基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

摘要：為了驗(yàn)證ZigBee協(xié)議的有效性，敘述了新型無線ZigBee通信技術(shù)，介紹ZigBee協(xié)議的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)在協(xié)議棧內(nèi)部的傳輸機(jī)制。以兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成網(wǎng)為例，詳細(xì)給出了ZigBee設(shè)備形成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)、設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)連接過程以及數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程。最后，通過Microchip公司的ZigBee實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了ZigBee無線星型組網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)證明，ZigBee技術(shù)是有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；協(xié)議棧；無線星型網(wǎng)絡(luò)

0 引言
ZigBee是一種新興的短距離、低功率、低速率的無線接人技術(shù)，工作于無須注冊(cè)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(xiàng)技術(shù)自2002年起由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟研究開發(fā)，采用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)作為其物理層和媒體接入子層標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)層及上層標(biāo)準(zhǔn)，即ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)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(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)使它與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。本文以ZigBee技術(shù)為背景，研究基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br /> ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可同時(shí)存在兩種不同類型的設(shè)備，一種是具有完整功能的設(shè)備(FFD)，一種是簡(jiǎn)化功能的設(shè)備(RFD)。在網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)FD通常有3種工作狀態(tài)：作為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器(PAN)；作為路由器；作為一個(gè)終端設(shè)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(duì)于RFD，它只能和一個(gè)FFD進(jìn)行通信，故只能作為終端設(shè)備。
ZigBee協(xié)調(diào)器，即ZigBee的個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符和網(wǎng)絡(luò)工作的物理信道，并統(tǒng)籌短地址的分配。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備，并且一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器是一個(gè)全功能設(shè)備，類似于定義的協(xié)調(diào)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(nèi)，它能允許其他節(jié)點(diǎn)加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，分配及收回短地址，路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。ZigBee終端設(shè)備，既可以是全功能設(shè)備，也可以是簡(jiǎn)化功能設(shè)備，它只能與其父節(jié)點(diǎn)通信，從其父節(jié)點(diǎn)處獲得網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須是一個(gè)FFD設(shè)備，從設(shè)備既可以是FFD也可以RFD；對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在協(xié)調(diào)器，該網(wǎng)絡(luò)不同于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任何設(shè)備只要在其通信范圍之內(nèi)，就可以和其他設(shè)備進(jìn)行通信。

2 ZigBee協(xié)議棧
根據(jù)ZigBee聯(lián)盟公布的ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)芯片生產(chǎn)廠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公司開發(fā)了源代碼開放的ZigBee協(xié)議棧。本文介紹Microchip公司基于ZigBee 2006標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議棧。