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

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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，首先對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)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(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證Zigbee網(wǎng)絡(luò)的自主搜索、自主組網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)，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(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。相?duì)于有線和遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)牟环奖愫桶嘿F資費(fèi)，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(dòng)科技發(fā)展。于是出現(xiàn)了無線個(gè)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(gè)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(gè)設(shè)備接人局域網(wǎng)(LAN)或Internet。短距離、無線通訊技術(shù)一時(shí)風(fēng)起云涌，成為信息通訊技術(shù)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。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(shí)，各種無線鏈接方式的優(yōu)缺點(diǎn)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(dòng)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(fèi)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(gè)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(dòng)感應(yīng)、識(shí)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(dòng)化和家庭智能化對(duì)無線數(shù)據(jù)通信的需求也越來越強(qiáng)烈。低速率、低功耗、可嵌入、網(wǎng)絡(luò)自愈力強(qiáng)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(huì)通過一種特殊的飛行動(dòng)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(dá)信息的方式。人們用Zigbee來命名這種無線通訊方式，也是因?yàn)閆igbee也有蜜蜂8字舞一樣近距離、低復(fù)雜度、自組織的特點(diǎn)。

Zigbee采用了OSI模型體系結(jié)構(gòu)，由稱之為層的各個(gè)模塊(實(shí)體)組成，不同的模塊(實(shí)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(gè)服務(wù)模塊通過相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)SAP(Service Access Point，SAP)為其上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)SAP通過服務(wù)原語來完成所對(duì)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(shí)也可以說是TCP/IP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗徊捎昧讼旅鎯蓪樱锢韺?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(gè)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(xiàn)說Zigbee采用IEEE802.15.4協(xié)議的原因。

①物理層

物理層是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著和外界進(jìn)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(hào)，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(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)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。

①網(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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入或離開，路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。

Zigbee的自動(dòng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入或者退出時(shí)，Zigbee可以自動(dòng)重新計(jì)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(dòng)搜索和感知臨近的網(wǎng)絡(luò)，形成交互網(wǎng)絡(luò)。臺(tái)燈與無線開關(guān)之間形成網(wǎng)路。

b)需要信息傳遞時(shí)，自動(dòng)搜尋最合適的網(wǎng)絡(luò)。臺(tái)頂與開關(guān)交互式，自動(dòng)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(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，Zigbee自動(dòng)重新鏈接網(wǎng)絡(luò)，重新定義線路。當(dāng)圖中3個(gè)藍(lán)色節(jié)點(diǎn)關(guān)閉后，臺(tái)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(dú)立開發(fā)出來進(jìn)行信息安全驗(yàn)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(shí)現(xiàn)信息交換的密鑰管理、密鑰存取等功能。

③應(yīng)用程序接口

應(yīng)用程序接口(Application Interface，API)負(fù)責(zé)向用戶提供簡單的應(yīng)用軟件接口，包括應(yīng)用子層支持(Application Sub-layger Suppo rt，APS)和Zigbee設(shè)備對(duì)象(Zigbee Device Object，ZDO)等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理。

應(yīng)用于層支持(Application Sub-layger Support，APS)提供網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的鏈接界面，維持兩個(gè)層面之間的鏈接表，并在鏈接之間傳遞信息，并維持建立著一個(gè)ASP資訊庫。

Zigbee設(shè)備對(duì)象(Zigbee Device Object，ZDO)的功能包括起始應(yīng)用支持層次，網(wǎng)絡(luò)層以及安全服務(wù)等，并負(fù)責(zé)建立上層應(yīng)用所需要的各種資訊，發(fā)出或回應(yīng)上次應(yīng)用的鏈接要求，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的裝置與應(yīng)用服務(wù)、以及為網(wǎng)絡(luò)裝置之間建立安全關(guān)系等。

2 Zigbee的組網(wǎng)研究

Zigbee的組網(wǎng)一般來說就是指以Zigbee為主要無線傳播技術(shù)的無線局域網(wǎng)絡(luò)搭建。在無線局域網(wǎng)絡(luò)的搭建過程中，一般需要無線信息的接收和發(fā)射裝置，信息的調(diào)制解調(diào)裝置等。

針對(duì)Zigbee的網(wǎng)絡(luò)組建，Zigbee定義了2種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：全功能設(shè)FFD(Full Functional Device，F(xiàn)FD)和精簡功能設(shè)備RFD(Reduced Funct ion Device，RFD)。其中全功能設(shè)備FFD具有框架結(jié)構(gòu)中MAC層的全部的網(wǎng)絡(luò)功能，即可以用作信息的發(fā)射和接受裝置，也可以用作信息的調(diào)制解調(diào)裝置;而精簡功能設(shè)備RFD只提供了MAC的部分功能，即只能進(jìn)行信息的發(fā)射和接受，不能進(jìn)行信息調(diào)制解調(diào)。與功能相對(duì)應(yīng)的，全功能設(shè)備FFD在網(wǎng)絡(luò)鏈接中可以處于任何位置。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的鏈接方式，Zigbee定義了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由全功能設(shè)備FFD和精簡功能設(shè)備RFD的設(shè)備功能不難發(fā)現(xiàn)，鏈接兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)的只能使用全功能設(shè)備FFD。所以大部分Zigbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示如圖5所示。

其中：鏈接兩個(gè)或兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)必須為網(wǎng)絡(luò)鏈接設(shè)備，可以是網(wǎng)絡(luò)交換姐、網(wǎng)橋、集線器等，主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索和鏈接功能，在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中可以使用全功能設(shè)備FFD，支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，也可以作為普通節(jié)點(diǎn)，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信。只鏈接一個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，只能使用精簡功能設(shè)備RFD，只支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為網(wǎng)絡(luò)終端使用?？梢院椭行墓?jié)點(diǎn)和其他幾點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息收發(fā)功能。

3 結(jié)論

基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的低功耗、低成本、低報(bào)文吞吐率，高的網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)的特點(diǎn)。另外，Zigbee耗電量少，不需要頻繁更換電池，非常適合應(yīng)用與沒有電源支持的系統(tǒng)和便攜式系統(tǒng)中，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中必將獲得的廣泛的應(yīng)用。

1)智能家居系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化。主要包括家庭無人值守系統(tǒng)，自動(dòng)感應(yīng)家庭安全，放火防盜，家庭自動(dòng)照明、感應(yīng)系統(tǒng)等。

2)保健護(hù)理系統(tǒng)。在病人的服裝里潛入Zigbee系統(tǒng)模塊，自動(dòng)檢測采集病人的血壓、心跳、體溫等。做到的病人的醫(yī)療情況可以進(jìn)行24監(jiān)控，確保醫(yī)生隨時(shí)掌握病人情況。

3)工業(yè)檢測系統(tǒng)。利用Zigbee和傳感系統(tǒng)可自動(dòng)收集、分析工業(yè)數(shù)據(jù)，檢測危險(xiǎn)信號(hào)，做事故的早期預(yù)報(bào)、高速運(yùn)行系統(tǒng)的檢測與維修。

4)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)管理系統(tǒng)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，自動(dòng)管理成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要組成。利用Zigbee的大容量信息檢測功能，自動(dòng)采集土壤濕度、空氣質(zhì)量、溫度、氣壓等信息，經(jīng)無線傳輸至中央處理，根據(jù)預(yù)設(shè)信息，提早發(fā)現(xiàn)問題，或者對(duì)信息進(jìn)行處理，自動(dòng)啟動(dòng)升溫、降水、光照系統(tǒng)等。