【正文】 中，傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設(shè)備，采用能量有限的電池供電。所以，傳感器節(jié)點的壽命很大程度上依賴于電池的壽命。因此，節(jié)能和能量管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常重要的研究課題，目前很多研究人員在研究能量敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法 [7]。因此該技術(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。因而，該項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。其中在 頻段上分為 16 個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(ISM： Industial、Scientific and Meducal)頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段。868MHz和 915MHz 無線電使用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS) 和二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK)調(diào)制技術(shù)， 無線電使用 DSSS 和偏移正交相移鍵控(OQPSK)。在無線通信技術(shù)上，采用載波偵聽多路接入沖突避免(CSMACA)方式，有效的避免了無線電載波之間的沖突。為保證 ZigBee 設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee 技術(shù)采用了密鑰長度為 128 位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理 [5]。這種無線通信技術(shù)具有如下特點：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡單數(shù)據(jù)。工作模式情況下，ZigBee 技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短。設(shè)備搜索時延一般為 30ms，休眠激活時延為 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場合，ZigBee 技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。(3)數(shù)據(jù)傳輸可靠 ZigBee 的介質(zhì)鏈路層(MAC 層)采用 CSMACA 碰撞避免機制。發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)。采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時 ZigBee 針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。ZigBee 的低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)是一種全功能器件，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常為簡化功能器件。(5)自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由。(6)兼容性。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽多路接入/沖突避免 CSMACA)方式進(jìn)行信道接入。(7)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，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。在這一級不采取加密措施。AES 可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷，防止攻擊者冒充合法器件。模塊的初始成本估計在 6 美元左右，很快就能降到 到 美元，且 ZigBee 協(xié)議免專利費用。 ZigBee 與其他無線通信協(xié)議的比較在 ZigBee 無線通信協(xié)議出現(xiàn)之前，就已經(jīng)有很多的為大家熟知的無線通信協(xié)議，如藍(lán)牙、WiFi、3G、IrDA、UWB 、ISM 等等，但是這幾種無線通信協(xié)議各有特點，應(yīng)用的領(lǐng)域也不相同，特別是本課題研究的新型的 Zigbee 無線通信協(xié)議，在很多方面都有著顯著的優(yōu)勢。1998 年，愛立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。Bluetooth 列入了 ，規(guī)定了包括 PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。另外，Bluetooth 對每個“Pico”有只能配置 7 個節(jié)點的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)用。的最初規(guī)范是在 1997 年提出的。目前， IEEE 標(biāo)準(zhǔn)還沒有被工業(yè)界廣泛接受。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無線平臺增加了困難。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價,因此大多數(shù)便攜 WiFi 裝置都需要常規(guī)充電。 (三 )3G－第三代移動通信第三代移動通信與前兩代的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。 （四）ZigBeeZigBee（IEEE ）技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，它具有低功耗、低成本低復(fù)雜度等特點，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式。另外，它可與 254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)。它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。 控制聲音amp。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它服務(wù)。ZigBee 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)模型如圖 所示。 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的 2 層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層 (MAC)。其中，應(yīng)用層框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)及由制造商制定的應(yīng)用對象。最低需求估計為：硬件需要 8 位處理器，如 8051；軟件需要 32KB 的 ROM，最小軟件需要 4KB 的 ROM，如 CC2430 芯片具有 8051 內(nèi)核的、內(nèi)存從 32KB 到 128KB的 ZigBee 無線單片機；網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點需要更多的 RAM 以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表以及與安全有關(guān)的密鑰存儲器。具有幾十個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已不夠用的 IPv4 地址空間。ZigBee 應(yīng)用層ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層IEEE 層IEEE 868/915MHZ PHY 層IEEE PHY 層圖 ZigBee 體系結(jié)構(gòu)模型相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)要求很低。ZigBee 聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個電子設(shè)備的無線網(wǎng)，它預(yù)言 ZigBee 將很快成為全球高端的無線技術(shù)，2022 年 ZigBee 節(jié)點達(dá)到 30 億個。因此， IPv6 與 IEEE 結(jié)合是傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。 PHY 層/MAC 層位于最底層，應(yīng)用層位于最高層，協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)體系如圖 所示。MAC 層負(fù)責(zé)尋址功能，發(fā)送數(shù)據(jù)時決定數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址，接收數(shù)據(jù)時判定數(shù)據(jù)的源地址。ZigBee 堆棧層由網(wǎng)絡(luò)層與安全平臺組成，提供應(yīng)用層與 物理層/MAC層的連接，由與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由、安全相關(guān)的幾個堆棧層組成。應(yīng)用層的主要功能是將輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或者將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為輸出。 IEEE 定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 和868/915MHz 物理層。 波段為全球統(tǒng)一，無須申請的 ISM 頻段，有助于 ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。868MHz 是歐洲附加的 ISM 頻段，915MHz 是美國附加的 ISM 頻段，工作在這兩個頻段上的 ZigBee 設(shè)備避開了來自 頻段中其它無線通信設(shè)備和家用電器的無線電干擾。物理層提供兩個服務(wù)：PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)和 PHY 管理服務(wù)，PHY 管理服務(wù)和物理層管理實體(PLME)接口。IEEE 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從 MAC 層到物理層無線信道的接疊。通過這兩個服務(wù)接入點提供如下服務(wù)：通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(PDSAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；透過物理層管理實體 (PLME)服務(wù)的接入點(PLMESAP)為物理層管理提供服務(wù)。ZigBee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層載荷三部分組成。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。MAC 子層便用物理層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián)) 和非連接(取消關(guān)聯(lián)) 的服務(wù)。確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗與快速自動請求重發(fā)(ARQ)，預(yù)留時隙管理以及廣播信息管理等。MAC 層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個接口，MAC 層提供了一個稱之為 MLME 的管理實體，該實體通過一個服務(wù)接口可調(diào)用 MAC 層管理功能，該實體還負(fù)責(zé)維護 MAC 層固有的管理對象的數(shù)據(jù)庫。M A C 公共部分子層服務(wù)接入點物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點 物理層管理實體接入點M A C 管理實體服務(wù)節(jié)點M A C 層個域網(wǎng)信息庫M A C 公共部分子層M A C 層管理實體圖 ?。停粒脤咏Y(jié)構(gòu)模型表 給出了 MAC 子層的數(shù)據(jù)包格式。MAC 子層幀頭由 2 字節(jié)的幀控制域、1 字節(jié)的幀序號域和最多 20 字節(jié)的地址域組成。表 MAC 層數(shù)據(jù)包格式2 字節(jié) 1 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié) 可變2 字節(jié)幀控制 序列號目的PAN 標(biāo)識符目的地址 源 PAN標(biāo)識符 源地址 幀載荷 FCSMHR(MAC 層幀頭) MAC 載荷 MFR ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層(NWK)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC 層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(NLDESAP) 提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點(NLMESAP) 提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。圖 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)絡(luò)層通過 MCPSSAP 和 MLMESAP 接口為 MAC 層提供接口，通過 NLDESAP 與 NLMESAP 接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供如下服務(wù)：配置一個新設(shè)備；初始化網(wǎng)絡(luò)；加入或離開網(wǎng)絡(luò)；尋址；鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)；路由發(fā)現(xiàn)和接收控制。在兩個或多個設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時，將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個網(wǎng)絡(luò)中，即在同一個內(nèi)部個域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)即網(wǎng)絡(luò)層幀的結(jié)構(gòu)，如表 所示。下圖表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域。表 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式2 字節(jié)2 字節(jié)2 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 0/8 0/8 0/1 變長 變長幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號目的地址源地址多點傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡(luò)層幀報頭 網(wǎng)絡(luò)層有效 載荷 ZigBee 應(yīng)用層(API)ZigBee 應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對象。ZigBee 設(shè)備對象的功能包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機制，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定它們提供何種應(yīng)用服務(wù)。1．應(yīng)用支持子層(APS)APS 負(fù)責(zé)如下工作：表格綁定；綁定設(shè)備間信息發(fā)送；組地址的定義與管理；64 位長地址映射到 16 位網(wǎng)絡(luò)地址；包的分組與組裝；數(shù)據(jù)可靠傳輸。綁定表保存在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器中。一組綁定設(shè)備的簇 ID 號相同。應(yīng)用對象由 ZigBee 設(shè)備制造商定義。應(yīng)用對象執(zhí)行具體應(yīng)用。應(yīng)用層面由應(yīng)用對象運行。0 號端點是 ZigBee 設(shè)備對象的地址，255 號端點是廣播地址，信息能發(fā)送到特定節(jié)點的所有端點。3．ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)ZDO 負(fù)責(zé)所有設(shè)備的管理。設(shè)備發(fā)現(xiàn)只能由協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)起。協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送自己的 IEEE 地址或發(fā)送附加上關(guān)聯(lián)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)地址。)設(shè)備發(fā)現(xiàn)允許 adhoc 網(wǎng)絡(luò)和自愈網(wǎng)絡(luò)。這條信息然后用在綁定表中關(guān)聯(lián)提供服務(wù)的設(shè)備和需要服務(wù)的設(shè)備。配置文件描述了邏輯組件和接口，為不同制造商提供了互用性。配置文件分為三種：公共層面(或標(biāo)準(zhǔn)層面)、私立層面和出版層面。如果層面的所有者出版了層面，那么私立層面就轉(zhuǎn)變成出版層面 [6]。每一層都可以通過本層和下一層的 SAP 調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時通過與上層的SAP 通信，為上層提供相應(yīng)服務(wù)。在調(diào)用下層服務(wù)時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。層與層之間的通信原語分為以下四種，它們之間的關(guān)系如圖 所示 [12]。Confirm：確認(rèn)原語，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。Response：響應(yīng)原語，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。管理服務(wù)實體通過網(wǎng)絡(luò)管理實體服務(wù)接入點(NLMESAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，并允許應(yīng)用和堆棧相互作用。 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù) (1)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立建立一個新網(wǎng)絡(luò)的過程從 原語的使用開始。如果該程序已經(jīng)在其他設(shè)備中開始運行，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)就必須結(jié)束該程序，并通知上一層屬于非法請求。過程啟動以后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體首先要求 MAC 層對任意指定的一系列信道，缺省條件對所有有效的信道進(jìn)行能量掃描，尋找可能存在的網(wǎng)絡(luò)。MAC層將結(jié)果有 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。然后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體發(fā)送 原語進(jìn)行主動掃描，需要將ScanType 參數(shù)設(shè)置成主動掃描并把 ChannelList 設(shè)置成可接受信道，用以尋找其他的 ZigBee 設(shè)備。如果沒有發(fā)現(xiàn)合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要結(jié)束該程序并通知上一層網(wǎng)絡(luò)建立失敗。首先要檢查可選的 PANID 參數(shù)是否在指定的 原語中被指定。否則設(shè)備會選擇一個隨機的 PAN 標(biāo)識符。PAN 標(biāo)識符被選定后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體就要選擇一個 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址并設(shè)置 MAC層的 maeShortAddress 屬性與該網(wǎng)絡(luò)地址一致。按照 NLME 原語、信道掃描結(jié)果和選定的 PAN 標(biāo)識符提供的信息設(shè)置 原語的參數(shù)。一旦接收到 PAN 啟動的狀態(tài)值，網(wǎng)絡(luò)層管理實體通知上層網(wǎng)絡(luò)實體初始化ZigBee 協(xié)調(diào)器的要求，發(fā)送 原語(狀態(tài)參量設(shè)成 原語從 MAC 層返回的值)。只有ZigBee 協(xié)調(diào)器和 ZigBee 路由器才能允許設(shè)備加