如何開(kāi)發(fā)更具魯棒性的ZigBee解決方案

　　ZigBee在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域中受到了人們的密切關(guān)注，主要是由于ZigBee承諾能為可靠、高性?xún)r(jià)比和低功率的無(wú)線(xiàn)通信提供全球性統一規范。并且在目前的無(wú)線(xiàn)設備市場(chǎng)中，ZigBee聯(lián)盟經(jīng)過(guò)不懈地努力已經(jīng)將ZigBee的地位提升了一大步。僅僅用了幾年的時(shí)間，該聯(lián)盟就發(fā)展了200多家聯(lián)盟成員。ZigBee芯片組和協(xié)議棧已經(jīng)可以很容易地從許多供貨商那里得到。去年市場(chǎng)上已經(jīng)出現第一套ZigBee終端產(chǎn)品。

　　通過(guò)精心地定義ZigBee規范中的網(wǎng)絡(luò )和應用層，ZigBee聯(lián)盟希望獨立的設備制造商能夠開(kāi)發(fā)出可以互操作的優(yōu)秀終端產(chǎn)品。成員們對ZigBee芯片組給予了很高的期望，希望能夠幫助OEM制造商進(jìn)一步降低成本，從而為系統集成商和終端用戶(hù)提供低成本的終端產(chǎn)品。

　　隨著(zhù)市場(chǎng)需求的增長(cháng)以及大量的志愿者投入研究ZigBee規范，現在已經(jīng)到了將一個(gè)低成本、低功率的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的可行性方案提供給人們的時(shí)候了。本文將討論設計和集成一個(gè)ZigBee方案時(shí)應該考慮的一些重要因素。文中的許多內容來(lái)自MaxStream公司在研發(fā)其首套ZigBee認證產(chǎn)品——XBee OEM無(wú)線(xiàn)模塊過(guò)程中所獲取的經(jīng)驗。

ZigBee一覽

1. ZigBee網(wǎng)絡(luò )

　　ZigBee定義了三種節點(diǎn)類(lèi)型：協(xié)調器、路由器和終端設備。協(xié)調器可以通過(guò)選擇網(wǎng)絡(luò )的工作信道和個(gè)域網(wǎng)識別標志(PAN ID)來(lái)啟動(dòng)一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )。一旦網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)，路由器和終端設備就能加入網(wǎng)絡(luò )。協(xié)調器和路由器都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)射和路由數據，并且允許其它的路由器和終端設備加入。終端設備不能參與路由數據，因此在不發(fā)射和接收數據時(shí)可以休眠。當設備加入ZigBee PAN時(shí)，設備間的父子關(guān)系即形成，加入的設備為子，允許加入的設備為父。一個(gè)簡(jiǎn)單的ZigBee網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。

2. ZigBee尋址

　　ZigBee設備支持兩種地址類(lèi)型：一種是64位IEEE地址，另一種是16位網(wǎng)址。64位地址在所有ZigBee設備之中是唯一，其中包含一個(gè)由IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定組織識別符(OUI)。

　　當設備加入ZigBee個(gè)域網(wǎng)時(shí)，它可以從允許其加入的父設備上獲取16位網(wǎng)址。該網(wǎng)址在個(gè)域網(wǎng)內被規定為唯一。該網(wǎng)址用于數據傳輸和數據包路由。用于路由數據包的路由表存放著(zhù)各個(gè)目標設備和下一跳設備的網(wǎng)絡(luò )地址。因此個(gè)域網(wǎng)的各設備都必須有明確且唯一的網(wǎng)絡(luò )地址，以保證數據能到達正確的設備。

圖1：簡(jiǎn)單的ZigBee網(wǎng)絡(luò )。

　　然而，在有些條件下一個(gè)設備的地址可能會(huì )改變，或者是多個(gè)節點(diǎn)可能接收到同一個(gè)地址。例如，如果終端設備被移除或失去與父設備的聯(lián)系，它就必須重新連接網(wǎng)絡(luò )，這可能導致它接收到一個(gè)新的地址。另外，如果協(xié)調器被一臺新設備所替換，新協(xié)調器會(huì )不知道哪些地址是之前的協(xié)調器分發(fā)的。新協(xié)調器分發(fā)給設備的地址很容易與已有的網(wǎng)址重疊。

　　ZigBee聯(lián)盟正在加緊研究解決這些地址問(wèn)題的對策，并將解決方案整合到ZigBee規范中去。但是，一些協(xié)議棧和模塊提供者，譬如MaxStream公司已經(jīng)研發(fā)出解決這些問(wèn)題的方法。

3. ZigBee路由

　　ZigBee包括一個(gè)用于A(yíng)ODV網(wǎng)狀路由的基本框架。如果一個(gè)設備需要向其它設備發(fā)送數據，它首先需要發(fā)現一條可能要經(jīng)過(guò)多臺路由器才能到達目標設備的路由。網(wǎng)狀路由允許動(dòng)態(tài)地建立、修改或替換傳輸路徑，從而保持設備間有一條可靠的路徑。

　　然而，除網(wǎng)狀路由之外，ZigBee規范還經(jīng)常依賴(lài)樹(shù)狀路由。在樹(shù)狀路由中，數據將在源設備和目標設備之間的“樹(shù)”狀路由上嚴格地按照從父到子或從子到父的路徑傳輸。

圖2：樹(shù)狀路由(左)和網(wǎng)狀路由(右)的演示。

　　當節點(diǎn)移動(dòng)或刪除時(shí)路由可能出現問(wèn)題。這時(shí)如果單個(gè)節點(diǎn)無(wú)法從一條路由中隔離開(kāi)來(lái)，那么整個(gè)樹(shù)狀路由就無(wú)法定位故障點(diǎn)。而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )就能在現有路由發(fā)生故障時(shí)發(fā)現一條新路由。

　　ZigBee協(xié)議棧按照規范采用樹(shù)狀和網(wǎng)狀路由的ZigBee 1.0標準而建立。兩種路由之間的交互是相當復雜的，而且協(xié)議棧之間的交互也是不斷變化的。但是，增強型ZigBee規范(2006)增加了一個(gè)nwkUseTreeRouting功能，該功能可以使整個(gè)樹(shù)狀路由徹底斷開(kāi)，再由(NLME)路由發(fā)現請求(route-discovery-request)原語(yǔ)根據需要強制進(jìn)行路由發(fā)現。這些功能可以解決與樹(shù)狀路由相關(guān)的問(wèn)題，并且允許開(kāi)發(fā)商充分發(fā)揮網(wǎng)狀路由的優(yōu)勢。

圖3：當所建通道上的一個(gè)節點(diǎn)失效時(shí)樹(shù)狀路由(左)和網(wǎng)狀路由(右)的性能。

4. ZigBee互操作性

　　ZigBee規范包括一些可以用來(lái)定義各種網(wǎng)絡(luò )的配置功能。開(kāi)發(fā)商可以很容易地配置以下參數：目標系統中的路由器和/或終端設備數量；安全級別；路由表和鄰居表規模；網(wǎng)絡(luò )最大深度(從協(xié)調器到最遠派生設備的連接深度)；協(xié)調器/父路由器允許的子路由器和終端設備的最大數量。

　　ZigBee聯(lián)盟研發(fā)出了為這些不同協(xié)議棧建立通用設置的公共框架-可配置參數表。為了完成框架(如家庭控制協(xié)議?？蚣芫投x了開(kāi)燈、關(guān)燈、或切換一個(gè)燈光的簇ID)內的共同任務(wù)，該框架還定義了一些稱(chēng)作簇ID的接口。

　　終端設備必須圍繞可互操作的同一框架來(lái)設計。因此，應用開(kāi)發(fā)商必須設置他們的協(xié)議棧參數以匹配公共框架所規定的參數值，從而確保與采用同一框架的其它解決方案的互操作性。另外，開(kāi)發(fā)商也可以為了滿(mǎn)足其設計而通過(guò)采用專(zhuān)用(定制)的框架來(lái)自由修改協(xié)議棧參數。不過(guò)，在專(zhuān)用框架中所定義的簇ID不具備與基于公共框架的設備互操作的能力。

　　由于開(kāi)發(fā)商具有選擇框架的靈活性，從而并非所有的ZigBee設備都能互操作。雖然這種靈活性一開(kāi)始會(huì )在市場(chǎng)上引起一些混亂，但允許開(kāi)發(fā)商決定其產(chǎn)品是否要與其他供應商的設備進(jìn)行互操作。在不需要互操作性的場(chǎng)合，功能強大的ZigBee可以圍繞一個(gè)專(zhuān)用框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并剪裁協(xié)議棧參數來(lái)滿(mǎn)足特殊應用需求。

5. ZigBee認證

　　經(jīng)認證的ZigBee硬件平臺(芯片組和模塊)和軟件層(PHY層、MAC層和網(wǎng)絡(luò )層)必須做ZigBee驗證平臺(ZCP)測試。通過(guò)ZCP認證的硬件平臺和軟件協(xié)議棧表明適用于ZigBee終端產(chǎn)品的研發(fā)。

　　在ZigBee兼容平臺上開(kāi)發(fā)的終端產(chǎn)品可以直接做產(chǎn)品認證測試。終端產(chǎn)品認證允許產(chǎn)品出現在ZigBee認證產(chǎn)品列表中，并打上ZigBee標識。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)開(kāi)發(fā)了相關(guān)測試標準來(lái)認證基于公共和專(zhuān)用框架的終端產(chǎn)品是否是合格的ZCP產(chǎn)品。