ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層的研究與實(shí)現(xiàn)
1、ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)
本節(jié)將在介紹IEEE802.15.4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。
2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)
IEEE802.15.4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。IEEE802.15.4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。
2.2ZigBee協(xié)議棧
完整的Zigbee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。
圖1ZigBee協(xié)議棧
如圖1所示，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（ApplicationSub-laygerSupport，APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理。
2.3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)。
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（Adhoc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。表1是兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)比較。
表1Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)缺點(diǎn)比較
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：RoutingNode，路由節(jié)點(diǎn)；RFD：ReducedDevice）。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:FullDevice），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（LeafNode）。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（RoutingAgent）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)。
圖2為Cluster-Tree＋AODVjr算法時(shí)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸示意圖。節(jié)點(diǎn)E發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)D，數(shù)字代表各種包發(fā)送的時(shí)間先后次序。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)E的類型是RFD，它只能將數(shù)據(jù)DATA傳送給其父節(jié)點(diǎn)C。C的類型是RN+，所以它先把數(shù)據(jù)放入緩存后，再通過組播AODVjr路由請(qǐng)求包RREQ查找到節(jié)點(diǎn)D的路由，節(jié)點(diǎn)D再通過單播沿最短的路徑D-B-C給節(jié)點(diǎn)C回復(fù)AODVjr路由應(yīng)答包RREP。節(jié)點(diǎn)C找到路由后，把緩存數(shù)據(jù)沿C-B-D發(fā)送給節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)D再沿D-B-C-E發(fā)送確認(rèn)包ACK給節(jié)點(diǎn)E，節(jié)點(diǎn)E收到確認(rèn)包后，整個(gè)通信過程結(jié)束。
圖2網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸示意圖
3.網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)
作者已在符合IEEE802.15.4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（ZigBeeDevelopmentKit，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)。
3.1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IEEE802.15.4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。
圖3是模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖，射頻芯片采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE802.15.4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SiliconLabs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)。
圖3ZigBee模塊框圖
3.2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。
圖4節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖
圖4是設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖。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，PANInformationBase）。
3.3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。圖5至圖7分別是三種類型節(jié)點(diǎn)接收到上層或者其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層處理程序的流程圖。
圖5RN+網(wǎng)絡(luò)層處理程序的流程圖圖6RN-網(wǎng)絡(luò)層處理程序的流程圖
圖7RFD網(wǎng)絡(luò)層處理程序的流程圖
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（AddressResolution）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。
3.4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IEEE802.15.4的包探測(cè)器（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。
表2是某個(gè)節(jié)點(diǎn)的黑名單列表，該節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送方MAC地址如果符合下列n個(gè)公式中的一個(gè)，則該節(jié)點(diǎn)認(rèn)為沒有接收到數(shù)據(jù)包，對(duì)該數(shù)據(jù)包不作任何處理。
表2黑名單列表
4典型應(yīng)用
ZDK開發(fā)包,除了實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4的MAC層及ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層功能外，目前還完成一些應(yīng)用層功能，同時(shí)提供簡(jiǎn)單易用的API接口，以便使用者根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行二次開發(fā)。該技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線門控系統(tǒng)和無線停車場(chǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等領(lǐng)域中。
4.1網(wǎng)絡(luò)功能
圖8是一個(gè)典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可取代有線電纜構(gòu)成的拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)中端對(duì)端設(shè)備可以采用透明模式（TransparentMode）交互信息，完成無線RS232和RS485的數(shù)據(jù)傳輸功能。只要接上模塊，多臺(tái)設(shè)備的串口就能直接交互數(shù)據(jù)。這種應(yīng)用尤其適合不易鋪設(shè)有線電纜、通信時(shí)須要考慮避雷等因素的場(chǎng)合。
圖8典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖
為了充分發(fā)揮其他網(wǎng)絡(luò)的作用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)（WLAN，Ethernet，PSTN，GPS等）的連接，以便遠(yuǎn)程控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作，協(xié)調(diào)器還必須充當(dāng)網(wǎng)關(guān)（Gateway），實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)（WPAN）和外網(wǎng)的連接。由ARM處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)充當(dāng)協(xié)調(diào)器及無線網(wǎng)關(guān)，它有RJ45，RJ11，RS232接口，可以通過以太網(wǎng)（Ethernet）、有線電話網(wǎng)（PSTN）、通用無線分組業(yè)務(wù)網(wǎng)（GPRS）或者全球地位系統(tǒng)（GPS）連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示。
圖9ZigBee網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)連接圖
4.2實(shí)踐效果
ZigBee模塊載波頻率為2.4GHz，通信速率為250kbps，發(fā)射功率在0dbm至-24dbm，接收靈敏度為－94dm。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離，室內(nèi)為60米左右，室外為100米左右，誤包率小于0.5％。在不超過10跳的范圍內(nèi)通信，傳輸延遲不超過2秒，誤包率小于1％；每包數(shù)據(jù)能傳輸?shù)淖畲笥行Ъ冐?fù)荷為110字節(jié)。
目前，已經(jīng)測(cè)試過50點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)房間、樓宇的數(shù)據(jù)傳輸。在節(jié)能模式下，模塊能在電池供電的條件中長(zhǎng)時(shí)間（約3個(gè)月）工作。本網(wǎng)絡(luò)除了包含通用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)外，還能跟其他有線或者無線網(wǎng)絡(luò)互通互融，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。實(shí)踐證明，ZigBee網(wǎng)絡(luò)有其自己的鮮明特點(diǎn)，在眾多的無線網(wǎng)絡(luò)中有其存在和發(fā)展的空間。
5.總結(jié)和展望
本文主要討論了該網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)給出了網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)辦法及解決方案。這種方案已被美國(guó)赫立訊科技公司用于設(shè)計(jì)IP-Link系列模塊、ZigBee開發(fā)套件以及海爾家庭無線網(wǎng)絡(luò)，取得較好的市場(chǎng)價(jià)值。
基于IEEE802.15.4的ZigBee網(wǎng)絡(luò)是擴(kuò)充現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一種良好手段，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)合和發(fā)展前景。ZigBee協(xié)議棧還在不斷升級(jí)，如何根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)高性能的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如何將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠連接，達(dá)到功能互補(bǔ)，是一項(xiàng)很有意義的課題。
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