ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡層的研究與實現(xiàn)
1、ZigBee協(xié)議棧體系結構
本節(jié)將在介紹IEEE802.15.4標準和ZigBee協(xié)議的基礎上，重點分析ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡層關鍵技術及其工作機制。
2.1IEEE802.15.4標準
IEEE802.15.4標準[1]于2003年5月制定完成，它滿足國際標準化組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。IEEE802.15.4協(xié)議與其他無線網(wǎng)絡相比，突出的優(yōu)點是：組網(wǎng)能力強，適應面廣，可靠性高，節(jié)能性好。
2.2ZigBee協(xié)議棧
完整的Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質訪問控制層、網(wǎng)絡層、安全層和高層應用規(guī)范組成。
圖1ZigBee協(xié)議棧
如圖1所示，ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡層、安全層和應用程序接口等由ZigBee聯(lián)盟制定。其中安全層（Security）主要實現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應用程序接口負責向用戶提供簡單的應用軟件接口（API），包括應用子層支持（ApplicationSub-laygerSupport，APS）、ZigBee設備對象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）等，實現(xiàn)應用層對設備的管理。
2.3網(wǎng)絡層關鍵技術
ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree＋AODVjr等多種路由算法，支持星形（Star）、樹形（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓撲結構。
Cluster-Tree（簇－樹）是一種由網(wǎng)絡協(xié)調器（Coordinator）展開生成樹狀網(wǎng)絡的拓撲結構，適合于節(jié)點靜止或者移動較少的場合，屬于靜態(tài)路由，不需要存儲路由表。AODVjr算法是針對AODV（Adhoc按需距離矢量路由協(xié)議）算法的改進，考慮到節(jié)能、應用方便性等因素，簡化了AODV的一些特點，但是仍然保持AODV的原始功能。表1是兩種算法的優(yōu)缺點比較。
表1Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)缺點比較
Cluster-Tree＋AODVjr路由算法匯聚了Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)點。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點被分成四種類型：Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN：RoutingNode，路由節(jié)點；RFD：ReducedDevice）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同，Coordinator、RN+和RN－都是全功能節(jié)點（FFD:FullDevice），能給其他節(jié)點充當路由節(jié)點；RFD只能充當Cluster-Tree的葉子（LeafNode）。如果待發(fā)送數(shù)據(jù)的目標節(jié)點是自己的鄰居，直接通信即可；反之，如果不是自己的鄰居時，三種類型的節(jié)點處理數(shù)據(jù)包各不相同：RN+可以啟動AODVjr，主動查找到目標節(jié)點的最佳路由，且它可以扮演路由代理（RoutingAgent）的角色，幫助其他節(jié)點查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可以通過計算，判斷該交給數(shù)據(jù)包請自己的父節(jié)點還是某個子節(jié)點轉發(fā)；而RFD只能把數(shù)據(jù)交給父節(jié)點，請其轉發(fā)。
圖2為Cluster-Tree＋AODVjr算法時網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)傳輸示意圖。節(jié)點E發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點D，數(shù)字代表各種包發(fā)送的時間先后次序。從圖中可以看出，節(jié)點E的類型是RFD，它只能將數(shù)據(jù)DATA傳送給其父節(jié)點C。C的類型是RN+，所以它先把數(shù)據(jù)放入緩存后，再通過組播AODVjr路由請求包RREQ查找到節(jié)點D的路由，節(jié)點D再通過單播沿最短的路徑D-B-C給節(jié)點C回復AODVjr路由應答包RREP。節(jié)點C找到路由后，把緩存數(shù)據(jù)沿C-B-D發(fā)送給節(jié)點D，節(jié)點D再沿D-B-C-E發(fā)送確認包ACK給節(jié)點E，節(jié)點E收到確認包后，整個通信過程結束。
圖2網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)傳輸示意圖
3.網(wǎng)絡層實現(xiàn)
作者已在符合IEEE802.15.4的硬件平臺上實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧，成功研發(fā)出ZigBee開發(fā)包（ZigBeeDevelopmentKit，ZDK）,驗證了其可行性。同時，根據(jù)一些特定的應用將算法改進，取得良好的運用效果。本節(jié)將重點介紹ZigBee網(wǎng)絡層的實現(xiàn)。
3.1無線模塊的設計
根據(jù)不同類型節(jié)點功能不同的特點，作者在不同的硬件平臺設計模塊。設計制作的ZigBee系列模塊完全滿足IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議的規(guī)范要求，符合ISM/SRD規(guī)范，通過美國FCC認證。模塊集無線收發(fā)器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，能實現(xiàn)1.0版ZigBee協(xié)議棧的功能。Coordinator可以連接使用ARM處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，功能較多的路由節(jié)點（RN+，RN-）由高檔單片機充當，功能較少的葉子節(jié)點（RFD）使用普通的單片機。模塊還可以根據(jù)實際需要，工作在不同的睡眠模式和節(jié)能方式。
圖3是模塊的硬件設計框圖，射頻芯片采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE802.15.4標準的模塊CC2420；控制射頻芯片的微處理器，可以根據(jù)需要選擇Atmel公司的AVR系列單片機或者SiliconLabs公司的8051內核單片機。單片機與射頻芯片之間通過SPI進行通信，連接速率是6Mbps。單片機與外部設備之間通過串口進行通信，連接速率是38.4kbps。單片機自帶若干ADC或者溫度傳感器，可以實現(xiàn)簡單的模數(shù)轉換或者溫度監(jiān)控。為了方便代碼移植到不同的硬件平臺，模塊固件采用標準C語言編寫代碼實現(xiàn)。
圖3ZigBee模塊框圖
3.2網(wǎng)絡的建立
ZigBee網(wǎng)絡最初是由協(xié)調器發(fā)動并且建立。協(xié)調器首先進行信道掃描（Scan），采用一個其他網(wǎng)絡沒有使用的空閑信道，同時規(guī)定Cluster-Tree的拓撲參數(shù)，如最大的兒子數(shù)（Cm）、最大層數(shù)（Lm）、路由算法、路由表生存期等。
圖4節(jié)點加入及脫離網(wǎng)絡握手示意圖
圖4是設計的節(jié)點加入及脫離網(wǎng)絡握手示意圖。協(xié)調器啟動后，其他普通節(jié)點加入網(wǎng)絡時，只要將自己的信道設置成與現(xiàn)有的協(xié)調器使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入（Join）網(wǎng)絡。一個節(jié)點加入網(wǎng)絡后，可以從其父節(jié)點得到自己的短MAC地址，ZigBee網(wǎng)絡地址以及協(xié)調器規(guī)定的拓撲參數(shù)。同理，一個節(jié)點要離開（Leave）網(wǎng)絡，只須向其父節(jié)點提出請求即可。一個節(jié)點若成功地接收一個兒子，或者其兒子成功脫離網(wǎng)絡，都必須向協(xié)調器匯報。因此，協(xié)調器可以即時掌握網(wǎng)絡的所有節(jié)點信息，維護網(wǎng)絡信息庫（PIB，PANInformationBase）。
3.3路由設計與實現(xiàn)
在傳輸數(shù)據(jù)時，不同類型的的節(jié)點有不同的處理方法，協(xié)調器的處理機制與RN+相同。網(wǎng)絡層路由設計分為RN+，RN-和RFD三個模塊。圖5至圖7分別是三種類型節(jié)點接收到上層或者其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡層處理程序的流程圖。
圖5RN+網(wǎng)絡層處理程序的流程圖圖6RN-網(wǎng)絡層處理程序的流程圖
圖7RFD網(wǎng)絡層處理程序的流程圖
因為實際點對點通信是通過MAC地址進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模悦總€節(jié)點在接收到信息包時，都要維護鄰居表，鄰居表主要起地址解析（AddressResolution）的作用：將鄰居節(jié)點的網(wǎng)絡地址轉換成MAC地址。另外，類型是RN+的節(jié)點在接收到信息包或者啟動AODVjr查找路由時，還必須維護路由表。鄰居表和路由表的記錄都有生存期，超過生存期的記錄將被刪除。
3.4測試方法
無線通信有其特殊性質，每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包既是信號源，同時又可能是干擾源，因此無線網(wǎng)絡的測試是一大難題。為了能在室內方便測試網(wǎng)絡性能，引入黑名單機制，強制讓一些節(jié)點對黑名單節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包“視而不見”，以測試十幾點甚至幾十點的特殊網(wǎng)絡。在實際應用時，去掉黑名單并不影響網(wǎng)絡的工作性能。測試時，還可以采用符合IEEE802.15.4的包探測器（Sniffer），記錄測試過程中空氣中所傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù)。每個模塊還可以通過I/O輸出自己的收發(fā)狀態(tài)等信息。通過多種手段對測試過程進行分析，才能提高開發(fā)測試效率。
表2是某個節(jié)點的黑名單列表，該節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送方MAC地址如果符合下列n個公式中的一個，則該節(jié)點認為沒有接收到數(shù)據(jù)包，對該數(shù)據(jù)包不作任何處理。
表2黑名單列表
4典型應用
ZDK開發(fā)包,除了實現(xiàn)IEEE802.15.4的MAC層及ZigBee的網(wǎng)絡層功能外，目前還完成一些應用層功能，同時提供簡單易用的API接口，以便使用者根據(jù)實際需要進行二次開發(fā)。該技術已經(jīng)成功地應用于組建家庭無線網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡、無線門控系統(tǒng)和無線停車場計費系統(tǒng)等領域中。
4.1網(wǎng)絡功能
圖8是一個典型的ZigBee網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡可取代有線電纜構成的拓撲。網(wǎng)絡中端對端設備可以采用透明模式（TransparentMode）交互信息，完成無線RS232和RS485的數(shù)據(jù)傳輸功能。只要接上模塊，多臺設備的串口就能直接交互數(shù)據(jù)。這種應用尤其適合不易鋪設有線電纜、通信時須要考慮避雷等因素的場合。
圖8典型的ZigBee網(wǎng)絡示意圖
為了充分發(fā)揮其他網(wǎng)絡的作用，實現(xiàn)網(wǎng)絡與外網(wǎng)（WLAN，Ethernet，PSTN，GPS等）的連接，以便遠程控制ZigBee網(wǎng)絡的工作，協(xié)調器還必須充當網(wǎng)關（Gateway），實現(xiàn)內網(wǎng)（WPAN）和外網(wǎng)的連接。由ARM處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)充當協(xié)調器及無線網(wǎng)關，它有RJ45，RJ11，RS232接口，可以通過以太網(wǎng)（Ethernet）、有線電話網(wǎng)（PSTN）、通用無線分組業(yè)務網(wǎng)（GPRS）或者全球地位系統(tǒng)（GPS）連接ZigBee網(wǎng)絡，如圖9所示。
圖9ZigBee網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡連接圖
4.2實踐效果
ZigBee模塊載波頻率為2.4GHz，通信速率為250kbps，發(fā)射功率在0dbm至-24dbm，接收靈敏度為－94dm。點對點通信距離，室內為60米左右，室外為100米左右，誤包率小于0.5％。在不超過10跳的范圍內通信，傳輸延遲不超過2秒，誤包率小于1％；每包數(shù)據(jù)能傳輸?shù)淖畲笥行Ъ冐摵蔀?10字節(jié)。
目前，已經(jīng)測試過50點的網(wǎng)絡，實現(xiàn)跨多個房間、樓宇的數(shù)據(jù)傳輸。在節(jié)能模式下，模塊能在電池供電的條件中長時間（約3個月）工作。本網(wǎng)絡除了包含通用ZigBee網(wǎng)絡的特點外，還能跟其他有線或者無線網(wǎng)絡互通互融，達到優(yōu)勢互補，在實際應用中取得良好的效果。實踐證明，ZigBee網(wǎng)絡有其自己的鮮明特點，在眾多的無線網(wǎng)絡中有其存在和發(fā)展的空間。
5.總結和展望
本文主要討論了該網(wǎng)絡的理論基礎，同時給出了網(wǎng)絡層實現(xiàn)辦法及解決方案。這種方案已被美國赫立訊科技公司用于設計IP-Link系列模塊、ZigBee開發(fā)套件以及海爾家庭無線網(wǎng)絡，取得較好的市場價值。
基于IEEE802.15.4的ZigBee網(wǎng)絡是擴充現(xiàn)有網(wǎng)絡應用的一種良好手段，具有廣闊的應用場合和發(fā)展前景。ZigBee協(xié)議棧還在不斷升級，如何根據(jù)不同的需求設計高性能的ZigBee網(wǎng)絡，如何將ZigBee網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡進行可靠連接，達到功能互補，是一項很有意義的課題。
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