基于ZigBee的WPAN網(wǎng)絡配置應用

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡技術。它采用直接序列擴頻（DSSS）技術，工作頻率為868MHz、915MHz或2.4GHz，都是無須申請執(zhí)照的頻率。基于ZigBee技術配置無線個域網(wǎng)絡是近年來近距離無線通信技術的一種新發(fā)展，在工業(yè)自動化領域以及智能家居領域獲得了越來越廣泛的應用。

ZigBee網(wǎng)絡配置
1 網(wǎng)絡設備組成

ZigBee網(wǎng)絡設備主要包括網(wǎng)絡協(xié)調器、全功能設備和精簡功能設備3類。

① 網(wǎng)絡協(xié)調器
包含所有的網(wǎng)絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。功能是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立一個網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。

② 全功能設備
全功能設備（Full-Function Device，F(xiàn)FD）可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調者，形成網(wǎng)絡，讓其他的FFD或精簡功能裝置（RFD）聯(lián)結。FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。其設備特性如下。

● 附帶由標準指定的全部IEEE 802.15.4功能和所有特征；
● 更強的存儲能力和計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡路由器作用；
● 也能用作終端設備。

③ 精簡功能設備
精簡功能設備（Reduced-Function Device，RFD）只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，其設備特性如下。

● 附帶有限的功能來控制成本和復雜性；
● 在網(wǎng)絡中通常用作終端設備；
● RFD由于省掉了內存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。

2 網(wǎng)絡節(jié)點類型
從網(wǎng)絡配置上，ZigBee網(wǎng)絡中有3種類型的節(jié)點：ZigBee協(xié)調點、ZigBee路由節(jié)點和ZigBee終端節(jié)點。

① ZigBee協(xié)調點
ZigBee協(xié)調點在IEEE 802.15.4中也稱為PAN（Personal Area Network）協(xié)調點（ZigBee Coordinator，ZC），在無線傳感器網(wǎng)絡中可以作為匯聚節(jié)點。ZigBee協(xié)調點必須是FFD，一個ZigBee網(wǎng)絡只有一個ZigBee協(xié)調點，它往往比網(wǎng)絡中其他節(jié)點的功能更強大，是整個網(wǎng)絡的主控節(jié)點。它負責發(fā)起建立新的網(wǎng)絡、設定網(wǎng)絡參數(shù)、管理網(wǎng)絡中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡中節(jié)點信息等，網(wǎng)絡形成后也可以執(zhí)行路由器的功能。ZigBee協(xié)調點是3種類型ZigBee節(jié)點最為復雜的一種，一般由交流電源持續(xù)供電。

② ZigBee路由節(jié)點
ZigBee路由節(jié)點（ZigBee Router，ZR）也必須是FFD。ZigBee路由節(jié)點可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉發(fā)，通過連接別的節(jié)點來擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍等。此外，ZigBee路由節(jié)點還可以在它的個人操作空間（POS，Personal Operating Space）中充當普通協(xié)調點（IEEE 802.15.4稱為協(xié)調點）。普通協(xié)調點與ZigBee協(xié)調點不同，它仍然受ZigBee協(xié)調點的控制。

③ ZigBee終端節(jié)點
ZigBee終端節(jié)點（ZigBee EndDevice，ZE）可以是FFD或者RFD，它通過ZigBee協(xié)凋點或者ZigBee路由節(jié)點連接到網(wǎng)絡，但不允許其他任何節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡，ZigBee終端節(jié)點能夠以非常低的功率運行。

3 網(wǎng)絡工作模式
ZigBee網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標（Beacon）和非信標（Non-beacon）2種模式，信標模式實現(xiàn)了網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標模式則只允許ZE進行周期性休眠，ZC和所有ZR設備必須長期處于工作狀態(tài)。

信標模式下，ZC負責以一定的間隔時間（一般在15ms～4min）向網(wǎng)絡廣播信標幀，2個信標幀發(fā)送之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)2個部分，消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各時槽內發(fā)送。

非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，ZE主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)ZE的周期性（周期可設置）休眠。網(wǎng)絡中所有父節(jié)點需為自己的ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中，其從休眠模式轉入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。

網(wǎng)絡拓撲結構
IEEE 802.15.4網(wǎng)絡根據(jù)應用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡，也可以組織成點對點網(wǎng)絡。在星型結構中，所有設備都與中心設備PAN網(wǎng)絡協(xié)調器通信。在這種網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡協(xié)調器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設備采用電池供電。星型網(wǎng)絡適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小范圍的室內應用。與星型網(wǎng)不同，點對點網(wǎng)絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內，任何2個設備都可以直接通信。點對點網(wǎng)絡中也需要網(wǎng)絡協(xié)調器，負責實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認證設備身份等功能。點對點網(wǎng)絡模式可以支持Ad Hoc網(wǎng)絡，允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)。不過一般認為自組織問題由網(wǎng)絡層來解決，不在IEEE 802.15.4標準討論范圍之內。點對點網(wǎng)絡可以構造更復雜的網(wǎng)絡結構，適合于設備分布范圍廣的應用，例如，在工業(yè)檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農業(yè)等方面有非常好的應用背景。

由于樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有在多個網(wǎng)絡之間路由數(shù)據(jù)包的功能，因而被稱為多跳網(wǎng)絡，而星形網(wǎng)絡則被稱為單跳網(wǎng)絡。和任何網(wǎng)絡一樣，ZigBee網(wǎng)絡也是多點接入網(wǎng)絡，這意味著網(wǎng)絡中的所有節(jié)點對通信介質的訪問是同等的。其有2種類型的多點接入機制，在沒有使能信標的網(wǎng)絡中，只要信道是空閑的，在任何時候都允許所有節(jié)點發(fā)送。在使能了信標的網(wǎng)絡中，僅允許節(jié)點在預定義的時隙內進行發(fā)送。協(xié)調器會定期以一個標識為信標幀的超級幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡中的所有節(jié)點與此幀同步。在這個超級幀中為每個節(jié)點分配了一個特定的時隙，在該時隙內允許節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級幀可能還含有一個公共時隙，在此時，隙內所有節(jié)點競爭接入信道。

雖然網(wǎng)絡拓撲結構的形成過程屬于網(wǎng)絡層的功能，但IEEE 802.15.4為形成各種網(wǎng)絡拓撲結構提供了充分支持。在規(guī)劃設計時，通常需要考慮網(wǎng)絡容量和時延。ZigBee標準的網(wǎng)絡容量雖然可以支持到最多65535個網(wǎng)絡節(jié)點，但每2個相鄰節(jié)點完成一次通信需要15ms時間，所以在實際應用中需要考慮網(wǎng)絡覆蓋范圍和響應時間。單點容量大了，覆蓋范圍擴充不大；響應時間大了，應用業(yè)務實現(xiàn)不了。這就需要根據(jù)應用環(huán)境的不同，設計有效的網(wǎng)絡拓撲組合來滿足各種不同應用。

1 星型網(wǎng)絡
星形網(wǎng)絡是一個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡命令都通過中心節(jié)點傳輸。在這種路由拓撲中，外圍節(jié)點需要直接與中心節(jié)點無線連接，某個節(jié)點的沖突或者故障將會降低系統(tǒng)的可靠性。星形網(wǎng)絡拓撲結構最大的優(yōu)點是結構簡單，因為很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行，設備成本低、較少的上層路由管理；中心節(jié)點承擔絕大多數(shù)管理工作，如發(fā)放證書和遠距離網(wǎng)關管理等。缺點是：靈活性差，因為需要把每個終端節(jié)點放在中心節(jié)點的通信范圍內，必然會限制無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍；而且，集中的信息涌向中心節(jié)點，容易造成網(wǎng)絡阻塞、丟包、性能下降等情況。

星型網(wǎng)絡以網(wǎng)絡協(xié)調器為中心，所有設備只能與網(wǎng)絡協(xié)調器進行通信，因此在星型網(wǎng)絡的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡協(xié)調器。任何一個FFD設備都有成為網(wǎng)絡協(xié)調器的可能，一個網(wǎng)絡如何確定自己的網(wǎng)絡協(xié)調器由上層協(xié)議決定。一種簡單的應用策略是：一個FFD設備在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡協(xié)調器的請求，如果接收到回應說明網(wǎng)絡中已經(jīng)存在網(wǎng)絡協(xié)調器，再通過一系列認證過程，設備就成為了這個網(wǎng)絡中的普通設備。如果沒有收到回應，或者認證過程不成功，這個FFD設備就可以建立自己的網(wǎng)絡，并且成為這個網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)調器。當然，這里還存在一些更深入的問題，一個是網(wǎng)絡協(xié)調器過期問題，如原有的網(wǎng)絡協(xié)調器損壞或者能量耗盡；另一個是偶然因素造成多個網(wǎng)絡協(xié)調器競爭問題，如移動物體阻擋導致一個FFD自己建立網(wǎng)絡，當移動物體離開的時候，網(wǎng)絡中將出現(xiàn)多個協(xié)調器。

網(wǎng)絡協(xié)調器要為網(wǎng)絡選擇一個唯一的標識符，所有該星型網(wǎng)絡中的設備都是用這個標識符來規(guī)定自己的屬主關系。不同星型網(wǎng)絡之間的設備通過設置專門的網(wǎng)關完成相互通信。選擇一個標識符后，網(wǎng)絡協(xié)調器就允許其他設備加入自己的網(wǎng)絡，并為這些設備轉發(fā)數(shù)據(jù)分組。星型網(wǎng)絡中的2個設備如果需要互相通信，都是先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡協(xié)調器，然后由網(wǎng)絡協(xié)調器轉發(fā)給對方。

2 樹狀網(wǎng)絡
樹狀網(wǎng)絡是點對點網(wǎng)絡的一個例子，也是ZigBee典型的網(wǎng)絡拓撲結構。在一般的點對點網(wǎng)絡中，任意2個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發(fā)。但點對點網(wǎng)絡中仍然需要一個網(wǎng)絡協(xié)調器，不過該協(xié)調器的功能不再是為其他設備轉發(fā)數(shù)據(jù)，而是完成設備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡管理功能。網(wǎng)絡協(xié)調器的產生同樣由上層協(xié)議規(guī)定，例如，把某個信道上第一個開始通信的設備作為該信道上的網(wǎng)絡協(xié)議器。

在ZigBee的樹狀網(wǎng)絡中，絕大多數(shù)設備是FFD設備，而RFD設備總是作為樹狀的葉設備連接到網(wǎng)絡中。任意一個FFD都可以充當RFD協(xié)調器或者網(wǎng)絡協(xié)調器，為其他設備提供同步信息。在這些協(xié)調器中，只有一個可以充當整個點對點網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)調器。網(wǎng)絡協(xié)調器可能和網(wǎng)絡中其他設備一樣，也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。網(wǎng)絡協(xié)調器首先將自己設為簇頭（Cluster Header，CLH），并將簇標識符（Cluster Identifier，CID）設置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網(wǎng)絡標識符，形成網(wǎng)絡中的第一個簇。接著，網(wǎng)絡協(xié)調器開始廣播信標幀；鄰近設備收到信標幀后，就可以申請加入該簇；設備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡協(xié)調器決定。如果請求被允許，則該設備將作為簇的子設備加入網(wǎng)絡協(xié)調器的鄰居列表。新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中。

上面描述的只是一個由單簇構成的最簡單的樹狀，個域網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)調器可以指定另一個設備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設備成為簇頭，進一步擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。但是過多的簇頭會增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠的通信設備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數(shù)，達到減少延遲和開銷的目的。

3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡
MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能。

網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡結構，其路由可自動建立和維護。通過圖1可以得知，一個ZigBee網(wǎng)絡只有一個網(wǎng)絡協(xié)調器，但可以有若干個路由器。協(xié)調器負責整個網(wǎng)絡的建網(wǎng)，同時它也可作為與其他類型網(wǎng)絡的通信節(jié)點（網(wǎng)關）。構成協(xié)調器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構成終端設備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD）。

圖1  ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡結構圖
    
節(jié)點功能及配置文件
1 節(jié)點功能
典型的ZigBee節(jié)點可支持多種特性和功能。例如，I/O節(jié)點可能有多種數(shù)字和模擬輸入/輸出。一些數(shù)字輸入可能被一個遠程控制器節(jié)點用到，而其他數(shù)字輸入可能被另一個遠程控制器節(jié)點使用。這種分配將創(chuàng)建一個真正的分布式控制網(wǎng)絡。為了便于在I/O節(jié)點和2個控制器節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點中的應用程序必須保存多個數(shù)據(jù)鏈路。為了減少成本，ZigBee節(jié)點僅使用一個無線信道來和多個端點/接口來創(chuàng)建多條虛擬鏈路或信道。

一個ZigBee節(jié)點支持32個端點（編號為0～31）和8個接口（編號為0～7）。端點0被保留用于設備配置，而端點31被保留僅用于廣播，剩下的總共30個端點用于應用。每個端點總共有8個接口。因此，實際上，應用在一個物理信道中最多可能有240條虛擬信道。

一個典型的ZigBee節(jié)點也將有很多屬性。例如，I/O節(jié)點包含稱為數(shù)字輸入1、數(shù)字輸入2、模擬輸入1等的屬性。每個屬性都有自己的值。例如，數(shù)字輸入1屬性可能有值1或0。屬性的集合被稱為群集。在整個網(wǎng)絡中，每個群集都被分配了一個唯一的群集ID，每個群集最多有65535個屬性。

2 配置文件
ZigBee協(xié)議還定義了一個稱為配置文件的術語。配置文件就是指對分布式應用的描述。它根據(jù)應用必須處理的數(shù)據(jù)包和必須執(zhí)行的操作來描述分布式應用。使用描述符對配置文件進行描述，描述符僅僅是各種值的復雜結構。此配置文件使ZigBee設備可以互操作。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)定義了很多標準的配置文件，例如，遠程控制開關配置文件和光傳感器配置文件等。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。每個配置文件可以定義最多256個群集，每個群集最多可以有65535個屬性。此靈活性允許節(jié)點有大量的屬性（或I/O點）。

結語
隨著其應用環(huán)境的不斷拓展和延伸，對于ZigBee無線個域網(wǎng)絡的配置機制還需要不斷完善，以適應不同應用環(huán)境的工作需要。研究ZigBee無線個域網(wǎng)絡的配置機制對于個域網(wǎng)絡技術的推廣應用具有重要的實踐意義。