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

　　引言

　　有人將ZigBee翻譯成「紫蜂」，為無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Networks, WPAN)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)外，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制定了應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層，及MAC、應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層的安全加密服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無(wú)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，使用戶(hù)能擁有較長(zhǎng)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(yīng)用簡(jiǎn)單的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，而Zigbee的出現(xiàn)正好解決了這一問(wèn)題。Zigbee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得Zigbee和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)已得到越來(lái)越多的關(guān)注。

　　１　Zigbee協(xié)議術(shù)語(yǔ)

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

　　屬性（attribute）：設(shè)備之間通信的每一種數(shù)據(jù)像開(kāi)關(guān)的狀態(tài)或溫度計(jì)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?shù)耐ǔＪ菍傩孕畔?，但所謂的邏輯組件的接口指的卻是簇一級(jí)的操作，而非屬性一級(jí)．

　　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(shè)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(shè)備的某種特性．以家庭智能控制系統(tǒng)為例，燈配置文件設(shè)定了遠(yuǎn)程控制設(shè)備的簇OnOffDRC含有一種屬性ＯnOff，且該屬性為無(wú)符號(hào)８位值，值０ＸＦＦ意味著＂開(kāi)＂，０Ｘ００為關(guān)，０ＸＦ０則為無(wú)效。通常，配置文件也為設(shè)備定義了，哪些簇是強(qiáng)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(shù)．改寫(xiě)自己的程序代碼．因此，配置文件使得ZigBee 設(shè)備可以互操作。任何遵循某一標(biāo)準(zhǔn)配置文件的節(jié)點(diǎn)都可以與其他實(shí)現(xiàn)相同配置文件的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互操作。也就是說(shuō)，在使用同一標(biāo)準(zhǔn)配置文件進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，即使生產(chǎn)開(kāi)關(guān)的廠家與生產(chǎn)控制器的廠家不同，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品仍可實(shí)現(xiàn)協(xié)同操作．

　　以家庭智能系統(tǒng)中的燈光控制為例，燈配置文件定義了６個(gè)設(shè)備，協(xié)議棧通過(guò)帶有以下信息的報(bào)頭文件對(duì)此配置提供支持：配置（profile）ID,設(shè)備ＩＤ及版本，簇ＩＤ，屬性ＩＤ，屬性數(shù)據(jù)類(lèi)型．

　　下圖（1）顯示了不同術(shù)語(yǔ)之間的關(guān)系，對(duì)于家庭智能控制系統(tǒng)的燈光配置，圖中給出了兩種設(shè)備．每種設(shè)備各有一個(gè)終端．負(fù)荷切換控制器的終端中僅有一個(gè)輸入簇，而遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)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．?dāng)?shù)據(jù)的傳輸基于簇而進(jìn)行．

圖（1）

　　2 Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　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(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)。圖中的APSDE-SAP，NLDE-SAP即為數(shù)據(jù)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(jié)組成，它主要包括以下幾個(gè)部分：

　?。停粒脠?bào)頭：該報(bào)頭包含當(dāng)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(bào)頭對(duì)于應(yīng)用代碼是透明的．

　　ＮＷＫ報(bào)頭：該報(bào)頭包含了消息的實(shí)際源地址及最終的目的地址，該報(bào)頭的產(chǎn)生及使用對(duì)于應(yīng)用代碼是透明的．

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

　　有效載荷：該域包含了待應(yīng)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(duì)及MSG消息幀．

　　KVP：是ZigBee 規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，通過(guò)一種規(guī)定來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容，主要用于傳輸較簡(jiǎn)單的變量值格式。

　　MSG：是ZigBee 規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，其在數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容上并不作更多規(guī)定，主要用于專(zhuān)用的數(shù)據(jù)流或文件數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量較大的傳輸機(jī)制。

　　KVP幀是專(zhuān)用的比較規(guī)范的信息格式，采用鍵值對(duì)的形式，按一種規(guī)定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(guī)定，通常用于多信息，復(fù)雜信息的傳輸。KVP、MSG是通訊中的兩種數(shù)據(jù)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(nèi)容就是特定的數(shù)據(jù)格式KVP或MSG。根據(jù)具體應(yīng)用的配置文件（Profile），KVP一般用于簡(jiǎn)單屬性數(shù)據(jù)，MSG用于較復(fù)雜的，數(shù)據(jù)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(jié)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(shè)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位廠家分配地址組成，ＯＵＩ可通過(guò)購(gòu)買(mǎi)由ＩＥＥＥ分配得到，由于所有的ＯＵＩ皆由ＩＥＥＥ指定，因此６４位ＩＥＥＥ　ＭＡＣ地址具有全球唯一性．

　　當(dāng)設(shè)備執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)操作時(shí)，他們會(huì)使用自己的擴(kuò)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(shè)備分配一個(gè)１６位的網(wǎng)絡(luò)地址。由此，設(shè)備便可使用該地址與網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備進(jìn)行通信．

　　4．2 尋址方式

　　單播：當(dāng)單播一個(gè)消息時(shí)，數(shù)據(jù)包的MAC報(bào)頭中應(yīng)含有目的節(jié)點(diǎn)的地址，只有知道了接收設(shè)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(yīng)將信息包MAC報(bào)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(zhí)行ZigBee協(xié)議的其它查找功能。ZigBee協(xié)議對(duì)廣播信息包實(shí)現(xiàn)一種被動(dòng)應(yīng)答模式。即當(dāng)一個(gè)設(shè)備產(chǎn)生或轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)廣播信息包時(shí)，它將偵聽(tīng)所有鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)情況。如果所有的鄰居都沒(méi)有在應(yīng)答時(shí)限內(nèi)復(fù)制數(shù)據(jù)包，設(shè)備將重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)信息包，直到它偵聽(tīng)到該信息包已被所有鄰居轉(zhuǎn)發(fā)，或廣播傳輸時(shí)間被耗盡為止。

　　5 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

　　對(duì)于非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)一個(gè)設(shè)備想要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，它會(huì)等待信道空閑，直到檢測(cè)到信道為空后設(shè)備會(huì)傳輸該幀。

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

　　6 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的形成

　　首先，由Zigbee協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。一開(kāi)始，Zigbee協(xié)調(diào)器會(huì)在允許的通道內(nèi)搜索其它的Zigbee協(xié)調(diào)器。并基于每個(gè)允許通道中所檢測(cè)到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號(hào)，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(shè)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN ID沖突的現(xiàn)象。協(xié)調(diào)器可以初始化PAN ID沖突解決程序，改變一個(gè)協(xié)調(diào)器的PAN ID 與信道，同時(shí)相應(yīng)修改其所有的孩子設(shè)備。通常，Zigbee設(shè)備會(huì)將網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)在一個(gè)非易失性的存儲(chǔ)空間-鄰居表中。加電后，若孩子設(shè)備曾加入過(guò)網(wǎng)絡(luò)，則該設(shè)備會(huì)執(zhí)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(shè)備檢查它的鄰居表，并確定設(shè)備是否是它的孩子，若是，設(shè)備會(huì)通知孩子設(shè)備它在網(wǎng)絡(luò)中的位置，否則孩子設(shè)備將作為一個(gè)新設(shè)備來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)。而后，孩子設(shè)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(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)中。

　　通常，設(shè)備檢測(cè)通道能量所花費(fèi)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(xù)參數(shù)來(lái)確定，一般設(shè)備要花費(fèi)1分鐘的時(shí)間來(lái)執(zhí)行一個(gè)掃描請(qǐng)求，對(duì)于Zigbee路由器與終端設(shè)備來(lái)說(shuō)，只需要執(zhí)行一次掃描即可確定加入的網(wǎng)絡(luò)。而協(xié)調(diào)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)。