基于ZigBee的WPAN網絡配置應用

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低成本、低功耗的無線網絡技術。它采用直接序列擴頻（DSSS）技術，工作頻率為868MHz、915MHz或2.4GHz，都是無須申請執照的頻率。基于ZigBee技術配置無線個域網絡是近年來近距離無線通信技術的一種新發展，在工業自動化領域以及智能家居領域獲得了越來越廣泛的應用。

ZigBee網絡配置
1 網絡設備組成

ZigBee網絡設備主要包括網絡協調器、全功能設備和精簡功能設備3類。

① 網絡協調器
包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。功能是發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息。

② 全功能設備
全功能設備（Full-Function Device，FFD）可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其他的FFD或精簡功能裝置（RFD）聯結。FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。其設備特性如下。

● 附帶由標準指定的全部IEEE 802.15.4功能和所有特征；
● 更強的存儲能力和計算能力可使其在空閑時起網絡路由器作用；
● 也能用作終端設備。

③ 精簡功能設備
精簡功能設備（Reduced-Function Device，RFD）只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，其設備特性如下。

● 附帶有限的功能來控制成本和復雜性；
● 在網絡中通常用作終端設備；
● RFD由于省掉了內存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協議棧也有助于降低成本。

2 網絡節點類型
從網絡配置上，ZigBee網絡中有3種類型的節點：ZigBee協調點、ZigBee路由節點和ZigBee終端節點。

① ZigBee協調點
ZigBee協調點在IEEE 802.15.4中也稱為PAN（Personal Area Network）協調點（ZigBee Coordinator，ZC），在無線傳感器網絡中可以作為匯聚節點。ZigBee協調點必須是FFD，一個ZigBee網絡只有一個ZigBee協調點，它往往比網絡中其他節點的功能更強大，是整個網絡的主控節點。它負責發起建立新的網絡、設定網絡參數、管理網絡中的節點以及存儲網絡中節點信息等，網絡形成后也可以執行路由器的功能。ZigBee協調點是3種類型ZigBee節點最為復雜的一種，一般由交流電源持續供電。

② ZigBee路由節點
ZigBee路由節點（ZigBee Router，ZR）也必須是FFD。ZigBee路由節點可以參與路由發現、消息轉發，通過連接別的節點來擴展網絡的覆蓋范圍等。此外，ZigBee路由節點還可以在它的個人操作空間（POS，Personal Operating Space）中充當普通協調點（IEEE 802.15.4稱為協調點）。普通協調點與ZigBee協調點不同，它仍然受ZigBee協調點的控制。

③ ZigBee終端節點
ZigBee終端節點（ZigBee EndDevice，ZE）可以是FFD或者RFD，它通過ZigBee協凋點或者ZigBee路由節點連接到網絡，但不允許其他任何節點通過它加入網絡，ZigBee終端節點能夠以非常低的功率運行。

3 網絡工作模式
ZigBee網絡的工作模式可以分為信標（Beacon）和非信標（Non-beacon）2種模式，信標模式實現了網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節省，而非信標模式則只允許ZE進行周期性休眠，ZC和所有ZR設備必須長期處于工作狀態。

信標模式下，ZC負責以一定的間隔時間（一般在15ms～4min）向網絡廣播信標幀，2個信標幀發送之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網絡休眠區和網絡活動區2個部分，消息只能在網絡活動區的各時槽內發送。

非信標模式下，ZigBee標準采用父節點為ZE子節點緩存數據，ZE主動向其父節點提取數據的機制，實現ZE的周期性（周期可設置）休眠。網絡中所有父節點需為自己的ZE子節點緩存數據幀，所有ZE子節點的大多數時間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節點握手以確認自己仍處于網絡中，其從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要15ms。

網絡拓撲結構
IEEE 802.15.4網絡根據應用的需要可以組織成星型網絡，也可以組織成點對點網絡。在星型結構中，所有設備都與中心設備PAN網絡協調器通信。在這種網絡中，網絡協調器一般使用持續電力系統供電，而其他設備采用電池供電。星型網絡適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小范圍的室內應用。與星型網不同，點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內，任何2個設備都可以直接通信。點對點網絡中也需要網絡協調器，負責實現管理鏈路狀態信息，認證設備身份等功能。點對點網絡模式可以支持Ad Hoc網絡，允許通過多跳路由的方式在網絡中傳輸數據。不過一般認為自組織問題由網絡層來解決，不在IEEE 802.15.4標準討論范圍之內。點對點網絡可以構造更復雜的網絡結構，適合于設備分布范圍廣的應用，例如，在工業檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農業等方面有非常好的應用背景。

由于樹狀網絡和網狀網絡具有在多個網絡之間路由數據包的功能，因而被稱為多跳網絡，而星形網絡則被稱為單跳網絡。和任何網絡一樣，ZigBee網絡也是多點接入網絡，這意味著網絡中的所有節點對通信介質的訪問是同等的。其有2種類型的多點接入機制，在沒有使能信標的網絡中，只要信道是空閑的，在任何時候都允許所有節點發送。在使能了信標的網絡中，僅允許節點在預定義的時隙內進行發送。協調器會定期以一個標識為信標幀的超級幀開始發送，并且希望網絡中的所有節點與此幀同步。在這個超級幀中為每個節點分配了一個特定的時隙，在該時隙內允許節點發送和接收數據。超級幀可能還含有一個公共時隙，在此時，隙內所有節點競爭接入信道。

雖然網絡拓撲結構的形成過程屬于網絡層的功能，但IEEE 802.15.4為形成各種網絡拓撲結構提供了充分支持。在規劃設計時，通常需要考慮網絡容量和時延。ZigBee標準的網絡容量雖然可以支持到最多65535個網絡節點，但每2個相鄰節點完成一次通信需要15ms時間，所以在實際應用中需要考慮網絡覆蓋范圍和響應時間。單點容量大了，覆蓋范圍擴充不大；響應時間大了，應用業務實現不了。這就需要根據應用環境的不同，設計有效的網絡拓撲組合來滿足各種不同應用。

1 星型網絡
星形網絡是一個輻射狀系統，數據和網絡命令都通過中心節點傳輸。在這種路由拓撲中，外圍節點需要直接與中心節點無線連接，某個節點的沖突或者故障將會降低系統的可靠性。星形網絡拓撲結構最大的優點是結構簡單，因為很少有上層協議需要執行，設備成本低、較少的上層路由管理；中心節點承擔絕大多數管理工作，如發放證書和遠距離網關管理等。缺點是：靈活性差，因為需要把每個終端節點放在中心節點的通信范圍內，必然會限制無線網絡的覆蓋范圍；而且，集中的信息涌向中心節點，容易造成網絡阻塞、丟包、性能下降等情況。

星型網絡以網絡協調器為中心，所有設備只能與網絡協調器進行通信，因此在星型網絡的形成過程中，第一步就是建立網絡協調器。任何一個FFD設備都有成為網絡協調器的可能，一個網絡如何確定自己的網絡協調器由上層協議決定。一種簡單的應用策略是：一個FFD設備在第一次被激活后，首先廣播查詢網絡協調器的請求，如果接收到回應說明網絡中已經存在網絡協調器，再通過一系列認證過程，設備就成為了這個網絡中的普通設備。如果沒有收到回應，或者認證過程不成功，這個FFD設備就可以建立自己的網絡，并且成為這個網絡的網絡協調器。當然，這里還存在一些更深入的問題，一個是網絡協調器過期問題，如原有的網絡協調器損壞或者能量耗盡；另一個是偶然因素造成多個網絡協調器競爭問題，如移動物體阻擋導致一個FFD自己建立網絡，當移動物體離開的時候，網絡中將出現多個協調器。

網絡協調器要為網絡選擇一個唯一的標識符，所有該星型網絡中的設備都是用這個標識符來規定自己的屬主關系。不同星型網絡之間的設備通過設置專門的網關完成相互通信。選擇一個標識符后，網絡協調器就允許其他設備加入自己的網絡，并為這些設備轉發數據分組。星型網絡中的2個設備如果需要互相通信，都是先把各自的數據包發送給網絡協調器，然后由網絡協調器轉發給對方。

2 樹狀網絡
樹狀網絡是點對點網絡的一個例子，也是ZigBee典型的網絡拓撲結構。在一般的點對點網絡中，任意2個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發。但點對點網絡中仍然需要一個網絡協調器，不過該協調器的功能不再是為其他設備轉發數據，而是完成設備注冊和訪問控制等基本的網絡管理功能。網絡協調器的產生同樣由上層協議規定，例如，把某個信道上第一個開始通信的設備作為該信道上的網絡協議器。

在ZigBee的樹狀網絡中，絕大多數設備是FFD設備，而RFD設備總是作為樹狀的葉設備連接到網絡中。任意一個FFD都可以充當RFD協調器或者網絡協調器，為其他設備提供同步信息。在這些協調器中，只有一個可以充當整個點對點網絡的網絡協調器。網絡協調器可能和網絡中其他設備一樣，也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。網絡協調器首先將自己設為簇頭（Cluster Header，CLH），并將簇標識符（Cluster Identifier，CID）設置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網絡標識符，形成網絡中的第一個簇。接著，網絡協調器開始廣播信標幀；鄰近設備收到信標幀后，就可以申請加入該簇；設備可否成為簇成員，由網絡協調器決定。如果請求被允許，則該設備將作為簇的子設備加入網絡協調器的鄰居列表。新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中。

上面描述的只是一個由單簇構成的最簡單的樹狀，個域網網絡協調器可以指定另一個設備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設備成為簇頭，進一步擴大網絡的覆蓋范圍。但是過多的簇頭會增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠的通信設備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數，達到減少延遲和開銷的目的。

3 網狀網絡
MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；網絡還具備自組織、自愈功能。

網狀（Mesh）網是一種特殊的、按接力方式傳輸的點對點的網絡結構，其路由可自動建立和維護。通過圖1可以得知，一個ZigBee網絡只有一個網絡協調器，但可以有若干個路由器。協調器負責整個網絡的建網，同時它也可作為與其他類型網絡的通信節點（網關）。構成協調器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構成終端設備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD）。

圖1? ZigBee網狀網網絡結構圖
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節點功能及配置文件
1 節點功能
典型的ZigBee節點可支持多種特性和功能。例如，I/O節點可能有多種數字和模擬輸入/輸出。一些數字輸入可能被一個遠程控制器節點用到，而其他數字輸入可能被另一個遠程控制器節點使用。這種分配將創建一個真正的分布式控制網絡。為了便于在I/O節點和2個控制器節點之間進行數據傳輸，所有節點中的應用程序必須保存多個數據鏈路。為了減少成本，ZigBee節點僅使用一個無線信道來和多個端點/接口來創建多條虛擬鏈路或信道。

一個ZigBee節點支持32個端點（編號為0～31）和8個接口（編號為0～7）。端點0被保留用于設備配置，而端點31被保留僅用于廣播，剩下的總共30個端點用于應用。每個端點總共有8個接口。因此，實際上，應用在一個物理信道中最多可能有240條虛擬信道。

一個典型的ZigBee節點也將有很多屬性。例如，I/O節點包含稱為數字輸入1、數字輸入2、模擬輸入1等的屬性。每個屬性都有自己的值。例如，數字輸入1屬性可能有值1或0。屬性的集合被稱為群集。在整個網絡中，每個群集都被分配了一個唯一的群集ID，每個群集最多有65535個屬性。

2 配置文件
ZigBee協議還定義了一個稱為配置文件的術語。配置文件就是指對分布式應用的描述。它根據應用必須處理的數據包和必須執行的操作來描述分布式應用。使用描述符對配置文件進行描述，描述符僅僅是各種值的復雜結構。此配置文件使ZigBee設備可以互操作。ZigBee聯盟已經定義了很多標準的配置文件，例如，遠程控制開關配置文件和光傳感器配置文件等。任何遵循某一標準配置文件的節點都可以與其他實現相同配置文件的節點進行互操作。每個配置文件可以定義最多256個群集，每個群集最多可以有65535個屬性。此靈活性允許節點有大量的屬性（或I/O點）。

結語
隨著其應用環境的不斷拓展和延伸，對于ZigBee無線個域網絡的配置機制還需要不斷完善，以適應不同應用環境的工作需要。研究ZigBee無線個域網絡的配置機制對于個域網絡技術的推廣應用具有重要的實踐意義。