ZigBee協議棧網絡層的研究與實現
1、ZigBee協議棧體系結構
本節將在介紹IEEE802.15.4標準和ZigBee協議的基礎上，重點分析ZigBee協議棧的網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)開放系統互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數據鏈路層。IEEE802.15.4協議與其他無線網絡相比，突出的優點是：組網能力強，適應面廣，可靠性高，節能性好。
2.2ZigBee協議棧
完整的Zigbee協議棧由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和高層應用規范組成。
圖1ZigBee協議棧
如圖1所示，ZigBee協議棧的網絡層、安全層和應用程序接口等由ZigBee聯盟制定。其中安全層（Security）主要實現密鑰管理、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，實現應用層對設備的管理。
2.3網絡層關鍵技術
ZigBee協議棧的核心部分在網絡層。網絡層主要實現節點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節點、路由查找及傳送數據等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree＋AODVjr等多種路由算法，支持星形（Star）、樹形（Cluster-Tree）、網格（Mesh）等多種拓撲結構。
Cluster-Tree（簇－樹）是一種由網絡協調器（Coordinator）展開生成樹狀網絡的拓撲結構，適合于節點靜止或者移動較少的場合，屬于靜態路由，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議）算法的改進，考慮到節能、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是兩種算法的優缺點比較。
表1Cluster-Tree和AODVjr的優缺點比較
Cluster-Tree＋AODVjr路由算法匯聚了Cluster-Tree和AODVjr的優點。網絡中的每個節點被分成四種類型：Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN：RoutingNode，路由節點；RFD：ReducedDevice）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同，Coordinator、RN+和RN－都是全功能節點（FFD:FullDevice），能給其他節點充當路由節點；RFD只能充當Cluster-Tree的葉子（LeafNode）。如果待發送數據的目標節點是自己的鄰居，直接通信即可；反之，如果不是自己的鄰居時，三種類型的節點處理數據包各不相同：RN+可以啟動AODVjr，主動查找到目標節點的最佳路由，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，判斷該交給數據包請自己的父節點還是某個子節點轉發；而RFD只能把數據交給父節點，請其轉發。
圖2為Cluster-Tree＋AODVjr算法時網絡層數據傳輸示意圖。節點E發送數據包給節點D，數字代表各種包發送的時間先后次序。從圖中可以看出，節點E的類型是RFD，它只能將數據DATA傳送給其父節點C。C的類型是RN+，所以它先把數據放入緩存后，再通過組播AODVjr路由請求包RREQ查找到節點D的路由，節點D再通過單播沿最短的路徑D-B-C給節點C回復AODVjr路由應答包RREP。節點C找到路由后，把緩存數據沿C-B-D發送給節點D，節點D再沿D-B-C-E發送確認包ACK給節點E，節點E收到確認包后，整個通信過程結束。
圖2網絡層數據傳輸示意圖
3.網絡層實現
作者已在符合IEEE802.15.4的硬件平臺上實現ZigBee協議棧，成功研發出ZigBee開發包（ZigBeeDevelopmentKit，ZDK）,驗證了其可行性。同時，根據一些特定的應用將算法改進，取得良好的運用效果。本節將重點介紹ZigBee網絡層的實現。
3.1無線模塊的設計
根據不同類型節點功能不同的特點，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協議的規范要求，符合ISM/SRD規范，通過美國FCC認證。模塊集無線收發器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，能實現1.0版ZigBee協議棧的功能。Coordinator可以連接使用ARM處理器開發的嵌入式系統，功能較多的路由節點（RN+，RN-）由高檔單片機充當，功能較少的葉子節點（RFD）使用普通的單片機。模塊還可以根據實際需要，工作在不同的睡眠模式和節能方式。
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，可以實現簡單的模數轉換或者溫度監控。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。
圖3ZigBee模塊框圖
3.2網絡的建立
ZigBee網絡最初是由協調器發動并且建立。協調器首先進行信道掃描（Scan），采用一個其他網絡沒有使用的空閑信道，同時規定Cluster-Tree的拓撲參數，如最大的兒子數（Cm）、最大層數（Lm）、路由算法、路由表生存期等。
圖4節點加入及脫離網絡握手示意圖
圖4是設計的節點加入及脫離網絡握手示意圖。協調器啟動后，其他普通節點加入網絡時，只要將自己的信道設置成與現有的協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）網絡。一個節點加入網絡后，可以從其父節點得到自己的短MAC地址，ZigBee網絡地址以及協調器規定的拓撲參數。同理，一個節點要離開（Leave）網絡，只須向其父節點提出請求即可。一個節點若成功地接收一個兒子，或者其兒子成功脫離網絡，都必須向協調器匯報。因此，協調器可以即時掌握網絡的所有節點信息，維護網絡信息庫（PIB，PANInformationBase）。
3.3路由設計與實現
在傳輸數據時，不同類型的的節點有不同的處理方法，協調器的處理機制與RN+相同。網絡層路由設計分為RN+，RN-和RFD三個模塊。圖5至圖7分別是三種類型節點接收到上層或者其他節點發送的數據包時，網絡層處理程序的流程圖。
圖5RN+網絡層處理程序的流程圖圖6RN-網絡層處理程序的流程圖
圖7RFD網絡層處理程序的流程圖
因為實際點對點通信是通過MAC地址進行數據傳輸的，所以每個節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：將鄰居節點的網絡地址轉換成MAC地址。另外，類型是RN+的節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，每個節點發送的數據包既是信號源，同時又可能是干擾源，因此無線網絡的測試是一大難題。為了能在室內方便測試網絡性能，引入黑名單機制，強制讓一些節點對黑名單節點發送的數據包“視而不見”，以測試十幾點甚至幾十點的特殊網絡。在實際應用時，去掉黑名單并不影響網絡的工作性能。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的無線數據。每個模塊還可以通過I/O輸出自己的收發狀態等信息。通過多種手段對測試過程進行分析，才能提高開發測試效率。
表2是某個節點的黑名單列表，該節點接收到的數據包發送方MAC地址如果符合下列n個公式中的一個，則該節點認為沒有接收到數據包，對該數據包不作任何處理。
表2黑名單列表
4典型應用
ZDK開發包,除了實現IEEE802.15.4的MAC層及ZigBee的網絡層功能外，目前還完成一些應用層功能，同時提供簡單易用的API接口，以便使用者根據實際需要進行二次開發。該技術已經成功地應用于組建家庭無線網絡、無線傳感器網絡、無線門控系統和無線停車場計費系統等領域中。
4.1網絡功能
圖8是一個典型的ZigBee網絡，該網絡可取代有線電纜構成的拓撲。網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的數據傳輸功能。只要接上模塊，多臺設備的串口就能直接交互數據。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網絡示意圖
為了充分發揮其他網絡的作用，實現網絡與外網（WLAN，Ethernet，PSTN，GPS等）的連接，以便遠程控制ZigBee網絡的工作，協調器還必須充當網關（Gateway），實現內網（WPAN）和外網的連接。由ARM處理器開發的嵌入式系統充當協調器及無線網關，它有RJ45，RJ11，RS232接口，可以通過以太網（Ethernet）、有線電話網（PSTN）、通用無線分組業務網（GPRS）或者全球地位系統（GPS）連接ZigBee網絡，如圖9所示。
圖9ZigBee網絡與其他網絡連接圖
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％；每包數據能傳輸的最大有效純負荷為110字節。
目前，已經測試過50點的網絡，實現跨多個房間、樓宇的數據傳輸。在節能模式下，模塊能在電池供電的條件中長時間（約3個月）工作。本網絡除了包含通用ZigBee網絡的特點外，還能跟其他有線或者無線網絡互通互融，達到優勢互補，在實際應用中取得良好的效果。實踐證明，ZigBee網絡有其自己的鮮明特點，在眾多的無線網絡中有其存在和發展的空間。
5.總結和展望
本文主要討論了該網絡的理論基礎，同時給出了網絡層實現辦法及解決方案。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開發套件以及海爾家庭無線網絡，取得較好的市場價值。
基于IEEE802.15.4的ZigBee網絡是擴充現有網絡應用的一種良好手段，具有廣闊的應用場合和發展前景。ZigBee協議棧還在不斷升級，如何根據不同的需求設計高性能的ZigBee網絡，如何將ZigBee網絡與其他網絡進行可靠連接，達到功能互補，是一項很有意義的課題。
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