1. 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線技術(shù)逐漸取代有線技術(shù)，僅支持靜態(tài)固定拓?fù)涞臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)也逐漸被支持動(dòng)態(tài)變化拓?fù)涞臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)取代。在短距離的無(wú)線控制、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，通用的技術(shù)有802.11、藍(lán)牙、HomeRF等，它們各有自己的優(yōu)勢(shì)，但仍然存在功耗大、組網(wǎng)能力差等劣勢(shì)。為了彌補(bǔ)上述協(xié)議的不足，ZigBee聯(lián)盟于2004年12月中旬推出基于IEEE 802.15.4的ZigBee協(xié)議棧。 ZigBee短距離低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Low Rate-Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）不僅具有低成本、低功耗、低速率、低復(fù)雜度的特點(diǎn)；而且具有可靠性高，組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活的優(yōu)勢(shì)。本文將介紹ZigBee協(xié)議棧并提出網(wǎng)絡(luò)層的具體實(shí)現(xiàn)方案。

2. ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

本節(jié)將在介紹IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)及其工作機(jī)制。

2.1 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[1]于2003年5月制定完成，它滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。IEEE 802.15.4協(xié)議與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，突出的優(yōu)點(diǎn)是：組網(wǎng)能力強(qiáng)，適應(yīng)面廣，可靠性高，節(jié)能性好。

2.2 ZigBee協(xié)議棧

完整的Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成。

圖1 ZigBee協(xié)議棧

如圖1所示，ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口等由ZigBee聯(lián)盟制定。其中安全層（Security）主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應(yīng)用程序接口負(fù)責(zé)向用戶提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口（API），包括應(yīng)用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）、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。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree＋AODVjr等多種路由算法，支持星形（Star）、樹形（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

Cluster-Tree（簇－樹）是一種由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）展開(kāi)生成樹狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合于節(jié)點(diǎn)靜止或者移動(dòng)較少的場(chǎng)合，屬于靜態(tài)路由，不需要存儲(chǔ)路由表。AODVjr算法是針對(duì)AODV[5,6]（Ad hoc按需距離矢量路由協(xié)議）算法的改進(jìn)，考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性等因素，簡(jiǎn)化了AODV的一些特點(diǎn)，但是仍然保持AODV的原始功能。表1是兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)缺點(diǎn)比較

Cluster-Tree＋AODVjr路由算法匯聚了Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分成四種類型：Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN：Routing Node，路由節(jié)點(diǎn)；RFD：Reduced Function Device）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同，Coordinator、RN+和RN－都是全功能節(jié)點(diǎn)（FFD: Full Function Device），能給其他節(jié)點(diǎn)充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)；RFD只能充當(dāng)Cluster-Tree的葉子（Leaf Node）。如果待發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是自己的鄰居，直接通信即可；反之，如果不是自己的鄰居時(shí)，三種類型的節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)包各不相同：RN+可以啟動(dòng)AODVjr，主動(dòng)查找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最佳路由，且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色，幫助其他節(jié)點(diǎn)查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可以通過(guò)計(jì)算，判斷該交給數(shù)據(jù)包請(qǐng)自己的父節(jié)點(diǎn)還是某個(gè)子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)；而RFD只能把數(shù)據(jù)交給父節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)其轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2為Cluster-Tree＋AODVjr算法時(shí)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸示意圖。節(jié)點(diǎn)E發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)D，數(shù)字代表各種包發(fā)送的時(shí)間先后次序。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)E的類型是RFD，它只能將數(shù)據(jù)DATA傳送給其父節(jié)點(diǎn)C。C的類型是RN+，所以它先把數(shù)據(jù)放入緩存后，再通過(guò)組播AODVjr路由請(qǐng)求包RREQ查找到節(jié)點(diǎn)D的路由，節(jié)點(diǎn)D再通過(guò)單播沿最短的路徑D-B-C給節(jié)點(diǎn)C回復(fù)AODVjr路由應(yīng)答包RREP。節(jié)點(diǎn)C找到路由后，把緩存數(shù)據(jù)沿C-B-D發(fā)送給節(jié)點(diǎn)D，節(jié)點(diǎn)D再沿D-B-C-E發(fā)送確認(rèn)包ACK給節(jié)點(diǎn)E，節(jié)點(diǎn)E收到確認(rèn)包后，整個(gè)通信過(guò)程結(jié)束。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸示意圖

3.網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)

作者已在符合IEEE 802.15.4的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧，成功研發(fā)出ZigBee開(kāi)發(fā)包（ZigBee Development Kit，ZDK）,驗(yàn)證了其可行性。同時(shí)，根據(jù)一些特定的應(yīng)用將算法改進(jìn)，取得良好的運(yùn)用效果。本節(jié)將重點(diǎn)介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)。

3.1無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)不同類型節(jié)點(diǎn)功能不同的特點(diǎn)，作者在不同的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)模塊。設(shè)計(jì)制作的ZigBee系列模塊完全滿足IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議的規(guī)范要求，符合ISM/SRD規(guī)范，通過(guò)美國(guó)FCC認(rèn)證。模塊集無(wú)線收發(fā)器、微處理器、存儲(chǔ)器和用戶API等軟硬件于一體，能實(shí)現(xiàn)1.0版ZigBee協(xié)議棧的功能。Coordinator可以連接使用ARM處理器開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，功能較多的路由節(jié)點(diǎn)（RN+，RN-）由高檔單片機(jī)充當(dāng)，功能較少的葉子節(jié)點(diǎn)（RFD）使用普通的單片機(jī)。模塊還可以根據(jù)實(shí)際需要，工作在不同的睡眠模式和節(jié)能方式。

圖3是模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖，射頻芯片采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的模塊CC2420；控制射頻芯片的微處理器，可以根據(jù)需要選擇Atmel公司的AVR系列單片機(jī)或者Silicon Labs公司的8051內(nèi)核單片機(jī)。單片機(jī)與射頻芯片之間通過(guò)SPI進(jìn)行通信，連接速率是6Mbps。單片機(jī)與外部設(shè)備之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，連接速率是38.4kbps。單片機(jī)自帶若干ADC或者溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換或者溫度監(jiān)控。為了方便代碼移植到不同的硬件平臺(tái)，模塊固件采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫代碼實(shí)現(xiàn)。

圖3 ZigBee模塊框圖

3.2網(wǎng)絡(luò)的建立

ZigBee網(wǎng)絡(luò)最初是由協(xié)調(diào)器發(fā)動(dòng)并且建立。協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行信道掃描（Scan），采用一個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有使用的空閑信道，同時(shí)規(guī)定Cluster-Tree的拓?fù)?a target="_blank">參數(shù)，如最大的兒子數(shù)（Cm）、最大層數(shù)（Lm）、路由算法、路由表生存期等。

圖4 節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖

圖4是設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖。協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，其他普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只要將自己的信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同，并提供正確的認(rèn)證信息，即可請(qǐng)求加入（Join）網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，可以從其父節(jié)點(diǎn)得到自己的短MAC地址，ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址以及協(xié)調(diào)器規(guī)定的拓?fù)鋮?shù)。同理，一個(gè)節(jié)點(diǎn)要離開(kāi)（Leave）網(wǎng)絡(luò)，只須向其父節(jié)點(diǎn)提出請(qǐng)求即可。一個(gè)節(jié)點(diǎn)若成功地接收一個(gè)兒子，或者其兒子成功脫離網(wǎng)絡(luò)，都必須向協(xié)調(diào)器匯報(bào)。因此，協(xié)調(diào)器可以即時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)信息，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)（PIB，PAN Information Base）。