Zigbee框架體系結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)技術(shù)的研究及應(yīng)用

單洪偉，費(fèi)琳琳

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 日照 276800）

Zigbee框架體系結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)技術(shù)的研究及應(yīng)用

單洪偉，費(fèi)琳琳

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 日照 276800）

基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的分層網(wǎng)絡(luò)框架體系結(jié)構(gòu)和以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)的協(xié)議棧架構(gòu)，采用理論介紹和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，首先對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了介紹，接著通過(guò)無(wú)線控制開(kāi)關(guān)與照明設(shè)備間的無(wú)線連接方式和路由選擇實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證Zigbee網(wǎng)絡(luò)的自主搜索、自主組網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)，最后得出Zigbee作為一種新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形式，在無(wú)線物聯(lián)傳感方面有巨大的優(yōu)勢(shì)，必將在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中獲得更廣泛的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；IEEE802.15.4協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)自愈；數(shù)據(jù)采集

在過(guò)去的幾年里，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。相?duì)于有線和遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸?shù)牟环奖愫桶嘿F資費(fèi)，人們提出在自身周邊幾米或者幾十米范圍之內(nèi)短距離通信的需求，需求推動(dòng)科技發(fā)展。于是出現(xiàn)了無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Personal Area Network,WPAN）的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為短距離范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立無(wú)線連接，把幾米或者幾十米范圍內(nèi)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)無(wú)線的方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至可以通過(guò)某個(gè)設(shè)備接入局域網(wǎng)（LAN）或Internet。短距離、無(wú)線通訊技術(shù)一時(shí)風(fēng)起云涌，成為信息通訊技術(shù)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。各種新的無(wú)線通訊技術(shù)層出不窮，無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)日漸走入人們的生活。Wi-Fi、藍(lán)牙（Blue Tooth）、WLAN，Zigbee，紅外線等無(wú)線技術(shù)相繼出現(xiàn)，也逐漸為人們所熟知。無(wú)可否認(rèn)，各種無(wú)線技術(shù)在市場(chǎng)化的過(guò)程中展現(xiàn)了具大的應(yīng)用潛力，但于此同時(shí)，各種無(wú)線鏈接方式的優(yōu)缺點(diǎn)也都飽受詬病。就像Wi-Fi的穿透性、距離；藍(lán)牙的傳輸速度、紅外線的無(wú)障礙、直線要求。就現(xiàn)在移動(dòng)公司大力推廣的、如日中天的WLAN來(lái)說(shuō)，區(qū)域范圍小和基礎(chǔ)布置的高費(fèi)用也一直困擾著管理者和使用者。各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求都在努力追尋適合自己的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

伴隨著物聯(lián)中國(guó)（IOT China）概念的提出，物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）作為一個(gè)全新的概念出現(xiàn)在人們的視野中，物聯(lián)網(wǎng)所提倡的自動(dòng)感應(yīng)、識(shí)別技術(shù)得到了人們的廣泛關(guān)注，無(wú)線通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)生產(chǎn)、軍事探測(cè)、智能家居、醫(yī)療保健、教育科研中有了更廣泛的應(yīng)用[1]。工業(yè)自動(dòng)化和家庭智能化對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。低速率、低功耗、可嵌入、網(wǎng)絡(luò)自愈力強(qiáng)的無(wú)線要求使得在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳播中一直默默無(wú)聞的Zigbee異軍突起，成為作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)[2]。

1 Zigbee的框架體系結(jié)構(gòu)

Zigbee是由英文單詞“zig”和“bee”組成的，zig的意思為Z型的轉(zhuǎn)向，bee為蜜蜂，合起來(lái)表示蜜蜂的8字形舞蹈。眾所周知，蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花粉后會(huì)通過(guò)一種特殊的飛行動(dòng)作語(yǔ)言來(lái)告知同伴新發(fā)現(xiàn)的花粉的位置信息，這種肢體語(yǔ)言就是Zigbee舞蹈，是蜜蜂之間一種簡(jiǎn)單傳達(dá)信息的方式。人們用Zigbee來(lái)命名這種無(wú)線通訊方式，也是因?yàn)閆igbee也有蜜蜂8字舞一樣近距離、低復(fù)雜度、自組織的特點(diǎn)[3]。

Zigbee采用了OSI模型體系結(jié)構(gòu)，由稱之為層的各個(gè)模塊(實(shí)體）組成，不同的模塊（實(shí)體）負(fù)責(zé)不同的功能，每一層為其上一層提供數(shù)據(jù)整合和傳輸服務(wù)。每個(gè)服務(wù)模塊通過(guò)相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)SAP（Service Access Point，SAP）為其上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)SAP通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)完成所對(duì)應(yīng)的功能[4]。通常將Zigbee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)分為六層結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of Zigbee protocol stack

1 ) IEEE802.15.4協(xié)議

Zigbee采用了OSI的分層結(jié)構(gòu)，其實(shí)也可以說(shuō)是TCP/IP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗徊捎昧讼旅鎯蓪?，物理層（Physical Layer，PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer，DLL）。又將數(shù)據(jù)鏈路層分成了兩個(gè)子層：媒體接入層（Media Access Control，MAC）和鏈路層（Logical Link Control，LLC）。這兩層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.15.4協(xié)議工作小組制定，這也是許多文獻(xiàn)說(shuō)Zigbee采用IEEE802.15.4協(xié)議的原因。

①物理層

物理層是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著和外界進(jìn)行信息交換的任務(wù)，并控制RF收發(fā)器工作，還定義了物理層和MAC子層之間的接口。

②MAC子層

MAC子層負(fù)責(zé)處理所有的物理無(wú)線信道訪問(wèn)，保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)定位信號(hào)，所以MAC在日常中也被人們稱為的網(wǎng)卡地址。另外，MAC還支持個(gè)人局域網(wǎng)PAN（Personal Area Network, PAN）連接和退出，并為新加入的PAN提供MAC數(shù)據(jù)接入鏈接。LLC子層為網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)接口[4]。

2 ) Zigbee Alliance標(biāo)準(zhǔn)

Zigbee Alliance在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了標(biāo)注化，并在網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了安全層。

①網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是Zigbee協(xié)議棧的核心部分，Zigbee Alliance的大部分工作也都體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入或離開(kāi)，路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。

Zigbee的自動(dòng)組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)自愈功能也主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入或者退出時(shí)，Zigbee可以自動(dòng)重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)傳輸線路。如圖：

a）Zigbee可以自動(dòng)搜索和感知臨近的網(wǎng)絡(luò)，形成交互網(wǎng)絡(luò)。臺(tái)燈與無(wú)線開(kāi)關(guān)之間形成網(wǎng)路。

圖2 自動(dòng)組網(wǎng)示意圖Fig. 2 Automatic network diagram

b）需要信息傳遞時(shí)，自動(dòng)搜尋最合適的網(wǎng)絡(luò)。臺(tái)頂與開(kāi)關(guān)交互式，自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)粗的紅色線路形成數(shù)據(jù)交互鏈路。

圖3 自主選擇路由線路圖Fig. 3 Choose the route diagram

c）當(dāng)其中某個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，Zigbee自動(dòng)重新鏈接網(wǎng)絡(luò)，重新定義線路。當(dāng)圖中3個(gè)藍(lán)色節(jié)點(diǎn)關(guān)閉后，臺(tái)燈與無(wú)線開(kāi)關(guān)重新定義并鏈接。如圖4所示：

圖4 網(wǎng)絡(luò)自愈示意圖Fig. 4 Network self-healing diagram

②安全層

安全層（Security Service Provider，SSP）是Zigbee獨(dú)立開(kāi)發(fā)出來(lái)進(jìn)行信息安全驗(yàn)證的功能模塊，在OSI和TCP/IP模型中都沒(méi)有體現(xiàn)。它主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信息交換的密鑰管理、密鑰存取等功能。

③應(yīng)用程序接口

應(yīng)用程序接口（Application Interface，API）負(fù)責(zé)向用戶提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口，包括應(yīng)用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）和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。

應(yīng)用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）提供網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的鏈接界面，維持兩個(gè)層面之間的鏈接表，并在鏈接之間傳遞信息，并維持建立著一個(gè)ASP資訊庫(kù)。

Zigbee設(shè)備對(duì)象（Zigbee Device Object，ZDO）的功能包括起始應(yīng)用支持層次，網(wǎng)絡(luò)層以及安全服務(wù)等，并負(fù)責(zé)建立上層應(yīng)用所需要的各種資訊，發(fā)出或回應(yīng)上次應(yīng)用的鏈接要求，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的裝置與應(yīng)用服務(wù)、以及為網(wǎng)絡(luò)裝置之間建立安全關(guān)系等。

2 Zigbee的組網(wǎng)研究

Zigbee的組網(wǎng)一般來(lái)說(shuō)就是指以Zigbee為主要無(wú)線傳播技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)搭建。在無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的搭建過(guò)程中，一般需要無(wú)線信息的接收和發(fā)射裝置，信息的調(diào)制解調(diào)裝置等。

針對(duì)Zigbee的網(wǎng)絡(luò)組建，Zigbee定義了2種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：全功能設(shè)FFD（Full Functional Device,FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device，RFD）[5]。其中全功能設(shè)備FFD具有框架結(jié)構(gòu)中MAC層的全部的網(wǎng)絡(luò)功能，即可以用作信息的發(fā)射和接受裝置，也可以用作信息的調(diào)制解調(diào)裝置；而精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD只提供了MAC的部分功能，即只能進(jìn)行信息的發(fā)射和接受，不能進(jìn)行信息調(diào)制解調(diào)。與功能相對(duì)應(yīng)的，全功能設(shè)備FFD在網(wǎng)絡(luò)鏈接中可以處于任何位置。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的鏈接方式，Zigbee定義了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由全功能設(shè)備FFD和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD的設(shè)備功能不難發(fā)現(xiàn)，鏈接兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)的只能使用全功能設(shè)備FFD。所以大部分Zigbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示如圖5所示。

圖5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structure diagram of Zigbee network topology

其中：鏈接兩個(gè)或兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)必須為網(wǎng)絡(luò)鏈接設(shè)備，可以是網(wǎng)絡(luò)交換姐、網(wǎng)橋、集線器等，主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索和鏈接功能，在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中可以使用全功能設(shè)備FFD，支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，也可以作為普通節(jié)點(diǎn)，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信。只鏈接一個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，只能使用精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD，只支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為網(wǎng)絡(luò)終端使用。可以和中心節(jié)點(diǎn)和其他幾點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息收發(fā)功能[6]。

3 結(jié) 論

基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的低功耗、低成本、低報(bào)文吞吐率，高的網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)的特點(diǎn)。另外，Zigbee耗電量少，不需要頻繁更換電池，非常適合應(yīng)用與沒(méi)有電源支持的系統(tǒng)和便攜式系統(tǒng)中，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中必將獲得的廣泛的應(yīng)用。

1 )智能家居系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化。主要包括家庭無(wú)人值守系統(tǒng)，自動(dòng)感應(yīng)家庭安全，放火防盜，家庭自動(dòng)照明、感應(yīng)系統(tǒng)等。

2 )保健護(hù)理系統(tǒng)。在病人的服裝里潛入Zigbee系統(tǒng)模塊，自動(dòng)檢測(cè)采集病人的血壓、心跳、體溫等。做到的病人的醫(yī)療情況可以進(jìn)行24監(jiān)控，確保醫(yī)生隨時(shí)掌握病人情況。

3 )工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)。利用Zigbee和傳感系統(tǒng)可自動(dòng)收集、分析工業(yè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)危險(xiǎn)信號(hào)，做事故的早期預(yù)報(bào)、高速運(yùn)行系統(tǒng)的檢測(cè)與維修。

4 )現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)管理系統(tǒng)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，自動(dòng)管理成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要組成。利用Zigbee的大容量信息檢測(cè)功能，自動(dòng)采集土壤濕度、空氣質(zhì)量、溫度、氣壓等信息，經(jīng)無(wú)線傳輸至中央處理，根據(jù)預(yù)設(shè)信息，提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，或者對(duì)信息進(jìn)行處理，自動(dòng)啟動(dòng)升溫、降水、光照系統(tǒng)等。

[1] 楊東昇.Zigbee樹(shù)型路由算法的研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2013.

[2] 陳俊儒.數(shù)據(jù)安全的Zigbee以太網(wǎng)瘦網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

[3] 朱永利,陳濤,郭少杰. Zigbee技術(shù)在無(wú)線抄表中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信,2008(8):27-29.

ZHU Yong-li,CHEN Tao,GUO Shao-jie.Application of Zigbee technology in wireless meter reading[J].Power System Communication, 2008(8):27-29.

[4] 周武斌.Zigbee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的研究[P].中南大學(xué),2009.

[5] 張素智,李瑞昌.Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,6(15):16-18.

ZHANG Su-zhi,LI Rui-chang.Application of Zigbee wireless network technology in central air conditioning billing system[J].Journal of Zhengzhou Institute of Light Industry:Natural Science,2008,6(15):16-18.

[6] 李立軒.基于GPRS的路燈智能控制技術(shù)的研究[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2012.

Research and application of Zigbee framework architecture and networking technology

SHAN Hong-wei, FEI Lin-lin
（Rizhao Polytechnic, Rizhao 276800, China）

Based on the hierarchical network structure of Zigbee network and IEEE802.15.4 based protocol stack architecture, adopt theory introduction and experimental verification to look at and appraise union method. First, the Zigbee network frame structure was introduced. Then, through the wireless connection between the wireless control switch and lighting devices and routing experiment, to verify the Zigbee network of independent searching and independent networking technology features. Conclusion that Zigbee as a new type of wireless network, there are great advantage in terms of wireless sensing of Things. It will certainly get a wider range of applications in wireless sensor networks.

The Internet of things; IEEE802.15.4 protocol; network self-healing; data acquisition

TN919.3+4

A

1674-6236(2014)11-0174-03

2014–03–03 稿件編號(hào)：201403025

山東省科技廳2013科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(政策引導(dǎo)類)項(xiàng)目(2013YD01023)

單洪偉(1978—)，男，山東莒縣人，碩士，講師。研究方向：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。