Zigbee框架體系結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)技術(shù)的研究

　　摘要：基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的分層網(wǎng)絡(luò)框架體系結(jié)構(gòu)和以IEEE802.15. 4為基礎(chǔ)的協(xié)議棧架構(gòu)，采用理論介紹和實驗驗證相結(jié)合的方法，首先對Zigbee網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)體系進行了介紹，接著通過無線控制開關(guān)與照明設(shè)備間的無線連接方式和路由選擇實驗，來驗證Zigbee網(wǎng)絡(luò)的自主搜索、自主組網(wǎng)的技術(shù)特點，最后得出Zigbee作為一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)形式，在無線物聯(lián)傳感方面有巨大的優(yōu)勢，必將在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中獲得更廣泛的應(yīng)用。

　　在過去的幾年里，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算機、網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧Ｏ鄬τ谟芯€和遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)牟环奖愫桶嘿F資費，人們提出在自身周邊幾米或者幾十米范圍之內(nèi)短距離通信的需求，需求推動科技發(fā)展。于是出現(xiàn)了無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Perso nal Area Network，WPAN)的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為短距離范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立無線連接，把幾米或者幾十米范圍內(nèi)的多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過無線的方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至可以通過某個設(shè)備接人局域網(wǎng)(LAN)或Internet。短距離、無線通訊技術(shù)一時風(fēng)起云涌，成為信息通訊技術(shù)研究和發(fā)展的熱點。各種新的無線通訊技術(shù)層出不窮，無線局域網(wǎng)絡(luò)日漸走入人們的生活。Wi—Fi、藍(lán)牙(Blue Tooth)、WLAN，Zig bee，紅外線等無線技術(shù)相繼出現(xiàn)，也逐漸為人們所熟知。無可否認(rèn)，各種無線技術(shù)在市場化的過程中展現(xiàn)了具大的應(yīng)用潛力，但于此同時，各種無線鏈接方式的優(yōu)缺點也都飽受詬病。就像Wi—Fi的穿透性、距離;藍(lán)牙的傳輸速度、紅外線的無障礙、直線要求。就現(xiàn)在移動公司大力推廣的、如日中天的WLAN來說，區(qū)域范圍小和基礎(chǔ)布置的高費用也一直困擾著管理者和使用者。各種無線網(wǎng)絡(luò)要求都在努力追尋適合自己的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

　　伴隨著物聯(lián)中國(IOT China)概念的提出，物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things)作為一個全新的概念出現(xiàn)在人們的視野中，物聯(lián)網(wǎng)所提倡的自動感應(yīng)、識別技術(shù)得到了人們的廣泛關(guān)注，無線通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)生產(chǎn)、軍事探測、智能家居、醫(yī)療保健、教育科研中有了更廣泛的應(yīng)用。工業(yè)自動化和家庭智能化對無線數(shù)據(jù)通信的需求也越來越強烈。低速率、低功耗、可嵌入、網(wǎng)絡(luò)自愈力強的無線要求使得在無線網(wǎng)絡(luò)傳播中一直默默無聞的Zigbee異軍突起，成為作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)。

　　1 Zigbee的框架體系結(jié)構(gòu)

　　Zigbee是由英文單詞“zig”和“bee”組成的，zig的意思為Z型的轉(zhuǎn)向，bee為蜜蜂，合起來表示蜜蜂的8字形舞蹈。眾所周知，蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花粉后會通過一種特殊的飛行動作語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的花粉的位置信息，這種肢體語言就是Zigbee舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。人們用Zigbee來命名這種無線通訊方式，也是因為Zigbee也有蜜蜂8字舞一樣近距離、低復(fù)雜度、自組織的特點。

　　Zigbee采用了OSI模型體系結(jié)構(gòu)，由稱之為層的各個模塊(實體)組成，不同的模塊(實體)負(fù)責(zé)不同的功能，每一層為其上一層提供數(shù)據(jù)整合和傳輸服務(wù)。每個服務(wù)模塊通過相應(yīng)的服務(wù)接入點SAP(Service Access Point，SAP)為其上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，每個服務(wù)接入點SAP通過服務(wù)原語來完成所對應(yīng)的功能。通常將Zigbee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)分為六層結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

　　1)IEEE802.15.4協(xié)議

　　Zigbee采用了OSI的分層結(jié)構(gòu)，其實也可以說是TCP/IP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，因為它只采用了下面兩層，物理層(Physical Layer，PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer，DLL)。又將數(shù)據(jù)鏈路層分成了兩個子層：媒體接入層(Media Access Control，MAC)和鏈路層(Logical Link Control，LLC)。這兩層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.15.4協(xié)議工作小組制定，這也是許多文獻說Zigbee采用IEEE802.15.4協(xié)議的原因。

　?、傥锢韺?/p>

　　物理層是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著和外界進行信息交換的任務(wù)，并控制RF收發(fā)器工作，還定義了物理層和MAC子層之間的接口。

　　②MAC子層

　　MAC子層負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)定位信號，所以MAC在日常中也被人們稱為的網(wǎng)卡地址。另外，MAC還支持個人局域網(wǎng)PAN(Personal Area Network，PAN)連接和退出，并為新加入的PAN提供MAC數(shù)據(jù)接入鏈接。LLC子層為網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)接口。

　　2)Zigbee Alliance標(biāo)準(zhǔn)

　　Zigbee Alliance在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)層進行了標(biāo)注化，并在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上開發(fā)了安全層。

　?、倬W(wǎng)絡(luò)層

　　網(wǎng)絡(luò)層是Zigbee協(xié)議棧的核心部分，Zigbee Alliance的大部分工作也都體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入或離開，路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。

　　Zigbee的自動組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)自愈功能也主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入或者退出時，Zigbee可以自動重新計算網(wǎng)絡(luò)，選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)傳輸線路。如圖：

　　a)Zigbee可以自動搜索和感知臨近的網(wǎng)絡(luò)，形成交互網(wǎng)絡(luò)。臺燈與無線開關(guān)之間形成網(wǎng)路。

　　b)需要信息傳遞時，自動搜尋最合適的網(wǎng)絡(luò)。臺頂與開關(guān)交互式，自動監(jiān)測，通過粗的紅色線路形成數(shù)據(jù)交互鏈路。

　　c)當(dāng)其中某個或多個節(jié)點關(guān)閉時，Zigbee自動重新鏈接網(wǎng)絡(luò)，重新定義線路。當(dāng)圖中3個藍(lán)色節(jié)點關(guān)閉后，臺燈與無線開關(guān)重新定義并鏈接。如圖4所示：

　　②安全層

　　安全層(Security Service Provider，SSP)是Zigbee獨立開發(fā)出來進行信息安全驗證的功能模塊，在OSI和TCP/IP模型中都沒有體現(xiàn)。它主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)信息交換的密鑰管理、密鑰存取等功能。