【文章內(nèi)容簡介】 兩種器件：全功能器件 (FFD)和簡化功能器件基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 8 (RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的 49 個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持 38 個基本參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按 3 種方式工作，分別為：個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。一個 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)最多包括有 255 個 ZigBee 網(wǎng)路節(jié)點，其中一個是主控 (Master)設(shè)備，其余則是從屬 (Slave)設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 (Network Coordinator)，整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過 64000 個 ZigBee 網(wǎng)路節(jié)點，再加上各個 Network Coordinator 可互相連接，整個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。 (5)有效范圍?。河行Ц采w范圍在 10~75m 之間，但是可以擴(kuò)展到數(shù)百米，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 (6)兼容性： ZigBee 技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽 /沖突檢測 (CSMACA)方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。 (7)安全性： ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單 (ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對稱密碼。 AES 可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。 (8)實現(xiàn)成本低：模塊 的初始成本估計在 6 美元左右，很快就能降到 ~美元，且 ZigBee 協(xié)議免專利費用。目前低速低功率的 UWB 芯片組的價格至少為 20 美元。而 ZigBee 的價格目標(biāo)僅為幾美分。 (9)工作頻段靈活：用的頻段分別為 、 868MHZ(歐洲 )及 915MHz(美國 )，均為免執(zhí)照頻段，具有 16 個擴(kuò)頻通信信道。相應(yīng)的， WSN 采取 工作頻段的特性將會更有利于 WSN 的發(fā)展。 ZigBee 技術(shù)的優(yōu)勢 這里將幾種短距離無線通信技術(shù)的性能進(jìn)行比較，為了更加直觀的表述和比較他們，用表 21 進(jìn)行說明。從表中我 們可以看出，無論是 ZigBee 技術(shù)、藍(lán)牙基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 9 技術(shù)、 HomeRF 技術(shù)、 IEEE 技術(shù)、 DECT 技術(shù)，還是超寬帶技術(shù)以及 RFID技術(shù)，他們都有各自的特點，適合于不同的應(yīng)用場合，他們之間存在相互競爭、相互補充，誰也不能替代誰，相信他們在不斷的競爭中，會取長補短，共同發(fā)展，為人們的生活需要提供更快捷、更方便的通信方式。 表 21 幾種短距離無線通信技術(shù)的比較 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用 根據(jù) ZigBee 本身的技術(shù)特點，它主要適用于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資少、網(wǎng)絡(luò)安全要求較高、不便頻繁更換電池或充電的場 合， ZigBee 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括家庭和樓宇自動化、工業(yè)控制、醫(yī)用裝置控制和農(nóng)業(yè)自動化等。 在家庭自動化領(lǐng)域， ZigBee 技術(shù)將擁有廣闊的市場。它可以應(yīng)用于家庭的照明、溫度、安全、控制等各個方面。 ZigBee 模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機(jī)、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家電產(chǎn)品等，例如在燈泡中裝置 ZigBee 模塊，則人們要開燈，就不需要走到墻壁開關(guān)處，直接通過遙控便可開燈。通過 Zigbee 終端設(shè)備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設(shè)備，或是通過遙控達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，提供家居生活自動 化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。 在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。例如危險化學(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預(yù)報，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測和維護(hù)。 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 10 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將借助于各種傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確而且實時地監(jiān)測病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生做出快速的反應(yīng)，特別是對重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)和治療。 在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器可以將土壤濕度、氮濃度、 PH 值、降水量、氣溫、氣壓和采集信息的地理 位置經(jīng)由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制設(shè)備，使農(nóng)民能夠及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 11 3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 (NW K)是位于 MAC 層與應(yīng)用層 (APL)之間的一個協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作 MAC 層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含兩個服務(wù)實體：數(shù)據(jù)服務(wù)實體 (NLDE)和管理服務(wù)實體 (NLME)。 在 ZigBee 協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)新建網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、退出網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)報文的路由傳輸?shù)裙δ堋? 網(wǎng)絡(luò)層的功能 ZigBee 規(guī)范定義的 NWK 層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) (NLDE)和管理服務(wù)(NLME)，其邏輯模型如圖 31 所示。其中 NLDESAP 是 NWK 層提供給 APL 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，用于將 APL 層提供的數(shù)據(jù)打包成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應(yīng)節(jié)點的 NWK 層；或者將接收到的 NWK 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給本節(jié)點的 APL 層。也就是說 NLD ESAP 實現(xiàn)兩個APL層之間的數(shù)據(jù)傳輸： NLM ESAP 是 NWK 層給 APL層提供的管理服務(wù)接口；MCPSSAP 是由 MAC 層提供給 NWK 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口； MLMESAP 是 MAC層提供給 NWK 層的管理服務(wù)接口。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)的主要功能有四個方面：構(gòu)建一個新網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備加入已存在的網(wǎng)絡(luò)；已加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中退出；網(wǎng)絡(luò)報文的路由。 圖 31NWK 層模型 網(wǎng)絡(luò)新建 新建網(wǎng)絡(luò)的功能只能由具有 ZigBee 協(xié)調(diào)者能力的設(shè)備來實現(xiàn)，將其自身初始化為一個新的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者。在接收到上層新建一個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)用后，該基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 12 設(shè)備首先在所指定的信道上掃描。如果上層已經(jīng)確定了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識 PAN ID，那么網(wǎng)絡(luò)層將確保所給 定的 PAN ID 不會與所選擇信道的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò) PAN ID 參數(shù)產(chǎn)生沖突。若發(fā)現(xiàn)存在沖突，那么，如果有可能則從給定的信道中選擇另外一個信道，在這個信道中，所給定的 PAN ID 不與信道中的其他網(wǎng)絡(luò)沖突；如果選擇不到合適的信道，則網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送錯誤標(biāo)志。如果上層未指定 PAN ID，則網(wǎng)絡(luò)層在所選定的信道中選擇與任何已存在網(wǎng)絡(luò)不會沖突的 PAN ID 作為新建網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識。 一旦合適的信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識 PAN ID 確定后，網(wǎng)絡(luò)層將選擇 0x0000 作為 16位的網(wǎng)絡(luò)地址，并通知 MAC 層，設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)地址。這樣在指定信道上的網(wǎng)絡(luò)就建 好了，此時該網(wǎng)絡(luò)中只有協(xié)調(diào)者自身一個節(jié)點。 設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)功能就是通過與已加入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者或路由器設(shè)備建立連接來實現(xiàn)的。當(dāng)設(shè)備與某一網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器連接后，將形成父子關(guān)系，前者為子設(shè)備，后者為父設(shè)備。 設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接的方式有兩種：一種是子設(shè)備主動與指定的 PAN 進(jìn)行連接；另一種是子設(shè)備預(yù)先指定的父設(shè)備主動先將子設(shè)備加入到 PAN 中，而后子設(shè)備再通過孤立點方式加入到 PAN 中。下面對子設(shè)備主動加入網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行闡述。 當(dāng)子設(shè)備接收到加入網(wǎng)絡(luò)命令后，如果子設(shè)備已經(jīng)同網(wǎng)絡(luò)連接，則返回出錯標(biāo) 志，否則嘗試連接其 POS 范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器。具體加入 PAN 的流程如圖 32 所示。 基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 13 圖 32 子設(shè)備連接的基本流程 首先，子設(shè)備要獲取其 POS 范圍內(nèi)具有允許連接能力的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器的地址信息。因而首先發(fā)送信標(biāo)請求命令，其 POS 范圍內(nèi)具有允許連接能力的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者或路由器接收到該命令后都會發(fā)送各自的信標(biāo)幀；在這里采取時間最短的策略，子設(shè)備將加入最先接收到的信標(biāo)所對應(yīng)的 PAN 中。但若一段時間未接收到信標(biāo)，則退出。 在獲取了要加入的父設(shè)備信息后，子設(shè)備向父設(shè)備發(fā)送連接請求命令。父設(shè)備接 收到連接命令后，檢查當(dāng)前資源是否能夠再接收設(shè)備加入 PAN 中。若資源滿足后，父設(shè)備將存儲子設(shè)備地址，并為子設(shè)備分配 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址，同時生成連接響應(yīng)命令幀，向連接請求子設(shè)備發(fā)送有未處理數(shù)據(jù)的 Ack 應(yīng)答幀；若資基于 OPNET 的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無線漫游性能研究 14 源不滿足，則直接發(fā)送無未處理數(shù)據(jù)的 Ack 應(yīng)答幀。 子設(shè)備在一段時間內(nèi)等待接收來自父設(shè)備的 Ack 應(yīng)答幀，接收到后判斷父設(shè)備是否有本設(shè)備的未處理數(shù)據(jù)，若無或在指定時間內(nèi)未接收到 Ack 應(yīng)答幀則退出。 當(dāng)子設(shè)備判斷父設(shè)備有未處理數(shù)據(jù)，則向父設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令；父設(shè)備接收到該命令后，發(fā)送緩存的連接響應(yīng)命令 幀；子設(shè)備接收到后，更新其設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址、 PAN ID、父設(shè)備地址信息等參數(shù)。此時子設(shè)備就完成了加入 PAN 的整個過程。 設(shè)備退出網(wǎng)絡(luò) 對于已連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備主要有兩種從網(wǎng)絡(luò)中斷開連接的方式：子設(shè)備自身主動要求斷開連接；父設(shè)備要求某一子設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中斷開連接。 子設(shè)備自身主動要求斷開連接。子設(shè)備首先檢查自身是否已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)，并且父設(shè)備是否與要斷開連接的對象相同；接著子設(shè)備組織斷開連接請求命令幀，并發(fā)送給父設(shè)備；注意按照 ZigBee 協(xié)議規(guī)定，子設(shè)備在發(fā)送了斷開連接請求命令后，無論父設(shè)備是否做出斷開連接 響應(yīng)，子設(shè)備均將其父設(shè)備信息清空，表示子設(shè)備已經(jīng)從網(wǎng)絡(luò)中退出；當(dāng)父設(shè)備成功接收到斷開連接請求命令時，在其鄰居表中檢查是否存在該子設(shè)備，若存在則將該子設(shè)備從鄰居表中移除。 父設(shè)備要求某一子設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中斷開連接。父設(shè)備首先檢查要斷開連接的對象是否在其鄰居表中，若在則生成斷開連接請求命令幀，并發(fā)送給指定子設(shè)備；與子設(shè)備主動要求斷開連接一樣，無論父設(shè)備是否收到子設(shè)備的應(yīng)答，都將該子設(shè)備從鄰居表中移除；當(dāng)子設(shè)備成功接收到斷開連接命令后，將父設(shè)備信息清空。 網(wǎng)絡(luò)報文的發(fā)送與接收 (l)網(wǎng)絡(luò)報文的發(fā)送 網(wǎng) 絡(luò)報文的發(fā)送相對比較簡單：首先，根據(jù)不同的報文類型封裝相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)報文，其中報文的源地址為本設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址，目的地址為最終的目的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址；再調(diào)用 MAC 層數(shù)據(jù)幀的封裝函數(shù)組織