淺析ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

楊 旭，田 宇，杜士華，董興楷，王建業(yè)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010010）

ZigBee是一種新出現(xiàn)的低速率、低成本、短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，是在數(shù)以千計(jì)的微小的傳感器中相互協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)的。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，它是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（PAN）工作組的一個標(biāo)準(zhǔn)，也叫作IEEE 802.15.4（ZigBee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)和其它技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)成為無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)不但能夠在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等傳統(tǒng)領(lǐng)域獲得極高的應(yīng)用價值，還能涉及到人類日常生產(chǎn)生活中的方方面面。

1 ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢

ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)和原有的無線網(wǎng)絡(luò)相比，擁有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有更好的節(jié)能性與可靠性。在單跳網(wǎng)絡(luò)中，若一個接入點(diǎn)出現(xiàn)問題就會影響到所有的網(wǎng)絡(luò)；而無線組網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)和路由器都單獨(dú)的接收并傳輸信息，當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時，通過中繼處理，繞過問題，信息能夠通過其他的通信鏈路進(jìn)行傳遞，從而確保所有的網(wǎng)絡(luò)都能夠運(yùn)行。同時，在無線組網(wǎng)技術(shù)中，每個節(jié)點(diǎn)能夠離得很近，因此節(jié)點(diǎn)所需要的功率極大的減小了，多跳技術(shù)增強(qiáng)了無線組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電池的使用壽命。

（2）高帶寬。按照無線通信的物理特點(diǎn)，無線傳輸距離越大時，數(shù)據(jù)丟失和干擾的幾率就會增加，所以通信傳輸?shù)木嚯x越短其帶寬就能越高。無線組網(wǎng)技術(shù)能夠使用多次“短跳”來傳輸信息，節(jié)點(diǎn)之間的無線信號干擾會因?yàn)槁烦痰目s小而降低，但信道利用率和質(zhì)量會因?yàn)槁烦痰臏p少而加強(qiáng)，從而使得帶寬程度變高，能夠獲得更高的帶寬。

（3）沖突降低。由于鏈路是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)能夠使用的鏈路數(shù)得到了加強(qiáng)，同時所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都擁有選路能力，全部自組織網(wǎng)絡(luò)能夠在一定程度上降低業(yè)務(wù)執(zhí)行時產(chǎn)生的沖突。無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的一個路徑如果出現(xiàn)了問題，節(jié)點(diǎn)就能夠自動搜索其他的冗余通信通道，選擇其余能夠通行的信息通道展開信息傳遞，從而保持正常的網(wǎng)絡(luò)通信，降低了業(yè)務(wù)開展過程中出現(xiàn)沖突的可能性。

2 ZigBee組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由能夠自主構(gòu)建并進(jìn)行維護(hù)，且擁有極強(qiáng)的自愈、自組織能力，該網(wǎng)絡(luò)能夠通過“多級跳”的方式來展開通信，是一種以接力方式傳輸?shù)?，較為特殊的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時它還能組成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，擁有較強(qiáng)的路由深度與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。

2.1 網(wǎng)絡(luò)的初始化

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是通過協(xié)調(diào)器（Coordinator）來實(shí)現(xiàn)的，所有的節(jié)點(diǎn)若要構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)一定要達(dá)到以下的條件：一是節(jié)點(diǎn)要是FFD節(jié)點(diǎn)，擁有協(xié)調(diào)器的作用；二是節(jié)點(diǎn)還未和其他網(wǎng)絡(luò)連接，因?yàn)橐粋€網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器，若該節(jié)點(diǎn)已和其他網(wǎng)絡(luò)相連，則該節(jié)點(diǎn)就只能是其他網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)，無法再構(gòu)建自身的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee的所有節(jié)點(diǎn)都有單獨(dú)的MAC地址，且地址是通過預(yù)編程設(shè)計(jì)的，ZigBee的網(wǎng)絡(luò)初始化具有以下順序：一是確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。第一先要分析節(jié)點(diǎn)是否是FFD節(jié)點(diǎn)，然后該FFD節(jié)點(diǎn)將會檢測其有沒有形成網(wǎng)絡(luò)，若未形成網(wǎng)絡(luò)，就會馬上構(gòu)建出一個全新的網(wǎng)絡(luò)流程，從而建立自身的ZigBee網(wǎng)絡(luò)；二是展開信道掃描。該掃描可以分為主動掃描和能量掃描，能夠防止可能出現(xiàn)的干擾。網(wǎng)絡(luò)層會先發(fā)出請求對相應(yīng)的信道展開能量檢測掃描，網(wǎng)絡(luò)層會發(fā)送掃描類型（Scan Type）參數(shù)設(shè)置為能量檢測掃描的MLME-SACAN.request原語到MAC層展開信道能量檢測掃描，掃描的結(jié)果再通過MLME-SACAN.confirm原語返回；三是設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID。若網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)現(xiàn)合適的網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器就會挑選一個PAN標(biāo)識符PAN ID賦予該新網(wǎng)絡(luò)，該ID取值一般不超過0x3FFF，且ID在該信道中具有唯一性。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過NLME_SET.request原語把PANID寫入macPANID屬性。能夠通過監(jiān)聽信道中的其他網(wǎng)絡(luò)來獲得ID，也能人為的確定ID，但選擇的ID無法和存在的ID相沖突。

2.2 節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)明確ZigBee協(xié)調(diào)器后，節(jié)點(diǎn)首先就要和協(xié)調(diào)器相連并接入網(wǎng)絡(luò)。按照FFD/RFD的特點(diǎn)，接下來對FFD節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器相連加入網(wǎng)絡(luò)的流程展開分析。第一FFD節(jié)點(diǎn)要向協(xié)調(diào)器提出連接的申請，才能進(jìn)行連接，協(xié)調(diào)器收到節(jié)點(diǎn)的連接請求后按照情況決定是否進(jìn)行連接，并對節(jié)點(diǎn)作出反應(yīng)，具體流程如下：一是尋找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。第一會自主進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)周圍的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，若在掃描時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)信號，就能夠得到協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息，此時就會向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接的請求。若沒有檢測到信號，就會在一段時間后再次進(jìn)行掃描；耳帶式發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令。節(jié)點(diǎn)會把關(guān)聯(lián)請求命令發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到信息后會馬上發(fā)出確認(rèn)幀（ACK），并向其上層發(fā)出連接指示原語，表明已經(jīng)接收到節(jié)點(diǎn)的連接請求；三是等待協(xié)調(diào)處理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到請求命令A(yù)CK后，節(jié)點(diǎn)的MAC就會等待一段時間，接受協(xié)調(diào)器的連接響應(yīng)；四是發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。若協(xié)調(diào)器在響應(yīng)時間內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)加入，那么就會出現(xiàn)關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令并儲存該命令。響應(yīng)后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到消息后馬上回復(fù)ACK，并把存儲的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)送給節(jié)點(diǎn)；五是回復(fù)，節(jié)點(diǎn)接收到關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后，會馬上向協(xié)調(diào)器回復(fù)確認(rèn)幀（ACK），從而確認(rèn)接收到連接響應(yīng)命令。

3 結(jié)束語

基于ZigBee的無線組網(wǎng)技術(shù)能夠使用先進(jìn)的交換機(jī)、路由器、傳感器等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并構(gòu)建出較好的路由器轉(zhuǎn)發(fā)通信協(xié)議和安全、高速的傳輸帶寬，從而確保無線組網(wǎng)技術(shù)能夠正常的開展。