在現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)科技中，ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用感覺對(duì)是最為火熱的。那么我們現(xiàn)在就來認(rèn)識(shí)一下ZigBee協(xié)議棧。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無線技術(shù)逐漸取代有線技術(shù),僅支持靜態(tài)固定拓?fù)涞臒o線網(wǎng)絡(luò)也逐漸被支持動(dòng)態(tài)變化拓?fù)涞臒o線網(wǎng)絡(luò)取代.

在短距離的無線控制、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域,通用的技術(shù)有802.11、藍(lán)牙、HomeRF等,它們各有自己的優(yōu)勢(shì),但仍然存在功耗大、組網(wǎng)能力差等劣勢(shì).為了彌補(bǔ)上述協(xié)議的不足,ZigBee聯(lián)盟于2004年12月中旬推出基于IEEE 802.15.4的ZigBee協(xié)議棧. ZigBee短距離低速無線個(gè)域網(wǎng)（Low Rate-Wireless Personal Area Network,LR-WPAN）不僅具有低成本、低功耗、低速率、低復(fù)雜度的特點(diǎn);而且具有可靠性高,組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活的優(yōu)勢(shì).本文將介紹ZigBee協(xié)議棧并提出網(wǎng)絡(luò)層的具體實(shí)現(xiàn)方案.

◆ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

本節(jié)將在介紹IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)及其工作機(jī)制.

1 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[1]于2003年5月制定完成,它滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型,主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層.IEEE 802.15.4協(xié)議與其他無線網(wǎng)絡(luò)相比,突出的優(yōu)點(diǎn)是:組網(wǎng)能力強(qiáng),適應(yīng)面廣,可靠性高,節(jié)能性好.

2 ZigBee協(xié)議棧

完整的Zigbee[2,3]協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成.

ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口等由ZigBee聯(lián)盟制定.其中安全層（Security）主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能.應(yīng)用程序接口負(fù)責(zé)向用戶提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口（API）,包括應(yīng)用子層支持（Application Sub-layger Support,APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZigBee Device Object,ZDO）等,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理.

3 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層.網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能,支持Cluster-Tree,AODVjr,Cluster-Tree＋AODVjr等多種路由算法,支持星形（Star）、樹形（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4].

Cluster-Tree（簇－樹）是一種由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）展開生成樹狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),適合于節(jié)點(diǎn)靜止或者移動(dòng)較少的場(chǎng)合,屬于靜態(tài)路由,不需要存儲(chǔ)路由表.AODVjr算法是針對(duì)AODV[5,6]（Ad hoc按需距離矢量路由協(xié)議）算法的改進(jìn),考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性等因素,簡(jiǎn)化了AODV的一些特點(diǎn),但是仍然保持AODV的原始功能.

Cluster-Tree＋AODVjr路由算法匯聚了Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)點(diǎn).網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分成四種類型:Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN:Routing Node,路由節(jié)點(diǎn);RFD:Reduced Function Device）.其中Coordinator的路由算法跟RN+相同,Coordinator、RN+和RN－都是全功能節(jié)點(diǎn)（FFD: Full Function Device）,能給其他節(jié)點(diǎn)充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn);RFD只能充當(dāng)Cluster-Tree的葉子（Leaf Node）.如果待發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是自己的鄰居,直接通信即可;反之,如果不是自己的鄰居時(shí),三種類型的節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)包各不相同:RN+可以啟動(dòng)AODVjr,主動(dòng)查找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最佳路由,且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色,幫助其他節(jié)點(diǎn)查找路由;RN-只能使用Cluster-Tree算法,它可以通過計(jì)算,判斷該交給數(shù)據(jù)包請(qǐng)自己的父節(jié)點(diǎn)還是某個(gè)子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā);而RFD只能把數(shù)據(jù)交給父節(jié)點(diǎn),請(qǐng)其轉(zhuǎn)發(fā).

◆網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)

作者已在符合IEEE 802.15.4的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧,成功研發(fā)出ZigBee開發(fā)包（ZigBee Development Kit,ZDK）,驗(yàn)證了其可行性.同時(shí),根據(jù)一些特定的應(yīng)用將算法改進(jìn),取得良好的運(yùn)用效果.本節(jié)將重點(diǎn)介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn).

1 無線模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)不同類型節(jié)點(diǎn)功能不同的特點(diǎn),作者在不同的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)模塊.設(shè)計(jì)制作的ZigBee系列模塊完全滿足IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議的規(guī)范要求,符合ISM/SRD規(guī)范,通過美國(guó)FCC認(rèn)證.模塊集無線收發(fā)器、微處理器、存儲(chǔ)器和用戶API等軟硬件于一體,能實(shí)現(xiàn)1.0版ZigBee協(xié)議棧的功能.Coordinator可以連接使用ARM處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng),功能較多的路由節(jié)點(diǎn)（RN+,RN-）由高檔單片機(jī)充當(dāng),功能較少的葉子節(jié)點(diǎn)（RFD）使用普通的單片機(jī).模塊還可以根據(jù)實(shí)際需要,工作在不同的睡眠模式和節(jié)能方式.

射頻芯片采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的模塊CC2420;控制射頻芯片的微處理器,可以根據(jù)需要選擇Atmel公司的AVR系列單片機(jī)或者Silicon Labs公司的8051內(nèi)核單片機(jī).單片機(jī)與射頻芯片之間通過SPI進(jìn)行通信,連接速率是6Mbps.單片機(jī)與外部設(shè)備之間通過串口進(jìn)行通信,連接速率是38.4kbps.單片機(jī)自帶若干ADC或者溫度傳感器,可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換或者溫度監(jiān)控.為了方便代碼移植到不同的硬件平臺(tái),模塊固件采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫代碼實(shí)現(xiàn).

2 網(wǎng)絡(luò)的建立

ZigBee網(wǎng)絡(luò)最初是由協(xié)調(diào)器發(fā)動(dòng)并且建立.協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行信道掃描（Scan）,采用一個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)沒有使用的空閑信道,同時(shí)規(guī)定Cluster-Tree的拓?fù)鋮?shù),如最大的兒子數(shù)（Cm）、最大層數(shù)（Lm）、路由算法、路由表生存期等.

協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后,其他普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),只要將自己的信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同,并提供正確的認(rèn)證信息,即可請(qǐng)求加入（Join）網(wǎng)絡(luò).一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后,可以從其父節(jié)點(diǎn)得到自己的短MAC地址,ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址以及協(xié)調(diào)器規(guī)定的拓?fù)鋮?shù).同理,一個(gè)節(jié)點(diǎn)要離開（Leave）網(wǎng)絡(luò),只須向其父節(jié)點(diǎn)提出請(qǐng)求即可.一個(gè)節(jié)點(diǎn)若成功地接收一個(gè)兒子,或者其兒子成功脫離網(wǎng)絡(luò),都必須向協(xié)調(diào)器匯報(bào).因此,協(xié)調(diào)器可以即時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)信息,維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫（PIB,PAN Information Base）.

3 路由設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在傳輸數(shù)據(jù)時(shí),不同類型的的節(jié)點(diǎn)有不同的處理方法,協(xié)調(diào)器的處理機(jī)制與RN+相同.網(wǎng)絡(luò)層路由設(shè)計(jì)分為RN+,RN-和RFD三個(gè)模塊.因?yàn)閷?shí)際點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信是通過MAC地址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到信息包時(shí),都要維護(hù)鄰居表,鄰居表主要起地址解析（Address Resolution）的作用:將鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換成MAC地址.另外,類型是RN+的節(jié)點(diǎn)在接收到信息包或者啟動(dòng)AODVjr查找路由時(shí),還必須維護(hù)路由表.鄰居表和路由表的記錄都有生存期,超過生存期的記錄將被刪除.

4 測(cè)試方法

無線通信有其特殊性質(zhì),每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包既是信號(hào)源,同時(shí)又可能是干擾源,因此無線網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試是一大難題.為了能在室內(nèi)方便測(cè)試網(wǎng)絡(luò)性能,引入黑名單機(jī)制,強(qiáng)制讓一些節(jié)點(diǎn)對(duì)黑名單節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包"視而不見",以測(cè)試十幾點(diǎn)甚至幾十點(diǎn)的特殊網(wǎng)絡(luò).在實(shí)際應(yīng)用時(shí),去掉黑名單并不影響網(wǎng)絡(luò)的工作性能.測(cè)試時(shí),還可以采用符合IEEE 802.15.4的包（Sniffer）,記錄測(cè)試過程中空氣中所傳輸?shù)臒o線數(shù)據(jù).每個(gè)模塊還可以通過I/O輸出自己的收發(fā)狀態(tài)等信息.通過多種手段對(duì)測(cè)試過程進(jìn)行分析,才能提高開發(fā)測(cè)試效率.