Zigbee框架体系结构及组网技术的研究及应用

摘要：基于Zigbee网络的分层网络框架体系结构和以IEEE802.15. 4为基础的协议栈架构，采用理论介B和实验验证相结合的方法，首先对Zigbee网络框架结构体系进行了介绍，接着通过无线控制开关与照明设备间的无线连接方式和路由选择实验，来验证Zigbee网络的自主搜索、自主组网的技术特点，最后得出Zigbee作为一种新型的无线网络形式，在无线物联传感方面有巨大的优势，必将在无线传感网络中获得更广泛的应用。

在过去的几年里，随着信息技术的发展，计算机、网络已经成为人们日常生活的一部分。相对于有线和远距离无线传输的不方便和昂贵资费，人们提出在自身周边几米或者几十米范围之内短距离通信的需求，需求推动科技发展。于是出现了无线个人区域网络(Wireless Perso nal Area Network，WPAN)的概念。WPAN网络为短距离范围内的网络设备建立无线连接，把几米或者几十米范围内的多个网络设备通过无线的方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至可以通过某个设备接人局域网(LAN)或Internet。短距离、无线通讯技术一时风起云涌，成为信息通讯技术研究和发展的热点。各种新的无线通讯技术层出不穷，无线局域网络日渐走入人们的生活。Wi—Fi、蓝牙(Blue Tooth)、WLAN，Zig bee，红外线等无线技术相继出现，也逐渐为人们所熟知。无可否认，各种无线技术在市场化的过程中展现了具大的应用潜力，但于此同时，各种无线链接方式的优缺点也都饱受诟病。就像Wi—Fi的穿透性、距离;蓝牙的传输速度、红外线的无障碍、直线要求。就现在移动公司大力推广的、如日中天的WLAN来说，区域范围小和基础布置的高费用也一直困扰着管理者和使用者。各种无线网络要求都在努力追寻适合自己的无线网络传输方式。

伴随着物联中国(IOT China)概念的提出，物联网(The Internet of Things)作为一个全新的概念出现在人们的视野中，物联网所提倡的自动感应、识别技术得到了人们的广泛关注，无线通讯技术和传感器技术获得了飞速发展，无线传感器网络在工业生产、军事探测、智能家居、医疗保健、教育科研中有了更广泛的应用。工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需求也越来越强烈。低速率、低功耗、可嵌入、网络自愈力强的无线要求使得在无线网络传播中一直默默无闻的Zigbee异军突起，成为作为无线传感器网络的主要支撑技术。

1 Zigbee的框架体系结构

Zigbee是由英文单词“zig”和“bee”组成的，zig的意思为Z型的转向，bee为蜜蜂，合起来表示蜜蜂的8字形舞蹈。众所周知，蜜蜂在发现花粉后会通过一种特殊的飞行动作语言来告知同伴新发现的花粉的位置信息，这种肢体语言就是Zigbee舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。人们用Zigbee来命名这种无线通讯方式，也是因为Zigbee也有蜜蜂8字舞一样近距离、低复杂度、自组织的特点。

Zigbee采用了OSI模型体系结构，由称之为层的各个模块(实体)组成，不同的模块(实体)负责不同的功能，每一层为其上一层提供数据整合和传输服务。每个服务模块通过相应的服务接入点SAP(Service Access Point，SAP)为其上层提供数据服务接口，每个服务接入点SAP通过服务原语来完成所对应的功能。通常将Zigbee的协议栈结构分为六层结构，如图1所示：

1)IEEE802.15.4协议

Zigbee采用了OSI的分层结构，其实也可以说是TCP/IP协议的分层结构，因为它只采用了下面两层，物理层(Physical Layer，PHY)和数据链路层(Data Link Layer，DLL)。又将数据链路层分成了两个子层：媒体接入层(Media Access Control，MAC)和链路层(Logical Link Control，LLC)。这两层的协议标准由IEEE802.15.4协议工作小组制定，这也是许多文献说Zigbee采用IEEE802.15.4协议的原因。

①物理层

物理层是协议的最底层，承担着和外界进行信息交换的任务，并控制RF收发器工作，还定义了物理层和MAC子层之间的接口。

②MAC子层

MAC子层负责处理所有的物理无线信道访问，保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，并产生网络定位信号，所以MAC在日常中也被人们称为的网卡地址。另外，MAC还支持个人局域网PAN(Personal Area Network，PAN)连接和退出，并为新加入的PAN提供MAC数据接入链接。LLC子层为网络层提供数据接口。

2)Zigbee Alliance标准

Zigbee Alliance在IEEE802.15.4协议的基础上对网络层进行了标注化，并在网络层的基础上开发了安全层。

①网络层

网络层是Zigbee协议栈的核心部分，Zigbee Alliance的大部分工作也都体现在网络层，网络层主要实现网络节点加入或离开，路由查找及传送数据等功能。

Zigbee的自动组网和网络自愈功能也主要体现在网络层。当一个网络节点加入或者退出时，Zigbee可以自动重新计算网络，选择最合适的网络传输线路。如图：

a)Zigbee可以自动搜索和感知临近的网络，形成交互网络。台灯与无线开关之间形成网路。

b)需要信息传递时，自动搜寻最合适的网络。台顶与开关交互式，自动监测，通过粗的红色线路形成数据交互链路。

c)当其中某个或多个节点关闭时，Zigbee自动重新链接网络，重新定义线路。当图中3个蓝色节点关闭后，台灯与无线开关重新定义并链接。如图4所示：

②安全层

安全层(Security Service Provider，SSP)是Zigbee独立开发出来进行信息安全验证的功能模块，在OSI和TCP/IP模型中都没有体现。它主要负责实现信息交换的密钥管理、密钥存取等功能。

③应用程序接口

应用程序接口(Application Interface，API)负责向用户提供简单的应用软件接口，包括应用子层支持(Application Sub-layger Suppo rt，APS)和Zigbee设备对象(Zigbee Device Object，ZDO)等，实现应用层对设备的管理。

应用于层支持(Application Sub-layger Support，APS)提供网络层与应用层之间的链接界面，维持两个层面之间的链接表，并在链接之间传递信息，并维持建立着一个ASP资讯库。

Zigbee设备对象(Zigbee Device Object，ZDO)的功能包括起始应用支持层次，网络层以及安全服务等，并负责建立上层应用所需要的各种资讯，发出或回应上次应用的链接要求，发现同一个网络上的装置与应用服务、以及为网络装置之间建立安全关系等。

2 Zigbee的组网研究

Zigbee的组网一般来说就是指以Zigbee为主要无线传播技术的无线局域网络搭建。在无线局域网络的搭建过程中，一般需要无线信息的接收和发射装置，信息的调制解调装置等。

针对Zigbee的网络组建，Zigbee定义了2种网络设备：全功能设FFD(Full Functional Device，FFD)和精简功能设备RFD(Reduced Funct ion Device，RFD)。其中全功能设备FFD具有框架结构中MAC层的全部的网络功能，即可以用作信息的发射和接受装置，也可以用作信息的调制解调装置;而精简功能设备RFD只提供了MAC的部分功能，即只能进行信息的发射和接受，不能进行信息调制解调。与功能相对应的，全功能设备FFD在网络链接中可以处于任何位置。

针对网络中各节点的链接方式，Zigbee定义了Zigbee网络的三种拓扑结构。由全功能设备FFD和精简功能设备RFD的设备功能不难发现，链接两个或两个以上节点的只能使用全功能设备FFD。所以大部分Zigbee网络的拓扑结构表示如图5所示。

其中：链接两个或两个网络节点的节点必须为网络链接设备，可以是网络交换姐、网桥、集线器等，主要进行网络搜索和链接功能，在Zigbee网络中可以使用全功能设备FFD，支持任何一种拓扑结构，可以作为网络中心节点，也可以作为普通节点，并且可以和任何一种设备进行通信。只链接一个节点的节点为网络终端节点，只能使用精简功能设备RFD，只支持星型网络结构，作为网络终端使用。可以和中心节点和其他几点进行通信，实现网络信息收发功能。

3 结论

基于Zigbee网络的低功耗、低成本、低报文吞吐率，高的网络自组织、自愈能力强的特点。另外，Zigbee耗电量少，不需要频繁更换电池，非常适合应用与没有电源支持的系统和便携式系统中，因此在传感器网络中必将获得的广泛的应用。

1)智能家居系统和楼宇自动化。主要包括家庭无人值守系统，自动感应家庭安全，放火防盗，家庭自动照明、感应系统等。

2)保健护理系统。在病人的服装里潜入Zigbee系统模块，自动检测采集病人的血压、心跳、体温等。做到的病人的医疗情况可以进行24监控，确保医生随时掌握病人情况。

3)工业检测系统。利用Zigbee和传感系统可自动收集、分析工业数据，检测危险信号，做事故的早期预报、高速运行系统的检测与维修。

4)现代农业自动管理系统。在现代农业中，自动管理成为农业现代化的一个重要组成。利用Zigbee的大容量信息检测功能，自动采集土壤湿度、空气质量、温度、气压等信息，经无线传输至中央处理，根据预设信息，提早发现问题，或者对信息进行处理，自动启动升温、降水、光照系统等。