【文章內(nèi)容簡介】 s， 40 kbit / s 和 250 kbit／ s。 三個頻段一共 定義了 27 個物理信道 ，每 個頻段 上的物理信道數(shù)目不同， 這當中包括 868MHz 頻段中 定義 了 的 一個 0 號信道 ， 915MHz 頻段在 每間隔 2MHz 定義 的 110 號信 道 ， 頻段定義 了 剩余5MHz 間隔 的 16 個信 道。物理層 承擔了底層較多的功能，包括 無線電收發(fā)機的 休眠和激活 、鏈接質(zhì)量指示 (LQI)、通信過程中對信道能量的掃描和檢測 (ED)、 基于免 碰撞 載波 偵聽 多路訪問機制 （ CSMACA） 對空閑信道評估、信道頻率選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收 [8]。 MAC 層 基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 8 圖 MAC 層參考模型 MAC 層協(xié)議 規(guī)范 提供兩種服務 :數(shù)據(jù)傳輸服務 (MCPS)和數(shù)據(jù)管理服務(MLME)。 在 MAC 層的功能主要包括：同步設備，設備的維護和信標網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可以生成并發(fā) 送網(wǎng)絡信標，為 設備 提供支持服務的安全性，使用 CSMACA 機制訪問模式的渠道，兩 個 等價 MAC 層實體之間 建立 可靠的通信鏈路，維護處理保護時隙（ GTS）機制 [9]。 MAC 幀格式主要 分為三個部分 :MAC 幀頭 ， MAC 幀負載和MAC 幀尾。其具體結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 圖 MAC 幀的通用格式 幀控制域長度為 16 bits，規(guī)定了 幀類型、目的地址模式 以及 源地址模式等 [10]。序列號域的長度為 8 bits，給 幀 賦予了獨一 的序列標識號 ，僅僅在 確認 該 幀序列號與 前一次 傳輸數(shù)據(jù)幀的序列號 相同的情況下 時 ，方能 判斷 成功完成 數(shù)據(jù) 傳輸業(yè)務。目的 PAN 標示符 規(guī)定 為 16 bits，作為 標識接收幀設備的網(wǎng)絡 特定 標識符 ， 只有標識符 相吻合的情況下 才能正確接收該幀。 地址域中 目的地址的長度為 16 或 64 bits，利用 幀控制 域 中 規(guī)定的 目的地址 方式 (16 位短地址或 64 位網(wǎng)絡地址 )，確定 接收方基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 9 的網(wǎng)絡地址 [11]。 0xFFFF 表示的 是廣播短地址 ，能夠 被當前頻道中的所有設備 所 接收。源 PAN 標識符長度為 16bits，標識出 當前 數(shù)據(jù)發(fā)出 幀設備的網(wǎng)絡唯一標識符。設備源地址域是用 16 位或者 64 位 網(wǎng)絡 地址 標識出 發(fā)出數(shù)據(jù)的設備地址 。 凈荷是待發(fā)送數(shù)據(jù)存儲的地方 ， 其長度 隨著 幀 的 類型和 將要 發(fā)送數(shù)據(jù) 包 的 長度的 變化 二變化 。幀校驗域是一個 16 位 、采用 循環(huán)冗余 方式進行 校驗 ， 通過 MAC 幀頭和MAC 凈荷計算得到的。 網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層的功能是建立網(wǎng)絡、維護 ZigBee 網(wǎng)絡的連接、同時決定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的模型。從 ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)上 得知，網(wǎng)絡層處于 IEEE 標準的MAC 層 之上 ，擁有 一個重要接口 ， 其上是應用層 ， 網(wǎng)絡層具有承上啟下的作用 ，是學習 ZigBee 技術 以及 協(xié)議棧 協(xié)議 的關鍵。網(wǎng)絡層 通過 數(shù)據(jù)服務實體 (NLDE)和管理服務實體 (NLME)完成 這一層的功能 ，實現(xiàn) 與應用層可靠安全的信息交換， 進行更好的通信。網(wǎng)絡層參的考模型如圖 所示。 圖 網(wǎng)絡層的參考模型 數(shù)據(jù)服務實體 （ NLDE） 主要提供數(shù)據(jù)傳輸服務 ， 允許一個設備傳輸應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元給 位 于同一個網(wǎng)絡中的另一個或者多個設備。數(shù)據(jù)服務實體可以提供通信路由和網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸業(yè)務。管理服務 實體 (NLME)的主要服務是交互式基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 10 應用程序和協(xié)議棧的操作管理，服務是通過管理服務訪問點完成。它主要提供管理服務包括：新 建 網(wǎng)絡，節(jié)點屬性配置，路由發(fā)現(xiàn)，訪問或斷開網(wǎng)絡，尋址，鄰居發(fā)現(xiàn) 設備 ，接收控制，傳輸控制 [12]。 應用層 在 ZigBee 網(wǎng)絡中 ， 應用層是最高的協(xié)議層。應用層 由 3部分構(gòu)成， 第一部分是應用支持子層 ，提供 網(wǎng)絡層和應用層的接口 ， 應用支持子層參考模型如圖 示。第二部分是用戶應用程序 ，開發(fā)者 需要自己定義 ， 第三部分是 ZigBee設備配置層 ，具備 定義處理描述符信息的功能。其中 ， 應用層 一個重要的功能是 高級協(xié)議棧管理 ，用以 協(xié)議棧管理。用戶應用程序由用戶根據(jù)需要添加程序代 碼。 圖 應用支持子層參考模型 ZigBee 設備配置層的功能是完成 ZigBee 配置服務 ，定義描述符并對它的請求進行處理。其中，定 義了 ZigBee 設備對象（ ZDO），它為設備提供綁定服務，遠程設備可以通過 ZigBee 設備對象接口請求任何標準的描述符信息， ZDO 會調(diào)用配置對象獲取相應的描述符值 [13]。 ZigBee 設備對象位于應用框架中的端點 0 上。ZigBee 網(wǎng)絡的應用程序是用戶 自由 定義的應用對象 ，每個 應用對象 分別 對應一個序號范圍為 1240 的 端點 ， 這樣一個應用框架就構(gòu)成了 。 基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 11 第 3 章 ZigBee 網(wǎng)絡層規(guī)范 除了 對 MAC 層的正確 控制， 網(wǎng)絡層的主要提供的功能 是 為應用層提供合適的服務接口。 網(wǎng)絡層提供了兩種功能服務實體包括數(shù)據(jù)服務實體和管理 服務實體用以向應用層提供服務接口，兩種功能的服務實體都是不可或缺的 [14]。 ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)方式 低速無線個域網(wǎng)（ LRWPAN）是基于 IEEE 標準協(xié)議發(fā)展而來的，IEEE 協(xié)議中有兩種設備類型，稱之為完整功能設備（ FFD）以及精簡功能設備（ RFD）。 FFD 具備 IEEE 標準中規(guī)定的全部功能，隨時擔當網(wǎng)絡中任意任務角色。對于網(wǎng)絡中的設備， IEEE 和 ZigBee 聯(lián)盟所指定的標準有所不同，因而定義方法和規(guī)范術語也有所差異。 如圖 所示， FFD 作為一個功能齊全的設備，完全可以作為一個功能 IEEE 協(xié)議 ，而 RFD 作為精簡功能設備具備 IEEE 協(xié)議規(guī)定功能的部分。網(wǎng)絡中，每一個設備都擔任著不同的角色，個域網(wǎng)（ PAN）把設備被分為 PAN 協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器以及一般設備。 PAN 協(xié)調(diào)器是 PAN 網(wǎng)絡的總控制器，它在一個 PAN 網(wǎng)絡中僅能出現(xiàn)一次，而且必須是 FFD。協(xié)調(diào)器同樣也是 FFD，通過發(fā)送信標完成同步服務功能， PAN協(xié)調(diào)器是協(xié)調(diào)器中的特例。 IEEE 網(wǎng)絡中除 PAN 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器之外的其他所有設備 均是一般設備，可以是 FFD 或者 RFD。 RFD 由于自身功能受限，完成的任務也相對簡單，對于設備本身存儲能力要求也低，不需要它提供大量信息傳輸?shù)姆?，只要保證在同一時刻和一個 FFD 進行關聯(lián)，保障信息傳輸。一個 FFD可以和其余的任意設備通信，無論 FFD 或者 RFD，但是 RFD 卻只能和 FFD 通信。ZigBee 聯(lián)盟所發(fā)布的規(guī)范中設備分別稱作“ ZigBee 協(xié)調(diào)器”、“ ZigBee 路由器”、“ ZigBee 終端設備” [15]。 基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 12 圖 IEEE 和 ZigBee 標準中 設備角色 ZigBee 網(wǎng)絡是在網(wǎng)絡層的功能實現(xiàn)下形成的，提供了兩種拓撲模型：星型拓撲或點對點型拓撲 [16]。無論是星形拓撲還是點對點型拓撲， ZigBee 網(wǎng)絡均是無基礎設施的網(wǎng)絡。 ZigBee 網(wǎng)絡中的 ZigBee 協(xié)調(diào)器（ PAN 協(xié)調(diào)器）所實現(xiàn)的功能與WiFi網(wǎng)絡中的接入點（ AP）完全不同 [17]，這里的 ZigBee 協(xié)調(diào)器只是個 FFD，起到網(wǎng)絡中心控制的作用，它不僅是為對網(wǎng)絡進行控制，還可以有自己的應用 [18]。ZigBee 協(xié)調(diào) 器 ，只是根據(jù) 無線 網(wǎng)絡建設的需要 ，同扮演 ZigBee 路由器以及 ZigBee終端設備角色的 FFD 就功能上而言沒有什么區(qū)別。當網(wǎng)絡狀態(tài)出現(xiàn)變化時，其他FFD 也能在這個時候充當 ZigBee 協(xié)調(diào)器的角色，完成控制中心的任務。同一個網(wǎng)絡中，每一個設備都會被分配一個 64 位的網(wǎng)路地址用以網(wǎng)絡間設備的互相通信，事實上， PAN 協(xié)調(diào)器也會為網(wǎng)內(nèi)設備提供一個 16 位的短地址，這樣的話，設備間同樣可以使用短地址互相通信。每個 PAN 之間都有一個唯一的標識 ID，通過這樣的標識 ID，網(wǎng)內(nèi)設備之間就可以互相識別，并且利用短地址就可以進行通信，提高了傳輸效率，如果兩個 PAN 使用了同一個標識 ID，分屬于兩個不同 PAN 內(nèi)的并且在通信范 圍內(nèi)的設備也會進行通訊，這種情況是需要避免的 [19]。 星型拓撲結(jié)構(gòu) 圖 所示的為星型拓撲結(jié)構(gòu)，每一個設備都只能和 PAN 協(xié)調(diào)器通信，星型網(wǎng)絡的一個典型案例便是一個 FFD 作為 PAN 協(xié)調(diào)器啟動，并形成自己的網(wǎng)絡，該 PAN 協(xié)調(diào)器所要完成的首要任務就是選擇唯一的 PAN 標識符， 唯一的反映 是標識符 的 選擇 在 RF 覆蓋范圍 內(nèi)沒有 被使 用， 而 RF 覆蓋范圍則是指設備的射頻能基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 13 夠成功的和其他射頻進行通信的區(qū)域 [20]。簡單的說，它的目的在于避免 PAN 標識符與周圍網(wǎng)絡所使用的重復。 圖 星型拓撲結(jié)構(gòu) 點對點型拓撲結(jié)構(gòu) 在點對點型拓撲結(jié)構(gòu)中，如圖 ，如果兩個設備相距足夠近，從而可以成功的建立通信鏈接的話，那么他們之間就可以直接通信。在點對點型網(wǎng)絡中，任何FFD 都能夠承擔 PAN 協(xié)調(diào)器的角色，完成 PAN 協(xié)調(diào)器控制中心的任務。確定哪個設備是 PAN 協(xié)調(diào)器的方法之一是看哪個 FFD 設備是最早作為 PAN 協(xié)調(diào)器進行通訊的。由于 RFD 不具備轉(zhuǎn)發(fā)信息的功能，所以在點對點網(wǎng)絡中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)信息功能的設備全部為 FFD[21]。 然而， RFD 也可以成為網(wǎng)絡的一部分，一種特殊的 設備 ，它只在網(wǎng)絡（協(xié)調(diào) 器 或路由器）通信。 圖 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu) 基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 14 如果在互相通訊的節(jié)點設備間限制條件，點對點網(wǎng)絡就能夠形成不同的形狀，假如沒有局限，點對點網(wǎng)絡就成了圖 所示的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。 另一種形式的網(wǎng)絡是一個樹的拓撲結(jié)構(gòu)（圖 ）， 由 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 建立 初始網(wǎng)絡 ， ZigBee 路由器組成 了 分支 完成消息 轉(zhuǎn)發(fā)，而 ZigBee終端設備為葉節(jié)點不 執(zhí)行 消息路由的任務 。ZigBee 路由協(xié)助 ZigBee 協(xié)調(diào)器完成初始網(wǎng)絡的建立以及擴展。 圖 也展示了利用 ZigBee 路由器對消息進行轉(zhuǎn)發(fā)能夠有效地擴大網(wǎng)絡的范圍，以至于繞過障礙 物，例如：設備 A 和 B 間存在著障礙物，設備 A 要向 B 發(fā)送一條信息，然而信號難以穿透障礙物，兩個設備間無法完成通信。這時樹狀拓撲網(wǎng)絡能夠通過路由器對消息的轉(zhuǎn)發(fā)來繞過障礙物，使消息最終到達設備 B。這種方式也被叫做多跳，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元從源設備出發(fā)，經(jīng)過一節(jié)點跳到下一個節(jié)點直至目的設備為止。不過，更廣闊的范圍必然帶來潛在的消息延遲。 圖 ZigBee 樹型拓撲 不論網(wǎng)絡基于什么樣的拓撲形式，一個完整的 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡總是由一個 PAN 協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建， PAN 協(xié)調(diào)器控制網(wǎng)絡并執(zhí)行以下職責： (1) 為所有網(wǎng)內(nèi)設 備分配唯一的網(wǎng)絡地址（ 16 位或 64 位）； (2) 初始化、終止、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡的消息； 基于 ZigBee 技術的傳感器無線信息采集 15 (3) 率先給 網(wǎng)絡分配一個唯一的 PAN 標識符 。這個 PAN 標識符使得網(wǎng)絡中的設備可以使用 16 位短地址來和網(wǎng)絡中的其他設備通信。 網(wǎng)絡層服務規(guī)范 網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)服務 (MCPS) NLDESAP 的使命是在同一水平 的 應用實體 間 提供傳輸?shù)膽脜f(xié)議數(shù)據(jù)單元（ APDU）服務 [22]。 NLDESAP 支持的原語包括 nldedata 請求、證實和指示原語。 (1) NWK 數(shù)據(jù)請求原語 NWK 數(shù)據(jù)請求原語 請求把一個 APDU（ NSDU）從本地 APS子層傳送到一個或多個節(jié)點的 APS 子層實體。當有 APUD（即 NSDU）需要傳送到對等 APS 子層實體時，本地 APS 子層實體就產(chǎn)生該原語。 (2)NWK 數(shù)據(jù)證實原語 NWK 數(shù)據(jù)證實原語 用來報告請求從本地 APS 子層實體向?qū)Φ鹊?APS 子層實體發(fā)送 NSDU 結(jié)果。該原語由本地 NLDE 產(chǎn)生，作為接收到的 后的響應。 (3)NWK 數(shù)據(jù)指示原語 NWK 數(shù)據(jù)指示原語 指示一個數(shù)據(jù) PDU（ NSDU）從 NWK傳送到本地 APS 子層實體。 NLDE 收到來自 MAC 層實體的正確尋址數(shù)據(jù)幀后就像 APS 子層發(fā)送該指示原語。 網(wǎng)絡層管理服務 (MLME) 網(wǎng)絡管理服務是由 NLME 提供， 允許應用程序和 堆棧 作用 [23]。 NLME 實體 需提供以下服務 ： (1) 配置新入網(wǎng)設備：設備應當由足夠的堆棧用來確保正常工作，除此之外，在配置選項中包含初始化 ZigBee 協(xié)調(diào)器的操作和完成對現(xiàn)有網(wǎng)絡的連接。 (2) 初始化一個網(wǎng)絡 ：使之具有建立一個新網(wǎng)絡的能力。 (3) 連接或離開網(wǎng)絡：具備對網(wǎng)絡的控制能力包括連接和離開，以及具備為組建一個