【文章內(nèi)容簡介】 重點目標，為設(shè)備之間的低速無線互連提供了統(tǒng)一標準，就是ZigBee無線通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議是基于IEEE ，由IEEE 。IEEE （PHY）和媒體訪問控制層（ MAC層）協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟成立用于2002年，定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖21。ZigBee協(xié)議由物理層(PHY)、介質(zhì)訪問控制子層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)，應(yīng)用層(APL)及安全服務(wù)提供層(SSP)五塊內(nèi)容組成。其中PHY層和MAC層標準由IEEE ，MAC層之上的NWK層，APL層及SSP層，由ZigBee聯(lián)盟的ZigBee標準定義。APL層由應(yīng)用支持層(APS)，應(yīng)用框架(AF)以及ZigBee設(shè)備對象(ZDO)及ZDO管理平臺組成。應(yīng)用層（含應(yīng)用接口層）用戶安全層ZigBee聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)層MAC層IEEE 物理層 圖21 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)PHY層定義了無線射頻應(yīng)該具備的特征，、902MHz928MHz和2400MHz24835MHz三種不同的頻段，分別支持20kbps、40kbps和250kbps的傳輸速率，1個、10個以及16個不同的信道Ⅲ。ZigBee的傳輸距離與輸出功率和環(huán)境參數(shù)有關(guān)，一般為10～100米之間。PHY層提供兩種服務(wù)：PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)和PHY層管理服務(wù)，PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)是通過無線信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)，PHY層的特性是激活和關(guān)閉無線收發(fā)器、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。MAC層使用CSMACA沖突避免機制對無線信道訪問進行控制，負責物理相鄰設(shè)備問的可靠鏈接，支持關(guān)聯(lián)(Association)和退出關(guān)聯(lián)(Disassociation)以及MAC層安全。MAC層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)，MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)。MAC層的主要功能是：進行信標管理、信道接入、保證時隙(GTS)管理、幀確認應(yīng)答幀傳送、連接和斷開連接。NWK層提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址分配，組網(wǎng)管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE ．2003MAC子層和為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。NWK層從概念上包括兩個服務(wù)實體：數(shù)據(jù)服務(wù)實體和管理服務(wù)實體。NWK層的責任主要包括加入和離開一個網(wǎng)絡(luò)用到的機制、應(yīng)用幀安全機制和他們的目的地路由幀機制，ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負責建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(APS子層)、應(yīng)用框架(AF)和ZigBee設(shè)備對象(ZDO)。APS子層負責建立和維護綁定表，綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和他們的需求使設(shè)備相互配對。ZigBee的應(yīng)用框架(AF)為各個用戶自定義的應(yīng)用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對(KVP)服務(wù)和報文(MSG)服務(wù)供應(yīng)用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設(shè)備允許最多240個用戶自定義應(yīng)用對象，分別指定在端點l至端點240上。ZDO可以看成是指配到端點O上的一個特殊的應(yīng)用對象，被所有ZigBee設(shè)備包含，是所有用戶自定義的應(yīng)用對象調(diào)用的一個功能集，包括網(wǎng)絡(luò)角色管理，綁定管理，安全管理等。ZDO負責定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(例如是ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端設(shè)備)、發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定他們提供哪種應(yīng)用服務(wù)，發(fā)現(xiàn)或響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立可靠的關(guān)聯(lián)。安全服務(wù)提供者SSP(Security Service Provider)向NWK層和APS層提供安全服務(wù)。ZigBee協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應(yīng)答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)接口，數(shù)據(jù)SAP(Service Access Point)和管理SAP(Service Access Point)。數(shù)據(jù)服務(wù)接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)，管理服務(wù)接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)主要包括設(shè)備類型，拓撲結(jié)構(gòu)和路由方式三方面的內(nèi)容，ZigBee標準規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器(Router)和終端節(jié)點（End Device）。節(jié)點類型是網(wǎng)絡(luò)層的概念，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓撲形式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲。(1) 協(xié)調(diào)器（Coordinator）在各種拓撲形式的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有且只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，它負責選擇網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡(luò)并將其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、提供信息路由、安全管理和其他服務(wù)。(2) 路由器（Router）當采用樹型和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)時，需要用到路由器節(jié)點，它也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器，是網(wǎng)絡(luò)遠距離延伸的必要部件。它負責發(fā)送和接受節(jié)點自身信息；節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)信息；允許子節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡(luò)。(3) 終端節(jié)點終端節(jié)點的主要任務(wù)就是發(fā)送和接收信息，通常一個終端節(jié)點不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)時可進入休眠狀態(tài)以降低能耗。(1) 星型拓撲星型拓撲是最簡單的拓撲形式，如圖22。圖中包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一些終端節(jié)點。每一個終端節(jié)點只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通訊，在兩個終端節(jié)點之間進行通訊必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，其缺點是節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一路徑。圖22 星形拓撲結(jié)構(gòu)(2)樹型拓撲樹型拓撲結(jié)構(gòu)如圖23。協(xié)調(diào)器可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點，子節(jié)點的路由器節(jié)點也可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點。直接通信只可以在父節(jié)點和子節(jié)點之間進行，非父子關(guān)系的節(jié)點只能間接通信。圖23 樹狀拓撲結(jié)構(gòu)(3)網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)狀拓撲如圖24。網(wǎng)狀拓撲具有靈活路由選擇方式，如果某個路由路徑出現(xiàn)問題，信息可自動沿其他路徑進行傳輸。任意兩個節(jié)點可相互傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)會自動按照ZigBee協(xié)議算法選擇最優(yōu)化路徑，以使網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定，通訊更有效率。圖24 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(Beacon)模式和非信標(Nonbeacon)模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設(shè)備長期處于工作狀態(tài)。在信標模式下，協(xié)調(diào)器負責以一定的間隔時間(一般在15ms4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終端節(jié)點的周期性(周期可設(shè)置)休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network）簡稱WSN，是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳感器一般稱作sensor node（傳感器節(jié)點）或者mote（灰塵）。此種網(wǎng)絡(luò)中一般也有一個或幾個基站(稱作sink)用來集中從小型傳感器收集的數(shù)據(jù)。WSN具有以下特點：1）硬件資源有限。WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協(xié)作分布式信息處理的難題。2）電源容量有限。WSN節(jié)點通過自身攜帶的電他來提供電源，當電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。3）無中心。WSN沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，具有很強的抗毀性。4）自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)。5）多跳（Multihop）路由。WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的。6）動