ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計

　　ZigBee協(xié)議一個(gè)全球化的開(kāi)放性標準，以實(shí)現測、控功能的眾多應用提供低功耗的無(wú)線(xiàn)連接。ZigBee以靈活的、可擴充的網(wǎng)絡(luò )拓撲、便于安裝的綜合設置和智能路由技術(shù)、高防故障能力，增強了IEEE802.15.4功能。ZigBee還具有嚴格的安全措施，可以和其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)，如藍牙和WiFi等在同一個(gè)工作環(huán)境中和平共處。

　　ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳輸距離與工作環(huán)境密切相關(guān)。標準無(wú)線(xiàn)控制模塊在0dBm輸出功率時(shí)，室外工作距離可達450米，但在室內，由于墻體和其它物體的吸收、反射、衍射、駐波等效應，距離大大縮短；輸出功率大于15dBm功率模塊的工作距離約可增加10倍。此外，的網(wǎng)形，簇樹(shù)形拓撲結構還能進(jìn)一步增加工作距離。

　　通信的安全性與可靠性

　　由于通信會(huì )受到無(wú)線(xiàn)干擾和較差的發(fā)送/接收條件的破壞，ZigBee使用多項技術(shù)來(lái)確保通信的可靠性。首先，ZigBee網(wǎng)絡(luò )在無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)采用編碼機制。在2.4GHz頻帶采用的是正交移相鍵控(QPSK)調制技術(shù)，同時(shí)將4位數據符號變換為32位片序列。樣，既使在同一信道內，在同一時(shí)間有其它無(wú)線(xiàn)信號，ZigBee消息也能完整地到達目的地。

　　其次，它的傳輸采用帶沖突避免的載波偵聽(tīng)、多點(diǎn)接入方案。簡(jiǎn)單地說(shuō)，節點(diǎn)在發(fā)送前首先要偵聽(tīng)信道，看它是否是暢通的。要是信道正工作著(zhù)，節點(diǎn)延時(shí)后再次偵聽(tīng)，這樣反復進(jìn)行直到信道暢道為止才開(kāi)始發(fā)送消息。其次，消息到達目的地后，接收設備要送一個(gè)確認信號來(lái)表示消息已經(jīng)收到。如果發(fā)送設備沒(méi)有收到確認信號，它將在一定時(shí)間間隔內再次發(fā)送原有的消息。

　　ZigBee內設"安全工具箱"來(lái)提供高安全性，主要措施有：

　　·接入控制表：只有預定義的"友好"節點(diǎn)才能加入網(wǎng)絡(luò )；

　　·128位AES基加密技術(shù)：一種高安全的密鑰基加密系統，某些無(wú)線(xiàn)微控制器還備有硬件保密功能。

　　·消息更新定時(shí)器：拒絕超時(shí)消息，防止外侵消息攻擊網(wǎng)絡(luò )。

　　網(wǎng)絡(luò )結構

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )有三種拓撲形式：星形、簇樹(shù)形和網(wǎng)形(圖1)。消息從一個(gè)節點(diǎn)如何路由至另一個(gè)節點(diǎn)完全取決于網(wǎng)絡(luò )拓撲。星形網(wǎng)絡(luò )有一個(gè)中心節點(diǎn)，所有消息都經(jīng)它傳輸。簇樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )有一個(gè)頂端節點(diǎn)，下面有枝有葉，消息先上行再下傳。網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò )與簇樹(shù)形相似，但它的某些枝、葉可直接鏈接。

　　網(wǎng)絡(luò )的基本單元是節點(diǎn)，單一網(wǎng)絡(luò )最多可設65535個(gè)節點(diǎn)。按功能區分，有簡(jiǎn)化功能設備(RFD)和全功能設備(FFD)。前者按最少RAM和ROM資源實(shí)現的，設計成網(wǎng)絡(luò )中簡(jiǎn)單的收/發(fā)節點(diǎn)。它能搜索現成網(wǎng)絡(luò )，必要時(shí)傳輸應用數據，向網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器請求數據，多數時(shí)間處于休眠狀態(tài)以節省電池功耗。后者可用作網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，連接協(xié)調器或另一個(gè)通信設備。它還能發(fā)現其它RFD和FFD建立通信聯(lián)系。

　　在具體網(wǎng)絡(luò )中，邏輯設備類(lèi)型是ZigBee協(xié)調器，ZigBee路由器和ZigBee端點(diǎn)設備。協(xié)調器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、管理網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息。它還能提供路由消息、安全管理和其它服務(wù)。路由器與網(wǎng)絡(luò )中成對節點(diǎn)的消息路由，可讓子節點(diǎn)與它連接。終端節點(diǎn)不能傳輸消息，也不能連接其它子節點(diǎn)，它的主要任務(wù)是發(fā)送與接收消息。

　　ZigBee自形成和自愈網(wǎng)絡(luò )結構允許數據和控制消息通過(guò)多條路徑傳輸，這一特性擴展了網(wǎng)絡(luò )的范圍并提高了數據的可靠性。網(wǎng)絡(luò )的對等功能可用于構建大型的，地域分散的網(wǎng)絡(luò )，將小型網(wǎng)絡(luò )連接在一起形成簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò )。

　　應用數據類(lèi)型

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )應用廣泛，應用不同，其獲得的數據類(lèi)型也不同，通?？煞譃?類(lèi)：

　　·周期性數據。無(wú)線(xiàn)傳感器和儀表應用定義的數據。這類(lèi)數據由信標系統處理的，ZigBee的MAC具有用于時(shí)間同步的帶信標超幀結構，在規定時(shí)間喚醒傳感器，檢測信標，交換數據，然后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　·間歇性數據。無(wú)線(xiàn)照明控制或外部激勵應用數據。在無(wú)信標或斷開(kāi)連接系統中處理數據，設備僅在需要通信時(shí)接入網(wǎng)絡(luò )。

　　·重復的低等待時(shí)間數據。保安系統中采用時(shí)隙分配的應用數據。這些應用使用有保證的時(shí)隙(GTS)功能。局域網(wǎng)協(xié)調器為每個(gè)設備定義了一段專(zhuān)用時(shí)間，實(shí)現無(wú)爭用、無(wú)等待的數據傳輸。

　　應用實(shí)例

　　在一個(gè)典型的家庭網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，協(xié)調器通過(guò)開(kāi)關(guān)(終端設備)對照明或家用電器(路由器)進(jìn)行控制。以簡(jiǎn)單的照明控制為例，需要3塊電路板。電路的核心是單片IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)控制芯片，它整合了32位RISC芯核和標準的2.4GHz收發(fā)器功能，還集成了64KB ROM和96KB RAM。微控制器是個(gè)高集成度器件，內部RAM支持協(xié)調器和路由器功能而無(wú)需外部SRAM。它還內置集成化硬件MAC和休眠振蕩器和節能器件。構成完整的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)還需附加的晶振、閃存、去耦元件和印制天線(xiàn)(見(jiàn)圖2)

　　上面已提及，PHY功能和軟件MAC集成在無(wú)線(xiàn)控制芯片上，而軟件MAC和應用層則在外部控制器執行。此外，構建網(wǎng)絡(luò )應用產(chǎn)品還要提供一套庫功能，包括設備驅動(dòng)器和典型的傳感器與控制驅動(dòng)器。

　　本文描述的無(wú)線(xiàn)照明控制應用執行ZigBee家庭控制照明(HCL)配置文件。協(xié)調器自動(dòng)地執行協(xié)議棧軟件，完成各種動(dòng)作，如允許設備加入到網(wǎng)絡(luò )、分配地址，將端點(diǎn)捆綁到其它節點(diǎn)，傳送數據。這些操作對用戶(hù)是透明的，以盡可能地簡(jiǎn)化應用程序。開(kāi)關(guān)傳感器扳用作網(wǎng)絡(luò )終端設備，照明燈傳感器板是路由器，其軟件搜尋網(wǎng)絡(luò )、請求加入網(wǎng)絡(luò )，然后再發(fā)送請求將它們捆綁在一起。

　　本應用使用簡(jiǎn)單的捆綁技術(shù)，當協(xié)調器收到2個(gè)終端設備捆綁請求后，立即進(jìn)行配比，如果配比成功，就將它們加入捆綁表中。配比是在相同的輸入和輸出聚類(lèi)表的端點(diǎn)間進(jìn)行的。 一旦一對端點(diǎn)捆綁后，就可以從任意一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送數據。數據包自動(dòng)地發(fā)送至協(xié)調器，經(jīng)查找捆綁表找到目的地后，將數據中繼至該地址。