1、ZigBee协议栈体系结构
本节将在介绍IEEE802.15.4标准和ZigBee协议的基础上，重点分析ZigBee协议栈的网络层关键技术及其工作机制。
2.1IEEE802.15.4标准
IEEE802.15.4标准[1]于2003年5月制定完成，它满足国际标准化组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，主要包括物理层、数据链路层。IEEE802.15.4协议与其他无线网络相比，突出的优点是：组网能力强，适应面广，可靠性高，节能性好。
2.2ZigBee协议栈
完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成。
图1ZigBee协议栈
如图1所示，ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定。其中安全层（Security）主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（ApplicationSub-laygerSupport，APS）、ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）等，实现应用层对设备的管理。
2.3网络层关键技术
ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree＋AODVjr等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。
Cluster-Tree（簇－树）是一种由网络协调器（Coordinator）展开生成树状网络的拓扑结构，适合于节点静止或者移动较少的场合，属于静态路由，不需要存储路由表。AODVjr算法是针对AODV（Adhoc按需距离矢量路由协议）算法的改进，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了AODV的一些特点，但是仍然保持AODV的原始功能。表1是两种算法的优缺点比较。
表1Cluster-Tree和AODVjr的优缺点比较
Cluster-Tree＋AODVjr路由算法汇聚了Cluster-Tree和AODVjr的优点。网络中的每个节点被分成四种类型：Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN：RoutingNode，路由节点；RFD：ReducedDevice）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同，Coordinator、RN+和RN－都是全功能节点（FFD:FullDevice），能给其他节点充当路由节点；RFD只能充当Cluster-Tree的叶子（LeafNode）。如果待发送数据的目标节点是自己的邻居，直接通信即可；反之，如果不是自己的邻居时，三种类型的节点处理数据包各不相同：RN+可以启动AODVjr，主动查找到目标节点的最佳路由，且它可以扮演路由代理（RoutingAgent）的角色，帮助其他节点查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可以通过计算，判断该交给数据包请自己的父节点还是某个子节点转发；而RFD只能把数据交给父节点，请其转发。
图2为Cluster-Tree＋AODVjr算法时网络层数据传输示意图。节点E发送数据包给节点D，数字代表各种包发送的时间先后次序。从图中可以看出，节点E的类型是RFD，它只能将数据DATA传送给其父节点C。C的类型是RN+，所以它先把数据放入缓存后，再通过组播AODVjr路由请求包RREQ查找到节点D的路由，节点D再通过单播沿最短的路径D-B-C给节点C回复AODVjr路由应答包RREP。节点C找到路由后，把缓存数据沿C-B-D发送给节点D，节点D再沿D-B-C-E发送确认包ACK给节点E，节点E收到确认包后，整个通信过程结束。
图2网络层数据传输示意图
3.网络层实现
作者已在符合IEEE802.15.4的硬件平台上实现ZigBee协议栈，成功研发出ZigBee开发包（ZigBeeDevelopmentKit，ZDK）,验证了其可行性。同时，根据一些特定的应用将算法改进，取得良好的运用效果。本节将重点介绍ZigBee网络层的实现。
3.1无线模块的设计
根据不同类型节点功能不同的特点，作者在不同的硬件平台设计模块。设计制作的ZigBee系列模块完全满足IEEE802.15.4和ZigBee协议的规范要求，符合ISM/SRD规范，通过美国FCC认证。模块集无线收发器、微处理器、存储器和用户API等软硬件于一体，能实现1.0版ZigBee协议栈的功能。Coordinator可以连接使用ARM处理器开发的嵌入式系统，功能较多的路由节点（RN+，RN-）由高档单片机充当，功能较少的叶子节点（RFD）使用普通的单片机。模块还可以根据实际需要，工作在不同的睡眠模式和节能方式。
图3是模块的硬件设计框图，射频芯片采用Chipcon公司生产的符合IEEE802.15.4标准的模块CC2420；控制射频芯片的微处理器，可以根据需要选择Atmel公司的AVR系列单片机或者SiliconLabs公司的8051内核单片机。单片机与射频芯片之间通过SPI进行通信，连接速率是6Mbps。单片机与外部设备之间通过串口进行通信，连接速率是38.4kbps。单片机自带若干ADC或者温度传感器，可以实现简单的模数转换或者温度监控。为了方便代码移植到不同的硬件平台，模块固件采用标准C语言编写代码实现。
图3ZigBee模块框图
3.2网络的建立
ZigBee网络最初是由协调器发动并且建立。协调器首先进行信道扫描（Scan），采用一个其他网络没有使用的空闲信道，同时规定Cluster-Tree的拓扑参数，如最大的儿子数（Cm）、最大层数（Lm）、路由算法、路由表生存期等。
图4节点加入及脱离网络握手示意图
图4是设计的节点加入及脱离网络握手示意图。协调器启动后，其他普通节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入（Join）网络。一个节点加入网络后，可以从其父节点得到自己的短MAC地址，ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数。同理，一个节点要离开（Leave）网络，只须向其父节点提出请求即可。一个节点若成功地接收一个儿子，或者其儿子成功脱离网络，都必须向协调器汇报。因此，协调器可以即时掌握网络的所有节点信息，维护网络信息库（PIB，PANInformationBase）。
3.3路由设计与实现
在传输数据时，不同类型的的节点有不同的处理方法，协调器的处理机制与RN+相同。网络层路由设计分为RN+，RN-和RFD三个模块。图5至图7分别是三种类型节点接收到上层或者其他节点发送的数据包时，网络层处理程序的流程图。
图5RN+网络层处理程序的流程图图6RN-网络层处理程序的流程图
图7RFD网络层处理程序的流程图
因为实际点对点通信是通过MAC地址进行数据传输的，所以每个节点在接收到信息包时，都要维护邻居表，邻居表主要起地址解析（AddressResolution）的作用：将邻居节点的网络地址转换成MAC地址。另外，类型是RN+的节点在接收到信息包或者启动AODVjr查找路由时，还必须维护路由表。邻居表和路由表的记录都有生存期，超过生存期的记录将被删除。
3.4测试方法
无线通信有其特殊性质，每个节点发送的数据包既是信号源，同时又可能是干扰源，因此无线网络的测试是一大难题。为了能在室内方便测试网络性能，引入黑名单机制，强制让一些节点对黑名单节点发送的数据包“视而不见”，以测试十几点甚至几十点的特殊网络。在实际应用时，去掉黑名单并不影响网络的工作性能。测试时，还可以采用符合IEEE802.15.4的包探测器（Sniffer），记录测试过程中空气中所传输的无线数据。每个模块还可以通过I/O输出自己的收发状态等信息。通过多种手段对测试过程进行分析，才能提高开发测试效率。
表2是某个节点的黑名单列表，该节点接收到的数据包发送方MAC地址如果符合下列n个公式中的一个，则该节点认为没有接收到数据包，对该数据包不作任何处理。
表2黑名单列表
4典型应用
ZDK开发包,除了实现IEEE802.15.4的MAC层及ZigBee的网络层功能外，目前还完成一些应用层功能，同时提供简单易用的API接口，以便使用者根据实际需要进行二次开发。该技术已经成功地应用于组建家庭无线网络、无线传感器网络、无线门控系统和无线停车场计费系统等领域中。
4.1网络功能
图8是一个典型的ZigBee网络，该网络可取代有线电缆构成的拓扑。网络中端对端设备可以采用透明模式（TransparentMode）交互信息，完成无线RS232和RS485的数据传输功能。只要接上模块，多台设备的串口就能直接交互数据。这种应用尤其适合不易铺设有线电缆、通信时须要考虑避雷等因素的场合。
图8典型的ZigBee网络示意图
为了充分发挥其他网络的作用，实现网络与外网（WLAN，Ethernet，PSTN，GPS等）的连接，以便远程控制ZigBee网络的工作，协调器还必须充当网关（Gateway），实现内网（WPAN）和外网的连接。由ARM处理器开发的嵌入式系统充当协调器及无线网关，它有RJ45，RJ11，RS232接口，可以通过以太网（Ethernet）、有线电话网（PSTN）、通用无线分组业务网（GPRS）或者全球地位系统（GPS）连接ZigBee网络，如图9所示。
图9ZigBee网络与其他网络连接图
4.2实践效果
ZigBee模块载波频率为2.4GHz，通信速率为250kbps，发射功率在0dbm至-24dbm，接收灵敏度为－94dm。点对点通信距离，室内为60米左右，室外为100米左右，误包率小于0.5％。在不超过10跳的范围内通信，传输延迟不超过2秒，误包率小于1％；每包数据能传输的最大有效纯负荷为110字节。
目前，已经测试过50点的网络，实现跨多个房间、楼宇的数据传输。在节能模式下，模块能在电池供电的条件中长时间（约3个月）工作。本网络除了包含通用ZigBee网络的特点外，还能跟其他有线或者无线网络互通互融，达到优势互补，在实际应用中取得良好的效果。实践证明，ZigBee网络有其自己的鲜明特点，在众多的无线网络中有其存在和发展的空间。
5.总结和展望
本文主要讨论了该网络的理论基础，同时给出了网络层实现办法及解决方案。这种方案已被美国赫立讯科技公司用于设计IP-Link系列模块、ZigBee开发套件以及海尔家庭无线网络，取得较好的市场价值。
基于IEEE802.15.4的ZigBee网络是扩充现有网络应用的一种良好手段，具有广阔的应用场合和发展前景。ZigBee协议栈还在不断升级，如何根据不同的需求设计高性能的ZigBee网络，如何将ZigBee网络与其他网络进行可靠连接，达到功能互补，是一项很有意义的课题。
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