1、簡介ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。ZigBee是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee協(xié)議的PHY層和MAC層。PHY層規(guī)范確定了在2.4GHz（全球通用的ISM頻段）以250kb/s的基準(zhǔn)傳輸率工作的低功耗展頻無線電以及另有一些以更低數(shù)據(jù)傳輸率工作的915MHz（北美的ISM頻段）和868MHz（歐洲的ISM頻段）的實體層規(guī)范。MAC層規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個IEEE802.15.4無線電信號如何共享空中通道。為

2、了促進(jìn)ZigBee技術(shù)的發(fā)展，2001年8月成立了ZigBee聯(lián)盟，2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電子公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加入“ZigBee聯(lián)盟”，目前該聯(lián)盟已經(jīng)有150多家成員，以研發(fā)名為ZigBee的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。正如前面所述，ZigBee不僅僅只是802.15.4的名字，IEEE802.15.4僅處理低級MAC層和PHY層協(xié)議，所以ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識。ZigBee的組成和構(gòu)網(wǎng)方式FFD和RFD利用zigbee技術(shù)組件的無線個人

3、區(qū)域網(wǎng)（WPAN）是一種低速率的無線個人區(qū)域網(wǎng)（LRWPAN），這種低速率個人區(qū)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有有限的功率和靈活的吞吐量。在一個LRWPAN網(wǎng)絡(luò)中，可同時存在兩種不同類型的設(shè)備，一種是具有完整功能的設(shè)備（FFD），另一種是簡化功能的設(shè)備（RFD）。在網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)FD通常有3中工作狀態(tài)：（1）作為個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的主協(xié)調(diào)器；（2）作為一個普通協(xié)調(diào)器；（3）作為一個終端設(shè)備。FFD可以同時和多個RFD或其他FFD通信。而RFD則只用一種工作狀態(tài)即作為一個終端設(shè)備，并且一個RFD只能和一個FFD通信。ZigBee的體系結(jié)構(gòu)ZigBee體系結(jié)構(gòu)主要有物理（PHY）層、媒體接入控制

4、（MAC）層、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層構(gòu)成，如下圖所示：圖1ZigBee的體系結(jié)構(gòu)由上圖可知：IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee協(xié)議的PHY層和MAC層，而ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，還開發(fā)了安全層，這才真正形成了ZigBee協(xié)議棧。其中PHY層的特征是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量檢測，鏈路質(zhì)量，信道選擇，清除信道評估(CCA)，以及通過物理媒體對數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接受。MAC層的特征是：信標(biāo)管理，信道接入，時隙管理，發(fā)送確認(rèn)幀，發(fā)送連接及斷開連接請求。除此之外，MAC層為應(yīng)用合適的安全機制提供了一些方法。網(wǎng)絡(luò)/安全層主要用于ZigBee的LRWPAN網(wǎng)的組網(wǎng)

5、連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等。應(yīng)用框架層主要為ZigBee技術(shù)的實際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型，不同應(yīng)用場合，不同廠商提供的應(yīng)用框架是有差異的。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用需求，ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又包括簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如下圖所示：星型網(wǎng)狀型尸J網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器513全功能謨備精簡功能設(shè)備圖2ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個叫做PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須為全功能設(shè)備(FFD),從設(shè)備既可為全功能設(shè)備(FFD)也可為縮簡功能設(shè)備(RFD)。在網(wǎng)絡(luò)通信中，通常將這些設(shè)備分為起始設(shè)

6、備或者終端設(shè)備，PAN主協(xié)調(diào)器既可作為起始設(shè)備、終端設(shè)備，也可作為路由器，它是PAN網(wǎng)絡(luò)的主要控制器。在任何一個拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上，所有設(shè)備都有唯一的64位的長地址碼，該地址碼可以在PAN中用于直接通信，或者當(dāng)各設(shè)備之間已經(jīng)存在連接時，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的短地址碼分配給PAN設(shè)備。因此在設(shè)備發(fā)起連接時，采用64位的長地址碼，只有連接成功后，系統(tǒng)分配了PAN的標(biāo)識符后，才能采用16位的短地址碼進(jìn)行連接。因此短地址碼是一個相對地址碼，長地址碼是一個絕對地址碼。在Zigbee技術(shù)應(yīng)用中，PAN主協(xié)調(diào)器是主要的耗能設(shè)備，而其他從設(shè)備均采用電池供電。當(dāng)一個全功能設(shè)備(FFD)第一次被激活后，它就會建立一個自己

7、的網(wǎng)絡(luò)，將自身設(shè)置成為一個PAN主協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，也就是說在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有一個唯一的PAN主協(xié)調(diào)器，通過選擇一個PAN標(biāo)識符確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性。目前，其他無線通信技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)沒有采用這種方式。因此一旦選定了一個PAN標(biāo)識符，PAN主協(xié)調(diào)器就會允許其他從設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中，無論是全功能設(shè)備，還是縮減功能設(shè)備都可以加入到這個網(wǎng)絡(luò)中。在對等的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，同樣也存在一個PAN主設(shè)備，但該網(wǎng)絡(luò)不同于星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備只要是在它的通信范圍之內(nèi)，就可以和其他設(shè)備進(jìn)行通信。對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，

8、這種對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在工業(yè)監(jiān)測和控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、供應(yīng)物資跟蹤、農(nóng)業(yè)智能化以及安全監(jiān)控等方面都有廣泛的應(yīng)用。一個對等網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可以是基于Adhoc技術(shù)的，也可以是自組織式的和自恢復(fù)式的。并且在網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備之間發(fā)送消息時，可通過多個中間設(shè)備中繼的傳輸方式進(jìn)行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式，以增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。在對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一個設(shè)備都可以與在無線通信范圍內(nèi)的其它任何設(shè)備進(jìn)行通信。任何一個設(shè)備都可定義為PAN主協(xié)調(diào)器。例如，可將信道中第一個通信的設(shè)備定義成PAN主協(xié)調(diào)器。簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其實是對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用形式，它的另一種典型的應(yīng)用形式也即為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在

9、對等網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以為全功能設(shè)備，也可以為簡化功能設(shè)備。而在簇樹中的大部分設(shè)備為FFD,RFD只能作為樹枝末尾處的葉節(jié)點，這主要是由于RFD次只能連接一個FFD。任何一個FFD都可以作為主協(xié)調(diào)器，并且可為其它從設(shè)備或主設(shè)備提供同步服務(wù)。在整個PAN中，只要該設(shè)備相對于PAN中的其他設(shè)備具有更多計算資源，比如具有更快的計算處理能力、更大的存儲空間以及更多的供電能力等等。這樣的設(shè)備都可以成為該PAN的主協(xié)調(diào)器，通常稱該設(shè)備為PAN主協(xié)調(diào)器。在建立一個PAN時，首先PAN主協(xié)調(diào)器將其自身設(shè)置成一個簇標(biāo)識符(CID)為0的簇頭(CLH)。然后選擇一個沒有使用的PAN標(biāo)識符，并向鄰近的其他設(shè)備以廣播的方

10、式發(fā)送信標(biāo)幀,從而形成第一簇網(wǎng)絡(luò)。接收到信標(biāo)幀的候選設(shè)備可以在簇頭中請求加入該網(wǎng)絡(luò)，如果PAN主協(xié)調(diào)器允許設(shè)備加入，那么主協(xié)調(diào)器會將該設(shè)備作為子節(jié)點加到它的鄰居表中。同時，請求加入的設(shè)備將PAN主協(xié)調(diào)器作為它的父節(jié)點加到鄰居表中，成為該網(wǎng)絡(luò)的一個從設(shè)備，其他的所有侯選設(shè)備都按照同樣的方式，可請求加入到該網(wǎng)絡(luò)中，作為網(wǎng)絡(luò)的從設(shè)備。如果候選設(shè)備不能加入該網(wǎng)絡(luò)中，那么它將尋找其他的父節(jié)點。在簇樹網(wǎng)絡(luò)中，最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是只有一個簇的網(wǎng)絡(luò)，但是多數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由多個相鄰的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。一旦第一簇網(wǎng)絡(luò)滿足預(yù)定的應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)需求時，PAN主協(xié)調(diào)器將會按下一個從設(shè)備為另一簇新網(wǎng)絡(luò)的簇頭，使得該從設(shè)備成為另一個PAN的

11、協(xié)調(diào)器，隨后其他的從設(shè)備將逐個加入，并形成一個多簇網(wǎng)絡(luò)。無論是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還是對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個獨立的PAN都有一個唯一的標(biāo)識符,利用該PAN標(biāo)識符，可采用16位的短地址碼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，并且可激活PAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)可以看成是簇樹網(wǎng)絡(luò)的一種改進(jìn)型的對等網(wǎng)絡(luò)。從數(shù)據(jù)路由來看，簇樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很容易導(dǎo)致非均勻流量分配。如圖3所示，根節(jié)點A承擔(dān)的數(shù)據(jù)流量明顯比其它次級根節(jié)點承擔(dān)的數(shù)據(jù)流量要大，由此可見，通常具有較小路徑深度的樹結(jié)構(gòu)承擔(dān)更大流量處理。由此將導(dǎo)致處于較小路徑深度樹結(jié)構(gòu)中的節(jié)點其電池能量消耗將比其它較大路徑深度樹結(jié)構(gòu)中的節(jié)點電池能量消耗要快12，因而處于較

12、小路徑深度中的節(jié)點因能量的快速耗盡而更容易失效，其單點失敗(SPF)和網(wǎng)絡(luò)分離的現(xiàn)象13就更容易發(fā)生。因此，為了克服網(wǎng)絡(luò)流量分配不均，在簇樹網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上形成如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與簇樹網(wǎng)絡(luò)相比據(jù)流量。比如，當(dāng)數(shù)是M-L-K-J-A-B-H-I這方面減少了數(shù)據(jù)傳遞的延時，另一方面起到數(shù)據(jù)分流的作用，從而減輕了根節(jié)點的負(fù)擔(dān)，提高了網(wǎng)絡(luò)運行的穩(wěn)定性。4.ZigBee的組網(wǎng)流程節(jié)點組網(wǎng)流程如圖5所示，當(dāng)?shù)谝粋€FFD設(shè)備被激活后，首先進(jìn)行對物理層所默認(rèn)的有效信道進(jìn)行能量掃描，以檢測可能的干擾，并對檢測到的信道按能量值大小進(jìn)行信道排序，然后執(zhí)行主動掃描過程以選擇一個最佳信道作為當(dāng)前工作信

13、道。第一個成功建立網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點也即協(xié)調(diào)器節(jié)點（在MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧中，協(xié)調(diào)器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)建立過程中不進(jìn)行信道掃描，直接根據(jù)天線的設(shè)計頻點采用指定的信道進(jìn)行通信，以達(dá)到最佳通信效果）。網(wǎng)絡(luò)建立之后，所有其它節(jié)點（FFD或RFD）均作為網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，尋找其通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，如果找到網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點根據(jù)所獲取的網(wǎng)絡(luò)信息選擇一個父節(jié)點提出入網(wǎng)申請。并等待父節(jié)點的請求響應(yīng)。父節(jié)點收到一個入網(wǎng)申請后，將根據(jù)請求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷，若允許加入，父節(jié)點將發(fā)出請求響應(yīng)，告知子節(jié)點。子節(jié)點收到請求響應(yīng)后，將獲得一個父節(jié)點分配給它的一個網(wǎng)絡(luò)地址（也叫短地址）作為在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的唯一身份標(biāo)識

14、。至此節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)。首個FFD激活節(jié)點將作為協(xié)調(diào)器廣播信標(biāo)幀，同時接受新節(jié)點的入網(wǎng)請求。圖5ZigBee的組網(wǎng)流程5.ZigBee信息交流方式IEEE802.15.4使用一種簡單的方法來讓多個設(shè)備使用同一個頻率信道，它使用的訪問機制是載波檢測多路訪問碰撞避免(CSMA-CA)。在CSMA-CA中，任何時候一個設(shè)備想要發(fā)送信息，都要先執(zhí)行一條空閑信道評估(CCA)指令來確保該信道沒有被其他設(shè)備所使用，然后它才開始發(fā)送信號。判定一個信道是否空閑可以通過測量頻帶中的頻譜能量或者檢測工作中信號的類型。信道訪問的方式有兩種：基于競爭和免于競爭。在基于競爭的信道訪問中，所有想在同一頻率信道傳輸信息的設(shè)

15、備都使用CSMA-CA機制，誰先發(fā)現(xiàn)信道空閑誰就先進(jìn)行傳輸。在免于競爭方式中，PAN協(xié)調(diào)器為特殊設(shè)備留出一個時隙，這個時隙叫做GTS(GuaranteeTimeSlot),因此，有GTS的設(shè)備可以在GTS期間開始發(fā)送信息，而不需要使用CSMA-CA機制。為了提供一個GTS，PAN協(xié)調(diào)器需要確保所有的設(shè)備都是同步的，信標(biāo)(Beacon)有具體的格式，是一個用來同步網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點時鐘的消息。Beacon的幀格式在后面小節(jié)有具體的討論。協(xié)調(diào)器可以選擇發(fā)送Beacon信號來同步與其相連的設(shè)備。這就叫做beacon-enabledPAN。使用beacon的一個缺點就是所有網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須定期喚醒，確定bea

16、con、同步它們的時鐘、繼續(xù)休眠。這就意味著網(wǎng)絡(luò)中的一些設(shè)備被喚醒過來只是為了進(jìn)行同步，而不執(zhí)行任何其他任務(wù)。因此，在一個beacon-enabled網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備的電池壽命通常少于nonbeacon的網(wǎng)絡(luò)。PAN協(xié)調(diào)器不傳輸beacon的網(wǎng)絡(luò)被稱作nonbeacon網(wǎng)絡(luò)，而nonbeacon網(wǎng)絡(luò)沒有GTS和免于競爭時段，因為其設(shè)備不能相互同步。nonbeacon網(wǎng)絡(luò)中電池的壽命要明顯優(yōu)于beacon-enabled網(wǎng)絡(luò)，因為在nonbeacon網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備被喚醒的次數(shù)較少。設(shè)備之間通信分為(1)設(shè)備向主協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)(2)主協(xié)調(diào)器向設(shè)備發(fā)送信息(3)設(shè)備之間通信。對于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有前兩種通信

17、方式，而對于對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則存在3種通信方式。對于前兩種通信方式又存在兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：beacon-enabled網(wǎng)絡(luò)和nonbeacon網(wǎng)絡(luò)。在beacon-enabled網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下從設(shè)備向主協(xié)調(diào)器發(fā)送信息1從設(shè)備監(jiān)聽信標(biāo)2監(jiān)聽到信標(biāo)之后進(jìn)行超幀同步，在適當(dāng)時候使用有GTS時隙的CSMA-CA向主協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀3主協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)幀，發(fā)送確認(rèn)幀主協(xié)調(diào)器向從設(shè)備發(fā)送信息1主協(xié)調(diào)器更改信標(biāo)，表明有數(shù)據(jù)要傳輸2從設(shè)備監(jiān)聽到有信息要傳輸給自己后，使用有GTS時隙的CSMA-CA機制發(fā)送一個數(shù)據(jù)請求命令3主協(xié)調(diào)器收到請求，返回一個確認(rèn)幀，并通過有GTS時隙的CSMA-CA發(fā)送數(shù)據(jù)幀4從設(shè)備收到數(shù)據(jù)幀，返回

18、確認(rèn)幀5主協(xié)調(diào)器收到確認(rèn)幀，恢復(fù)信標(biāo)。在非信標(biāo)通信的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下從設(shè)備向主協(xié)調(diào)器發(fā)送信息1從設(shè)備使用非GTS時隙的CSMA-CA發(fā)送數(shù)據(jù)幀2主協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)幀，返回確認(rèn)幀主協(xié)調(diào)器向從設(shè)備發(fā)送信息1從設(shè)備使用非GTS時隙的CSMA-CA發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令。2主協(xié)調(diào)器收到請求，返回確認(rèn)幀，若有數(shù)據(jù)則使用非GTS時隙的CSMA-CA發(fā)送數(shù)據(jù)幀,若無數(shù)據(jù)要發(fā)送則發(fā)送一個長度為0的數(shù)據(jù)幀。3.從設(shè)備接受到數(shù)據(jù)幀，返回確認(rèn)幀。在對等網(wǎng)絡(luò)中，除了上述兩種通訊情況外，還有從設(shè)備和從設(shè)備之間的通信，為了保持這種通信(1)設(shè)備始終處于接受狀態(tài)(2)設(shè)備間保持互相同步。而對于第一種情況采用非GTS時隙的CSMACA機制來傳輸信息，第二種采用其他一些措施來保證設(shè)備間的相互同步。用戶需求分析1.用戶需求需要一個小范圍內(nèi)的無線網(wǎng)，用來傳輸傳感器收集到的信息。需要一個能夠能延伸的無線網(wǎng)，來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離采集傳感器信息。2解決方法第一個需求使用最簡單的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即能實現(xiàn)。第二個需求使用網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均能實現(xiàn)，后續(xù)根據(jù)實際情況決定采用何種方案。功能需求對硬件影響由