【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 s， 40 kbit / s 和 250 kbit／ s。 三個(gè)頻段一共 定義了 27 個(gè)物理信道 ，每 個(gè)頻段 上的物理信道數(shù)目不同， 這當(dāng)中包括 868MHz 頻段中 定義 了 的 一個(gè) 0 號(hào)信道 ， 915MHz 頻段在 每間隔 2MHz 定義 的 110 號(hào)信 道 ， 頻段定義 了 剩余5MHz 間隔 的 16 個(gè)信 道。物理層 承擔(dān)了底層較多的功能，包括 無(wú)線電收發(fā)機(jī)的 休眠和激活 、鏈接質(zhì)量指示 (LQI)、通信過程中對(duì)信道能量的掃描和檢測(cè) (ED)、 基于免 碰撞 載波 偵聽 多路訪問機(jī)制 （ CSMACA） 對(duì)空閑信道評(píng)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(shù)的傳感器無(wú)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(wù) :數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) (MCPS)和數(shù)據(jù)管理服務(wù)(MLME)。 在 MAC 層的功能主要包括：同步設(shè)備，設(shè)備的維護(hù)和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以生成并發(fā) 送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，為 設(shè)備 提供支持服務(wù)的安全性，使用 CSMACA 機(jī)制訪問模式的渠道，兩 個(gè) 等價(jià) MAC 層實(shí)體之間 建立 可靠的通信鏈路，維護(hù)處理保護(hù)時(shí)隙（ GTS）機(jī)制 [9]。 MAC 幀格式主要 分為三個(gè)部分 :MAC 幀頭 ， MAC 幀負(fù)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(zhǎng)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(hào)域的長(zhǎng)度為 8 bits，給 幀 賦予了獨(dú)一 的序列標(biāo)識(shí)號(hào) ，僅僅在 確認(rèn) 該 幀序列號(hào)與 前一次 傳輸數(shù)據(jù)幀的序列號(hào) 相同的情況下 時(shí) ，方能 判斷 成功完成 數(shù)據(jù) 傳輸業(yè)務(wù)。目的 PAN 標(biāo)示符 規(guī)定 為 16 bits，作為 標(biāo)識(shí)接收幀設(shè)備的網(wǎng)絡(luò) 特定 標(biāo)識(shí)符 ， 只有標(biāo)識(shí)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(zhǎng)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(luò)地址 )，確定 接收方基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線信息采集 9 的網(wǎng)絡(luò)地址 [11]。 0xFFFF 表示的 是廣播短地址 ，能夠 被當(dāng)前頻道中的所有設(shè)備 所 接收。源 PAN 標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度為 16bits，標(biāo)識(shí)出 當(dāng)前 數(shù)據(jù)發(fā)出 幀設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)唯一標(biāo)識(shí)符。設(shè)備源地址域是用 16 位或者 64 位 網(wǎng)絡(luò) 地址 標(biāo)識(shí)出 發(fā)出數(shù)據(jù)的設(shè)備地址 。 凈荷是待發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地方 ， 其長(zhǎng)度 隨著 幀 的 類型和 將要 發(fā)送數(shù)據(jù) 包 的 長(zhǎng)度的 變化 二變化 。幀校驗(yàn)域是一個(gè) 16 位 、采用 循環(huán)冗余 方式進(jìn)行 校驗(yàn) ， 通過 MAC 幀頭和MAC 凈荷計(jì)算得到的。 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的功能是建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的連接、同時(shí)決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(luò)層處于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的MAC 層 之上 ，擁有 一個(gè)重要接口 ， 其上是應(yīng)用層 ， 網(wǎng)絡(luò)層具有承上啟下的作用 ，是學(xué)習(xí) ZigBee 技術(shù) 以及 協(xié)議棧 協(xié)議 的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)層 通過 數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 (NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體 (NLME)完成 這一層的功能 ，實(shí)現(xiàn) 與應(yīng)用層可靠安全的信息交換， 進(jìn)行更好的通信。網(wǎng)絡(luò)層參的考模型如圖 所示。 圖 網(wǎng)絡(luò)層的參考模型 數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體 （ NLDE） 主要提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) ， 允許一個(gè)設(shè)備傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元給 位 于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)或者多個(gè)設(shè)備。數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體可以提供通信路由和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸業(yè)務(wù)。管理服務(wù) 實(shí)體 (NLME)的主要服務(wù)是交互式基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線信息采集 10 應(yīng)用程序和協(xié)議棧的操作管理，服務(wù)是通過管理服務(wù)訪問點(diǎn)完成。它主要提供管理服務(wù)包括：新 建 網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)屬性配置，路由發(fā)現(xiàn)，訪問或斷開網(wǎng)絡(luò)，尋址，鄰居發(fā)現(xiàn) 設(shè)備 ，接收控制，傳輸控制 [12]。 應(yīng)用層 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中 ， 應(yīng)用層是最高的協(xié)議層。應(yīng)用層 由 3部分構(gòu)成， 第一部分是應(yīng)用支持子層 ，提供 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的接口 ， 應(yīng)用支持子層參考模型如圖 示。第二部分是用戶應(yīng)用程序 ，開發(fā)者 需要自己定義 ， 第三部分是 ZigBee設(shè)備配置層 ，具備 定義處理描述符信息的功能。其中 ， 應(yīng)用層 一個(gè)重要的功能是 高級(jí)協(xié)議棧管理 ，用以 協(xié)議棧管理。用戶應(yīng)用程序由用戶根據(jù)需要添加程序代 碼。 圖 應(yīng)用支持子層參考模型 ZigBee 設(shè)備配置層的功能是完成 ZigBee 配置服務(wù) ，定義描述符并對(duì)它的請(qǐng)求進(jìn)行處理。其中，定 義了 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO），它為設(shè)備提供綁定服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)備可以通過 ZigBee 設(shè)備對(duì)象接口請(qǐng)求任何標(biāo)準(zhǔn)的描述符信息， ZDO 會(huì)調(diào)用配置對(duì)象獲取相應(yīng)的描述符值 [13]。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象位于應(yīng)用框架中的端點(diǎn) 0 上。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序是用戶 自由 定義的應(yīng)用對(duì)象 ，每個(gè) 應(yīng)用對(duì)象 分別 對(duì)應(yīng)一個(gè)序號(hào)范圍為 1240 的 端點(diǎn) ， 這樣一個(gè)應(yīng)用框架就構(gòu)成了 。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線信息采集 11 第 3 章 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范 除了 對(duì) MAC 層的正確 控制， 網(wǎng)絡(luò)層的主要提供的功能 是 為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。 網(wǎng)絡(luò)層提供了兩種功能服務(wù)實(shí)體包括數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理 服務(wù)實(shí)體用以向應(yīng)用層提供服務(wù)接口，兩種功能的服務(wù)實(shí)體都是不可或缺的 [14]。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式 低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（ LRWPAN）是基于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議發(fā)展而來(lái)的，IEEE 協(xié)議中有兩種設(shè)備類型，稱之為完整功能設(shè)備（ FFD）以及精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ RFD）。 FFD 具備 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的全部功能，隨時(shí)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意任務(wù)角色。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備， IEEE 和 ZigBee 聯(lián)盟所指定的標(biāo)準(zhǔn)有所不同，因而定義方法和規(guī)范術(shù)語(yǔ)也有所差異。 如圖 所示， FFD 作為一個(gè)功能齊全的設(shè)備，完全可以作為一個(gè)功能 IEEE 協(xié)議 ，而 RFD 作為精簡(jiǎn)功能設(shè)備具備 IEEE 協(xié)議規(guī)定功能的部分。網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)設(shè)備都擔(dān)任著不同的角色，個(gè)域網(wǎng)（ PAN）把設(shè)備被分為 PAN 協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器以及一般設(shè)備。 PAN 協(xié)調(diào)器是 PAN 網(wǎng)絡(luò)的總控制器，它在一個(gè) PAN 網(wǎng)絡(luò)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(biāo)完成同步服務(wù)功能， PAN協(xié)調(diào)器是協(xié)調(diào)器中的特例。 IEEE 網(wǎng)絡(luò)中除 PAN 協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器之外的其他所有設(shè)備 均是一般設(shè)備，可以是 FFD 或者 RFD。 RFD 由于自身功能受限，完成的任務(wù)也相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于設(shè)備本身存儲(chǔ)能力要求也低，不需要它提供大量信息傳輸?shù)姆?wù)，只要保證在同一時(shí)刻和一個(gè) FFD 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，保障信息傳輸。一個(gè) FFD可以和其余的任意設(shè)備通信，無(wú)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(shè)備分別稱作“ ZigBee 協(xié)調(diào)器”、“ ZigBee 路由器”、“ ZigBee 終端設(shè)備” [15]。 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線信息采集 12 圖 IEEE 和 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)中 設(shè)備角色 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是在網(wǎng)絡(luò)層的功能實(shí)現(xiàn)下形成的，提供了兩種拓?fù)淠Ｐ停盒切屯負(fù)浠螯c(diǎn)對(duì)點(diǎn)型拓?fù)?[16]。無(wú)論是星形拓?fù)溥€是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型拓?fù)洌?ZigBee 網(wǎng)絡(luò)均是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的 ZigBee 協(xié)調(diào)器（ PAN 協(xié)調(diào)器）所實(shí)現(xiàn)的功能與WiFi網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)（ AP）完全不同 [17]，這里的 ZigBee 協(xié)調(diào)器只是個(gè) FFD，起到網(wǎng)絡(luò)中心控制的作用，它不僅是為對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，還可以有自己的應(yīng)用 [18]。ZigBee 協(xié)調(diào) 器 ，只是根據(jù) 無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需要 ，同扮演 ZigBee 路由器以及 ZigBee終端設(shè)備角色的 FFD 就功能上而言沒有什么區(qū)別。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)變化時(shí)，其他FFD 也能在這個(gè)時(shí)候充當(dāng) ZigBee 協(xié)調(diào)器的角色，完成控制中心的任務(wù)。同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)設(shè)備都會(huì)被分配一個(gè) 64 位的網(wǎng)路地址用以網(wǎng)絡(luò)間設(shè)備的互相通信，事實(shí)上， PAN 協(xié)調(diào)器也會(huì)為網(wǎng)內(nèi)設(shè)備提供一個(gè) 16 位的短地址，這樣的話，設(shè)備間同樣可以使用短地址互相通信。每個(gè) PAN 之間都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí) ID，通過這樣的標(biāo)識(shí) ID，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間就可以互相識(shí)別，并且利用短地址就可以進(jìn)行通信，提高了傳輸效率，如果兩個(gè) PAN 使用了同一個(gè)標(biāo)識(shí) ID，分屬于兩個(gè)不同 PAN 內(nèi)的并且在通信范 圍內(nèi)的設(shè)備也會(huì)進(jìn)行通訊，這種情況是需要避免的 [19]。 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 所示的為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)設(shè)備都只能和 PAN 協(xié)調(diào)器通信，星型網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)典型案例便是一個(gè) FFD 作為 PAN 協(xié)調(diào)器啟動(dòng)，并形成自己的網(wǎng)絡(luò)，該 PAN 協(xié)調(diào)器所要完成的首要任務(wù)就是選擇唯一的 PAN 標(biāo)識(shí)符， 唯一的反映 是標(biāo)識(shí)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(shè)備的射頻能基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線信息采集 13 夠成功的和其他射頻進(jìn)行通信的區(qū)域 [20]。簡(jiǎn)單的說，它的目的在于避免 PAN 標(biāo)識(shí)符與周圍網(wǎng)絡(luò)所使用的重復(fù)。 圖 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如圖 ，如果兩個(gè)設(shè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)型網(wǎng)絡(luò)中，任何FFD 都能夠承擔(dān) PAN 協(xié)調(diào)器的角色，完成 PAN 協(xié)調(diào)器控制中心的任務(wù)。確定哪個(gè)設(shè)備是 PAN 協(xié)調(diào)器的方法之一是看哪個(gè) FFD 設(shè)備是最早作為 PAN 協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊的。由于 RFD 不具備轉(zhuǎn)發(fā)信息的功能，所以在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)信息功能的設(shè)備全部為 FFD[21]。 然而， RFD 也可以成為網(wǎng)絡(luò)的一部分，一種特殊的 設(shè)備 ，它只在網(wǎng)絡(luò)（協(xié)調(diào) 器 或路由器）通信。 圖 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線信息采集 14 如果在互相通訊的節(jié)點(diǎn)設(shè)備間限制條件，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)就能夠形成不同的形狀，假如沒有局限，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)就成了圖 所示的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 另一種形式的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖 ）， 由 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 建立 初始網(wǎng)絡(luò) ， ZigBee 路由器組成 了 分支 完成消息 轉(zhuǎn)發(fā)，而 ZigBee終端設(shè)備為葉節(jié)點(diǎn)不 執(zhí)行 消息路由的任務(wù) 。ZigBee 路由協(xié)助 ZigBee 協(xié)調(diào)器完成初始網(wǎng)絡(luò)的建立以及擴(kuò)展。 圖 也展示了利用 ZigBee 路由器對(duì)消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)能夠有效地?cái)U(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的范圍，以至于繞過障礙 物，例如：設(shè)備 A 和 B 間存在著障礙物，設(shè)備 A 要向 B 發(fā)送一條信息，然而信號(hào)難以穿透障礙物，兩個(gè)設(shè)備間無(wú)法完成通信。這時(shí)樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)能夠通過路由器對(duì)消息的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)繞過障礙物，使消息最終到達(dá)設(shè)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(shè)備出發(fā)，經(jīng)過一節(jié)點(diǎn)跳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)直至目的設(shè)備為止。不過，更廣闊的范圍必然帶來(lái)潛在的消息延遲。 圖 ZigBee 樹型拓?fù)? 不論網(wǎng)絡(luò)基于什么樣的拓?fù)湫问?，一個(gè)完整的 ZigBee 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)總是由一個(gè) PAN 協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建， PAN 協(xié)調(diào)器控制網(wǎng)絡(luò)并執(zhí)行以下職責(zé)： (1) 為所有網(wǎng)內(nèi)設(shè) 備分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址（ 16 位或 64 位）； (2) 初始化、終止、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)的消息； 基于 ZigBee 技術(shù)的傳感器無(wú)線信息采集 15 (3) 率先給 網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)唯一的 PAN 標(biāo)識(shí)符 。這個(gè) PAN 標(biāo)識(shí)符使得網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以使用 16 位短地址來(lái)和網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通信。 網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)規(guī)范 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù) (MCPS) NLDESAP 的使命是在同一水平 的 應(yīng)用實(shí)體 間 提供傳輸?shù)膽?yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ APDU）服務(wù) [22]。 NLDESAP 支持的原語(yǔ)包括 nldedata 請(qǐng)求、證實(shí)和指示原語(yǔ)。 (1) NWK 數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ) NWK 數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ) 請(qǐng)求把一個(gè) APDU（ NSDU）從本地 APS子層傳送到一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的 APS 子層實(shí)體。當(dāng)有 APUD（即 NSDU）需要傳送到對(duì)等 APS 子層實(shí)體時(shí)，本地 APS 子層實(shí)體就產(chǎn)生該原語(yǔ)。 (2)NWK 數(shù)據(jù)證實(shí)原語(yǔ) NWK 數(shù)據(jù)證實(shí)原語(yǔ) 用來(lái)報(bào)告請(qǐng)求從本地 APS 子層實(shí)體向?qū)Φ鹊?APS 子層實(shí)體發(fā)送 NSDU 結(jié)果。該原語(yǔ)由本地 NLDE 產(chǎn)生，作為接收到的 后的響應(yīng)。 (3)NWK 數(shù)據(jù)指示原語(yǔ) NWK 數(shù)據(jù)指示原語(yǔ) 指示一個(gè)數(shù)據(jù) PDU（ NSDU）從 NWK傳送到本地 APS 子層實(shí)體。 NLDE 收到來(lái)自 MAC 層實(shí)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(yǔ)。 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù) (MLME) 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)是由 NLME 提供， 允許應(yīng)用程序和 堆棧 作用 [23]。 NLME 實(shí)體 需提供以下服務(wù) ： (1) 配置新入網(wǎng)設(shè)備：設(shè)備應(yīng)當(dāng)由足夠的堆棧用來(lái)確保正常工作，除此之外，在配置選項(xiàng)中包含初始化 ZigBee 協(xié)調(diào)器的操作和完成對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的連接。 (2) 初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò) ：使之具有建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的能力。 (3) 連接或離開網(wǎng)絡(luò)：具備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制能力包括連接和離開，以及具備為組建一個(gè)