ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析與實驗

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析與實驗 引言 有人將ZigBee翻譯成紫蜂，為無線個人局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Networks, WPAN)的標準之一，已于 20*年6月27日 公布。除了邏輯鏈路控制(Logic Link Control, LLC)層、媒介存取控制層（MAC），與物理層使用20*年10月公布的IEEE 802.15.4標準外，ZigBee標準協(xié)議制定了應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層，及MAC、應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層的安全加密服務(wù)標準。 以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使

2、用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡單的專用標準，而Zigbee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。Zigbee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、*全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得Zigbee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。 Zigbee協(xié)議術(shù)語 配置文件(profile)：Zigbee協(xié)議的配置文件是對邏輯組件及其相關(guān)接口的描述，是面向某個應(yīng)用類別的公約、準則.通常沒有程序代碼與配置文件相關(guān)聯(lián). 屬性（attribute）：設(shè)備之間通信的每一

3、種數(shù)據(jù)像開關(guān)的狀態(tài)或溫度計值等皆可稱為屬性.每個屬性可得到的值. 簇（cluster）：多個屬性的聚集形成了簇，每個簇也擁有一個的.雖然個體之間傳輸?shù)耐ǔＪ菍傩孕畔?，但所謂的邏輯組件的接口指的卻是簇的操作，而非屬性. 終端（endpoint）：每個支持一個或多個簇的代碼功能塊稱為終端.不同的設(shè)備通過它們的終端及所支持的簇來開展通信. 配置文件定義了屬性與簇，使之看起來就像設(shè)備的某種特性.以家庭智能控制系統(tǒng)為例，燈配置文件設(shè)定了遠程控制設(shè)備的簇OnOffDRC含有一種屬性nOff，且該屬性為無符號位值，值意味著開，為關(guān)，則為無效。通常，配置文件也為設(shè)備定義了，哪些簇是強制托管的，哪些簇是可選擇的

4、。另外，配置文件還定義了一些可選擇的igbee協(xié)議托管服務(wù). 基于簇及配置所定義的服務(wù)，用戶可使用配置文件中定義的屬性編寫所需的函數(shù).改寫自己的程序代碼.因此，配置文件使得ZigBee 設(shè)備可以互操作。任何遵循某一標準配置文件的節(jié)點都可以與其他實現(xiàn)相同配置文件的節(jié)點開展互操作。也就是說，在使用同一標準配置文件開展設(shè)計的根底上，即使生產(chǎn)開關(guān)的廠家與生產(chǎn)控制器的廠家不同，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品仍可實現(xiàn)協(xié)同操作. 以家庭智能系統(tǒng)中的燈光控制為例，燈配置文件定義了個設(shè)備，協(xié)議棧通過帶有以下信息的報頭文件對此配置提供支持：配置（profile）ID,設(shè)備及版本，簇，屬性，屬性數(shù)據(jù)類型. 下列圖（1）顯示了不同術(shù)

5、語之間的關(guān)系，對于家庭智能控制系統(tǒng)的燈光配置，圖中給出了兩種設(shè)備.每種設(shè)備各有一個終端.負荷切換控制器的終端中僅有一個輸入簇，而遠程轉(zhuǎn)換控制終端則有兩個簇，且分別為一個輸入一個輸出.數(shù)據(jù)的傳輸基于簇而開展. 圖（1） 2 Zigbee協(xié)議棧構(gòu)造 如圖(2)所示，ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC通過服務(wù)接入點(SAP)開展通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。 ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個接口：數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)。圖中的APSDE-SA

6、P，NLDE-SAP即為數(shù)據(jù)實體接口，而APSME-SAP，NLME-SAP即為管理實體接口。 圖（2） 3Zigbee協(xié)議的消息格式及幀格式 3.1 消息格式 一個Zigbee消息由個字節(jié)組成，它主要包括以下幾個部分： 報頭：該報頭包含當前被傳輸消息的源地址及目的地址.若消息被路由，則該地址有可能不是實際地址，產(chǎn)生及使用該報頭對于應(yīng)用代碼是透明的. 報頭：該報頭包含了消息的實際源地址及終的目的地址，該報頭的產(chǎn)生及使用對于應(yīng)用代碼是透明的. 報頭：該報頭包含了配置，簇及當前消息的目的終端.同樣，報頭的產(chǎn)生及使用是透明的. 有效載荷：該域包含了待應(yīng)用層處理的Zigbee協(xié)議幀. 3.2 Zigb

7、ee協(xié)議幀格式 Zigbee協(xié)議定義了兩種幀格式：關(guān)鍵值對及消息幀. KVP：是ZigBee 規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機制，通過一種規(guī)定來標準化數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容，主要用于傳輸較簡單的變量值格式。 MSG：是ZigBee 規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機制，其在數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容上并不作更多規(guī)定，主要用于專用的數(shù)據(jù)流或文件數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量較大的傳輸機制。 KVP幀是專用的比較規(guī)范的信息格式，采用鍵值對的形式，按一種規(guī)定的格式開展數(shù)據(jù)傳輸.通常用于傳輸一個簡單的屬性變量值；而MSG幀還沒有一個具體格式上的規(guī)定，通常用于多信息，復(fù)雜信息的傳輸。KVP、MSG是通訊中的兩種數(shù)據(jù)格式。如果將幀比作一封郵件，那么信封

8、、郵票、地址人名等信息都是幀頭、幀尾，里面的信件內(nèi)容就是特定的數(shù)據(jù)格式KVP或MSG。根據(jù)具體應(yīng)用的配置文件（Profile） ，KVP一般用于簡單屬性數(shù)據(jù)，MSG用于較復(fù)雜的，數(shù)據(jù)量較大信息。 4尋址 4. Zigbee協(xié)議中的兩類地址 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每一個節(jié)點皆有兩個地址：位的地址及位網(wǎng)絡(luò)地址. 每一個使用Zigbee協(xié)議通信的設(shè)備都有一個的位地址，該地址由位與位廠家分配地址組成，可通過購買由分配得到，由于所有的皆由指定，因此位地址具有性. 當設(shè)備執(zhí)行參加網(wǎng)絡(luò)操作時，他們會使用自己的擴展地址開展通信。成功參加Zigbee網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會為設(shè)備分配一個位的網(wǎng)絡(luò)地址。由此，設(shè)備便可使用該

9、地址與網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備開展通信. 4.2 尋址方式 單播：當單播一個消息時，數(shù)據(jù)包的MAC報頭中應(yīng)含有目的節(jié)點的地址，只有知道了接收設(shè)備的地址，消息方可以單播方式開展發(fā)送。 廣播：要想通過廣播來發(fā)送消息，應(yīng)將信息包MAC報頭中的目的地址域置為0XFF。此時，所有射頻收發(fā)使能的終端皆可接收到該信息。 該尋址方式可用于參加一個網(wǎng)絡(luò)、查找路由及執(zhí)行ZigBee協(xié)議的其它查找功能。ZigBee協(xié)議對廣播信息包實現(xiàn)一種被動應(yīng)答模式。即當一個設(shè)備產(chǎn)生或轉(zhuǎn)發(fā)一個廣播信息包時，它將偵聽所有鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)情況。如果所有的鄰居都沒有在應(yīng)答時限內(nèi)復(fù)制數(shù)據(jù)包，設(shè)備將重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)信息包，直到它偵聽到該信息包已被所有鄰居轉(zhuǎn)發(fā)，或

10、廣播傳輸時間被耗盡為止。 5 數(shù)據(jù)傳輸機制 對于非信標網(wǎng)絡(luò)，當一個設(shè)備想要發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀時，它會等待信道空閑，直到檢測到信道為空后設(shè)備會傳輸該幀。 若目的設(shè)備為FFD全功能設(shè)備，它的接收器應(yīng)始終保持開啟狀態(tài)，以便其它的設(shè)備可隨時向它傳輸數(shù)據(jù)。但是若設(shè)備為RFD精簡功能設(shè)備，無操作時設(shè)備將關(guān)閉收發(fā)器以節(jié)約能量。此時RFD設(shè)備無法接收到任何數(shù)據(jù)。因此，其它設(shè)備只能通過RFD的FFD雙親向RFD設(shè)備請求或發(fā)送數(shù)據(jù)。直到RFD上電RX收發(fā)器后，它會向雙親請求自己的信息數(shù)據(jù)，若雙親緩沖區(qū)中存有發(fā)給孩子的信息，則將該信息發(fā)給孩子設(shè)備。該操作模式可降低RFD的功耗，但相應(yīng)的雙親FFD節(jié)點應(yīng)擁有足夠的RAM空

11、間，以便為孩子設(shè)備緩沖信息。若孩子設(shè)備沒有在規(guī)定的時間內(nèi)請求信息，信息將被丟失。 6 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的形成 首先，由Zigbee協(xié)調(diào)器建立一個新的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。一開始，Zigbee協(xié)調(diào)器會在允許的通道內(nèi)搜索其它的Zigbee協(xié)調(diào)器。并基于每個允許通道中所檢測到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號，選擇的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)。一旦一個新網(wǎng)絡(luò)被建立，Zigbee路由器與終端設(shè)備就可以參加到網(wǎng)絡(luò)中了。 網(wǎng)絡(luò)形成后，可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN ID沖突的現(xiàn)象。協(xié)調(diào)器可以初始化PAN ID沖突解決程序，改變一個協(xié)調(diào)器的PAN ID 與信道，同時相應(yīng)修改其所有的孩子設(shè)備。通常，Zigbee設(shè)備會將網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點信息存儲在一個非易失性的存儲空間-鄰居表中。加電后，若孩子設(shè)備曾參加過網(wǎng)絡(luò)，則該設(shè)備會執(zhí)行孤兒通知程序來鎖定先前參加的網(wǎng)絡(luò)。接收到孤兒通知的設(shè)備檢查它的鄰居表，并確定設(shè)備是否是它的孩子，若是，設(shè)備會通知孩子設(shè)備它在網(wǎng)絡(luò)中的位置，否則孩子設(shè)備將作為一個新設(shè)備來參加網(wǎng)絡(luò)。而后