【正文】 終端設(shè)備ZE與協(xié)調(diào)器ZC之間的通訊。分布式地址分配機制，主要基于nwkMaxDepth、nwkMaxehildren及nwkMaxRouters三個參數(shù)，如下表所示：表210 地址分配算法參數(shù)表[5]參數(shù)名稱簡稱描述nwkMaxDepthLm網(wǎng)絡(luò)的最大深度nwkMaxehildrenCm表示一個父節(jié)點的最大子節(jié)點數(shù)，包括路由或終端子節(jié)點nwkMaxRoutersRm父節(jié)點允許的路由子節(jié)點的最大個數(shù)由這三個參數(shù)，得出每層的潛在父節(jié)點（ZR）地址偏移值Cskip（d），d表示深度，Cskip(d)表示d+l層的潛在父節(jié)點間的地址偏移量，也就是潛在父節(jié)點所能擁有的地址塊尺寸大小。網(wǎng)絡(luò)地址是在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，由其父節(jié)點分配給它。表29 NWK 命令幀[5]命令幀標(biāo)識符命令幀0x01路徑請求0x02路徑應(yīng)答0x03路徑錯誤0x04離開網(wǎng)絡(luò)0x00,0x050xFF保留 組網(wǎng)管理組網(wǎng)管理所涉及到的NWK層功能如下：a、PAN協(xié)調(diào)器（PANCoordinator）負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)；b、PAN協(xié)調(diào)器和路由器需允許設(shè)備加入和離開網(wǎng)絡(luò)；c、PAN協(xié)調(diào)器和路由器負責(zé)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址的分配及鄰接表的維護；d、網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備，都需具備申請加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的功能。命令幀：其NWK負荷域第一個字節(jié)為NWK命令標(biāo)識符，其后為長度可變的NWK命令負荷。獨立的幀類型格式NWK幀包括數(shù)據(jù)幀和命令幀。e、路由半徑域：指出該幀的最大傳輸半徑覆蓋范圍，每被設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)一次，該值就減1，當(dāng)值為0時，該幀不再被轉(zhuǎn)發(fā)。格式如下圖：表26 通用的NWK 幀格式[5]字節(jié)：22211長度可變幀控制域目標(biāo)端設(shè)備地址源端設(shè)備地址路由半徑序列號幀數(shù)據(jù)單元路由信息域NWK頭NWK 負荷說明：a、幀頭的幀控制域含：幀類型，協(xié)議版本，路徑搜索及安全位四個子域。幀頭包括幀控制域和路由信息域，其 中路由信息域含目標(biāo)端設(shè)備地址，源端設(shè)備地址，路由半徑及序列號四部分。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）位于媒體訪問控制層（MAC）和應(yīng)用層（APL）之間，主 要功能如下： a、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）處理； b、信息路由； c、組網(wǎng)管理； NPDU 數(shù)據(jù)單元處理 NWK 幀分為數(shù)據(jù)幀和命令幀。orphan信道掃描過程，節(jié)點首先發(fā)送orphan notification命令幀，只有原父節(jié)點聽到該幀后才會反饋coordinator realignment命令幀，這一過程只允許在aResponsewaitTime時間內(nèi)完成。3） 、orphan掃描當(dāng)節(jié)點與自己的父節(jié)點失去聯(lián)系，它就需要使用orphan掃描嘗試重新建立與原關(guān)聯(lián)父節(jié)點的聯(lián)系。主要用于起動網(wǎng)絡(luò)時避免PANID沖突，及設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)選擇一最 佳父節(jié)點加入。待phyChannelssupported中的所有信道全部測試完畢，告知此次ED掃描狀態(tài)結(jié)果。每個信道的掃描過程是先設(shè)置信道號，然后對該信道進行多次ED測試，直到耗盡最長時間aBasesuperframeDuration*（Zn+l）（n是MLM ），然后將此次所有測試的最大ED值記錄下來，作為該信道的ED測量值。圖24 有應(yīng)答的成功數(shù)據(jù)傳輸[1]MAC層的各種掃描MAC層向上層提供了三種掃描：a、ED（EnergyDetect）掃描：用于PAN建立前選擇合適信道的信道；b、Active掃描：用于獲取物理通訊范圍內(nèi)所有父節(jié)點信標(biāo)幀的信道；c、orphan掃描：用于與父節(jié)點失去聯(lián)系的節(jié)點重新建立關(guān)聯(lián)；1）、ED掃描ED信道掃描，即對目標(biāo)信道中接收信號的功率強度測量，以得出指定信道現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的活躍程度。若發(fā)送端在定時器超時之前接收到該應(yīng)答幀，確認其序列號與原幀相同后，停止該定時器計數(shù)，并向上層反饋一成功確認，否則，若發(fā)送端沒有在有效時間內(nèi)接收到正確的ACK幀，可嘗試最多aMaxFram eRetries次重傳，若都以失敗告終，則認為此次通訊失敗，并向上層發(fā)送失敗確認。圖23 無應(yīng)答的成功數(shù)據(jù)傳輸[1]當(dāng)Ack request子域為1時，發(fā)送端將幀發(fā)送出去后，開啟定時器，等待接收來自接收端的應(yīng)答幀（ACK幀）。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時，可以通過置位幀控制域的Ack request子域，實現(xiàn)MAC層的幀應(yīng)答重傳。 MAC層使用CSMACA（Carrier Sense Multiple Access with Collision avoidance）機制和應(yīng)答能量載波檢測：它是能量檢測和載波檢測兩種工作方式的結(jié)合。能量檢測（ED）：接收端對接收到的信號進行能量大小的判斷，當(dāng)功率大 于某一確定值時，表示有用戶在占用信道，否則信道為空。CSMA/CA通信方式將時間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來，保證某一時刻只有一個站點發(fā)送，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制。1）、CSMACA傳輸機制，MAC子層發(fā)送數(shù)據(jù)幀和命令幀須使用CSMACA機制訪問信道，以減少由于幀發(fā)送沖突而帶來的不必要的能量損耗。IEEE ，如表25，其中，物理層的數(shù)據(jù)格式是在MAC層的數(shù)據(jù)格式前加上物理頭以及同步頭兩部分。ACK幀：只含幀頭中的幀控制域和序列號域，及幀尾的FCS校驗碼域，由接收方反饋給發(fā)送方，告知某條幀正確接收。數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)據(jù)單元對應(yīng)于NWK層幀NPDU（NWK Protocal data unit），信標(biāo)幀、ACK幀、命令幀均由MAC層處理或構(gòu)造。MAC層幀頭的接收端設(shè)備和發(fā)送端設(shè)備屬于單跳關(guān)系。幀尾為幀頭和MAC幀負荷域的16位CRC校驗序列FCS）。幀頭由幀控制域、序列號、地址域組成。而MAC層功能更加強大：a、 處理MPDU；b、 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器信標(biāo)產(chǎn)生及與協(xié)調(diào)器信標(biāo)同步；c、 ED 、ACTIVE和ORPHAN機制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機制；d、 利用CSMA—CA機制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機制；e、 處理與維護保證時槽機制；f、 關(guān)聯(lián)和退出關(guān)聯(lián)功能； MPDU 數(shù)據(jù)單元的處理MAC層負責(zé)分解接受到的MPDU包，并對來自NWK層數(shù)據(jù)包進行MPDU封裝。 標(biāo)準(zhǔn)中定義，為802標(biāo)準(zhǔn)系列所共用；而MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。如果數(shù)據(jù)包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）攜帶MAC層的幀信息（即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。同步包頭由前向同步碼（前導(dǎo)碼）和數(shù)據(jù)包（幀）定界符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和幀同步，也有助于錯略的頻率調(diào)整。 載波信道和頻率的描述：表21 標(biāo)準(zhǔn)定義的PHY層[7]信道編號中心頻率/MHZ信道間隔/MZ頻率上限/MZ頻率下限/MZ傳輸速率Kb/S調(diào)制方式k=0有且僅有1個信道20BPSKk=1……10903+2(k1)240BPSKk=11……262401+5(k11)5250PSK注：868MHz 是歐洲附加的ISM頻段，915MHz 是美國附加的ISM頻段。鏈路質(zhì)量要對信號進行解碼，生成的是信噪比指示，提供接收數(shù)據(jù)幀是的無線信號強度和治療信息。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點需為自己的ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠模式，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，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。信標(biāo)模式下，ZC負責(zé)以一定的間隔時間（一般在15ms4mins之間）向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個信標(biāo)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)的各時槽內(nèi)發(fā)送。該拓撲的優(yōu)點是減少了消息延時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷。樹狀網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳輸。 三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖5所示，從左到右依次是星狀網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。路由器：主要實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，擴展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在。 三種節(jié)點類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點，即協(xié)調(diào)器ZC（ZigBee Coordinator）、路由器ZR（ZigBee Router）和終端設(shè)備ZE（ZigBee EndDevice），其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備（FFD），而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備（RFD）。 兩種功能類型設(shè)備ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD（Full function device）和精簡功能設(shè)備RFD（Reduced function device）兩種功能類型的設(shè)備。而應(yīng)用層主要為ZigBee技術(shù)的實際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便于對ZigBee技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。IEEE MAC層的特征有信標(biāo)管理、信標(biāo)接入機制、保證時隙管理、幀確認、確認幀傳輸以及節(jié)點接入與分離。IEEE 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)。每種數(shù)據(jù)符號被映射成32位偽噪聲碼片，以便傳輸。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。26）IEEE 有下列特征：；：16位網(wǎng)絡(luò)地址，由協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)建立是分配， 64位IEEE地址；（100、2500 Kbps）；；；，在868MHz頻段上有1個信道，915MHz上有10個信道，在2450MHz上有16個信道；。在IEEE 個具有3種速率的信道；；915MHz頻道有10個40Kb/s的信道；868MHz頻段有1個20Kb/s的信道。具有十幾億節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已不夠用的IPv4地址空間，因此IPv6與IEEE 。圖21 Zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)相比于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議套件經(jīng)湊而簡單，具體實現(xiàn)的要求很低。Zigbee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計。，它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的7層開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對那些涉及Zigbee的層予以定義。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個管理實體提供全部其他服務(wù)。提出實現(xiàn)語音通信的研究課題。傳統(tǒng)上ZigBee主要應(yīng)用于家庭自動化、工業(yè)自動化、庫存管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制、災(zāi)害地區(qū)監(jiān)測、生物監(jiān)測和監(jiān)督、定位及消防安全等領(lǐng)域，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為非實時數(shù)據(jù)。 研究目的和意義ZigBee技術(shù)作為一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它依據(jù)IEEE ，在數(shù)千個微小的傳感器之間通過相互協(xié)調(diào)來實現(xiàn)通信，其主要特性包括：具有多跳傳送（multihop relay）機制、網(wǎng)絡(luò)擴展性能好、布設(shè)容易以及具有自組織與自修復(fù)能力。Zigbee的出現(xiàn),填補了短距離數(shù)據(jù)通訊的低成本解決方案空白,，2005年時，zigbee芯片銷量只達到約1000萬元美元，而08年就已經(jīng)達到約6000萬美元，預(yù)計2012年可達到32000萬美元，復(fù)合增長63%。隨著二十一世紀(jì)社會經(jīng)濟和現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展,人們對能夠隨時隨地提供信息服務(wù)的無線通信的需求越來越迫切。結(jié)合其他無線技術(shù)，可以實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。這一預(yù)言正在從ZigBee聯(lián)盟及其成員近期的一系列活動和進展中得到驗證。 生產(chǎn)需求狀況為了推動ZigBee技術(shù)的發(fā)展，Chipcon與Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee Alliance，目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含130多家會員。例如以海爾的UHomeWireless Network為代表，包括通過Internet、電話、手機或進行家庭監(jiān)控、無線網(wǎng)關(guān)控制等。中國市場，華為、海爾等中國OEM公司也加入了ZigBee聯(lián)盟，許多院所展開了對ZigBee的研究。到2005年4月，已有Chipcon、Free