù)語(yǔ)之間的關(guān)系，對于家庭智能控制系統的燈光配置，圖中給出了兩種設備．每種設備各有一個(gè)終端．負荷切換控制器的終端中僅有一個(gè)輸入簇，而遠程轉換控制終端則有兩個(gè)簇，且分別為一個(gè)輸入一個(gè)輸出．數據的傳輸基于簇而進(jìn)行．

圖（1）

　　2 Zigbee協(xié)議棧結構

　　如圖(2)所示，ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)進(jìn)行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。 ZigBee堆棧的大多數層有兩個(gè)接口：數據實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數據實(shí)體接口的目標是向上層提供所需的常規數據服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標是向上層提供訪(fǎng)問(wèn)內部層參數、配置和管理數據的服務(wù)。圖中的APSDE-SAP，NLDE-SAP即為數據實(shí)體接口，而APSME-SAP，NLME-SAP即為管理實(shí)體接口。

圖（2）

　　3　Zigbee協(xié)議的消息格式及幀格式

　　3．1 消息格式

　　一個(gè)Zigbee消息由127個(gè)字節組成，它主要包括以下幾個(gè)部分：

　?。停粒脠箢^：該報頭包含當前被傳輸消息的源地址及目的地址．若消息被路由，則該地址有可能不是實(shí)際地址，產(chǎn)生及使用該報頭對于應用代碼是透明的．

　?。危祝藞箢^：該報頭包含了消息的實(shí)際源地址及最終的目的地址，該報頭的產(chǎn)生及使用對于應用代碼是透明的．

　?。粒校訄箢^：該報頭包含了配置ID，簇ID及當前消息的目的終端．同樣，報頭的產(chǎn)生及使用是透明的．

　　有效載荷：該域包含了待應用層處理的Zigbee協(xié)議幀．

　　3．2 ZigBee協(xié)議幀格式

　　Zigbee協(xié)議定義了兩種幀格式：KVP關(guān)鍵值對及MSG消息幀．

　　KVP：是ZigBee 規范定義的特殊數據傳輸機制，通過(guò)一種規定來(lái)標準化數據傳輸格式和內容，主要用于傳輸較簡(jiǎn)單的變量值格式。

　　MSG：是ZigBee 規范定義的特殊數據傳輸機制，其在數據傳輸格式和內容上并不作更多規定，主要用于專(zhuān)用的數據流或文件數據等數據量較大的傳輸機制。

　　KVP幀是專(zhuān)用的比較規范的信息格式，采用鍵值對的形式，按一種規定的格式進(jìn)行數據傳輸．通常用于傳輸一個(gè)簡(jiǎn)單的屬性變量值；而MSG幀還沒(méi)有一個(gè)具體格式上的規定，通常用于多信息，復雜信息的傳輸。KVP、MSG是通訊中的兩種數據格式。如果將幀比作一封郵件，那么信封、郵票、地址人名等信息都是幀頭、幀尾，里面的信件內容就是特定的數據格式KVP或MSG。根據具體應用的配置文件（Profile），KVP一般用于簡(jiǎn)單屬性數據，MSG用于較復雜的，數據量較大信息。

　　4　尋址

　　4．1 Zigbee協(xié)議中的兩類(lèi)地址

　　Zigbee網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的每一個(gè)節點(diǎn)皆有兩個(gè)地址：６４位的ＩＥＥＥ?。停粒玫刂芳埃保段痪W(wǎng)絡(luò )地址．

　　每一個(gè)使用Zigbee協(xié)議通信的設備都有一個(gè)全球唯一的６４位ＭＡＣ地址，該地址由２４位ＯＵＩ與４０位廠(chǎng)家分配地址組成，ＯＵＩ可通過(guò)購買(mǎi)由ＩＥＥＥ分配得到，由于所有的ＯＵＩ皆由ＩＥＥＥ指定，因此６４位ＩＥＥＥ?。停粒玫刂肪哂腥蛭ㄒ恍裕?/P>

　　當設備執行加入網(wǎng)絡(luò )操作時(shí)，他們會(huì )使用自己的擴展地址進(jìn)行通信。成功加入Zigbee網(wǎng)絡(luò )后，網(wǎng)絡(luò )會(huì )為設備分配一個(gè)１６位的網(wǎng)絡(luò )地址。由此，設備便可使用該地址與網(wǎng)絡(luò )中的其它設備進(jìn)行通信．

　　4．2 尋址方式

　　單播：當單播一個(gè)消息時(shí)，數據包的MAC報頭中應含有目的節點(diǎn)的地址，只有知道了接收設備的地址，消息方可以單播方式進(jìn)行發(fā)送。

　　廣播：要想通過(guò)廣播來(lái)發(fā)送消息，應將信息包MAC報頭中的目的地址域置為0XFF。此時(shí)，所有射頻收發(fā)使能的終端皆可接收到該信息。

　　該尋址方式可用于加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò )、查找路由及執行ZigBee協(xié)議的其它查找功能。ZigBee協(xié)議對廣播信息包實(shí)現一種被動(dòng)應答模式。即當一個(gè)設備產(chǎn)生或轉發(fā)一個(gè)廣播信息包時(shí)，它將偵聽(tīng)所有鄰居的轉發(fā)情況。如果所有的鄰居都沒(méi)有在應答時(shí)限內復制數據包，設備將重復轉發(fā)信息包，直到它偵聽(tīng)到該信息包已被所有鄰居轉發(fā)，或廣播傳輸時(shí)間被耗盡為止。

　　5 數據傳輸機制

　　對于非信標網(wǎng)絡(luò )，當一個(gè)設備想要發(fā)送一個(gè)數據幀時(shí)，它會(huì )等待信道空閑，直到檢測到信道為空后設備會(huì )傳輸該幀。

　　若目的設備為FFD全功能設備，它的接收器應始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，以便其它的設備可隨時(shí)向它傳輸數據。但是若設備為RFD精簡(jiǎn)功能設備，無(wú)操作時(shí)設備將關(guān)閉收發(fā)器以節約能量。此時(shí)RFD設備無(wú)法接收到任何數據。因此，其它設備只能通過(guò)RFD的FFD雙親向RFD設備請求或發(fā)送數據。直到RFD上電RX 收發(fā)器后，它會(huì )向雙親請求自己的信息數據，若雙親緩沖區中存有發(fā)給孩子的信息，則將該信息發(fā)給孩子設備。該操作模式可降低RFD的功耗，但相應的雙親 FFD節點(diǎn)應擁有足夠的RAM空間，以便為孩子設備緩沖信息。若孩子設備沒(méi)有在規定的時(shí)間內請求信息，信息將被丟失。

　　6 Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的形成

　　首先，由Zigbee協(xié)調器建立一個(gè)新的Zigbee網(wǎng)絡(luò )。一開(kāi)始，Zigbee協(xié)調器會(huì )在允許的通道內搜索其它的Zigbee協(xié)調器。并基于每個(gè)允許通道中所檢測到的通道能量及網(wǎng)絡(luò )號，選擇唯一的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò )。一旦一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )被建立，Zigbee路由器與終端設備就可以加入到網(wǎng)絡(luò )中了。

　　網(wǎng)絡(luò )形成后，可能會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )重疊及PAN ID沖突的現象。協(xié)調器可以初始化PAN ID沖突解決程序，改變一個(gè)協(xié)調器的PAN ID 與信道，同時(shí)相應修改其所有的孩子設備。通常，Zigbee設備會(huì )將網(wǎng)絡(luò )中其它節點(diǎn)信息存儲在一個(gè)非易失性的存儲空間-鄰居表中。加電后，若孩子設備曾加入過(guò)網(wǎng)絡(luò )，則該設備會(huì )執行孤兒通知程序來(lái)鎖定先前加入的網(wǎng)絡(luò )。接收到孤兒通知的設備檢查它的鄰居表，并確定設備是否是它的孩子，若是，設備會(huì )通知孩子設備它在網(wǎng)絡(luò )中的位置，否則孩子設備將作為一個(gè)新設備來(lái)加入網(wǎng)絡(luò )。而后，孩子設備將產(chǎn)生一個(gè)潛在雙親表，并盡量以合適的深度加入到現存的網(wǎng)絡(luò )中。

　　通常，設備檢測通道能量所花費的時(shí)間與每個(gè)通道可利用的網(wǎng)絡(luò )可通過(guò)ScanDuration掃描持續參數來(lái)確定，一般設備要花費1分鐘的時(shí)間來(lái)執行一個(gè)掃描請求，對于Zigbee路由器與終端設備來(lái)說(shuō)，只需要執行一次掃描即可確定加入的網(wǎng)絡(luò )。而協(xié)調器則需要掃描兩次，一次采樣通道能量，另一次則用于確定存在的網(wǎng)絡(luò )。