ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的研究與實驗

　　引言

　　有人將ZigBee翻譯成「紫蜂」，為無線個人局域網(wǎng)絡(Wireless Personal Area Networks, WPAN)的標準之一，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標準外，ZigBee標準協(xié)議制定了應用層與網(wǎng)絡層，及MAC、應用層與網(wǎng)絡層的安全加密服務標準。

　　以傳感器和自組織網(wǎng)絡為代表的無線應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長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、應用簡單的專用標準，而Zigbee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。Zigbee有著高通信效率、低復雜度、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。這些優(yōu)點使得Zigbee和無線傳感器網(wǎng)絡完美地結合在一起。目前，基于Zigbee技術的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)已得到越來越多的關注。

　　１　Zigbee協(xié)議術語

　　配置文件(profile)：Zigbee協(xié)議的配置文件是對邏輯組件及其相關接口的描述，是面向某個應用類別的公約、準則．通常沒有程序代碼與配置文件相關聯(lián)．

　　屬性（attribute）：設備之間通信的每一種數(shù)據(jù)像開關的狀態(tài)或溫度計值等皆可稱為屬性．每個屬性可得到唯一的ID值．

　　簇（cluster）：多個屬性的匯集形成了簇，每個簇也擁有一個唯一的ID。雖然個體之間傳輸?shù)耐ǔＪ菍傩?a target="_blank">信息，但所謂的邏輯組件的接口指的卻是簇一級的操作，而非屬性一級．

　　終端（endpoint）：每個支持一個或多個簇的代碼功能塊稱為終端。不同的設備通過它們的終端及所支持的簇來進行通信。

　　配置文件定義了屬性ID與簇ID，使之看起來就像設備的某種特性．以家庭智能控制系統(tǒng)為例，燈配置文件設定了遠程控制設備的簇OnOffDRC含有一種屬性ＯnOff，且該屬性為無符號８位值，值０ＸＦＦ意味著＂開＂，０Ｘ００為關，０ＸＦ０則為無效。通常，配置文件也為設備定義了，哪些簇是強制托管的，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．

　　基于簇及配置所定義的服務，用戶可使用配置文件中定義的屬性編寫所需的函數(shù)．改寫自己的程序代碼．因此，配置文件使得ZigBee 設備可以互操作。任何遵循某一標準配置文件的節(jié)點都可以與其他實現(xiàn)相同配置文件的節(jié)點進行互操作。也就是說，在使用同一標準配置文件進行設計的基礎上，即使生產開關的廠家與生產控制器的廠家不同，他們生產的產品仍可實現(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個設備，協(xié)議棧通過帶有以下信息的報頭文件對此配置提供支持：配置（profile）ID,設備ＩＤ及版本，簇ＩＤ，屬性ＩＤ，屬性數(shù)據(jù)類型．

　　下圖（1）顯示了不同術語之間的關系，對于家庭智能控制系統(tǒng)的燈光配置，圖中給出了兩種設備．每種設備各有一個終端．負荷切換控制器的終端中僅有一個輸入簇，而遠程轉換控制終端則有兩個簇，且分別為一個輸入一個輸出．數(shù)據(jù)的傳輸基于簇而進行．

圖（1）

　　2? Zigbee協(xié)議棧結構

　　如圖(2)所示，ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC通過服務接入點(SAP)進行通信。SAP是某一特定層提供的服務與上層之間的接口。 ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個接口：數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務。圖中的APSDE-SAP，NLDE-SAP即為數(shù)據(jù)實體接口，而APSME-SAP，NLME-SAP即為管理實體接口。

圖（2）

　　3　Zigbee協(xié)議的消息格式及幀格式

　　3．1 消息格式

　　一個Zigbee消息由127個字節(jié)組成，它主要包括以下幾個部分：

　　ＭＡＣ報頭：該報頭包含當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際地址，產生及使用該報頭對于應用代碼是透明的．

　　ＮＷＫ報頭：該報頭包含了消息的實際源地址及最終的目的地址，該報頭的產生及使用對于應用代碼是透明的．

　　ＡＰＳ報頭：該報頭包含了配置ID，簇ID及當前消息的目的終端．同樣，報頭的產生及使用是透明的．

　　有效載荷：該域包含了待應用層處理的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關鍵值對及MSG消息幀．

　　KVP：是ZigBee 規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機制，通過一種規(guī)定來標準化數(shù)據(jù)傳輸格式和內容，主要用于傳輸較簡單的變量值格式。

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

　　KVP幀是專用的比較規(guī)范的信息格式，采用鍵值對的形式，按一種規(guī)定的格式進行數(shù)據(jù)傳輸．通常用于傳輸一個簡單的屬性變量值；而MSG幀還沒有一個具體格式上的規(guī)定，通常用于多信息，復雜信息的傳輸。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，里面的信件內容就是特定的數(shù)據(jù)格式KVP或MSG。根據(jù)具體應用的配置文件（Profile），KVP一般用于簡單屬性數(shù)據(jù)，MSG用于較復雜的，數(shù)據(jù)量較大信息。

　　4　尋址

　　4．1 Zigbee協(xié)議中的兩類地址

　　Zigbee網(wǎng)絡協(xié)議的每一個節(jié)點皆有兩個地址：６４位的ＩＥＥＥ　ＭＡＣ地址及１６位網(wǎng)絡地址．

　　每一個使用Zigbee協(xié)議通信的設備都有一個全球唯一的６４位ＭＡＣ地址，該地址由２４位ＯＵＩ與４０位廠家分配地址組成，ＯＵＩ可通過購買由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．

　　當設備執(zhí)行加入網(wǎng)絡操作時，他們會使用自己的擴展地址進行通信。成功加入Zigbee網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡會為設備分配一個１６位的網(wǎng)絡地址。由此，設備便可使用該地址與網(wǎng)絡中的其它設備進行通信．

　　4．2 尋址方式

　　單播：當單播一個消息時，數(shù)據(jù)包的MAC報頭中應含有目的節(jié)點的地址，只有知道了接收設備的地址，消息方可以單播方式進行發(fā)送。

　　廣播：要想通過廣播來發(fā)送消息，應將信息包MAC報頭中的目的地址域置為0XFF。此時，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網(wǎng)絡、查找路由及執(zhí)行ZigBee協(xié)議的其它查找功能。ZigBee協(xié)議對廣播信息包實現(xiàn)一種被動應答模式。即當一個設備產生或轉發(fā)一個廣播信息包時，它將偵聽所有鄰居的轉發(fā)情況。如果所有的鄰居都沒有在應答時限內復制數(shù)據(jù)包，設備將重復轉發(fā)信息包，直到它偵聽到該信息包已被所有鄰居轉發(fā)，或廣播傳輸時間被耗盡為止。

　　5 數(shù)據(jù)傳輸機制

　　對于非信標網(wǎng)絡，當一個設備想要發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀時，它會等待信道空閑，直到檢測到信道為空后設備會傳輸該幀。

　　若目的設備為FFD全功能設備，它的接收器應始終保持開啟狀態(tài)，以便其它的設備可隨時向它傳輸數(shù)據(jù)。但是若設備為RFD精簡功能設備，無操作時設備將關閉收發(fā)器以節(jié)約能量。此時RFD設備無法接收到任何數(shù)據(jù)。因此，其它設備只能通過RFD的FFD雙親向RFD設備請求或發(fā)送數(shù)據(jù)。直到RFD上電RX 收發(fā)器后，它會向雙親請求自己的信息數(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)給孩子設備。該操作模式可降低RFD的功耗，但相應的雙親 FFD節(jié)點應擁有足夠的RAM空間，以便為孩子設備緩沖信息。若孩子設備沒有在規(guī)定的時間內請求信息，信息將被丟失。

　　6 Zigbee無線網(wǎng)絡的形成

　　首先，由Zigbee協(xié)調器建立一個新的Zigbee網(wǎng)絡。一開始，Zigbee協(xié)調器會在允許的通道內搜索其它的Zigbee協(xié)調器。并基于每個允許通道中所檢測到的通道能量及網(wǎng)絡號，選擇唯一的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡。一旦一個新網(wǎng)絡被建立，Zigbee路由器與終端設備就可以加入到網(wǎng)絡中了。

　　網(wǎng)絡形成后，可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡重疊及PAN ID沖突的現(xiàn)象。協(xié)調器可以初始化PAN ID沖突解決程序，改變一個協(xié)調器的PAN ID 與信道，同時相應修改其所有的孩子設備。通常，Zigbee設備會將網(wǎng)絡中其它節(jié)點信息存儲在一個非易失性的存儲空間-鄰居表中。加電后，若孩子設備曾加入過網(wǎng)絡，則該設備會執(zhí)行孤兒通知程序來鎖定先前加入的網(wǎng)絡。接收到孤兒通知的設備檢查它的鄰居表，并確定設備是否是它的孩子，若是，設備會通知孩子設備它在網(wǎng)絡中的位置，否則孩子設備將作為一個新設備來加入網(wǎng)絡。而后，孩子設備將產生一個潛在雙親表，并盡量以合適的深度加入到現(xiàn)存的網(wǎng)絡中。

　　通常，設備檢測通道能量所花費的時間與每個通道可利用的網(wǎng)絡可通過ScanDuration掃描持續(xù)參數(shù)來確定，一般設備要花費1分鐘的時間來執(zhí)行一個掃描請求，對于Zigbee路由器與終端設備來說，只需要執(zhí)行一次掃描即可確定加入的網(wǎng)絡。而協(xié)調器則需要掃描兩次，一次采樣通道能量，另一次則用于確定存在的網(wǎng)絡。